KR100205156B1 - 갈륨 산화물 피막을 포함하는 광전자 디바이스의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
광전자 Ⅲ-Ⅴ 또는 Ⅱ-Ⅵ 반도체 디바이스는, 저밀도의 금제대 중앙 부근의 계면 준위를 실현하는 광학적 특성을 갖는 박막 피막을 포함하고 있다. Ⅲ-Ⅴ 반도체상의 반전 채널용의 전계 효과 디바이스도, 필요한 계면 특성을 실현하는 유전체 박막을 포함하고 있다. 박막은 또한, 전자적 Ⅲ-Ⅴ 디바이스의 노출된 표면의 상태를 보호하는데 적용할수 있다. 상기 박막은, 40 내지 370℃ 범위의 온도와 1×10-10Torr이상의 배경 압력을 유지한 기판 상에 단결정의 고순도 Gd3Ga5O12복합 화합물의 전자빔 증착에 의해 제조된, 균일하면서 균질이며 고밀도의 화학양론적 조성의 갈륨 산화물(Ga2O3) 유전체 박막으로 이루어져 있다.
Description
제1도는 본 발명의 일 실시예의 양태에 따른 Ⅲ-Ⅴ 또는 Ⅱ-Ⅵ 반도체 디바이스를 개략적으로 도시한 측면도,
제2도는 Ga2O3박막의 증착중의 기판 온도 대 굴절률을 도시한 풀롯도.
제3도는 GaAs 상의 125nm 두께의 Ga2O3박막에 있어서 파장의 함수로서 반사율을 도시한 풀롯도.
제4도는 300K에서 측정한 Au/Ti/GA2O3gusGaAs(곡선 41) 및 Au/Ti/Ga2O3/n형 Ga0.5In0.5P(곡선 42)금속/절연체/반도체 구조에 있어서의 바이어스 대 고주파 용량을 도시한 플롯도.
제5도는 면피복 이전(곡선 51) 및 면피복 이후(곡선 52) 0.98㎛에서 발광하는 릿지 도파로(fidge waveguide) In0.2Ga0.8As/GaAs 양자웰 레이저에 대한 DC 전류의 함수로서 광출력을 도시한 플롯도.
제6도는 발전현 채널용의 전계 효과 디바이스를 개략적으로 나타낸 도면.
제7도는 유형의 증착 파라미터 하에서 생성된 제6도에 도시한 전계효과 디바이스의 금제대(禁制帶) 에너지 대 계면 준위 밀도를 도시한 플롯도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 디바이스 11 : 본체
12 : 피막, Ga2O3층 13 : 고반사 방지 피막
21, 22, 41, 42, 51, 52, 53, 71, 72, 81, 82 : 곡선
23 : 측정점 60 : 전계 효과 디바이스
62 : 전기 단자 63 : 도전체
64 : 유전체 박막 65 : Ⅲ-Ⅴ 반도체
[기술 분야]
본 발명은 특성 개선을 위하여 갈륨 산화물 피막을 구비한 전자 및 광전자 디바이스에 관한 것이다.
[발명의 배경]
Ⅲ-Ⅴ 또는 Ⅱ-Ⅵ 반도체 광전자 디바이스의 원하는 특성을 얻는데 있어서 유전체 피막은 중요한 역할을 한다. 광전자 디바이스의 발광면 또는 수광면 등의 표면을 오염 및 산화로부터 보호하기 위해서는 고밀도로 밀착해서 증착된 박막이 요구된다. 광전자 디바이스의 양자 효율을 증대시키기 위하여 발광면 또는 수광면상에는 반사 방지 피막(Antireflection coatings, AR)이 필요하다. 계면 준위를 거친 캐리어 재결합(carrier recombination) 등의 비방사 에너지 분산 공정을 최소화 하기 위해, 금제대(禁制帶) 중앙 부근의 계면 준위 밀도가 낮은 유전체 박막이 필요하며, 특히 발광면상에 필요하다. 캐리어 재결합은, 열도주(thermal runaway)라고 불리는 레이저 단면에서의 공정을 트리거(trigger)하여, 특히 높은 광파워에서 동작하고 있을 시에 디바이스 고장의 원인이 되는 것으로 알려져 있다. 반전 채널 전계 효과 디바이스는, 유전체/반도체 계면에 있어서, 페르미 준위(Fermilevel)를 피닝(pinning)시키지 않고, 금제대의 중앙 아래(p채널 디바이스)또는 금제대의 중앙 위(n채널 디바이스)의 계면 준위의 밀도가 낮은 유전체 박막을, 필요로 한다. 또한, 플랫밴드(flatband) 전압의 우수한 재현성, 적은 플랫밴드 전압 시프트(flatband voltage shift), 및 적은 주파수 분산을 보이는 히스테레시스(hystersis, 또는 履歷現狀)가 없는 용량-전압 특성이 요구된다. 또한 Ⅲ-Ⅴ 전자 디바이스의 노출된 표면상의 상태를 보호하기 위해서도 금제대 중앙 부근의 계면 밀도가 낮을 것이 요구된다.
