KR20140020575A - Nitride semiconductor device and method for manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

Disclosed are a nitride semiconductor element and a manufacturing method thereof. The embodiments of the present invention are able to minimize the leakage current and the reduction of breakdown voltage by firstly doping iron atoms and carbon atoms into a nitride thin film in order and then forming an un-doped layer on the top. In the embodiment of the present invention, iron, which does not affect the crystalizability during the growth of the nitride thin film, is firstly doped in the lower part and then carbon is doped in the area under the memory effect due to the iron doping so that the amount of dislocation as well as the number of free electrons existing on the thin film can be reduced. The embodiments of the present invention do not compromise the features of a two-dimensional electron gas (2DEG) channel and bring a high pressure resistance effect, by making the nitride thin film have high resistance. Also, by minimizing the leakage current when the element operates at high voltages and at the same time preventing reduction in the carrier density (number of carriers) or in the electron mobility of the 2DEG channel, the stability and the reliability of the element can be improved. [Reference numerals] (AA) Start; (BB) End; (S110) Form a first highly-resistant layer on a substrate using a first doping material; (S121) Stop the injection of the first doping material; (S123) Inject a second doping material; (S125) Stop the injection of the second doping material; (S130) Form an active layer on a second highly-resistant layer; (S140) Form a barrier layer on the active layer; (S150) Touch a source electrode and a drain electrode onto the barrier layer; (S160) Touch a gate electrode

Description

질화물 반도체 소자 및 이의 제조 방법{NITRIDE SEMICONDUCTOR DEVICE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}[0001] NITRIDE SEMICONDUCTOR DEVICE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME [0002]

본 발명은 질화물 박막의 도핑을 이용하여 소스 및 드레인 사이의 누설 전류량을 저감할 수 있는 질화물 반도체 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a nitride semiconductor device capable of reducing the amount of leakage current between the source and the drain by using the doping of the nitride thin film and a method of manufacturing the same.

질화물 반도체는 광대역 밴드 갭 화합물 반도체로서, 가시 범위와, 넓게는 자외선 범위까지 광을 방출하는 것이 가능하다. 청자색 레이저 다이오드 및 청색 발광 다이오드는 광 픽업 장치, 신호등, 공공 디스플레이, 액정의 백라이트, 조명에 이르기까지 넓은 분야에서 사용되고 있다.The nitride semiconductor is a broadband bandgap compound semiconductor and is capable of emitting light up to a visible range and broadly to the ultraviolet range. Blue violet laser diodes and blue light emitting diodes are used in a wide range of applications, from optical pickup devices, traffic lights, public displays, liquid crystal backlights, and lighting.

질화물 반도체는 실리콘에 비해 높은 임계 전계, 낮은 온(on) 저항, 고온, 고주파 동작 특성이 주목되어, 차세대 반도체 소자의 재료로 선행 연구되고 있다.Nitride semiconductors are attracting attention due to their high critical electric field, low on resistance, high temperature and high frequency operation characteristics compared to silicon and are being studied as materials for next generation semiconductor devices.

고출력 전력 소자에는, 일반적으로 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터(Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect-Transistor; MOSFET)와, 절연 게이트 양극성 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor; IGBT)가 있다. 또한, 갈륨 나이트라이드(Gallium Nitride; GaN) 계열로는, 고전자 이동도 트랜지스터(High Electron Mobility Transistor; HEMT), 이종 접합 전계 효과 트랜지스터(Heterojunction Field-Effect Transistor; HFET) 및 MOSFET 등의 소자가 연구되고 있다. HEMT는, 높은 전자의 이동도를 이용하여 고주파 특성의 통신 소자 등에 이용되고 있다.BACKGROUND ART [0002] Metal-oxide semiconductor field-effect-transistors (MOSFETs) and insulated gate bipolar transistors (IGBTs) are generally used for high output power devices. In addition, devices such as a high electron mobility transistor (HEMT), a heterojunction field-effect transistor (HFET), and a MOSFET are studied as a gallium nitride (GaN) . HEMTs are used for high frequency communication devices and the like by using high mobility of electrons.

도 1은 이종 접합 전계 효과 트랜지스터(HFET)의 일반적인 구조를 나타내는 예시도이다. 도 1을 참조하면, 일반적인 HFET는 기판(1), 상기 기판 상에 형성된 제1 GaN층(2), 상기 제1 GaN층 상에 형성되는 AlGaN층(3), 상기 AlGaN층 상에 형성되는 제2 GaN층(4), 상기 제2 GaN층 상에 형성되는 게이트(Gate) 전극(5), 소스(Source) 전극(6) 및 드레인(Drain) 전극(7)을 포함한다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Figure 1 is an exemplary diagram illustrating the general structure of a heterojunction field effect transistor (HFET). Referring to FIG. 1, a general HFET includes a substrate 1, a first GaN layer 2 formed on the substrate, an AlGaN layer 3 formed on the first GaN layer, 2 GaN layer 4, a gate electrode 5, a source electrode 6 and a drain electrode 7 formed on the second GaN layer.

일반적인 HFET는 쇼트키(schottky) 게이트 전극을 통해 드레인 전극에서 소스 전극으로 흐르는 2차원 전자 가스(Two-Dimensional Electron Gas; 2DEG) 전류를 스위칭(switching) 동작한다.A typical HFET operates to switch a two-dimensional electron gas (2DEG) current flowing from a drain electrode to a source electrode through a schottky gate electrode.

