KR20100043889A - 질화계 이종접합 전계효과 트랜지스터 제조방법 - Google Patents
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Abstract
질화계 이종접합 전계효과 트랜지스터 제조방법이 개시된다. 기판의 상면에 버퍼층을 형성하는 단계; 버퍼층의 상면에, 도핑 되지 않은 제1 GaN층을 성장시키는 단계; 성장된 제1 GaN층에 불순물을 주입하여 어닐링(annealing) 시키는 단계; 및 제1 GaN층의 상면에 채널층을 형성하는 단계를 포함하는 질화계 이종접합 전계효과 트랜지스터 제조방법은, 결정성을 개선하는 동시에, DC와 RF의 전기적 특성을 크게 향상시킨 질화물계 이종접합 전계효과 트랜지스터를 제조할 수 있다.
이종접합 전계효과 트랜지스터(hetero-junction field effect transistor: HFET), Ar 이온, 어닐링
Description
본 발명은 질화계 이종접합 전계효과 트랜지스터 제조방법에 관한 것이다.
최근에 이종접합 전계효과 트랜지스터(hetero-junction field effect transistor: HFET)는 고주파수, 고출력 전기소자로서의 요구에 만족하도록 질화물계 화합물 반도체로 제조되고 있다. 일반적으로, 질화물 반도체는 Si 또는 GaAs와 같은 통상의 반도체재료에 비해, 넓은 에너지 밴드갭과, 높은 열적, 화학적 안정도 및 높은 전자포화속도를 가지므로, 광소자뿐만 아니라 고주파, 고출력 전기소자로 널리 적용되고 있다.
상기 질화물계 이종접합 전계효과 트랜지스터는 높은 항복전계(약 3×106 V/㎝), 높은 전자포화속도(약 3×107 ㎝/sec) 및 높은 열적/화학적 안정도 등의 다양한 장점을 갖는다. 또한, 상기 질화물계 전계효과 트랜지스터에 구현되는 AlGaN/GaN의 이종접합구조는 접합계면의 큰 밴드불연속성에 기인하여 높은 농도의 전자가 유기될 수 있으므로, 전자이동도를 보다 향상시킬 수 있다.
도 1에는 종래의 질화물계 이종접합 전계효과 트랜지스터의 기본 구조가 예시되어 있다. 도 1을 참조하면, 종래의 질화물계 이종접합 전계효과 트랜지스터(HFET)는 저온버퍼층(2)이 형성된 사파이어 기판(1)을 구비하며, 버퍼층(12) 상에는 반절연 또는 고저항 GaN층(3)과 AlGaN층(4)이 형성된다. 상기 AlGaN층(4) 상면의 양단에는 소스(5)와 드레인전극(7)이 형성되고, 그 사이에 게이트전극(6)이 제공된다.
이러한 HFET구조에서, 상이한 밴드갭을 갖는 GaN층(3)과 AlGaN층(4)의 이종접합에 의해 2차원 전자가스(2DEG)층이 형성된다. 여기서, 게이트전극(6)에 신호가 입력되면, 2DEG층에 의해 채널이 형성되어 소스(5)와 드레인전극(7)간에 전류가 도통될 수 있다.
GaN층(3)은 도핑 되지 않은 GaN층으로 형성되며, 사파이어 기판(1)을 향한 누설전류를 방지하고 소자간의 분리를 위해서 비교적 높은 저항을 갖는 것이 바람직하다.
하지만, 보다 높은 저항을 갖도록 형성하기 위해서, GaN층(3)은 비교적 많은 결함을 포함하게 되고, 결과적으로 결정성이 감소될 수 밖에 없어 불순물 도핑 없이 결함에 의한 캐리어농도가 증가되며 높은 이동도를 보장하기 어려운 문제가 있다.