이러한 층들에 대해서, 각종 재료들이 제안되었고 그 중에는 ZrO2, Al2O3, SiOx, SiNx, SiNxOy, Y2O3, 안정화 ZrO2보로실리 케이트 유리(borosilicate glass) 및 갈륨 산화물이 포함된다. SiO2와 SiNx 층은 통상 스러터링(sputtering) 에 의해서 증착되며, 그것은 반도체 표면에 손상을 발생시키다. Al2O3나 ZrO2등의 피막의 전자빔 증착은 원하는 굴절률을 위해 적절한 화학양론적 조성(stoichiometry)을 얻을 목적으로 산소의 부가를 필요로 한다. 이러한 조건으로 인해서 층을 재현성 있게 형성하기가 어렵다.
Al2O3, SiOx, SiNx, SiNxOy 및 보로실리케이트 유리층은 유전 특성을 갖게 하여 제작된지만, 금제대 중앙 부근에서 피닝(pined)된 페르미 준위를 보이며 노출된 Ⅲ-Ⅴ 반도체층상에 증착된 때에는 1013cm-2eV-1이상의 금제대 중앙의 준위 밀도를 갖는다. 액체 또는 건식 표면 불활성화 기술에 의해 이미 처리된 GaAs 시료 상에 중착된 때에는, 금제대 중앙 부근의 계면 준위 밀도는 7×1011cm-2eV-1및 1013cm-2eV-1사이의 범위내에 있다. 열응력(熱應力, thermal stress)하에서의 액체 불활성화 반도체/유전체 계면의 장기간 안정성은 아직 조사되지 않았었다. 또한, 큰 히스테리시스(적어도 수 볼트), 재현성 없는 플랫밴드 전압 시프트(적어소 수 볼트), 용량의 큰 부파수 분산, 및 가전자대 또는 전도대단(valence or conduction band edge)에 가까운 높은 계면 준위 밀도로 인해서 아직 Ⅲ-Ⅴ 반도체 디바이스에서는 반전형 채널 전계 효과 디바이스의 제작이 가능하지 않다. 다른 한편으로, H2 및 N2 플라즈마에 의해 앞서 처리된 GaAs 표면과 관련하여, 진공계에서 산소 라디오 주파 플라즈마(oxygen radio frequency plasma)중에 증착된 갈륨 산화물 박막은, 1011cm-2eV-1보다 충분히 낮게 금제대 중앙 부근의 준위 밀도의 유전체/GaAs 계면을 형성한다. 이 경우에 있어서는, 큰 히스테리시스(≥2V), 재현성 없는 플랫밴드 전압(2∼10V), 및 누설성이 큰 갈륨 산화물 박막으로 인해서, 반전형 채널 전계 효과 디바이스의 실현이 방해되어 왔다.
따라서, 본 발명의 목적은, 노출된 Ⅲ-Ⅴ 반도체 표면, 특히 디바이스의 신뢰성 개선을 위해, 발광면상에 증착한 때, 보호를 위한 적절한 피막과, 금제대 중앙 부근의 계면 준위 밀도가 낮은 광반사 방지를 실현하는데 있다. 본 발명의 또다른 목적은Ⅲ-Ⅴ 반도체 기판상에 반전형 채널 실현을 위해 전계 효과 디바이스에 유전체 박막을 형성하는데 있다.
[발명의 개요]
본 발명은 금제대 중앙의 개면 준위 밀도를 낮게하고, 적절한 광학 특성을 갖는 박막을 포함하는 광전자 Ⅲ-Ⅴ 또는 Ⅱ-Ⅵ 반도체 디바이스를 실현한다. 또한 본 발명은, 필요한 계면 특성을 부여하는 유전체 박막을 포함하는, Ⅲ-Ⅴ 또는 Ⅱ-Ⅵ 반도체상에 반전형 채널을 형성하기 위한 전계 표과 디바이스를 실현한다. 디바이스 구조의 일부는 또한, 전자 Ⅲ-Ⅴ 디바이스의 노출된 표면의 상태 보호에도 적용할 수 있다. 상기 박막은, 40 내지 370℃ 범위의 온도와 1×10-10Torr 이상의 배경 압력을 유지한 기판 상에, 단결정의 고순도 Gd3Ga5O12복합 화합물의 전자빔 증착에 의해 제조된, 균일하면서 균질이며 고밀도의 화학양론적 조성의 갈륨 산화물 (Ga2O3)유전체 박막으로 이루어져 있다.
