KR20130014849A - 쇼트키 배리어 다이오드 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예에 따른 쇼트키 배리어 다이오드는, 알루미늄이 도핑된 n-GaN층 및 GaN층을 포함하여 우수한 결정성을 확보하여 전기적 특성 및 광학적 특성을 향상시킬 수 있다. 또한, 알루미늄이 도핑된 GaN층에 p-GaN층을 형성함으로써, 역방향 전류가 인가되는 경우에 공핍층을 형성할 수 있으므로 누설 전류를 감소시킬 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 쇼트키 배리어 다이오드의 제조방법은, 알루미늄이 도핑된 GaN층의 일부를 에칭한 후 알루미늄이 도핑된 GaN층의 도핑된 부분으로부터 p-GaN층을 성장시키기 때문에 박막 결정이 손상되지 않아서 신뢰성을 확보할 수 있고, 별도의 이온주입 공정 및 열처리 공정을 필요로 하지 않아서 공정 단순화 및 비용 절감을 달성할 수 있다.
Description
쇼트키 배리어 다이오드 및 이의 제조방법이 개시된다. 더욱 상세하게는, 전기적 특성 및 광학적 특성이 향상되고, 누설전류를 감소시킬 수 있는 쇼트키 배리어 다이오드 및 이의 제조방법이 개시된다.
반도체 발광소자는 전류가 가해지면 p, n형 반도체의 접합 부분에서 전자와 정공의 재결합에 기하여, 다양한 색상의 빛을 발생시킬 수 있는 반도체 장치이다. 이러한 반도체 발광소자는 필라멘트에 기초한 발광소자에 비해 긴 수명, 낮은 전원, 우수한 초기 구동 특성, 높은 진동 저항 등의 여러 장점을 갖기 때문에 그 수요가 지속적으로 증가하고 있다. 특히, 최근에는 청색 계열의 단파장 영역의 빛을 발광할 수 있는 질화물 반도체가 각광을 받고 있다.
최근 전 세계적으로 정보통신기술의 급격한 발달로 인하여 초고속, 대용량의 신호 전송을 위한 통신 기술이 급속도로 발달되고 있다. 특히, 무선통신기술에서 개인휴대폰, 위성통신, 군사용레이더, 방송통신, 통신용 중계기 등의 수요가 점점 확대됨에 따라 마이크로파와 밀리미터파 대역의 초고속 정보통신 시스템에 필요한 고속, 고전력 전자소자에 대한 요구가 증가되고 있다. 또한, 고전력에 사용하는 파워소자로의 응용 또한 에너지적인 손실을 줄이기 위하여 많은 연구가 진행되고 있다.
특히, 질화물 반도체는 에너지 갭이 크고, 높은 열적 화학적 안정도, 높은 전자포화속도(~ 3×107 cm/sec) 등의 뛰어난 물성을 가지고 있어, 광소자 뿐만 아니라 고주파, 고출력용 전자소자로의 응용이 용이하여 전 세계적으로 활발히 연구되고 있다. 질화물 반도체를 이용한 전자소자는 높은 항복전계(~ 3×106 V/cm) 및 최대전류밀도, 안정된 고온동작, 높은 열전도도 등의 다양한 장점을 가지고 있다.
화합물 반도체의 이종접합구조를 이용한 HFET(Heterostructure Field Effect Transistor)의 경우, 접합 계면에서의 밴드 불연속(band-discontinuity)이 크기 때문에 계면에 높은 농도의 전자가 유기될 수 있어 전자이동도를 더욱 높일 수 있다. 이와 같은 물성적인 특징으로 고전력 소자로의 응용이 가능하다.
현재 Si계 파워소자를 제외하고 가장 많이 사용되고 있는 전력소자는 밴드갭이 큰 SiC 소자가 쇼트키 배리어 다이오드(shottky barrier diode, SBD) 구조로 양산화되고 있다. 이때, 누설전류를 감소시키기 위해 p형 질화물 반도체층에 캐리어(carrier)를 주입하는 임플란트(implant) 장비가 필요하며 캐리어를 활성화시키기 위해 고온의 열처리 등의 공정이 수반된다.
전기적 특성 및 광학적 특성이 향상되고, 누설전류를 감소시킬 수 있는 쇼트키 배리어 다이오드 및 이의 제조방법이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 쇼트키 배리어 다이오드는, 기판, 상기 기판상에 형성되는, 알루미늄이 도핑된 n-GaN층, 상기 알루미늄이 도핑된 n-GaN층 상에 형성되는, 알루미늄이 도핑된 GaN층, 상기 알루미늄이 도핑된 GaN층 상에 형성되는 제1 전극 및 상기 알루미늄이 도핑된 n-Gan층이 형성된 상기 기판의 다른 면에 형성되는 제2 전극을 포함한다.
