KR101396115B1 - 광학적 제어된 실리콘 탄화물 및 관련 와이드 밴드갭 트랜지스터들 및 사이리스터들 - Google Patents

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Abstract

전력 전자 디바이스들 및 회로들의 광학적 제어를 실시하기 위해, 종래의 방법들에 비해 상당히 큰 성능 이점을 갖는 전력 디바이스들 및 회로들을 생성하는 데에 광학적 활성 물질이 이용된다. 실리콘 탄화물의 광학적 활성 물질은, 쉘로우 도너들을 붕소 관련 D-센터로 보상함으로써 형성된다. 그 결과 생성된 물질은 n-타입 또는 p-타입일 수 있지만, 이는, 전자들을 D-센터로부터, 폴리타입 간에 변동되는 전도대 에지에 가까운 허용된 상태로 광 여기시키는 데에 요구되는 임계 에너지를 초과한 광자 에너지로 전자기 방사에 의해 일루미네이팅될 때 그 내부에 지속적인 광 전도성을 유발하는 능력 면에서 다른 물질과 구별된다.
Figure R1020097001008
광학적 제어, 광학적 활성 물질, 실리콘 탄화물, 광 전도성, 광자 에너지, 전력 디바이스

Description

광학적 제어된 실리콘 탄화물 및 관련 와이드 밴드갭 트랜지스터들 및 사이리스터들{OPTICALLY CONTROLLED SILICON CARBIDE AND RELATED WIDE-BANDGAP TRANSISTORS AND THYRISTORS}
본 발명은 진보된 마이크로일렉트로닉(반도체) 디바이스들 및 그 제조 방법들에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 이 디바이스가 제1 파장의 광의 펄스에 의해 클로징되며 그 후 제2 파장의 광의 펄스에 의해 오픈될 수 있게 해주는 광학적 활성 물질 영역을 포함하는 마이크로일렉트로닉 디바이스들에 관한 것이다.
도 1에 도시된 회로는, 어떤 전압 혹은 전류(통상적으로 DC)를 3상(three phase) AC 전압 혹은 전류로 변환(혹은 그 반대로 변환)하는 것이 요구되는 다양한 응용장치에서 널리 이용된다[1]. 그 예들에는, 전기 차량용 모터 드라이브들, 공장에서 이용되는 산업용 모터들, 및 실용 전력 조절 시스템들, 예를 들면, 고전압 DC 전력 송신에 이용되는 SVAR(static volt-ampere-reactive) 보상기들 및 정류기들 및 인버터들이 포함되며, 이 회로의 2-스위치 및 4-스위치 버전들(각각, "하프 브리지(half bridge)" 및 "풀 브리지(full bridge)")이, 방위 및 민간 전자 산업 전체에 걸쳐 이용되는 전원 공급 응용장치들에서 통상적으로 이용된다.
이 회로는, BJT(bipolar junction transistor), MOSFET(metal-oxide- semiconductor field effect transistor), IGBT(insulated gate bipolar transistor), SIT(static induction transistor), SCR(silicon controlled rectifier) 유형, GTO(gate-turn-off) 유형, 혹은 정전 유도(static induction) 유형의 사이리스터들을 비롯한 많은 형태들로 구성될 수 있는 6개의 반도체 스위치들을 갖는다[2]. 전술한 것의 많은 다른 변형예들이 종래 기술에서 발견될 수 있다.
도 1에 도시된 기본 회로 빌딩 블럭은 2-스위치 하프 브리지 페이즈 레그(two-switch half-bridge phase leg)(도 2 참조)이다. 도 2는 또한 이 종래 기술의 두 가지 문제점을 나타내고 있다. 그 첫 번째는, 상위 스위치(upper switch) S1이, 부하가 공통 접속되어 있는 게이트 드라이버 회로에 의해 전기적으로 제어되어 플로팅 게이트 드라이브가 요구되는 "하이 사이드 게이트 드라이버(high-side gate driver)" 문제로서 통상적으로 알려져 있다. 이는 최종 시스템에 더 큰 복잡성 및 비용을 발생시킨다. 두 번째 문제는, 하프 브리지의 부적절한 동작을 유발하여서 회로 또는 부하에 고장을 발생시킬 가능성이 있는 부정확한 게이트 신호가 인가될 가능성이 있다는 것이다. 이들 부정확한 게이트 신호들의 소스는 통상적으로 "전자 방해(electromagnetic interference)" 혹은 EMI로 칭해진다. EMI는 많은 소스들로부터 유래할 수 있으며, 모든 응용장치들에 영향을 미칠 수 있다. 그러나, 군대 관련 시스템들(military related systems)에서는, 에너미 액션(enemy action)으로부터 고의적으로 도입되는 EMI의 추가적인 위협이 존재한다. EMI는 도 2의 로우 사이드(low-side) 스위치 S2를 비롯하여 그 회로 내의 임의의 모든 스위치들의 동작에 영향을 미칠 수 있다.
하이 사이드 게이트 드라이버 문제 및 EMI 문제 양쪽에 대한 하나의 해결책은, 광학적으로 제어되는 회로들이다. 도 3은 이 문제를 부분적으로 해결하는 종래 기술의 다른 실시예를 도시한다. 중앙 처리기와, 도 3의 회로 내의 스위치들중 임의의 스위치 간의 광 섬유 접속을 허용하는 광 수신기라고 하는 추가의 회로가 게이트 드라이버에 도입된다. 광 섬유 링크는 일반적으로, 면역성이 없는 경우, EMI에 훨씬 덜 취약하다. 불행하게도, 별도의 전력을 수신기 및 게이트 드라이버에 제공하는 문제가 남아 있다. 그리고, 게이트 드라이버 회로는 여전히 잠재적으로 EMI에 취약하다. 전자의 문제점은 특히, 긴 스트링의 디바이스들이, 이 스택의 총 차단 전압을 증가시키기 위해 직렬로 연결될 때마다 곤란하게 된다(이는 종종 전기 실용 설비의 경우에 발생됨).
일반적인 응답은, 가능하다면, 게이트 드라이버 회로 모두를 함께 제거하는 것이다. 광학적 활성 스위치들을 이용하는 것이 하나의 해결책이다. 도 4는, 광학적 활성 디바이스들(통상적으로 광학적으로 트리거된 사이리스터들)이, 게이트 드라이버가 스위칭 온되거나 혹은 "클로징"될 것을 요구하지 않기 때문에 이들이 이용되는 또다른 종래 기술을 나타낸다. 일반적으로, 레이저(그러나, 광 에너지의 다른 소스들도 이용될 수 있음)에 의해 발생되는 특성 파장(characteristic wavelength)의 광 방사는 적절한 수단(통상적으로는 광 섬유 케이블)에 의해 스위치로 유도된다. 디바이스가 전도 상태로 스위칭되도록 일루미네이팅되는(illuminated) 스위치의 일부에 전자-정공 쌍들이 생성된다[3]. 주 제한(principal limitation)은, 스위치가 광에 의해 통상적으로 스위칭 오프될 수 없 다는 것인데, 이로 인해 사이리스터들이 인기를 얻게 되는데, 그 이유는 이들이 일반적으로 정류(commutation)로 알려진 처리를 통해 외부 회로에 의해 스위칭 오프될 수 있기 때문이다. 이는, 전력 전자에서 단연코 가장 통상적으로 이용되는 광학적 활성 스위치인 광학적으로 트리거된 사이리스터를, 회로 정류가 가능한 응용장치에 국한시키지만; 많은 응용장치에서, 정류는, 광학적 활성 스위치들의 종래 기술의 응용 장치를 심각하게 제한하는 옵션이 아니다.
광 트랜지스터로도 알려진 광학적 활성 BJT는, 다양한 종류 및 응용장치들의 "옵티컬 아이솔레이터(opticla isolator)"(혹은 축약해서, "옵토 아이솔레이터(opto-isolator)), 및 광 검출기 등의 디바이스들의 마이크로일렉트로닉 산업에서 통상적으로 이용된다. 광 트랜지스터는, 도 1과 같은 회로에서는 거의 사용되지 않지만, 원리적으로는 이들이 사용될 수 있다. 종래 기술의 광 트랜지스터는, 이 트랜지스터에서 이용되는 반도체의 밴드갭 에너지를 초과하는 광자 에너지를 갖는 광원에 의해 전자-정공 쌍들이 생성된다는 점에서 광학적으로 트리거된 사이리스터의 변형예이다. BJT의 베이스는 통상적으로 광학적 활성 매질이 되도록 선택된다. 광학적 활성 BJT의 이점은, 트랜지스터를 통한 전도가, 광이 BJT의 베이스 상에 조사되는 경우에만 계속될 것이라는 점이다. 광이 제거되면, BJT는 전도 전류를 중단시킬 것이며, 오래지 않아 그 스위치는 턴 오프되거나 "오픈"될 것이다. 문제는, 스위치 오프 전의 딜레이가 일반적으로, BJT의 베이스 내의 소수 캐리어(minority carrier) 저장의 물리 현상에 의해 결정된다는 점인데, 이는 양호한 광 이득을 갖는 BJT의 경우 일반적으로 느리다[4]. 광 트랜지스터는, 소수 캐리어 수명(minority carrier lifetime; MCL)을 짧게 하여 광 이득에 부정적인 영향을 미치게 하는 불순물의 도입에 의해 더 빠르게 될 수 있다. 대부분의 응용 장치에서, 전도를 시작하고 유지하는 데에 필요한 광 에너지는 중요한 성능 지수(이는 더 작은 것이 더 좋음)이다.