[상세한 설명]
첨부 도면들은 설명을 위한 것으로 일정 비율에 따라 도시되어 있지 않은 것임을 이해할 것이다.
제 1 도에는 본 발명의 한 양태를 실시한 반도체 디바이스가 개략적으로 도시되어 있다. 상기 디바이스(10)는 임의의 Ⅲ-Ⅴ 또는 Ⅱ-Ⅵ 레이저, 발광 다이오드, 또는 광검출기일 수 있다. 이 레이저는, GaAs를 기초로 한 분포 귀환(distributed feedback, DFB) 레이저 채널 기판 매립 헤테로구조(channeled-substrate buried heterostructure, CSBH) 레이저, 또는 릿지 도파로 양자웰(ridge waveguide quantum well) 레이저일 수도 있다. 이러한 구조들에 대해서는 기술상 널리 공지되어 있으므로 도시하거나 상세히 설명하지 않는다.
한 실시예에서, 디바이스(10)는 릿지 도파로 양자웰 레이저이다. 반도체 레이저 본체(11)의 한 거울면상에 피막(12)이 형성되고, 이 피막은 본 예에서는 약 λ/4n 또는 그 홀수배의 두께를 갖는 반사 방지(AR) 피막이고, 여기서 λ는 방사된 광의 파장, n는 피막의 굴정률이다. 광검출 디바이스의 경우, λ는 수광(受光)의 파장이다. 또다른 면상에는 Si 및 Ga2O3의 교대로 된 층(alternate layers)과 같은 적절한 재료의 고반사 피막(highly reflective coating; HR)(13)이 있다. 이들 두 피복의 결과, 레이저는 피복되지 않은 면의 경우보다 고파워의 빔을 AR 피막면으로부터 방출할 수 있다. 릿지 도파로 레이저에 있어서 AR 피막면상의 1 내지 10 퍼센트의 잔류 반사가 바람직하다. 만약 레이저가 DFB형이면, AR 피막은 레이저 공동(laser cavity)의 통상의 파브리페롯(Fabry-perot) 모드를 업압하므로 단일의 종모드 방사가 생긴다. 레이저가 광학적으로 펌핑(pumped)된은 계(系)에 있어서, 양쪽 레이저면은 AR 층으로 피복될 수 있으므로 레이저 증폭기가 생성된다. 또한 Ga2O3층(12)은 그 두께를 λ/2n의 짝수배로 증착시키는 경우, 반사율을 변화시키지 않는 피막으로서의 역할을 한다. 이러한 피복을 불활성화 피복이라 한다. 이러한 경우에는, 양쪽의 면이 피복되며, 층은 높은 광파워 동작 또는 통상보다 높은 전류 펄스의 인가로 인해서 발생할 가능성이 있는 단면의 열화를 방지하는 역할을 한다.
본 발명의 주요 특성에 따라서, 피막은 AR층, HR층, 또는 불활성화층중 어느 것으로 사용하더라도, 전자빔 증착에 의해서 증착된 화학양론적 조성의 Ga2O3로 이루어진다. 고품질의 유전적 Ga2O3박막은 단결정의 고순도 Gd3Ga5O12 소스의 전자빔 증착을 이용하는 기술에 의해서 증착된다. 전자빔 증착은 일반적으로 주지의 기술에 따라서 행해진다. 예컨대, 본 명세서의 참고 문헌으로 포함된 미국 특허 제 4,749,255 호의 명세서를 참조한다. 원료는 배기된 증착실 내에 포함되어 있는 표준적 도가니 또는 귀금속 도가니 내에 제공된다. 또한 증착실 내에는, 전자원(source of electrons)과, 피복되어질 적어도 하나의 반도체 본체 표면을 지지하는 홀더(holder)가 포함된다. 전자빔은 원료로 향하게 되어, 재료의 증발과 피복되어질 표면상의 증착이 행해지게 한다. 전자빔 층착은 반도체 표면에 큰 손상을 주지 않으며, 층두께의 원위치에서의 모니터를 가능하게 한다.
구체적인 예에 있어서는, InGaAs/GaAs 구조를 가지며, 0.98㎛로 발광하는 InGaAs 활성 영역을 포함하는 다수의 릿지 도파로 레이저를, 증착 장치의 진공실내에 배치했다. Ga2O3로 피복되어야 할 거울면 이외의 레이저 표면은, 스테인레스 스틸이나, 레지스트 등의 마스크로 피복된다. 증착되어야 할 층의 원료는 필라멘트(filament)에 의해서 방출된 전자빔이 원료에 입사하도록 필라멘트에 인접한 도가니에 배치한다. 증착실 내의 압력은 통상적인 경우 1×10-10Torr 또는 그 이상이다.
