KR102170211B1 - Power semiconductor device and Power semiconductor circuit including the device - Google Patents
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Abstract
실시 예의 전력 반도체 소자는 음극과, 음극 위에 제1 질화물 반도체층과, 제1 질화물 반도체층 위에 양극 및 제1 질화물 반도체층과 양극 사이에 배치되며, 구성 성분 중 제1 구성 성분의 함량비가 제1 질화물 반도체층으로부터 양극으로 갈수록 증가하는 제2 질화물 반도체층을 포함한다.The power semiconductor device of the embodiment is disposed between a cathode, a first nitride semiconductor layer on the cathode, an anode on the first nitride semiconductor layer, and between the first nitride semiconductor layer and the anode, and the content ratio of the first component among the components is first And a second nitride semiconductor layer increasing from the nitride semiconductor layer toward the anode.
Description
실시 예는 전력 반도체 소자 및 이를 포함하는 전력 반도체 회로에 관한 것이다.The embodiment relates to a power semiconductor device and a power semiconductor circuit including the same.
일반적으로 높은 전압 스위칭에 적합한 회로 등에 사용되는 다이오드는 역방향 동작 즉, 양극의 전압보다 음극의 전압이 높은 상황에서 역방향 누설 전류는 가능하면 작아야 하고 높은 전압 예를 들어 적어도 600 볼트나 1200볼트에서도 견딜 수 있어야 한다.In general, diodes used in circuits suitable for high voltage switching operate in the reverse direction, that is, when the voltage at the cathode is higher than the voltage at the anode, the reverse leakage current should be as small as possible and can withstand high voltages, such as at least 600 or 1200 volts Should be.
다이오드의 일종인 쇼트키 배리어 다이오드(SBD:Schottky barrier diode) 등과 같은 전력 반도체 소자는 트랜지스터와 함께 교환 방식 전원 공급 장치(SMPS:Switch-Mode Power Supply)의 핵심부품으로 사용되고 있다. 왜냐하면, SBD는 우수한 스위칭 속도 및 온 상태 성능을 갖기 때문이다.Power semiconductor devices such as a Schottky barrier diode (SBD), which is a kind of diode, are used as a key component of a switch-mode power supply (SMPS) together with a transistor. This is because SBD has excellent switching speed and on-state performance.
GaN은 넓은 밴드갭(bandgap), 2DEG(two-Dimensional Electron Gas) 채널, 고 이동도, 높은 임계 전계(high critical electric field) 등의 전력 반도체 소자에 응용될 수 있는 유리한 물리적 특성을 갖는다. GaN과 같은 반도체를 이용하여 구현된 SBD는 600 V이상의 높은 항복 전압과 1 볼트 이하의 낮은 문턱 전압을 가지며 고온에서도 안정된 스위칭 특성을 나타낼 뿐만 아니라, 상용화된 실리콘(Si) 고회복 다이오드(FRD:Fast Recovery Diode)와 SiC SBD의 대체 부품으로 주목받고 있다.GaN has advantageous physical properties that can be applied to power semiconductor devices such as a wide bandgap, a two-dimensional electron gas (2DEG) channel, high mobility, and a high critical electric field. SBD implemented using a semiconductor such as GaN has a high breakdown voltage of 600 V or more and a low threshold voltage of 1 volt or less, and exhibits stable switching characteristics even at high temperatures, as well as a commercially available silicon (Si) high recovery diode (FRD: Fast Recovery Diode) and SiC SBD.
도 1a는 기존의 전력 반도체 소자(10A)의 단면도를 나타내고, 도 1b는 도 1a에 도시된 전력 반도체 소자(10A)의 전류-전압 특성을 나타내는 그래프이다.1A is a cross-sectional view of an existing
도 1a에 도시된 기존의 전력 반도체 소자(10A)는 일종의 SBD로서, 오믹 전극(5), n+ GaN층(7), n- GaN층(9) 및 쇼트키 전극(11)을 포함한다.The conventional
쇼트키 전극(11)은 n- GaN층(9)의 바로 위에 형성된다. 따라서, 역 바이어스 조건에서, 쇼트키 전극(11)과 n- GaN층(9)의 경계에서 강한 전계가 발생하여 도 1b에서 화살표(22)로 표기한 바와 같이 큰 역 바이어스 누설 전류(또는, 역 방향 누설 전류)가 흐르게 된다.The Schottky
도 2a는 기존의 다른 전력 반도체 소자(10B)의 단면도를 나타내고, 도 2b는 도 2a에 도시된 전력 반도체 소자(10B)의 전류-전압 특성을 나타내는 그래프이다.2A is a cross-sectional view of another conventional
도 2a에 도시된 기존의 다른 전력 반도체 소자(10B)는 일종의 SBD로서, 오믹 전극(5), n+ GaN층(7), n- GaN층(9), 쇼트키 전극(11) 및 InGaN층(13)을 포함한다. 여기서, InGaN층(13)에서 In과 Ga 각각의 함량비는 n+ GaN층(7)과의 경계부터 쇼트키 전극(11)과의 경계까지 변하지 않는 고정된 값이다.The other conventional
도 1a에 도시된 전력 반도체 소자(10A)와 달리 도 2a에 도시된 전력 반도체 소자(10B)의 경우 InGaN층(13)이 쇼트키 전극(11)과 n- GaN층(9)의 사이에 배치된다. 따라서, 도 1a의 전력 반도체 소자(10A)와 비교할 때, 역 바이어스 누설 전류는 도 2b에서 화살표(24)로 표기한 바와 같이 실질적으로 감소한다. 그러나, 순 바이어스 조건에서, 턴 온 전압이 도 2b에서 화살표(26)로 표기한 바와 같이 증가하므로, 순방향 전류가 감소하게 되는 문제점이 있다. 즉, 도 1b에 도시된 턴 온 전압(Vf1)보다 도 2b에 도시된 턴 온 전압(Vf2)이 더 커지게 되는 문제점이 있다.Unlike the
실시 예는 역 바이어스 누설 전류를 감소시키면서도 순 바이어스 턴 온 전압이 증가하지 않는 전력 반도체 소자 및 이를 포함하는 전력 반도체 회로를 제공한다.The embodiment provides a power semiconductor device in which a forward bias turn-on voltage does not increase while reducing a reverse bias leakage current, and a power semiconductor circuit including the same.
일 실시 예에 의한 전력 반도체 소자는, 음극; 상기 음극 위에 제1 질화물 반도체층; 상기 제1 질화물 반도체층 위에 양극; 및 상기 제1 질화물 반도체층과 상기 양극 사이에 배치되며, 구성 성분 중 제1 구성 성분의 함량비가 상기 제1 질화물 반도체층으로부터 상기 양극으로 갈수록 증가하는 제2 질화물 반도체층을 포함할 수 있다.A power semiconductor device according to an embodiment includes a cathode; A first nitride semiconductor layer over the cathode; An anode over the first nitride semiconductor layer; And a second nitride semiconductor layer disposed between the first nitride semiconductor layer and the anode, wherein a content ratio of the first component among the components increases from the first nitride semiconductor layer toward the anode.
상기 제1 질화물 반도체층과 상기 제2 질화물 반도체층의 구성 성분은 서로 다를 수 있다. 이 경우, 상기 제1 질화물 반도체층은 GaN을 포함하고, 상기 제2 질화물 반도체층은 In을 상기 제1 구성 성분으로서 포함하고 GaN을 제2 구성 성분으로서 포함할 수 있다.Components of the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer may be different from each other. In this case, the first nitride semiconductor layer may include GaN, the second nitride semiconductor layer may include In as the first component and GaN as the second component.
또는, 상기 제1 질화물 반도체층과 상기 제2 질화물 반도체층의 구성 성분은 서로 동일할 수 있다. 이 경우, 상기 제1 질화물 반도체층은 AlGaN을 포함하고, 상기 제2 질화물 반도체층은 Al을 상기 제1 구성 성분으로서 포함하고 GaN을 제2 구성 성분으로서 포함할 수 있다.Alternatively, components of the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer may be the same. In this case, the first nitride semiconductor layer may contain AlGaN, and the second nitride semiconductor layer may contain Al as the first constituent and GaN as the second constituent.
상기 제1 구성 성분의 상기 함량비는 0보다 크고 0.2보다 작을 수 있다.The content ratio of the first component may be greater than 0 and less than 0.2.
상기 제1 구성 성분의 상기 함량비는 선형적으로 증가하거나, 계단식으로 증가하거나, 포물선 형태로 증가할 수 있다.The content ratio of the first component may increase linearly, increase in a stepwise manner, or increase in a parabolic shape.
