KR101180068B1 - ＡｌＧａＮ계 ＨＦＥＴ - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전력 증폭용으로 사용되는 질화물계 HFET(hetero-structure field effect transistor)에 관한 것으로,
AlxGa1-xN 조성의 버퍼층;
상기 버퍼층 위에 형성된 AlyGa1-yN 조성의 배리어층; 및
상기 배리어층 위에 형성된 AlzGa1-zN 조성의 캡층을 포함하며,
알루미늄 농도 x, y 및 z가 0≤z<x<y≤1 관계인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 AlGaN계 HFET가 구비하는 두 개의 접합계면사이의 분극효과를 이용하여 문턱전압을 높임으로써, 고출력기기에 적합한 HFET를 제조할 수 있는 효과가 있다.
또한, 알루미늄 몰분율을 달리한 3층의 AlGaN를 구비하는 간단한 구조만으로 고출력기기에 적합한 HFET를 제조할 수 있는 효과가 있다.

Description

ＡｌＧａＮ계 ＨＦＥＴ{AlGaN BASED HETERO-STRUCTURE FIELD EFFECT TRANSISTOR}
본 발명은 전계효과형 반도체 소자에 관한 것으로, 전력 증폭용으로 사용되는 질화물계 HFET(hetero-structure field effect transistor)에 관한 것이다.
디지털 통신 기술이 발달함에 따라, 무선 통신 및 인터넷 관련 기술이 크게 발전하고 있다. 무선 통신 기술의 발전으로 인하여 주파수 대역이 점차 고주파화 되면서, 높은 증폭 효율 및 높은 사용 전압이 요구되고 있다. 이에 따라 통신용 소자의 제조 공정은 점차 복잡하고 어려워지고 있다.
지금까지 개발된 전력 증폭기용 반도체 소자는 MESFET (metal semiconductor FET), MOSFET (metal oxide semiconductor FET), BJT (bipolar junction transistor), HEMT (high electron mobility transistor), PHEMT (pseudomorphic hetero-junction electron mobility transistor), HBT (hetero-bipolar transistor) 등 다양하게 존재한다.
전력 소자는 반도체 재료의 종류에 따라 그 특성이 크게 변하게 된다.
1세대 전력 증폭기는 실리콘(Si)을 이용한 전력 소자로서 그 증폭 효율이 크지 않았다. 그 후 많은 연구가 거듭되어 상용화되어 있는 2세대 전력 소자는 GaAs를 이용한 소자이다. GaAs는 Si보다 전자의 이동도가 높기 때문에 보다 빠른 속도의 동작이 가능하며, 증폭 효율도 높아 종래의 통신용 소자의 반도체 재료로서 각광받아 왔다. 그러나 GaAs는 밴드갭이 1.4 eV 정도로 작아서 높은 전력 증폭에는 적합하지 않았으며, 열에 대한 안정성도 낮아서 소자가 쉽게 열화 되는 문제점을 나타냈다.
그 후, 차세대 무선 통신 기술을 위하여 GaN 또는 SiC를 이용한 전자 소자에 대하여 많은 연구가 이루어져 왔다. GaN은 밴드갭이 3.4 eV인 직접 천이형(direct transition) 극대 밴드 갭(wide band-gap) 반도체 재료로서, 열적 안정성 및 화학적 안정성이 뛰어나서 고온에서 동작이 가능하다. GaN은 청색 및 자외선 영역의 빛을 내는 LED(light emitting diode), LD(laser diode) 등과 같은 광소자와, 고온, 고출력 및 내부식성 전자 소자 등에의 응용성이 우수하여 전 세계적으로 관심의 대상이 되고 있다. 특히, 전력 소자에 적용하는 경우, 고온 동작이 가능하고, 고출력 소자로서 적합하기 때문에 기존의 무선 통신용에서보다 더 높은 출력을 요하는 기지국이나 위성 통신용 모듈을 위한 소자로서 적합하다.
GaN을 이용한 전력 소자의 종류로는 MESFET, HFET, HEMT, MOS-HFET, BJT 등이 있다. 그 중, GaN MESFET은 전자 이동도가 낮아 소자의 주파수 특성을 나타내는 차단 주파수(cut-off frequency, fT) 및 최대 진동수 주파수(maximum oscillation frequency, fmax)가 낮아서 고주파수에서는 사용하기 어렵다.