원료의 전자 조사를 개시하여, 원하는 두께의 충이 레이저면(또는 복수의면) 상에 증착될 때까지 계속하였다. 표면 피막이 AR, HR, 또는 불활성화 피막으로서 사용되어야 했는지의 여부에 의존해서 증착 두께는 원하는 목적에 따라 조정된다. 두께는 석영 결정 발진기에 의해서 모니터되었다.
표면 피막은, 본 명세서에서 참고문헌으로 포함되어 있는 1994년 3월 23일자로 출원되 계류중의 미국 특허출원 제 08/217,296 호 (Hunt, N.E.J.외, Case5-1-24-38)에 개시되어 있는 갈륨 산화물 박막을 증착하는 공정에 의해서 본체(11)의 대향 단면상에 증착되었다. 표면 피막은, 단결정의 고순도 Gd3Ga5O12소스를 사용하여 Ga2O3의 전자빔 증착에 의해 증착되었다. 이 원료는 약 2000K에서 증발하는 비교적 공유성의 산화물 Ga2O3와, 상기 온도보다 충분히 높은 비등점(4000K)을 갖는 전이전(pretransition) 산화물 Gd2O3을 조합시킨다. 보다 복잡한 화합물 Gd3Ga5O12(융점 약 2000K)은 가열중에 구워져 서서히 고순도의 Ga2O3를 방출한다. 진공실내의 배경 압력(O2가 흘러들지 않음)은, 1∼2×10-6Torr였다. 배경압력은 1×10-10이나 1×10-11처럼 낮을 수도 있다. 0.05nm/s로 유지된 증착 속도 및 막두께는 증착중에 결정 막두께 모니터에 의해 측정되었다.
이 방법을 사용하여, 릿시 도파로 In0.2Ga0.8As/GaAs 양자웰 레이저의 면들이 고품질의 Ga2O3박막으로 피복되었다. 그와 같이 증착된 레이저면 피막은 저계면 준위 밀도를 나타내었다. 그 증착된 Ga2O3박막은 우수한 균일성을 나타내었다. 이것은 위에서 인용한 계류중인 미국 특허출원에 기술되어 있는 바와 같이 Auger 깊이 프로파일링(profiling)에 의해 설명되었다. 측정은 또한, Auger 분과의 한계 내에서 박막이 화학양론적 조성인 것을 보여주고 있다. Auger 분석(감도 0.1%)에 의해, 본 Ga2O3박막중의 주요 불순물로 고려되고 있는 Gd를 호함하는 불순물은 검출되 않을 것이다. SIMS에 의해 평가된 Gd의 함유량은 0.1% 정도였다.
Ga2O3박막의 광학적 특성과 전기적 특성은 이들 박막이 레이저면의 피복에 사용되기 전에 결정되었다. 이목적을 위해, 4 내지 400nm의 두께를 갖는 균일의 고품질 유전체 Ga2O3박막을, a) 90nm 두께의 TiW층으로 피복된 Si웨이퍼 위, b) n+GaAs 기판 위, 및 c) 이들 박막의 전기적 및 광학적 특성을 결정하도록 용융 실리카(silica) 상에 증착하였다. 이어서, 레이저면은, 50℃이하 예컨대 40℃의 기판 온도(Ts)에서, 과잉의 산소없이, 그리고 150℃이하 예컨대 125℃의 온도에서, 증착실 내의 산소 분압 Pox = 2 × 10-4Torr로 피복되었다. 굴절률은, 반사, 투과, 및 타원 측정에 의해서 결정되었다. 용융 실리카(fused silica) 시료 상의 Ga2O3 박막의 투과는, 분광기와 관련하여 텅스텐 할로겐 램프에 의해 측정되었다. 반사율 측정은, Anritsu 광스펙트럼 분광기 MS9001B1 및 텅스텐 할로겐 램프를 사용하여 행해졌다. 파장은 0.6 및 1.2㎛의 사이에서 주사되었고, 투과 측정 및 반사 측정의 양쪽 측정 결과는 흡수 유전 박막에 대한 이론 모델에 맞춰졌다.
