KR101193357B1 - 질화물계 반도체 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 질화물계 반도체 소자에 관한 것으로, 본 발명에 따른 질화물계 반도체 소자는 베이스 기판, 상기 베이스 기판 상에 배치되며, 내부에 2차원 전자 가스(2-Dimensional Electorn Gas:2DEG)가 생성되는 에피 성장막, 그리고 상기 에피 성장막 상에 배치되며, 상기 에피 성장막의 내부로 연장된 연장부를 갖는 전극 구조체를 포함하되, 상기 에피 성장막은 상기 연장부가 위치되는 함몰부를 포함하고, 상기 함몰부는 상기 연장부가 위치되는 제1 영역 및 상기 제1 영역 이외의 영역인 제2 영역을 포함한다.
Description
본 발명은 질화물계 반도체 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 낮은 온(on) 전압으로 순방향 동작이 가능하고, 역방향 동작시의 내압을 증가시킬 수 있는 질화물계 반도체 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
반도체 소자들 중 쇼트키 다이오드는 금속과 반도체의 접합인 쇼트키 접합(schottky cantact)을 이용하는 소자이다. 쇼트키 다이오드들 중 2차원 전자 가스(2-Dimensional Electorn Gas:2DEG)를 전류 이동 채널(channel)로 사용하는 질화물계 반도체 소자는 사파이어 기판과 같은 베이스 기판, 베이스 기판 상에 형성된 에피성장막, 그리고 에피 성정막 상에 형성된 쇼트키 전극 및 오믹 전극을 갖는다. 보통 상기 쇼트키 전극은 양극(anode)으로 사용되고, 상기 오믹 전극은 음극(cathode)으로 사용된다.
그러나, 이러한 구조의 질화물계 반도체 쇼트키 다이오드는 낮은 온-전압 및 온 전류를 만족시키는 것과 역방향 동작시의 내압을 높이는 것이 서로 트레이드 오프(trade-off) 관계에 있다. 이에 따라, 일반적인 질화물계 반도체 소자는 역방향 동작시의 내압을 높이면서, 순방향 온 전압을 낮추는 것이 기술적으로 매우 어렵다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 낮은 온 전압으로 동작이 가능한 질화물계 반도체 소자를 제공하는 것에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 역방향 동작시의 내압을 증가시킬 수 있는 질화물계 반도체 소자를 제공하는 것에 있다.
본 발명에 따른 질화물계 반도체 소자는 베이스 기판, 상기 베이스 기판 상에 배치되며, 내부에 2차원 전자 가스(2-Dimensional Electorn Gas:2DEG)가 생성되는 에피 성장막, 그리고 상기 에피 성장막 상에 배치되며, 상기 에피 성장막의 내부로 연장된 연장부를 갖는 전극 구조체를 포함하되, 상기 에피 성장막은 상기 에피 성장막의 표면으로부터 내부로 함몰된 함몰부를 포함하고, 상기 함몰부는 상기 연장부가 위치되는 제1 영역 및 상기 제1 영역 이외의 영역인 제2 영역을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 전극 구조체는 상기 에피 성장막과 쇼트키 컨택(schottky contact)을 이루는 쇼트키 전극을 포함하고, 상기 연장부는 상기 쇼트키 전극에 구비될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 전극 구조체는 상기 에피 성장막과 오믹 컨택(ohmic conatact)을 이루는 오믹 전극을 포함하고, 상기 연장부는 상기 오믹 전극에 구비될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 연장부는 그 측부에서 상기 2차원 전자 가스와 접촉될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 에피 성장막은 상기 베이스 기판을 시드층(seed layer)으로 하여, 상기 베이스 기판 상에 성장된 하부 질화막 및 상기 하부 질화막을 시드층으로 하여 상기 하부 질화막 상에 형성되며, 상기 하부 질화막에 비해 넓은 에너지 밴드 갭을 갖는 상부 질화막을 포함하되, 상기 연장부는 상기 상부 질화막을 관통하여 상기 하부 질화막의 내부까지 연장될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 연장부는 상기 2차원 전자 가스와 비접촉될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 에피 성장막은 상기 베이스 기판을 시드층(seed layer)으로 하여, 상기 베이스 기판 상에 성장된 하부 질화막 및 상기 하부 질화막을 시드층으로 하여 상기 하부 질화막 상에 형성되며, 상기 하부 질화막에 비해 넓은 에너지 밴드 갭을 갖는 상부 질화막을 포함하되, 상기 연장부는 상기 2차원 전자 가스와 비접촉되도록 상기 상부 질화막 내부까지 연장될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 제2 영역은 상기 제1 영역에 비해, 상기 오믹 전극에 가깝게 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 제2 영역을 덮는 패시베이션 막(passivation layer)을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 제2 영역은 상기 쇼트키 전극와 상기 에피 성장막 간의 계면에 발생되는 전계를 분산시키는 필드 플레이트(field plate)로 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 전극 구조체는 상기 에피 성장막의 일측 상에서 플레이트 형상으로 갖도록 제공되며, 상기 에피 성장막과 오믹 컨택을 이루는 오믹 전극 및 상기 에피 성장막의 타측 상에서 상기 오믹 전극과 대향되며, 상기 에피 성장막과 쇼트키 컨택을 이루는 쇼트키 전극을 