본 발명의 일 측에 따른 쇼트키 배리어 다이오드에서, 상기 알루미늄이 도핑된 GaN층에 형성되는 p-GaN층을 더 포함할 수 있으며, 상기 p-GaN층은 상기 알루미늄이 도핑된 GaN층의 일부를 에칭한 후 상기 알루미늄이 도핑된 GaN층의 에칭된 부분으로부터 성장되어 형성되며, 상기 제1 전극과 콘택하고 있다.
본 발명의 일 측에 따른 쇼트키 배리어 다이오드에서, 상기 알루미늄이 도핑된 n-GaN층 및 상기 알루미늄이 도핑된 GaN층에 도핑되는 알루미늄의 함량은 0.01% 내지 1%일 수 있다.
본 발명의 일 측에 따른 쇼트키 배리어 다이오드에서, 상기 기판상에 형성되는 버퍼층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측에 따른 쇼트키 배리어 다이오드에서, 상기 기판은 Si 기판, SiC 기판, AlN 기판 및 GaN 기판으로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다.
본 발명의 일 측에 따른 쇼트키 배리어 다이오드에서, 상기 제1 전극은 Ni, Au, CuInO2, ITO, Pt, 및 이들의 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다.
본 발명의 일 측에 따른 쇼트키 배리어 다이오드에서, 상기 제2 전극은 Cr, Al, Ta, Tl 및 Au로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 쇼트키 배리어 다이오드의 제조방법은, 기판상에 알루미늄이 도핑된 n-GaN층을 형성하는 단계, 상기 알루미늄이 도핑된 n-GaN층 상에 알루미늄이 도핑된 GaN층을 형성하는 단계, 상기 알루미늄이 도핑된 n-Gan층이 형성된 상기 기판의 다른 면에 제2 전극을 형성하는 단계 및 상기 알루미늄이 도핑된 GaN층 상에 제1 전극을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 측에 따른 쇼트키 배리어 다이오드의 제조방법에서, 상기 알루미늄이 도핑된 GaN층에 p-GaN층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 p-GaN층을 형성하는 단계는, 상기 알루미늄이 도핑된 GaN층의 일부를 에칭한 후 상기 알루미늄이 도핑된 GaN층의 에칭된 부분으로부터 상기 p-GaN층을 성장시키고, 성장된 상기 p-GaN층이 상기 제1 전극과 콘택하도록 형성된다.
본 발명의 일 측에 따른 쇼트키 배리어 다이오드의 제조방법에서, 상기 p-GaN층을 형성하는 단계는 1000℃ 내지 1200℃의 온도 범위에서 수행될 수 있다.
본 발명의 일 측에 따른 쇼트키 배리어 다이오드의 제조방법에서, 상기 알루미늄이 도핑된 n-GaN층 및 상기 알루미늄이 도핑된 GaN층에서 알루미늄이 0.01% 내지 1%의 함량으로 도핑될 수 있다.
본 발명의 일 측에 따른 쇼트키 배리어 다이오드의 제조방법에서, 상기 기판은 절연성 기판이며, 상기 제2 전극은, 상기 절연성 기판이 제거되는 단계 및 상기 알루미늄이 도핑된 n-GaN층과 상기 제2 전극을 접합시키는 접합층을 형성하는 단계 이후에 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 쇼트키 배리어 다이오드는, 알루미늄이 도핑된 n-GaN층 및 GaN층을 포함하여 우수한 결정성을 확보하여 전기적 특성 및 광학적 특성을 향상시킬 수 있다. 또한, 알루미늄이 도핑된 GaN층에 p-GaN층을 형성함으로써, 역방향 전류가 인가되는 경우에 공핍층을 형성할 수 있으므로 누설 전류를 감소시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 쇼트키 배리어 다이오드의 제조방법은, 알루미늄이 도핑된 GaN층의 일부를 에칭한 후 알루미늄이 도핑된 GaN층의 도핑된 부분으로부터 p-GaN층을 성장시키기 때문에 박막 결정이 손상되지 않아서 신뢰성을 확보할 수 있고, 별도의 이온주입 공정 및 열처리 공정을 필요로 하지 않아서 공정 단순화 및 비용 절감을 달성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 쇼트키 배리어 다이오드를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 쇼트키 배리어 다이오드를 나타내는 도면이다.
도 3은 언도프된(undoped) GaN층과 알루미늄이 도핑된 GaN층의 PL(Photoluminescence) 특성을 나타내는 그래프이다.
도 4는 알루미늄의 도핑량에 따른 전자이동도 및 캐리어 농도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 5는 언도프된 GaN층과 알루미늄이 도핑된 GaN층의 시간에 따른 TRPL(time-resolved photoluminescence)를 나타내는 그래프이다.
도 6a 및 도 6b는 각각 언도프된 GaN과 알루미늄이 도핑된 GaN에 대한 비대칭 역격자 공간 산란강도분포도(asymmetric reciprocal space maps)를 나타내는 도면이다.
