KR100863762B1 - 질화 인듐 갈륨 채널의 고전자 이동도 트랜지스터 및 그 제조 방법 - Google Patents

질화 인듐 갈륨 채널의 고전자 이동도 트랜지스터 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 질화 갈륨계 HEMT 소자는 InGaN 합금으로 형성된 채널층을 포함한다. 이 소자는 이종 구조, 예컨대 GaN층, 이 GaN층 상의 InGaN층 및 이 InGaN층 상의 (도핑 또는 비도핑) AlGaN층을 포함하는 구조로 구성된다. 별법으로서, 본 발명의 HEMT 소자는 알루미늄 함유층을 포함하지 않는 소자, 예컨대 GaN/InGaN HEMT 또는 InGaN/InGaN HEMT 소자로 제조될 수 있다.

Description

질화 인듐 갈륨 채널의 고전자 이동도 트랜지스터 및 그 제조 방법{INDIUM GALLIUM NITRIDE CHANNEL HIGH ELECTRON MOBILITY TRANSISTORS, AND METHOD OF MAKING THE SAME}
본 발명은 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT) 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
GaN계 재료는 고온, 고전력 및 고주파 소자용으로 사용하기에 양호한 물리적 성질과 전자적 성질을 갖는다. 아래의 표 1에 나타난 바와 같이, 광대역 반도체(GaN, Sic)는 Si 및 GaAs보다 열 캐리어 발생률이 더 낮고, 브레이크다운 전기장(breakdown field)이 더 크다.
고온, 고전력 및 고주파 전자 소자용 후보 재료의 성질
물성 Si GaAs 4H-SiC GaN
대역(eV) 1.1 1.4 3.3 3.4
브레이크다운 전기장(105V/cm) 2 4 30 30?
전자 이동도(㎠/Vs) 1400 8500 800 900a, 2000b
최대 속도(107cm/s) 1 2 2 3
열전도도(W/cm K)` 1.5 0.5 4.9 1.3
(a)는 n = 5E16 cm-3의 경우; (b)는 AlGaN/GaN 구조의 경우
GaN은 높은 전자 이동도(> 800 ㎠/Vs) 및 높은 전자 속도(> 107 cm/sec) 등의 다른 잇점이 있다. 또한, 이동도가 크고 전하 구속(charge confinement)이 양호하며 브레이크다운 전압이 높은 고전자 이동도 트랜지스터(HEMTs)는, AlGaN/GaN 재료 시스템에서 제조될 수 있다.
6-8 W/mm 정도의 실온 무선 주파수(8-10 GHz) 출력 전력이 AlGaN/GaN 재료 시스템에서 이론상 가능하며, 6.8 W/mm 정도의 높은 전력 밀도가 근래에 보고되었다(1998년 6월 22-24일 버지니아주 샬럿빌에서 열린 56회 소자 연구 회의에서 에스. 티. 쉐퍼드 등이 발표함).
유망한 출력 전력이 AlGaN/GaN HEMTs에서 보고되었지만, 재료와 관련한 쟁점들이 소자의 성능을 계속 제한한다. 영구 광전도도(PPC) 및 드레인 I-V의 붕괴가 AlGaN 합금[M.D. McCluskey와, N.M. Johnson과, C.G Van De Walle와, D.P. Bour와, M. Kneissel, 그리고 W. Walukiewicz의 논문 Mat.Res.Soc.Symp.Proc. 521(1998년)의 531 페이지]과 AlGaN/GaN 이종 구조[J.Z. Li와, J.Y. Lin과, H.X. Jiang과, M.A. Khan, 그리고 Q. Chen의 논문 J.Appl.Phys.82(1997년)의 1227페이지]에서 보고되었다. 이러한 결과는 재료의 깊은 준위로부터 캐리어가 포획 및 발생되는 것에 기인하는 것으로, 고주파 성능의 취약화, 드레인 전류의 저하 및 HEMT의 출력 전력 감소로 이어질 수 있다. GaAs계 HEMT에서 PPC 및 전류의 붕괴는 AlxGa1-xAs(x > 20)의 결함 도너 콤플렉스(DX 센터)에 기인한다. Al-농후 AlxGa1-xAs(x > 27)에서 산소 DX-센터에 대한 증거가 근래에 보고되었다(M.D. McCluskey 등, ibid). 일반적으로, Al 고함유 AlGaN 층(x > 0.20)은 AlGaN/GaN HEMT 구조의 시트 밀도를 도 1의 데이터에 도시된 바와 같이 압전 유도 도핑을 통해 높이는 데 이용된다. 도 1은 23 nm의 비(非)도핑 AlGaN/GaN 이종 구조에 있어서의 알루미늄 조성 퍼센트의 함수로서 시트 밀도를 나타내는 도표이다.