구체적인 예에 있어서, GaAs를 기초로 한 980nm로 방사하는 릿지 도파로 레이저 구조에 대해 조사했다. 본 예의 릿지 도파로 레이저는, 80A 두께의 In0.2Ga0.8As 양자웰 활성 영역, 0.1㎛ 두께의 도핑되지 않은 GaAs 광페쇄층(optical confinement layers), 및 1.2㎛ 두께의 Ga0.5In0.5P 클래딩층(cladding layers)을 포함하고 있다. 굴절률(n2)을 갖고, λ/4n2 또는 그 홀수배의 두께를 갖는 반사 방지 피막에 의해 분리된 각각의 굴절률 n1(공기) 및 n3(Ⅲ-Ⅴ 반도체 재료)을 갖는 두 매체의 갑작스런 천이의 계산된 반사율 R은 다음과 같이 주어진다.
상기 식에 따라서, 반사 방지 피막(제로 반사)은, 파장 980nm에서, GaAs, Ga0.5In0.5P, 및 In0.2Ga0.8As 상에 각각 n2 = 1.88, 1.80, 및 1.89를 갖는 면피막으로 실현된다.
제 2 도는, 과잉의 산소가 포함된지 않는 1∼2 × 10-6Torr의 배경 압력에서 (곡선21) 그리고 증착실 내에 2 × 10-4Torr의 산소가 존재하게(곡선 22) 증착시킨 Ga2O3박막에 있어서, 증착중의 기판 온도에 대한 굴절률을 도시하는 플롯도이다.
증착실 내에 2 × 10-4Torr의 산소가 존재하게 증착시킨 Ga2O3박막의 굴절률은, 증착중의 기판 온도(Ts) 40, 125, 250, 및 370℃의 경우, 각각 1.78, 1.80, 1.87, 및 1.87 이다. 과잉의 산소를 함유하지 않은 배경 압력 1∼2 × 10-6Torr에서 증착된 Ga2O3 박막은, 40℃의 기판 온도에서 증착된 때에 1.91의 굴절률을 나타내고, 125℃의 기판 온도에서 증착된 때에는 굴절률이 복소수(2.06 + i 0.1)가 된다. 따라서, 상기 제조 방법으로 증착된 Ga2O3피막은, 광범위한 증착 조건들에 대해서, 필요한 굴절률을 제공한다. 굴절률의 허수부는 제 2도에서의 측정점(23)의 표시되어 있다.
단지 일예로서, 증착중 125℃로 유지되는 GaAs 기판상에 증착실 내의 O2분압 2 × 10-4Torr 로 증착된 1250Å 두께의 Ga2O3층의 반사율도 조사되었다. 제 3도에서는 파장 대 반사율의 대응하는 도면을 도시하고 있다. 릿지 도파로 레이저는 낮은 반사율의 피복을 필요로 하므로, Ga2O3피막의 두께는 980nm 파장에서 0.5%의 반사율을 생성하도록 설계되었다. 굴절률 1.80의 Ga2O3피막의 최소 반사율은 907nm의 파장에서 0.05%이다. 다른 시료에서는 0.03%의 최소 반사율이 측정되었다.
제4도는 300K에서 측정된 Au/Ti/Ga2O3/n형GaAs(곡선 41) 및 Au/Ti/Ga2O3/n형Ga0.5In0.5P(곡선 42)금속/절연체/반도체 구조에 대한 바이어스 대 고주파 용량을 도시한 플롯도다. Ga2O3박막은 350℃의 기판 온도 (곡선 41) 및 125℃의 기판 온도 (곡선 42)에서, 증착실 내에 존재하는 2 × 10-4Torr의 산소로 노출 기판상에 증착 되었다. 1MHz의 주파수로 300K에서 측정되 용량 특성은, GaAs/Ga2O3와 Ga0.5In0.5P/Ga2O3반도체/유전체 계면에서, 피닝되지 않은 페르미 준위와, 각각 약 10-12cm-2eV-1및 1011cm-2eV-1이하의 금제대 중앙 부근의 계면 준위 밀도를 나타낸다. 계면에서의 재결합 속도는 금제대 중앙 부근의 계면 준위 밀도에 직접 비례하므로, 계면 준위를 경유한 재결합 등의 에너지 분산 공정은 노출 시료상에 증착된 다른 피막에 비해서 1 내지 2 자릿수만큼 감소된다.
또한 계면 재결합 속도의 간접적인 척도는 광류미네슨스(photoluminescence)강도의 측정이다. 각각 350℃ 와 125℃의 기판 온도에서 그리고 증착실 내에 존재하는 2 × 10-4Torr의 산소로 노출된 GaAs 및 노출된 Ga0.5In0.5P 기판상에 증착시킨 Ga2O3피막에 의해, 동일하게 피복하지 않은 사료에 비해, 1.4 내지 1.7배만큼 광류미네슨스 강도가 증가한다. 노출된 GaAs 시료 상에 증착된 Al2O3, SiOx, SiNx, ZrO2, 및 Y2O3로 안정화한 ZrO2등의 다른 피막은, 피복되지 않은 GaAs 시료에 비해 광루미네슨스 강도가 증가하지 않는다.