일반적인 HFET 소자의 경우, 게이트 동작을 이용한 쇼트키 특성의 퀄리티가 소자의 스위칭 특성에 커다란 영향을 줄 수 있다. 따라서, 게이트 쪽 누설 전류(leakage)를 최소화하고, 공핍 영역을 확대하는 역할이 무엇보다 중요하다. 또한 이종 접합 구조에서의 2DEG 채널의 전류 흐름을 평상시에서는 턴-오프(turn-off) 되도록 문턱 전압(공급 전압)을 양의 방향으로 이동시키는 기술이 필요하다.In the case of a general HFET device, the quality of the Schottky characteristic using the gate operation can have a large influence on the switching characteristics of the device. Therefore, the role of minimizing leakage on the gate side and expanding the depletion region is of the utmost importance. In addition, there is a need for a technique of shifting the threshold voltage (supply voltage) in a positive direction so that the current flow of the 2DEG channel in the heterojunction structure is usually turned off.

HFET 소자를 구성하는 질화물 박막은 성장시키는 과정에서 의도치 않게 발생하는 질소 결함으로 인해 n-타입으로 도핑되고, 질화물 박막은 높은 밴드 갭(band gap)에 불구하고 전도성을 갖게 된다. The nitride film constituting the HFET device is doped n-type due to unintentional nitrogen defects during the growth process, and the nitride film has conductivity despite the high band gap.

의도하지 아니한 도핑으로 인해 질화물 박막층에 형성되는 자유전자 캐리어는 보통 1.0×1016~1.0×1017개 정도의 수준으로 형성된다. 이러한 과정을 통해 질화물 박막 자체에 자유 전자 캐리어가 형성될 경우, 게이트 아래에 존재하는 2DEG 채널을 국부적으로 공핍시키게 된다. 이로써, HFET 소자에는 2DEG 채널 외에 전류가 흐를 수 있는 채널이 형성되게 되고, 이때 2DEG 채널이 아닌 박막을 통해 흐르는 전류는 누설 전류로서 소자 성능의 저하를 가져오게 되며, 소자의 off 상태를 유지하게 어려워진다. 즉, HFET 소자는, 의도하지 아니한 도핑으로 인해 많은 누설 전류와 낮은 내전압을 갖게 될 수 있다.The free electron carrier formed in the nitride thin film layer by undoped doping is usually formed at a level of about 1.0 × 10 16 to 1.0 × 10 17 . Through this process, when a free electron carrier is formed in the nitride film itself, the 2DEG channel existing under the gate is locally depleted. As a result, the HFET device is formed with a channel through which a current flows in addition to the 2DEG channel. At this time, the current flowing through the thin film rather than the 2DEG channel is a leakage current, which degrades the performance of the device. Loses. That is, an HFET device can have a large leakage current and a low withstand voltage due to unintended doping.

본 발명의 실시 예들은 하나 이상의 도핑 물질을 이용하여 질화물 박막을 도핑함으로써 소스와 드레인 간의 누설 전류량을 저감할 수 있는 질화물 반도체 소자 및 이의 제조 방법을 제공하는 데에 일 목적이 있다.It is an object of the present invention to provide a nitride semiconductor device capable of reducing the amount of leakage current between a source and a drain by doping a nitride thin film using one or more doping materials and a method of manufacturing the same.

본 발명의 실시 예들은 질화물 박막의 성장 시에 철을 먼저 도핑한 다음 탄소을 함께 도핑하여 누설 전류를 감소시키고 항복 전압의 저감을 최소화하는 질화물 반도체 소자 및 이의 제조 방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.It is an object of the present invention to provide a nitride semiconductor device and a method of manufacturing the same, which doped iron first during growth of the nitride thin film and then doped carbon together to reduce leakage current and minimize reduction of breakdown voltage. .

일 실시 예에 따른 질화물 반도체 소자는, 기판 위에 형성되고, 제1 도핑 물질로 도핑된 질화물로 이루어지는 제1 고저항층과, 상기 제1 고저항층 위에 형성되고, 상기 제1 도핑 물질과 제2 도핑 물질로 함께 도핑된 질화물로 이루어지는 제2 고저항층과, 상기 제2 고저항층 위에 형성되고, 도핑되지 아니한 질화물로 이루어지는 활성층과, 상기 활성층 위에 형성되고, 상기 활성층에 2차원 전자 가스 채널이 형성되도록 하는 장벽층과, 상기 장벽층 위에 각각 접촉되는 소스 전극 및 드레인 전극을 포함하여 구성된다.The nitride semiconductor device according to an embodiment may be formed on a substrate, and may be formed of a first high resistance layer made of nitride doped with a first doping material, and may be formed on the first high resistance layer, and the first doped material and the second material may be formed of a nitride semiconductor device. A second high resistance layer made of nitride doped together with a doping material, an active layer formed on the second high resistance layer and formed of undoped nitride, and formed on the active layer, wherein a two-dimensional electron gas channel is formed in the active layer And a barrier layer to be formed, and a source electrode and a drain electrode respectively contacting the barrier layer.

상기 질화물 반도체 소자에 있어서, 상기 제1 도핑 물질은 철(Fe)이고, 상기 제1 고저항층의 도핑 농도는 1e17/cm3 내지 1e19/cm3이다. 또, 상기 제2 도핑 물질은 탄소(C)이고, 상기 제2 고저항층의 도핑 농도는 1e16/cm3 내지 1e19/cm3이다.In the nitride semiconductor device, the first doping material is iron (Fe), and the doping concentration of the first high resistance layer is 1e17 / cm 3 to 1e19 / cm 3 . In addition, the second doping material is carbon (C), and the doping concentration of the second high resistance layer is 1e16 / cm 3 to 1e19 / cm 3 .