Ⅲ-Ⅴ족 질화물 HEMTs의 성능을 더 개선하기 위해서, 이들 방법은 Al 조성비가 큰 층을 이용하는 것에 기인하는 깊은 준위 결함의 해로운 영향을 감소시키거나 배제시키는 지가 확인되어야 한다.
본 발명의 한 가지 양태는 InGaN 합금으로 형성된 채널층을 포함하는 질화 갈륨계 HEMT 소자에 관한 것이다.
이러한 소자는 AlGaN/InGaN 이종 구조, 예컨대 GaN층, 이 GaN층 상의 InGaN층 및 이 InGaN층 상의 AlGaN층을 포함하는 구조로 구성된다. AlGaN층은 HEMT의 소정의 최종 용례에서 요구하는 바에 따라 도핑될 수도 있고 도핑되지 않을 수도 있다.
별법으로서, 본 발명의 HEMT 소자는 알루미늄 함유층을 포함하지 않는 소자, 예컨대 GaN/InGaN HEMT 또는 InGaN/InGaN HEMT 소자로 제조될 수 있다.
다른 양태에서, 본 발명은 InGaN 합금으로 이루어진 소자의 채널층을 형성하는 단계를 포함하는 GaN계 HEMT 소자 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명의 그 밖의 양태, 특징 및 실시예는 이하의 상세한 설명과 첨부된 청구범위로부터 보다 더 명백해질 것이다.
도 1은 23 nm의 비도핑 AlGaN/GaN 이종 구조에 있어서의 알루미늄 조성 %에 대한 시트 밀도의 도표로서, 압전 유도 도핑으로 인해 Al 조성이 증가할수록 시트 밀도가 증가하는 것을 보여주고,
도 2는 AlGaN/InGaN HEMT 구조를 나타내는 개략도이며,
도 3은 AlGaN/InGaN HEMT 구조의 대역도이다.
본 발명에 따르면, GaN계 HEMTs의 성능은 이 소자의 채널층에 InGaN 합금을 사용함으로써 개선된다. HEMT 채널층에 InGaN 합금을 사용함으로써, AlGaN/GaN 이종 구조와 동등한 준위의 스트레인 및 압전 도핑 특징으로, 실질적으로 Al 조성이 낮은 AlGaN층을 채용할 수 있다는 점을 발견하였다.
InGaN은 GaN에 비해 격자상수가 크고(GaN과 InN 간의 격자상수 차는 0.351Å인데 비해, GaN과 AlN 간의 격자상수 차는 0.079Å 임), Al과 In을 조금 함유한 층은 AlGaN/GaN과 거의 유사한 스트레인을 갖는 부정형 AlGaN/InGaN 이종 구조를 형성하는 데 이용될 수 있다. 예컨대, Al0.10Ga0.90N/In0.046Ga0.954 N 계면의 격자 부정합은 Al0.30Ga0.70N/GaN의 계면과 동일하다. 따라서, 압전 유도 도핑이 상당히 감소되거나 채널층의 구조적 또는 전기적 성질이 열화되는 일 없이 Al 함량 감소 AlGaN층을 사용할 수 있는, AlGaN/InGaN 이종 구조를 형성할 수 있다.
HEMT에 Al 저함유 AlGaN층을 사용하면, DX-센터 관련 천이 효과가 감소되는 것 이외에도, 오옴 접촉 저항이 감소될 수 있다.
GaN에 비해 InN의 전자 이동도가 높으므로(n = 1E16 cm-3), 소자의 채널층에 InGaN 합금을 사용하면 소자의 성능과 전기적 성질이 현저히 개선된다.
도 2는 본 발명에 따른 예시적인 소자의 AlGaN/InGaN HEMT 구조를 나타내는 개략도이다. 이 소자의 제조에서는, 많은 실험 없이도 당업자가 용이하게 결정할 수 있는 적절한 성장 조건을 이용하여, GaN층 위에 있는 InGaN층 상부에 부정형 AlGaN층이 성장된다. InGaN층은 다층 구조에서 "이완"되도록 충분히 두꺼워야 한다. 본 발명의 다양한 실시예에서 InGaN층의 두께는 약 100 내지 5,000 nm인 것이 일반적이고, 일부 예에서는 보다 구체적으로 약 200 내지 2,000 nm이거나 더 좁게는 약 400 내지 1,000 nm이다.
별법으로서, InGaN층은 기재(버퍼층 포함) 상에 직접 성장될 수 있다. AlGaN층이 도핑되지 않을 수 있거나, AlGaN의 상부 또는 최상부가 시트 밀도를 더 증가시키도록 도핑될 수 있다.
