KR20010052773A - 반절연성 탄화규소 기판 상의 질화물 기반 트랜지스터 - Google Patents

반절연성 탄화규소 기판 상의 질화물 기반 트랜지스터 Download PDF

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Abstract

고전자이동도 트랜지스터(HEMT)는, 반절연성 탄화규소 기판, 상기 기판 상의 질화알루미늄 버퍼층, 상기 버퍼층 상의 절연성 질화갈륨층, 상기 질화갈륨층 상의 질화알루미늄갈륨의 활성 구조, 상기 질화알루미늄갈륨 활성 구조 상의 패시베이션층, 상기 질화알루미늄갈륨의 활성 구조에 접하는 각각의 소스, 드레인 및 게이트 접촉부를 포함한다.

Description

반절연성 탄화규소 기판 상의 질화물 기반 트랜지스터 {NITRIDE BASED TRANSISTORS ON SEMI-INSULATING SILICON CARBIDE SUBSTRATES}
본 발명은 고전력, 고온 및 고주파수의 적용에 알맞은 반도체 재료로 형성되는 트랜지스터에 관한 것이다. 반도체에 관하여 잘 알려진 바와 같이, 실리콘(Si) 및 비소화갈륨(GaAs)과 같은 재료가 저전력 및 저주파수(실리콘의 경우)에 적용하기 위한 반도체 소자에 광범위하게 사용된다. 그러나, 상기의 반도체 재료는 상대적으로 좁은 밴드갭(bandgap)(예를 들면, 실내 온도에서 Si: 1.12 e V, GaAs: 1.42 e V) 및 상대적으로 낮은 항복 전압 때문에 원하는 정도까지 고전력 고주파수에 적용하지 못했다.
따라서, 고전력 고온 및 고주파수 적용과 소자에 있어서, 탄화규소(실내 온도에서 알파 SiC: 2.996 e V)와 3족 질화물(예를 들면, 실내 온도에서 GaN: 3.36 e V)와 같은 넓은 밴드갭 반도체 재료에 관심을 가져왔다. 이러한 재료는 비소화갈륨 및 실리콘에 비하여 좀 더 높은 전계 항복전압(electric field breakdown strengths) 및 전자 포화 속도(electron saturation Velocities)를 갖는다.
특별한 관심을 갖는 소자는 변조 첨가 전계 효과 트랜지스터(modulation doped field effect transistor; MODFET)로 잘 알려진 고전자이동도 트랜지스터(HEMT)이다. 상기 소자는, 2차원 전자 개스(2 dimensional electron gas; 2DEG)가 상이한 밴드갭 에너지를 가진 2개의 반도체 재료의 헤테로접합(heterojunction)으로 형성되고, 여기서 좁은 밴드갭 재료는 더 높은 전자 친화력을 가지기 때문에 많은 환경에서의 동작에서 장점을 제공한다. 상기 2DEG는 첨가되지 않은 상태의 좁은 밴드갭 재료의 누적층(accumulation layer)이며 대략 1012내지 1013캐리어/㎠ 의 매우 높은 시트 전자농도를 포함할 수 있다. 또한, 첨가된 넓은 밴드갭 반도체에서 발생한 전자는 2DEG로 전달되어, 저감된 이온 불순물 분산에 기인한 고전자이동을 할 수 있도록 한다.
높은 캐리어 농도와 높은 캐리어 이동성의 이러한 결합으로 고주파수에 사용하는 금속 반도체 전계 효과 트랜지스터(metal-semiconductor field effect transistor; MESFET)에 비하여, HEMT는 아주 큰 도전성과 강한 성능상의 장점을 갖는다.