상기와 같은 MESFET의 단점을 극복하기 위해 개발된 소자가 AlGaN/GaN HFET (hetero-structure field effect transistor)이다. AlGaN/GaN HFET는 격자크기와 밴드 갭 에너지가 서로 다른 AlGaN와 GaN의 이종 결합으로 인한 압전효과(piezoelectric effect)에 의해서 에너지 밴드가 휘어져서 전자가 집중적으로 모임으로써 형성되는 2DEG(2-Dimensional electron gas)를 이용함으로써 전자 이동도를 획기적으로 늘린 소자 구조이다. 따라서 AlGaN/GaN HFET은 MESFET에 비해 증폭 효율, 주파수 특성 등 모든 면에서 우수한 성능을 보여 왔다.
AlGaN/GaN HFET는 소스 및 드레인으로 불리는 오믹 전극과, 게이트로 불리는 쇼트키 전극으로 구성되어 있다.
오믹 전극은 전극과 반도체 사이에 전류가 자유롭게 이동할 수 있는 전극이며, 쇼트키 전극은 전류가 역방향으로는 흐르지 않는 특징을 가지고 있다. 전자는 소스 전극부터 드레인 전극까지 형성된 채널층이라 하는 자유 전자 이동층을 따라 이동하고, 소스와 드레인 사이에 존재하는 쇼트키 전극인 게이트는 공핍 영역을 조절해서 상기 채널층을 따라 이동되는 전자의 양을 조절하는 구조를 가지고 있다.
그러나 종래의 AlGaN/GaN HFET는 강력한 분극효과로 인하여 문턱전압이 낮기 때문에 고출력 기기에는 적합하지 못한 문제가 있다.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서 문턱전압을 높여 고출력기기에 적합한 HFET를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 AlGaN계 HFET는,
AlxGa1-xN 조성의 버퍼층;
상기 버퍼층 위에 형성된 AlyGa1-yN 조성의 배리어층; 및
상기 배리어층 위에 형성된 AlzGa1-zN 조성의 캡층을 포함하며,
알루미늄 농도 x, y 및 z가 0≤z<x<y≤1 관계인 것을 특징으로 한다.
이때, 버퍼층에 접하는 상기 배리어층의 계면에 2차원 전자가스(2-DEG)층이 형성된다.
특히, 배리어층와 캡층 사이의 음의 분극전위가 배리어층과 버퍼층 사이의 양의 분극전위를 상쇄하여, 양의 문턱전압을 갖는 증가형 HFET 특성을 나타낸다.
우르짜이트(Wurtzite) 구조는 GaN층과 AlGaN층으로 구성되는 AlGaN/GaN 단일 이종접합 구조이다. 이 구조 내에는 [0001]-축으로 성장된 GaN의 Ga면에 붙은 AlGaN 접합면에서 발생하는 압전 분극(piezoelectric polarization) 효과와 우르짜이트 구조 자체에서 형성되는 자발적 분극(spontaneous polarization)에 의해 고밀도의 전자들이 AlGaN와 GaN 접합면에 형성되는 양자우물의 버금띠(subband)에 유도된다. 이렇게 양자우물에 모인 전자가스는 성장축 상에서는 양자우물의 버금띠에 속박되지만, 성장축과 직교하는 면(plane) 상에서는 자유롭게 움직이므로 준 2차원 자유전자가스를 형성한다. 이런 구조 위에 쇼트키 게이트, 소스 및 드레인 접합을 형성함으로써 마이크로파 신호를 증폭하는 기능을 갖는 HFET가 제작되는 것이다.
본 발명의 발명자는 AlGaN에 포함된 알루미늄의 몰분율에 따라서 밴드갭 에너지가 변화하는 결과로 접합 계면에서의 분극전위를 조절할 수 있음을 이용하여, 두 개의 계면에서 발생하는 분극전위를 조절함으로써 본 발명에 이르게 되었다.
본 발명의 AlGaN계 HFET는 버퍼층의 두께가 배리어층 및 캡층의 두께에 비하여 두꺼운 것이 바람직하다.