포함하되, 상기 연장부는 상기 오믹 전극에 대향되는 상기 쇼트키 전극의 측면을 따라 국부적으로 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 전극 구조체는 상기 에피 성장막의 중앙 영역 배치되며, 상기 에피 성장막과 쇼트키 컨택을 이루는 쇼트키 전극 및 상기 에피 성장막의 가장자리 영역을 따라 배치되어 상기 쇼트키 전극을 둘러싸는 링(ring) 형상을 갖는, 그리고 상기 에피 성장막과 오믹 컨택을 이루는 오믹 전극을 포함하되, 상기 연장부는 상기 오믹 전극에 대향되는 상기 쇼트키 전극의 측면을 따라 국부적으로 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 함몰부는 소자들 간의 전기적 분리를 위한 메사 공정(mesa process)을 수행하는 과정에서 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 베이스 기판은 실리콘 기판, 실리콘 카바이드 기판, 그리고 사파이어 기판 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 질화물계 반도체 소자는 내부에 2차원 전자 가스를 생성하는 에피 성장막 및 상기 에피 성장막 상에 형성된 전극 구조체를 구비하되, 상기 전극 구조체의 일부가 상기 2차원 전자 가스에 접촉되도록 상기 에피 성장막 내부로 연장되도록 하여, 상기 2차원 전자 가스를 통한 전류 저항값을 최소화함으로써 낮은 온 전압으로 순방향 동작이 가능할 수 있다.
본 발명에 따른 질화물계 반도체 소자는 순방향 동작시 구동 전압이 쇼트키 다이오드의 온(on) 전압에 비해 낮은 전압으로 구동되는 경우에는 2차원 전자 가스에 접촉되는 전극 구조체의 부분을 통해 전류가 흐르고, 온 전압 이상의 전압으로 구동되는 경우에는 쇼트키 전극 전체와 2차원 전자 가스의 접합 지점을 통해 전류가 흐르게 되므로, 낮은 온 전압으로 동작이 가능하고, 순방향 전류량을 증가시킬 수 있다.
본 발명에 따른 질화물계 반도체 소자는 에피 성장막에 함몰부를 제공하여, 역방향 동작시 상기 함몰부에 의해 쇼트키 전극에 집중되는 전계를 분산시킴으로써, 역방향 내압을 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 질화물계 반도체 소자를 보여주는 평면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 I-I'선을 따라 절단한 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 Ⅱ-Ⅱ'선을 따라 절단한 단면도이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 실시예에 따른 질화물계 반도체 소자의 세부 동작 과정을 설명하기 위한 도면들이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 질화물계 반도체 소자의 일 변형예를 보여주는 도면이다.
도 6은 도 5에 도시된 Ⅲ-Ⅲ'선을 따라 절단한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 질화물계 반도체 소자의 다른 변형예를 보여주는 도면이다.
도 8은 도 7에 도시된 Ⅳ-Ⅳ'선을 따라 절단한 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 I-I'선을 따라 절단한 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 Ⅱ-Ⅱ'선을 따라 절단한 단면도이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 실시예에 따른 질화물계 반도체 소자의 세부 동작 과정을 설명하기 위한 도면들이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 질화물계 반도체 소자의 일 변형예를 보여주는 도면이다.
도 6은 도 5에 도시된 Ⅲ-Ⅲ'선을 따라 절단한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 질화물계 반도체 소자의 다른 변형예를 보여주는 도면이다.
도 8은 도 7에 도시된 Ⅳ-Ⅳ'선을 따라 절단한 단면도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면들과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공될 수 있다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다
본 명세서에서 사용된 용어들은 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 단계는 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprise)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 식각 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 질화물계 반도체 소자를 보여주는 평면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 I-I'선을 따라 절단한 단면도이다. 그리고, 도 3은 도 1에 도시된 Ⅱ-Ⅱ'선을 따라 절단한 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 질화물계 반도체 소자(100)는 베이스 기판(110), 에피 성장막(120), 그리고 전극 구조체(130)를 포함할 수 있다.
상기 베이스 기판(110)은 상기 에피 성장막(120) 및 상기 전극 구조체(130)의 형성을 위한 기초물(base)일 수 있다. 상기 베이스 기판(110)으로는 다양한 종류의 기판이 사용될 수 있다. 예컨대, 상기 베이스 기판(110)으로는 실리콘 기판, 실리콘 카바이드 기판, 그리고 사파이어 기판 중 어느 하나가 사용될 수 있다.