질화갈륨/질화갈륨알루미늄(GaN/AlGaN) 재료 시스템에서 제조되는 HEMT는, 앞에서 언급한 높은 항복 영역, 넓은 밴드갭, 큰 전도대 오프셋(conduction band offset) 및 높은 포화 전자 드리프트 속도(saturated electron drift Velocity)를 포함하는 재료 특성의 독특한 결합 때문에, 대량의 무선 주파수 전력(RF power)을 발생시키는 잠재력을 가진다. 2DEG에서의 전자 대부분은 AlGaN에서 가상 응력(pseudomorphic strain)에 기여한다.[P.M.Asbeck 등의 Electornics Letters, Vol.33, No.14, pp.1230-1231(1997)과 E.T.Yu 등의 Applied Physics Letters, Vol.71, No,19, pp.2794-2796(1997)을 참조]
Khan 등에게 부여된 미국 특허 제5,192,987호 및 제5,296,395호(두 특허는 부출원과 분할출원의 관계임)에 개시된 GaN/AlGaN 시스템의 HEMT는 버퍼 및 기판 상에 AlGaN과 GaN 사이의 헤테로접합으로 형성되는 HEMT를 기술하고 있다. 다른 소자는 Gaska 등의 "High Temperature Performance of AlGan/GaN HFET's on SiC Substrates," 가 IEEE Electron D e Vice Letters, Vol.18, No.10, October 1997, 492페이지에, Ping 등의 "DC and Microwa Ve Performance of High-Current AlGan/GaN Heterostructure Field Effect Transitor Grown on P-type SiC substrates," 가 IEEE Electron D e Vice Letters, Vol.19, No.2, February 1998, 54페이지에 기술되어 있다. 이러한 소자들 중의 일부는 67 ㎓의 높은 fT를나타내며(K.Chu 등, WOCSE mmAD, Monterey, CA, February 1998), 10 ㎓에서 2.84 W/m 까지 고전력 밀도를 나타낸다(G.Sulli Van 등,"High-Power 10- ㎓ Operation of AlGaN HFET's in Insulating SiC," IEEE Electron D e Vice Letters, Vol.19, No.6, June 1998, 198 페이지 및 Wu 등,IEEE Electron D e Vice Letters, Vol.19, No.2, February 1998, 50페이지 참조).
이러한 발전에도 불구하고, 상기의 결과에 대응하는 게이트 주변의 장치들이 너무 빈약하여 고효율 및 이와 결부된(associated) 고이득을 가진 전체적으로 막대한 양의 마이크로파(microwave) 전력을 생산할 수 없었다. 따라서, 상기 소자는 실용적인 관점보다는 학문적인 경향이 있었다.
이러한 유형의 고전력 반도체 소자는 마이크로파 주파수 범위에서 동작하고 RF 통신 네트워크 및 레이더 응용에 사용되며, 복잡도 및 이에 따른 셀룰러폰 기지국 송신기(celluar phone base station transmitters)의 가격을 크게 낮추는 잠재력이 있다. 고전력 마이크로파 반도체 소자의 다른 잠재력은 종래 마이크로파 오븐의 상대적으로 값이 비싼 튜브 및 변환기를 대체하고, 위성 송신기의 수명을 증가시키며, 개인 통신 시스템 기지국 송신기의 효율을 개선하는 것을 포함한다.
따라서, 고주파수 고전력 반도체 기반 마이크로파 소자에 대한 계속적인 개선의 여지가 남아 있다.
[발명의 목적]
따라서, 본 발명의 목적은 3족 질화물의 전자적 특성을 이용하여 그 밖의 현존하는 관련 소자보다 우수한 방식으로 고전자이동도 트랜지스터(HEMT)를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 반절연성(semi-insulating) 탄화규소 기판, 상기 기판 상의 질화알루미늄, 버퍼층 상의 절연성 질화갈륨, 상기 질화갈륨층 상의 질화알루미늄갈륨의 활성구조, 상기 질화알루미늄갈륨 활성 구조 상의 패시베이션층(passi Vation layer) 및 질화알루미늄갈륨 활성구조에 접촉하는 각각의 소스, 드레인, 게이트를 포함하는 HEMT를 제공한다.
본 발명의 전술한 그리고 다른 목적 및 장점과 이들을 달성하는 방법이 첨부 도면과 결합하여 기술되는 이후의 발명의 상세한 설명에 기초하여 더욱 명료해질 것이다.
본 발명은 고주파수 트랜지스터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 질화물 기반 활성층 및 탄화규소 기판을 통합하는 고전자이동도 트랜지스터(high electron mobility transistor; HEMT)에 관한 것이다. 본 발명은 U.S. Army Research Laboratory Contact No.DAAL01-96-C-3604 하에 개발되었다. 미 정부가 본 발명의 일정한 권리를 가질 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 트랜지스터의 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 전류 전압(I V) 특성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 다른 트랜지스터의 2개가 한 쌍인 소신호 특성도이다.