별법으로서, InGaN 채널 HEMT는 InGaN 상에 GaN 또는 InGaN을 사용하여 제조될 수 있다. 이 경우, 화학 반응성 Al-함유층이 소자의 구조에서 완전히 배제되어, 고전력 작업 조건하에서 장기간의 안정성 및 신뢰성이 AlGaN/GaN HEMT 또는 AlGaN/InGaN HEMT에서 얻을 수 있는 것 보다 개선된 GaN/InGaN HEMT를 제공한다. 또한, AlGaN 또는 GaN와 InGaN 간의 최적 성장 조건이 다르므로, InGaN/InGaN HEMT는 제조상의 잇점을 제공한다.
본 발명의 실시에서 질화 인듐 갈륨층은 그에 적합한 공정 또는 기술에 의해 성장될 수 있다. 예컨대, 상기 층들은 반응성 가스종(예컨대, 암모니아, 트리메틸갈륨 및 트리메틸인듐)을 기재가 수용된 성장 반응기에 넣는 기상(vapor phase) 기술을 이용하여 형성될 수 있다. 반응성 가스종이 기재 위를 통과하여 이들 종(d암모니아로부터 질소, 트리메틸갈륨으로부터 갈륨, 트리메틸인듐으로부터 인듐)의 에피택셜막이 침적된다. 이러한 InGaN 공정은 약 500 내지 1000℃, 보다 구체적으로 약 700 내지 950℃, 또는 보다 협소하게는 800 내지 900℃의 온도로 실시될 수 있다. 상기 반응기의 압력은 약 50 내지 980 mbarr로 유지될 수 있다. 어디에서든지 인듐 대 갈륨의 비는 0 내지 100% 일 수 있다.
본 발명에 관한 이하의 비제한적인 예를 참조하여, 본 발명의 특징, 양태 및 장점을 더 보여준다. 이하의 예에서 비도핑은 비의도적으로 도핑된 것도 포함하는 것이다.
예 1
Figure 112003004373778-pct00001
도 2에 도시된 타입의 HEMT 구조의 제조예
예 1에 도시된 설계의 HEMT 구조는 GaN 침적용으로 접합한 기재와; 이 기재 상의 버퍼인 비의도적으로 도핑된 GaN층과; 이 GaN 버퍼층 상의 비의도적으로 도핑된 InGaN 채널층으로서, 상기 GaN 버퍼층과 이 InGaN 채널층 간의 격자 상수 차에 기인하는 스트레인이 이완되는 InGaN 채널층과; 이 InGaN 채널층 상의 비의도적으로 도핑된 AlGaN 공간층과; 이 AlGaN 공간층 상의 의도적으로 실리콘 도핑된 AlGaN 도너층으로 이루어진다.
예 2
Figure 112003004373778-pct00002
버퍼층이 있는 기재 상에 직접 형성되는 InGaN층의 제조예
예2에 도시된 설계의 InGaN 구조는 GaN 침적용으로 적합한 기재와; 이 기재상의 버퍼층과; 이 버퍼층 상의 비의도적으로 도핑된 InGaN층으로 이루어진다.
예 3
Figure 112003004373778-pct00003
GaN/InGaN HEMT 소자의 제조예
예 3에 도시된 설계의 HEMT 구조는 GaN 침적용으로 적합한 기재와; 이 기재 상의 버퍼인 비의도적으로 도핑된 GaN층과; 이 GaN 버퍼층 상의 비의도적으로 도핑된 InGaN 채널층으로서, 상기 GaN 버퍼층과 이 InGaN 채널층 간의 격자 상수 차에 기인하는 스트레인이 이완되는 InGaN 채널층과; 이 InGaN 채널층 상의 비의도적으로 도핑된 GaN 공간층과; 이 GaN 공간층 상의 의도적으로 실리콘 도핑된 AlGaN 도너층으로 이루어진다.
예 4
Figure 112003004373778-pct00004
예 4에 도시된 설계의 HEMT 구조는 GaN 침적용으로 적합한 기재와; 이 기재 상의 버퍼인 비의도적으로 도핑된 GaN층과; 이 GaN 버퍼층 상의 비의도적으로 도핑된 InGaN 채널층으로서, 상기 GaN 버퍼층과 이 InGaN 채널층 간의 격자 상수 차에 기인하는 스트레인이 이완되는 InGaN 채널층과; 이 InGaN 채널층 상의 비의도적으로 도핑된 InGaN 공간층으로서, InGaN 채널에 비해 InN 농도가 낮은 InGaN 공간층과; 이 InGaN 공간층 상의 의도적으로 실리콘 도핑된 InGaN 도너층으로서, 상기 InGaN 공간층과 InN 농도가 동일한 InGaN 도너층으로 이루어진다. 이 예에서는, InGaN 채널층과 InGaN 공간층 간의 농도차와 관련한 스트레인에 기인하는 압전 유도 도핑으로 인해, InGaN 채널층과 InGaN 공간층 간의 계면에 또는 그 부근에는 고밀도의 전하 캐리어를 포함하는 채널이 형성된다.