상기 에피 성장막(120)은 상기 베이스 기판(110) 상에 차례로 적층된 하부 질화막(122) 및 상부 질화막(124)을 포함할 수 있다. 상기 상부 질화막(124)은 상기 하부 질화막(122)에 비해 넓은 에너지 밴드 갭을 갖는 물질로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 상부 질화막(124)은 상기 하부 질화막(122)에 비해 상이한 격자 상수를 갖는 물질로 이루어질 수 있다. 예컨대, 상기 하부 질화막(122) 및 상기 상부 질화막(124)은 Ⅲ-질화물계 물질을 포함하는 막일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 하부 질화막(122)은 갈륨 질화물(GaN), 알루미늄 갈륨 질화물(AlGaN), 인듐 갈륨 질화물(InGaN), 그리고 인듐 알루미늄 갈륨 질화물(InAlGaN) 중 어느 하나로 형성되고, 상기 상부 질화막(124)은 갈륨 질화물(GaN), 알루미늄 갈륨 질화물(AlGaN), 인듐 갈륨 질화물(InGaN), 그리고 인듐 알루미늄 갈륨 질화물(InAlGaN) 중 다른 하나로 형성될 수 있다. 일 예로서, 상기 하부 질화막(122)은 갈륨 질화막(GaN)이고, 상기 상부 질화막(124)은 알루미늄 갈륨 질화막(AlGaN)일 수 있다.
상기 에피 성장막(120)은 에피택시얼 성장 공정에 의해 형성될 수 있다. 예컨대, 상기 에피 성장막(120)은 분자 빔 에피택시얼 성장 공정(Molecular beam epitaxial growth process), 원자층 에피택시얼 성장 공정(Atomic layer epitaxyial growth process), 플로우 모듈레이션 오르가노메탈릭 기상 에피택시얼 성장 공정(flow modulation Organometallic vapor phase epitaxyial growth process), 오르가노메탈릭 기상 에피택시얼 성장 공정(flow modulation Organometallic vapor phase epitaxyial growth process), 그리고 하이브리드 기상 에피택시얼 성장 공정(Hybrid Vapor Phase Epitaxial growth process) 중 적어도 어느 하나의 공정에 의해 형성될 수 있다.
상기와 같은 에피 성장막(120)의 내부에는 상기 하부 질화막(122)과 상기 상부 질화막(124) 간의 경계에 2차원 전자 가스(2-Dimensional Electorn Gas:2DEG)가 생성될 수 있다. 상기 질화물계 반도체 소자(100)의 스위칭 동작시 전류의 흐름은 상기 2차원 전자 가스(2DEG)를 통해 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 베이스 기판(110)과 상기 에피 성장막(120) 사이에는 버퍼층(미도시됨)이 개재될 수 있다. 상기 버퍼층은 상기 베이스 기판(110)과 상기 에피 성장막(120) 간의 격자 불일치로 인한 결함의 발생을 감소시키기 위한 막일 수 있다. 이를 위해, 상기 버퍼층은 이종 재질의 박막이 교대로 적층된 초격자층(super-lattice layer) 구조를 가질 수 있다. 상기 초격자층은 인슐레이터층(insulator layer)과 반도체층(semiconductor layer)이 교대로 성장된 다층 구조를 가질 수 있다.
상기 전극 구조체(130)는 상기 에피 성장막(120) 상에 배치될 수 있다. 상기 전극 구조체(130)는 오믹 전극(132) 및 쇼트키 전극(134)을 가질 수 있다. 상기 오믹 전극(132)은 상기 에피 성장막(120)과 오믹 컨택(ohmic contact)을 이루고, 상기 쇼트키 전극(134)은 상기 에피 성장막(120)과 쇼트키 컨택(schottky contact)을 이루는 금속막일 수 있다. 상기 오믹 전극(132)은 상기 소자(100)의 음극으로 사용되고, 상기 쇼트키 전극(134)은 상기 소자(100)의 양극으로 사용될 수 있다.
상기 오믹 전극(132)은 상기 에피 성장막(120)의 일측 영역에 배치될 수 있다. 상기 오믹 전극(132)은 대체로 플레이트 형상을 가질 수 있다. 상기 쇼트키 전극(134)은 상기 에피 성장막(120)의 타측 영역에서, 상기 오믹 전극(132)으로부터 이격되도록 배치될 수 있다. 여기서, 상기 쇼트키 전극(134)에 대향되는 상기 오믹 전극(132)의 측면(이하, '제1 측면'이라함, 132')과 상기 오믹 전극(132)에 대향되는 쇼트키 전극(134)의 측면(이하, 제2 측면, 134')은 대체로 평행할 수 있다.