도 7a 및 도 7b는 각각 언도프된 GaN과 알루미늄이 도핑된 GaN의 TEM(transmission electron microscope) 사진을 나타내는 도면이다.
도 8은 n-GaN층과 알루미늄이 도핑된 n-GaN층의 PL 특성을 나타내는 그래프이다.
도 9a 내지 도 9d는 도 2의 쇼트키 배리어 다이오드를 제조하는 과정을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 쇼트키 배리어 다이오드를 나타내는 도면이다.
도 3은 언도프된(undoped) GaN층과 알루미늄이 도핑된 GaN층의 PL(Photoluminescence) 특성을 나타내는 그래프이다.
도 4는 알루미늄의 도핑량에 따른 전자이동도 및 캐리어 농도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 5는 언도프된 GaN층과 알루미늄이 도핑된 GaN층의 시간에 따른 TRPL(time-resolved photoluminescence)를 나타내는 그래프이다.
도 6a 및 도 6b는 각각 언도프된 GaN과 알루미늄이 도핑된 GaN에 대한 비대칭 역격자 공간 산란강도분포도(asymmetric reciprocal space maps)를 나타내는 도면이다.
도 7a 및 도 7b는 각각 언도프된 GaN과 알루미늄이 도핑된 GaN의 TEM(transmission electron microscope) 사진을 나타내는 도면이다.
도 8은 n-GaN층과 알루미늄이 도핑된 n-GaN층의 PL 특성을 나타내는 그래프이다.
도 9a 내지 도 9d는 도 2의 쇼트키 배리어 다이오드를 제조하는 과정을 나타내는 도면이다.
실시예의 설명에 있어서, 각 기판, 층 또는 패턴 등이 각 기판, 층 또는 패턴 등의 "상(on)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상(on)"과 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 구성요소를 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 구성요소의 상 또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
도면에서의 각 구성요소들의 크기는 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 실제로 적용되는 크기를 의미하는 것은 아니다.
이하에서는 하기의 도면을 참조하여 실시예들을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 쇼트키 배리어 다이오드를 나타내는 도면이다. 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 쇼트키 배리어 다이오드를 나타내는 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 쇼트키 배리어 다이오드는, 기판(100), 버퍼층(200), 알루미늄이 도핑된 n-GaN층(300), 알루미늄이 도핑된 GaN층(400), p-GaN층(500), 제1 전극(700), 제2 전극(600) 및 절연층(800)을 포함한다.
기판(100) 상에 버퍼층(200) 및 알루미늄이 도핑된 n-GaN층(300)이 형성될 수 있다. 기판(100)은 유리 기판 또는 사파이어 기판과 같은 절연성 기판일 수 있으며, Si 기판, SiC 기판, AlN 기판 및 GaN 기판으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 도전성 기판일 수 있다.
버퍼층(200)은 기판(100)상에 형성될 수 있다. 버퍼층(200)은 기판(100)과 알루미늄이 도핑된 n-GaN층(300) 사이의 격자 부정합을 완화하기 위해 형성된다. 버퍼층(200)은 저온에서 형성될 수 있으며, AlN 등의 물질로 형성될 수 있다.
알루미늄이 도핑된 n-GaN층(300)은 버퍼층(200) 상에 형성될 수 있다. 알루미늄이 도핑된 n-GaN층(300)은 알루미늄 및 n형 불순물로 도핑된 층을 말하며, n형 불순물의 예로는 Si, Ge, Se, Te 또는 C 등이 있다. 바람직하게, 알루미늄이 도핑된 n-GaN층(300)에서 n형 불순물은 Si일 수 있다.
알루미늄이 도핑된 n-GaN층(300)에서, 알루미늄의 도핑량은 도핑되는 전체 물질 중 1% 미만일 수 있다. 바람직하게, 도핑되는 알루미늄의 함량은 0.01% 내지 1%일 수 있다. 더 바람직하게, 도핑되는 알루미늄의 함량은 0.2% 내지 0.6%일 수 있다. 가장 바람직하게, 도핑되는 알루미늄의 함량은 0.45%일 수 있다. 알루미늄이 도핑된 n-GaN층(300)에서 도핑되는 알루미늄의 함량이 1% 미만이므로, 알루미늄이 도핑된 n-GaN층(300)에서 알루미늄이 화합물을 형성할 정도의 양으로 도핑되는 것은 아니다. 알루미늄이 도핑된 n-GaN층(300)에서 전술한 바와 같은 양으로 알루미늄이 도핑됨으로써 결정성이 우수한 박막을 얻을 수 있다. 이는 알루미늄이 갈륨(Ga)이 없는 자리에서 갈륨을 대신하여 채워짐으로써 박막의 결정성을 향상시킬 수 있다.
