KR101618832B1 - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
본 발명은 산화갈륨 기판과, 산화갈륨 기판 상에 형성된 적어도 하나의 AlGaInO3층과, 적어도 하나가 AlGaInO3층 상에 형성된 전극을 포함하는 반도체 소자가 제시된다.The present invention is a semiconductor device of the at least one AlGaInO 3 layers, at least one formed on the substrate and gallium oxide, gallium oxide substrate comprises an electrode formed on AlGaInO layer 3 is provided.
Description
본 발명은 반도체 소자에 관한 것으로, 특히 산화갈륨 기판을 이용한 반도체 소자에 관한 것이다.
The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a semiconductor device using a gallium oxide substrate.
실리콘(Si) 및 갈륨 비소(GaAs)와 같은 물질들은 저전력 및 저주파수 응용 장치용 반도체 소자에서 넓은 응용 분야로 발전해 왔다. 그러나, 이러한 반도체 물질들은 상대적으로 작은 밴드갭(bandgap)(예를 들어, 상온에서 Si의 경우 1.12eV, GaAs의 경우 1.42eV), 상대적으로 작은 항복 전압(breakdown voltage) 때문에 고전력, 고주파수 응용 장치로는 한계가 있다.Materials such as silicon (Si) and gallium arsenide (GaAs) have evolved from semiconductor devices for low power and low frequency applications to a wide range of applications. However, because these semiconductor materials have relatively low bandgaps (e.g. 1.12 eV for Si at room temperature and 1.42 eV for GaAs) and relatively small breakdown voltages, high power, high frequency applications There is a limit.
이러한 한계에 의해서, 고전력, 고온, 고주파수 응용 장치 및 소자들에 대한 관심은 넓은 밴드갭 반도체 물질로 전환되어 왔다. 이러한 반도체 물질로서 실리콘 카바이드(silicon carbide)(예로 상온에서 알파 SiC의 경우 2.996eV) 및 III족-질화물(Group III nitride)(예로, 상온에서 GaN의 경우 3.36 eV) 등이 있다. 이러한 물질들은 Si 및 GaAs에 비해 높은 항복 전압 및 높은 전자 포화도를 가지고 있다.Due to these limitations, interest in high power, high temperature, high frequency applications and devices has been shifted to wide bandgap semiconductor materials. Such semiconductor materials include silicon carbide (e.g., 2.996 eV for alpha SiC at room temperature) and Group III nitride (e.g., 3.36 eV for GaN at room temperature). These materials have higher breakdown voltage and higher electron saturation than Si and GaAs.
특히, 실리콘 카바이드는 기판으로 이용하여 질화물 반도체층이 적층되는 발광 다이오드(Light Emitting Diode; LED), 레이저 다이오드(Laser Diode; LD) 등에 이용될 수 있다. 그런데, 실리콘 카바이드 기판은 질화물 반도체층과의 격자 상수가 크지 않고 도전성이지만 투명성이 낮기 때문에 투과되는 광의 일부 파장이 흡수되는 문제점이 있다. 또한, 실리콘 카바이드 기판은 결정성이 나쁘고 마이크로파이프 결함이 존재하는 문제점이 있다.Particularly, silicon carbide can be used as a light emitting diode (LED), a laser diode (LD), etc., in which a nitride semiconductor layer is laminated using a substrate. However, since the silicon carbide substrate has a large lattice constant to the nitride semiconductor layer and is conductive but low in transparency, there is a problem that a part of the wavelength of transmitted light is absorbed. In addition, the silicon carbide substrate has a problem of poor crystallinity and micropipe defects.
이러한 문제를 해결하기 위해 많은 연구가 진행되고 있는데, 그 중 하나가 산화갈륨 기판을 이용하는 것이다. 산화갈륨 단결정은 무색 투명하고 밴드갭이 4.8eV 정도로 크기 때문에, 자외 영역의 광학 재료, LED나 LD 등의 발광 소자, 자외선 센서 등 수광 소자의 반도체용 기판 및 산화물 투명 도전체, 고온 산소 가스 센서, 전계 효과 트랜지스터(FET) 등 다양한 응용이 검토되고 있다. 이러한 산화갈륨 기판을 이용한 반도체 소자의 예가 한국공개특허 제10-2010-0055187호 및 한국공개특허 제10-2014-0012584호 등에 제시되어 있다.Many studies have been conducted to solve this problem, one of which is to use a gallium oxide substrate. Since the gallium oxide single crystal is colorless and transparent and has a bandgap of about 4.8 eV, it can be used as an optical material in an ultraviolet region, a light emitting element such as an LED or a LD, a semiconductor substrate for a light receiving element such as an ultraviolet sensor, Various applications such as a field effect transistor (FET) have been studied. Examples of semiconductor devices using such a gallium oxide substrate are disclosed in Korean Patent Laid-Open Nos. 10-2010-0055187 and Korean Patent Laid-Open No. 10-2014-0012584.
그런데, 산화갈륨 기판은 그 상부에 형성되는 물질층, 특히 질화물 반도체층과 박리되는 문제가 있다. 즉, 질화물 반도체층은 암모니아와 수소 혼합 분위기에서 성장되는데, 산화갈륨은 수소 가스 분위기에서 쉽게 식각되므로 질화물 반도체층 성장 시 산화갈륨 기판의 표면이 수소 가스에 의해 일부 불균일하게 식각된다. 이러한 계면의 불균일한 식각은 계면 접착력을 저하시켜 산화갈륨 기판과 질화물 반도체층의 박리를 발생시킨다. 또한, 산화갈륨 기판과 질화물 반도체층은 열팽창 계수가 다르기 때문에 질화물 반도체층 성장 후의 냉각 중 또는 열처리 공정에서 열팽창 계수 차이에 의한 응력에 의해 산화갈륨 기판과 질화물 반도체층 계면의 박리가 발생한다.