펄스형 전력 발생기(pulsed power generator)로서 알려져 있는, 많은 과도 전력량을 제어하도록 의도된 반도체 스위치들의 개발에 있어 유사한 문제들이 발생한다. 이들 시스템들은 일반적으로, 방위 및 의학 응용장치에서 발견된다. 이러한 응용장치[5]에서는 매우 빠른 스위칭이 요구되며, 이는 종래의 전력 전자 커뮤니티에서의 응용장치들을 위해 개발된 것과는 다소 다른, 펄스형 전력 기술 커뮤니티에 의한 반도체 디바이스의 발전을 이룩하였다. 펄스형 전력 커뮤니티에서는, 레이저 광에 의해 일루미네이팅될 때 클로징되고 레이저 광이 그 물질의 시상수 특성에 따라 제거될 때 오픈되는 스위치들이 "선형 모드"로 동작하게 된다고 한다[6]. 선형 모드 스위치들은, "광-지속(light-sustained)" 벌크 광 전도 클로징 및 오프닝 스위치들인 것으로 간주될 수 있다. 이러한 스위치들은 이러한 점에서 광 트랜지스터와 유사한데, 이들이 구성면에서 더욱 간단하며, 종종 실리콘 혹은 갈륨 비소(gallium arsenide) 등의 반도체의 블럭만으로 구성되며 스위치를 외부 회로에 접속시키기 위한 오믹 컨택트(ohmic contact)를 형성하기 위한 금속 컨택트를 단부의 한쪽에 가지며; 이들의 완전하게 다른 응용장치[7]를 반영하는 이들의 사이즈가 일반적으로 훨씬 더 크다는 점만 다르다. 그러나, 스위칭 속도에 대한 레이저 에너지의 바람직하지 못한 트레이드-오프는 동일하게 남아 있다[8].
"광 지속" 광 전도 스위치에 대한 대안예는, Schoenbach 등의 미국 특허 제4,825,061호[9]에 개시되어 있으며, 여기서는 하나의 파장의 광 펄스가, 나노초의 지속기간을 갖는 레이저 펄스가 종료된 후[10] 꽤 긴 마이크로초까지 계속되는 지속적인 광 전도를 유발하는 벌크 광 전도 디바이스를 개시하며; 이는 더 긴 파장의 제2 "소멸(quenching)" 레이저 펄스의 적용에 의해 요구시 종료될 수 있다[11]. 상기 Schoenbach 등의 미국 특허 제4,825,061호에서는, 1960년까지 구리로 도핑된 갈륨 비소에서 특히 강한 것으로 알려졌던 광 소멸 효과를 이용한다[12]. 상기 미국 특허 제4,825,061호의 기본 베이스인, 구리 도핑된 GaAs 및 CdS와 같은 감광성 반도체들에서의 적외선 광 소멸의 물리 현상은 1965년까지 충분히 이해되었었다[13]. 상기 Schoenbach 등의 제4,825,061호의 개시물은, 그 실시예가 일반적으로 [7] 및 [9]에 설명되어 있으며 도 5에 도시되어 있는 벌크 광 전도 스위치에서 이들 효과를 이용하는 것으로 제한된다. 기본적인 문헌, 예를 들면 [14] 및 [15]에서는, 이 개시물이 도 6에 도시된 것과 유사한 회로들을 위한 광 전도 스위치에 의해 실제로 실현될 수 있으며, 이는, 예를 들어 Stoudt 등의 미국 특허 제5,864,166호[16]에서 개시된 바와 같은 펄스형 전력 응용 장치에서 일반적으로 활용된다. 실제 작업 디바이스들의 모든 논증은, 상기 Schoenbach 등의 제4,825,061호에 개시된 벌크 광 전도 스위치에 제한되어 왔으며, 반절연(semi-insulating) 물질을 만들기 위해 열 확산에 의해 실리콘 도핑된 GaAs를 구리로 보상(GaAs:Si:Cu)하는 동일한 핵심 처리에 의해 제조되었다[17]. 실제로는, 다른 실제로 응용할 수 있는 개시물은 상기 제4,825,061호에는 포함되어 있지 않다.
종래 기술의 펄스형 전력 스위칭에 대비해, GaAs:Si:Cu 광 전도 스위치의 이점은, 짧은 소수 캐리어 수명을 갖는 물질에서 높은 광 전도 이득을 가져서, 빠른 상승 및 하강 시간과 길고/길거나 연속적으로 변환가능한 듀티비를 갖는 전류 펄스를 요구하는 응용장치에 훨씬 더 낮은 레이저 전력 소비를 제공한다는 점이다. 그러나, [14]에서 보고된 바와 같이, 전류 필라멘테이션(current filamentation)[18]으로 이끄는 기본적 불안정성으로 인해 3kV/cm 정도의 비교적 낮은 평균 전계만이 GaAs:Si:Cu 벌크 광 전도 스위치들에서 제어될 수 있으며, 이에 따라 큰 전압을 차단하고 큰 전류를 흐르게 하며, 전력 전자 산업에서 이용되는 통상의 반도체 디바이스들에 비해 매우 큰 활성 영역이 요구된다. 따라서, 이 스위치를 전력 전자 응용장치에 적용시키는 데에 엄청나게 큰 레이저 에너지가 요구된다. 또다른 단점은, GaAs는 일반적으로, 무엇보다도 그 낮은 열 전도성 때문에 전력 전자의 경우 나쁜 선택이라는 점이다. Schoenbach 등은, 실리콘 탄화물 등의, 전력 전자에 대한 반도체의 더 나은 선택에 실제로 적용될 수 있는 실시예는 개시하고 있지 않다.
<요약>
일 양태에서, 실리콘 탄화물 내의 쉘로우 도너들(shallow donors)을 보상하는 데에 붕소 관련 D-센터가 이용되어, 전자기 스펙트럼의 황색 혹은 녹색 부분에서의 광 방사에 의해 유발되는 지속적인 광 전도, 및 전자기 스펙트럼의 적외선 부근 내지 적색 부분에서의 더 긴 파장의 광 방사에 의한 동일한 지속적인 광 전도의 광 소멸을 나타낼 수 있는 광학적 활성 물질을 생성한다. SiC의 중요한 폴리타입들(polytypes) 모두는, 쉘로우 도너들을, 3C, 4H, 및 6H를 비롯한(이에 제한되지는 않음) 붕소 관련 D-센터로 보상함으로써 본질적으로 동일한 속성을 갖도록 렌더링된다.
다양한 실시예들에서, D-센터 보상된 SiC에 의해 형성되는 광학적 활성 물질은, 선택적 수단에 의해 전력 전자 응용장치들에서 사용되는 각종 마이크로일렉트로닉 디바이스들의 적절한 활성 영역들 내에 포함된다. 이들 수단은, 실리콘 탄화물 기판 물질 및/또는 에피택셜 물질 내에 붕소를 주입하고 그 후 붕소를 확산시켜, 고온 열 처리 혹은 계속되는 에피택셜 성장을 통해 1차원, 2차원 및 3차원의 디바이스 구조에서 D-센터들을 생성한다.
일 실시예에서, D-센터 보상된 SiC에 의해 형성된 광학적 활성 물질은, 광학적 제어가능 바이폴라 접합 트랜지스터(BJT)의 베이스에 포함된다.
다른 실시예에서, D-센터 보상된 SiC에 의해 형성된 광학적 활성 물질은, 광학적 제어가능 수직 및 측면 채널 접합 전계 효과 트랜지스터(JFET)의 채널 내에 포함된다.
또다른 실시예에서는, D-센터 보상된 SiC에 의해 형성된 광학적 활성 물질은, 광학적 제어가능 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)의 채널 내에 포함된다.
또다른 실시예에서는, D-센터 보상된 SiC에 의해 형성된 광학적 활성 물질은 광학적 제어가능 사이리스터의 p-베이스에 포함된다.
또다른 실시예에서는, D-센터 보상된 SiC에 의해 형성된 광학적 활성 물질은, 광학적 제어가능 정전 유도 사이리스터(필드 제어된 사이리스터로도 알려져 있음)의 p-베이스에 형성된 채널들 내에 포함된다.
전술한 구성의 마이크로일렉트로닉 디바이스, 및 이들 개시를 검토할 때 당업자에게 명백하게 되는 다른 구성의 마이크로일렉트로닉 디바이스들은, 통상의 시퀀스의 클로징 광 임펄스가 디바이스 활성 영역을 일루미네이팅하여 지속적인 광 전도를 제공하는 경우, 단일 클로징 광 임펄스에 대한 밀리초부터 훨씬 더 긴 범위까지의 클로징 및 오프닝 기간의 듀티 비의 실제의 무한한 조합에 의한, 스위치들의 클로징 및 오프닝 천이 양쪽 모두의 순수한 광학적 제어를 허용하는 이점을 가지고 전력 전자 시스템들에 포함될 수 있다.
추가적인 이점들 및 특성들은, 이어지는 상세한 설명에서 부분적으로 제시될 것이며, 부분적으로는 이어지는 본 발명의 검토시에, 혹은 본 발명의 실제의 학습시에 본 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에게 보다 명확하게 될 것이다.