상기 제2 질화물 반도체층은 상기 제1 구성 성분을 포함하는 적어도 하나의 제1 서브 질화물 반도체층; 및 상기 제1 구성 성분을 포함하지 않는 적어도 하나의 제2 서브 질화물 반도체층을 포함할 수 있다.The second nitride semiconductor layer may include at least one first sub-nitride semiconductor layer including the first component; And at least one second sub-nitride semiconductor layer not including the first component.
상기 적어도 하나의 제1 서브 질화물 반도체층 또는 상기 적어도 하나의 제2 서브 질화물 반도체층 중 적어도 하나는 복수 개이고, 상기 제1 및 제2 서브 질화물 반도체층은 교대로 반복되어 배치될 수 있다.At least one of the at least one first sub-nitride semiconductor layer or the at least one second sub-nitride semiconductor layer may be a plurality, and the first and second sub-nitride semiconductor layers may be alternately and repeatedly disposed.
상기 복수의 제1 서브 질화물 반도체층의 상기 제1 구성 성분의 함량비는 상기 제1 질화물 반도체층에 가깝게 배치될수록 작고 상기 양극에 가깝게 배치될수록 클 수 있다. 상기 제1 및 제2 서브 질화물 반도체층은 균일한 두께를 가질 수 있다.The content ratio of the first constituents of the plurality of first sub-nitride semiconductor layers may be smaller as they are disposed closer to the first nitride semiconductor layer, and may be greater as they are disposed closer to the anode. The first and second sub-nitride semiconductor layers may have a uniform thickness.
또는, 상기 복수의 제1 서브 질화물 반도체층의 두께는 상기 제1 질화물 반도체층에 가깝게 배치될수록 얇고 상기 양극에 가깝게 배치될수록 두꺼울 수 있다. 상기 제1 서브 질화물 반도체층의 사이에 배치된 상기 제2 서브 질화물 반도체층의 두께는 일정할 수 있다.Alternatively, the thickness of the plurality of first sub-nitride semiconductor layers may be thinner when disposed closer to the first nitride semiconductor layer, and thicker when disposed closer to the anode. The thickness of the second sub-nitride semiconductor layer disposed between the first sub-nitride semiconductor layers may be constant.
또는, 상기 복수의 제1 서브 질화물 반도체층의 두께는 일정하고, 상기 제1 서브 질화물 반도체층 사이에 배치된 상기 제2 서브 질화물 반도체층의 두께는 상기 제1 질화물 반도체층에 가까울수록 두꺼우며 상기 양극에 가까울수록 얇을 수 있다.Alternatively, the thickness of the plurality of first sub-nitride semiconductor layers is constant, and the thickness of the second sub-nitride semiconductor layer disposed between the first sub-nitride semiconductor layers is thicker as it approaches the first nitride semiconductor layer. The closer to the anode, the thinner it can be.
상기 복수의 제1 서브 질화물 반도체층의 상기 제1 구성 성분의 함량비는 균일할 수 있다.The content ratio of the first component in the plurality of first sub-nitride semiconductor layers may be uniform.
상기 복수의 제1 및 제2 서브 질화물 반도체층에서의 상기 제1 구성 성분의 상기 함량비의 평균치는 상기 제1 질화물 반도체층으로부터 상기 양극으로 갈수록 증가할 수 있다.The average value of the content ratio of the first component in the plurality of first and second sub-nitride semiconductor layers may increase from the first nitride semiconductor layer toward the anode.
상기 적어도 하나의 제1 서브 질화물 반도체층 또는 상기 적어도 하나의 제2 서브 질화물 반도체층 중 적어도 하나는 초격자층일 수 있다.At least one of the at least one first sub-nitride semiconductor layer or the at least one second sub-nitride semiconductor layer may be a superlattice layer.
또는, 상기 제2 질화물 반도체층은 각각이 상기 제1 구성 성분을 포함하는 복수의 서브 질화물 반도체층을 포함하고, 상기 복수의 서브 질화물 반도체층의 상기 제1 구성 성분의 상기 함량비는 상기 제1 질화물 반도체층에 가까울수록 작고 상기 양극에 가까울수록 클 수 있다. 상기 복수의 서브 질화물 반도체층 각각은 초격자층일 수 있다.Alternatively, the second nitride semiconductor layer includes a plurality of sub-nitride semiconductor layers each including the first component, and the content ratio of the first component of the plurality of sub-nitride semiconductor layers is the first The closer to the nitride semiconductor layer, the smaller and the closer to the anode, the larger may be. Each of the plurality of sub-nitride semiconductor layers may be a super lattice layer.
다른 실시 예에 의한 전력 반도체 회로는, 상기 전력 반도체 소자; 및 상기 전력 반도체 소자와 전기적으로 연결되는 수동 소자를 포함할 수 있다.A power semiconductor circuit according to another embodiment may include the power semiconductor device; And a passive device electrically connected to the power semiconductor device.
실시 예에 따른 전력 반도체 소자 및 이를 포함하는 전력 반도체 회로는 제1 질화물 반도체층과 양극 사이에 배치되며 제1 질화물 반도체층으로부터 양극으로 갈수록 증가하는 함량비를 갖는 제1 구성 성분을 포함하는 제2 질화물 반도체층을 가짐으로써, 역 바이어스 전류를 줄임과 동시에 순 바이어스 턴 온 전압을 낮출 수 있다.The power semiconductor device according to the embodiment and the power semiconductor circuit including the same are disposed between the first nitride semiconductor layer and the anode, and include a second component having a content ratio increasing from the first nitride semiconductor layer to the anode. By having the nitride semiconductor layer, the reverse bias current can be reduced and the forward bias turn-on voltage can be lowered.
도 1a는 기존의 전력 반도체 소자의 단면도를 나타내고, 도 1b는 도 1a에 도시된 전력 반도체 소자의 전류-전압 특성을 나타내는 그래프이다.
도 2a는 기존의 다른 전력 반도체 소자의 단면도를 나타내고, 도 2b는 도 2a에 도시된 전력 반도체 소자의 전류-전압 특성을 나타내는 그래프이다.
도 3은 실시 예에 의한 전력 반도체 소자의 단면도를 나타낸다.
도 4는 도 3에 예시된 제1-2 질화물 반도체층 및 제2 질화물 반도체층의 일 실시 예를 나타내는 단면도이다.
도 5는 도 3에 예시된 제1-2 질화물 반도체층 및 제2 질화물 반도체층의 다른 실시 예를 나타내는 단면도이다.
도 6a 내지 도 6c는 제2 질화물 반도체층에 포함된 제1 구성 성분의 함량비의 변화를 나타내는 그래프들이다.
도 7은 도 3에 예시된 제2 질화물 반도체층의 또 다른 실시 예의 단면도를 나타낸다.
도 8은 제2 질화물 반도체층 내에서 제1 및 제2 서브 질화물 반도체층의 두께 변화를 나타내는 일 실시 예의 도면이다.
도 9는 제2 질화물 반도체층 내에서 제1 및 제2 서브 질화물 반도체층의 두께 변화를 나타내는 다른 실시 예의 도면이다.
도 10a 및 도 10b는 도 1a에 도시된 기존의 전력 반도체 소자가 역 바이어스 및 순 바이어스될 때의 에너지 밴드 다이어그램을 각각 나타낸다.
도 11a 및 도 11b는 도 2a에 도시된 기존의 전력 반도체 소자가 역 바이어스 및 순 바이어스될 때의 에너지 밴드 다이어그램을 각각 나타낸다.
도 12a 및 도 12b는 도 3에 도시된 실시 예의 전력 반도체 소자가 역 바이어스 및 순 바이어스될 때의 에너지 밴드 다이어그램을 각각 나타낸다.
도 13은 기존의 전력 반도체 소자와 본 실시 예에 의한 전력 반도체 소자의 순 바이어스 전류-전압 특성을 각각 비교하여 나타내는 그래프이다.
도 14a 내지 도 14c는 전력 반도체 소자가 역 바이어스된 상황에서 에너지 대역을 비교하여 나타내는 그래프들이다.
도 15는 기존의 전력 반도체 소자와 본 실시 예에 의한 전력 반도체 소자의 역 바이어스 전류-전압 특성을 각각 비교하여 나타내는 그래프이다.
도 16은 실시 예에 의한 전력 반도체 소자의 회로도를 나타낸다.1A is a cross-sectional view of a conventional power semiconductor device, and FIG. 1B is a graph showing current-voltage characteristics of the power semiconductor device shown in FIG. 1A.
FIG. 2A is a cross-sectional view of another conventional power semiconductor device, and FIG. 2B is a graph showing current-voltage characteristics of the power semiconductor device shown in FIG. 2A.
3 is a cross-sectional view of a power semiconductor device according to an embodiment.
FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating an embodiment of the 1-2 nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer illustrated in FIG. 3.
5 is a cross-sectional view showing another embodiment of the 1-2 nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer illustrated in FIG. 3.
6A to 6C are graphs showing changes in the content ratio of the first component included in the second nitride semiconductor layer.
7 is a cross-sectional view of another embodiment of the second nitride semiconductor layer illustrated in FIG. 3.
FIG. 8 is a diagram illustrating a change in thickness of first and second sub-nitride semiconductor layers in a second nitride semiconductor layer.
9 is a diagram of another embodiment showing thickness changes of first and second sub-nitride semiconductor layers in a second nitride semiconductor layer.
10A and 10B show energy band diagrams when the conventional power semiconductor device shown in FIG. 1A is reverse biased and forward biased, respectively.
11A and 11B show energy band diagrams when the conventional power semiconductor device shown in FIG. 2A is reverse biased and forward biased, respectively.
12A and 12B show energy band diagrams when the power semiconductor device of the embodiment shown in FIG. 3 is reverse biased and forward biased, respectively.
13 is a graph showing a comparison of the forward bias current-voltage characteristics of the conventional power semiconductor device and the power semiconductor device according to the present embodiment.
14A to 14C are graphs comparing energy bands in a situation in which the power semiconductor device is reverse biased.
15 is a graph showing a comparison of the reverse bias current-voltage characteristics of the conventional power semiconductor device and the power semiconductor device according to the present embodiment.
16 is a circuit diagram of a power semiconductor device according to an embodiment.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시 예를 들어 설명하고, 발명에 대한 이해를 돕기 위해 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시 예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 본 발명의 실시 예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings in order to explain the present invention by way of example, and to aid understanding of the invention. However, the embodiments according to the present invention may be modified in various forms, and the scope of the present invention should not be construed as being limited to the embodiments described below. Embodiments of the present invention are provided to more completely describe the present invention to those with average knowledge in the art.
본 실시 예의 설명에 있어서, 각 구성요소(element)의 "상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두 개의 구성요소(element)가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 구성요소(element)가 상기 두 구성요소(element) 사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다.In the description of the present embodiment, in the case of being described as being formed in "on or under" of each element, upper (upper) or lower (lower) ( On or under includes both elements in which two elements are in direct contact with each other or one or more other elements are indirectly formed between the two elements.
또한 "상(위)" 또는 "하(아래)(on or under)"로 표현되는 경우 하나의 구성요소(element)를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.In addition, when expressed as “up (up)” or “on or under”, it may include not only an upward direction but also a downward direction based on one element.
또한, 이하에서 이용되는 "제1" 및 "제2," "상부" 및 "하부" 등과 같은 관계적 용어들은, 그런 실체 또는 요소들 간의 어떠한 물리적 또는 논리적 관계 또는 순서를 반드시 요구하거나 내포하지는 않으면서, 어느 한 실체 또는 요소를 다른 실체 또는 요소와 구별하기 위해서만 이용될 수도 있다.In addition, relational terms such as "first" and "second," "upper" and "lower" used below do not necessarily require or imply any physical or logical relationship or order between such entities or elements. Thus, it may be used only to distinguish one entity or element from another entity or element.
도 3은 실시 예에 의한 전력 반도체 소자(100)의 단면도를 나타낸다.3 is a cross-sectional view of a
도 3에 예시된 전력 반도체 소자(100)는 일종의 SBD(Schottky Barrier Diode)로서 음극(110), 양극(120), 제1 질화물 반도체층(130) 및 제2 질화물 반도체층(140)을 포함한다.The
음극(110) 위에 제1 질화물 반도체층(130)이 배치된다.A first
음극(110)은 제1 질화물 반도체층(130)과 오믹 접촉(ohmic contact)하는 물질을 포함할 수 있으며, 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu) 또는 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하여 단층 또는 다층 구조로 형성될 수 있다. 예를 들어, 음극(110)은 Ti/Au의 이중층 구조로 구현될 수도 있다.The
제1 질화물 반도체층(130)은 제1-1 질화물 반도체층(132) 또는 제1-2 질화물 반도체층(134) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 도 3의 경우, 제1 질화물 반도체층(130)은 제1-1 및 제1-2 질화물 반도체층(132, 134)을 모두 포함하는 것으로 예시되어 있지만, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.The first
제1-1 질화물 반도체층(132)은 음극(110) 위에 배치되고, 제1-2 질화물 반도체층(134)은 제1-1 질화물 반도체층(132) 위에 배치된다. 제1-1 질화물 반도체층(132)과 제1-2 질화물 반도체층(134) 각각은 AlaInbGa(1-a-b)N (0≤a≤1, 0≤b≤1, 0≤a+b≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질로 형성될 수 있다.The first-first
제1-1 질화물 반도체층(132)과 제1-2 질화물 반도체층(134) 각각은 제1 도전형일 수 있다. 만일, 제1-1 및 제1-2 질화물 반도체층(132, 134) 각각이 n형 반도체층인 경우, 제1 도전형 도펀트는 P(phosphorus), As(arsenic) 등과 같은 n형 도펀트를 포함할 수 있다. 또한, 제1-1 및 제1-2 질화물 반도체층(132, 134) 각각은 단층 또는 다층으로 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.Each of the first-first
제1-1 질화물 반도체층(132)에서 제1 도전형 도펀트의 도핑 농도는 제1-2 질화물 반도체층(134)에서 제1 도전형 도펀트의 도핑 농도보다 높을 수 있다. 예를 들어, 제1-2 질화물 반도체층(134)의 도핑 농도는 3 x 1016 원자수/㎤일 수 있으며, 제1-2 질화물 반도체층(134)의 두께는 5 ㎛일 수 있으며 실시 예는 이러한 각 층(132, 134)의 도핑 농도와 두께에 국한되지 않는다.The doping concentration of the first conductivity type dopant in the 1-1
제2 질화물 반도체층(140) 위에 양극(120)이 배치된다.The
양극(120)은 제2 질화물 반도체층(140)과 쇼트키 접합할 수 있는 물질을 포함할 수 있다. 양극(120)은 제1 층 또는 제1 층 위에 배치된 제2 층 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 여기서, 제1 층은 내화 금속 및 높은 일 함수를 갖는 물질 또는 내화 금속의 혼합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 층은 Ni(Nickel), TiN(Titanium Nitride), WN(Tungsten Nitride), WSiX(Tungsten Silicide)(여기서, X는 자연수), W(Tungsten), Pt(Platinum), Au(Aurum), Cr(Chromium), Mo(Molybdenum), 또는 Ag(Argentum) 중 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있고, 제2 층은 Au를 포함할 수 있다. 예를 들어, 양극(120)은 Ni/Au의 이중층 구조일 수 있다.The