However, there is a problem that the gallium oxide substrate is peeled off from the material layer formed on the gallium oxide substrate, particularly, the nitride semiconductor layer. That is, the nitride semiconductor layer is grown in a mixed atmosphere of ammonia and hydrogen. Since the gallium oxide is easily etched in the hydrogen gas atmosphere, the surface of the gallium oxide substrate is partially unevenly etched by the hydrogen gas during the growth of the nitride semiconductor layer. Such uneven etching of the interface lowers the interfacial adhesion force and causes peeling of the gallium oxide substrate and the nitride semiconductor layer. Further, since the gallium oxide substrate and the nitride semiconductor layer have different thermal expansion coefficients, the interface between the gallium oxide substrate and the nitride semiconductor layer is peeled off due to stress due to difference in thermal expansion coefficient during cooling after the growth of the nitride semiconductor layer or in the heat treatment process.
본 발명은 산화갈륨 기판을 이용한 반도체 소자를 제공한다.The present invention provides a semiconductor device using a gallium oxide substrate.
본 발명은 산화갈륨 기판과 그 상부에 형성되는 층이 박리되지 않는 반도체 소자를 제공한다.The present invention provides a semiconductor device in which a gallium oxide substrate and a layer formed thereon are not peeled off.
본 발명은 산화갈륨 기판 상에 발광 다이오드, FET 등이 구현된 반도체 소자를 제공한다.
The present invention provides a semiconductor device in which a light emitting diode, an FET, and the like are implemented on a gallium oxide substrate.
본 발명의 일 양태에 따른 반도체 소자는 산화갈륨 기판; 상기 산화갈륨 기판 상에 형성된 적어도 하나의 AlGaInO3층; 및 적어도 하나가 상기 AlGaInO3층 상에 형성된 전극을 포함한다.A semiconductor device according to one aspect of the present invention includes a gallium oxide substrate; At least one AlGaInO 3 layer formed on the gallium oxide substrate; And at least one an electrode is formed on the layer 3 AlGaInO.
상기 산화갈륨 기판과 상기 적어도 하나의 AlGaInO3층 사이에 형성된 버퍼층을 더 포함한다.And a buffer layer formed between the gallium oxide substrate and the at least one AlGaInO 3 layer.
상기 적어도 하나의 AlGaInO3층과 그 상부의 상기 전극 사이에 형성된 투명 전극을 더 포함한다.And a transparent electrode formed between the at least one AlGaInO 3 layer and the upper electrode.
상기 AlGaInO3층은 조성이 다른 제 1 AlGaInO3층 및 제 2 AlGaInO3층을 포함한다.The AlGaInO 3 layer includes a first AlGaInO 3 layer and a second AlGaInO 3 layer having different compositions.
상기 제 1 AlGaInO3층은 Alx1Ga(1-x1- y1 )Iny1O3(0≤x1, y<0.75)로 형성되고, 상기 제 2 AlGaInO3층은 Alx2Ga(1-x2- y2 )Iny2O3(x2≤x1, y2≥y1)으로 형성된다.Wherein 1 AlGaInO 3 layer is Al x1 Ga (1-x1- y1 ) In y1 O 3 (0≤x1, y <0.75) is formed from said first layer is 2 AlGaInO 3 Al x2 Ga (1-x2- y2 ) In y 2 O 3 (x 2 ? X 1, y 2 ? Y 1).
상기 제 2 AlGaInO3층은 상기 제 1 AlGaInO3층보다 에너지 밴드갭이 작고, 전하 이동도가 크다.Wherein the 2 AlGaInO three layers has a small AlGaInO 1 wherein the energy band gap than the third layer, the greater the charge mobility.
상기 전극은 상기 AlGaInO3층 상에 소정 간격 이격되어 형성된 제 1 및 제 2 전극을 포함한다.The electrode comprises a first and a second electrode formed with a predetermined distance apart on said AlGaInO 3 layer.
상기 전극은 상기 AlGaInO3층 상의 소정 영역에 형성된 게이트 전극과, 상기 게이트 전극과 이격되어 상기 AlGaInO3층 상의 소정 영역에 형성된 소오스 전극 및 드레인 전극을 포함한다.The electrode comprises a source electrode and a drain electrode formed on a predetermined region on the AlGaInO layer 3 and spaced apart from the gate electrode a gate electrode formed on a predetermined region on the AlGaInO 3 layer, and a.
상기 전극은 상기 AlGaInO3층 상에 형성된 제 2 전극과, 상기 산화갈륨 기판의 타면 상에 형성된 제 1 전극을 포함한다.The electrode comprises a first electrode formed on the second electrode formed on the AlGaInO 3 layer, the other surface of the gallium oxide substrate.
상기 산화갈륨 기판은 도전성 불순물이 도핑된 도전성 기판이다.
The gallium oxide substrate is a conductive substrate doped with a conductive impurity.