다른 실시 예에 따른 질화물 반도체 소자는, 기판 위에 형성되고, 제1 도핑 물질로 도핑된 질화물로 이루어지는 제1 고저항층과, 상기 제1 고저항층 위에 형성되고, 상기 제1 도핑 물질과 제2 도핑 물질로 함께 도핑된 질화물로 이루어지는 제2 고저항층과, 상기 제2 고저항층 위에 형성되고, 도핑되지 아니한 질화물로 이루어지는 활성층과, 상기 활성층 위에 형성되고, 상기 활성층에 2차원 전자 가스 채널이 형성되도록 하는 장벽층과, 상기 장벽층 위에 형성되고, 갈륨 나이트라이드 또는 알루미늄 갈륨 나이트라이드로 이루어지며, 0 내지 100 나노미터의 두께를 가지는 캡층과, 상기 캡층 위에 각각 접촉되는 소스 전극 및 드레인 전극을 포함하여 구성된다.According to another embodiment, a nitride semiconductor device is formed on a substrate and is formed of a nitride that is doped with a first doping material, and is formed on the first high resistance layer, and the first doping material and the second material. A second high resistance layer made of nitride doped together with a doping material, an active layer formed on the second high resistance layer and formed of undoped nitride, and formed on the active layer, wherein a two-dimensional electron gas channel is formed in the active layer A barrier layer to be formed, a cap layer formed on the barrier layer and formed of gallium nitride or aluminum gallium nitride, the cap layer having a thickness of 0 to 100 nanometers, and a source electrode and a drain electrode respectively contacting the cap layer; It is configured to include.

또 다른 실시 예에 따른 질화물 반도체 소자는, 기판 위에 형성되고, 제1 도핑 물질로 도핑된 질화물로 이루어지는 제1 고저항층과, 상기 제1 고저항층 위에 형성되고, 상기 제1 도핑 물질과 제2 도핑 물질로 함께 도핑된 질화물로 이루어지는 제2 고저항층과, 상기 제2 고저항층 위에 형성되고, 도핑되지 아니한 질화물로 이루어지는 활성층과, 상기 활성층 위에 형성되고, 상기 활성층에 2차원 전자 가스 채널이 형성되도록 하는 장벽층과, 상기 장벽층 위에 각각 접촉되는 소스 전극 및 드레인 전극과, 상기 장벽층 위에 형성된 게이트 절연막층과, 상기 게이트 절연막층 위에 접촉되는 게이트 전극을 포함하여 구성된다.In another embodiment, a nitride semiconductor device includes a first high resistance layer formed on a substrate and doped with a first doped material, and a first high resistance layer formed on the first high resistance layer. A second high resistance layer made of nitride doped together with a two doping material, an active layer formed on the second high resistance layer and formed of an undoped nitride, and formed on the active layer, wherein the two-dimensional electron gas channel is formed in the active layer And a barrier layer to be formed, a source electrode and a drain electrode respectively contacted on the barrier layer, a gate insulating film layer formed on the barrier layer, and a gate electrode contacted on the gate insulating film layer.

또 다른 실시 예에 따른 질화물 반도체 소자는, 기판 위에 형성되고, 제1 도핑 물질로 도핑된 질화물로 이루어지는 제1 고저항층과, 상기 제1 고저항층 위에 형성되고, 상기 제1 도핑 물질과 제2 도핑 물질로 함께 도핑된 질화물로 이루어지는 제2 고저항층과, 상기 제2 저항층 위에 형성되고, 도핑되지 아니한 질화물로 이루어지는 활성층과, 상기 활성층 위에 형성되고, 상기 활성층에 2차원 전자 가스 채널이 형성되도록 하는 장벽층과, 상기 장벽층 위에 각각 접촉되는 소스 전극 및 드레인 전극과, 상기 장벽층을 식각하거나, 또는 상기 장벽층과 함께 상기 활성층의 일부 또는 전부를 식각하여 형성된 리세스 영역과, 상기 리세스 영역에 형성된 게이트 절연막층과, 상기 게이트 절연막층 위에 접촉되는 게이트 전극을 포함하여 구성된다.In another embodiment, a nitride semiconductor device includes a first high resistance layer formed on a substrate and doped with a first doped material, and a first high resistance layer formed on the first high resistance layer. A second high resistance layer made of nitride doped together with a two doping material, an active layer formed on the second resistance layer and formed of undoped nitride, and formed on the active layer, wherein a two-dimensional electron gas channel is formed in the active layer A barrier layer to be formed, a source electrode and a drain electrode in contact with each of the barrier layer, a recess region formed by etching the barrier layer or by etching part or all of the active layer together with the barrier layer; A gate insulating film layer formed in the recess region and a gate electrode in contact with the gate insulating film layer.

일 실시 예에 따른 질화물 반도체 소자의 제조 방법은, 기판 위에 제1 도핑 물질로 도핑된 질화물을 이용하여 제1 고저항층을 형성하는 단계와, 상기 제1 고저항층 위에 상기 제1 도핑 물질과 제2 도핑 물질로 함께 도핑된 질화물을 이용하여 제2 고저항층을 형성하는 단계와, 상기 제2 고저항층 위에 도핑되지 아니한 질화물을 이용하여 활성층을 형성하는 단계와, 상기 활성층 위에 장벽층을 형성하는 단계와, 상기 장벽층 위에 소스 전극 및 드레인 전극을 접촉하는 단계를 포함하여 구성된다.According to one or more exemplary embodiments, a method of manufacturing a nitride semiconductor device includes forming a first high resistance layer using nitride doped with a first doping material on a substrate, and forming the first high resistance layer on the first high resistance layer. Forming a second high resistance layer using nitride doped together with a second doping material, forming an active layer using undoped nitride on the second high resistance layer, and forming a barrier layer on the active layer. Forming and contacting the source electrode and the drain electrode over the barrier layer.