제5도는 면피복 이전 (곡선51) 및 이후 (곡선 52)의 0.98㎛에서 방사하는 릿지 도파로 In0.2Ga0.8As/GaAs 양자웰 레이저에 대한 DC 전류의 함수로서의 광출력을 도시하는 플롯도이다. 이 레이저의 릿지는, 폭 5㎛, 길이 500㎛이다. 레이저의 면은, 125℃의 기판 온도에서 증착실 내의 산소 분압 2 × 10(-4)Torr으로 증착된 Ga2O3박막으로 피복되었다. 박막 증착전에 에틸알콜로 레이저면은 청정화하였다. 앞면의 표면 피막의 두께는 125nm였고, 측정된 반사율 및 계산된 반사율은 각각 0.5% 및 0.75%였다. 측정된 반사율 29%의 35nm두께(두께≪λ/4n2)의 얇은 보호층을, 뒷면 상에 증착시켰다. 가도비 (곡선 53)는 피복 전후의 앞 표면에 있어서의 외부 광강도 간의 관계 특성을 나타낸다. 미분 양자 효율은 면피복 이후에 51% 증가한다.
위의 구체예는 레이저면의 피복에 대해서 설멸하고 있지만, 본 발명은 또한 발광 다이오드 및 광검출기 등의 발광 디바이스의 표면을 피복하는데에도 유용하다는 것이 이해될 것이다. 디바이스 구조는 GaAs 기판중에, InP, InGaAs, 및 GaAs로된 복수층과 함께 형성되었지만, 본 발명은 일반적으로 2원(元), 3원, 또는 4원의 어느 것으로도 Ⅲ-Ⅴ 반도체 재료에 적용할 수 있으며 Ⅱ-Ⅵ 반도체를 포함하는 구조에도 적용될 수 있다.
본 발명은 또한, Ⅲ-Ⅴ 및 Ⅱ-Ⅵ 반도체 전자 디바이스, 특히 반전 채널용의 전계 효과 디바이스 및 전자 디바이스의 노출된 표면의 상태 보호에 관한 것이다. 제 6 도는 반전 채널용의 전계 효과 디바이스(60)를 도시하고 있으며, 이것은 전기 단자(62)와 도전체(63)를 포함하는 금속 전계 인가 플레이트(61)에, 제어 전압 또는 아이어스를 인가하는 수단을 포함한다. 유전체 박막(64)은, 단결정의 고순도 Gd3Ga5O12복합 화합물을, 전자빔 증착에 의해서, 벗어나 위치 또는 본래 위치에 증착시킨, 균일하며 균질적인 고밀도의 유전체 Ga2O3층을 포함하고 있다. 본래 위치(벗어난 위치와 대조됨)이라는 용어는, UHV분위기를 번어나지 않고 MBE 성장 반도체층상에 상기 유전체 Ga2O3박막을 증착시킨 것이 특징이다. 상기 유전체 Ga2O3박막의 증착 방법은, 전술한 바와 같으며, 본원에서 참고문헌으로 포함되고 있는 출원 계류중의 미국 특허출원 제 08/217,296 호(출원일: 1994년 3월 23일, 발명자:Hunt, N.E.J외 Case 5-1-24-38)에서 개시되어 있는 바와 같다. Ⅲ-Ⅴ 반도체(65)는 p반전 채널 및 n 반전 채널용에 대해, 각각 약한 n형 또는 약한 p형이다. 옴성 접촉(66)에 의해 회로가 완성된다. 이러한 디바이스의 동작 원리는, Si-MOSFET 기술로부터 잘 알려져 있으며, 따라서 상세히 논의하지 않는다.(참조 : 예컨대, S.M. Sze의 "Physics of semiconductor devices", John Willey Sons, 366쪽 뉴욕, 1981).