본 발명은 결정성을 향상시키고, 이를 기반하여 전기적 특성이 우수해진 질화물계 이종접합 전계효과 트랜지스터 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 기판의 상면에 버퍼층을 형성하는 단계; 버퍼층의 상면에, 도핑 되지 않은 제1 GaN층을 성장시키는 단계; 성장된 제1 GaN층에 불순물을 주입하여 어닐링(annealing) 시키는 단계; 및 제1 GaN층의 상면에 채널층을 형성하는 단계를 포함하는 질화계 이종접합 전계효과 트랜지스터 제조방법을 제공할 수 있다.
채널층을 형성하는 단계는, 제1 GaN층의 상면에 도핑 되지 않은 제2 GaN층을 성장시키는 단계; 및 제2 GaN층의 상면에 AlGaN층을 성장시키는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.
불순물은 Ar 이온 또는 Fe 이온일 수 있으며, 버퍼층은 질화알루미늄(AlN)막 또는 질화갈륨(GaN)막으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 결정성을 개선하는 동시에, HFET소자의 DC와 RF의 전기적 특성을 크게 향상시킨 질화물계 이종접합 전계효과 트랜지스터를 제조할 수 있다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명에 따른 질화계 이종접합 전계효과 트랜지스터 제조방법의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하 고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화계 이종접합 전계효과 트랜지스터 제조방법을 나타내는 순서도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 질화계 이종접합 전계효과 트랜지스터 제조방법에 의해 제조된 질화계 이종접합 전계효과 트랜지스터를 나타내는 단면도이다. 도 3을 참조하면, 기판(10), 버퍼층(20), 불순물이 주입된 GaN층(30), 도핑 되지 않은 GaN층(40), AlGaN층(50), 소스(source, 60), 게이트(gate, 70), 드레인(drain, 80)이 도시되어 있다.
먼저, 기판(10)의 상면에 버퍼층(20)을 형성한다(S110). 기판(10)은 대표적으로 사파이어 기판(10)일 수 있으나, 이에 한정되지 않으며 SiC와 같은 이종기판 또는 질화물기판과 같은 동종기판 등의 공지된 질화물 성장용 기판일 수 있다.
버퍼층(20)은 전술한 기판(10)과 후출할 GaN층 사이의 격자상수 차이를 보상하기 위한 수단으로서, 기판(10) 위에 AlN, GaN 등을 저온에서 성장시키는 방법으로 형성될 수 있다. 이 외에도, 필요에 따라 다양한 공지의 방법을 이용하여 버퍼층(20)을 형성할 수 있음은 물론이다.
이때, 버퍼층(20)은 질화갈륨 박막의 성장을 돕기 위해 개재되는 것이므로, 대략 200 ~ 400 Å 정도로 얇게 형성시키면 족하다.
그리고 나서, 버퍼층(20)의 상면에, 도핑 되지 않은 제1 GaN층을 성장시킨다(S120). 결정성을 확보하기 위하여, 제1 GaN층이 성장하는 중에는 불순물이 혼입되지 않도록 하는 것이다. 제1 GaN층을 성장시키기 위하여 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)법, HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)법 등의 기상 성장법 또는 MBE(Molecular Beam Epitaxy)법 등을 이용할 수 있다.
그 다음, 성장된 제1 GaN층에 불순물 이온을 주입하여 어닐링(annealing)한다(S130). 불순물이 혼입되지 않는 환경 하에서 제1 GaN층을 성장시켜 결정성을 확보한 다음, 별도의 공정을 통해 제1 GaN층에 불순물 이온을 주입하여 어닐링(annealing) 공정을 수행함으로써, 높은 저항 값을 확보할 수도 있게 된다. 주입되는 불순물 이온으로는 아르곤(Ar) 이온과 철(Fe) 이온, 탄소(C) 이온 등을 들 수 있다. 도 3의 참조번호 30은 불순물 이온이 주입된 제1 GaN층을 나타낸다.