본 발명의 실시 예들은, 질화물 박막을 철 원자와 탄소 원자를 이용하여 순차적으로 도핑한 다음, 그 상부에는 도핑되지 아니한 층을 형성시킴으로써 누설 전류를 최소화하고, 항복 전압의 저감을 최소화할 수 있다.Embodiments of the present invention may minimize the leakage current and minimize the breakdown voltage by sequentially doping the nitride thin film using iron and carbon atoms, and then forming an undoped layer thereon.

본 발명의 실시 예들은, 질화물 박막의 성장 시에 결정성에 영향을 미치지 않는 철(Fe)을 하부에 먼저 도핑하고, 철 도핑에 의한 메모리 효과가 발생하는 구간엔 탄소을 도핑함으로써 전위(dislocation)의 양을 줄이고, 이와 함께 박막에 존재하는 자유 전자를 줄일 수 있다.Embodiments of the present invention, the amount of dislocation by doping iron (Fe) that does not affect the crystallinity at the time of the growth of the nitride thin film first, and doping the carbon in the interval of the memory effect caused by iron doping In addition, the free electrons present in the thin film can be reduced.

본 발명의 실시 예들은, 질화물 박막이 고 저항성을 갖도록 함으로써 2차원 전자 가스 채널의 특성을 저해하지 아니하고, 이와 함께 고 내압의 효과를 가진다.Embodiments of the present invention, by making the nitride thin film has a high resistance does not impair the characteristics of the two-dimensional electron gas channel, and together with the effect of high withstand pressure.

또한, 고전압에서 소자를 작동할 시에 누설 전류를 최소화함과 동시에 2DEG 채널의 캐리어 농도(수)나 전자 이동도의 감소를 방지함으로써 소자의 안정성 및 신뢰성을 제고한다.In addition, the device's stability and reliability are improved by minimizing leakage current when operating the device at high voltages, while reducing the carrier concentration (number) and electron mobility of the 2DEG channel.

도 1은 이종 접합 전계 효과 트랜지스터(HFET)의 일반적인 구조를 보인 예시도;
도 2는 일 실시 예에 따른 질화물 반도체 소자의 구조를 보인 도;
도 3은 일 실시 예에 따른 질화물 반도체 소자의 제조 방법을 개략적으로 보인 흐름도;
도 4 및 도 5는 다른 실시 예들에 따른 질화물 반도체 소자의 구조를 보인 도들;
도 6 및 도 7은 다른 실시 예들에 따른 질화물 반도체 소자의 제조 방법을 개략적으로 보인 흐름도들;
도 8a 내지 도 8d는 본 발명의 실시 예들에 있어서의 리세스 영역의 여러 형태를 보인 도들; 및
도 9는 본 발명의 실시 예들에 있어서, 도핑 물질들의 농도 변화를 보인 그래프이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Figure 1 is an exemplary diagram illustrating the general structure of a heterojunction field effect transistor (HFET);
2 illustrates a structure of a nitride semiconductor device according to an embodiment;
3 is a flowchart schematically illustrating a method of manufacturing a nitride semiconductor device according to one embodiment;
4 and 5 are views illustrating a structure of a nitride semiconductor device according to other embodiments;
6 and 7 are flowcharts schematically illustrating a method of manufacturing a nitride semiconductor device according to other embodiments;
8A-8D illustrate various forms of recessed areas in embodiments of the present invention; And
9 is a graph showing a change in concentration of doping materials in the embodiments of the present invention.

도 2를 참조하면, 일 실시 예에 따른 질화물 반도체 소자는, 제1 고저항층(10)과, 제2 고저항층(20)과, 활성층(30)과, 장벽층(40), 그리고 게이트 전극(50), 소스 전극(60), 게이트 전극(70)을 포함하여 구성된다.2, a nitride semiconductor device according to an embodiment may include a first high resistance layer 10, a second high resistance layer 20, an active layer 30, a barrier layer 40, and a gate. The electrode 50 is configured to include a source electrode 60 and a gate electrode 70.

제1 고저항층(10)은, 기판(1) 위에 형성되고, 제1 도핑 물질로 도핑된 질화물로 이루어진다. 제2 고저항층(20)은, 제1 고저항층(10) 위에 형성되고, 상기 제1 도핑 물질과 제2 도핑 물질로 함께 도핑된 질화물로 이루어진다. 활성층(30)은, 제2 고저항층(20) 위에 형성되고, 도핑되지 아니한 질화물로 이루어진다. 장벽층(40)은, 활성층(30) 위에 형성되고, 활성층에 2차원 전자 가스(2-Dimensional Electron Gas; 2DEG) 채널이 형성되도록 한다.The first high resistance layer 10 is formed on the substrate 1 and is made of nitride doped with a first doping material. The second high resistance layer 20 is formed on the first high resistance layer 10 and is formed of a nitride doped together with the first doping material and the second doping material. The active layer 30 is formed on the second high resistance layer 20 and is made of undoped nitride. The barrier layer 40 is formed on the active layer 30, and forms a 2-Dimensional Electron Gas (2DEG) channel in the active layer.