도 4는 본 발명에 따른 또다른 트랜지스터의 이득 대 전력 스윕(sweep) 결과도이다.
본 발명의 HEMT의 전체적인 구조가 도 1의 단면도에서 도면부호 10으로 도시되어 있다. 트랜지스터(10)는 바람직한 실시예에서 4H 폴리타입(4H polytype) 탄화규소를 포함하는 반절연성 탄화규소(SiC) 기판(11)을 포함한다. 다른 탄화규소 후보군으로는 3C, 6H 및 15R 폴리타입이 있다. "반절연성(semi-insulating)"이란 용어는 절대적인 의미보다는 기술적으로 사용되며 일반적으로 실내온도에서 1×105Ω-㎝ 이상의 저항을 가진 탄화규소 결정 격자를 인용하는데 사용한다. 발명이 속하는 기술분야의 일부에서는 저항을 "절연"으로 인용하기도 하지만, 당업자는 인용되는 특성을 인식할 것이다.
질화알루미늄 버퍼층(12)은 기판(11) 상에 있고 탄화규소 기판과 트랜지스터의 나머지 부분 사이에 적절한 결정 구조 천이를 제공한다. 탄화규소는 3족 질화물 소자용으로 매우 일반적인 기판 재료인 사파이어(Al2O3) 보다 3족 질화물 정합에 더 가까운 결정 격자를 갖는다. 상기의 더 가까운 격자 정합으로 인해 일반적으로 사파이어에 사용되는 것보다 양질의 3족 질화막(nitride films)을 갖는다. 아마도 아주 중요하게는, 또한 탄화규소는 매우 높은 열전도성을 가져서 탄화규소 상의 3족 질화물 소자의 전체 출력 전력은 사파이어 상에 형성되는 동일 소자의 경우보다 기판의 열손실(thermal dissipation)에 의해 제한되지 않는다. 또한, 반절연성 탄화규소 기판의 유용성은 소자 분리절연에 대한 정전용량을 제공하고, 상업용 소자에 적합하게 동작할 수 있도록 하는 감소된 기생 정전용량(parasitic capacitance)을 제공한다.
여기서 사용한 대로, "3족 질화물"은 질소와 주기율표의 3족 원소, 보통 알루미늄(Al), 갈륨(Ga) 및 인듐(In) 사이에 형성되는 반도체 화합물을 말한다. 또한 "3족 질화물"은 AlGaN 및 AlInGaN 과 같은 3원 및 제3 화합물을 말한다. 당업자에게 잘 알려진 바와 같이, 3족 원소는 질소와 결합하여 2원(예,GaN), 3원(예,AlGaN) 및 3차(AlInGaN) 화합물을 형성한다. 이러한 화합물은 모두 질소 1몰이 3족 원소 1몰 전체와 결합하는 실험식을 가진다. 따라서, AlxGa1-xN(여기서, 1＞x＞0)은 상기의 화합물을 언급하는데 종종 사용된다.
적절한 SiC 기판은 본 발명의 양수인인 North Carolina 주, Durham의 Cree 0Research,Inc.로부터 구입 가능하고, SiC 기판의 생산 방법은 Nos.Re.34,861; 미국 특허 제4,946,546호, 제5,200,022호를 포함하지만 이에 한정되지 않는 많은 특허와 과학 문헌에 개시되어 있다. 유사하게 3족 질화물의 에피택시얼 성장 기술은 합리적으로 잘 발전되어 왔으며, 적절한 과학 문헌과 일반적으로 미국특허 제 5,210,051호, 제5,393,993호, 제5,523,589호 및 제5,292,501호에 보고되어 있다.
다음, HEMT(10)는 질화알루미늄 버퍼층(12) 상에 절연성 질화갈륨층(13)을 포함한다. 상기 질화갈륨층은 100 내지 5000Å 사이의 두께를 가질 수 있는 질화알루미늄 버퍼층(12) 보다 훨씬 더 두껍다(대략 전체 1 내지 2 ㎛). 질화갈륨층(13)은 전자 캐리어 농도가 1015전자/㎤ 이하가 되도록 성장하여 관심있는 고주파수 응용에 충분하게 절연을 한다.
