KR20110084709A - 질화물계 이종접합 전계효과 트랜지스터 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 측면에 따른 질화물계 이종접합 전계효과 트랜지스터는, 상면에 꼬깔 형태의 볼록 패턴(patterns)이 형성된 사파이어 기판; 상기 사파이어 기판 상에 형성된 질화물계 버퍼층; 상기 질화물계 버퍼층 상에 형성된 반절연성 GaN층; 및 상기 반절연성 GaN층 상에 형성된 AlGaN층을 포함한다.
Description
본 발명은 이종접합 전계효과 트랜지스터(Heterojunction field-effect transistor, 간단히, HFET 라고도 함)에 관한 것으로, 특히 질화물 반도체로 형성된 이종접합 전계효과 트랜지스터와 그 제조 방법에 관한 것이다.
최근 전세계적으로 정보통신 기술의 급격한 발달로 인하여 초고속, 대용량의 신호 전송을 위한 통신 기술이 급속도록 발달되고 있다. 특히 무선통신기술에서 개인 휴대폰, 위성통신, 군사용 레이더, 방송통신, 통신용 중계기 등의 수요가 점점 확대됨에 따라 마이크로파와 밀리미터파 대역의 초고속 정보통신 시스템에 필요한 고속 및 고전력 전자소자에 대한 요구가 증가되고 있다.
GaN계 질화물 반도체는 에너지갭이 크고 높은 열적 및 화학적 안정도, 높은 전자 포화속도(~3×107 cm/sec) 등의 뛰어난 물성을 갖고 있어서, 광소자뿐만 아니라 고주파, 고출력용 전자소자로의 응용이 용이하며 이에 대해 국제적으로 활발히 연구되고 있다. 특히, GaN계 질화물 반도체를 이용한 전자소자는 높은 항복전계(~3×106 V/cm) 및 최대 전류 밀도, 안정된 고온 동작, 높은 열전도도 등의 다양한 장점을 갖고 있다. AlGaN/GaN의 이종접합 구조를 이용한 HFET 소자는 이종접합의 계면에서 밴드 불연속(band-discontinuity)이 크기 때문에 계면에 높은 농도의 전자가 유기될 수 있어 전자이동도를 더욱 높일 수 있다. 특히, 서로 다른 밴드갭을 가진 물질의 이종접합(예컨대, AlGaN/GaN)의 계면을 따라 2차원 전자가스(2-Dimensional Electron Gas, 2-DEG)가 유도되어 전자의 이동속도, 전력밀도 등 소자 특성이 기존의 MOSFET에 비하여 향상된다. 이와 같이 AlGaN과 GaN 사이에 유도된 2-DEG이 채널 역할을 수행한다. 또한 GaN 박막은 표면 탄성파 속도가 크고 온도 안정성이 우수하며 압전 특성의 분극작용의 효과를 얻을 수 있어서 GHz 이상의 주파수에서 동작가능한 밴드패스필터로의 제작이 용이하다.
GaN계 질화물 반도체는 주로 유기 금속 기상증착(metal-organic chemical vapor deposition: MOCVD)법과 분자선 에피택시(molecular beam epitaxy: MBE)법을 이용하여 사파이어 기판 위에 성장시킨다. 그러나 사파이어 기판과 GaN계 질화물 반도체는 격자상수 및 열팽창 계수 차이가 크기 때문에 단결정의 성장이 매우 어려우며, 사파이어 기판 상에서 질화물 반도체 박막 성장시 많은 결함이 존재하게 된다.
도 1은 종래의 질화물계 HFET의 단면도이다. 도 1을 참조하면, HFET(10)는 사파이어 기판(11) 상에 순차 형성된 GaN계 저온 버퍼층(12), 반절연성(semi-insulating) GaN층(13) 및 고농도 AlGaN층(14)을 포함한다. AlGaN층(14) 상에는 게이트(15), 소스(16) 및 드레인(17)이 배치되어 있다. 이러한 기존의 질화물계 HFET 구조에서는, 사파이어(11)와 GaN계 질화물 반도체 사이의 격자 상수 차이 및 열팽창 계수 차이로 인해 전위(dislocation)과 같은 결함을 많이 포함하고 있다. 도 2는 상술한 기존 구조를 갖는 질화물계 HFET의 TEM 사진이다. 도 2에 나타난 바와 같이, HFET 내에는 많은 전위(DL) 결함이 존재한다. 이러한 전위 결함으로 인해 결정 품질 저하로 질화물계 HFET의 전기적 특성이 저하된다.