본 발명의 실시 예들에 따른 반도체 소자는 산화갈륨 기판 상에 형성된 적어도 하나의 AlGaInO3층과, 적어도 하나가 AlGaInO3층 상에 형성된 전극을 포함한다. 예를 들어, 산화갈륨 기판 상에 서로 다른 조성을 갖는 제 1 AlGaInO3층 및 제 2 AlGaInO3층이 형성되고, 제 2 AlGaInO3층 상에 제 1 및 제 2 전극이 이격되어 형성되거나 제 2 AlGaInO3층 상에 서로 소정 간격 이격되어 게이트 전극, 소오스 전극 및 드레인 전극이 형성되어 반도체 소자가 구현될 수 있다.Semiconductor device according to embodiments of the present invention at least one AlGaInO 3 layers, at least one formed on the gallium oxide substrate they comprises an electrode formed on AlGaInO 3 layer. For example, a first AlGaInO 3 layer and a second AlGaInO 3 layer having different compositions are formed on a gallium oxide substrate, first and second electrodes are formed on the second AlGaInO 3 layer so as to be spaced apart, or a second AlGaInO 3 A gate electrode, a source electrode, and a drain electrode may be formed on the layer so as to be spaced apart from each other by a predetermined distance to realize a semiconductor device.
본 발명에 의하면, 넓은 에너지 밴드갭을 가지고 내전압 특성이 우수하며 SiC 및 GaN에 비해 낮은 전기 저항을 가지는 AlGaInO3층을 이용하여 반도체 소자를 제조함으로써 반도체 소자의 속도를 향상시킬 수 있다. 또한, 이를 전력 반도체 소자에 적용할 경우 손실률을 현저히 줄일 수 있다. 그리고, 산화갈륨 기판 상에 3원계 이상의 금속 산화물, 즉 산화물 반도체가 형성되므로 질화물 반도체가 형성되는 소자에서 박리 문제가 발생되지 않는다.
According to the present invention, it is possible to improve the speed of a semiconductor device by fabricating a semiconductor device using a AlGaInO 3 layer having a wide energy band gap and excellent withstand voltage characteristics and lower electric resistance than SiC and GaN. In addition, when this is applied to a power semiconductor device, the loss ratio can be remarkably reduced. In addition, since a metal oxide having a ternary system or higher, that is, an oxide semiconductor, is formed on the gallium oxide substrate, a problem of peeling does not occur in the element in which the nitride semiconductor is formed.
도 1은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 반도체 소자의 단면도.
도 2는 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 반도체 소자의 단면도.
도 3은 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 반도체 소자의 단면도.
도 4는 본 발명의 제 4 실시 예에 따른 반도체 소자의 단면도.1 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention;
2 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention;
3 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention;
4 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to a fourth embodiment of the present invention;
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한 다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. It should be understood, however, that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but is capable of other various forms of implementation, and that these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, It is provided to let you know completely.
도 1은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 반도체 소자의 단면도이다.1 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 반도체 소자는 산화갈륨 기판(100)과, 산화갈륨 기판(100)의 일면 상에 형성된 적어도 하나의 AlGaInO3층(110, 120)과, AlGaInO3층(120) 상에 형성되며 서로 소정 간격 이격되어 형성된 제 1 및 제 2 전극(130 및 140)을 포함할 수 있다. 즉, 본 발명은 산화갈륨 기판(100) 상에 형성된 적어도 하나의 AlGaInO3층, 예를 들어 제 1 AlGaInO3층(110) 및 제 2 AlGaInO3층(120)을 포함한다. AlGaInO3층은 산화갈륨 기반의 화합물 반도체로서 큰 에너지 밴드갭을 가지므로 내전압 특성이 우수하고, SiC와 GaN 대비 낮은 전기 저항을 가지므로 전력 반도체에 적용할 때 손실률을 현저히 줄일 수 있다. 또한, AlGaInO3층은 매우 큰 에너지 밴드갭을 가지고 있는 재료임에도 불구하고 조성비, 도핑에 따라 전기 전도도의 조절이 용이하므로 쇼트키 다이오드, FET 등의 소자 제작에 용이하게 사용할 수 있다. 즉, AlGaInO3층은 조성에 따라 3.0eV 내지 8.8eV의 넓은 범위의 에너지 밴드갭을 가질 수 있고, 에너지 밴드갭을 조절함으로써 전기 전도도를 조절할 수 있다. 예컨데, In2O3가 약 3.0eV, Ga2O3가 약 4.8eV, Al2O3가 약 8.8eV의 에너지 밴드갭을 가지는데, AlGaInO3층은 In, Ga, Al의 조성을 조절함으로써 3.0eV 내지 8.8eV의 에너지 밴드갭을 가질 수 있다.Referring to FIG. 1, a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention includes a