한편, 제2 질화물 반도체층(140)은 제1 질화물 반도체층(130)과 양극(120) 사이에 배치된다. 제2 질화물 반도체층(140)은 복수의 구성 성분을 가질 수 있다. 이러한 복수의 구성 성분 중 제1 구성 성분의 함량비(또는, 물분율(mole fraction))는 제1 질화물 반도체층(130)으로부터 양극(120)으로 갈수록 증가한다. 또한, 제2 질화물 반도체층(140)은 매우 얇은 두께를 가질 수 있으며, 예를 들어 3 ㎚의 두께를 가질 수 있다.Meanwhile, the second
제2 질화물 반도체층(140)의 구성 성분에 대해 살펴보면 다음과 같다.The constituent components of the second
도 4는 도 3에 예시된 제1-2 질화물 반도체층(134) 및 제2 질화물 반도체층(140)의 일 실시 예를 나타내는 단면도이다.4 is a cross-sectional view illustrating an embodiment of the 1-2
도 5는 도 3에 예시된 제1-2 질화물 반도체층(134) 및 제2 질화물 반도체층(140)의 다른 실시 예를 나타내는 단면도이다.5 is a cross-sectional view illustrating another embodiment of the 1-2
일 실시 예에 의하면, 제2 질화물 반도체층(140)의 구성 성분은 제1 질화물 반도체층(130)의 구성 성분과 서로 다를 수 있다. 예를 들어, 도 4에 예시된 바와 같이, 제1-2 질화물 반도체층(134)은 GaN을 포함한다. 그러나, 제2 질화물 반도체층(140A)은 In을 제1 구성 성분으로서 포함하고 GaN을 제2 구성 성분으로서 포함할 수 있다. 즉, 제2 질화물 반도체층(140A)은 InXGaN(1-X)N으로 구현될 수 있다. 여기서, 제2 질화물 반도체층(140A)의 제1 구성 성분인 In의 함량비(X)는 0보다 크고 0.2보다 작을 수 있다. 예를 들어, In의 함량비(X)는 0.02 내지 0.1 일 수 있다.According to an embodiment, the components of the second
다른 실시 예에 의하면, 제2 질화물 반도체층(140)의 구성 성분은 제1 질화물 반도체층(130)의 구성 성분과 서로 동일할 수 있다. 예를 들어, 도 5에 예시된 바와 같이, 제1 질화물 반도체층(130)은 AlGaN을 포함하고, 제2 질화물 반도체층(140B)은 Al을 제1 구성 성분으로서 포함하고 GaN을 제2 구성 성분으로서 포함할 수 있다. 즉, 제1-2 질화물 반도체층(134B)은 AlGaN으로 구현되고, 제2 질화물 반도체층(140B)은 AlYGa(1-Y)N으로 구현될 수 있다. 여기서, 제1-2 질화물 반도체층(134B)의 AlGaN에서 Al의 함량비는 예를 들어 0.25이고, Ga의 함량비는 예를 들어 0.75로서 고정된 값일 수 있다. 그러나, 제2 질화물 반도체층(140B)의 제1 구성 성분인 Al의 함량비(Y)는 제1 질화물 반도체층(130)으로부터 양극(120)으로 갈수록 증가할 수 있다. Al의 함량비(Y)는 0보다 크고 0.2보다 작으며, 예를 들어, Al의 함량비(Y)는 0.05 내지 0.1 일 수 있다.According to another embodiment, the components of the second
전술한 바와 같이, 도 4 및 도 5에 예시된 제1 구성 성분(예:In, Al)의 함량비(예:X, Y)는 제1 경계(I1)로부터 제2 경계(I2)로 갈수록 증가할 수 있다. 여기서, 제1 경계(I1)는 제1 질화물 반도체층(130)과 제2 질화물 반도체층(140)의 경계를 의미하고, 제2 경계(I2)는 제2 질화물 반도체층(140)과 양극(120)의 경계를 의미하지만 이에 국한되지 않는다.As described above, the content ratio (eg, X, Y) of the first constituents (eg, In, Al) illustrated in FIGS. 4 and 5 increases from the first boundary (I1) to the second boundary (I2). Can increase. Here, the first boundary I1 means a boundary between the first
또한, 제2 질화물 반도체층(140)의 구성 성분은 전술한 도 4 및 도 5를 참조하여 예시한 물질에 국한되지 않는다. 포아슨 방정식에 의하면, 제2 질화물 반도체층(140) 내에서 음의 분극 전하(negative polarization charge)는 제2 경계(I2)로부터 제1 경계(I1)를 향해 갈수록 전계가 더 네가티브(negative)하게 되도록 한다. 분극 전하는 자발 분극(spontaneous polarization) 및 압전 분극(piezoelectric polarization)이 제2 질화물 반도체층(140)에 포함된 제1 구성 성분의 함량비에 의존하기 때문에 야기된다. 이를 고려할 때, 제2 질화물 반도체층(140)의 구성 성분은 제2 질화물 반도체층(140) 내에서 음의 분극 전하가 야기될 수 있는 물질이면 어느 물질이든지 포함할 수 있다. 즉, 제2 경계(I2)로부터 제1 경계(I1)를 향해 갈수록 전계가 더 네가티브하게 되도록, 제2 질화물 반도체층(140) 내에서 음의 분극 전하를 야기시킬 수 있는 물질이면 어느 물질이든지 제2 질화물 반도체층(140)의 구성 성분이 될 수 있다.In addition, the constituent components of the second
도 6a 내지 도 6c는 제2 질화물 반도체층(140)에 포함된 제1 구성 성분의 함량비의 변화를 나타내는 그래프들이다. 여기서, Z는 제1 경계(I1)로부터 제2 경계(I2)까지의 거리를 나타낸다. 즉, 제1 경계(I1)에서 Z=0이 된다.6A to 6C are graphs showing a change in the content ratio of the first component included in the second
일 실시 예에 의하면, 제2 질화물 반도체층(140)에 포함된 제1 구성 성분(예: In, Al)의 함량비(예:X, Y)는 도 6a에 예시된 바와 같이 연속하여(monotonic) 선형적으로 증가할 수 있다.According to an embodiment, the content ratio (eg, X, Y) of the first component (eg, In, Al) included in the second
다른 실시 예에 의하면, 제2 질화물 반도체층(140)에 포함된 제1 구성 성분(예: In, Al)의 함량비(예:X, Y)는 도 6b에 예시된 바와 같이 불연속하여(piecewise) 계단식으로 증가할 수 있다.According to another embodiment, the content ratio (eg, X, Y) of the first component (eg, In, Al) included in the second
또 다른 실시 예에 의하면, 제2 질화물 반도체층(140)에 포함된 제1 구성 성분(예: In, Al)의 함량비(예:X, Y)는 도 6c에 예시된 바와 같이 포물선(parabolic) 형태로 증가할 수도 있다.According to another embodiment, the content ratio (eg, X, Y) of the first component (eg, In, Al) included in the second
도 7은 도 3에 예시된 제2 질화물 반도체층(140)의 또 다른 실시 예(140C)의 단면도를 나타낸다.7 is a cross-sectional view of another
도 7에 예시된 바와 같이, 제2 질화물 반도체층(140C)은 복수의 서브 질화물 반도체층(140C-1, 140C-2, 140C-3, ..., 140C-(N-2), 140C-(N-1), 140C-N)을 포함할 수 있다. 여기서, N은 2이상의 양의 정수이다. 여기서, 복수의 서브 질화물 반도체층 각각은 초격자층(SL:Super Lattice layer)일 수 있지만, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.As illustrated in FIG. 7, the second
일 실시 예에 의하면, 복수의 서브 질화물 반도체층 각각은 제1 구성 성분(예:In, Al)을 포함할 수 있다. 즉, 복수의 서브 질화물 반도체층 각각에 포함된 제1 구성 성분(예:In, Al)의 함량비(예:X, Y)는 0이 아닐 수 있다. 이 경우, 복수의 서브 질화물 반도체층의 제1 구성 성분의 함량비는 제1 질화물 반도체층(130)(즉, 제1 경계(I1))에 가까울수록 작고 양극(120)(즉, 제2 경계(I2))에 가까울수록 클 수 있다. 즉, 복수의 서브 질화물 반도체층의 제1 구성 성분의 함량비는 제1 경계(I1)로부터 제2 경계(I2)로 갈수록 증가할 수 있다.According to an embodiment, each of the plurality of sub-nitride semiconductor layers may include a first component (eg, In, Al). That is, the content ratio (eg, X, Y) of the first component (eg, In, Al) included in each of the plurality of sub-nitride semiconductor layers may not be zero. In this case, the content ratio of the first constituent components of the plurality of sub-nitride semiconductor layers is smaller as it is closer to the first nitride semiconductor layer 130 (ie, the first boundary I1), and the anode 120 (ie, the second boundary The closer to (I2)), the larger it can be. That is, the content ratio of the first component of the plurality of sub-nitride semiconductor layers may increase from the first boundary I1 to the second boundary I2.
다른 실시 예에 의하면, 복수의 서브 질화물 반도체층(140C-1, 140C-2, 140C-3, ..., 140C-(N-2), 140C-(N-1), 140C-N)은 적어도 하나의 제1 서브 질화물 반도체층 및 적어도 하나의 제2 서브 질화물 반도체층을 포함할 수 있다. 여기서, 제1 서브 질화물 반도체층은 제1 구성 성분(예: In, Al)을 포함하는 층(예를 들어, X나 Y가 0이 아닌 층)을 의미하고, 제2 서브 질화물 반도체층은 제1 구성 성분(예: In, Al)을 포함하지 않는 층(예를 들어, X나 Y가 0인 층)을 의미한다.According to another embodiment, the plurality of sub-nitride semiconductor layers 140C-1, 140C-2, 140C-3, ..., 140C-(N-2), 140C-(N-1), 140C-N) are It may include at least one first sub-nitride semiconductor layer and at least one second sub-nitride semiconductor layer. Here, the first sub-nitride semiconductor layer refers to a layer containing a first component (eg, In, Al) (eg, a layer in which X or Y is not 0), and the second sub-nitride semiconductor layer is 1 It refers to a layer (eg, a layer in which X or Y is 0) that does not contain a component (eg, In, Al).