본 발명의 실시형태는 전위 등의 결함이 적고 전기적 특성이 개선된 질화물계 이종접합 전계효과 트랜지스터를 제공한다. 또한, 본 발명의 실시형태는 전위 등의 결함이 적고 전기적 특성이 개선된 질화물계 이종접합 전계효과 트랜지스터를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따른 질화물계 이종접합 전계효과 트랜지스터는, 상면에 꼬깔 형태의 볼록 패턴(patterns)이 형성된 사파이어 기판; 상기 사파이어 기판 상에 형성된 질화물계 버퍼층; 상기 질화물계 버퍼층 상에 형성된 반절연성 GaN층; 및 상기 반절연성 GaN층 상에 형성된 AlGaN층을 포함한다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 반절연성 GaN층은, 상기 버퍼층 상에 형성되며 Mg, Fe, C 중 적어도 하나가 도핑된 GaN층을 포함할 수 있다. 상기 반절연성 GaN층은, 상기 도핑된 GaN층과 상기 AlGaN층 사이에 형성된 언도프 GaN층을 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 반절연성 GaN층은 상기 버퍼층과 상기 도핑된 GaN층 사이에 형성된 언도프 GaN층을 더 포함할 수 있다. 상기 질화물계 버퍼층은 저온 GaN 버퍼층일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 질화물 반도체 이종접합 전계효과 트랜지스터의 제조 방법은 사파이어 기판 상면에 꼬깔 형태의 볼록 패턴(patterns)을 형성하는 단계; 상기 꼬깔 형태의 볼록 패턴이 형성된 상기 사파이어 기판 상면에 질화물계 버퍼층을 형성하는 단계; 상기 질화물계 버퍼층 상에 반절연성 GaN층을 형성하는 단계; 및 상기 반절연성 GaN층 상에 AlGaN층을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 반절연성 GaN층을 형성하는 단계는, 상기 버퍼층 상에 Mg, Fe, C 중 적어도 하나가 도핑된 GaN층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 반절연성 GaN층을 형성하는 단계는, 상기 도핑된 GaN층을 형성하는 단계와 상기 AlGaN층을 형성하는 단계 사이에서 상기 도핑된 GaN층 상에 언도프 GaN층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 또한 상기 반절연성 GaN층을 형성하는 단계는, 상기 버퍼층을 형성하는 단계와 상기 도핑된 GaN층을 형성하는 단계 사이에 상기 버퍼층 상에 언도프 GaN층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 질화물계 버퍼층을 형성하는 단계는 저온 GaN 버퍼층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 질화물계 버퍼층을 형성하는 단계에서, 상기 꼬깔 형태의 패턴 사이의 영역에서 질화물이 선택적으로 성장하여 ELOG(epitaxial lateral overgrowth)로 과성장할 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 전위와 같은 결함이 감소되어 질화물 반도체의 결정 품질이 우수하고 트랜스 컨덕턴스와 같은 소자 특성이 우수한 질화물계 이종접합 전계효과 트랜지스터를 얻게 된다.
도 1은 종래의 질화물계 HFET의 단면도이다.
도 2는 종래예의 질화물계 HFET의 GaN층의 TEM 사진이다.
도 3은 본 발명의 실시형태에 따른 질화물계 이종접합 전계효과 트랜지스터(HFET)의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 질화물계 HFET의 단면도이다.
도 5는 꼬깔 형태의 볼록 패턴이 형성된 사파이어 기판 표면 상에서 저온 GaN 버퍼층을 성장시키는 공정을 단계 순서별로 나타낸 평면도 SEM 사진이다.
도 6은 실시예의 질화물계 HFET에서 꼬깔 형태의 볼록 패턴과 그 위에 성장된 GaN층의 TEM 사진이다.
도 7은 종래예에 따른 질화물계 HFET와 실시예의 질화물계 HFET에서 사파이어 기판 상에 성장된 GaN 물질에 대한 XRD 실험 결과를 나타내는 그래프이다.
도 2는 종래예의 질화물계 HFET의 GaN층의 TEM 사진이다.
도 3은 본 발명의 실시형태에 따른 질화물계 이종접합 전계효과 트랜지스터(HFET)의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 질화물계 HFET의 단면도이다.
도 5는 꼬깔 형태의 볼록 패턴이 형성된 사파이어 기판 표면 상에서 저온 GaN 버퍼층을 성장시키는 공정을 단계 순서별로 나타낸 평면도 SEM 사진이다.
