KR100402784B1 - 저온 측정용 갈륨비소 반도체 소자 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 저온의 측정을 위한 반도체 소자에 관련된 것으로서, 갈륨비소와 같이 고속 소자의 특성을 이용하여 회로를 구성하되 극 저온의 상태에서 소자의 동작이 요구되는 경우와 그때의 온도를 측정하고자 하는 경우 저온측정에 유용하게 할 수 있도록 갈륨비소의 회로에 온도 측정용 소자를 같이 집적하여 측정기구의 소형화와 경량화 및 경제성을 개선하도록 하는데 목적이 있다. 본 발명의 저온 측정용 갈륨비소 반도체 소자는 갈륨비소기판(1) 위에 Si 이온을 주입하여 구성되는 채널층(2)과, 상기 채널 층의 이온 주입부(3a)(3b)와 접촉되는 저항성의 제1전극부(4a)(4b)와, 상기 채널 층을 덮는 층간 절연막(5)과, 상기 층간 절연막을 개재하여 그 위에 형성되는 제2전극(6)으로 구성되고, 상기 저온 측정용 갈륨비소 반도체 소자는 갈륨비소기판(1) 위에 다른 기능을 갖는 트랜지스터 등의 집적회로 소자(7)와 함께 구성 구성된다.

Description

저온 측정용 갈륨비소 반도체 소자 및 그 제조방법{Low Temperature Measurement GaAs semiconductor device and the same method}

본 발명은 저온의 측정을 위한 반도체 소자에 관련된 것으로서, 갈륨비소를 이용하여 극저온의 환경에서 온도측정이 가능한 반도체 소자를 제공하는 것에 관련된 것이다.

종래의 저온을 측정하기 위한 방법은 여러 가지 방법이 알려져 있으나 대표적인 관련된 기술로는 실리콘 반도체의 특성을 이용한 측정 방법과 실리콘 반도체의 접합을 이용한 방법 등이 고안되어 있다.

상기와 같은 구조는 온도 측정용 소자가 주변의 집적회로와 함께 집적되지 않음으로 부품을 구성할 경우 부품의 크기가 커지고 관련 제조시설이 별도로 설치되어야 하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 반도체 상태의 도핑 되지 않은 갈륨비소에 Si의 이온주입과 활성화 방법 또는 도핑 된 에피택셜 층을 성장시켜 채널 층을 형성하고, 그 Si이온이 주입된 채널의 끝 부분에 저항성 금속을 형성하여 전류가 흐를 수 있는 전극을 형성한다. 상기 채널 층에 산화막, 질화막 등으로 된 얇은 층간 절연막을 증착한다.

즉, 금속과 미세한 절연막, 도전층은 열적인 에너지가 가해지지 않는 경우 금속과 반도체 사이가 절연 상태가 되어 전류의 흐름이 억제되고 열적인 에너지가 가해질 경우 에너지가 장벽을 넘을 수 있는 상태로 되어 전류의 흐름이 개시되고, 그 전류의 흐름이 개시되는 임계전압이 정해지게 되므로 다이오드는 과전류의 흐름에 의한 절연파괴가 일어나지 않는 경우에 온도에 따른 일정한 특성을 보이게 되는 원리를 이용하여 온도 측정 소자를 구성한다.

따라서, 본 발명의 목적은 갈륨비소와 같이 고속 소자의 특성을 이용하여 회로를 구성하되 극 저온의 상태에서 소자의 동작이 요구되는 경우와 그때의 온도를 측정하고자 하는 경우 저온측정에 유용하게 할 수 있도록 갈륨비소의 회로에 온도 측정용 소자를 같이 집적하여 측정기구의 소형화와 경량화 및 경제성을 개선하도록하는데 있다.

도 1a ∼도 1e는 본 발명의 갈륨비소 반도체 소자의 제조과정을 설명하기 위한 도면이고,

도 2는 본 발명의 갈륨비소 반도체 소자의 온도에 따른 다이오드 특성의 측정 예를 나타내는 도면이다.