다음, 본 발명의 HEMT(10)는 층(13,14)들 사이의 경계면(interface)에서의 전도대(conduction band)에 에너지 오프셋(energy offset)을 생성하도록 질화갈륨층(13) 상에 브래킷(14)으로 나타낸 활성층을 포함한다. 상기 밴드 오프셋은 자유 전자가 체류할 수 있는 좁은 포텐셜 웰(potential well)을 생성하고, 그 결과 고전자 농도의 매우 얇은 시트(sheet), 즉 소자의 성능 특성을 제공하는 2차원 전자 개스(2DEG)를 형성한다. 당업자가 인식하는 바와 같이, 상기 효과는 매우 얇은 채널을 가진 MESFET 과 유사하다.
가장 바람직한 실시예에서, AlGaN부(14)는 질화갈륨층(13) 상의 제1 비첨가 AlGaN(15), 제1 비첨가층(15) 상의 도전 첨가(conductively doped)(바람직하게는 n 형) AlGaN(16), 도전 첨가 AlGaN(16) 상의 제2 비첨가 AlGaN층(17)으로 형성되는 3층 구조를 포함한다. 제2 가능 실시예에서, 3개의 AlGaN층(15,16,17) 모두는 의도적으로 비첨가이다. 유사하게, 층(15)은 InGaN 또는 AlInGaN으로 형성될 수 있고, 결과로 만들어지는 소자는 본 명세서에서 기술되는 특징 및 장점을 가질 것이라고 예상된다.
3족 질화물 시스템에서 헤테로구조의 아주 중요한 속성은 AlGaN/GaN HEMT의 고성능에 필수불가결하다. 층(13,14)사이의 밴드 오프셋에 기인한 전자의 축적외에, 자유 전자의 전체 수가 GaN층(13)에 비하여 AlGaN부(14)에서의 가상 응력에 의해 크게 제고된다. 국부적인 압전 효과 때문에 상기 응력은 강화된 전계를 일으키고, 응력이 존재하지 않은 경우에 가능한 것 보다 더 높은 전자 농도를 생기게 한다. 2DEG에서 결과로 만들어지는 시트 전자 농도는 대략 1013전자/㎠ 이다.
소스, 드레인 및 게이트(도 1에서 20,21,22) 각각의 접촉부(contact)는 질화알루미늄갈륨 활성부(14)로 만들어지고, 바람직한 실시예에서는 비첨가 AlGaN층(17)으로 만들어진다. 게이트 접촉부는 여전히 동작 가능한 소자와 함께 AlGaN의 첨가 부분에 직접 배치될 수 있다고 이해되겠지만, 비첨가 AlGaN층(17)은 또한 배리어층(barrier layer)으로 인용되며, 트랜지스터 정류(Schottky) 게이트 접촉부의 특성을 개선한다.
도 1에서, 소자를 전류 방향을 따라 단면으로 도시한다. 전자는 소스 접촉부로부터 AlGaN/GaN 경계면에서 매우 도전된 2DEG를 통하여 드레인 접촉부로 흐른다. 게이트 전극에 인가된 전압은 게이트 아래의 2DEG에서 직접 전자의 수를 정전기적으로 제어하고, 따라서 소스로부터 드레인으로의 전체적인 전자 흐름을 제어한다. 게이트 길이(LG), 게이트와 소스간 공간(gate-to-source spacing; LGS), 게이트와 드레인간 공간(gate-to-drain spacing; LGD)은 보통 마이크로미터(미크론) 단위로 나타내는 중요한 치수이다. 전류(페이지에서는 정상인)와 직각을 이루는 HEMT 차원은 소자 폭 또는 게이트 주변으로 인용되며 이후 밀리미터(㎜) 단위로 기술된다.
유사하게, 제1 비첨가 AlGaN층(15)은 첨가층(16)의 좌측 후방의 분산 중심으로부터 2DEG에서의 자유 전자를 분리하는 공간층을 제공하고, 따라서 전체적으로 전자 이동도를 통제하는 이러한 분산 중심으로부터 웰의 전자를 분리함으로써 전자 이동도를 개선한다.