도 1은 3상 모터 드라이브들의 종래 기술을 일반적으로 도시한 도면.
도 2는 전기적으로 제어되는 게이트 드라이버들 및 전기적으로 제어되는 스위치들을 이용하는 통상의 하프 브리지 회로들의 종래 기술을 나타낸 도면.
도 3은 광학적으로 제어되는 게이트 드라이버들 및 전기적으로 제어되는 스위치들을 이용하는 통상의 하프 브리지 회로들의 종래 기술을 나타낸 도면.
도 4는 광학적으로 유발되거나 혹은 지속되는 스위치들을 이용하는 종래 기술의 광학적으로 제어된 하프 브리지 회로를 도시한 도면.
도 5는 종래 기술의 GaAs:Cu:Si 광 전도 스위치들을 나타낸 도면(참조 문헌 [15] 이후).
도 6은 펄스형 전력 회로에서의 종래 기술의 GaAs:Cu:Si 광전도 스위치들을 적용하고 이를 이용한 결과를 나타낸 도면(참조 문헌 [15] 이후).
도 7은 본 발명의 하프 브리지 회로의 하나 이상의 실시예의 적용을 나타낸 도면.
도 8은 쉘로우 질소 도너로 도핑되고 붕소 억셉터 및 붕소 관련 D-센터(6H-SiC:B:N)로 보상되며 본 발명의 하나 이상의 실시예에 포함되는 실리콘 탄화물 반도체의 6H 폴리타입으로 구성되는 광학적 활성 물질의 밴드갭을 나타낸 도면.
도 9는 두 개의 서로 다른 파장들의 전자기 방사(electromagnetic radiation)의 펄스들이 본 발명의 하나 이상의 실시예의 광학적 활성 영역을 연속적으로 일루미네이팅할 때 D-센터로 보상된 SiC:B:N으로 이루어진 광학적 활성 물질에서 가능한 광 전도의 사이클을 나타낸 도면.
도 10은 본 발명의 실시예에 따라 단부들로부터 일루미네이팅되는 SiC:B:N의 광학적 활성 영역을 포함하는 수직 평면 바이폴라 접합 트랜지스터(BJT)의 단면도.
도 11은 두 개의 서로 다른 파장들의 레이저 펄스들이, 도 10에 도시된 바이폴라 접합 트랜지스터의 광학적 활성 영역을 연속적으로 일루미네이팅할 때 D-센터로 보상된 SiC:B:N으로 이루어진 광학적 활성 물질에서 가능한 전하 제어의 사이클을 나타낸 도면.
도 12는 본 발명의 실시예에 따라 트렌치들 내에 제조된 손실많은 도파관들 을 통해 단부들로부터 일루미네이팅되는 SiC:B:N의 광학적 활성 영역을 포함하는 수직 트렌치 바이폴라 접합 트랜지스터(BJT)의 단면도.
도 13은 본 발명의 실시예에 따라 트렌치들 내에 제조된 손실많은 도파관들로 상부로부터 일루미네이팅되는 SiC:B:N의 광학적 활성 영역을 포함하는 수직 트렌치 바이폴라 접합 트랜지스터(BJT)의 단면도.
도 14는 본 발명의 실시예에 따라 상부로부터 직접 일루미네이팅되는 SiC:B:N의 광학적 활성 영역을 포함하는 수직 채널 접합 전계 효과 트랜지스터(JFET)의 단면도.
도 15는 본 발명의 실시예에 따라 상부로부터 직접 일루미네이팅되는 SiC:B:N의 광학적 활성 영역을 포함하는 측면 채널 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)의 단면도.
도 16은 도 14에 도시된 광학적 활성 디바이스가 통상의 전기 게이트 전력 디바이스의 게이트를 구동하는 데에 이용되는 본 발명의 실시예를 나타낸 도면.
본 발명은, 순수 광 게이팅에 의한 제어를 요구하거나 이로부터 이익을 얻는 회로에서 상당한 이점들을 갖는 전체 등급의 전력 디바이스들 및 집적 회로들을 생성하는 데에 이용되는 실리콘 탄화물의 광학적 활성 물질을 제공한다. 이러한 응용장치 중 하나의 예가 도 7에 도시된 회로(1)이다. 이 회로는, 두 개의 트랜지스터 스위치들(2)을 포함하는 하프 브리지 전력 회로인데, 이 스위치들 중 하나는 "하이 사이드" 위치에 있으며, 다른 하나는 "로우 사이드" 위치에 있다. 제어기(3) 는, 제1 파장(5) 및 제2 파장(6)의 전자기 방사의 빔들을 생성(제1 파장이 제2 파장보다 짧게 되도록 함)할 수 있는 전자기 방사원(4)을 구동시킨다. 하이 사이드 및 로우 사이드 스위치들 양쪽 모두는, 제어기에 의해 결정된 임의의 순서로 어느 한쪽의 빔에 의해 일루미네이팅될 수 있다. 이러한 하프 브리지 회로들은, 각종 전원 공급 장치에 적용되거나 혹은 집적 회로에서 출력 스테이지로 적용될 것이다. 혹은, 이들 중 두 개가 함께 접속되어 풀 브리지 회로(도시하지 않음)를 형성할 수 있다. 혹은, 이들 중 세 개가 함께 접속되어 도 1에 도시된 바와 같은 3상 회로를 형성할 수 있다. 혹은, 이들 회로들에 대한 다른 상호접속에 관해서는, 이하의 본 발명을 검토하거나 혹은 본 발명의 실시에 의해 학습될 때 본 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에게 명백하게 될 것이다.
일부 실시예들에서의 광학적 활성 물질은, 공지된 폴리타입 중 임의의 폴리타입으로부터의 실리콘 탄화물 반도체에 기초한 것이며, 이들 중 가장 일반적으로 이용되는 것은 4H-SiC 및 6H-SiC이다. 그러나, 3C-SiC, 15R-SiC 및 다른 것들도 마찬가지로 잘 적용될 것이다. 실리콘 탄화물은 와이드 밴드갭을 갖는 등급의 반도체이다. 예를 들면, 4H-SiC는 T=300K에서 약 3.2eV의 밴드갭을 가지며, 6H-SiC는 T=300K에서 약 2.9eV의 밴드갭을 갖는다. SiC는 또한 간접적(indirect) 밴드갭 반도체이다. 와이드 밴드갭은, 실리콘 혹은 갈륨 비소 등의 좁은 밴드갭 반도체들에 비해, 특질상 낮은 특정 온저항에서 고전압 및 고온 동작을 가능하게 해준다. 또한, 임의의 폴리타입의 SiC는 바람직하게도 큰 열 전도성(적어도 GaAs의 6배)을 갖는다. 따라서, SiC 디바이스들의 이용은, 중요한 전력 전자 산업 등의, 전력 반 도체 디바이스들을 요구하는 응용장치에서 점점 증가하고 있다.
구체적으로는, 광학적 활성 물질은, 질소 또는 인 등의 쉘로우 도너들로 도핑되고 붕소 억셉터들 및 붕소 관련 D-센터들로 보상된 SiC이다. 6H SiC에서의 이 물질의 예의 밴드갭(10)의 도면이 도 8에 도시되어 있다. 6H-SiC는, 2.9eV의 에너지만큼 가전자대(12)로부터 떨어져 있는 전도대(11)를 갖는다. 6H-SiC 물질은, 질소에 의해 성장 동안 도핑되며, 이는 전도대 아래에 평균 0.1eV의 쉘로우 도너 레벨(13)을 형성한다. 성장 동안, 혹은 가장 가능성있게는 나중에, 붕소가 6H-1-SiC에 주입된다. 붕소는 SiC에서 두 개의 별개의 유형의 불순물 센터들을 형성한다. 그 첫 번째는, 붕소 불순물 원자가 실리콘 베이컨시(vacancy) 사이트 상으로 치환될 때 형성되는 가전자대 위의 약 0.3eV에서의 붕소 억셉터(14)이다. 그 두 번째는, 붕소 원자가, 소위 탄소 베이컨시 Vc 등의 본래의 점 결함의 더 큰 컴플렉스의 일부인 실리콘 베이컨시 사이트 상으로 치환될 때 형성되는 D-센터이다. D-센터는, 붕소 억셉터보다 확실히 밴드갭이 더 깊으며, 임의의 특정 SiC 폴리타입은 붕소 억셉터들 및 D-센터들 양쪽 모두의 농도를 포함할 수 있다. D-센터는 광 분광 수단(optical spectroscopic means)과 열 분광 수단 양쪽 모두를 이용하여 상당히 연구되어 왔다. 그 결과는, 가전자대 위에서의 0.73eV의 광 활성화 에너지, 및 가전자대 위에서의 0.58 내지 0.63 eV의 범위의 열 활성화 에너지로서 보고되어 있다[19]. 도 8은, D-센터 그라운드 상태(15)가 가전자대 위의 0.73eV에 위치되어 있으며 D-센터의 제2 여기 상태(16)가 가전자대 위의 약 0.58eV에 위치되어 있는, 참고 문헌 [19]에서 발견되는 2-레벨 모델의 이용에 의해 이러한 불일치를 해결하 는 하나의 방법을 나타낸다. D-센터에서의 전자 및 정공 캡처와 연관된 광 및 열 활성화 에너지들 간의 관찰되는 차이는 이 모델에 의해 예측된다. 이 물질은, 쉘로우 도너 상태가, 붕소 및 D-센터 억셉터 상태들의 합보다 수적으로 우세할 때(열적 평형 상태에 있을 때 물질 n-타입을 남겨둠), 혹은 그 반대가 될 때(열적 평형 상태에 있을 때 물질 p-타입을 남겨둠) 광학적으로 활성화될 수 있다.