제1 서브 질화물 반도체층 또는 제2 서브 질화물 반도체층 중 적어도 하나는 복수 개일 수 있다. 이 경우, 복수의 제1 및 제2 서브 질화물 반도체층은 교대로 반복되어 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 서브 질화물 반도체층은 제1 경계(I1)(Z=0)로부터 홀수 번째 위치한 층(140C-1, 140C-3, ...)에 해당할 수 있고, 제2 서브 질화물 반도체층은 제1 경계(I1)(Z=0)로부터 짝수 번째 위치한 층(140C-2, 140C-4, ...)에 해당할 수 있다. 또는, 이와 반대로, 제2 서브 질화물 반도체층은 제1 경계(I1)(Z=0)로부터 홀수 번째 위치한 층(140C-1, 140C-3, ...)에 해당할 수 있고, 제1 서브 질화물 반도체층은 제1 경계(I1)(Z=0)로부터 짝수 번째 위치한 층(140C-2, 140C-4, ...)에 해당할 수 있다.At least one of the first sub-nitride semiconductor layer and the second sub-nitride semiconductor layer may be plural. In this case, the plurality of first and second sub-nitride semiconductor layers may be alternately and repeatedly disposed. For example, the first sub-nitride semiconductor layer may correspond to the odd-numbered
제1 및 제2 서브 질화물 반도체층의 배치 형태에 관계없이, 제1 구성 성분을 포함하는 제1 서브 질화물 반도체층의 제1 구성 성분(예: In, Al)의 함량비(예:X, Y)는 제1 질화물 반도체층(130)에 가깝게 배치될수록 작고 양극(120)에 가깝게 배치될수록 클 수 있다. 예를 들어, 제1 서브 질화물 반도체층이 층(140C-1, 140C-3, ..., 140C-(N-2), 140C-N)일 경우, 제1 서브 질화물 반도체층에 포함된 제1 구성 성분(예:In, Al)의 함량비(예:X, Y)는 140C-N가 가장 크고, 140C-1이 가장 작으며, 제1 경계(I1)로부터 제2 경계(I2)로 갈수록 증가할 수 있다. 따라서, 전체 제1 및 제2 서브 질화물 반도체층의 제1 구성 성분의 함량비의 평균치는 제1 질화물 반도체층(130)으로부터 양극(120)으로 갈수록 증가할 수 있다. 즉, 평균치는 도 6a 내지 도 6c에 도시된 증가 변화(152, 154, 156)에 수렴할 수 있다. 이때, 제1 및 제2 서브 질화물 반도체층의 두께는 균일할 수 있다.Regardless of the arrangement of the first and second sub-nitride semiconductor layers, the content ratio of the first constituent (eg, In, Al) of the first sub-nitride semiconductor layer including the first constituent (eg, X, Y) ) May be smaller as it is disposed closer to the first
도 8은 제2 질화물 반도체층(140C) 내에서 제1 및 제2 서브 질화물 반도체층의 두께 변화를 나타내는 일 실시 예의 도면이다.FIG. 8 is a diagram illustrating a change in thickness of the first and second sub-nitride semiconductor layers in the second
또는, 복수의 제1 서브 질화물 반도체층의 두께는 제1 질화물 반도체층(130)에 가깝게 배치될수록 얇고 양극(120)에 가깝게 배치될수록 두꺼울 수 있다. 이때, 제1 서브 질화물 반도체층의 사이에 배치된 제2 서브 질화물 반도체층의 두께는 일정할 수 있다.Alternatively, the thickness of the plurality of first sub-nitride semiconductor layers may be thinner as they are disposed closer to the first
도 8을 참조하면, 제1 구성 성분을 포함하는 제1 서브 질화물 반도체층은 제1-1 내지 제1-5 서브 질화물 반도체층을 포함할 수 있다. Z가 0 ~ Z1인 위치에 제1 두께(t1)의 제1-1 서브 질화물 반도체층이 배치되고, Z2 ~ Z3인 위치에 제2 두께(t2)의 제1-2 서브 질화물 반도체층이 배치되고, Z4 ~ Z5인 위치에 제3 두께(t3)의 제1-3 서브 질화물 반도체층이 배치되고, Z6 ~ Z7인 위치에 제4 두께(t4)의 제1-4 서브 질화물 반도체층이 배치되고, Z8 ~ Z9인 위치에 제5 두께(t5)의 제1-5 서브 질화물 반도체층이 배치될 수 있다. 이때, 제1 내지 제5 두께(t1 ~ t5)는 t5 > t4 > t3 > t2 > t1의 순서로 두껍다.Referring to FIG. 8, the first sub-nitride semiconductor layer including the first component may include the 1-1 to 1-5 sub-nitride semiconductor layers. A 1-1 sub-nitride semiconductor layer having a first thickness t1 is disposed at a position where Z is 0 to Z1, and a 1-2 sub-nitride semiconductor layer having a second thickness t2 is disposed at a position Z2 to Z3. And the 1-3 sub-nitride semiconductor layers of the third thickness t3 are disposed at positions Z4 to Z5, and the 1-4 sub-nitride semiconductor layers of the fourth thickness t4 are disposed at positions Z6 to Z7. In addition, sub-nitride semiconductor layers 1-5 having a fifth thickness t5 may be disposed at positions Z8 to Z9. In this case, the first to fifth thicknesses t1 to t5 are thick in the order of t5> t4> t3> t2> t1.
또한, 제1 구성 성분을 포함하지 않는 제2 서브 질화물 반도체층은 제2-1 내지 제2-4 서브 질화물 반도체층을 포함할 수 있다. Z가 Z1 ~ Z2인 위치에 제2-1 서브 질화물 반도체층이 배치되고, Z3 ~ Z4인 위치에 제2-2 서브 질화물 반도체층이 배치되고, Z5 ~ Z6인 위치에 제2-3 서브 질화물 반도체층이 배치되고, Z7 ~ Z8인 위치에 제2-4 서브 질화물 반도체층이 배치된다. 제2-1 내지 제2-4 서브 질화물 반도체층의 두께는 모두 동일할 수 있지만, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.Also, the second sub-nitride semiconductor layer not including the first component may include the 2-1 to 2-4 sub-nitride semiconductor layers. The 2-1 sub-nitride semiconductor layer is disposed at the positions Z1 to Z2, the 2-2 sub-nitride semiconductor layer is disposed at the positions Z3 to Z4, and the 2-3 sub-nitride semiconductor layer is disposed at the positions Z5 to Z6. The semiconductor layer is disposed, and the 2-4 sub-nitride semiconductor layers are disposed at positions Z7 to Z8. The thicknesses of the 2-1 to 2-4 sub-nitride semiconductor layers may all be the same, but embodiments are not limited thereto.
제1 및 제2 서브 질화물 반도체층이 도 8에 예시된 바와 같은 두께를 가질 경우, 모든 제1 및 제2 서브 질화물 반도체층의 제1 구성 성분의 함량비의 평균치는 제1 질화물 반도체층(130)으로부터 양극(120)으로 갈수록 증가할 수 있다. 즉, 평균치가 도 6a 내지 도 6c에 도시된 증가 변화(152, 154, 156)에 수렴하도록, 제1 및 제2 서브 질화물 반도체층의 두께는 결정될 수 있다.When the first and second sub-nitride semiconductor layers have the thickness as illustrated in FIG. 8, the average value of the content ratios of the first constituents of all the first and second sub-nitride semiconductor layers is the first nitride semiconductor layer 130 ) To the
이때, 도 8에 도시된 바와 같이, 복수의 제1 서브 질화물 반도체층에 포함된 제1 구성 성분의 함량비(X, Y)는 일정한 값(k)을 가지며 균일할 수 있다.In this case, as shown in FIG. 8, the content ratios (X, Y) of the first components included in the plurality of first sub-nitride semiconductor layers may have a constant value (k) and may be uniform.
도 9는 제2 질화물 반도체층(140C) 내에서 제1 및 제2 서브 질화물 반도체층의 두께 변화를 나타내는 다른 실시 예의 도면이다.9 is a diagram of another embodiment showing changes in thicknesses of first and second sub-nitride semiconductor layers in the second
한편, 복수의 제1 서브 질화물 반도체층의 두께는 일정하고, 제1 서브 질화물 반도체층 사이에 배치된 제2 서브 질화물 반도체층의 두께는 제1 질화물 반도체층(130)(즉, 제1 경계(I1))에 가까울수록 두꺼우며 양극(120)(즉, 제2 경계(I2))에 가까울수록 얇을 수 있다.Meanwhile, the thickness of the plurality of first sub-nitride semiconductor layers is constant, and the thickness of the second sub-nitride semiconductor layer disposed between the first sub-nitride semiconductor layers is the first nitride semiconductor layer 130 (that is, the first boundary ( The closer to I1)), the thicker it may be, and the closer to the anode 120 (that is, the second boundary I2), the thinner may be.