본 발명에 따라 질화알루미늄갈륨 활성부(14) 상에 패시베이션층(23)을 포함할 경우 특히 양호한 성능 특성을 갖게 된다. 도 1에 도시한 바와 같이, 패시베이션층(23)은 소스, 드레인 및 게이트 접촉부(20, 21, 22)의 직접 접촉부를 덮는(cover)하는 것이 바람직하고, 거기에 열린 창을 구비하여 패시베이션층(23)으로부터 연장하는 각각의 유선 결합(wire bond)(24, 25, 26)을 통하여 연결하도록 한다. 비록 본 출원이 어떤 특별한 이론에 얽매이기를 원하거나 의도하지는 않았지만, 정류 금속 접촉부를 구비한 고주파수 소자의 표면에서 무한한 화학적 결합이 충전 상태를 생성할 수 있고 이것은 MESFET의 채널 또는 HEMT의 2DEG에서 흐르는 전자의 비율을 트래핑(trapping)함으로써 소자의 고장을 발생시킨다. 본 발명의 패시베이션층(23)은 이러한 그리고 유사한 문제를 최소화하거나 제거하는 것같다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 소스와 드레인 접촉부(20, 21)는 티타늄, 알루미늄 및 니켈의 합금으로 형성되는 것이 바람직하고 정류 게이트 접촉부는 티타늄, 플라티늄, 크로마늄, 티타늄과 텅스텐의 합금 및 규화플라티늄(platinum silicide)으로 구성되는 그룹으로부터 선택하는 것이 바람직하다. 특히 바람직한 실시예에서, 저항 접촉부(ohmic contacts)는, 니켈, 실리콘 및 티타늄의 개별층을 증착한 후 어닐링(annealing)함으로써 형성되는 합금으로 만들어진다. 이러한 합금 시스템은 알루미늄을 제거하기 때문에, 어닐링 온도가 알루미늄의 융점(660℃)을 초과할 경우 소자 표면에 걸쳐 원하지 않은 알루미늄 오염을 피한다.
패시베이션층(23)은 질화규소(Si3N4) 및 이산화규소(SiO2)로 구성되는 그룹으로부터 선택하는 것이 바람직하며, 질화규소가 특히 바람직하다. 패시베이션층(23)은 저압 또는 플라즈마 강화 화학 기상 증착(low pressure or plasma enhanced chemical Vapor deposition; LPCVD 또는 PECVD)으로 형성할 수 있다.
상기 소자의 당업자에게 잘 알려진 바와 같이, 질화알루미늄갈륨 3원 화합물은 실험식 AlxGa1-xN에 따라 형성되고 여기서 x는 0 보다 크고 1 보다 작다(1＞x＞0). 본 발명에서, x의 값은 AlGaN층(15,16,17) 각각에 대하여 동일하거나 상이할 수 있고, 바람직한 실시예에서, x의 값은 실험식이 Al0.15Ga0.85N이 되도록 0.15이다. 이러한 관점에서, 알루미늄의 더 높은 몰분율(더 높은 x)은 더 나은 시트 전하를 제공하지만 결정의 질을 낮추고 성장시키기가 더 어렵다. 따라서, 결정의 문제나 과도 전류의 문제가 없다면 알루미늄의 몰분율을 가능한 한 높게 선택하는 것이 바람직하다. 현재는 약 0.1 내지 0.5 사이의 알루미늄 몰분율이 바람직한 것으로 고려된다.
본 발명에 따른 소자는 현재까지 소개한 그 밖의 소자보다 나은, 극히 고성능을 특징으로 한다. 특히, 본 발명에 따른 HEMT는 밀리미터당 최소 2 W(watt)의 측정 출력 전력과 2 ㎜ 소자에 대해 최소 4 W의 전체 출력 전력으로 특징지어진다. 소자의 모델링은 밀리미터 당 4 내지 5 W 사이의 출력 전력을 상기 소자로부터 얻을 수 있다고 예상됨을 나타내는데, 이것은 40 ㎜ 소자를 사용하리라 예상되고 160 내지 200 W 만큼의 전체 출력 전력을 생산하리라 예상할 수 있기 때문이다.