그리고 캡층이 상부와 하부로 구성되고 상부가 하부에 비하여 상대적으로 적게 도핑되거나 도핑되지 않은 것이 좋으며, 특히 캡층의 도핑량이 하부에서 상부로 올라갈수록 점진적으로 감소하는 것이 바람직하다.
나아가, 캡층의 위에 게이트 전극, 소스 전극 및 드레인 전극이 형성되되, 캡층의 소스 전극 및 드레인 전극이 형성된 영역과 주변이 식각된 것이 바람직하며, 캡층과 게이트 전극 사이에 게이트 전극으로의 전류누설을 방지하는 절연막이 형성될 수 있다. 이 절연막은 문턱전압을 조절하는 역할을 할 수 있다.
본 발명에 의한 다른 AlGaN계 HFET는,
AlxGa1-xN 조성의 버퍼층;
상기 버퍼층 위에 형성된 AlyGa1-yN 조성의 배리어층; 및
상기 배리어층 중앙부 위에 형성된 AlzGa1-zN 조성의 캡층;
상기 캡층이 형 성되지 않은 배리어층 위에 형성된 소스 전극 과 드레인 전극; 및
상기 캡층 위에 형성된 게이트 전극을 포함하며,
알루미늄 농도 x, y 및 z가 0≤z<x<y≤1 관계인 것을 특징으로 한다.
노출된 배리어층 위에 소스 전극과 드레인 전극을 형성함으로써, 배리어층과 캡층 사이 계면에서의 분극효과가 없어져 상시불통 상태인 공핍형 HFET를 얻을 수 있다.
이때, 상기 버퍼층에 접하는 상기 배리어층의 계면에 2차원 전자가스(2-DEG)층이 형성되며, 캡층과 게이트 전극 사이에 게이트 전극으로의 전류누설을 방지하고 문턱전압을 조절하는 절연막이 형성될 수 있다.
상술한 바와 같이 구성된 본 발명은 AlGaN계 HFET가 구비하는 두 개의 접합계면사이의 분극효과를 이용하여 문턱전압을 높임으로써, 고출력기기에 적합한 HFET를 제조할 수 있는 효과가 있다.
또한, 알루미늄 몰분율을 달리한 3층의 AlGaN를 구비하는 간단한 구조만으로 고출력기기에 적합한 HFET를 제조할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 HFET의 단면을 나타내는 모식도이다.
도 2는 도 1의 실시예에 따른 HFET의 에너지 밴드 분포와 계면에서의 분극전위를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 HFET의 단면을 나타내는 모식도이다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 HFET의 단면을 나타내는 모식도이다.
본 실시예의 HFET는 기판위에 순차적으로 형성된 버퍼층(100), 배리어층(200) 및 캡층(300)을 포함하며, 전극으로 게이트 전극(400), 소스 전극(500) 및 드레인 전극(600)이 형성된다.
본 실시예의 버퍼층(100), 배리어층(200) 및 캡층(300)은 모두 Al-Ga-N계 물질이며, 조성이 서로 다르다. 버퍼층(100), 배리어층(200) 및 캡층(300)은 알루미늄의 몰분율에 따라서 각각 AlxGa1-xN, AlyGa1-yN 및 AlzGa1-zN로 표현된다.
그리고 서로 다른 조성을 갖는 각 층들은 부정합구조(pseudomorphic)로 설계되어, 서로 다른 구조가 접하는 계면이 두 곳에 형성된 HFET(hetero-structure field effect transistor)를 구성한다. 이러한 부정합계면에서 발생하는 분극 전위는 압전 분극(piezoelectric polarization)과 자발적 분극(spontaneous polarization)의 합으로 나타나며, 압전 분극의 값은 접합면에서의 밴드갭 에너지 차이를 통해 결정된다.
따라서 각 층의 알루미늄의 농도를 달리하여 접합면에서 에너지 밴드갭 차이를 조절함으로써 각 접합면에서의 분극 전위를 조절할 수 있다. 이때, 알루미늄의 몰분율이 높을수록 분극에 의한 효과가 강해진다.
본 실시예의 HFET는 버퍼층(100), 배리어층(200) 및 캡층(300)의 알루미늄 농도 x, y 및 z가 0≤z<x<y≤1 범위로 조절된다. 배리어층(200)은 알루미늄이 최대농도 상태인 AlN의 조성까지 가능하고, 캡층(300)은 알루미늄이 최저농도 상태인 GaN의 조성까지 가능하다.