상기 쇼트키 전극(134)은 일부가 상기 2차원 전자 가스(2DEG)에 접촉될 수 있도록, 상기 에피 성장막(120)의 내부로 연장된 구조를 가질 수 있다. 예컨대, 상기 쇼트키 전극(134)은 상기 에피 성장막(120)의 내부로 연장되어 상기 2차원 전자 가스(2DEG)에 접촉되는 연장부(136)를 가질 수 있다. 상기 연장부(136)는 상기 제2 측면(134')에 인접하는 영역에서 상기 에피 성장막(120)을 향해 아래 방향을 향해 대체로 수직하게 연장된 구조를 가질 수 있다.
이에 더하여, 상기 연장부(136)는 상기 제2 측면(134')을 따라 국부적으로 제공될 수 있다. 예컨대, 상기 연장부(136)는 복수개가 제공될 수 있으며, 상기 연장부들(136)은 상기 제2 측면(134')을 따라 일정 간격이 이격되어 배치될 수 있다. 상기 연장부들(136)은 대체로 섬(island) 형상의 횡단면을 가질 수 있다. 일 예로서, 상기 연장부들(136)은 사각형의 횡단면을 가질 수 있다. 또한, 상기 연장부들(136) 각각은 상기 2차원 전자 가스(2DEG)이 생성되는 부분을 통과하여 상기 하부 질화막(122) 내부까지 연장될 수 있다. 즉, 상기 연장부들(136) 각각은 그 측부에서 상기 2차원 전자 가스(2DEG)에 접촉되도록, 상기 하부 질화막(122)의 내부까지 연장된 구조를 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 연장부들(136) 각각은 상기 하부 질화막(122)과 상기 상부 질화막(124)의 경계면을 통과하여, 상기 하부 질화막(122) 내부 영역까지 연장된 구조를 가질 수 있다.
한편, 상기 연장부(136)가 상기 에피 성장막(120) 내에 구비되기 위해, 상기 에피 성장막(120)에는 상기 연장부(136)가 삽입되는 함몰부(126)가 형성될 수 있다. 예컨대, 상기 함몰부(126)는 상기 연장부(136)가 삽입되는 홈(groove)일 수 있으며, 상기 연장부(136)가 복수개인 경우, 상기 함몰부(126) 또한 상기 제2 측면(134')을 따라 복수개가 제공되도록 배치될 수 있다. 상기 함몰부(126)들 각각은 섬 형상의 횡단면을 가질 수 있다.
상기와 같은 구조의 함몰부(126)들은 상기 에피 성장막(120)에 대해 소정의 식각 공정을 수행하여 형성될 수 있다. 일 예로서, 상기 함몰부(126)들은 포토 리소그래피 공정을 수행하여 형성될 수 있다. 다른 예로서, 상기 함몰부(126)들은 메사 공정(mesa process)을 수행하는 과정에서 형성될 수 있다. 보다 구체적으로, 질화물계 반도체 소자들은 기판 수준(substrate level) 상태에서 그 제조가 이루어진 후, 상기 기판에 소자들을 전기적으로 분리시키는 공정인 메사 공정을 이용하여, 각각의 질화물계 반도체 소자를 단위 소자들로 분리시킬 수 있다. 이러한 메사 공정은 상기 질화물계 반도체 소자들 간의 경계에 소정의 트렌치(trench)를 형성하여 이루어질 수 있다. 이때, 상기 트렌치의 깊이는 에피성장막(120)의 하부 질화막(124)이 노출되도록 조절될 수 있다. 이에 따라, 상기 함몰부(126)는 질화물계 반도체 소자들의 전기적인 분리를 위해 사용되는 메사 공정을 이용하여 형성되므로, 본 발명에 따른 질화물계 반도체 소자의 제조 방법은 별도의 함몰부의 형성 공정을 추가적으로 실시할 필요 없이, 메사 공정을 통해 상기 함몰부(126)를 형성할 수 있다.
상기 연장부(136)는 상기 함몰부(126)의 일부만을 덮도록 형성될 수 있다. 예컨대, 상기 연장부(136)는 상기 함몰부(126)의 일부 영역을 덮음으로서, 상대적으로 상기 오믹 전극(132)에 가까운 상기 함몰부(126)의 일부를 선택적으로 노출시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 함몰부(126)는 상기 연장부(136)가 삽입되어 위치되는 제1 영역(126a) 및 상기 제1 영역(126a) 이외의 영역인 제2 영역(126b)으로 나뉠 수 있다. 상기 제1 영역(126a)과 상기 제2 영역(126b)은 상기 제2 측면(134')을 기준으로 구분될 수 있으며, 상기 제2 영역(126b)은 상기 제1 영역(126a)에 비해, 상기 오믹 전극(132)에 가깝게 위치될 수 있다.