그러나, HEMT 소자의 최대폭은 주파수 사양인데, 더 폭이 넓은 소자는 낮은 주파수로 제한되고, 폭이 좁은 소자는 높은 주파수에 필요하다. 예를 들면, 10 ㎓에서 20 ㎜가 소자의 최대폭이고, 반면에 3 ㎓에서는 소자는 약 50 내지 60 ㎜의 폭을 가진다.
따라서, 다른 면에서, 본 발명은 반절연성 GaN 기판과 도 2나 도 3 또는 도 4의 성능 특성을 특징으로하는 GaN 및 AlGaN 사이의 헤테로접합을 포함하는 고전자이동도 트랜지스터로 표현될 수 있다.
도 2 내지 도 4의 설명
도 2 내지 도 4는 본 발명에 따른 HEMT의 많은 특징을 도시한다. 도 2는 게이트 길이(Lg)가 0.45 ㎛, 게이트 소스간 거리(Lgs)가 1 ㎛ 및 게이트 드레인간 거리(Lgd)가 1.5 ㎛인 1 ㎜ 소자의 출력 특성을 도시한다. 게이트 스윕은 2 V의 게이트 전압에서 시작하여 점차 1 V 씩 감소하여 도 2의 특성 곡선군을 출력한다. 도 2에 도시한 바와 같이, -2.0 V의 게이트 전압에서, 전류는 효과적으로 차단된다. 도 3은 2개의 상이한 변수의 도면인데, 1 내지100 ㎓의 주파수를 고려한 단락 회로 전류 이득의 절대값(｜h21｜) 및 최대 허용 이득(데시벨 크기)이다. 도 3의 주파수 척도는 로그이다. 트랜지스터 차원이 도 3에 나열되어 있고 본 발명에 따른 0.125 ㎜ HEMT를 도시한다. 도 3에 도시한 바와 같이, 동작의 단일 이득 주파수(fT)는 h12의 절대값이 0 ㏈인 지점에서 정해진다. -6 ㏈/옥타브 직선으로 추정하여, fT의 추정값은 약 28 ㎓이다.
도 4는 본 발명에 따른 1.5 ㎜ HEMT에 대하여 10 ㎓ 전력 스윕에 기초한 특성을 도시한다. 드레인 전압은 32 V였으며 도 4는 출력 전력(output power), 전력 증가 효율(power added efficiency; PAE) 및 이득(Gain)을 도시한다. 트랜지스터의 차원을 도 4에 도시한다. 입력 전력은 도 4의 수평축을 형성한다.
실험예
본 발명에 있어서, 반절연성 4H 탄화규소 기판 상에 제조되는 GaN/AlGaN HEMT는 10 ㎓에서 4 W CW(2.0 W/ ㎜)의 전체 출력 전력과 전력 증가 효율 29% 및 이와 결부된 10 ㏈ 이득을 가진 2 ㎜게이트 폭(16×125 ㎛)으로부터 -1 ㏈ 이득 압축을 나타낸다. 현재까지, 이것은 X 밴드에서 3족 질화물 HEMT에 개시된 가장 높은 전체 전력과 이와 결부된 이득을 나타낸다.
도 1에 도시한 바와 같이, 에피층(epilayer) 구조는 AlN 버퍼층, 2 ㎛의 비첨가 GaN 및 27㎚의 Al0.14Ga0.86N으로 이루어져 있다. 상기 AlGaN 캡(cap)은 5㎚의 비첨가 공간층, 12㎚의 도우너층(donor layer) 및 10㎚ 비첨가 배리어층을 가진다. 소자의 절연 분리는 메사 식각(mesa etching)으로 이루어진다. 저항 접촉부는 900℃에서 어닐링되는 Ti/Al/Ni 접촉부였다. 직경 35 ㎜ SiC 웨이퍼에 있어서, 접촉부 저항과 시트 저항은 각각 0.36 Ω㎜ 및 652 Ω/㎟ 였으며, 넓은 면적에 걸쳐 양질의 2DEG를 나타낸다.
