KR101259126B1 - 질화물계 반도체 이종접합 반도체 소자 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체 소자에 관한 것으로 특히, 질화물계 반도체 이종접합 반도체 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다. 이러한 본 발명은, 상부에 2DEG층을 포함하는 질화물 반도체 버퍼층; 상기 버퍼층 상에 위치하는 장벽층; 상기 장벽층 상에 불연속적으로 위치하는 캡층; 상기 장벽층 및 캡층 중 적어도 어느 하나와 오믹 접촉되는 소스 및 드레인 전극; 및 상기 장벽층 및 캡층 중 적어도 어느 하나와 쇼트키 접촉되며, 상기 소스 및 드레인 전극 사이에 위치하는 게이트 전극을 포함하여 구성된다.

Description

질화물계 반도체 이종접합 반도체 소자 및 그 제조방법 {Nitride-based heterojuction semiconductor device and method for the same}
본 발명은 반도체 소자에 관한 것으로 특히, 질화물계 반도체 이종접합 반도체 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 질화물계(Nitride) 반도체의 성장 기술에 따라, 자외선에서 적색 파장밴드를 포괄하는 발광 다이오드 및 청자색 레이저 다이오드의 개발이 완료되어 이미 신호등, 전광판, 핸드폰 등에 널리 사용되고 있다.
또한, 질화물 반도체의 대표격인 질화 갈륨(GaN)은 높은 임계전압과 낮은 동작 저항으로 발광 소자뿐 아니라, 실리콘 반도체의 전력 MOSFET이나 IGBT로 대표되는 파워 스위칭 소자의 차세대 재료로써 주목을 받고 있다.
이러한 질화물 반도체를 이용하는 전력 소자는 알루미늄 질화 갈륨/질화 가륨(AlGaN/GaN)과 같은 이종접합 구조(heterojunction structure)가 가능하고 선택적으로 도핑할 수 있기 때문에 고속화를 위한 최적구조로 설계할 수 있다.
이와 같은 질화물 반도체 이종접합 반도체 소자는 고전압 및 고주파 특성을 가질 뿐 아니라 전력밀도가 큰 질화물 반도체 소자를 사용하면 전력 이용 효율이 매우 높은 고출력 증폭기 모듈을 구성할 수 있다.
이러한 반도체 소자는 낮은 누설 전류를 가지고 높은 내전압 특성을 가질 때 낮은 드레인 전류 특성을 가질 수 있다. 또한 높은 내전압 및 전류 특성을 가질 때 낮은 문턱 전압을 가질 수 있다.
따라서, 이러한 누설 전류 및 내전압 특성을 효율적으로 조절하는 것은 우수한 특성을 가지는 반도체 소자를 제작함에 있어서 고려해야 할 사항 중 하나이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 낮은 누설전류, 높은 전류밀도 및 내전압 특성과, 높은 문턱 전압을 가지는 특성 중 적어도 어느 하나 이상의 특성을 만족하는 질화물계 반도체 이종접합 반도체 소자 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 제 1관점으로서, 본 발명은, 상부에 2DEG층을 포함하는 질화물 반도체 버퍼층; 상기 버퍼층 상에 위치하는 장벽층; 상기 장벽층 상에 불연속적으로 위치하는 캡층; 상기 장벽층 및 캡층 중 적어도 어느 하나와 오믹 접촉되는 소스 및 드레인 전극; 및 상기 장벽층 및 캡층 중 적어도 어느 하나와 쇼트키 접촉되며, 상기 소스 및 드레인 전극 사이에 위치하는 게이트 전극을 포함하여 구성된다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 제 2관점으로서, 본 발명은, 기판 상에 질화물 반도체 버퍼층을 형성하는 단계; 상기 질화물 반도체 버퍼층 상에 장벽층을 형성하는 단계; 성장 조건을 조절하여 상기 장벽층 상에 장벽층의 전체 면적의 일부를 덮는 불연속 형태의 캡층을 형성하는 단계; 상기 장벽층과 오믹 접촉되는 소스 및 게이트 전극을 형성하는 단계; 및 상기 장벽층과 쇼트키 접촉되며, 상기 소스 및 게이트 전극 사이에 위치하는 드레인 전극을 형성하는 단계를 포함하여 구성된다.
본 발명은 다음과 같은 효과가 있는 것이다.
먼저, 반도체 박막 성장만으로 소자 구조를 제작할 수 있기 때문에, 문턱 전압 조정을 위한 별도의 공정이 필요하지 않아, 그로 인해 발생하는 누설 전류를 줄일 수 있다.