상기 목적 달성을 위하여 본 발명의 저온 측정용 갈륨비소 반도체 소자는 반절연 갈륨비소 기판위에 소정의 이온을 주입하여 구성되는 채널층 및 저항성 접촉부; 상기 채널층의 이온 주입부와 접촉되는 저항성의 AuGe/Ni/Au 으로 이루어진 제1전극부; 상기 채널 층을 덮는 층간 절연막; 및 상기 층간 절연막을 개재하여 층간 절연막 위에 형성되되, Ti, Pt, Au 중 선택되는 어느 하나 이상의 막을 포함하는 제2전극으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 이온은 Si, 층간절연막은 산화막(SiOx) 또는 질화막(SiNx), 상기 제1전극은 AuGe/Ni/Au를, 그리고 제2전극은 Ti, Pt, Au 등을 이용한다.

상기 저온 측정용 갈륨비소 반도체 소자의 제조방법은 투명기판 위에 갈륨비소(GaAs)막을 형성하는 단계; 상기 갈륨비소 기판의 양 단부에 소정의 이온을 주입하여 이온 주입부를 형성하는 단계; 상기 이온주입부 위에 저항성의 AuGe/Ni/Au 으로 이루어진 제1전극을 형성하는 단계; 상기 갈륨비소기판 위에 층간 절연막을 형성하는 단계; 및 층간 절연막을 개재하여 층간 절연막 위에 Ti, Pt, Au 중 어느 하나 이상의 막을 포함하는 제2전극을 형성하는 단계를 포함한다.

이하 도 1a∼도 1e 및 도 2를 참고하여 본 발명을 상세히 설명한다.

갈륨비소 반도체에 금속이 접합되는 경우 정류성 접합을 형성하며 접합의 양단에 전극을 형성하고 전류-전압을 측정할 경우 다이오드 특성을 보이게 된다. 이 다이오드는 인가된 전압에 따라서 전류가 반-로그 그래프에서 선형적으로 나타나는특성을 보이게 되는데 금속과 갈륨비소 반도체 사이에 절연 막이 형성될 경우 절연 막이 전자의 흐름을 막는 역할을 하게되어 전류의 흐름은 사라지게 된다.

상기 절연 막의 두께가 충분히 얇을 경우 반도체 내에 존재하는 전자들은 온도에 따라 그 에너지 상태를 달리하기 때문에 온도의 증가는 전자들의 에너지 증가를 나타내 쉽게 절연 막에 의한 장벽을 넘을 수 있다. 따라서 전자들이 장벽을 넘을 수 있는 전압을 외부에서 측정할 수 있는데 이 전압은 온도에 따라 변화하게 된다. 이와 같은 상태는 갈륨비소 반도체에 자연 산화 막이 형성된 상태에서 금속이 증착될 경우에도 가능하다. 본 발명은 상기의 원리를 이용하여 층간 절연막을 갖는 다이오드를 제작하여 갈륨비소 반도체 회로에 적용하도록 하는 것을 특징으로 한다.

먼저, 갈륨비소(GaAs)반절연기판(1) 위에 채널 층(2) 형성을 위한 Si 이온 주입과 활성화에 의해서 또는 도핑된 에피택셜 층의 성장에 의해서 이온 주입층(3a)(3b) 즉, 저항성 접촉을 위한 또 다른 채널 층을 형성한다.

상기와 같이 형성된 채널 층은 전류가 흐를 수 있는 통로가 될 뿐 아니라 트랜지스터의 채널과 같은 역할을 수행할 수도 있다. 이어서 도 1b와 같이 도전 층, 또는 채널 층의 끝 부분에 AuGe/Ni/Au등의 저항성 금속을 형성하여 전류가 흐를 수 있는 전극(4a)(4b)을 형성한다. 이와 같이 형성된 채널 층과 갈륨비소 기판 위에는 도 1c와 같이 얇은 층간 절연막(5)을 증착하는데 이때 절연막의 두께는 충분히 얇아야 하며 사용되는 절연막으로는 산화막, 질화막 등이 이용될 수 있고 갈륨비소 반도체의 자연 산화막이 이용될 수 도 있다. 상기 층간 절연막 위에는 도 1d와 같이 반도체 기판의 도전층에 미세한 절연막을 사이에 두고 금속전극(6)이 형성되어 본 발명의 소자제작이 이루어진다.