제1 고저항층(10), 제2 고저항층(20), 활성층(30)은, 모두 GaN(갈륨 나이트라이드)층으로서, 도핑되지 아니한 GaN층(undoped GaN)이거나, 또는 탄소(Carbon), 철(Fe), 마그네슘(Mg), 및 이들의 조합 중 하나로 도핑된 고저항 GaN층이다. 도핑 물질은, GaN층, 즉 질화물 박막 내부에 딥 억셉터(deep accepter)가 형성되어 의도치 않게 발생한 자유 전자 캐리어를 속박시킨다. GaN층의 두께는, 0.5 내지 10 마이크로미터(μm), 바람직하게는 0.6 내지 3 μm이 좋다. GaN층에 도핑된 도핑 물질의 농도는, 일반적으로 1e17/cm3 내지 1e20/cm3, 바람직하게는 1e18/cm3 내지 1e19/cm3의 농도를 갖도록 도핑한다.The first high resistance layer 10, the second high resistance layer 20, and the active layer 30 are all GaN (gallium nitride) layers, which are undoped GaN or carbon. , A high resistance GaN layer doped with iron (Fe), magnesium (Mg), or a combination thereof. The doping material forms a deep accepter inside the GaN layer, that is, the nitride thin film, to thereby bind a free electron carrier which is inadvertently generated. The thickness of the GaN layer is 0.5 to 10 micrometers (μm), preferably 0.6 to 3 μm. The concentration of the doped material doped to the GaN layer is generally doped to have a concentration of 1e17 / cm 3 to about 1e20 / cm 3, preferably at 1e18 / cm 3 to about 1e19 / cm 3.

제1 고저항층(10)에 도핑되는 제1 도핑 물질은 (Fe)이고, 제1 고저항층(10)의 도핑 농도는 1e17/cm3 내지 1e19/cm3, 바람직하게는 1e17/cm3 내지 5e18/cm3이 된다. (Fe)은, 탄소(C)보다 작은 억셉터 레벨(accepter level)을 가지는데, 컨덕션 밴드 에지(conduction band edge)로부터 0.3eV에 가까운 에너지 레벨을 갖는다.The first doping material doped in the first high resistance layer 10 is iron (Fe), the doping concentration of the first high resistance layer 10 is 1e17 / cm 3 to 1e19 / cm 3 , preferably 1e17 / cm 3 to 5e18 / cm 3 . Iron (Fe) has an acceptor level smaller than carbon (C), with an energy level close to 0.3 eV from the conduction band edge.

제2 고저항층(20)에 도핑되는 제2 도핑 물질은 탄소(C)이고, 제2 고저항층(20)의 도핑 농도는 1e16/cm3 내지 1e19/cm3이다. 탄소(C)는, 반대로 철(Fe)보다 큰 억셉터 레벨을 가지는데, 컨덕션 밴드 에지로부터 2.5eV에 가까운 낮은 에너지 레벨을 갖는 딥 억셉터를 형성시킨다. 물론 제2 고저항층(10)에는 제1 도핑 물질인 철(Fe)이 존재한다. 제2 고저항층(20)의 두께는 100nm 내지 1μm의 범위가 되도록 하는 것이 좋다.The second doping material doped in the second high resistance layer 20 is carbon (C), and the doping concentration of the second high resistance layer 20 is 1e16 / cm 3 to 1e19 / cm 3 . Carbon (C), on the other hand, has a larger acceptor level than iron (Fe), forming a deep acceptor with a low energy level close to 2.5 eV from the conduction band edge. Of course, iron (Fe), which is a first doping material, is present in the second high resistance layer 10. The thickness of the second high resistance layer 20 may be in a range of 100 nm to 1 μm.

철(Fe)은, 탄소(C)과 달리 전위(dislocation)의 수가 도핑 전과 비교하여 유의할만한 수준으로 증가하지 아니한다. 따라서, 기판(1) 위에 철 원자를 주입하여 제1 고저항층(10)을 형성한다. 제1 고저항층(10)의 형성이 완료되면, 제1 도핑 물질인 철의 주입을 정지시킨다. 그러나, 철은, 주입을 정지한다고 하더라도, 바로 도핑이 중지되지 않고 도핑을 원하지 아니하는 부분까지 도핑되는 현상, 즉 메모리 효과(memory effect)가 있다. 따라서, 제2 고저항층(10)에도 철 원자가 존재한다. 이러한 철 원자는 불순물(impurity)로 작용하여 전자의 이동도(mobility)를 떨어뜨릴 수 있다.Iron (Fe), unlike carbon (C), does not increase to a significant level as compared to before doping. Therefore, iron atoms are implanted onto the substrate 1 to form the first high resistance layer 10. When the formation of the first high resistance layer 10 is completed, the injection of iron, which is the first doping material, is stopped. However, even if iron is stopped, doping does not stop immediately and there is a phenomenon in which doping is not desired, that is, a memory effect. Therefore, iron atoms also exist in the second high resistance layer 10. These iron atoms may act as an impurity (impurity) to reduce the mobility (mobility) of the electrons.

도 9에 도시한 바와 같이, 제2 고저항층(20)은, 제1 도핑 물질의 주입이 정지되고, 제2 도핑 물질의 주입이 시작되면서 형성된다. 전술한 바와 같이, 제1 도핑 물질인 철(Fe)은 그 주입이 정지되더라도 제2 고저항층(20)에 메모리 효과에 의해 존재하게 되는데, 그 농도는 차츰 감소하게 된다. 철 원자가 감소하는 농도만큼 제2 도핑 물질인 탄소(C)의 주입량을 증가시켜 제2 고저항층(20)이 도핑하고자 하는 농도, 예를 들어 1e16/cm3 내지 1e19/cm3이 되도록 한다. 그런 다음, 미리 설정한 높이에 이르면, 제2 고저항층(20)에 대한 탄소(C)의 주입을 정지하고, 제2 고저항층(20)의 위에 활성층(30)을 형성한다. 즉, 상기 질화물 반도체 소자는, 제1 도핑 물질(철)의 주입 정지 후에 감소하는 농도에 대응하여 제2 도핑 물질(탄소)의 농도가 증가하도록 하는 것이 좋다.As shown in FIG. 9, the second high resistance layer 20 is formed when the injection of the first doping material is stopped and the injection of the second doping material starts. As described above, iron (Fe), which is the first doping material, is present in the second high resistance layer 20 even if the implantation is stopped, and the concentration gradually decreases. The injection amount of carbon (C), which is the second doping material, is increased by the concentration of the iron atoms to be reduced so that the second high resistance layer 20 is to be doped, for example, 1e16 / cm 3 to 1e19 / cm 3 . Then, when the height reaches a predetermined height, the injection of carbon C into the second high resistance layer 20 is stopped, and the active layer 30 is formed on the second high resistance layer 20. That is, the nitride semiconductor device may increase the concentration of the second doping material (carbon) in response to the concentration that decreases after the injection stop of the first doping material (iron).