도 2는 LG= 0.45, LGS= 1.0 및 LGD= 1.5 ㎛인 폭 1 ㎜ HEMT의 전형적인 특성을 도시한다. VGS= +2 V에서 도달되는 피크 전류는 680 ㎃/ ㎜이고, 200 mS/ mm의 VGS=-0.5 V 근처의 최대 외인성 상호컨덕턴스는 이러한 소자의 뛰어난 전류 조절 능력을 보여준다. 상기 소자의 특성은 125 ㎛에서 2 ㎜까지의 범위로 모든 게이트 폭에 대하여 적절히 축척되었다. 도 3은 VDS= 20 V 이고 Vgs= -1 V에서 0.35 ㎛ 소자의 소신호 이득 측정(small signal gain measurements)(Δ=｜h21｜ 및 0= MAG)을 나타낸다. 추정 단일 이득 주파수(fT)는 28 ㎓였다. 최대 허용 이득(Maximum A Vailabe Gain; MAG)은 네트워크 분석기의 최대 주파수까지 높게 유지되었다. 35 ㎓이하의 데이터로부터 추출한 소신호 파라미터는 전력 이득(도 3의 점선)을 모델링하는데 사용되고, fMAX의 측정값은 114 ㎓이다.
웨이퍼 상의 로드 풀(load-pull) 측정은 32 V의 드레인 바이어스와 10 ㎓에서 수행하였다. 도 4는 LG= 0.45, LGS= 1.0 및 LGD= 1.5 ㎛인 1 ㎜ HEMT의 전력 스윕을 도시한다. 약 12 ㏈의 선형 이득은 22 ㏈m의 입력 전력까지 유지되었다. 3.54 W의 전체 RF 전력(2.37 W/ mm), 28.3%의 PAE 및 이와 결부된 11 ㏈ 이득을 단지 1 ㏈의 압축으로 달성하였다. 1 내지 2 mm 사이 범위의 다른 대소자의 샘플링은 1 ㏈ 압축에 대하여 2 W/ mm 이상 또는 2 W/ mm에서 전력 밀도를 나타내었고, 여기서 일부 2 mm 소자는 4 W에서 동작하였다. 1.5 mm HEMT에 대한 웨이퍼 상에서 측정한 가장 높은 전력은 10 ㎓와 2 ㏈ 이득 압축에서 3.9 W(2.6 W/ mm)였다. 상기 소자는 압축시험 중에 기능이 저하되지 않았고 이전의 고전력 측정장치로서의 동일한 성능으로 돌아갔음을 유의하여야 한다.
도면과 명세서에서, 본 발명의 전형적인 실시예를 도시하였고, 비록 명세서의 용어들이 사용되기는 했지만, 이들은 일반적이고 기술적인 의미로만 사용되었지 제한을 위한 것이 아니며, 본 발명의 범위를 다음의 청구범위에 개시한다.

Claims (19)

  1. 반절연성 탄화규소 기판;
    상기 기판 상의 질화알루미늄 버퍼층;
    상기 버퍼층 상의 절연성 질화갈륨층;
    상기 질화갈륨층 상의 질화알루미늄갈륨의 활성 구조;
    상기 질화알루미늄갈륨 활성 구조 상의 패시베이션층; 및
    상기 질화알루미늄갈륨 활성 구조에 접촉하는 각각의 소스, 드레인 및 게이트 접촉부
    를 포함하는 고전자이동도 트랜지스터(HEMT).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 질화알루미늄갈륨 활성 구조가
    상기 질화갈륨 절연층 상의 제1 비첨가 질화알루미늄갈륨층;
    상기 비첨가 질화알루미늄층 상의 도전 첨가 질화알루미늄갈륨층; 및
    상기 도전 첨가 질화알루미늄갈륨층 상의 제2 비첨가 질화알루미늄갈륨층을 포함하는 HEMT.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 패시베이션층이 상기 제2 비첨가 질화알루미늄층 상에 있고 ;
    상기 질화알루미늄갈륨 활성 구조가 비첨가 질화알루미늄갈륨층을 포함하며 ; 및
    상기 패시베이션층이 이산화규소 및 질화규소(silicon nitride)로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 HEMT.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기판이 4H 폴리타입 탄화규소 및 105Ω㎝ 이상의 벌크 저항성(bulk resistivity)을 갖는 HEMT.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 소스 및 드레인 접촉부가 티타늄, 알루미늄 및 니켈의 합금, 또는 티타늄, 실리콘 및 니켈의 합금으로 이루어지고; 및
    상기 정류 게이트 접촉부가 티타늄, 플라티늄, 크로뮴, 티타늄과 텅스텐의 합금 및 규화플라티늄(platinum silicide)으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 HEMT.