제1 GaN층에 불순물 이온을 주입하기 위하여 이온주입법(ion implantation)을 이용한다. 이온주입법은 불순물 반도체를 만드는 방법 중 하나로서, 목적하는 불순물을 이온으로 하고, 수십~수백 keV로 가속한 을 만들어서 반도체의 기판에 주입하는 방법을 이용한다. 불순물 이온을 주입하면, 불순물 이온에 의해서 기판의 결정(結晶) 속에 결함이 생기는데, 적당한 를 하면 결함은 없어지고 불순물이 (結晶格子) 속에 넣어진다. 이러한 이온주입법은 진공 속 또는 실온(室溫) 상태에서도 수행될 수 있는 장점이 있다.
이상의 공정을 통해 결정성 및 높은 저항 값을 모두 확보한 다음, 제1 GaN층(30)의 상면에 채널층을 형성한다(S140). 채널층을 형성하기 위하여, 제1 GaN(30)층을 재성장 시키는 방식으로, 제1 GaN(30)층의 상면에 도핑 되지 않은 제2 GaN층(40)을 성장시킨 다음(S142), 제2 GaN층(40)의 상면에 AlGaN층(50)을 성장시키는 방법을 이용할 수 있다(S144).
이 때, AlGaN층(50) 상면의 양단에는 소스(60)와 드레인(80)이 형성되고, 그 사이에는 게이트(70)가 제공된다. 이러한 HFET 구조에서, 상이한 밴드갭을 갖는 도핑 되지 않은 제2 GaN층(40)과 AlGaN층(50)의 이종접합에 의해 2차원 전자가스층(미도시)이 형성된다.
한편, 본 실시예에서는 채널층으로서, 제1 GaN층(30)의 상면에 형성된 제2 GaN층(40) 및 AlGaN층(50)을 제시하였으나, 필요에 따라 채널층의 구조 및 재질을 변경할 수도 있음은 물론이다.
이상에서 설명한 본 실시예에 따르면, 불순물이 혼입되지 않는 환경 하에서 제1 GaN층을 성장시켜 결정성을 확보한 다음, 별도의 공정을 통해 제1 GaN층에 아르곤(Ar) 이온과 같은 불순물을 주입하여 어닐링(annealing) 공정을 수행함으로써, 높은 저항 값을 확보할 수도 있게 되어, 제품의 신뢰도가 향상되는 효과를 기대할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
전술한 실시예 외의 많은 실시예들이 본 발명의 특허청구범위 내에 존재한다.
도 1은 종래기술에 따른 질화계 이종접합 전계효과 트랜지스터를 나타내는 단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화계 이종접합 전계효과 트랜지스터 제조방법을 나타내는 순서도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 질화계 이종접합 전계효과 트랜지스터 제조방법에 의해 제조된 질화계 이종접합 전계효과 트랜지스터를 나타내는 단면도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10: 기판
20: 버퍼층
30: 불순물이 주입된 GaN층
40: 도핑 되지 않은 GaN층
50: AlGaN층
60: 소스(source)
70: 게이트(gate)
80: 드레인(drain)
Claims (4)
- 기판의 상면에 버퍼층을 형성하는 단계;상기 버퍼층의 상면에, 도핑 되지 않은 제1 GaN층을 성장시키는 단계;이온주입법(ion implantation)을 이용하여 상기 성장된 제1 GaN층에 불순물 이온을 주입하고, 어닐링(annealing) 시키는 단계; 및상기 제1 GaN층의 상면에 채널층을 형성하는 단계를 포함하는 질화계 이종접합 전계효과 트랜지스터 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 채널층을 형성하는 단계는,상기 제1 GaN층의 상면에 질화갈륨(GaN)막을 재성장시켜 도핑 되지 않은 제2 GaN층을 형성하는 단계; 및상기 제2 GaN층의 상면에 AlGaN층을 성장시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화계 이종접합 전계효과 트랜지스터 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 불순물 이온은 아르곤(Ar) 이온, 탄소(C) 이온, 또는 철(Fe) 이온인 것 을 특징으로 하는 질화계 이종접합 전계효과 트랜지스터 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 버퍼층은 질화알루미늄(AlN)막 또는 질화갈륨(GaN)막으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화계 이종접합 전계효과 트랜지스터 제조방법.
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