예를 들어, 도 9를 참조하면, 제1 도핑 물질인 철(Fe)을 1e18cm3 의 농도로 도핑하여 제1 고저항층(10)을 형성한 다음, 철의 주입을 정지하고 탄소(C)을 주입시켜 제2 고저항층(20)을 형성한다. 이때, 제2 고저항층(20)의 농도도 제1 고저항층(10)의 농도와 같게 1e18cm3을 유지할 수 있다. 그런 다음, 제2 고저항층(20)의 높이가 일정 높이에 이르거나, 또는 제2 고저항층(20)에서의 철의 농도가 일정 농도 이하로 감소한 것으로 판단되면, 탄소의 주입을 정지하여 활성층을 성장시킨다.For example, referring to FIG. 9, iron (Fe), which is the first doping material, is doped to a concentration of 1e18 cm 3 to form the first high resistance layer 10, and then the implantation of iron is stopped and carbon (C) is stopped. Is injected to form the second high resistance layer 20. In this case, the concentration of the second high resistance layer 20 may be maintained at 1e18 cm 3 , similarly to the concentration of the first high resistance layer 10. Then, when it is determined that the height of the second high resistance layer 20 reaches a certain height or the iron concentration in the second high resistance layer 20 decreases below a certain concentration, the injection of carbon is stopped. Grow the active layer.

활성층(30)은, 도핑되지 아니한 GaN층(undoped GaN)이나, 실제로는 의도하지 않게 도핑된(unintentially doped) GaN층으로서, 아주 적은 농도의 불순물(또는 도핑 물질)이 존재한다. 활성층(30)의 높이는 1 내지 200 나노미터(nm)인 것이 좋다.The active layer 30 is an undoped GaN layer or a GaN layer that is in fact unintendedly doped and contains a very small concentration of impurities (or doping material). The height of the active layer 30 is preferably 1 to 200 nanometers (nm).

제1 고저항층(10), 제2 고저항층(20), 및 활성층(30)은, 다양한 방식(방법)으로 형성될 수 있다. 금속-유기 화학적 기상 증착(Metal Organic Chemical Vapor Deposition; MOCVD), 분자선 에피택시(Molecular Beam Epitaxy; MBE), 수소화물 기상 에피택시(Hydride Vapor Phase Epitaxy; HVPE), 플라즈마 화학 기상 증착(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition; PECVD), 스퍼터링(Sputtering), 및 원자층 증착(Atomic Layer Deposition; ALD) 중 하나 이상을 근거로 형성될 수 있다. 다만, GaN층의 결정성을 고려하여, 금속-유기 화학적 기상 증착으로 제작하는 것이 일반적이다. Ga의 원료인 TMGa, N의 원료인 NH3를 리액터 안에서 고온으로 합성시켜 에피 성장을 하게 된다.The first high resistance layer 10, the second high resistance layer 20, and the active layer 30 may be formed in various ways (methods). A metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), a molecular beam epitaxy (MBE), a hydride vapor phase epitaxy (HVPE), a plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD), Sputtering, and Atomic Layer Deposition (ALD). However, considering the crystallinity of the GaN layer, it is general to fabricate by metal-organic chemical vapor deposition. TMGa as a raw material of Ga, and NH 3 as a raw material of N are synthesized at a high temperature in a reactor to perform epitaxial growth.

제1 고저항층(10)의 하부에는, 도시하지 아니하였으나, 기판(1)과의 사이에 저저항층을 포함할 수 있다. 저저항층은, 일반적으로 엔-형 갈륨 나이트라이드(n-GaN)로 이루어진다. 저저항층의 두께는 0.01 내지 10 마이크로미터(μm)이다. 바람직하게는 저저항층의 두께가 0.1~2 μm이 되도록 성장시킨다. 저저항층도 금속-유기 화학적 기상 증착, 분자선 에피택시, 수소화물 기상 에피택시, 플라즈마 화학 기상 증착 등에 의해 형성될 수 있다.Although not shown in the lower portion of the first high resistance layer 10, a low resistance layer may be included between the substrate 1. The low-resistance layer is generally made of an n-type gallium nitride (n-GaN). The thickness of the low resistance layer is 0.01 to 10 micrometers ([mu] m). Preferably, the low resistance layer is grown to a thickness of 0.1 to 2 μm. The low resistance layer may also be formed by metal-organic chemical vapor deposition, molecular beam epitaxy, hydride vapor phase epitaxy, plasma chemical vapor deposition, or the like.

또, 도시하지 아니하였으나, 제1 고저항층(10)과 기판(1)의 사이에는 AlxGa1 -xN (0≤x≤1)으로 이루어지는 AlGaN층이 더 형성될 수 있다.Although not shown, an AlGaN layer made of Al x Ga 1- x N (0 ≦ x1 ) may be further formed between the first high resistance layer 10 and the substrate 1.