도 9는 광학적 활성 SiC:B:N 물질에 의해 여기될 수 있는 광 전도 사이클을 나타낸 도면이다. 도 9의 (a)는 전도가 거의 관찰되지 않거나 전도가 관찰되지 않는 고도의 저항 상태에 있는 평형 상태의 p-타입 물질을 나타낸 도면이다. 실제로 모든 질소 도너 상태들은 양전하를 띠게 되며 이에 따라 트랩된 정공(trapped hole)(20)을 포함하게 된다. 실제로 모든 붕소 억셉터 상태들 및 대부분의 D-센터 상태들은, 음전하를 띠게 되며, 이에 따라 트랩된 전자(21)를 포함하게 된다. 나머지 중성 D-센터 상태들이 트랩된 정공(20)을 포함한다.
도 9의 (b)는, 580nm보다 짧은 파장을 갖는 전자기 에너지에 의해 일루미네이팅될 때의 물질을 나타낸다. 이 에너지(＞2.14eV)를 갖는 광자는, 전자가 D-센터 그라운드 상태(15)로부터 광 이온화되어서 중성 D-센터의 트랩된 정공 및 자유 전자(22)를 남겨두는 프로세스(30)를 야기시킬 것이다. 파장이 500nm를 초과하는 한, 붕소 억셉터의 전자 광 이온화는 발생하지 않을 것이다. 이 에너지를 갖는 광자는 또한, 트랩된 정공이 D-센터 그라운드 상태로부터 광 이온화되어, 음전하를 띠는 D-센터의 트랩된 전자 및 자유 정공(23)을 남겨두는 프로세스(31)를 야기시킬 것이다. B-억셉터 및 D-센터 양쪽 모두가 0.1과 1×10-14cm2 사이의 비교적 큰 정공 캡처 단면을 가지기 때문에[20], 자유 정공들은 이들 센터들 양쪽 모두에 의해 트랩되기 쉬우며(프로세스(32)), 여기서 이들은 다른 광자 흡수 프로세서(31)에 의해 가전자대로 도로 여기될 수 있다. D-센터는, 저온에서 1분의 D-센터 광 루미네선스 글로 타임(photoluminescence glow times)에 의해 나타나는 바와 같이 훨씬 더 작은 전자 캡처 단면을 갖는다[19]. 그 결과, 광 이온화된 전자가 다시 캡처되지는 않을 것이다. 그 결과는, 도 9의 (c)에 도시된 바와 같이, PPC(persistent photoconductivity)이다. 전자기 방사원이 제거되면, 광학적 활성 물질 내의 남아 있는 정공들은 프로세스(32)를 통해 D-센터 및 B 억셉터들에 의해 트랩된다. 균형 상태가 아닌 자유 전자들은, 이들이, 6H에서 약 2.13eV[20](혹은 4H에서 2.34eV[21])에서 센터된 광자의 광 대역의 특성 방사를 통해 D-센터에 의해 캡춰될 때까지(도시되지 않은 프로세스), 혹은 이들이 D-센터에 의해 열적으로 방출된 정공과 재결합할 때까지(프로세스(34)가 이어지는 프로세스(33)) 전도대 내에 남아 있게 된다. 프로세스(33) 및 프로세서(34)의 결합이 발생하는 것으로 알려져 있으며, 이는 열 소멸(thermal quenching)[19]로 칭해진다. 그러나, 이 프로세스의 시상수는, 300K에서 약 10ms(예를 들면, [20] 및 [22])의 타임 스케일로 발생되는 것으로 수많은 보고서에서 관찰된, D-센터로부터의 정공의 비교적 느린 열 방사에 의해 제어된다. 이 지속기간의 지속적인 광 전도는, GaAs:Cu:Si[10]에서 관찰되는 것보다 약 1000배 길며, 이에 따라 종래 기술에 비해 현저하게 개선되었음을 나타 낸다.
1.77㎛ 미만이며 0.58㎛를 초과하는 파장을 갖는 전자기 방사가 광학적 활성 물질을 일루미네이팅할 때, 지속적인 광 전도는 도 9의 (d)에 도시된 바와 같이 광 소멸될 수 있다. 이 에너지 범위(0.7＜hv＜2.13eV)의 광자는 프로세스(35)를 야기시키지만 프로세스(30)는 야기시키지는 않는다. 이는, 프로세스(33)에 의해 매우 느린 속도로 열 방사되었던 정공들이 이제는 프로세스(35)의 훨씬 더 빠른 속도에 의해 결정되는 속도로 방사될 것임을 의미한다. 재결합 프로세스(34)가 프로세스(32)에 의한 정공 캡처와 유사한 속도를 갖는 것으로 가정하면, PPC의 소멸이 발생될 것이다. 이 재결합 프로세스가 정공 캡처보다 현저하게 느린 경우, 광 소멸은 관찰되지 않을 것이다. 따라서, 본 발명은, 정공 캡처 프로세스(32)의 속도와 유사하거나 혹은 이보다 더 빠른 전자-정공 재결합 속도를 갖는 광학적 활성 물질을 포함한다. 그 경우, 이 물질은 도 9의 (e)에 도시된 상태로 리턴될 것이며, 이는 도 9의 (a)에 도시된 초기 상태와 거의 유사하다.
도 10은 광학적 활성 영역을 갖는 바이폴라 접합 트랜지스터(BJT)를 포함하는 본 발명의 일 실시예의 단면을 나타낸 도면이다. 이 디바이스는 n 타입 전도 기판(40) 상에 제조된다. 이 기판이 에피택셜 성장되면, 이 디바이스가 오프 상태에 있는 동안, 요구되는 전압을 차단하도록 도핑되며 충분한 두께를 갖는 n 타입 콜렉터(41)가 제조된다. 이 콜렉터가 제조되면, BJT의 베이스로서 기능하는 반도체(42)의 광학적 활성 영역이 제조된다. 이러한 광학적 활성 물질을 제조하는 방법들은, 미국 특허 출원 2002/0149021 A1[23]에서 개시된 바와 같이 D-센터들을 형 성하는 방식으로 붕소를 주입함으로써 소정의 농도의 쉘로우 도너들을 포함하는 에피택셜 층을 보상함으로써 행해질 수 있다. 층(42)은 붕소 억셉터들 및 D-센터들로 충분히 보상되어서 매우 높은 저항성을 가지며 p 타입 전도성을 갖게 된다. n 타입 이미터 층(43)은, 에피택셜 수단에 의해 혹은 이온 주입에 의해 층(42)의 상부에 추가된다. 이 실시예는 특히, 오믹 컨택트가 이미터 층에 적용된 측벽 패시베이팅(passivating) 유전 물질(46)이 금속 층의 적절한 시퀀스 및 열 처리에 의해 형성되어 금속 스택(44)이 이미터 컨택트로 되는, 도 10에 도시된 딥 메사 에지 터미네이션 기술(deep mesa edge termination technique)과 호환될 수 있다. 유사한 프로세스가 기판(40)의 바닥에 적용되어, 금속 스택(45)이 콜렉터 컨택트가 된다. 하나의 파장 혹은 다른 파장의 광이 디바이스의 에지들에 조사된다. 광이 디바이스를 하나 이상의 사이드들로부터 통과하여 전파됨에 따라, 프로세스들(30 혹은 35)이 광학적 활성 영역(42)에서 발생되는데, 이 광학적 활성 영역(42)은, 디바이스의 스위치 상태를 변경시키는 방식으로 이 물질의 전도성을 변경시킬 수 있다. 프로세스(30)를 발생시키는 파장을 갖는 전자기 방사의 경우, 이 디바이스 상태는, 비전도("차단")에서 전도("온(on)")로 변경된다. 프로세스(35)만을 발생시키는 파장을 갖는 전자기 방사의 경우, 이 디바이스 상태는 전도("온")에서 비전도("차단")로 변경된다.
상당한 크기의 전력 디바이스에서 전체 볼륨의 광학적 활성 물질을 활성화시키는 능력은, 본 발명의 큰 이점이다. 도 9의 광 전도 사이클에 대한 물리적 설명에서 개시된 전자기 방사의 파장들은 서브-밴드갭 파장들로서 알려져 있는데, 그 이유는 이 방사의 광자 에너지가 반도체의 밴드갭보다 작기 때문이다. 따라서, 이 방사는, 전술한 밴드갭 파장의 경우보다 훨씬 더 적게 흡수된다. 전자기 방사의, 물질로의 특징적 관통에 대한 공식은 수학식 1에 의해 주어진다.