구체예에서, 전술한 제조 방법에 의해서 Ga2O3박막은, 노출된 n형 GaAs 기판상에, 벗어난 위치에 증착되었다. GaAs 기판은 증착중에 350℃의 온도로 유지되고 중착실 내의 O2 분압이 2 × 10-4torr로 유지되었다. 디바이스는, 새도우 마스크를 통한 증착에 의해, Ga2O3박막(64)의 최상부 위에, 상이한 직경들(50, 100, 200, 500㎛)의 Au/Ti 도트(61)를 제조함으로써, 그리고 옴성 배면 접촉(66)을 제공함으로써 완성되었다. 고주파(1MHz) 용량 전압 측정에 의해서,피닝되지 않은 페르미 준위, 플랫밴드 전압의 우수한 재현성, 검출 불가능한 플랫밴드 전압의 시피트가 밝혀졌다. 히스테레시스는 매우 적어, 통상 수십 밀리볼트 똔는 그이하였다. 제 7 도는 1.6 × 1016cm-3(곡선 71) 및 8.6 × 1016cm-3(곡선 72)의 기판 도핑 농도에 있어서 금제대 에너지에 대한 대응하는 계면 준위 밀도를 도시하는 플롯도이다. 계면 준위 Dit은 Terman법을 사용하는 고주파 측정에 의해서 금제대 아래에서는 검출할 수 없었다.
여기서, Ci는 단위 면적당 유전체층의 용량이고, q는 단위 전하이며, VΨ* 및 V는 각각 동일한 반도체 전위 Ψs=Ψso, 즉 동일한 고주파 용량에서 측정된 바이어스점 및 계산된 바이어스점이다(T.M. Terman, "An investigation of surface states at a silicon/silicon oxide interface enploying metal-oxide-silicon diodes", Solid-State Elect., Vol.5, page 285(1962)). 이 방법의 분해능은 약 1011cm-2eV-1이다. 제 7 도로부터 결정되는 금제대 중앙 부근의 계면 준위 밀도는 1012cm-2eV-1이하이다.
다른 실시예에 있어서는, 전술된 제조 방법에 의해, Ga2O3박막을, 노출된 n형 Ga0.5In0.5P기판상에, 벗어난 위치에 증착시켰다. GaAs 기판은 증착중에 125℃로 유지되고 증착실 내의 O2 분압은 2 × 10-4Torr로 유지되었다. 상기 Ga2O3박막의 특성 저항율, 유전 상수 및 DC 항복 전계는, 4×1012Ωcm, 10.2m 및 1.91MV/cm이다. 용량의 주파수 분산은, 500Hz 내지 1MHz의 측정 범위내에서 금제대 중앙 이하에서 5%미만이었다. 다시 고주파(1NHz) 용량 전압 측정에 의해, 피닝되지 않은 페르미 준위, 플랫밴드 전압의 우수한 재현성, 및 검출 불가능한 플랫배드 전압의 시프트가 밝혀졌다. 히시테레시스는 매우 적어, 통상 수십 밀리볼트나 그 이하였다. 제 8 도는 3×1016cm-3(곡선81) 및 3×1017cm-3(곡선82)의 기판 도핑 농도에 있어서 금제대 에너지에 대한 대응하는 계면 준위 밀도를 도시한 플롯도이다. 금제대 중앙 부근의 계면 중위 밀도는, 1011cm-2eV-1보다 충분히 낮으며, 계면 준위 밀도는 가전자 대단을 향해서 통상적으로는 우수한 Si/SiO2계면에서 발견되는 값까지 증가한다.
양자의 예들에서 기술된 바와 같이, 개시된 전계 효과 디바이스는, 피닝되지 않은 페르미 준위, 금제대 중앙 이하의 매우 낮은 계면 준위 밀도 (p반저 채널), 플랫밴드 전압의 우수한 재현성, 검출 불가능한 플랫밴드 전압의 시프트, 적은 히스테레시스(통상, 수십 밀리볼트 또는 그이하), 그리고 반전형 채널용의 500Hz 내지 1MHz에서의 용량의 적은 주파수 분산(5% 이하)등의 모든 요구 조건을 충족한다.
또한, 상기 제조 방법에 의해서 증착한 Ga2O3박막은, 임의의 종류의 Ⅲ-Ⅴ 전자 디바이스의 노출된 표면의 상태 보호에 유용하다. 계면 재결합 속도는 금제대 중앙 부근의 계면 준위 밀도에 직접 비례한다. 나타내어진 금제대 중앙 부근의 계면 준위 밀도는, GaAs/Ga2O3계면 및 Ga0.5In0.5P/Ga2O3계면에서, 각각 1012cm-2eV-1보다 낮고, 1011cm-2eV-1보다 충분히 낮으므로, 디바이스 특성 및 신뢰성은 작은 재결합 속도에 의해서 개선된다.
각종의 수정을 가하는 것은 당업자에게는 자명할 것이다. 본 발명의 지침에 기본적으로 기초하는 그러한 모든 수정은 본 발명의 범위 내에서 적절히 고려된다.