본 발명의 온도 측정용 소자의 제작 과정에서 저항과 트랜지스터, 캐패시터 등을 집적하여 다른 기능을 갖는 집적회로 소자(7)를 구성하면 온도측정 뿐 아니라 다른 기능을 갖는 소자의 구현이 가능하다.

상기와 같이 형성된 금속과 미세한 절연막, 도전층은 열적인 에너지가 가해지지 않는 경우 금속과 반도체 사이가 절연 상태가 되어 전류의 흐름이 억제되고 열적인 에너지가 가해질 경우, 즉, 온도가 증가할 경우 일부 전자의 경우 에너지가 장벽을 넘을 수 있는 상태로 되어 전류의 흐름이 개시된다.

따라서 이 온도의 변화에 따른 전류의 흐름이 개시되는 전압 즉 임계전압은 정해지게 되고 다이오드는 과전류의 흐름에 의한 절연파괴가 일어나지 않는 경우 온도에 따른 일정한 특성을 보인다.

도 2는 상기와 같이 제작된 소자의 경우 300K의 온도와 77K의 온도에서 측정된 결과를 나타낸 것이다. 상기 도면에서 알 수 있는 바와 같이 소자의 일정한 전류가 흐르는 상태를 임계전압으로 정하면 각 온도에 따라서 전압의 변화가 나타나게 되어 이를 도식화 할 수 있다.

따라서 측정하고자 하는 온도에서 소자의 임계전압을 읽어 이를 도식화된 값과 비교하면 측정된 전압을 온도로 환산할 수 있다.

본 발명은 갈륨비소 반도체를 이용하여 온도를 측정할 수 있는 소자를 제작할 수 있도록 함으로써 저온에서 고속 소자를 이용할 경우 온도 측정이 가능하다.

본 발명의 저온 측정용 갈륨비소 반도체 소자 갈륨비소 반도체의 트랜지스터와 동일한 특성을 나타내므로 동일한 공정으로 트랜지스터의 제작 및 회로 구성이 가능하여 쉽게 응용할 수 있는 장점이 있다.

Claims (12)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 반절연 갈륨비소 기판위에 소정의 이온을 주입하여 구성되는 채널층 및 저항성 접촉부;

   상기 채널층의 이온 주입부와 접촉되는 저항성의 AuGe/Ni/Au 으로 이루어진 제1전극부;

   상기 채널 층을 덮는 층간 절연막; 및

   상기 층간 절연막을 개재하여 층간 절연막 위에 형성되되, Ti, Pt, Au 중 어느 하나 이상을 포함하는 제2전극

   을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 저온 측정용 갈륨비소 반도체 소자.
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 투명기판 위에 갈륨비소(GaAs)막을 형성하는 단계;

   상기 갈륨비소 기판의 양 단부에 소정의 이온을 주입하여 이온 주입부를 형성하는 단계;

   상기 이온주입부 위에 저항성의 AuGe/Ni/Au 으로 이루어진 제1전극을 형성하는 단계;

   상기 갈륨비소기판 위에 층간 절연막을 형성하는 단계; 및

   층간 절연막을 개재하여 층간 절연막 위에 Ti, Pt, Au 중 어느 하나 이상을 포함하는 제2전극을 형성하는 단계

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 저온 측정용 갈륨비소 반도체 소자의 제조방법.
9. 제4항에 있어서,

   상기 이온은 Si이온 인 것을 특징으로 하는 저온 측정용 갈륨비소 반도체 소자.
10. 제4항에 있어서,

    상기 층간 절연막은 산화막(SiOx) 또는 질화막(SiNx)인 것을 특징으로 하는 저온 측정용 갈륨비소 반도체 소자.
11. 제8항에 있어서,

    상기 이온 주입부는 Si이온이 주입된 것을 특징으로 하는 저온 측정용 갈륨비소 반도체 소자의 제조방법.
12. 제8항에 있어서,

    상기 층간 절연막은 산화막(SiOx) 또는 질화막(SiNx)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 저온 측정용 갈륨비소 반도체 소자의 제조방법.