I(x) = Ioexp(-αx)
여기서, I(x)는 광학적 활성 물질(42)의 내부의 x 포인트에서의 방사 강도(W/cm2 단위)이며, Io는, 방사가 디바이스에 도입되는 BJT의 표면에서의 방사의 초기 강도(x=0)이며, α는 지정된 파장에서의 방사의 흡수 계수(cm-1 단위)이다. 서브-밴드갭 방사의 경우, 흡수 계수는, D-센터와 같이, 딥 레벨들(deep levels)의 광 이온화에 의해 결정된다. 흡수 계수에 대한 근사치는 수학식 2에 의해 주어진다.
α = σND
여기서, σ는 광 이온화에 대한 단면(cm2 단위)이며, ND는 D-센터의 수 밀도(number density)(cm-3 단위)이다. 0.7eV의 임계 광자 에너지(이는 D-센터임)를 갖는 붕소 관련 흡수 대역의 경우 α=4.17×10-17인 것으로 보고되어 있다[24]. 서브-밴드갭 전자기 방사의 특성 흡수 깊이는 이하와 같다.
d = 1/α
전자기 방사가 디바이스의 길이를 따라 통과하여 전파되는 도 10의 실시예는, d가 디바이스의 측면 치수와 유사하여서, 광자가 광학적 활성 물질 전체를 통해 효율적이고 균일하게 흡수될 것을 요구한다. 이러한 긴 거리는, SiC가 서브-밴드갭 파장을 거의 투과함을 의미한다. 일반적으로, d＞1mm가 바람직하며, 이는 ND ＜1017cm-3을 의미한다.
본 개시물에 대한 이해는, 도 9에 도시된 광 전도 사이클 및 Schoenbach에 의한 미국 특허 제4,825,061호에 개시된 개시물을 단순히 고려하는 것 이상을 요구한다. 광학적 활성 물질을, 도 10에 도시된 타입의 실제의 반도체 디바이스에 포함시키는 것은 종래 기술에서 개시되지 않았으며 대번에 알 수 있지 않은 개선사항이다.
도 11의 (a)는 도 10에 도시된 실시예의 BJT의 절반을 나타낸 도면이다. BJT는 콜렉터 컨택트에 전압 VC가 인가되고 이미터 컨택트에 전압 VE가 인가되는 것으로 도시되어 있다(VC＞VE). 광학적 활성 물질은, 도 9의 (a)에 도시된 의사 평형 상태(quasi-equilibrium state)에 있으며, 이에 따라 부분적으로 자유 정공이 공핍되어 음의 공간 전하의 영역(60)이 발생될 것이다. 마찬가지로, 두 개의 물질들 사이에 형성되는 금속 접합(metallurgical junction)에서 광학적 활성 물질과 접촉하는 n 타입 물질은 부분적으로 자유 전자가 공핍되어서 양의 공간 전하의 영 역(61)이 발생된다. 이 상태에서의 BJT는, 이 디바이스의 유전체 항복(breakdown) 강도까지 차이 전압 VCE=VC-VE의 인가시 작은 누설 전류만이 흐르는 것을 허용할 것이다.
도 11의 (b)는, 광 이온화 프로세스들(30, 31)을 야기시키기에 충분히 짧은 파장을 갖는 전자기 방사에 의한 일루미네이션에 의해 유발되는 디바이스의 변화를 나타낸 도면이다. 그 최종 결과는, 광학적 활성 물질에서 큰 밀도의 자유 전자들 및 자유 정공들이 생성된다는 것이다. 이들 자유 캐리어들은 드리프트와 확산에 의해 전류(62)를 발생시키는 전계에서 분리된다. 각각 콜렉터 및 이미터 컨택트들로 드리프트되는 전자들 및 정공들은 광학적 활성 물질에서의 새로운 광 이온화 이벤트에 의해 교체된다. 이는, 디바이스가 도 11의 (a)에 도시된 차단 상태에 있었을 때에 존재했던 것보다 훨씬 더 많은 전류가 콜렉터에서 이미터로 흐르게 한다. 광 흡수 프로세스는, 현대의 물리학에서 가장 빠르게 알려진 것 중 하나이기 때문에, 차단 상태로부터 전도 상태로의 BJT의 변화는 전자기 방사의 펄스의 타임 스케일에 따라 발생될 수 있으며, 이는 아마 나노초의 지속 기간에 지나지 않을 수 있다.
결국, 전자기 방사의 펄스가 가라앉고, 나머지 자유 정공들이 붕소 억셉터들 및 D-센터들로 트랩된다(도 9의 (b)의 프로세스(32)). 그 결과, 광학적 활성 물질이 평형 상태의 p 타입 물질로부터, 도 11의 (c)에 도시된 평형 상태가 아닌 n 타입 물질로 광학적으로 변환되었다. 이제 광학적 활성 물질은 BJT의 p-베이스처럼 기능하며, 여기서 정공들은 움직일 수 없게 되어(이들은 정공 트랩에서 트랩핑되었기 때문에 실제로 그러함), 이들은 이미터에 주입될 수 없게 되며 이들은 이미터(63)로부터 주입된 전자들과 재결합할 수 없게 된다. 주입된 전자들의 손실은, 도 9의 (c)의 정공-방출 프로세스(33)의 속도에 의해 결정된다. 그 속도는 D-센터의 경우 매우 느리기 때문에, 이 디바이스는, T=300K에서 약 10ms 동안 도 11의 (c)의 평형이 아닌 상태로 유지되며, 그 상태에서는 현재 SiC에서 통상적인 등가물이 존재하지 않는 매우 높은 이득의 BJT로서 동작한다. 10ms보다 긴 전도 전류의 경우, 프로세스들(30, 31)을 유발하기에 충분히 짧은 파장을 갖는 전자기 방사의 제2 펄스가 필요한만큼 자주 인가되어서 원하는 전도 기간을 만족시킬 수 있다.
도 11의 (c)에 도시된 평형이 아닌 전도 상태의 지속은, 도 11의 (d)에 도시된 바와 같은 광학적 활성 물질에서 프로세스(35)를 유발시키기에 충분한 파장을 갖는 전자기 방사에 의해 이 디바이스를 일루미네이팅함으로써 언제라도 명령시 종료될 수 있다. 이 프로세스는, 가전자대에 있는 동안 세 개의 프로세스들 중 하나에 대체로 참여하는 자유 정공들만을 생성한다. 그 중 하나의 프로세스는 도 9의 (b)의 프로세스(32)에서처럼 리캡처되는(recaptured) 것이다. 그 두 번째는, 광 이온화된 정공이 이미터 층으로 드리프트 및/또는 확산되어 음의 공간 전하의 양자를 뒤에 남겨두게 되는 프로세스(64)이다. 그 세 번째는, 광 이온화된 정공이, 자발적으로, 혹은 SiC의 밴드갭 내의 재결합 센터의 지원에 의해, 자유 전자와 재결합하는 프로세스(65)이다. 후자는 일반적으로 SiC와 같은 간접형 반도체에서 훨씬 더 빠르며 이에 따라 우위를 차지하는 것으로 예상될 수 있다. 이러한 방식으로, 전자 형태의 소수 캐리어 전하는 광학적 활성 물질로부터 급속하게 공핍되어서 음의 공간 전하 영역(60)을 남기게 된다. 마찬가지로, 광학적 활성 물질로부터 교체되지 않는 n 타입 물질에서의 콜렉터 컨택트로의 자유 전자의 드리프트 및/또는 확산(프로세스(66))은 양의 전하의 양자를 뒤에 남기게 되며; 이러한 방식으로 그 접합에 인접한 n 타입 물질은 동시에 급속하게 자유 전자가 공핍되어 양의 공간 전하 영역(61)이 뒤에 남게 된다. 결국, 이 디바이스는 도 11의 (e)에 도시된 차단 상태로 리턴된다.
도 10에 도시된 실시예는, 반도체 디바이스 제조의 단순성, 및 디바이스의 물리적 영역에 비한 활성 영역의 큰 비율을 비롯한 많은 이점들을 갖는다. 하나의 단점은, 광학적 활성 물질의 볼륨 전체를 통해 디바이스의 에지들로부터 광을 효율적이고 균일하게 전파시키는 문제이다.
도 12에 도시된 실시예는 이에 관한 개선사항을 제공한다. 이 디바이스도 또한 BJT이지만, 플래너(planar) 단면 대신에 트렌치형 단면을 갖는다. 이 디바이스는 n 타입 드리프트 층(41)을 에피택셜 성장시킴으로써 전도 n 타입 기판(40) 상에 형성된다. n 타입 채널 층(47)이 드리프트 층(41) 위에 성장되며, 그 후 각각 채널 층 상에 성장되거나 이 채널 층에 주입되는 이미터 층(43)이 제조된다. 트렌치들은, 이들의 깊이가 이미터 층(43)의 두께를 초과하도록 형성된다. 붕소는, 적절한 마스킹 물질에 의해 이미터 층으로 주입되는 것을 방지하면서 트렌치들로 주입되며, 이에 따라 자가 정렬된 프로세스를 나타내게 된다. 이러한 실시예는 또한 미국 특허 제6,767,783호[25]의 명세서 및 특허청구범위에 개시된 개시물을 포함한 다. 붕소 주입된 영역(48)은 트렌치 구조 내에 선택적으로 배치되는 붕소의 고체 소스를 나타낸다. 충분한 온도의 추가적인 열 처리 공정은, 붕소가 채널 층으로 확산되게 하고 붕소 억셉터들 및 D-센터를 도입시켜서, p 타입 광학적 활성 물질의 영역(42)을 선택적으로 생성할 것이다. 트렌치들은, 두 가지 용도로 기능하는 유전체 물질의 조합물(49)로 채워진다. 그 용도 중 하나는, 유전체 물질이, 이미터 층과 p 타입 광학적 활성 물질 사이에 형성되는 이미터 베이스 접합의 전기적 절연과 표면 패시베이션을 제공한다는 것이다. 이 유전체 스택은 또한, 적외선 대역 및 가시 대역을 포함하여, 광 주파수에서 손실많은 전자기 방사의 도파관을 형성한다. 이 디바이스를 완료하기 위해, 도시된 유전체 패시베이션 구조체(46)를 갖는 딥 메사 등의 에지 터미네이션 구조체가 형성된다. 이미터 컨택트(44) 및 콜렉터 컨택트(45)를 형성하기 위해 오믹 금속 컨택트가 추가된다.