장벽층(40)은, 알루미늄 갈륨 나이트라이드(AlGaN), 즉 AlxGa1 - xN (0≤x≤1)로 이루어진다. 장벽층(40)의 두께는 2 내지 100 나노미터(nm)이다. 바람직하게는 15~30 nm이 되도록 성장시킨다. AlGaN의 Al 조성은 1~100%, 바람직하게는 10~50% 정도로 성장시킨다. 장벽층(40)도 금속-유기 화학적 기상 증착, 분자선 에피택시, 수소화물 기상 에피택시, 플라즈마 화학 기상 증착 등에 의해 형성될 수 있다.The barrier layer 40 is made of aluminum gallium nitride (AlGaN), that is, Al x Ga 1 - x N (0 ? X ? 1). The thickness of the barrier layer 40 is 2 to 100 nanometers (nm). Preferably 15 to 30 nm. The Al composition of AlGaN is about 1 to 100%, preferably about 10 to 50%. The barrier layer 40 may also be formed by metal-organic chemical vapor deposition, molecular beam epitaxy, hydride vapor phase epitaxy, plasma chemical vapor deposition, and the like.

도 4를 참조하면, 다른 실시 예에 따른 질화물 반도체 소자는, 기판(1) 위에 형성되고, 제1 도핑 물질로 도핑된 질화물로 이루어지는 제1 고저항층(10)과, 상기 제1 고저항층(10) 위에 형성되고, 상기 제1 도핑 물질과 제2 도핑 물질로 함께 도핑된 질화물로 이루어지는 제2 고저항층(20)과, 상기 제2 고저항층(20) 위에 형성되고, 도핑되지 아니한 질화물로 이루어지는 활성층(30)과, 상기 활성층(30) 위에 형성되고, 상기 활성층에 2차원 전자 가스 채널이 형성되도록 하는 장벽층(40)과, 상기 장벽층(40) 위에 형성되는 캡층(80)을 포함하여 구성된다. 여기서, 소스 전극(60) 및 드레인 전극(70)은 일 실시 예에서와 달리 상기 캡층(80) 위에 접촉된다. 다른 구성 요소들에 대한 설명은 일 실시 예에 갈음한다.Referring to FIG. 4, a nitride semiconductor device according to another embodiment may include a first high resistance layer 10 formed of a nitride formed on a substrate 1 and doped with a first doping material, and the first high resistance layer. A second high resistance layer 20 formed of nitride and doped together with the first doped material and the second doped material, and formed on the second high resistance layer 20 and not doped. An active layer 30 made of nitride, a barrier layer 40 formed on the active layer 30, and a two-dimensional electron gas channel formed on the active layer, and a cap layer 80 formed on the barrier layer 40. It is configured to include. Here, the source electrode 60 and the drain electrode 70 are in contact with the cap layer 80, unlike in one embodiment. Description of other components is replaced with one embodiment.

캡층(80)도 장벽층(20)과 마찬가지로, 알루미늄 갈륨 나이트라이드(AlGaN), 즉 AlxGa1 - xN (0≤x≤1)로 이루어진다. Al 조성은 0 내지 100%를 사용할 수 있다. 두께는 0 내지 100 나노 미터, 바람직하게는 2~10 nm정도로 성장시킨다. 캡층(80)은 표면 누설 전류를 막는다.Like the barrier layer 20, the cap layer 80 is made of aluminum gallium nitride (AlGaN), that is, Al x Ga 1 - x N (0 ≦ x ≦ 1). Al composition may use 0 to 100%. The thickness is grown to 0 to 100 nanometers, preferably about 2 to 10 nm. Cap layer 80 prevents surface leakage current.

에피 성장 후, 아이솔레이션(isolation) 공정을 진행하여 소자 간 영역을 정의하고 소스 전극 및 드레인 전극을 증착한다.After epitaxial growth, an isolation process is performed to define regions between devices and to deposit source and drain electrodes.

즉, 에피 성장 후, 장벽층(40) 또는 캡층(80) 위에 소스 전극(60)을 형성한다. 소스 전극(60)은, 게이트 전극(50)이 형성되지 아니한 부분에 형성되고, 메탈로 이루어진다.That is, after epitaxial growth, the source electrode 60 is formed on the barrier layer 40 or the cap layer 80. The source electrode 60 is formed in a portion where the gate electrode 50 is not formed, and is made of metal.

소스 전극(60)은 오믹 접촉(Ohmic Contact)으로 형성된다. 예를 들면, 소스 전극(60)은, Ti/Al 기반의 구조를 사용하는데, 열처리를 하고 사용할 수도 있고 열처리 없이 사용하는 경우도 가능하다. 일 예로, 소스 전극(60)은, Ti/Al/Ti/Au이 각각 30/100/20/200nm의 두께로 전자 빔 증착기를 이용하여 증착하여 리프트 오프(Lift-off) 공정으로 패턴을 형성한다.The source electrode 60 is formed by ohmic contact. For example, the source electrode 60 uses a Ti / Al-based structure, which may be used after heat treatment or without heat treatment. For example, the source electrode 60 is patterned by a lift-off process by depositing Ti / Al / Ti / Au with a thickness of 30/100/20/200 nm using an electron beam evaporator .

또, 에피 성장 후, 장벽층(40) 또는 캡층(80) 위에 드레인 전극(70)을 형성한다. 드레인 전극(70)은, 게이트 전극(50)이 형성되지 아니한 부분에 형성되고, 메탈로 이루어진다.After the epitaxial growth, the drain electrode 70 is formed on the barrier layer 40 or the cap layer 80. The drain electrode 70 is formed in a portion where the gate electrode 50 is not formed, and is made of metal.