상기 제2 영역(126b)은 소정의 절연막으로 덮혀질 수 있다. 예컨대, 상기 질화물계 반도체 소자(100)는 상기 제2 영역(126b)을 덮는 패시베이션 막(passivation layer:140)을 더 포함할 수 있다. 이에 더하여, 상기 패시베이션 막(140)은 상기 오믹 전극(132)과 상기 쇼트키 전극(134) 사이에 노출되는 상기 에피 성장막(120)을 덮도록 제공될 수 있다. 상기 패시베이션 막(140)은 산화막 및 질화막 중 적어도 어느 하나일 수 있다. 일 예로서, 상기 패시베이션 막(140)은 실리콘 산화막, 실리콘 질화막, 그리고 알루미늄 산화막 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다. 다른 예로서, 상기 패시베이션 막(140)은 하프늄산화막, 하프늄질화막, 하프늄실리케이트막, 지르코늄산화막, 지르코늄실리케이트막, 그리고 알루미늄실리케이트막 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다.
한편, 본 실시예에서는 전극 구조체(130)의 쇼트키 전극(134)만이 상기 2차원 전자 가스(2DEG)에 접촉되도록 에피 성장막(120)의 내부로 연장된 구조를 갖는 경우를 예로 들어 설명하였으나, 상기 오믹 전극(132) 또한 상기 2차원 전자 가스(2DEG)에 접촉되도록, 상기 에피 성장막(120)의 내부로 연장된 구조를 가질 수 있다. 이 경우, 상기 오믹 전극(132)은 상기 2차원 전자 가스(2DEG)에 접촉된 구조를 가지므로, 상기 쇼트키 전극(134)으로부터 상기 오믹 전극(132)으로의 전류 방향은 대체로 수평 방향이 되어, 상기 전류의 이동 경로가 단축될 수 있다.
상기와 같은 구조의 쇼트키 전극(134)은 상기 질화물계 반도체 소자(100)의 전류 이동 경로를 정의하는 2차원 전자 가스(2DEG)에 직접 접촉하므로, 0에 가까운 저항값을 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 쇼트키 전극(134)은 오믹 컨택과 유사한 전극 특성을 가질 수 있다. 이 경우, 상기 2차원 전자 가스(2DEG)에 접촉되지 않는 쇼트키 전극에 비해, 상기 질화물계 반도체 소자(100)는 현저히 낮은 전압에서도 순방향 동작이 가능하도록 할 수 있다. 상기 소자(100)의 순방향 동작시의 온 전압은 감소될 수 있으며, 이에 따라 상기 소자(100)는 낮은 온 전압에서도 동작이 가능할 수 있다.
계속해서, 본 발명의 실시예에 따른 질화물계 반도체 소자의 세부 동작 과정을 상세히 설명한다. 여기서, 앞서 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 질화물계 반도체 소자(100)에 대해 중복되는 내용은 생략하거나 간소화될 수 있다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 실시예에 따른 질화물계 반도체 소자의 세부 동작 과정을 설명하기 위한 도면들이다. 보다 구체적으로, 도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 질화물계 반도체 소자의 순방향 구동시, 쇼트키 전극의 온 전압에 비해 낮은 전압이 인가된 경우의 전류 흐름을 보여주는 도면이다. 도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 질화물계 반도체 소자의 순방향 구동시, 쇼트키 전극의 온 전압에 비해 높은 전압이 인가되는 경우의 전류 흐름을 보여주는 도면이다. 도 4c는 본 발명의 실시예에 따른 질화물계 반도체 소자의 역방향 구동 전압이 인가되어 쇼트키 접합의 공핍영역에 의해 2차원 전자 가스를 통한 전류 흐름이 차단되는 모습을 보여주는 도면이다.
도 4a를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 질화물계 반도체 소자는 쇼트키 전극(134)의 온(on) 전압에 비해, 상대적으로 낮은 전압으로 순방향 구동되는 경우, 상기 쇼트키 전극(134)으로부터 상기 오믹 전극(132)으로의 전류 흐름은 상기 전극 구조체(130)의 2차원 전자 가스(2DEG)에 접촉되는 부분을 통해 선택적으로 이루어질 수 있다. 즉, 상기 전극 구조체(130)와 상기 2차원 전자 가스(2DEG)의 접합은 상기 쇼트키 전극(134)의 연장부(136)의 측면 부분일 수 있다. 이에 따라, 상기 2차원 전자 가스(2DEG)와 접촉되는 상기 쇼트키 전극(134)의 연장부(136)의 측부로부터 상기 2차원 전자 가스(2DEG)를 경유하여 상기 오믹 전극(132)으로 전류(10)가 흐를 수 있다.