도 12에 도시된 바와 같이, 전자기 방사의 빔들(36)이 디바이스의 한쪽 단부 혹은 양쪽 단부들로부터 트렌치들로 아래로 론칭될 때, 그 방사의 일부가 트렌치의 어느 한쪽 측 상에서 광학적 활성 물질로 산란되어서, 방사의 파장에 따라 프로세스들(30, 31) 혹은 프로세스(35)를 발생시킨다. BJT는, 도 11에 도시된 것과 본질적으로 동일한 시퀀스로, 비전도 상태로부터 전도 상태로 스위칭되며 다시 비전도 상태로 돌아간다. 채널 핑거들의 폭은, 전자기 방사의 흡수 길이 및 채널 도핑에 따라 1 마이크로미터에서 수 마이크로미터까지의 범위 내에 해당되도록 본 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에 의해 최적으로 선택될 수 있다.
도 10 및 도 12에 도시된 실시예들 양쪽 모두는, 전자기 방사가 디바이스의 에지들로부터 유도될 것을 여전히 요구하고 있으며, 이는 디바이스와 전자기 방사원 간의 인터페이스의 복잡성을 증가시킨다. 도 13은, 이미터 컨택트(44)가 패닝된(fanned) 개구를 가지고 있어서 전자기 방사가 이 디바이스의 상부로부터 도파관(49)으로 론칭될 수 있다는 점을 제외하고는, 도 12에 도시된 실시예와 거의 유사한 BJT인 본 발명의 또다른 실시예이다. 이 방사는 다시, 도 12에 도시된 실시예에서처럼 광학적 활성 물질(42) 내에 산란된다. 상부로부터 전자기 방사로 여기된 이 실시예 및 모든 실시예들은, 많은 형태의 JTE(junction termination extension) 및 상승 및 매립된 가드 링(guard rings)을 비롯하여(이에 제한되지는 않음), 도 13에 도시된 딥 메사 기술 외에도 많은 다른 에지 터미네이션 기술들과 고도로 호환가능하다.
또다른 실시예는, 도 14에 도시된 바와 같은 JFET(junction field effect transistor) 구조체를 추가하도록 BJT 디바이스 구조체를 변경한 것이다. 이 디바이스는, 이전의 디바이스들에서처럼 도전 기판(40) 및 n 타입 드리프트 층(41)으로 형성된다. 알루미늄 등의, 붕소 이외의 도펀트를 이용하여 강한 p 타입 물질 층(50)이 추가된다. 이 층은 에피택셜 수단에 의해 혹은 주입에 의해 형성될 수 있다. 붕소 주입물(48)이 p 타입 층(50)의 표면에 추가된다. 트렌치들은 p 타입 층을 통해 형성되며 채널이 에피택셜 수단을 이용하여 재성장되어서, 실질적으로 평면의 표면을 남기는 방법들을 이용하여 트렌치들을 채우고 p 타입 층 및 붕소 주입물을 덮게 된다. 채널의 상부 위에는 강하게 도핑된 n 타입 층(43)이 또한 성장된다. 이러한 실시예는 또한, [26]의 명세서 및 특허청구범위에서 발견되는 개시 물을 포함한다. 이 재성장 동안, 붕소가 성장 채널 내로 확산되어 붕소 억셉터들 및 D-센터들을 형성하며 그 채널을 p 타입 광학적 활성 물질(42)로 변환시킨다. 오믹 금속이 소스 층(43)의 상부 및 기판(40)의 하부에 추가되어서 각각 소스 컨택트(44) 및 드레인 컨택트(45)를 형성하게 된다. 소스 컨택트는, 포토리소그래픽 수단에 의해 패터닝되어서, 창을 개구시켜서 전자기 방사가 소스 층(43)을 통과할 수 있게 해주고, 그 방사의 파장에 따라, 광학적 활성 물질(42)에서 프로세스들(30, 31) 또는 프로세스(35)를 유발시킨다. 이로 인해, 도 11에 도시된 것과 유사하게 디바이스가 비전도 상태에서 전도 상태로 스위칭되며 다시 비전도 상태로 되돌아가게 된다. 소스 컨택트(44)는 또한 p 타입 층(50)과 전기적으로 접촉하여서, 소스와 이 p 타입 층 간의 전위가 제로가 되게 한다.
일부 응용 장치에서 드리프트 영역과 광학적 활성 물질의 경계에서 반도체 디바이스의 공핍 부분이 전자기 방사에 의해 크게 일루미네이팅되지 않는 것이 바람직할 수 있다. 도 15에는, JFET 채널 영역이 강한 n 타입 물질(51)에 의해 단축되는 또다른 실시예가 도시되어 있다. 이에 따라, 이 디바이스를 통과하는 전류의 흐름은, 이 디바이스의 표면에서 광학적 활성 물질(42)의 전도 상태에 의해서만 제어된다. 이 실시예에서, 소스 컨택트(44) 및 소스 층(43) 양쪽 모두에서 창이 개구된다. 소스 물질(43)과 채널 층(51) 사이의 채널의 표면은 유전체 패시베이션 물질(46)과 접촉하고 있다. 이 실시예는, 게이팅되지 않은 MOSFET와 유사하다. 소스 컨택트 및 소스 물질을 통과하는 창은, 광학적 활성 물질이 그 상부로부터 전자기 방사에 의해 자극되는 것을 허용하며 이에 따라 이 디바이스는 도 14에 도시 된 실시예와 유사하게 동작하게 된다.
본 발명이 실제로 응용될 수 있는지 여부를 판정하는 중요한 고려 사항은, 이 디바이스가 전도 상태를 변경하게 하는 데에 요구되는 전자기 방사의 각 펄스의 에너지량이다. 요구되는 전류 암페어(ampere) 당 광 에너지인 성능 지수를 측정하기 위해 운동학적 접근 방안(kinematic approach)이 취해진다.
단위 영역 당 에너지는 수학식 4에 의해 주어진다.
E/A = ηqhvND
여기서, E/A는 전자기 방사의 각 펄스의 단위 영역 당의 에너지(J/cm2 단위)이며, η는 광 여기의 다양한 비효율성을 다루는 데에 요구되는 무한한(dimensionless) 증배율(multiplication factor)이며, q는 기본 전하 = 1.60×10-19C이며, hv는 광자당 에너지(eV 단위)(이는 4H-SiC의 경우 2.4eV로 측정됨)이며, ND는 지속적인 광 전도로 여기될 수 있는, 전자의 유효 최대 수 밀도(cm-3 단위)이며, 이는 광학적 활성 물질에서의 쉘로우 도너 밀도에 의해 근사적으로 주어진다.
성능 지수는, 수학식 4를, 지속적인 광 전도 상태에 있는 동안 이 디바이스에 의해 전도될 전류 밀도로 표준화함으로써 산출된다. 일반적인 전력 디바이스의 정격 전류는, 2V의 포워드 전압에서 지정된다. 이 디바이스의 특정 온 저항이, 4H-SiC 전력 JFET의 경우 거의 최첨단 기술을 사용하고 있는 경우, ρ( on ) = 2.5mΩ-cm2이다[27]. 이 기술에 대한 예상 정격 전류 밀도는 다음과 같다.
J=V( on )/ρ( on ) = 2V/2.5mΩ-cm2 = 800 A/cm2
수학식 4를 수학식 5로 표준화하면, 성능 지수는 이하와 같이 된다.
(E/A)/J =ηqhvNDρ( on )/V( on )
ρ( on ) = 2.5mΩ-cm2 을 갖는 600-V 디바이스에 대한 정확한 값에 대해 ND = 1×1016cm-3의 경우, 일단 η를 무시하면, (E/A)/J = 2nJ/A이다. 증배율 η는 턴 온의 경우에만 최적화되는 물질 내에서 2 미만이 될 수 없으며, 마찬가지로 양호한 턴 오프 성능을 위해 효율이 밸런싱되는 경우, 증배율은 10으로 될 수 있다. 전도를 유지하기 위해 인가되어야 하는 전자기 펄스의 주파수는, 열 정공 방출 속도에 따라 달라지며, 이는 실내 온도에서 100 s-1에서 꽤 낮다[20]. 그러나, 접합 온도가 증가함에 따라 정공 방출 속도도 증가한다. T=200℃에서, 정공 방출 속도는, 약 10,000배 증가할 것이며, 특성 정공 방출 시간은 약 1㎲로 된다. 일반적인 전력 전자 응용장치의 반복 주파수는 1MHz 미만이기 때문에, 이는, 실제의 응용에서는, 작업 온도에서의 전자기 방사의 펄스들간의 시간 인터벌은 정공 방출 속도에 의해 제어된다. 성능 지수(10의 효율 승수를 포함함)가 곱해진 1MHz의 펄스 반복 주파수(pulse repetition frequency; PRF)는, 전자기 방사원의 요구되는 평균 전력이 약 2nJ/A ×10×106Hz = 20mW/A임을 의미한다. 따라서, 예를 들면, 200℃에서의 100-A 4H-SiC BJT 디바이스는, 전도를 유지하기 위해 약 2W의 광 전력을 요구한다. 이는 꽤 실용적이지만, 대수롭지 않은 것이 아니다.