도 2는 도 1의 실시예에 따른 HFET의 에너지 밴드 분포와 계면에서의 분극전위를 나타내는 그래프이다.
도시된 것과 같이, 알루미늄의 농도가 가장 높은 배리어층(200)의 에너지 밴드갭이 가장 넓으며, 알루미늄 농도에 따라서 버퍼층(100)과 캡층(300)의 순서로 넓은 에너지 밴드갭 범위를 갖는다. 이에 따라서, 배리어층(200)과 캡층(300)사이 계면에는 음의 분극전위(-σp)가 나타나게 되고, 배리어층(200)과 버퍼층(100)사이 계면에는 양의 분극전위(+σp)가 나타나게 된다.
결국, 배리어층(200)과 캡층(300) 사이의 분극전위가 배리어층(200)과 버퍼층(100) 사이의 분극전위를 상쇄하여, 분극전위로 인한 문턱전압의 하강을 방지함으로써 문턱전압이 높은 증가형의 HFET를 얻을 수 있다.
이때, 버퍼층(100)에 접하고 있는 배리어층(200)의 계면에 2차원 전자가스(2-DEG, 2-Dimensional electron gas)(700)층이 형성되어, 게이트 전극(400)에 전압을 가하면 소스 전극(500)으로부터 드레인 전극(600)으로 전류가 흐른다.
또한, 도시된 것과 같이 가장 아래에 위치하는 버퍼층(100)이 충분한 두께를 가지고 있어야 밴드갭 에너지 분포를 통한 분극 효과의 조절이 가능하다. 따라서 버퍼층(100)의 두께는 배리어층(200) 및 캡층(300)의 두께에 비하여 상당히 두꺼워야 하며, AlGaN 기판자체를 버퍼층(100)으로 사용하는 것도 가능하다.
한편 문턱전압을 상승시키는 추가적인 방법으로, 캡층(300)의 도핑 정도를 조절하며, 구체적으로 캡층(300) 하부의 도핑도가 캡층(300) 상부의 도핑도보다 높게 조절한다.
이를 위해서, 도핑도가 높은 하부 캡층(300)과 도핑도가 낮은 상부 캡층(300)으로 구별하여 캡층을 형성할 수도 있으며, 캡층(300) 형성과정에서 도펀트의 주입을 조절하여 도펀트가 점진적으로 감소하도록 할 수도 있다.
또한, 도 1에 도시된 것과 같이, 전극이 형성된 캡층(300) 영역의 두께를 달리하여 문턱전압의 상승효과를 얻을 수 있다.
구체적으로, 캡층(300)의 일부를 식각한 뒤에 게이트 전극(400), 소스 전극(500) 및 드레인 전극(600)을 형성하되, 식각되지 않은 캡층(300) 상에 게이트 전극(400)을 형성하고, 식각된 캡층(300) 영역 상에 소스 전극(500)과 드레인 전극(600)을 형성한다.
그리고 게이트 전극(400)을 통한 전류의 누설을 방지하고 문턱전압을 더욱 증가시키기 위하여, 게이트 전극(400)과 캡층(300) 사이에 절연막을 형성할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 HFET의 단면을 나타내는 모식도이다.
두 번째 실시예에 따른 HFET는 기판위에 순차적으로 형성된 버퍼층(100), 배리어층(200) 및 캡층(300)을 포함하며, 전극으로 게이트 전극(400), 소스 전극(500) 및 드레인 전극(600)이 형성되는 점과 알루미늄의 농도에 있어서 첫 번째 실시예와 동일하다.
이하에서는 첫 번째 실시예와 다른 점을 위주로 설명한다.
두 번째 실시예의 HFET는 캡층(300)이 배리어층(200)의 중앙 부분에만 형성됨으로써, 배리어층(200)의 윗면 일부가 노출되어 있다. 이는 배리어층(200)의 일부에만 캡층(300)을 증착시키거나, 배리어층(200) 전체에 캡층(300)을 증착하고 캡층(300)의 일부를 식각하는 방법으로 제작할 수 있다.
그리고 캡층(300) 위에는 게이트 전극(400)이 형성되고, 소스 전극(500)과 드레인 전극(600)은 노출된 배리어층(200) 위에 형성된다.