도 4b를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 질화물계 반도체 소자는 쇼트키 전극(134)의 온 전압 이상의 전압으로 순방향 구동되는 경우, 상기 쇼트키 전극(134)으로부터 상기 오믹 전극(132)으로의 전류 흐름은 상기 전극 구조체(130)의 2차원 전자 가스(2DEG)에 접촉되는 부분과 더불어, 나머지 부분을 통해서도 흐를 수 있다. 즉, 앞서 도 4a를 참조하여 설명한 연장부(136)로부터 상기 오믹 전극(132)으로 흐르는 전류(10)와 더불어, 상기 2차원 전자 가스(2DEG)에 비접촉되는 상기 쇼트키 전극(134)의 부분으로부터도 상기 2차원 전자 가스(2DEG)를 통해 상기 오믹 전극(132)으로 전류(20)가 흐를 수 있다.
도 4c를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 질화물계 반도체 소자는 역방향 구동시 전압을 인가하기 시작하면, 상기 쇼트키 전극(134)의 쇼트키 컨택의 의해 발생되는 공핍 영역(Depletion Region:DR)에 의해, 쇼트키 전극(134)으로부터 오믹 전극(132)으로의 전류 흐름이 차단될 수 있다. 그리고, 더 나아가 역방향 전압의 크기가 증가하면, 공핍 영역(DR)이 확장되어 상기 전류 흐름은 완전히 차단될 수 있다. 여기서, 상기 함몰부(126)에 의해, 상기 에피 성장막(120)에 접촉되는 상기 쇼트키 전극(134)의 경계에 집중되는 전계가 분산될 수 있으므로, 역방향 동작시의 내압이 증가될 수 있다. 즉, 상기 함몰부(126)는 소자의 역방향 동작시 상기 쇼트키 전극(134)에 집중되는 전계를 분산시키는 필드 플레이트(field palte)로 사용될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 질화물계 반도체 소자(100)는 베이스 기판(110), 2차원 전자 가스(2DEG)를 생성하는 에피 성장막(120), 그리고 상기 에피 성장막(120) 상에 형성되되, 상기 에피 성장막(120)의 내부로 연장되어 상기 2차원 전자 가스(2DEG)에 직접 접촉하는 연장부(136)를 갖는 쇼트키 전극(134)을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 쇼트키 전극(134)의 상기 연장부(136)는 상기 2차원 전자 가스(2DEG)에 접촉되므로, 전류 저항값을 최소화되어 오믹 컨택과 유사하게 동작될 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 질화물계 반도체 소자는 순방향 동작시 구동 전압이 쇼트키 다이오드의 온(on) 전압에 비해 낮은 전압으로 구동되는 경우에는 2차원 전자 가스에 접촉되는 전극 구조체의 부분을 통해 전류가 흐르고, 온 전압 이상의 전압으로 구동되는 경우에는 쇼트키 전극 전체와 2차원 전자 가스의 접합 지점을 통해 전류가 흐르게 되므로, 낮은 온 전압으로 동작이 가능하고, 순방향 전류량을 증가시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 질화물계 반도체 소자(100)는 에피 성장막(120) 상에서 서로 이격되어 배치되는 오믹 전극(132) 및 쇼트키 전극(134)을 포함하되, 상기 에피 성장막(120)에는 상기 오믹 전극(132)에 대향되는 상기 쇼트키 전극(134)의 측면(134')을 따라 국부적으로 제공되는 함몰부(126)들을 가질 수 있다. 상기 함몰부(126)들은 상기 소자(100)의 역방향 동작시, 상기 전극 구조체(130)의 쇼트키 전극(134)에 집중되는 전계를 분산시키는 구성으로 제공될 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 질화물계 반도체 소자는 오믹 전극과 쇼트키 전극 사이의 에피 성장막 영역에 국부적으로 함몰부들을 제공하여, 역방향 동작시 상기 함몰부에 의해 쇼트키 전극에 집중되는 전계를 분산시킴으로써, 역방향 내압을 증가시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 질화물계 반도체 소자의 변형예들에 대해 상세히 설명한다. 여기서, 앞서 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 질화물계 반도체 소자(100)에 대해 중복되는 내용은 생략하거나 간소화될 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 질화물계 반도체 소자의 일 변형예를 보여주는 도면이고, 도 6은 도 5에 도시된 Ⅲ-Ⅲ'선을 따라 절단한 단면도이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 변형예에 따른 질화물계 반도체 소자(100a)는 앞서 도 1을 참조하여 설명한 질화물계 반도체 소자(100)에 비해, 상기 2차원 전자 가스(2DEG)에 비접촉되는 연장부(136a)를 갖는 전극 구조체(130a)를 가질 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 질화물계 반도체 소자(100a)는 베이스 기판(110), 상기 베이스 기판(110) 상에 형성된 에피 성장막(120), 그리고 상기 에피 성장막(120) 상에 형성된 전극 구조체(130a)를 포함하고, 상기 전극 구조체(130a)는 오믹 전극(132) 및 쇼트키 전극(134a)을 포함할 수 있다. 상기 쇼트키 전극(134a)은 에피 성장막(120) 상에 형성되되, 상기 연장부(136a)는 상기 2차원 전자 가스(2DEG)에 접촉되지 않는 조건에서, 상기 2차원 전자 가스(2DEG)에 인접하도록 상기 에피 성장막(120)의 내부로 연장된 구조를 가질 수 있다. 예컨대, 상기 연장부(136a)는 상기 에피 성장막(120)의 하부 질화막(122)에 비접촉되도록, 상부 질화막(124) 내부까지만 연장될 수 있다. 이를 위해, 상기 상부 질화막(124)에는 상기 연장부(136a)가 삽입되어 배치되는 함몰부(126)가 제공될 수 있다. 상기 연장부(136a)가 위치되는 않는 상기 함몰부(126)의 영역은 패시베이션 막(140)에 의해 덮혀져 보호될 수 있다.