또한, 캡층이 갖는 높은 내전압 특성 및 높은 2DEG 채널의 농도로 인하여, 파워 소자에서 가장 중요하다고 할 수 있는 전류 특성 및 내전압 특성을 향상시킬 수 있고, 구동전압 제어가 용이한 것이다.
도 1은 질화물계 반도체 이종접합 반도체 소자의 일례를 나타내는 단면도이다.
도 2는 게이트 전극 측의 에너지 밴드 다이어그램의 일례이다.
도 3은 게이트 전극 측의 에너지 밴드 다이어그램의 다른 예이다.
도 4 및 도 5는 질화물계 반도체 이종접합 반도체 소자의 제조 과정의 일례를 나타내는 단면도이다.
도 6은 캡층이 형성된 상태의 일례를 나타내는 사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.
층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
비록 제1, 제2 등의 용어가 여러 가지 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들은 이러한 용어에 의해 한정되어서는 안 된다는 것을 이해할 것이다.
도 1에서 도시하는 바와 같이, 질화물계 반도체 이종접합 반도체 소자는, 상부에 2DEG(2-dimensional electron gas) 층(11)을 포함하는 질화물 반도체 버퍼층(10) 상에 장벽층(20)이 위치한다.
질화물 반도체 버퍼층(10)은 질화 갈륨(GaN) 반도체를 포함할 수 있고, 장벽층(20)은 알루미늄 질화 갈륨(AlGaN) 물질을 포함하여 이루어질 수 있다. 이때, AlGaN의 알루미늄(Al) 조성은 갈륨(Ga) 대비 10% 내지 50%일 수 있다.
2DEG 층(11)은 버퍼층(10)의 장벽층(20)과 접하는 부분에 위치하는 매우 얇은 부분으로서, 이 부분의 두께는 대략 1 nm 정도일 수 있다.
이러한 장벽층(20) 상에는 캡층(30)이 불연속적으로 위치한다. 캡층(30)은, 질화 알루미늄(AlN) 물질을 포함하여 이루어질 수 있다.
이와 같이 캡층(30)이 불연속적으로 위치하는 장벽층(20) 상에 소스 전극(40) 및 드레인 전극(50)이 위치하고, 이 소스 전극(40)과 드레인 전극(50) 사이에 게이트 전극(60)이 위치하게 된다.
캡층(30)은, 장벽층(20)을 완전히 덮지 않고, 불연속적으로 위치한다. 이러한 캡층(30)은 적어도 일부분에서 서로 이격된 다수의 기둥(31, 32, 33)들로 이루어질 수 있다.
이러한 캡층(30)을 이루는 기둥들은 외부로 노출된 기둥(31), 전극에 의하여 일부가 노출된 기둥(32) 및 전극에 의하여 덮인 기둥(33)을 포함할 수 있다.
따라서, 캡층(30)이 장벽층(20)을 덮는 곳(A)과, 캡층(30)이 장벽층(20)을 덮지 않는 곳(B)이 위치하여, 2DEG 층(11)으로부터 캡층(30)을 포함하는 반도체층의 표면과의 거리가 변화하게 된다.
이러한 캡층(30)이 존재하지 않는 경우에는, 게이트 전극(60)이 위치하는 부분에서 도 2와 같은 에너지 밴드 구조를 가지며, 낮은 누설 전류를 가지고 높은 내전압 특성을 가질 때 낮은 드레인 전류 특성을 가질 수 있다. 또한 높은 내전압 및 전류 특성을 가질 때 낮은 문턱 전압을 가질 수 있다.
또한, 캡층(30)이 장벽층(20)을 완전히 덮는 경우에는 게이트 전극(60)과 채널층인 2DEG 층(11)과의 거리가 증가하고 2DEG 층(11)의 농도 증가로 인하여 문턱 전압이 감소할 수 있다.
즉, 도 3과 같은 에너지 밴드 구조를 갖게 된다. 도시하는 바와 같이, 게이트 전극(60)은 일함수(W)가 높은 전극 물질을 이용할 수 있다.
따라서, 장벽층(20) 상에 불연속적으로 위치하는 캡층(30)은 이러한 두 가지 기술적 사항을 보완할 수 있어, 낮은 누설 전류를 가지고, 높은 전류 밀도와 내전압 특성을 가지면서, 높은 문턱 전압을 가지도록 함으로써 파워 디바이스의 특성을 향상시킬 수 있다.