산화갈륨(Ga2O3) 기판(100)은 β-Ga2O3 단결정으로 이루어질 수 있다. 이러한 산화갈륨 기판(100)은 산소가 육각 격자 배치된 면, 즉 (101), (-201), (301), (3-10) 중 어느 한 면을 주면으로 하는 기판일 수 있다. 뿐만 아니라, 산화갈륨 기판(100)은 (010), (001), (100) 중 어느 한 면을 주면으로 하는 기판일 수도 있다. 또한, 산화갈륨 기판(100)은 불순물 도핑에 의해 전기 전도체 성질을 가질 수 있고, 반도체 성질을 가질 수 있으며, 부도체 성질을 가질 수도 있다. 예를 들어, 산화갈륨 기판(100)은 n형 불순물, 예를 들어 실리콘(Si)이 도핑되어 전기 전도성을 가질 수 있고, 절연성 불순물이 도핑되어 부도체 성질을 가질 수도 있다.The gallium oxide (Ga 2 O 3 )
제 1 AlGaInO3층(110)은 산화갈륨 기판(100) 상에 형성되며, 예를 들어 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition), MBE, 스프레이(spray) CVD 방법으로 형성될 수 있다. 이러한 제 1 AlGaInO3층(110)은 알루미늄 소오스 가스, 갈륨 소오스 가스, 인듐 소오스 가스 및 산소 소오스 가스를 제 1 조성비로 공급하여 형성할 수 있다. 여기서, 알루미늄 소오스는 트리메틸 알루미늄(trimethyl aluminum; TMAl) 등을 포함할 수 있고, 갈륨 소오스는 트리메틸갈륨(trimethylgallium; TMGa) 및 트리에틸갈륨(triethylgallium; TEGa) 등을 포함할 수 있으며, 인듐 소오스는 트리메틸인듐(trimethylindium; TMIn) 및 트리에틸인듐(triethylindium; TEIn) 등을 포함할 수 있고, 산소 소오스는 산소 및 오존 등을 포함할 수 있다. 이러한 제 1 조성비의 소오스 가스들의 공급에 의해 제 1 AlGaInO3층(110)은 Alx1Ga(1-x1-y1)Iny1O3(0≤x1, y1<0.75)으로 형성될 수 있다. 여기서, 제 1 AlGaInO3층(110)은 y1이 0.75 이상, 즉 인듐의 조성이 0.75 이상일 경우 상분리되고, 그에 따라 결함이 발생될 수 있다. 따라서, 제 1 AlGaInO3층(110)은 y1이 0.75를 미만이 되도록 형성하는 것이 바람직하다. 한편, 제 1 AlGaInO3층(110)은 제 1 도전형의 반도체층으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제 1 AlGaInO3층(110)은 n형 불순물이 도핑된 제 1 도전형의 반도체층으로 형성될 수 있다. n형 불순물로는 실리콘(Si), 주석(Sn)의 적어도 어느 하나를 이용할 수 있다. 예를 들어 실리콘 소오스 가스로는 SiH4 및 SiH6 등을 이용할 수 있다. 물론, 제 1 AlGaInO3층(110)은 p형 불순물이 도핑된 제 2 도전형의 반도체층으로 형성할 수도 있다. p형 불순물로는 마그네슘(Mg) 및 징크(Zn)의 적어도 하나를 이용할 수 있다. 예를 들어 마그네슘 소오소 가스로는 비스시클로펜타다이닐마그네슘(biscyclopentadienylmagnesium; Cp2Mg)를 이용할 수 있다.The first AlGaInO 3
제 2 AlGaInO3층(120)은 제 1 AlGaInO3층(110) 상에 형성되며, 예를 들어 MOCVD 방법으로 형성될 수 있다. 여기서, AlGaInO3 물질의 조성은 에너지 밴드갭의 크기와 전기 전도도, 즉 전하 이동도를 결정하며, 에너지 밴드갭의 크기가 감소할수록 전하 이동도가 증가하기 때문에 소자의 저항 감소를 목적으로 전하가 이동하는 채널 영역에서는 전하 이동도를 증가시키기 위해 다른 영역보다 에너지 밴드갭이 작아지도록 조성을 조절한다. 즉, 제 2 AlGaInO3층(120)은 전하가 이동하는 채널로 이용되므로 제 1 AlGaInO3층(110)보다 에너지 밴드갭이 작아지도록 형성하고, 그에 따라 전하 이동도를 증가시킨다. 이를 위해 제 2 AlGaInO3층(120)은 알루미늄 소오스 가스, 갈륨 소오스 가스, 인듐 소오스 가스 및 산소 소오스 가스를 제 2 조성비로 공급하여 형성할 수 있다. 즉, 제 2 AlGaInO3층(120)은 제 1 AlGaInO3층(110)과 다른 조성으로 형성될 수 있다. 이러한 제 2 조성비의 소오스 가스들의 공급에 의해 제 2 AlGaInO3층(120)은 Alx2Ga(1-x2- y2 )Iny2O3(x2≤x1, y2≥y1)으로 형성될 수 있다. 즉, 제 2 AlGaInO3층(120)의 형성 시 제 1 AlGaInO3층(110)의 형성 시보다 소오스 가스들의 공급량 또는 공급 비율을 조절하여 알루미늄이 제 1 AlGaInO3층(110)보다 적거나 같게 형성하고, 인듐이 제 1 AlGaInO3층(110)보다 많거나 같게 형성할 수 있다. 즉, 인듐의 조성이 증가할수록 에너지 밴드갭은 작아지고, 알루미늄의 조성이 증가할수록 에너지 밴드갭은 커지므로 제 1 AlGaInO3층(110)보다 인듐의 조성을 많게 하거나 알루미늄의 조성을 적게함으로써 제 2 AlGaInO3층(120)의 에너지 밴드갭을 제 1 AlGaInO3층(110)의 에너지 밴드갭보다 작게하고, 그에 따라 전자 이동도를 향상시킬 수 있다. 이때, 제 1 AlGaInO3층(110)은 제 2 AlGaInO3층(120)보다 전자 이동도가 작으므로 전자가 제 1 AlGaInO3층(110)으로 이동되지 못하고 제 2 AlGaInO3층(120)에 가두어두는 컨파인(confine)층의 역할을 한다. 