도 9를 참조하면, 제1 구성 성분을 포함하지 않는(즉, X 또는 Y가 0인) 제2 서브 질화물 반도체층은 제2-1 내지 제2-6 서브 질화물 반도체층을 포함할 수 있다. Z가 0 ~ Z1'인 위치에 제1 두께(t1')의 제2-1 서브 질화물 반도체층이 배치되고, Z2' ~ Z3'인 위치에 제2 두께(t2')의 제2-2 서브 질화물 반도체층이 배치되고, Z4' ~ Z5'인 위치에 제3 두께(t3')의 제2-3 서브 질화물 반도체층이 배치되고, Z6' ~ Z7'인 위치에 제4 두께(t4')의 제2-4 서브 질화물 반도체층이 배치되고, Z8' ~ Z9'인 위치에 제5 두께(t5')의 제2-5 서브 질화물 반도체층이 배치되고, Z10' ~ Z11'인 위치에 제6 두께(t6')의 제2-6 서브 질화물 반도체층이 배치될 수 있다. 이때, 제1 내지 제6 두께(t1' ~ t6')는 t6' > t5' > t4' > t3' > t2' > t1'의 순서로 두꺼울 수 있다.Referring to FIG. 9, the second sub-nitride semiconductor layer not including the first component (ie, X or Y is 0) may include the 2-1 to 2-6 sub-nitride semiconductor layers. A 2-1 sub-nitride semiconductor layer having a first thickness t1' is disposed at a position where Z is 0 to Z1', and a 2-2 sub-second thickness t2' at a position Z2' to Z3' A nitride semiconductor layer is disposed, a 2-3 sub-nitride semiconductor layer is disposed at a position Z4' to Z5' and a third thickness t3', and a fourth thickness t4' at a position Z6' to Z7' The 2-4th sub-nitride semiconductor layer of is disposed, and the 2-5th sub-nitride semiconductor layer of the fifth thickness (t5') is disposed at positions Z8' to Z9', A 2-6th sub-nitride semiconductor layer having a thickness of 6 ′ may be disposed. In this case, the first to sixth thicknesses t1' to t6' may be thicker in the order of t6'> t5'> t4'> t3'> t2'> t1'.
또한, 제1 구성 성분을 포함하는(즉, X 또는 Y가 0이 아닌) 제1 서브 질화물 반도체층은 제1-1 내지 제1-6 서브 질화물 반도체층을 포함할 수 있다. Z가 Z1' ~ Z2'인 위치에 제1-1 서브 질화물 반도체층이 배치되고, Z3' ~ Z4'인 위치에 제1-2 서브 질화물 반도체층이 배치되고, Z5' ~ Z6'인 위치에 제1-3 서브 질화물 반도체층이 배치되고, Z7' ~ Z8'인 위치에 제1-4 서브 질화물 반도체층이 배치되고, Z9' ~ Z10'인 위치에 제1-5 서브 질화물 반도체층이 배치되고, Z11' ~ Z12'인 위치에 제1-6 서브 질화물 반도체층이 배치된다. 제1-1 내지 제1-6 서브 질화물 반도체층의 두께는 모두 동일할 수 있지만, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.In addition, the first sub-nitride semiconductor layer including the first component (ie, X or Y is not 0) may include the 1-1 to 1-6 sub-nitride semiconductor layers. The 1-1 sub-nitride semiconductor layer is disposed at the position where Z is Z1' to Z2', the 1-2 sub-nitride semiconductor layer is disposed at the position Z3' to Z4', and the position Z5' to Z6' is The 1-3 sub-nitride semiconductor layers are arranged, the 1-4 sub-nitride semiconductor layers are arranged at positions Z7' to Z8', and the 1-5 sub-nitride semiconductor layers are arranged at positions Z9' to Z10' And the 1-6th sub-nitride semiconductor layers are disposed at positions Z11' to Z12'. The thicknesses of the 1-1 to 1-6 sub-nitride semiconductor layers may all be the same, but embodiments are not limited thereto.
제1 및 제2 서브 질화물 반도체층이 도 9에 예시된 바와 같은 두께를 가질 경우, 모든 제1 및 제2 서브 질화물 반도체층의 제1 구성 성분의 함량비의 평균치는 제1 질화물 반도체층(130)으로부터 양극(120)으로 갈수록 증가할 수 있다. 즉, 평균치가 도 6a 내지 도 6c에 도시된 증가 변화(152, 154, 156)에 수렴하도록, 제1 및 제2 서브 질화물 반도체층의 두께는 결정될 수 있다.When the first and second sub-nitride semiconductor layers have the thickness as illustrated in FIG. 9, the average value of the content ratio of the first component of all the first and second sub-nitride semiconductor layers is the first nitride semiconductor layer 130 ) To the
이때, 도 9에 도시된 바와 같이, 복수의 제1 서브 질화물 반도체층에 포함된 제1 구성 성분의 함량비(X, Y)는 일정한 값(k')을 가지며 균일할 수 있다.In this case, as shown in FIG. 9, the content ratios (X, Y) of the first constituent components included in the plurality of first sub-nitride semiconductor layers may have a constant value (k') and may be uniform.
이하, 제1 질화물 반도체층(130)과 양극(120) 사이에 제2 질화물 반도체층이 배치되고, 제2 질화물 반도체층(140)의 제1 구성 성분의 함량비가 제1 경계(I1)로부터 제2 경계(I2)로 갈수록 증가하는 전술한 실시 예에 의한 전력 반도체 소자(100)가 도 1a 및 도 2a에 도시된 기존의 전력 반도체 소자(10A, 10B)보다 우수한 특성을 가짐에 대해 첨부한 도면을 참조하여 다음과 같이 설명한다.Hereinafter, a second nitride semiconductor layer is disposed between the first
도 10a 및 도 10b는 도 1a에 도시된 기존의 전력 반도체 소자(10A)가 역 바이어스 및 순 바이어스될 때의 에너지 밴드 다이어그램을 각각 나타낸다. 여기서, Ec는 전도 대역(conduction band)의 에너지 레벨을 나타낸다. 여기서, q는 전하량을 나타내고, φb는 쇼트키 장벽(schottky barrier)을 나타낸다.10A and 10B show energy band diagrams when the conventional
도 10a를 참조하면, 기존의 전력 반도체 소자(10A)는 역 바이어스 조건에서, n- GaN층(9)과 쇼트키 전극(11) 사이의 경계에서 강한 전계(164)가 야기된다. n- GaN층(9)은 많은 스크류 결함(screw dislocation)(162)을 가질 수 있으며, 전자가 쇼트키 전극(11)으로부터 전위(162)로 화살표(166)로 표기한 바와 같이 진입하여, 도 1b에 화살표(22)로 표시한 바와 같이 큰 누설 전류가 야기될 수 있다.Referring to FIG. 10A, in the conventional
도 10b를 참조하면, 기존의 전력 반도체 소자(10A)는 순 바이어스 조건에서, 전자(168)의 화살표 방향(170)으로의 흐름은 쇼트키 장벽(φb)에 의해서만 제한되므로 도 1b에 도시된 바와 같이 순 바이어스 턴 온 전압은 도 2b와 비교할 때 상대적으로 크지 않다. 여기서, qφb는 예를 들어, 1.0 eV일 수 있다.Referring to FIG. 10B, in the conventional
도 11a 및 도 11b는 도 2a에 도시된 기존의 전력 반도체 소자(10B)가 역 바이어스 및 순 바이어스될 때의 에너지 밴드 다이어그램을 각각 나타낸다. 여기서, Ec, q 및 φb는 도 10a 및 도 10b에서 전술한 바와 같다.11A and 11B show energy band diagrams when the conventional
도 11a를 참조하면, 기존의 전력 반도체 소자(10B)는 역 바이어스 조건에서, InGaN층(13)과 쇼트키 전극(11) 사이의 경계에서의 전계(172)는 실질적으로 감소하여 도 10a와 비교할 때 상대적으로 작다. 따라서, InGaN층(13)과 쇼트키 전극(11) 사이의 경계의 전계에 의존하는 스크류 결함(174)을 통해 흐르는 전류는 도 10a와 비교할 때 실질적으로 감소한다.Referring to FIG. 11A, in the conventional
그러나, 도 11b를 참조하면, 기존의 전력 반도체 소자(10B)는 순 바이어스 조건에서, 쇼트키 장벽(φb)에 전도 대역 에너지 장벽(176)이 부가되어, InGaN층(13)과 n- GaN층(9) 사이의 경계(178)에서 전도 대역의 에너지 장벽이 매우 커지게 된다. 이로 인해, 전자(180)가 쇼트키 전극(11)으로 이동하기 위해서는 높은 에너지 장벽을 넘어야 하므로, 순 바이어스 턴 온 전압이 도 2b에 화살표(26)로 표시한 바와 같이 증가하게 되는 문제점이 있다. 여기서, qφb는 예를 들어, 0.8 eV이고, 부가되는 에너지 장벽(176)은 0.62 eV이며, 전자(180)가 넘어야 하는 총 에너지 장벽은 1.42eV일 수 있다.However, referring to FIG. 11B, in the conventional