이에 따르면 노출된 배리어층(200) 위에 소스 전극(500)과 드레인 전극(600)을 형성함으로써, 배리어층(200)과 캡층(300) 사이 계면에서의 분극효과가 없어져 상시불통 상태인 공핍형 HFET를 얻을 수 있다.
그리고 게이트 전극(400)을 통한 전류의 누설을 방지하고 문턱전압을 더욱 증가시키기 위하여, 게이트 전극(400)과 캡층(300) 사이에 절연막을 형성할 수 있다.
이상 본 발명을 바람직한 실시예를 통하여 설명하였는데, 상술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화가 가능함은 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 보호범위는 특정 실시예가 아니라 특허청구범위에 기재된 사항에 의해 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상도 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 버퍼층 200: 배리어층
300: 캡층 400: 게이트 전극
500: 소스 전극 600: 드레인 전극
700: 2차원 전자가스층

Claims (14)

  1. AlxGa1-xN 조성의 버퍼층;
    상기 버퍼층 위에 형성된 AlyGa1-yN 조성의 배리어층; 및
    상기 배리어층 위에 형성된 AlzGa1-zN 조성의 캡층을 포함하며,
    알루미늄 농도 x, y 및 z가 0≤z<x<y≤1관계인 것을 특징으로 하는 AlGaN계 HFET.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 버퍼층에 접하는 상기 배리어층의 계면에 2차원 전자가스(2-DEG)층이 형성된 것을 특징으로 하는 AlGaN계 HFET.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 배리어층와 상기 캡층 사이의 음의 분극전위가 상기 배리어층과 상기 버퍼층 사이의 양의 분극전위를 상쇄하여, 양의 문턱전압을 갖는 것을 특징으로 하는 AlGaN계 HFET.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 버퍼층의 두께가 상기 배리어층 및 상기 캡층의 두께에 비하여 두꺼운 것을 특징으로 하는 AlGaN계 HFET.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 캡층이 상부와 하부로 구성되고, 상부가 하부에 비하여 상대적으로 적게 도핑되거나 도핑되지 않은 것을 특징으로 하는 AlGaN계 HFET.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 캡층의 도핑량이 하부에서 상부로 올라갈수록 점진적으로 감소하는 것을 특징으로 하는 AlGaN계 HFET.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 캡층의 위에 게이트 전극, 소스 전극 및 드레인 전극이 형성되되, 상기 캡층의 소스 전극 및 드레인 전극이 형성된 영역과 주변이 식각된 것을 특징으로 하는 AlGaN계 HFET.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 캡층 위에 게이트 전극이 형성되며, 상기 캡층과 게이트 전극의 사이에 절연막이 형성된 것을 특징으로 하는 AlGaN계 HFET.
  9. AlxGa1-xN 조성의 버퍼층;
    상기 버퍼층 위에 형성된 AlyGa1-yN 조성의 배리어층; 및
    상기 배리어층 중앙부 위에 형성된 AlzGa1-zN 조성의 캡층;
    상기 캡층이 형성되지 않은 배리어층 위에 형성된 소스 전극 과 드레인 전극; 및
    상기 캡층 위에 형성된 게이트 전극을 포함하며,
    알루미늄 농도 x, y 및 z가 0≤z<x<y≤1 관계인 것을 특징으로 하는 AlGaN계 HFET.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 버퍼층에 접하는 상기 배리어층의 계면에 2차원 전자가스(2-DEG)층이 형성된 것을 특징으로 하는 AlGaN계 HFET.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 버퍼층의 두께가 상기 배리어층 및 상기 캡층의 두께에 비하여 두꺼운 것을 특징으로 하는 AlGaN계 HFET.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 캡층이 상부와 하부로 구성되고, 상부가 하부에 비하여 상대적으로 적게 도핑되거나 도핑되지 않은 것을 특징으로 하는 AlGaN계 HFET.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 캡층의 도핑량이 하부에서 상부로 올라갈수록 점진적으로 감소하는 것을 특징으로 하는 AlGaN계 HFET.
  14. 청구항 9에 있어서,
    상기 캡층과 상기 게이트 전극 사이에 절연막이 형성된 것을 특징으로 하는AlGaN계 HFET.
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