한편, 제 2 AlGaInO3층(120)은 제 1 AlGaInO3층(110)과 다른 도전형의 반도체층으로 형성될 수 있다. 즉, 제 1 AlGaInO3층(110)이 n형 불순물이 도핑된 제 1 도전형의 반도체층으로 형성되면 제 2 AlGaInO3층(120)은 Mg 등의 p형 불순물이 도핑된 제 2 도전형의 반도체층으로 형성될 수 있다. 또한, 제 1 AlGaInO3층(110)이 p형 불순물이 도핑된 제 2 도전형의 반도체층으로 형성되면 제 2 AlGaInO3층(120)은 Si, Sn 등의 n형 불순물이 도핑된 제 1 도전형의 반도체층으로 형성될 수도 있다. 그런데, 제 1 AlGaInO3층(110)에 불순물이 도핑되더라도 제 1 AlGaInO3층(110)은 제 2 AlGaInO3층(120)보다 전자 이동도가 낮게 형성된다.The second AlGaInO 3 layer 120 is formed on the first AlGaInO 3 layer 110 and may be formed by, for example, a MOCVD method. Here, the composition of the AlGaInO 3 material determines the energy band gap size and the electric conductivity, that is, the charge mobility. As the energy band gap size decreases, the charge mobility increases. Therefore, In order to increase the charge mobility, the composition is adjusted so that the energy band gap becomes smaller than the other regions. That is, since the second AlGaInO 3 layer 120 is used as a channel through which charge moves, the energy band gap is smaller than that of the first AlGaInO 3 layer 110, thereby increasing the charge mobility. For this, the second AlGaInO 3 layer 120 may be formed by supplying an aluminum source gas, a gallium source gas, an indium source gas, and an oxygen source gas at a second composition ratio. That is, the second AlGaInO 3 layer 120 may have a composition different from that of the first AlGaInO 3 layer 110. Such a second composition ratio Claim 2 AlGaInO 3 layer 120 by the supply of the source gas may be formed by Al x2 Ga (1-x2- y2 ) In y2 O 3 (x2≤x1, y2≥y1). In other words, the 2 AlGaInO When forming the third
제 1 및 제 2 전극(130, 140)은 쇼트키 전극으로 형성하는데, 동일 평면 상에 서로 이격되어 형성된다. 이러한 제 1 및 제 2 전극(130, 140)은 도전성 물질을 이용하여 형성할 수 있는데, 예를 들어 Ti, Cr, Au, Al, Ni, Ag 등의 금속 물질 또는 이들의 합금을 이용하여 형성할 수 있다. 또한, 제 1 및 제 2 전극(130, 140)은 단일층 또는 다층으로 형성할 수 있다. The first and
한편, 도시되지 않았지만, 제 2 AlGaInO3층(120)과 제 1 및 제 2 전극(130, 140) 사이에 투명 전극이 더 형성될 수 있다. 투명 전극은 UV 투과가 가능하고, 그에 따라 반도체 소자의 검출 소자, 즉 디텍터(detector)로 작용할 수 있다. 이러한 투명 전극은 UV가 잘 투과될 수 있도록 투명 도전성 물질로 형성될 수 있는데, 예를 들어 ITO, IZO, ZnO, RuOx, TiOx, IrOx 등을 이용하여 형성할 수 있다.
Although not shown, a transparent electrode may be further formed between the second AlGaInO 3 layer 120 and the first and
도 2는 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 반도체 소자의 단면도이다.2 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 반도체 소자는 산화갈륨 기판(100)과, 산화갈륨 기판(100)의 일면 상에 형성된 버퍼층(150)과, 버퍼층(150) 상에 적층 형성된 제 1 AlGaInO3층(110) 및 제 2 AlGaInO3층(120)과, 제 2 AlGaInO3층(120) 상에 형성되며 서로 소정 간격 이격되어 형성된 제 1 및 제 2 전극(140 및 150)을 포함할 수 있다. 또한, 도시되지 않았지만, 제 2 AlGaInO3층(120)과 제 1 및 제 2 전극(130, 140) 사이에 투명 전극이 더 형성될 수 있다. Referring to FIG. 2, a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention includes a
즉, 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 반도체 소자는 제 1 실시 예에 비해 산화갈륨 기판(100)과 제 1 AlGaInO3층(110) 사이에 버퍼층(150)이 더 형성된다. 이는 제 1 AlGaInO3층(110)이 산화갈륨 기판(100) 상에 형성될 경우 제 1 AlGaInO3층(110)의 조성이 산화갈륨 기판(100)을 중심으로 급격하게 변할 경우 결함이 증가하기 때문에 버퍼층(150)을 형성하여 산화갈륨 기판(100)에서부터 격자 상수의 차이가 급격히 변하지 않도록 한다. 이때, 버퍼층(150)은 AlGaInO3 물질로 형성될 수 있으며, 제 1 AlGaInO3층(110)와 다른 조성으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 버퍼층(150)은 Alx3Ga(1-x3- y3 )Iny3O3(x3≤x1, y3≤y1)의 조성으로 형성될 수 있다.
