트랜지스터의 최대 출력 성능을 제한하는 요소 중 가장 중요한 하나가 항복 전압이다. GaAs 기판 위에 점진적으로 성장된 메타몰픽(Metamorphic) InAlAs/InGaAs HEMTs(MHEMT)는 InP 기판 위에 성정한 HEMT에 비해 비용 측면에서 특히 장점을 가지고 있다. 그러나 GaAs 나 InP 기반의 HEMT 소자들은 모두 우수한 마이크로파 및 밀리미터파 주파수 특성 및 이에 따른 저잡음 특성에 비해 낮은 항복전압으로 인해 파워 소자로서는 중간출력 정도의 소자로서만 사용 가능하다. 이러한 HEMT 소자의 항복 전압을 개선하기 위하여 본 논문에서는 InAlAs/$In_xGa_{1-x}As$/GaAs MHEMT 소자들의 항복 특성을 시뮬레이션하고 분석하였다. 2차원 소자 시뮬레이터의 hydrodynamic 전송 모델을 사용하여 $In_{0.52}Al_{0.48}As/In_{0.53}Ga_{0.47}As$ 이종접합 구조를 갖는 제작된 0.1-${mu}m$ ${Gamma}$-gate MHEMT 소자에 대하여 파라미터 보정 작업을 수행한 후 항복 특성에 영향을 주는 요소들을 분석하였다. 깊은 준위 트랩 효과를 고려한 충돌 이온화 및 게이트 전계를 분석하였고, 인듐(In) 몰 성분 변화에 따른 $In_xGa_{1-x}As$ 채널에서의 항복 특성 예측을 위한 충돌 이온화 계수를 경험적으로 제안 적용하였다.
One of the most important parameters that limit maximum output power of transistor is breakdown. InAlAs/InGaAs/GaAs Metamorphic HEMTs (MHEMTs) have some advantages, especially for cost, compared with InP-based ones. However, GaAs-based MHEMTs and InP-based HEMTs are limited by lower breakdown voltage for output power even though they have good microwave and millimeter-wave frequency performance with lower minimum noise figure. In this paper, InAlAs/$In_xGa_{1-x}As$/GaAs MHEMTs are simulated and analyzed for breakdown. The parameters affecting breakdown are investigated in the fabricated 0.1-${mu}m$ ${Gamma}$-gate MHEMT device having the modulation-doped $In_{0.52}Al_{0.48}As/In_{0.53}Ga_{0.47}As$ heterostructure on the GaAs wafer using the hydrodynamic transport model of a 2D commercial device simulator. The impact ionization and gate field effect in the fabricated device including deep-level traps are analyzed for breakdown. In addition, Indium mole-fraction-dependent impact ionization rates are proposed empirically for $In_{0.52}Al_{0.48}As/In_xGa_{1-x}As$/GaAs MHEMTs.