도 6은 실시예의 질화물계 HFET에서 꼬깔 형태의 볼록 패턴과 그 위에 성장된 GaN층의 TEM 사진이다.
도 7은 종래예에 따른 질화물계 HFET와 실시예의 질화물계 HFET에서 사파이어 기판 상에 성장된 GaN 물질에 대한 XRD 실험 결과를 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 3은 본 발명의 실시형태에 따른 질화물계 이종접합 전계효과 트랜지스터(HFET)의 단면도이다. 도 3을 참조하면, 질화물계 HFET(100)는 사파이어 기판(101)과, 그 위에 순차 형성된 질화물계 버퍼층(102), 언도프 GaN층(103), Mg, Fe 및 C 중 적어도 하나로 도핑된 GaN층(104), 언도프 GaN층(105) 및 고농도 n형의 AlGaN층(106)을 포함한다. 질화물계 버퍼층(102)은 저온 버퍼층으로 형성될 수 있고 특히 저온 GaN 버퍼층일 수 있다. AlGaN층(106) 상에는 게이트(108), 소스(107) 및 드레인(109)을 배치되어 있다. 언도프 GaN층(105), 도핑된 GaN층(104) 및 언도프 GaN층(103)은 반절연성 GaN층(110)을 이루며 이 반절연성 GaN층(110)과 AlGaN층(106)은 그 계면에서 AlGaN/GaN의 이종접합에 의한 큰 밴드갭 불연속으로 2차원 전자가스(2-DEG)가 형성된다. 이 2-DEG이 질화물계 HFET(100)의 채널 역할을 할 수 있다. Mg 등으로 도핑된 GaN층(104)의 아래에 배치된 언도프 GaN층(103)은 생략될 수도 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 사파이어 기판(101)은 그 상면에 다수의 꼬깔 모양(또는 원뿔 모양) 볼록 패턴(patterns)이 형성되어 있다. 이 꼬깔 형태의 볼록 패턴(101a)은 사파이어 기판(101)의 표면이 형성하는 표면 패턴 또는 모폴로지에 해당한다. 이러한 꼬깔 형태의 볼록 패턴(101a)에 의해 사파이어 기판(101) 위에 성장된 질화물계 반도체 물질(110, 106)은 전위(dislocation) 등 결함이 적은 양질의 결정 품질을 갖는다. 후술하는 바와 같이 꼬깔 형태의 볼록 패턴(101a)에서는 C-면(C-plane)을 갖고 있지 않기 때문에 꼬깔 부분에서는 GaN 물질이 성장하지 않는다. 따라서, 버퍼층(102) 성장시, 질화물계 물질이 패턴(101a)들 사이의 영역에서 선택적으로 성장되고 측방향으로 과성장되어 꼬깔 형태의 볼록 패턴(101a) 전체를 덮도록 성장된다. 이러한 선택적 측방향 과성장(Epitaxial Lateral Overgrowth, ELOG)이 질화물계 물질(102, 110, 106) 내 전위 결함 밀도를 줄여주어 HFET 소자의 결정성이 향상된다. 이와 같은 결정성 향상으로 인해 HFET(100)의 트랜스 컨턱턴스 특성이 향상된다.
도 3을 참조하면, 반절연성 GaN층(110)은 Mg, Fe 또는 C가 도핑된 GaN층(104) 상에 형성된 언도프 GaN층(105)을 포함한다. 이러한 언도프 층을 추가로 구비함으로써 AlGaN층(106)과의 이종접합을 이루는 질화물 반도체 부분은 더 높은 결정성을 가질 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 질화물계 HFET의 단면도이다. 도 4의 질화물계 HFET(100')에서는, Mg, Fe 또는 C가 도핑된 GaN층(104)이 AlGaN층(106)과 이종접합을 이루어 그 계면 부근에서 2-DEG의 채널을 형성한다. 본 실시형태는 도 3의 HFET(100)에서 언도프 GaN층(105)을 생략한 구조에 해당한다. 도 4의 실시형태에서도 사파이어 기판(101)의 상면 모폴로지가 꼬깔 형태의 볼록 패턴을 형성하여 질화물계 반도체층(110', 106)이 높은 결정성을 갖는다. HFET(100')의 다른 구성요소는 전술한 바와 마찬가지이다.