That is, in the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention, the
상기한 바와 같이 본 발명의 제 1 및 제 2 실시 예에 따른 반도체 소자는 산화갈륨 기판(100) 상에 서로 다른 조성을 갖는 제 1 AlGaInO3층(110) 및 제 2 AlGaInO3층(120)이 적층 형성된다. 예를 들어, 제 1 AlGaInO3층(110)은 Alx1Ga(1-x1-y1)Iny1O3(0≤x1, y<0.75)으로 형성될 수 있고, 제 2 AlGaInO3층(120)은 Alx2Ga(1-x2-y2)Iny2O3(x2≤x1, y2≥y1)으로 형성될 수 있다. 또한, 제 2 AlGaInO3층(120)은 전자가 이동하는 채널 영역으로 이용되므로 제 1 AlGaInO3층(110)보다 에너지 밴드갭이 작아지도록 형성하며, 그에 따라 제 1 AlGaInO3층(110)보다 큰 전하 이동도를 가질 수 있다. 이렇게 4.9eV 정도의 큰 에너지 밴드갭을 가지고 내전압 특성이 우수하며 SiC 및 GaN에 비해 낮은 전기 저항을 가지는 AlGaInO3 물질을 이용하여 반도체 소자를 제조함으로써 반도체 소자의 속도를 향상시킬 수 있다. 또한, 이를 전력 반도체 소자에 적용할 경우 손실률을 현저히 줄일 수 있다. 그리고, 산화갈륨 기판(100) 상에 3원계 이상의 금속 산화물, 즉 산화물 반도체가 형성되므로 질화물 반도체가 형성되는 소자에서 박리 문제가 발생되지 않는다.
As described above, in the semiconductor device according to the first and second embodiments of the present invention, the first AlGaInO 3 layer 110 and the second AlGaInO 3 layer 120 having different compositions are stacked on the
상기한 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 반도체 소자의 제조 방법을 설명하면 다음과 같다.A method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention will now be described.
먼저, 산화갈륨 기판(100)을 준비하고, 산화갈륨 기판(100)의 적어도 일면, 바람직하게는 양면을 습식 세척하여 산화갈륨 기판(100) 표면의 유기물 및 무기물을 제거할 수 있다. 또한, 산화갈륨 기판(100)에 도전성 불순물, 예를 들어 실리콘 등의 n형 불순물을 도핑하여 전기 전도성을 갖게 할 수 있다. 물론, 산화갈륨 기판(100)에 불순물을 도핑하지 않아 절연성을 갖게 할 수도 있다.First, the
이어서, 산화갈륨 기판(100)의 일면 상에 제 1 AlGaInO3층(110)을 형성한다. 제 1 AlGaInO3층(110)은 다양한 방법으로 형성할 수 있는데, 예를 들어 MOCVD, 스퍼터링 방법으로 형성할 수 있다. 이러한 제 1 AlGaInO3층(110)은 알루미늄 소오스 가스, 갈륨 소오스 가스, 인듐 소오스 가스 및 산소 소오스 가스를 제 1 조성비로 공급하여 Alx1Ga(1-x1- y1 )Iny1O3(0≤x1, y<0.75)으로 형성할 수 있다. 한편, 제 1 AlGaInO3층(110)은 실리콘 등의 n형 불순물이 도핑된 제 1 도전형의 반도체층으로 형성될 수 있다. 이를 위해 예를 들어 SiH4 및 SiH6 등을 포함하는 실리콘 소오스 가스를 더 공급할 수 있다. 물론, 제 1 AlGaInO3층(110)은 마그네슘 등의 p형 불순물이 도핑된 제 2 도전형의 반도체층으로 형성할 수도 있다. 이를 위해 예를 들어 비스시클로펜타다이닐마그네슘(biscyclopentadienylmagnesium; Cp2Mg)을 포함하는 마그네슘 소오스 가스를 더 공급할 수 있다. 이러한 제 1 AlGaInO3층(110)은 예를 들어 300℃∼1500℃의 온도와 10Torr∼760Torr의 압력에서 형성할 수 있으며, 예를 들어 0.01㎛∼10㎛ 두께로 형성할 수 있다.Next, a first AlGaInO 3 layer 110 is formed on one surface of the
이어서, 제 1 AlGaInO3층(110) 상에 제 2 AlGaInO3층(120)을 형성한다. 제 2 AlGaInO3층(120)은 제 1 AlGaInO3층(110)과 동일 챔버 내에서 연속적으로, 즉 인시투(insitu)로 형성될 수 있다. 여기서, 제 2 AlGaInO3층(120)은 알루미늄 소오스 가스, 갈륨 소오스 가스, 인듐 소오스 가스 및 산소 소오스 가스를 제 2 조성비로 공급하여 Alx2Ga(1-x2-y2)Iny2O3(x2≤x1, y2≥y1)으로 형성할 수 있다. 즉, 제 2 AlGaInO3층(120)은 제 1 AlGaInO3층(110)과 다른 조성으로 형성할 수 있는데, 알루미늄이 제 1 AlGaInO3층(110)보다 적거나 같게 형성하고, 인듐이 제 1 AlGaInO3층(110)보다 많거나 같게 형성할 수 있다. 한편, 제 2 AlGaInO3층(120)은 제 1 AlGaInO3층(110)과 다른 도전형의 반도체층으로 형성될 수 있다. 즉, 제 1 AlGaInO3층(110)이 n형 불순물이 도핑된 제 1 도전형의 반도체층으로 형성되면 제 2 AlGaInO3층(120)은 Mg 등의 p형 불순물이 도핑된 제 2 도전형의 반도체층으로 형성될 수 있다. 또한, 제 1 AlGaInO3층(110)이 p형 불순물이 도핑된 제 2 도전형의 반도체층으로 형성되면 제 2 AlGaInO3층(120)은 Si 등의 n형 불순물이 도핑된 제 1 도전형의 반도체층으로 형성될 수도 있다. 이러한 제 2 AlGaInO3층(120)은 제 1 AlGaInO3층(110)과 동일한 조건, 예를 들어 300℃∼1500℃의 온도와 10Torr∼760Torr의 압력에서 형성할 수 있으며, 예를 들어 0.01㎛∼10㎛ 두께로 형성할 수 있다.Then, a second AlGaInO 3 layer 120 is formed on the first AlGaInO 3 layer 110. The second AlGaInO 3 layer 120 may be formed continuously, i.e., insituly, in the same chamber as the first AlGaInO 3 layer 110. Here, the second AlGaInO 3 layer 120 of aluminum-source gas, a gallium source gas, an indium source gas and the oxygen source gas with a second composition by Al x2 Ga (1-x2- y2) In y2 O 3 (x2≤ x1, y2 > = y1). In other words, the 2 AlGaInO 3 layer 120 is claim 1 AlGaInO 3 layer 110 and may be formed of a different composition, the aluminum is low or forming the same than the 1 AlGaInO 3 layer 110, and indium claim 1 AlGaInO The third layer 110 may have a thickness greater than or equal to the thickness of the third
이어서, 제 2 AlGaInO3층(120) 상의 소정 영역에 제 1 및 제 2 전극(130, 140)을 각각 형성한다. 즉, 제 1 및 제 2 전극(130, 140)은 동일 평면 상에 서로 소정 간격 이격되어 형성된다.