알루미늄이 도핑된 GaN층(400)은 알루미늄이 도핑된 n-GaN층(300) 상에 형성될 수 있다. 알루미늄이 도핑된 GaN층(400)은 Si가 도핑되지 않으며, 알루미늄만이 도핑된다. 알루미늄이 도핑된 GaN층(400)에서 도핑되는 알루미늄의 함량은 도핑되는 전체 물질 중 0.01% 내지 1%일 수 있다. 더 바람직하게, 도핑되는 알루미늄의 함량은 0.2% 내지 0.6%일 수 있다. 가장 바람직하게, 도핑되는 알루미늄의 함량은 0.45%일 수 있다. 결국, 알루미늄이 도핑된 n-GaN층(300) 및 알루미늄이 도핑된 GaN층(400)에 알루미늄이 1% 미만으로 도핑됨으로써 결정성이 우수한 박막을 얻어서, 쇼트키 배리어 다이오드의 전기적 및 광학적 성능을 향상시킬 수 있다.
도핑되는 알루미늄의 함량에 따른 결정성 향상에 대해서는 도 3 내지 도 8을 참고하여 좀 더 상세하게 설명한다.
도 3은 언도프된(undoped) GaN층과 알루미늄이 도핑된 GaN층의 PL(Photoluminescence) 특성을 나타내는 그래프이다. 도 3을 참고하면, 알루미늄이 도핑된 GaN층이 알루미늄이 도핑되지 않은 GaN층에 비해 높은 PL 강도를 나타내었으며, 알루미늄의 함량이 0.45%인 경우가 언도프된 GaN층에 비해 PL 강도가 약 100배 정도 향상되었다. 이는 알루미늄이 GaN 성장시 등전위(isoelectronic) 도핑됨으로써, 비복사 재조합 중심(nonradiative recombination center)과 같은 재결합 준위를 감소시켜 광특성을 향상시킨 것이다. 즉, 갈륨(Ga)이 없는 자리에서 갈륨을 대신하여 알루미늄이 채워짐으로써 광특성을 향상시킬 수 있다.
도 4는 알루미늄의 도핑량에 따른 전자이동도(electron mobility) 및 캐리어 농도(carrier concentration) 변화를 나타내는 그래프이다. 도 4를 참고하면, 알루미늄의 함량이 1%까지 증가됨에 따라 캐리어 농도가 증가된 것을 알 수 있다. 또한, 전자이동도를 살펴보면, 알루미늄 함량이 0.2% 내지 0.6%에서 450 ㎠/Vs 이상의 전자이동도를 나타내었으며, 알루미늄 함량이 0.45%일 때에는 가장 높은 650 ㎠/Vs를 나타내었으며, 이때 3×1017/㎤의 캐리어 농도를 갖는 것을 확인할 수 있었다. 이와 같이 알루미늄이 GaN 성장시 포함됨으로써 전자를 포획하는 Ga 공공(vacancy)과 같은 결함을 감소시켜서 결정성을 향상시키며, 이와 동시에 캐리어의 수를 증가시켜 전기적인 특성 및 광학적인 특성을 향상시킬 수 있다.
도 5는 언도프된 GaN층과 알루미늄이 도핑(알루미늄의 함량은 0.45%임)된 GaN층의 시간에 따른 TRPL(time-resolved photoluminescence)를 나타내는 그래프이다. 도 5를 참고하면, 언도프된 GaN의 밴드-엣지 방출 소멸 시간(band-edge emission decay time)이 ~ 20 ps인데 비하여 알루미늄 도핑된 n-GaN은 ~ 58 ps로 늘어남을 알 수 있다. 이로 인해 알루미늄이 GaN에 도핑되었을 때 재조합 중심(recombination center)이 감소됨을 확인할 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 각각 언도프된 GaN과 알루미늄이 도핑된 GaN에 대한 비대칭 역격자 공간 산란강도분포도(asymmetric reciprocal space maps)를 나타내는 도면이다. 도 6에서, 알루미늄의 함량은 0.45%이며, 결정 방향은 (101)이다. 도 6을 참고하면, 도 6의 분포도는 열진동 및 결함, 또는 구조적인 무질서에 의해 나타나는 것으로서, 결정구조의 정보를 담고 있다. Qx 축은 실격자의 록킹 커브(rocking curve)와 관련된 축으로서 언도프된 GaN에 비하여 알루미늄이 도핑된 GaN의 폭이 좁게 나타나는 것을 알 수 있다. 그러나, Qz 축은 실공간의 면간거리 'd'를 나타내는 축으로서 언도프된 GaN은 역격자 중심으로 고리모양으로 넓게 퍼져 있으며, 알루미늄이 도핑된 GaN 박막이 언도프된 GaN 박막에 비하여 수직방향의 Qz 축의 산란분포가 대칭적으로 적게 퍼져 있음을 알 수 있다. 이로 인해 알루미늄의 등전위(isoelectric) 도핑에 의해서 결함이 줄어들었기 때문에 결정성이 향상되었음을 확인할 수 있다.