  6. 반절연성 탄화규소 기판;
    2개의 상이한 3족 질화물 반도체 재료 사이에 헤테로접합 구조; 및
    상기 헤테로접합 구조 및 상기 기판 사이의 질화알루미늄 버퍼층
    을 포함하는 HEMT.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 헤테로접합이 질화알루미늄갈륨(AlGaN)과 질화갈륨(GaN)의 인접층으로 이루어지고;
    상기 질화갈륨층이 비첨가되며; 및
    상기 AlGaN층이 상기 GaN층 상의 상기 제1 비첨가 AlGaN층; 상기 제1 비첨가 AlGaN층 상의 도우너 첨가 AlGaN층; 및 상기 도우너 첨가 AlGaN층 상의 제2 비첨가 AlGaN층으로 형성되는 HEMT.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 질화알루미늄 버퍼층이 상기 기판 상에 있고 상기 질화갈륨층이 상기 버퍼층 상에 있는 HEMT.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 HEMT의 소스 및 드레인을 한정하는 상기 활성층에 접하는 저항 접촉부; 및
    상기 HEMT의 게이트를 한정하는 상기 활성층에 접하는 정류 접촉부를 추가로 포함하는 HEMT.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 소스 및 드레인 접촉부가 티타늄, 실리콘 및 니켈의 합금으로 이루어지는 HEMT.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 게이트 및 상기 정류 접촉부와 상기 헤테로접합 상의 패시베이션층을 추가로 포함하며, 상기 패시베이션층이 질화규소 및 이산화규소로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 HEMT.
  12. 반절연성 탄화규소 기판과 GaN 및 AlGaN 사이의 헤테로접합을 포함하고, 도 2, 도 3, 도 4의 성능 특성으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 성능 특성을 특징으로 하는 HEMT.
  13. 반절연성 탄화규소 기판;
    2개의 상이한 3족 질화물 반도체 재료 사이의 헤테로접합 구조;
    상기 트랜지스터의 소스, 게이트, 드레인 부분 각각을 한정하는 상기 헤테로접합 재료에 접하는 저항 접촉부; 및
    상기 헤테로접합 재료의 상부 표면 및 상기 저항 접촉부의 최소한의 부분을 덮는 패시베이션층을 포함하는 HEMT.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 패시베이션층이 질화규소 및 이산화규소로 구성되는 그룹으로부터 선택되고;
    상기 헤테로접합이 AlGaN 및 GaN의 인접층으로 이루어지며; 및
    상기 HEMT가 상기 기판과 상기 헤테로접합 구조 사이에 질화알루미늄 버퍼층을 추가로 포함하는 HEMT.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 질화갈륨층이 비첨가되고;
    상기 AlGaN층이 상기 GaN층 상의 제1 비첨가 AlGaN층; 상기 제1 비첨가 AlGaN층 상의 도우너 첨가 AlGaN층; 및 상기 도우너 첨가 AlGaN층 상의 제2 비첨가 AlGaN층으로 형성되는 HEMT.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 3개의 AlGaN층 모두가 알루미늄과 갈륨의 동일한 몰분율을 갖는 HEMT.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 3개의 AlGaN층 중에서 적어도 2개가 알루미늄과 갈륨의 상이한 몰분율을 갖는 HEMT.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 질화알루미늄 버퍼층이 상기 기판 상에 있고 상기 질화갈륨층이 상기 버퍼층 상에 있는 HEMT.
  19. 제13항에 있어서,
    상기 저항 접촉부가 티타늄, 알루미늄 및 니켈의 합금으로 이루어지고, 상기 정류 게이트 접촉부가 티타늄, 플라티늄, 크로뮴, 티타늄과 텅스텐의 합금 및 규화플라티늄으로 구성되는 그룹으로부터 선택되고; 및
    상기 소스 및 드레인 접촉부가 티타늄, 실리콘 및 니켈의 합금으로 이루어지는 HEMT.
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