도 7에 도시된 바와 동일한 기능을 갖는 응용 장치에 삽입하는 것을 달성하기 위한 다른 접근법은, 본 발명의 실시예를 이용한 디바이스의 작은 스케일 버전과 통상의 구성의 풀 스케일 전력 디바이스를 짝지우는 것이다. 이러한 통상의 풀 스케일 디바이스는, 실리콘 탄화물로 이루어지거나, 혹은 실리콘, 혹은 많은 반도체들 중의 또다른 물질로 이루어질 수 있다. 이러한 통상의 디바이스가 통상적인 오프 디바이스(소위 "강화 모드" 디바이스)인 경우, 도 16에 도시된 회로는 본 발명의 다른 실시예를 나타내는데, 그 이유는, 도 16에 도시된 컴포넌트들이 함께 패키징되는 경우 디바이스가 도 10, 12, 13, 14 및 15에 도시된 바와 같은 본 발명의 단일 실시예와 본질적으로 구별할 수 없게 되기 때문이다.
도 16에서, 통상의 구성의 전력 디바이스(2)는 BJT, 강화 모드 MOSFET, 통상적인 오프 JFET, 혹은 게이트 턴-오프(GTO) 사이리스터, 혹은 그 밖의 임의의 유사한 전력 디바이스일 수 있다. 전자기 방사(5)의 펄스가 도 14에 도시된 것과 유사한 구성의 광학적 제어된 JFET(7)를 일루미네이팅하면, 이는 양의 게이트 바이어스를, 전하를 저장하는 엘리먼트, 및 다이오드와 같이 오직 한 방향으로만 전류가 흐 르게 하는 엘리먼트로 구성된 에너지 저장 회로망(8)으로부터 전력 디바이스(2)로 스위칭한다. 다이오드는, 전기적 저장 디바이스가, 전력 디바이스(2)에 의해 스위칭되는 전압원에 의해 충전되지만 전력 디바이스에 의해 방전되지는 않게 한다. 전력 디바이스의 게이트와 공통 단자 사이에 접속된 회로망(9)은 두 가지 기능을 수행한다. 그 첫 번째는, 공통 단자에 대하여 게이트에 인가될 수 있는 전압을 안전한 값으로 제한하는 것이다. 이 기능에서, 이는, 회로망(8) 내의 전하 저장 엘리먼트 양단에 걸리는 전압이 전력 디바이스(2)의 관련 차단 전압만큼 클 때에도 회로망(9)으로의 전류를 자가 제한(self-limiting)할 수 있는 광학적 제어된 JFET(7)에 의해 지원된다는 것이다. 그 두 번째는, 이는 전력 디바이스의 게이트로부터 공통 단자로 방전될, 전력 디바이스에 저장된 전하에 대한 경로를 유지하는 것이다. 회로망(9)의 일례는, 저항기와 병렬로 접속되는, 제너 다이오드(Zener diode)로 알려진 전압 제한 다이오드에 의해 형성되는 것이다. 대안적으로, 저항기는, 게이트 및 소스 단자들이 함께 단락된 JFET 등의 전류원처럼 기능하는 디바이스로 교체될 수 있다. 서로 다른 파장의 펄스(6)가 광학적 제어된 JFET(7)를 일루미네이팅하면, JFET는 턴 오프되고 전력 디바이스(2)의 게이트는 회로망(9)에 의해 방전되어서 전력 디바이스가 턴 오프되게 한다. 도 16에 도시된 바와 같이, 제어기(3)는, 도 7에 도시된 바와 동일한 방식으로 광 송신기(4)를 이용하여 통상의 전력 디바이스를 제어할 수 있으며; 요구되는 광 에너지의 바람직한 감소가 발생한다.
도 16에 도시된 실시예로부터의 이득은, 풀 스케일 전력 디바이스에 대비한, 광학적 제어된 디바이스의 사이즈 감소를 고려함으로써 측정될 수 있다. 전력 스위칭 디바이스의 전력 핸들링 능력을 나타내는 성능 지수는, 디바이스의 온 저항 R(on)과, 디바이스를 R( on )로 전도를 감소시키는 것으로 스위칭하는 데에 필요한 게이트 전하 QG의 곱이다. 최상의 SiC 전력 JFET 디바이스들은 200℃에서 약 5×10-9ΩC와 동일한 R( on )QG 곱을 갖는다. 전력 디바이스의 정격 드레인 전류는, ID = V(on)/R(on)이다. 광학적 제어된 디바이스에 의해 공급되어야 하는 평균 게이트 전류는 IG = PRF ×QG이다. 이에 따라, 이하와 같이 된다.
R( on )QG = (V( on )/PRF)×(IG/ID)
여기서, 광 이득은, 통상의 전력 디바이스의 사이즈와 동일한 등가의 광학적 제어된 디바이스의 영역에 대한 광학적 제어된 디바이스의 영역의 비의 역과 동일한데, 이는 비 IG/ID이다. IG/ID에 대해 수학식 7을 풀고 V( on ) =2V 및 PRF = 1MHz인 것으로 가정하면, IG/ID = 0.0025이다. 광 이득은 이 비율, 즉 400의 역수이다. 이전의 예에서 도 16에 도시된 실시예가 이용되는 경우, 200℃에서 동일한 100A를 스위칭하기 위해서 요구되는 광 전력은 5mW로 400의 팩터에 의해 감소된다. 이 크기의 평균 전력을 공급할 수 있는 적절한 펄스형 전자기 방사원들은 용이하게 이용가능하며 비교적 저가이다.
본 발명의 예시적인 실시예들에 대해 전술한 이점에 따라 설명하였다. 이들 예들은 본 발명의 단지 예시에 지나지 않음을 알 것이다. 많은 변형 및 변경들이 본 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 될 것이다.
또한, 요약서의 목적은, 미국 특허 및 상표청과, 일반적으로는 대중과, 특수하게는 과학자, 엔지니어, 및 특허 또는 법률적 전문어 혹은 용어에 익숙하지 않은 당업계에 종사하는 사람들이, 대충 훑어보는 것에 의해 본 출원의 기술적 개시의 본질 및 속성을 신속하게 판정할 수 있게 해준다. 본 요약서는 어쨌든 본 발명의 범주에 대한 제한을 의도하는 것은 아니다.
참고 문헌
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[22] Michael S. Mazzola, Stephen E. Saddow, Philip G. Neudeck, V. K. Lakdawala, 및 Susan We의 "Observation of the D-Center in 6H-SiC p-n Diodes Grown by Chemical Vapor Deposition"(Appl Phys. Lett., vol. 64, pp. 2370-2372, 1994)
[23] Jeffrey B. Casady 및 Michael S. Mazzola의 미국 특허 출원 공개 2002/0149021 A1(2002년 10월)
[24] J. R. Jenny, M. Skowronski, W. C. Mitchel, H. M. Hobgood, R. C. Glass, G. Augustine, 및 R. H. Hopkins의 "Optical and Electrical Characterization of Boron Impurities in Silicon Carbide Grown by Physical Vapor Transport"(J. Appl. Phys., vol. 79, pp. 2326-2331, 1996)
[25] Jeffrey B. Casady, Geoffrey E. Carter, Yaroslav Koshka, Michael S. Mazzola, 및 Igor Sankin의 "Self-Aligned Transistor and Diode Toplogies in Silicon Carbide Through The Use of Selective Epitaxy or Selective Implantation"(미국 특허 문서 제6,767,783호(2004년 7월))
[26] Lin Cheng 및 Michael S. Mazzola의 "Vertical-Trench Junction Field-Effect Transistor Having Epitaxially Grown Drift, Buried Gate and Guard Rings, SeIf-Planarized Channel and Source Regions in Silicon Carbide"(Merchant & Gould docket number 70034.01 OUSO1)
[27] Lin Cheng, Janna Casady, Michael Mazzola, Igor Sankin, Joseph Merrett, Volodymyr Bondarenko, Robin Kelley, 및 Jeffery Casady의 "Fast Switching (41 MHz), 2.5 mΩ·cm2, High Current 4H-SiC VJFETs for High Power and High Temperature Applications"(Inter. Conf. Silicon Carbide and Related Mat. (ICSCRM), Pittsburgh, Pennsylvania, 2005에 게시)

Claims (26)

  1. 집적 회로(IC) 광학적 활성 스위칭 디바이스로서,
    기판;
    상기 기판 위에 도포된 광학적 활성의 반절연 실리콘 탄화물(SiC) 층 ― 상기 SiC 층은 그 내부에 붕소 관련 D-센터 결함(boron-related D-center defects)이 형성되고, 상기 반절연 SiC층은, 벌크 반절연 SiC층이 서브-밴드갭 파장 일루미네이션에 반응하여 전도 상태로 스위칭하는 광학적 활성이고, 상기 서브-밴드갭 파장 일루미네이션에 반응하여 전도 상태로의 반절연 SiC층의 스위칭은 광학적 활성 스위치를 클로징함-
    ; 및
    상기 서브-밴드갭 파장 일루미네이션이 상기 SiC 층의 표면을 일루미네이팅할 수 있게 해주는 광학적 투과층
    을 포함하는 IC 광학적 활성 스위칭 디바이스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 N-타입 도전 기판이고,
    상기 벌크 반절연 SiC층이, 상기 서브-밴드갭 파장 일루미네이션 보다 더 긴 파장을 갖는 일루미네이션에 반응하여 비전도 상태로 스위칭하고, 상기 더 긴 파장 일루미네이션에 반응하여 비전도 상태로의 반절연 SiC층의 스위칭은 광학적 활성 스위치를 오픈하는
    IC 광학적 활성 스위칭 디바이스.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 P-타입 도전 기판이고,
    상기 벌크 반절연 SiC층이, 상기 서브-밴드갭 파장 일루미네이션 보다 더 긴 파장을 갖는 일루미네이션에 반응하여 비전도 상태로 스위칭하고, 상기 더 긴 파장 일루미네이션에 반응하여 비전도 상태로의 반절연 SiC층의 스위칭은 광학적 활성 스위치를 오픈하는
    IC 광학적 활성 스위칭 디바이스.