한편, 상기 연장부(136a)와 인접하는 상기 2차원 전자 가스(2DEG)의 부분은 나머지 부분에 비해, 상대적으로 2차원 전자 가스(2DEG)의 농도가 감소될 수 있다. 상기와 같은 구조의 질화물계 반도체 소자(100a)는 쇼트키 전극(134a)의 연장부(136a)가 상기 2차원 전자 가스(2DEG)에 비접촉된 구조를 가질 수 있다. 이 경우, 상기 쇼트키 전극(134a)은 온 저항값이 낮아져, 대체로 오믹 접합과 유사한 전극 특성을 가질 수 있다. 이 경우, 상기 2차원 전자 가스(2DEG)에 접촉되지 않는 쇼트키 전극에 비해, 상기 질화물계 반도체 소자(100a)는 현저히 낮은 전압에서도 순방향 동작이 가능하도록 할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 질화물계 반도체 소자의 다른 변형예를 보여주는 도면이고, 도 8은 도 7에 도시된 Ⅳ-Ⅳ'선을 따라 절단한 단면도이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 본 발명의 다른 변형예에 따른 질화물계 반도체 소자(100b)는 앞서 도 1을 참조하여 설명한 질화물계 반도체 소자(100)에 비해, 원 또는 링(ring) 형상의 횡단면을 갖는 전극 구조체(130b)를 가질 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 질화물계 반도체 소자(100b)는 베이스 기판(110), 상기 베이스 기판(110) 상에 형성된 에피성장막(120), 그리고 상기 에피성장막(120) 상에 형성된 전극 구조체(130b)를 포함하되, 상기 전극 구조체(130b)는 상기 에피 성장막(120)의 가장자리 영역에 배치되는 오믹 전극(132b) 및 상기 에피 성장막(120)의 중앙 영역에서 상기 오믹 전극(132b)에 의해 둘러싸여지는 쇼트키 전극(134b)을 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 오믹 전극(132b)은 상기 쇼트키 전극(134b)을 둘러싸는 링(ring) 형상을 가지며, 상기 쇼트키 전극(134b)은 플레이트 형상을 가질 수 있다.
한편, 상기 쇼트키 전극(134b)은 상기 에피 성장막(120)의 내부로 연장된 연장부(136b)를 가질 수 있다. 상기 연장부(136b)는 복수개가 제공될 수 있으며, 이 경우 상기 연장부들(136b)은 상기 오믹 전극(132b)에 대향되는 상기 쇼트키 전극(134b)의 측면을 따라 일정간격이 이격되어 배치될 수 있다. 상기 연장부들(136b)이 상기 에피 성장막(120) 내부에 위치되기 위해, 상기 에피 성장막(120)에는 상기 연장부들(136b)이 삽입되어 위치되는 함몰부들(127)이 제공될 수 있다. 상기 함몰부들(127)은 상기 연장부들(136b)이 삽입되어 위치되는 제3 영역(127a) 및 상기 제3 영역(127a) 이외의 영역인 제4 영역(127b)을 포함할 수 있다. 상기 제4 영역(127b)에는 패시베이션 막(140)이 형성될 수 있다.