도 7a 및 도 7b는 각각 언도프된 GaN과 알루미늄이 도핑된 GaN의 TEM(transmission electron microscope) 사진을 나타내는 도면이다. 도 7에서, 알루미늄의 함량은 0.45%이며, 결정 방향은 (0002)이다. 도 7을 참고하면, 언도프된 GaN에 비하여 알루미늄이 도핑된 GaN의 스크류 쓰레딩 전위 밀도(screw threading dislocation density)가 줄어들었음을 알 수 있다. 즉, Ga 공공과 스크류 쓰레딩 전위 밀도는 서로 관련성이 있으며, 본 발명의 일 실시예에서와 같이 알루미늄의 등전위 도핑에 의해서 Ga 공공을 줄임으로써 스크류 쓰레딩 전위 밀도가 줄어들어 전기적인 특성 및 광특성의 향상을 가져올 수 있다.
도 8은 n-GaN층과 알루미늄이 도핑된 n-GaN층의 PL 특성을 나타내는 그래프이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 수직형 쇼트키 배리어 다이오드 발광소자 구현을 위한 오믹 콘택(ohmic contact)층인 n-GaN 형성시에도 알루미늄이 도핑됨으로써 결함을 줄여서 결정성이 향상됨을 알 수 있다.
결국, GaN 및 n-GaN 성장시 알루미늄을 도핑함으로써 Ga 공공과 같은 결함을 감소시키고 동시에 전위(dislocation) 등과 같은 격자부정합에 의한 결함을 감소시켜 쇼트기 배리어 다이오드의 전기적 특성 및 광학적 특성을 향상시킬 수 있다.
도 2에 도시된 p-GaN층(500)은 알루미늄이 도핑된 GaN층(400)의 일부를 에칭한 후 알루미늄이 도핑된 GaN층(400)의 에칭된 부분으로부터 성장되어 형성될 수 있다. 즉, p-GaN층(500)은 알루미늄이 도핑된 GaN층(400)의 내부로부터 알루미늄이 도핑된 GaN층(400)의 표면으로 성장되어 형성될 수 있다. p-GaN층(500)은 p형 불순물로 도핑된 층을 말하며, p형 불순물의 예로는 Mg, Zn 또는 Be 등이 있다. p-GaN층(500)은 제1 전극(700)과 콘택할 수 있으며, 누설 전류의 저항값을 줄일 수 있다.
p-GaN층(500)으로 인해 p-GaN층(500)을 따라 p-n 접합이 형성되며, p-n 접합시 p-n 접합면 부근에서 공핍층(depletion layer)이 형성되어 높은 내전압을 가질 수 있다. 즉, p-n 접합시 p-n 접합면 부근에서는 자유전자와 정공이 각각 상대편 쪽으로 확산함에 따라 국부적으로 전위차가 발생하여 평형상태를 이루고, 이러한 평형상태로 인해 캐리어가 없는 공핍층이 형성됨으로써 내전압이 증가한다.
이러한 공핍층으로 인해 쇼트키 접합 영역에서 발생하는 누설전류가 제1 전극 쪽으로 누설되는 것을 방지할 수 있다. 즉, 역방향의 전압 인가시에 공핍층이 p-GaN층(500)을 따라 형성되기 때문에 제1 전극 쪽으로 전류가 누설되는 것을 억제할 수 있다.
또한, p-GaN층(500)은 알루미늄이 도핑된 GaN층(400)의 에칭된 부분에서 성장되기 때문에 결정이 손상되지 않아서 신뢰성을 확보할 수 있고, 별도의 이온주입장치 등을 필요로 하지 않아서 공정 단순화 및 비용 절감을 달성할 수 있다.
제1 전극(700)은 쇼트키 전극(shottky contact)으로서 알루미늄이 도핑된 GaN층(400) 상에 형성될 수 있다. 제1 전극(700)은 쇼트키 배리어가 높게 형성될 수 있다. 쇼트키 배리어의 높이는 일함수(work function)의 차이를 의미하며, 쇼트키 배리어 다이오드의 특성을 결정하는 요인이 될 수 있다. 일함수의 차이가 클수록 쇼트키 배리어 다이오드의 순방향 전압은 높아지나 역방향 전압 인가시의 누설 전류 저항은 감소한다. 따라서, 제1 전극(700)은 쇼트키 배리어가 높게 형성됨으로써 누설전류를 감소시킬 수 있다. 제1 전극(700)은 Ni, Au, CuInO2, ITO, Pt, 및 이들의 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 물질로 형성될 수 있다. 또한, 상기의 합금의 예로 Ni와 Au 합금, CuInO2와 Au 합금, ITO와 Au 합금, Ni, Pt 및 Au 합금, 그리고 Pt와 Au의 합금을 들 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
제2 전극(600)은 오믹 전극(ohmic contact)으로서 알루미늄이 도핑된 n-Gan층(300)이 형성된 기판(100)의 다른 면에 형성될 수 있다. 제2 전극(600)은 쇼트키 배리어가 낮게 형성될 수 있다. 따라서, 제2 전극(600)은 쇼트키 배리어가 낮게 형성됨으로써 순방향의 전류의 흐름을 원활하게 할 수 있다. 제2 전극(600)은 Cr, Al, Ta, Tl 및 Au로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다.