Claims (17)
- Ⅲ-Ⅴ 및 Ⅱ-Ⅵ 화합물 반도체를 포함하는 반도체 표면, 및 상기 표면의 적어도 한 영역상의 갈륨 산화물 피막을 포함하는 광전자 디바이스의 제조 방법에 있어서, 상기 갈륨 산화물은 금제대 중앙 부근의 계면 준위 밀도가 낮은 화학양론적 조성의 Ga2O3의 박막이며, 상기 Ga2O3피막은 상기 반도체 표면상에 전자빔 증착에 의해서 고순도 단결정 Gd3Ga5O12소스를 사용하여 증착되고, 상기 반도체 표면은 40 낸지 370℃의 온도 범위 및 1×10-10Torr이상의 배경 압력으로 유지되는 광전자 디바이스 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 Ga2O3박막은, 50℃ 이하의 온도 및 1∼2×10-6Torr의 배경 압력에서, 증착실 내에 O2를 추가로 유입시키지 않고서, 상기 표면상에 증착되는 광전자 디바이스 제조 방법.
- 제2항에 있어서, 상기 온도는 40℃인 광전자 디바이스 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 Ga2O3 박막은, 150℃ 이하의 온도로 유지되고 있는 상기 표면상에 2×10-4Torr의 산소 분압까지 O2를 추가 유입해서 증착되는 광전자 디바이스 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 온도는 125℃인 광전자 디바이스 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 반도체 표면은 발광 및 수광 표면으로부터 선택되는 광전자 디바이스 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 디바이스는 레이저이고, 상기 Ga2O3피막은 반사 방지 피막인 광전자 디바이스 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 반사 방지 피막은 레이저의 한 면상에 있고, 다른 면은 Si 및 Ga2O3의 표대충에 의해서 피복되는 광전자 지바이스 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 Ga2O3피막은 발광 다이오드 및 광검출기로부터 선택되는 디바이스의 표면상에 있는 광정자 디바이스 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 피막은 금제대 중앙 부근의 계면 준위 밀도가 1×1013내지 7×1011cm-2eV-1의 범위에 있도록 증착되는 광전자 디바이스 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 디바이스는 Ⅲ-Ⅴ 및 Ⅱ-Ⅵ 화합물 반도체상의 반전형 채널용의 전계 효과 디바이스이며, 상기 디바이스는 반도체 본체, 상기 본체 상의 Ga2O3층, 및 상기 본체 및 Ga2O3층에 대한 전극을 포함하고, 상기 Ga2O3층은 Gd3Ga5O12 결정을 이용한 전자빔 증착에 의해서 125℃이상으로 유지되는 반도체 기판 상에 2×10-4Torr의 O2분압으로 증착되는 광전자 디바이스 제조 방법.
- 제11항에 있어서, 상기 Ga2O3층은 Gd3Ga5O12결정을 이용한 전자빔 층착에 의해서 350℃로 유지되는 GaAs 기판상에 2×10-4Torr의 O2분압으로 증착되는 광전자 디바이스 제조 방법.
- 제12항에 있어서, 상기 Ga2O3층응 1×1012cm-2eV-1이하의 금제대 중앙 부근의 계면 준위 밀도를 나타내는 광전자 디바이스 제조 방법.
- Ⅲ-Ⅴ 및 Ⅱ-Ⅵ 반도체로부터 선택되는 반도체 본체, 상기 본체상의 유전체층, 상기 본체 및 유전체층에 대한 전극을 포함하는 전자 디바이스의 제조 방법에 있어서, 상기 유전체층은 화학양론적 조성의 Ga2O3이며, 1×1012cm-2eV-1이하의 금제대 중앙 부근의 계면 준위 밀도를 나타내는 전자 디바이스 제조 방법.
- 제14항에 있어서, 상기 디바이스는 Ⅲ-Ⅴ 및 Ⅱ-Ⅵ 화합물 반도체상의 반전형 채널용의 전계 효과 디바이스이며, 상기 디바이스는 반도체 본체, 상기 본체 상의 Ga2O3층 및 상기 본체에 대한 전극을 포함하고, 상기 Ga2O3층은 Gd3Ga5O12결정을 이용한 전자빔 증착에 의해서 125℃ 이상의 온도로 유지되는 반도체 기판 상에 2×10-4Torr의 O2분압으로 증착되는 전자 디바이스 제조 방법.
- 제14항에 있어서, 상기 Ga2O3층은 Gd3Ga5O12결정을 이용한 전자빔 증착에 의해서 125℃ 이상의 온도로 유지되는 GaAs 기판상에 2×10-4Torr의 O2분압으로 증착되는 전자 디바이스 제조 방법.
- 제14항에 있어서, 상기 Ga2O3층은 350℃로 유지되고 있는 GaAs기판상에 증착되는 전자 디바이스 제조 방법.
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