도 12a 및 도 12b는 도 3에 도시된 실시 예의 전력 반도체 소자(100)가 역 바이어스 및 순 바이어스될 때의 에너지 밴드 다이어그램을 각각 나타낸다. 여기서, Ec, q 및 φb는 도 10a 및 도 10b에서 전술한 바와 같다.12A and 12B show energy band diagrams when the
실시 예의 전력 반도체 소자(100)는 함량비가 제1 경계(I1)로부터 제2 경계(I2)로 갈수록 증가하는 제1 구성 성분을 갖는 제2 질화물 반도체층(140)이 양극(120)과 제1 질화물 반도체층(130) 사이에 배치되어 있다. 따라서, 도 12a를 참조하면, 역 바이어스 조건에서, 제2 질화물 반도체층(140)과 양극(120) 사이의 경계에서의 전계(182)는 실질적으로 감소되어 도 10a와 비교할 때 상대적으로 작다. 따라서, 이 전계(182)에 의존하며 스크류 결함(184)을 통해 흐르는 누설 전류는 도 1a(또는, 도 10a)와 비교할 때 상대적으로 작다.In the
또한, 도 12b를 참조하면, 실시 예의 전력 반도체 소자(100)는 순 바이어스 조건에서, 쇼트키 장벽(φb)에 부가되는 전도 대역 에너지 장벽(186)이 도 11b에 도시된 에너지 장벽(176)보다 상대적으로 작다. 그러므로, 도 11b와 비교할 때 전자(188)가 양극(120)을 향해 상대적으로 이동하기 쉬워 순 바이어스 턴 온 전압(Vf3)이 도 2b에 순 바이어스 턴 온 전압(Vf2)보다 낮아진다. 여기서, qφb는 예를 들어, 0.8 eV이고, 부가되는 에너지 장벽(186)은 0.38 eV로서 전자(188)가 넘어야 하는 총 에너지 장벽은 1.18eV로서 도 10b의 경우보다 크지만 도 11b의 경우보다 작음을 알 수 있다.Further, referring to FIG. 12B, in the
한편, 도 12b에서 부가되는 에너지 장벽(186)이 도 11b에 도시된 에너지 장벽(176)보다 작은 이유는 다음과 같다.Meanwhile, the reason why the
첫 번째 사유로서, 도 2a에 도시된 InGaN층(13)에서 In의 함량비가 고정되어 있기 때문에, 모든 분극 전하는 InGaN층(13)과 n- GaN층(9)의 경계에 위치하고, 전계는 이 경계 지점에서 불연속적으로 변한다. 또한, InGaN층(13)에서의 전계는 변하지 않고 일정하다. 반면에, 본 실시 예에서와 같이 제2 질화물 반도체층(140)에 포함된 제1 구성 성분(예: In, Al)의 함량비(예:X, Y)가 제1 경계(I1)로부터 제2 경계(I2)로 증가하기 때문에, 분극 전하는 제2 질화물 반도체층(140)의 전체에 걸쳐서 균일하게 위치하게 되고, 제2 질화물 반도체층(140) 내에서 전계는 연속하여 변할 수 있다.As a first reason, since the content ratio of In in the
두 번째 사유로서, 전도 대역의 에너지의 불연속성은 실시 예의 경우 제2 질화물 반도체층(140)의 개재로 인해 펴진다.As a second reason, the energy discontinuity in the conduction band is unfolded due to the interposition of the second
이하, 제1 질화물 반도체층(130)은 GaN으로 구현되고, 제2 질화물 반도체층(140)은 InXGa(1-X)N으로 구현될 경우, 기존의 전력 반도체 소자(10A, 10B)와 실시 예의 전력 반도체 소자(100)의 전류-전압 특성을 다음과 같이 비교하여 살펴본다.Hereinafter, when the first
도 13은 기존의 전력 반도체 소자(10A, 10B)와 본 실시 예에 의한 전력 반도체 소자(100)의 순 바이어스 전류-전압 특성(202, 206, 204)을 각각 비교하여 나타내는 그래프이다.13 is a graph showing a comparison between the conventional
도 13의 횡축은 반도체 소자(10A, 10B, 100)에 인가되는 전압 즉, 양극(120)과 음극(110) 사이에 인가되는 순 바이어스 전압(Vac)을 나타내고, 종축은 전류 밀도(current density)를 나타낸다. 여기서, 참조부호 '202'는 도 1a에 도시된 전력 반도체 소자(10A)의 전류-전압 특성을 나타내고, 참조부호 '206'은 도 2a에 도시된 전력 반도체 소자(10B)의 전류-전압 특성을 나타내고, 참조부호 '204'는 도 3에 도시된 전력 반도체 소자(100)의 전류-전압 특성을 나타낸다.The horizontal axis of FIG. 13 represents the voltage applied to the
도 13을 참조하면, 실시 예에 의한 전력 반도체 소자(100)의 순 바이어스 턴 온 전압(Vf3)은 기존의 전력 반도체 소자(10A)의 순 바이어스 턴 온 전압(Vf1)보다 크지만, 기존의 다른 전력 반도체 소자(10B)의 순 바이어스 턴 온 전압(Vf2)보다 작음을 알 수 있다.Referring to FIG. 13, the forward bias turn-on voltage Vf3 of the
도 14a 내지 도 14c는 전력 반도체 소자(10A, 10B, 100)가 역 바이어스된 상황에서 에너지 대역을 비교하여 나타내는 그래프들로서, Ec는 전도 대역의 에너지 레벨을 나타내고, Ev는 가전자 대역(valence band)의 에너지 레벨을 나타내며, m은 쇼트키 전극(11)(또는, 양극(120))으로부터 오믹 전극(5)(또는, 음극(110))으로의 거리를 나타낸다. 즉, 쇼트키 전극(11)(또는, 양극(120))이 배치된 지점에서 m=0이 된다.14A to 14C are graphs showing energy bands compared in a situation in which the
도 1a에 도시된 오믹 전극(5)과 쇼트키 전극(11)에 -300볼트의 역 바이어스 전압이 인가될 때, 도 14a에 도시된 바와 같이 m=0 부근에서 전계는 매우 크게 형성됨을 알 수 있다. 이때, 전계(E)(m=0)는 다음 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.It can be seen that when a reverse bias voltage of -300 volts is applied to the
여기서, V는 전력 반도체 소자(10A)에 인가되는 전압을 나타내고, ND는 n- GaN층(9)에 포함된 도너(donor) 이온의 밀도를 나타내고,εr은 n- GaN층(9)의 비유전율(relative permittivity)을 나타내고, ε0은 진공(free space)에서의 유전율을 나타낸다.Here, V represents the voltage applied to the
도 2a에 도시된 오믹 전극(5)과 쇼트키 전극(11)으로 -300볼트의 역 바이어스 전압이 인가될 때, 도 14b에 도시된 바와 같이 m=0 부근에서의 전계는 도 14a와 비교할 때 상대적으로 낮음을 알 수 있다. 이때, 전계는 다음 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.When a reverse bias voltage of -300 volts is applied to the
여기서, V는 전력 반도체 소자(10B)에 인가되는 전압을 나타내고, PS는 도 2a에 도시된 InGaN층(13)과 n- GaN층(9)의 경계에서의 면 분극 전하를 나타낸다.Here, V represents the voltage applied to the
도 3에 도시된 양극(120)과 음극(110)에 -300볼트의 역 바이어스 전압이 인가될 때, 도 14c에 도시된 바와 같이 m=0 부근에서의 전계는 낮음을 알 수 있다. 이때, 전계는 다음 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.When a reverse bias voltage of -300 volts is applied to the
여기서, V는 전력 반도체 소자(100)에 인가되는 전압을 나타내고, P는 InXGa(1-X)N층(140)에서의 체적 편극 전하를 나타내고, m1은 InXGa(1-X)N층(140)의 두께를 나타낸다.Here, V represents the voltage applied to the
도 15는 기존의 전력 반도체 소자(10A, 10B)와 본 실시 예에 의한 전력 반도체 소자(100)의 역 바이어스 전류-전압 특성(212, 214)을 각각 비교하여 나타내는 그래프로서, 횡축은 전력 반도체 소자(10A, 10B, 100)의 양극과 음극 사이에 인가되는 역 바이어스 전압(Vac)을 나타내고, 종축은 전류 밀도를 나타낸다. 여기서, 참조부호 '212'는 도 1a에 도시된 전력 반도체 소자(10A)의 전류-전압 특성을 나타내고, 참조부호 '214'는 도 2a 및 도 3에 도시된 전력 반도체 소자(10B, 100)의 전류-전압 특성을 나타낸다.15 is a graph showing a comparison of the conventional
도 15를 참조하면, 실시 예에 의한 전력 반도체 소자(100)의 역 바이어스 누설 전류(214)는 기존의 전력 반도체 소자(10A)의 누설 전류(212)보다 작고, 기존의 다른 전력 반도체 소자(10B)의 누설 전류와 동일함을 알 수 있다.Referring to FIG. 15, the reverse
또한, 전술한 전력 반도체 소자는 다양한 분야 예를 들면 광 검출기(photodetector), 가스 센서(gas sensor), 액체 센서(liquid sensor), 압력 센서(pressure sensor), 압력 및 온도 같은 다기능 센서(multi-function sensor), 전력 스위칭 트랜지스터(power switching transistor), 마이크로파 트랜지스터(microwave transistor), 전력 변환기(power converter) 등의 전력 반도체 회로에 적용될 수 있다.In addition, the power semiconductor device described above is a multi-function sensor such as a photodetector, a gas sensor, a liquid sensor, a pressure sensor, and pressure and temperature in various fields, for example. sensor), a power switching transistor, a microwave transistor, and a power converter.