이하, 본 발명의 실시형태에 따른 질화물계 HFET의 제조 방법을 설명한다. 상술한 실시형태들의 질화물계 반도체 이종접합 전계효과 트랜지스터(100, 100')는, 사파이어 기판(100)의 표면 모폴로지 형성(꼬깔 형태의 볼록 패턴(101a) 형성) 공정과, 이러한 모폴로지를 갖는 사파이어 기판(101) 표면 상에서의 GaN 및 AlGaN 물질 에피택셜 성장 공정을 의해 제조될 수 있다.
사파이어 기판(101) 표면이 갖는 꼬깔(원뿔) 형태의 볼록 패턴(101a)은, 예를 들어 사파이어 기판(101) 표면 상에 포토레지스트(PR) 패턴을 형성한 후 PR 패턴을 리플로우(reflow)시켜 PR 패턴의 형상을 변형하고 이를 식각 마스크로 식각하여 형성할 수 있다.
꼬깔 형태의 볼록 패턴(101a)을 형성한 후, 패턴(101a) 형성된 사파이어 기판(101) 상에 저온 GaN 버퍼층과 같은 질화물계 버퍼층(102)을 성장시킨다. 이 때, 꼬깔 형태의 볼록 패턴(101a)에는 C-면이 없어 GaN 물질이 성장되지 않아 C-면이 있는 패턴(101a)들 사이의 영역에서 GaN 물질의 선택적 성장이 이루어진다. 그리고 계속해서 GaN이 성장됨에 따라 측방향의 과성장이 일어나 꼬깔 형태의 볼록 패턴(101a)은 GaN 물질(저온 버퍼층 물질)로 덮히게 된다.
도 5는 꼬깔 형태의 볼록 패턴이 형성된 사파이어 기판 표면 상에서 저온 GaN 버퍼층을 성장시키는 공정을 단계 순서별로 나타낸 평면도 SEM 사진이다. GaN 물질의 성장은 도 5의 (a)로부터 (d)의 순서로 이루지는데, 도 5(a) 내지 (c)에 도시된 바와 같이 C-면이 없는 꼬깔 형태의 볼록 패턴에서는 GaN 성장이 이루어지지 않고, C-면을 갖는 영역(꼬깔 형태의 볼록 패턴들 사이의 영역)에서 GaN 물질이 성장된다. 그리고 도 5 (c)와 (d)에 도시된 바와 같이, 선택적으로 성장된 GaN 물질이 측방향으로 과성장되어 꼬깔 형태의 볼록 패턴을 뒤덮게 된다. 이와 같은 ELOG(Epitaxial Lateral Overgrowth)에 의해 꼬깔 형태의 볼록 패턴 위에 성장되는 질화물계 반도체 물질은 높은 결정성을 갖게 된다.
질화물계 버퍼층(102)을 형성한 후에는, 반절연성 GaN층(110, 110')을 형성하고 그 위에 AlGaN층(106)을 형성한다. 반절연성 GaN층은 언도프 GaN층(103), Mg, Fe 및 C 중 적어도 하나가 도핑된 GaN층(104) 및 언도프 GaN층(105)을 순차 성장시킴으로써 형성될 수 있다. 이 경우, 하부의 언도프 GaN층(103) 또는 상부의 언도프 GaN층(105)은 생략 가능한다. AlGaN층(106) 위에는 금속물질을 사용하여 소스(107), 드레인(109) 및 게이트(108)와 같은 트랜지스터 전극을 형성한다. 상술한 바와 같이 사파이어 기판(101) 표면에 꼬깔 형태의 볼록 패턴을 형성하여 그 위에서 ELOG 성장이 이루어짐으로써, 높은 결정성을 갖는 HFET 소자를 얻게 된다. 도 6의 TEM 사진에 나타난 바와 같이, 꼬깔 형태의 볼록 패턴 위에서는 전위 결함 밀도가 상대적으로 작음을 알 수 있다.