결국, 본 발명의 일 실시예에 따른 쇼트키 배리어 다이오드는, 알루미늄이 도핑된 n-GaN층 및 GaN층을 포함하여 우수한 결정성을 확보하여 전기적 특성 및 광학적 특성을 향상시킬 수 있다. 또한, 알루미늄이 도핑된 GaN층에 p-GaN층을 형성함으로써, 역방향 전류가 인가되는 경우에 공핍층을 형성하여 누설 전류를 감소시킬 수 있다. 아울러, 알루미늄이 도핑된 GaN층의 일부를 에칭한 후 알루미늄이 도핑된 GaN층의 에칭된 부분으로부터 p-GaN층을 성장시키기 때문에 박막 결정이 손상되지 않아서 신뢰성을 확보할 수 있고, 별도의 이온주입 공정 및 열처리 공정을 필요로 하지 않아서 공정 단순화 및 비용 절감을 달성할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 쇼트키 배리어 다이오드를 제조하는 방법에 대해 설명하기로 한다. 도 9a 내지 도 9d는 도 2의 쇼트키 배리어 다이오드를 제조하는 과정을 나타내는 도면이다.
도 9a 내지 도 9d를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 쇼트키 배리어 다이오드의 제조방법은, 기판(100)상에 알루미늄이 도핑된 n-GaN층(300)을 형성하는 단계, 알루미늄이 도핑된 n-GaN층(300) 상에 알루미늄이 도핑된 GaN층(400)을 형성하는 단계, 알루미늄이 도핑된 n-Gan층(300)이 형성된 기판(100)의 다른 면에 제2 전극(600)을 형성하는 단계 및 알루미늄이 도핑된 GaN층(400) 상에 제1 전극(700)을 형성하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명의 일 측에 따른 쇼트키 배리어 다이오드의 제조방법은, 알루미늄이 도핑된 GaN층(400)에 p-GaN층(500)을 형성하는 단계를 더 포함하고, p-GaN층(500)을 형성하는 단계는, 알루미늄이 도핑된 GaN층(400)의 일부를 에칭한 후 알루미늄이 도핑된 GaN층(400)의 에칭된 부분으로부터 p-GaN층(500)을 성장시키고, 성장된 p-GaN층(500)이 제1 전극(700)과 콘택하도록 형성될 수 있다.
상기 p-GaN층을 형성하는 단계는 1000℃ 내지 1200℃의 온도 범위에서 수행될 수 있다. 상기 기판이 절연성 기판인 경우, 상기 제2 전극은, 상기 절연성 기판이 제거되는 단계 및 상기 알루미늄이 도핑된 n-GaN층과 상기 제2 전극을 접합시키는 접합층을 형성하는 단계 이후에 형성될 수 있다.
먼저, 도 9a에서와 같이, 기판(100)상에 버퍼층(200), 알루미늄이 도핑된 n-GaN층(300), 알루미늄이 도핑된 GaN층(400) 및 절연층(810)을 형성한다. 기판(100)은 유리 기판 또는 사파이어(sapphire) 기판과 같은 절연성 기판일 수 있으며, Si 기판, SiC 기판, AlN 기판 및 GaN 기판으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 도전성 기판일 수 있다.
버퍼층(200)은 금속 유기 화학기상증착법(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition; MOCVD), 분자선 성장법(Molecular Beam Epitaxy; MBE) 및 수소 기상 성장법(Hydride Vapor Phase Epitaxy; HVPE) 등의 방법을 이용하여 형성될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 버퍼층(200)은 기판(100)과 상부에 형성되는 층의 격자부정합 해소 등을 위한 것이며, 상부에 형성되는 층의 성장을 용이하게 하기 위한 것일 수 있다. 버퍼층(200)은 저온에서 형성될 수 있으며, AlN 등의 물질로 형성될 수 있다.
버퍼층(200) 상에 알루미늄이 도핑된 n-GaN층(300)을 형성한다. 알루미늄이 도핑된 n-GaN층(300)도 상기와 같이 다양한 성장 방법에 의해 형성될 수 있다. 알루미늄이 도핑된 n-GaN층(300)은 n형 불순물과 함께 알루미늄이 도핑될 수 있으며, n형 불순물은 Si일 수 있으며 알루미늄의 도핑량은 도핑되는 전체 물질 중 1% 미만일 수 있다. 바람직하게, 도핑되는 알루미늄의 함량은 0.01% ~ 1%일 수 있으며, 가장 바람직하게는 0.45%일 수 있다.