  4. 제1항에 있어서,
    전자기 방사 디바이스를 더 포함하며, 상기 전자기 방사 디바이스는, 서브-밴드갭 파장 일루미네이션을 상기 SiC 층의 표면 상에 입사시키도록 배치되는 IC 광학적 활성 스위칭 디바이스.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전자기 방사 디바이스에 접속된 제어기를 더 포함하며, 상기 제어기는, 상기 전자기 방사 디바이스를 구동시키도록 구성되는 광학적 활성 스위칭 IC 디바이스.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 전자기 방사 디바이스는, 상기 SiC 층 내의 광 전도(photoconductivity)를 발생(stimulate)시키는 서브-밴드갭 파장 일루미네이션, 및 상기 SiC 층 내의 광 전도를 소멸(quench)시키는 더 긴 파장을 적어도 갖는 전자기 방사를 생성하도록 구성되는 IC 광학적 활성 스위칭 디바이스.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 IC 광학적 활성 스위칭 디바이스는, 광학적 제어된 바이폴라 접합 트랜지스터(bi-polar junction transistor; BJT)로서 구성되는 IC 광학적 활성 스위칭 디바이스.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 IC 광학적 활성 스위칭 디바이스는, 광학적 제어된 접합 트랜지스터 전계 효과 트랜지스터(junction transistor field effect transistor; JFET)로서 구성되는 IC 광학적 활성 스위칭 디바이스.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 IC 광학적 활성 스위칭 디바이스는, 광학적 제어된 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(metal oxide semiconductor field effect transistor; MOSFET)로서 구성되는 IC 광학적 활성 스위칭 디바이스.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 IC 광학적 활성 스위칭 디바이스는, 광학적 제어된 사이리스터(thyristor)로서 구성되는 IC 광학적 활성 스위칭 디바이스.
  11. 집적 회로(IC) 광학적 활성 스위칭 디바이스로서,
    기판;
    상기 기판 상에 배치된 드리프트 층(drift layer);
    상기 드리프트 층 상에 배치된 채널 층;
    상기 기판 위에 도포된 광학적 활성의 반절연 실리콘 탄화물(SiC) 층 ― 상기 SiC 층은 그 내부에 붕소 관련 D-센터 결함이 형성되어 있고,
    상기 반절연 SiC층은, 벌크 반절연 SiC층이 서브-밴드갭 파장 일루미네이션에 반응하여 전도 상태로 스위칭하는 광학적 활성이고, 상기 서브-밴드갭 파장 일루미네이션에 반응하여 전도 상태로의 반절연 SiC층의 스위칭은 광학적 활성 스위치를 클로징함-
    ; 및
    적어도 상기 서브-밴드갭 파장 일루미네이션이 상기 SiC 층의 표면을 일루미네이팅할 수 있게 해주는 광학적 투과층
    을 포함하는 IC 광학적 활성 스위칭 디바이스.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 기판은 N-타입 도전 기판이고,
    상기 벌크 반절연 SiC층이, 상기 서브-밴드갭 파장 일루미네이션 보다 더 긴 파장을 갖는 일루미네이션에 반응하여 비전도 상태로 스위칭하고, 상기 더 긴 파장 일루미네이션에 반응하여 비전도 상태로의 반절연 SiC층의 스위칭은 광학적 활성 스위치를 오픈하는
    IC 광학적 활성 스위칭 디바이스.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 기판은 P-타입 도전 기판이고,
    상기 벌크 반절연 SiC층이, 상기 서브-밴드갭 파장 일루미네이션 보다 더 긴 파장을 갖는 일루미네이션에 반응하여 비전도 상태로 스위칭하고, 상기 더 긴 파장 일루미네이션에 반응하여 비전도 상태로의 반절연 SiC층의 스위칭은 광학적 활성 스위치를 오픈하는
    IC 광학적 활성 스위칭 디바이스.
  14. 제11항에 있어서,
    제11항에 있어서,
    전자기 방사 디바이스를 더 포함하며,
    상기 전자기 방사 디바이스는, 서브-밴드갭 파장 일루미네이션을 상기 SiC 층의 표면 상에 입사시키도록 배치되는 IC 광학적 활성 스위칭 디바이스.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 전자기 방사 디바이스에 접속된 제어기를 더 포함하며, 상기 제어기는, 상기 전자기 방사 디바이스를 구동시키도록 구성되는 IC 광학적 활성 스위칭 디바이스.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 SiC 층 내의 광 전도(photoconductivity)를 발생(stimulate)시키는 서브-밴드갭 파장 일루미네이션, 및 상기 SiC 층 내의 광 전도를 소멸(quench)시키는 더 긴 파장을 적어도 갖는 전자기 방사를 생성하도록 구성되는 IC 광학적 활성 스위칭 디바이스.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 IC 광학적 활성 스위칭 디바이스는, 광학적 제어된 BJT로서 구성되는 IC 광학적 활성 스위칭 디바이스.
  18. 제11항에 있어서,
    상기 IC 광학적 활성 스위칭 디바이스는, 광학적 제어된 JFET로서 구성되는 IC 광학적 활성 스위칭 디바이스.
  19. 제11항에 있어서,
    상기 IC 광학적 활성 스위칭 디바이스는, 광학적 제어된 MOSFET로서 구성되는 IC 광학적 활성 스위칭 디바이스.
  20. 제11항에 있어서,
    상기 IC 광학적 활성 스위칭 디바이스는, 광학적 제어된 사이리스터로서 구성되는 IC 광학적 활성 스위칭 디바이스.
  21. 집적 회로(IC) 광학적 활성 스위칭 디바이스 형성 방법으로서,
    기판 위에 광학적 활성의 반절연 SiC 층을 형성하는 단계- 상기 반절연 SiC층은, 벌크 반절연 SiC층이 서브-밴드갭 파장 일루미네이션에 반응하여 전도 상태로 스위칭하는 광학적 활성이고, 상기 서브-밴드갭 파장 일루미네이션에 반응하여 전도 상태로의 반절연 SiC층의 스위칭은 광학적 활성 스위치를 클로징하고,
    상기 벌크 반절연 SiC층이, 상기 서브-밴드갭 파장 일루미네이션 보다 더 긴 파장을 갖는 일루미네이션에 반응하여 비전도 상태로 스위칭하고, 상기 더 긴 파장 일루미네이션에 반응하여 비전도 상태로의 반절연 SiC층의 스위칭은 광학적 활성 스위치를 오픈함-
    및
    IC 디바이스가 형성되도록, 상기 광학적 활성의 반절연 SiC 층 위에 추가의 층들을 형성하는 단계
    를 포함하는 IC 광학적 활성 스위칭 디바이스 형성 방법.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 광학적 활성의 반절연 SiC 층은, 붕소 관련 D-센터 결함들이 상기 SiC 층 내에 형성되도록 상기 광학적 활성의 반절연 SiC 층을 붕소로 도핑함으로써 형성되는 IC 광학적 활성 스위칭 디바이스 형성 방법.
  23. 제21항에 있어서,
    형성된 상기 광학적 활성의 IC 디바이스는 광학적 제어된 BJT인 IC 광학적 활성 스위칭 디바이스 형성 방법.
  24. 제21항에 있어서,
    형성된 상기 광학적 활성의 IC 스위칭 디바이스는 광학적 제어된 JFET인 IC 광학적 활성 스위칭 디바이스 형성 방법.
  25. 제21항에 있어서,
    형성된 상기 광학적 활성의 IC 스위칭 디바이스는 광학적 제어된 MOSFET인 IC 광학적 활성 스위칭 디바이스 형성 방법.
  26. 제21항에 있어서,
    형성된 상기 광학적 활성의 IC 스위칭 디바이스는 광학적 제어된 사이리스터인 IC 광학적 활성 스위칭 디바이스 형성 방법.
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