이하, 전술한 실시 예에 의한 전력 반도체 소자를 포함하는 전력 변환기의 구성 및 동작을 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 설명한다.Hereinafter, the configuration and operation of the power converter including the power semiconductor device according to the above-described embodiment will be described with reference to the accompanying drawings.
도 16은 실시 예에 의한 전력 반도체 소자의 회로도를 나타낸다. 여기서, Vdc는 직류 공급 전압을 나타낸다.16 is a circuit diagram of a power semiconductor device according to an embodiment. Here, Vdc represents the DC supply voltage.
도 16에 도시된 전력 반도체 소자는 프리 휠(freewheel) 다이오드(300) 및 IGBT(Isulated Gate Bipolar Transistors)(400) 및 수동 소자로서 인턱터(L)를 포함한다.The power semiconductor device shown in FIG. 16 includes a
도 16에 도시된 프리 휠 다이오드(300)는 pn 다이오드(D)나 SBD로서 동작하도록 기능적으로 분리되며, 분리된 기능을 선택할 수 있도록 게이트(Gate)를 갖는다. 이러한 다이오드(300)를 게이트 제어 다이오드(gate controlled diode)라고도 한다. 여기서, SBD는 전술한 도 3에 도시된 전력 반도체 소자에 해당할 수 있다.The
게이트 제어 다이오드(300)는 전도 상태에서 pn 다이오드(D)로서 동작하고 역 방향 상태에서 SBD인 것처럼 동작하여 2가지의 타입을 최대한 활용한다.The
게이트 제어 다이오드(300)와 직렬 연결되는 IGBT(400)의 게이트는 IGBT(400)가 턴 온되기 바로 직전까지는 턴 오프 상태를 유지하고, 게이트 제어 다이오드(300)의 게이트는 pn 다이오드(D)로부터 SBD로 스위칭하기 위해 전도 상태가 되도록 턴 온되어 역 방향 상태를 준비한다.The gate of the
IGBT(400)의 게이트가 턴 온 상태일 때 쇼트키 다이오드는 이미 전도 상태이기 때문에, 축적된 전하량은 pn 다이오드(D) 경우의 전하량보다 매우 적다. 그러므로, 역방향 전류가 감소될 수 있다. 또한, IGBT(400)가 턴 오프되기 바로 전에, 게이트 제어 다이오드(300)의 게이트는 SBD로부터 pn 다이오드(D)로 스위칭하여 전도 상태에서 순방향 전압을 줄이도록 한다. 턴 온된 이후에 그리고 IGBT(400)가 다시 턴 온되기 바로 전에, pn 다이오드(D)는 도전 상태가 되고, 도전 상태는 pn 다이오드(D)로부터 SBD로 스위칭된다. 전술한 동작은 반복적으로 수행된다.When the gate of the
게이트 제어 다이오드(300)와 IGBT(400)를 구동시키기 위해, 게이트 구동 회로(미도시)가 더 배치될 수 있다. 게이트 구동 회로는 게이트 제어 다이오드(300)에 공급될 게이트 제어 신호(VGA)를 발생하여 pn 다이오드(D)로부터 SBD로 게이트를 스위칭시킨다. 또한, 게이트 구동 회로는 게이트 제어 신호(VGE)를 발생하여 IGBT(400)로 출력한다.In order to drive the
즉, 게이트 제어 다이오드(300)를 통해 전류가 순방향으로 흐를 때 적어도 pn 다이오드(D)는 동작하고, 게이트 제어 다이오드(300)가 역 방향을 회복할 때 SBD가 주로 동작하도록 게이트 구동 회로는 이들(300, 400)를 제어한다.That is, when current flows through the
이상에서 실시 예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시 예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시 예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The embodiments have been described above, but these are only examples and do not limit the present invention, and those of ordinary skill in the field to which the present invention belongs are not illustrated above within the scope not departing from the essential characteristics of the present embodiment. It will be seen that various modifications and applications are possible. For example, each component specifically shown in the embodiment can be modified and implemented. And differences related to these modifications and applications should be construed as being included in the scope of the present invention defined in the appended claims.
100: 전력 반도체 소자 110: 음극
120: 양극 130: 제1 질화물 반도체층
132: 제1-1 질화물 반도체층 134, 134A, 134B: 제1-2 질화물 반도체층
140, 140A, 140B, 140C: 제2 질화물 반도체층100: power semiconductor element 110: cathode
120: anode 130: first nitride semiconductor layer
132: 1-1
140, 140A, 140B, 140C: second nitride semiconductor layer
Claims (22)
상기 음극 위에 배치되는 제1 질화물 반도체층;
상기 제1 질화물 반도체층 위에 배치되는 양극; 및
상기 제1 질화물 반도체층과 상기 양극 사이에서 상기 제1 질화물 반도체층과 상기 양극에 각각 접하여 배치되는 제2 질화물 반도체층을 포함하고,
상기 제2 질화물 반도체층은,
인듐(In) 또는 알루미늄(Al)으로 이루어진 제1 구성 성분을 포함하는 복수의 제1 서브 질화물 반도체층 및 상기 제1 구성 성분을 포함하지 않는 복수의 제2 서브 질화물 반도체층이 교대로 반복되어 배치되고,
상기 복수의 제1 서브 질화물 반도체층의 두께는 상기 제1 질화물 반도체층에 가깝게 배치될수록 얇고 양극에 가깝게 배치될수록 두껍고, 상기 복수의 제2 서브 질화물 반도체층의 두께는 일정한 전력 반도체 소자.cathode;
A first nitride semiconductor layer disposed on the cathode;
An anode disposed on the first nitride semiconductor layer; And
And a second nitride semiconductor layer disposed between the first nitride semiconductor layer and the anode in contact with the first nitride semiconductor layer and the anode, respectively,
The second nitride semiconductor layer,
A plurality of first sub-nitride semiconductor layers containing a first constituent made of indium (In) or aluminum (Al) and a plurality of second sub-nitride semiconductor layers not containing the first constituent are alternately arranged and repeated Become,
The thickness of the plurality of first sub-nitride semiconductor layers is thinner when disposed closer to the first nitride semiconductor layer and thicker when disposed closer to an anode, and the thickness of the plurality of second sub-nitride semiconductor layers is constant.
상기 제1 질화물 반도체층과 상기 제2 질화물 반도체층의 구성 성분은 서로 동일하고, 상기 제1 질화물 반도체층은 AlGaN을 포함하고, 상기 제2 질화물 반도체층은 Al을 상기 제1 구성 성분으로서 포함하고 GaN을 제2 구성 성분으로서 포함하는 전력 반도체 소자.The method of claim 1, wherein the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer have different components, the first nitride semiconductor layer contains GaN, and the second nitride semiconductor layer contains In. Contains as a constituent and GaN as a second constituent, or
Constituent components of the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer are the same, the first nitride semiconductor layer contains AlGaN, the second nitride semiconductor layer contains Al as the first component, A power semiconductor device containing GaN as a second component.
상기 전력 반도체 소자와 전기적으로 연결되는 수동 소자를 포함하는 전력 반도체 회로.The power semiconductor element according to any one of claims 1 and 2; And
A power semiconductor circuit comprising a passive device electrically connected to the power semiconductor device.
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