알루미늄이 도핑된 n-GaN층(300) 상에 알루미늄이 도핑된 GaN층(400)을 형성한다. 알루미늄이 도핑된 GaN층(400)은 알루미늄만이 도핑된다. 알루미늄이 도핑된 GaN층(400)에 도핑되는 알루미늄의 함량은 도핑되는 전체 물질 중 0.01% ~ 1%일 수 있으며, 가장 바람직하게는 0.45%일 수 있다. 결국, 알루미늄이 도핑된 n-GaN층(300) 및 GaN층(400)에서 도핑되는 알루미늄 함량으로 인해 결정성이 우수한 박막을 얻을 수 있다.
알루미늄이 도핑된 GaN층(400) 상에는 포토리소그래피 공정의 식각 마스크로 사용될 수 있는 절연층(810)을 형성한다. 절연층(810)은 SiNx, SiOx, Al2O3 및 SiC로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 물질로 형성될 수 있다.
도 9b를 참고하면, p-GaN층(500)이 형성될 부분의 절연층(810)을 제거한다. 즉, p-GaN층(500)에 대응되는 부분의 절연층을 제거하여 알루미늄이 도핑된 GaN층(400)의 일부를 노출시킨다. 알루미늄이 도핑된 GaN층(400)의 노출된 부분을 드라이 에칭(dry etching) 방법으로 일부분만을 에칭한다. 다만, 알루미늄이 도핑된 GaN층(400)을 에칭하는 방법은 드라이 에칭에 제한되지 않는다.
도 9c를 참고하면, 알루미늄이 도핑된 GaN층(400)의 에칭된 부분으로부터 GaN을 성장시키고, p형 불순물로 도핑하여 p-GaN층(500)을 형성한다. p-GaN층(500)은 금속 유기 화학기상증착법(MOCVD)을 이용하여 GaN을 성장시켜서 형성될 수 있다.
p-GaN층(500)을 형성하는 단계는 1000℃ 내지 1200℃의 온도 범위에서 수행될 수 있다. p-GaN층(500)은 상기와 같이 고온에서 알루미늄이 도핑된 GaN층(400)으로부터 성장되어 형성되기 때문에서 박막 결정이 손상되지 않아서 신뢰성을 확보할 수 있다. 또한, 별도의 이온주입 공정 및 열처리 공정을 필요로 하지 않아서 공정 단순화 및 비용 절감을 달성할 수 있다.
아울러, p-GaN층(500)으로 인해 p-GaN층(500)을 따라 p-n 접합이 형성되며, p-n 접합시 p-n 접합면 부근에서 공핍층(depletion layer)이 형성되어 높은 내전압을 가질 수 있다. 결국, 역방향의 전압 인가시에 이러한 공핍층이 p-GaN층(500)을 따라 형성되기 때문에 쇼트키 접합 영역에서 발생하는 누설전류가 제1 전극 쪽으로 누설되는 것을 방지할 수 있다.
도 9d를 참고하면, p-GaN층(500)이 형성된 후, 기판(100)의 다른 일 면에 제2 전극(600)이 형성되고, 알루미늄이 도핑된 GaN층(400) 상에는 도 9b에서와 같이 절연층(800)을 이용하여 제1 전극(700)이 형성된다. 제1 전극(700)은 p-GaN층(500)과 콘택하도록 형성될 수 있다. 제1 전극(700)은 Ni, Au, CuInO2, ITO, Pt, 및 이들의 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 물질로 형성될 수 있다. 또한, 상기의 합금의 예로 Ni와 Au 합금, CuInO2와 Au 합금, ITO와 Au 합금, Ni, Pt 및 Au 합금, 그리고 Pt와 Au의 합금을 들 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 제2 전극(600)은 Cr, Al, Ta, Tl 및 Au로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다.
이하에서는 기판(100)이 절연성 기판인 경우에 대해서 기술하며, 중복 설명을 피하기 위해 웨이퍼 본딩(wafer bonding) 및 레이저 리프트 오프(laser lift off) 방법에 대해서 설명하기로 한다.