이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내고 설명하는 것에 불과하며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 즉, 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위 내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 전술한 실시예들은 본 발명을 실시하는데 있어 최선의 상태를 설명하기 위한 것이며, 본 발명과 같은 다른 발명을 이용하는데 당업계에 알려진 다른 상태로의 실시, 그리고 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서, 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 질화물계 반도체 소자
110 : 베이스 기판
120 : 에피 성장막
122 : 하부 질화막
124 : 상부 질화막
126 : 함몰부
126a : 제1 영역
126b : 제2 영역
130 : 전극 구조체
132 : 오믹 전극
134 : 쇼트키 전극
136 : 연장부
110 : 베이스 기판
120 : 에피 성장막
122 : 하부 질화막
124 : 상부 질화막
126 : 함몰부
126a : 제1 영역
126b : 제2 영역
130 : 전극 구조체
132 : 오믹 전극
134 : 쇼트키 전극
136 : 연장부
Claims (14)
- 베이스 기판;
상기 베이스 기판 상에 배치되며, 내부에 2차원 전자 가스(2-Dimensional Electorn Gas:2DEG)가 생성되는 에피 성장막; 및
상기 에피 성장막 상에 배치되며, 상기 에피 성장막의 내부로 연장된 연장부를 갖는 전극 구조체를 포함하되,
상기 에피 성장막은 상기 에피 성장막의 표면으로부터 내부로 함몰된 함몰부를 포함하고,
상기 함몰부의 내부는:
상기 연장부와 접촉되는 제1 영역; 및
상기 연장부가 비접촉되는 제2 영역을 포함하는 질화물계 반도체 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 전극 구조체는 상기 에피 성장막과 쇼트키 컨택(schottky contact)을 이루는 쇼트키 전극을 포함하고,
상기 연장부는 상기 쇼트키 전극에 구비되는 질화물계 반도체 소자. - 제 2 항에 있어서,
상기 전극 구조체는 상기 에피 성장막과 오믹 컨택(ohmic conatact)을 이루는 오믹 전극을 포함하고,
상기 연장부는 상기 오믹 전극에 구비되는 질화물계 반도체 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 연장부는 그 측부에서 상기 2차원 전자 가스(2DEG)와 접촉되는 질화물계 반도체 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 에피 성장막은:
상기 베이스 기판을 시드층(seed layer)으로 하여, 상기 베이스 기판 상에 성장된 하부 질화막; 및
상기 하부 질화막을 시드층으로 하여 상기 하부 질화막 상에 형성되며, 상기 하부 질화막에 비해 넓은 에너지 밴드 갭을 갖는 상부 질화막을 포함하되,
상기 연장부는 상기 상부 질화막을 관통하여 상기 하부 질화막의 내부까지 연장된 질화물계 반도체 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 연장부는 상기 2차원 전자 가스와 비접촉되는 질화물계 반도체 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 에피 성장막은:
상기 베이스 기판을 시드층(seed layer)으로 하여, 상기 베이스 기판 상에 성장된 하부 질화막; 및
상기 하부 질화막을 시드층으로 하여 상기 하부 질화막 상에 형성되며, 상기 하부 질화막에 비해 넓은 에너지 밴드 갭을 갖는 상부 질화막을 포함하되,
상기 연장부는 상기 2차원 전자 가스와 비접촉되도록 상기 상부 질화막 내부까지 연장되는 질화물계 반도체 소자. - 제 3 항에 있어서,
상기 제2 영역은 상기 제1 영역에 비해, 상기 오믹 전극에 가깝게 배치되는 질화물계 반도체 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 제2 영역을 덮는 패시베이션 막(passivation layer)을 더 포함하는 질화물계 반도체 소자. - 제 2 항에 있어서,
상기 제2 영역은 상기 쇼트키 전극과 상기 에피 성장막 간의 계면에 발생되는 전계를 분산시키는 필드 플레이트(field plate)로 사용되는 질화물계 반도체 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 전극 구조체는:
상기 에피 성장막의 일측 상에서 플레이트 형상으로 갖도록 제공되며, 상기 에피 성장막과 오믹 컨택을 이루는 오믹 전극; 및
상기 에피 성장막의 타측 상에서 상기 오믹 전극과 대향되며, 상기 에피 성장막과 쇼트키 컨택을 이루는 쇼트키 전극을 포함하되,
상기 연장부는 상기 오믹 전극에 대향되는 상기 쇼트키 전극의 측면을 따라 국부적으로 배치되는 질화물계 반도체 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 전극 구조체는:
상기 에피 성장막의 중앙 영역 배치되며, 상기 에피 성장막과 쇼트키 컨택을 이루는 쇼트키 전극; 및
상기 에피 성장막의 가장자리 영역을 따라 배치되어 상기 쇼트키 전극을 둘러싸는 링(ring) 형상을 갖는, 그리고 상기 에피 성장막과 오믹 컨택을 이루는 오믹 전극을 포함하되,
상기 연장부는 상기 오믹 전극에 대향되는 상기 쇼트키 전극의 측면을 따라 국부적으로 배치되는 질화물계 반도체 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 함몰부는 소자들 간의 전기적 분리를 위한 메사 공정(mesa process)을 수행하는 과정에서 형성되는 질화물계 반도체 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 베이스 기판은 실리콘 기판, 실리콘 카바이드 기판, 그리고 사파이어 기판 중 적어도 어느 하나를 포함하는 질화물계 반도체 소자.
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-
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