이러한 캡층(30)의 단위 구조인 기둥들(31, 32, 33)은 규칙적으로 분포될 수도 있고, 불규칙적으로 위치할 수도 있다. 그러나 그 밀도는 조절이 가능하여, 캡층(30)이 장벽층(20)을 덮는 면적 비율을 조절할 수 있다.
즉, 캡층(30)은 장벽층(20) 면적의 1% 내지 99%를 덮을 수 있도록 제작할 수 있으나, 특히, 30% 내지 70%를 덮도록 하는 것이 유리하다.
또한, 이러한 캡층(30)의 단위 구조는 양자 점 형태로 존재할 수도 있다.
이러한 캡층(30)의 두께 분포는, 0 nm 내지 10 nm 사이의 범위를 가질 수 있으나, 대략 0 nm(장벽층(20)을 덮고 있지 않은 부분) 내지 3 nm 정도이면 그 특성을 발휘할 수 있다.
소스 전극(40)과 드레인 전극(50)은 장벽층(20) 및 캡층(30) 중 적어도 어느 하나와 오믹 접촉을(ohmic contact) 이룰 수 있으며, 티타늄(Ti)과 알루미늄(Al) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 구조를 기반으로 하는 전극 구조를 가질 수 있다.
또한, 게이트 전극(60)은 장벽층(20) 및 캡층(30)과 적어도 어느 하나와 쇼트키 접촉(schottky contact)되며, 니켈(Ni), 이리듐(Ir), 팔라듐(Pd), 및 백금(Pt) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 구조를 가질 수 있다.
이하, 도 4 및 도 5를 참고하여 질화물계 반도체 이종접합 반도체 소자의 제조 과정을 설명한다.
우선, 버퍼층(10)을 성장하기 위한 기판(도시되지 않음)을 준비한다. 이 기판은 사파이어, 실리콘(Si), 실리콘 카바이드(SiC), 또는 질화 갈륨(GaN) 기판 중 어느 하나가 이용될 수도 있다. 버퍼층(10)으로서 GaN은 MOCVD 법으로 불리는 유기 금속기상 성장법으로 제작할 수 있다.
이러한 MOCVD 법을 이용하는 성장은, Ga의 원료인 TMGa, N의 원료인 NH3를 반응로(reactor) 안에서 고온으로 합성시켜 박막 성장을 하게 된다.
도 4에서와 같이, 기판 위에 GaN 버퍼층(10)을 0.5 내지 10 ㎛의 두께로, 보다 유리하게는 0.6 내지 3 ㎛의 두께로 성장시킨 후, 2DEG 층(11) 형성을 위해 AlGaN 장벽층(20)을 성장시킨다.
AlGaN의 알루미늄(Al) 조성은 위에서 설명한 바와 같이, 갈륨(Ga) 대비 10 내지 50% 정도로 성장시킨다. 이때, 장벽층(20)의 두께는 100 nm 이하, 보다 유리하게는 0 내지 20 nm 정도 성장시킨다.
이후, 도 5에서와 같이, 이러한 장벽층(20) 위에 캡층(30)으로 사용하기 위하여 불연속 AlN 기둥(31)들을 성장시킨다. 이 캡층(30)은 완벽한 양자점(quantum dot) 형태를 가지는 것뿐 아니라, 장벽층(20) 표면을 완벽히 덮지 않은, 불연속적인 형태의 AlN을 모두 포함할 수 있다.
MOCVD 법은 성장률(Growth rate)을 조절가능하고, 나노 미터 수준으로 두께 제어가 가능하며, 압력, 온도, 소스 가스 유량에 따라 성장의 방향성을 조절할 수 있어, 일정 비율의 영역으로 장벽층(20) 표면을 덮는 캡층(30)의 성장에 적합할 수 있다.
따라서, 캡층(30)은 별도의 마스크 층을 이용하지 않고 원하는 비율의 영역으로 장벽층(20) 표면을 덮도록 형성할 수 있다.
이와 같은 캡층(30)이 형성된 상태는 도 6에서 도시하는 바와 같이, AlN 기둥(31)들이 불규칙적으로 위치할 수 있으며, 어느 부분에서는 서로 겹치게 위치할 수도 있다.
또한, 이러한 기둥(31)들은 GaN의 결정 구조를 따라 육각 기둥 또는 육각 뿔 형상을 이룰 수도 있다. 경우에 따라, 이러한 기둥(31)들의 크기는 서로 다를 수 있다. 도 6에서는 기둥(31)들의 두께가 다소 과장되게 표현되어 있을 수 있다.