본 발명은 예시적인 실시예 및 특징을 참조로 하여 본원에 다양하게 기술되었지만, 상기의 실시예 및 특징은 본 발명을 제한하려는 것이 아닌 것으로 이해되며, 이들의 그 밖의 변형예, 수정예 및 다른 실시예를 당업자는 알게될 것이다. 따라서, 본 발명은 하기의 청구범위와 모순되지 않게 넓게 해석되어야 한다.

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  19. InGaN 합금으로 형성된 채널층과 상기 채널층 위에 하나 이상의 추가층을 포함하는 질화 갈륨계 HEMT 소자로서,
    상기 채널층은 이완되며 100 내지 5000 나노미터의 두께를 가지는 것이고, 상기 하나 이상의 추가층은 GaN 및 InGaN으로 구성되는 군에서 선택되는 재료를 포함하는 것이고, 상기 하나 이상의 추가층의 각각의 층은 알루미늄을 포함하지 않는 것인 질화 갈륨계 HEMT 소자.
  20. InGaN 합금으로 형성된 채널층과 상기 채널층 위에 하나 이상의 추가층을 포함하는 질화 갈륨계 HEMT 소자로서,
    상기 채널층은 이완되며 100 내지 5000 나노미터의 두께를 가지는 것이고, 상기 하나 이상의 추가층은 AlxGa1-xN으로 형성되는 것이며, 상기 x는 0.2 이하인 것인 질화 갈륨계 HEMT 소자.
  21. InGaN 합금으로 형성된 채널층과 상기 채널층 위에 하나 이상의 추가층을 포함하는 질화 갈륨계 HEMT 소자로서,
    상기 채널층은 이완되며 100 내지 5000 나노미터의 두께를 가지는 것이고, 상기 하나 이상의 추가층은 상기 채널층과 함께 2차원 전자 가스를 형성하기 위해 배치된 GaN 재료를 포함하는 것인 질화 갈륨계 HEMT 소자.
  22. InGaN 합금으로 형성된 채널층과 상기 채널층 위에 하나 이상의 추가층을 포함하는 질화 갈륨계 HEMT 소자로서,
    상기 채널층은 이완되며 100 내지 5000 나노미터의 두께를 가지는 것이고, 상기 하나 이상의 추가층은 상기 채널층과 함께 2차원 전자 가스를 형성하기 위해 배치된 InGaN 재료를 포함하는 것인 질화 갈륨계 HEMT 소자.
  23. 청구항 19 또는 21에 있어서, 상기 하나 이상의 추가층은 GaN 재료를 포함하여 채널층과 함께 GaN/InGaN HEMT를 형성하는 것인 질화 갈륨계 HEMT 소자.
  24. 청구항 19 또는 22에 있어서, 상기 하나 이상의 추가층은 InGaN 재료를 포함하여 채널층과 함께 GaN/InGaN HEMT를 형성하는 것인 질화 갈륨계 HEMT 소자.
  25. 청구항 19 또는 21에 있어서, 상기 하나 이상의 추가층은 도핑되지 않은(undoped) GaN 공간층과 상기 GaN 공간층 위에 형성된 도핑된 GaN 도너층을 더 포함하는 것인 질화 갈륨계 HEMT 소자.
  26. 청구항 19 또는 22에 있어서, 상기 하나 이상의 추가층은 도핑되지 않은 InGaN 공간층과 상기 GaN 공간층 위에 형성된 도핑된 InGaN 도너층을 더 포함하는 것이고, 상기 InGaN 공간층은 상기 채널층보다 In 농도가 낮은 것인 질화 갈륨계 HEMT 소자.
  27. 청구항 19 내지 22 중 어느 한 항에 있어서, 상기 채널층은 200 내지 2000 나노미터의 두께를 갖는 것인 질화 갈륨계 HEMT 소자.
  28. 청구항 19 내지 22 중 어느 한 항에 있어서, 상기 채널층은 400 내지 1000 나노미터의 두께를 갖는 것인 질화 갈륨계 HEMT 소자.
  29. 청구항 19 내지 22 중 어느 한 항에 있어서, 기판과 상기 기판 위의 GaN 버퍼층을 더 포함하고, 상기 채널층은 상기 버퍼층 상에 형성되는 것인 질화 갈륨계 HEMT 소자.
  30. 청구항 20에 있어서, 상기 x는 0.1 내지 0.2인 것인 질화 갈륨계 HEMT 소자.
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