도 7은 종래예에 따른 질화물계 HFET(도 1 참조)와 실시예의 질화물계 HFET(도 3 참조)에서 사파이어 기판 상에 성장된 GaN 물질에 대한 XRD 실험 결과를 나타내는 그래프이다. 도 7을 참조하면, 종래예에서는 102 값의 반치폭이 338 acrsec로 큰 값을 나타내지만, 실시예에서는 반치폭이 225 arcsec로 줄어들었다. 따라서, 실시예와 같이 꼬깔 형태의 볼록 표면 패턴을 갖는 사파이어 기판을 사용하는 경우, 질화물 반도체 물질의 결정성이 향상됨을 알 수 있다. 이에 따라 질화물계 HFET는 트랜스 컨덕턴스 등 소자 특성이 향상된다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 아니한다. 첨부된 청구범위에 의해 권리범위를 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
100: 질화물계 HFET 101: 사파이어 기판
101a: 꼬깔 형태의 볼록 패턴 102: 질화물계 버퍼층
103: 언도프 GaN층 104; Mg, Fe 또는 C로 도핑된 GaN
105: 언도프 GaN층 106: AlGaN층
107: 소스 108: 게이트
109: 드레인
101a: 꼬깔 형태의 볼록 패턴 102: 질화물계 버퍼층
103: 언도프 GaN층 104; Mg, Fe 또는 C로 도핑된 GaN
105: 언도프 GaN층 106: AlGaN층
107: 소스 108: 게이트
109: 드레인
Claims (11)
- 상면에 꼬깔 형태의 볼록 패턴이 형성된 사파이어 기판;
상기 사파이어 기판 상에 형성된 질화물계 버퍼층;
상기 질화물계 버퍼층 상에 형성된 반절연성 GaN층; 및
상기 반절연성 GaN층 상에 형성된 AlGaN층을 포함하는, 질화물계 이종접합 전계효과 트랜지스터.
- 제1항에 있어서,
상기 반절연성 GaN층은, 상기 버퍼층 상에 형성되며 Mg, Fe, C 중 적어도 하나가 도핑된 GaN층을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 이종접합 전계효과 트랜지스터.
- 제2항에 있어서,
상기 반절연성 GaN층은, 상기 도핑된 GaN층과 상기 AlGaN층 사이에 형성된 언도프 GaN층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 이종접합 전계효과 트랜지스터.
- 제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 반절연성 GaN층은 상기 버퍼층과 상기 도핑된 GaN층 사이에 형성된 언도프 GaN층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 이종접합 전계효과 트랜지스터.
- 제1항에 있어서,
상기 질화물계 버퍼층은 저온 GaN 버퍼층인 것을 특징으로 하는 질화물계 이종접합 전계효과 트랜지스터.
- 사파이어 기판 상면에 꼬깔 형태의 볼록 패턴을 형성하는 단계;
상기 꼬깔 형태의 볼록 패턴이 형성된 상기 사파이어 기판 상면에 질화물계 버퍼층을 형성하는 단계;
상기 질화물계 버퍼층 상에 반절연성 GaN층을 형성하는 단계; 및
상기 반절연성 GaN층 상에 AlGaN층을 형성하는 단계를 포함하는, 질화물계 이종접합 전계효과 트랜지스터의 제조 방법.
- 제6항에 있어서,
상기 반절연성 GaN층을 형성하는 단계는, 상기 버퍼층 상에 Mg, Fe, C 중 적어도 하나가 도핑된 GaN층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 이종접합 전계효과 트랜지스터의 제조 방법.
- 제7항에 있어서,
상기 반절연성 GaN층을 형성하는 단계는, 상기 도핑된 GaN층을 형성하는 단계와 상기 AlGaN층을 형성하는 단계 사이에서 상기 도핑된 GaN층 상에 언도프 GaN층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 이종접합 전계효과 트랜지스터의 제조 방법.
- 제7항 또는 제8항에 있어서,
상기 반절연성 GaN층을 형성하는 단계는, 상기 버퍼층을 형성하는 단계와 상기 도핑된 GaN층을 형성하는 단계 사이에 상기 버퍼층 상에 언도프 GaN층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 이종접합 전계효과 트랜지스터의 제조 방법.
- 제6항에 있어서,
상기 질화물계 버퍼층을 형성하는 단계는 저온 GaN 버퍼층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 이종접합 전계효과 트랜지스터의 제조 방법.
- 제6항에 있어서,
상기 질화물계 버퍼층을 형성하는 단계에서, 상기 꼬깔 형태의 패턴 사이의 영역에서 질화물이 선택적으로 성장하여 ELOG(epitaxial lateral overgrowth)로 과성장하는 것을 특징으로 하는 질화물계 이종접합 전계효과 트랜지스터의 제조 방법.
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| KR1020100004406A KR20110084709A (ko) | 2010-01-18 | 2010-01-18 | 질화물계 이종접합 전계효과 트랜지스터 및 그 제조 방법 |
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| KR20140120519A (ko) * | 2013-04-03 | 2014-10-14 | 엘지전자 주식회사 | 질화물 반도체 소자 및 그 제조 방법 |
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-
2010
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