Next, first and
한편, 본 발명은 산화갈륨 기판을 이용하여 다이오드 이외의 다양한 반도체 소자를 구현할 수 있다. 이러한 반도체 소자의 예를 도 3을 이용하여 설명하면 다음과 같다.Meanwhile, the present invention can realize various semiconductor devices other than diodes by using a gallium oxide substrate. An example of such a semiconductor device will be described with reference to FIG.
도 3은 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 반도체 소자의 단면도로서, 전계 효과 트랜지스터(Field Effect Transistor)의 단면도이다.3 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention, which is a sectional view of a field effect transistor.
도 3에 도시된 바와 같이, 반도체 소자는 산화갈륨 기판(100)과, 산화갈륨 기판(100) 상에 형성된 제 1 AlGaInO3층(110) 및 제 2 AlGaInO3층(120)과, 제 2 AlGaInO3층(120) 상의 소정 영역에 형성된 게이트 전극(160)과, 게이트 전극(160)과 이격되어 제 2 AlGaInO3층(160) 상에 형성된 소오스 전극(170) 및 드레인 전극(180)을 포함할 수 있다. 또한, 산화갈륨 기판(100)과 제 1 AlGaInO3층(110) 사이에 버퍼층(미도시)이 더 형성될 수도 있고, 제 2 AlGaInO3층(120)과 전극들(160, 170, 180) 사이에 투명 전극이 더 형성될 수도 있다. 여기서, 제 1 AlGaInO3층(110)은 Alx1Ga(1-x1- y1 )Iny1O3(0≤x1, y<0.75)으로 형성될 수 있고, 제 2 AlGaInO3층(120)은 Alx2Ga(1-x2- y2 )Iny2O3(x2≤x1, y2≥y1)으로 형성될 수 있다. 또한, 제 2 AlGaInO3층(120)은 소정 영역에 소정 깊이로 불순물이 도핑될 수 있다. 예를 들어, 소오스 전극(170) 및 드레인 전극(190)과 적어도 일부 중첩되도록 이들 하측에 소정 깊이로 불순물이 도핑될 수 있다. 또한, 게이트 전극(160)은 게이트 절연막(161)과 게이트(162)를 포함할 수 있다. 게이트 절연막(161)은 실리콘 옥사이드를 포함하는 절연 물질을 이용하여 형성할 수 있으며, 단일층 또는 복수의 층으로 형성될 수 있다. 게이트(162)는 도전 물질을 이용하여 형성할 수 있는데, 폴리실리콘, 금속 등을 이용할 수 있다. 그리고, 소오스 전극(170) 및 드레인 전극(180) 또한 도전 물질로 형성할 수 있는데, 게이트(162) 형성 물질과 동일 물질로 형성할 수도 있고, 다른 물질로 형성할 수도 있다. 이렇게 게이트 전극(160), 소오스 전극(170) 및 드레인 전극(180)에 의해 오믹 전극이 형성된다.