기판(100)이 사파이어 기판과 같이 절연성 기판인 경우에, 기판(100)상에 버퍼층(200), 알루미늄으로 도핑된 n-GaN층(300) 및 알루미늄으로 도핑된 GaN층(400)을 형성하고, 알루미늄으로 도핑된 GaN층(400)의 일부를 에칭하여 GaN을 성장시켜서 p-GaN층(500)을 형성한다. 이후 사파이어 기판 및 버퍼층(200)을 레이저 리프트 오프(laser lift off) 공정을 통해 제거한 후 접합층(미도시) 및 제2 전극(600)을 형성할 수 있다. 접합층(미도시)은 알루미늄으로 도핑된 n-GaN층(300)과 제2 전극(600) 사이에 배치되며, 이들을 결합시키는 역할을 한다. 접합층(미도시)은 AuSn을 포함할 수 있으나, 제2 전극(600)을 접합시킬 수 있는 물질이라면 이에 제한되지 않는다. 접합층(미도시)이 형성된 후 제2 전극(600)이 형성될 수 있으며, 그런 다음 제1 전극(700)이 형성될 수 있다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 기판 200 : 버퍼층
300 : 알루미늄이 도핑된 n-GaN층 400 : 알루미늄이 도핑된 GaN층
500 : p-Gan층 600 : 제2 전극
700 : 제1 전극 800, 810 : 절연층
300 : 알루미늄이 도핑된 n-GaN층 400 : 알루미늄이 도핑된 GaN층
500 : p-Gan층 600 : 제2 전극
700 : 제1 전극 800, 810 : 절연층
Claims (12)
- 기판;
상기 기판상에 형성되는, 알루미늄이 도핑된 n-GaN층;
상기 알루미늄이 도핑된 n-GaN층 상에 형성되는, 알루미늄이 도핑된 GaN층;
상기 알루미늄이 도핑된 GaN층 상에 형성되는 제1 전극; 및
상기 알루미늄이 도핑된 n-Gan층이 형성된 상기 기판의 다른 면에 형성되는 제2 전극을 포함하는 쇼트키 배리어 다이오드.
- 제1항에 있어서,
상기 알루미늄이 도핑된 GaN층에 형성되는 p-GaN층을 더 포함하고,
상기 p-GaN층은 상기 알루미늄이 도핑된 GaN층의 일부를 에칭한 후 상기 알루미늄이 도핑된 GaN층의 에칭된 부분으로부터 성장되어 형성되며, 상기 제1 전극과 콘택하고 있는 쇼트키 배리어 다이오드.
- 제1항에 있어서,
상기 알루미늄이 도핑된 n-GaN층 및 상기 알루미늄이 도핑된 GaN층에 도핑되는 알루미늄의 함량은 0.01% 내지 1%인 쇼트키 배리어 다이오드.
- 제1항에 있어서,
상기 기판상에 형성되는 버퍼층을 더 포함하는 쇼트키 배리어 다이오드.
- 제1항에 있어서,
상기 기판은 Si 기판, SiC 기판, AlN 기판 및 GaN 기판으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 쇼트키 배리어 다이오드.
- 제1항에 있어서,
상기 제1 전극은 Ni, Au, CuInO2, ITO, Pt, 및 이들의 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 쇼트키 배리어 다이오드.
- 제1항에 있어서,
상기 제2 전극은 Cr, Al, Ta, Tl 및 Au로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 쇼트키 배리어 다이오드.
- 기판상에 알루미늄이 도핑된 n-GaN층을 형성하는 단계;
상기 알루미늄이 도핑된 n-GaN층 상에 알루미늄이 도핑된 GaN층을 형성하는 단계;
상기 알루미늄이 도핑된 n-Gan층이 형성된 상기 기판의 다른 면에 제2 전극을 형성하는 단계; 및
상기 알루미늄이 도핑된 GaN층 상에 제1 전극을 형성하는 단계를 포함하는 쇼트키 배리어 다이오드의 제조방법.
- 제8항에 있어서,
상기 알루미늄이 도핑된 GaN층에 p-GaN층을 형성하는 단계를 더 포함하고,
상기 p-GaN층을 형성하는 단계는, 상기 알루미늄이 도핑된 GaN층의 일부를 에칭한 후 상기 알루미늄이 도핑된 GaN층의 에칭된 부분으로부터 상기 p-GaN층을 성장시키고, 성장된 상기 p-GaN층이 상기 제1 전극과 콘택하도록 형성되는 쇼트키 배리어 다이오드의 제조방법.
- 제9항에 있어서,
상기 p-GaN층을 형성하는 단계는 1000℃ 내지 1200℃의 온도 범위에서 수행되는 쇼트키 배리어 다이오드의 제조방법.
- 제8항에 있어서,
상기 알루미늄이 도핑된 n-GaN층 및 상기 알루미늄이 도핑된 GaN층에서 알루미늄이 0.01% 내지 1%의 함량으로 도핑되는 쇼트키 배리어 다이오드의 제조방법.
- 제8항에 있어서,
상기 기판은 절연성 기판이며,
상기 제2 전극은,
상기 절연성 기판이 제거되는 단계; 및
상기 알루미늄이 도핑된 n-GaN층과 상기 제2 전극을 접합시키는 접합층을 형성하는 단계 이후에 형성되는 쇼트키 배리어 다이오드의 제조방법.
Priority Applications (4)
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