여기에 소스 전극(40), 드레인 전극(50), 및 게이트 전극(60)은 점선으로 도시하는 방향으로 위치할 수 있다.
즉, 이러한 캡층(30) 성장 후 소스 전극(40), 드레인 전극(50), 및 게이트 전극(60)을 형성하면 도 1과 같은 구조가 완성된다.
위에서 설명한 바와 같이, 소스 전극(40) 및 드레인 전극(50)은 오믹 접촉되는 물질로서, 예를 들면, Ti/Al 기반의 구조를 사용하는데, 형성 후에 열처리 과정을 거칠 수도 있고, 열처리 과정 없이도 이용될 수 있다.
또한, 게이트 전극(60)은, Ni, Ir, Pd, 및 Pt 등 일함수가 높은 전극 물질 중 적어도 어느 하나 이상을 이용하여 제작할 수 있다.
이와 같은 질화물계 반도체 이종접합 반도체 소자는, 반도체 박막 성장만으로 소자 구조를 제작할 수 있기 때문에, 문턱 전압 조정을 위한 별도의 공정이 필요하지 않아, 그로 인해 발생하는 누설 전류를 줄일 수 있다.
또한, 캡층(30)이 갖는 높은 내전압 특성 및 높은 2DEG 채널의 농도로 인하여, 파워 소자에서 가장 중요하다고 할 수 있는 전류 특성 및 내전압 특성을 향상시킬 수 있고, 구동전압 제어가 용이한 것이다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
10: 버퍼층 20: 장벽층
30: 캡층 31, 32, 33: 기둥
40: 소스 전극 50: 드레인 전극
60: 게이트 전극

Claims (15)

  1. 질화물 반도체 버퍼층;
    상기 버퍼층 상에 위치하는 장벽층;
    상기 장벽층 상에 불연속적으로 위치하며, 상기 장벽층 면적의 30% 내지 70%를 덮는 캡층;
    상기 장벽층 및 캡층과 접촉되는 소스 및 드레인 전극; 및
    상기 장벽층 및 캡층과 접촉되며, 상기 소스 및 드레인 전극 사이에 위치하는 게이트 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 이종접합 반도체 소자.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 캡층은, AlN 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 이종접합 반도체 소자.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 캡층은, 상기 장벽층 상에 불규칙적으로 분포되는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 이종접합 반도체 소자.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 캡층은, 양자 점 형태인 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 이종접합 반도체 소자.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 캡층은, 소자의 문턱 전압을 높이기 위한 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 이종접합 반도체 소자.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 캡층의 두께 분포는, 0 nm 내지 3 nm인 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 이종접합 반도체 소자.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 소스 및 드레인 전극은, Ti 및 Al 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 이종접합 반도체 소자.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 게이트 전극은, Ni, Ir, Pd, 및 Pt 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 이종접합 반도체 소자.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 캡층은, 적어도 일부분에서 서로 이격되어 분포되는 다수의 기둥들로 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 이종접합 반도체 소자.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 기둥들은, 상기 소스 전극, 드레인 전극, 및 게이트 전극에 덮인 기둥을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 이종접합 반도체 소자.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 소스 및 드레인 전극은, 상기 장벽층 및 캡층 중 적어도 어느 하나와 오믹 접촉되는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 이종접합 반도체 소자.
  12. 제 1항에 있어서, 상기 게이트 전극은, 상기 장벽층 및 캡층 중 적어도 어느 하나와 쇼트키 접촉되는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 이종접합 반도체 소자.
  13. 기판 상에 질화물 반도체 버퍼층을 형성하는 단계;
    상기 질화물 반도체 버퍼층 상에 장벽층을 형성하는 단계;
    성장 조건을 조절하여 상기 장벽층 상에 장벽층의 전체 면적의 30% 내지 70%를 덮는 불연속 형태의 캡층을 형성하는 단계;
    상기 장벽층 및 캡층과 접촉되는 소스 및 드레인 전극을 형성하는 단계; 및
    상기 장벽층 및 캡층과 접촉되며, 상기 소스 및 드레인 전극 사이에 위치하는 게이트 전극을 형성하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 이종접합 반도체 소자의 제조 방법.
  14. 제 13항에 있어서, 상기 캡층은, 상기 장벽층 상에 불규칙적으로 분포되는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 이종접합 반도체 소자의 제조 방법.
  15. 제 13항에 있어서, 상기 캡층은, AlN 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 이종접합 반도체 소자의 제조 방법.
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