3, the semiconductor device includes a
도 4는 본 발명의 제 4 실시 예에 따른 반도체 소자의 단면도이다.4 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to a fourth embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제 4 실시 예에 따른 반도체 소자는 산화갈륨 기판(100)과, 산화갈륨 기판(100)의 일면 상에 적층 형성된 제 1 AlGaInO3층(110) 및 제 2 AlGaInO3층(120)과, 제 2 AlGaInO3층(120) 상의 소정 영역에 형성된 제 1 전극(135) 및 산화갈륨 기판(100)의 타면 상에 형성된 제 2 전극(145)을 포함할 수 있다. 또한, 산화갈륨 기판(100)과 제 1 AlGaInO3층(110) 사이에 버퍼층(미도시)이 더 형성될 수도 있고, 제 2 AlGaInO3층(120)과 제 1 전극들(1135) 사이에 투명 전극이 더 형성될 수도 있다. 즉, 본 발명의 제 4 실시 예에 따른 반도체 소자는 제 1 및 제 2 전극(135, 145)가 수직 방향으로 이격되어 형성될 수 있다. 이때, 산화갈륨 기판(100)은 실리콘(Si) 등의 도전형 불순물이 주입되어 전기 전도성 특성을 가질 수 있다. 또한, 제 1 AlGaInO3층(110)은 Alx1Ga(1-x1- y1 )Iny1O3(0≤x1, y<0.75)으로 형성될 수 있고, 제 2 AlGaInO3층(120)은 Alx2Ga(1-x2- y2 )Iny2O3(x2≤x1, y2≥y1)으로 형성될 수 있다. 제 1 전극(135)은 제 2 AlGaInO3층(120) 상의 소정 영역에 형성되어 제 2 AlGaInO3층(120)에 전원을 공급하고, 제 2 전극(145)은 산화갈륨 기판(100)의 타면의 소정 영역에 형성되어 제 1 AlGaInO3층(110)에 전원을 공급한다. 한편, 본 발명의 제 4 실시 예는 제 2 AlGaInO3층(120) 상부에 두개의 전극이 서로 이격되어 형성될 수도 있다. 즉, 제 2 AlGaInO3층(120) 상부에 두개의 전극이 서로 이격되어 형성되고 하나의 전극이 산화갈륨 기판(100)의 이면에 형성될 수도 있다.
4, a semiconductor device according to a fourth embodiment of the present invention includes a
본 발명의 기술적 사상은 상기 실시 예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시 예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주지해야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야에서 당업자는 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
Although the technical idea of the present invention has been specifically described according to the above embodiments, it should be noted that the above embodiments are for explanation purposes only and not for the purpose of limitation. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit and scope of the invention.
100 : 산화갈륨 기판 110 : 제 1 AlGaInO3층
120 : 제 2 AlGaInO3층 130, 140 : 제 1 및 제 2 전극
150 : 버퍼층100: gallium oxide substrate 110: first AlGaInO 3 layer
120: second AlGaInO 3 layer 130, 140: first and second electrodes
150: buffer layer
Claims (10)
상기 산화갈륨 기판 상에 형성되고, Alx1Ga(1-x1-y1)Iny1O3(0≤x1, y1<0.75)의 조성을 갖는 제1 AlGaInO3 반도체층;
상기 제1 AlGaInO3 반도체층 상에 형성되고, Alx2Ga(1-x2-y2)Iny2O3(x2≤x1, y2≥y1)의 조성을 갖는 제2 AlGaInO3 반도체층;
상기 제2 AlGaInO3 반도체층 상에 서로 이격되어 형성된 소오스 전극과 드레인 전극; 및
서로 이격된 상기 소오스 전극과 드레인 전극 사이의 상기 제2 AlGaInO3 반도체층 상에 형성된 게이트 절연막과 게이트;를 포함하고,
상기 제2 AlGaInO3 반도체층은 상기 소오스 전극과 상기 드레인 전극 사이를 전하가 이동하는 채널을 제공하고,
상기 제1 AlGaInO3 반도체층은 상기 전하를 상기 제2 AlGaInO3 반도체층에 가두는 컨파인층이며,
상기 제2 AlGaInO3 반도체층과 상기 제1 AlGaInO3 반도체층은 서로 다른 도전형의 반도체층인 반도체 소자.
A gallium oxide substrate;
The oxide formed on a substrate of gallium, the 1 3 AlGaInO semiconductor layer having Al x1 Ga (1-x1- y1) In y1 O 3 (0≤x1, y1 <0.75) in the composition;
Wherein 1 AlGaInO 3 is formed on the semiconductor layer, a semiconductor layer 2 AlGaInO 3 having a composition of Al x2 Ga (1-x2- y2) In y2 O 3 (x2≤x1, y2≥y1);
Wherein the source electrode 2 AlGaInO 3 spaced apart from each other on the semiconductor layer and the drain electrode; And
A gate insulating film and a gate formed on the first semiconductor layer 2 AlGaInO 3 between each other spaced the source electrode and the drain electrode, and include,
The second AlGaInO 3 semiconductor layer provides a channel through which charges move between the source electrode and the drain electrode,
Wherein said 3 1 AlGaInO semiconductor layer is a confinement layer is put in the first semiconductor layer 2 AlGaInO 3 to said charge,
Wherein the 2 AlGaInO 3 semiconductor layer and the second semiconductor layer is 1 3 AlGaInO another semiconductor layer of the semiconductor element of the other conductivity type.
상기 산화갈륨 기판과 상기 제1 AlGaInO3 반도체층 사이에 형성된 버퍼층을 더 포함하는 반도체 소자.
The method according to claim 1,
Semiconductor device further comprises a buffer layer formed between the gallium oxide substrate and the first semiconductor layer 1 AlGaInO 3.
상기 제 2 AlGaInO3 반도체층은 상기 제 1 AlGaInO3 반도체층보다 에너지 밴드갭이 작고, 전하 이동도가 큰 반도체 소자.
The method according to claim 1,
Wherein the semiconductor layer is 2 AlGaInO 3 wherein 1 3 AlGaInO semiconductor layer is smaller than the energy band gap, a large semiconductor device charge mobility.
상기 산화갈륨 기판은 불순물이 도핑된 것인 반도체 소자.The method according to claim 1,
Wherein the gallium oxide substrate is doped with an impurity.
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