드레인 전극(70)은 오믹 접촉(Ohmic Contact)으로 형성된다. 예를 들면, 드레인 전극(70)은, Ti/Al 기반의 구조를 사용하는데, 열처리를 하고 사용할 수도 있고 열처리 없이 사용하는 경우도 가능하다.The drain electrode 70 is formed by ohmic contact. For example, the drain electrode 70 uses a Ti / Al-based structure, which may be used after heat treatment or without heat treatment.

도 2 또는 도 4에 도시한 바와 같이, 게이트 전극(50)을 장벽층(40) 또는 캡층(80) 위에 형성할 수 있다.As illustrated in FIG. 2 or 4, the gate electrode 50 may be formed on the barrier layer 40 or the cap layer 80.

한편, 도 5를 참조하면, 또 다른 실시 예에 따른 질화물 반도체 소자는, 기판(1) 위에 형성되고, 제1 도핑 물질로 도핑된 질화물로 이루어지는 제1 고저항층(10)과, 상기 제1 고저항층(10) 위에 형성되고, 상기 제1 도핑 물질과 제2 도핑 물질로 함께 도핑된 질화물로 이루어지는 제2 고저항층(20)과, 상기 제2 고저항층(20) 위에 형성되고, 도핑되지 아니한 질화물로 이루어지는 활성층(30)과, 상기 활성층(30) 위에 형성되고, 상기 활성층(30)에 2차원 전자 가스 채널이 형성되도록 하는 장벽층(40)과, 상기 장벽층(40) 위에 각각 접촉되는 소스 전극(60) 및 드레인 전극(70)과, 상기 장벽층(40) 위에 형성된 게이트 절연막층(51)과, 상기 게이트 절연막층(51) 위에 접촉되는 게이트 전극(50)을 포함하여 구성된다. 물론, 도 4에 도시한 바와 같이, 상기 질화물 반도체 소자가 캡층(80)을 구비하는 경우에, 소스 전극(60) 및 드레인 전극(70)은 캡층(80) 위에 형성될 수 있다.Meanwhile, referring to FIG. 5, a nitride semiconductor device according to another embodiment may include a first high resistance layer 10 formed of a nitride formed on a substrate 1 and doped with a first doping material, and the first high resistance layer 10. It is formed on the high resistance layer 10, and formed on the second high resistance layer 20 and the second high resistance layer 20 made of a nitride doped together with the first doping material and the second doping material, An active layer 30 made of undoped nitride, a barrier layer 40 formed on the active layer 30, and a two-dimensional electron gas channel formed on the active layer 30, and on the barrier layer 40. A source electrode 60 and a drain electrode 70 in contact with each other, a gate insulating layer layer 51 formed on the barrier layer 40, and a gate electrode 50 in contact with the gate insulating layer layer 51. It is composed. Of course, as shown in FIG. 4, when the nitride semiconductor device includes the cap layer 80, the source electrode 60 and the drain electrode 70 may be formed on the cap layer 80.

게이트 절연막층(51)은 게이트 전극의 누설 전류를 방지한다. 게이트 절연막층(51)은, 실리콘 옥사이드(SiO2), 하프늄 옥사이드(HfO2), 알루미늄 옥사이드(Al2O3), 및 실리콘 나이트라이드(SiN) 중 하나 이상으로 이루어진다. 여기서, 게이트 전극(50)은 게이트 절연막층(51) 위에 형성된다. 질화물 반도체 소자는 MIS(Metal-Insulator-Semiconductor) 구조를 가질 수 있다.The gate insulating layer 51 prevents leakage current of the gate electrode. The gate insulating layer 51 is made of at least one of silicon oxide (SiO 2 ), hafnium oxide (HfO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), and silicon nitride (SiN). Here, the gate electrode 50 is formed on the gate insulating film layer 51. The nitride semiconductor device may have a MIS (Metal-Insulator-Semiconductor) structure.

게이트 절연막층(51)은, 다양한 방식(방법)으로 형성될 수 있다. 금속-유기 화학적 기상 증착, 분자선 에피택시, 수소화물 기상 에피택시, 플라즈마 화학 기상 증착, 스퍼터링, 및 원자층 증착 중 하나 이상을 근거로 형성될 수 있다. 예를 들어, 캡층(80) (또는 장벽층(40))까지 성장한 기판 위에 제조 공정을 거쳐 소스 전극(60) 및 드레인 전극(70)을 형성하고, 게이트 절연막층(51)을 thermal evaporator 또는 PECVD 를 이용하여 증착한 다음, 증착된 게이트 절연막층, 즉 산화물 위에 게이트 전극을 형성한다.The gate insulating layer 51 can be formed in various ways (methods). For example, based on at least one of metal-organic chemical vapor deposition, molecular beam epitaxy, hydride vapor phase epitaxy, plasma chemical vapor deposition, sputtering, and atomic layer deposition. For example, the source electrode 60 and the drain electrode 70 are formed on the substrate grown up to the cap layer 80 (or the barrier layer 40) by a manufacturing process, and the gate insulating layer 51 is thermal evaporator or PECVD. After the deposition using, to form a gate electrode on the deposited gate insulating layer, that is, oxide.

도 8a 내지 도 8d를 참조하면, 또 다른 실시 예에 따른 질화물 반도체 소자는, 기판(1) 위에 형성되고, 제1 도핑 물질로 도핑된 질화물로 이루어지는 제1 고저항층(10)과, 상기 제1 고저항층(10) 위에 형성되고, 상기 제1 도핑 물질과 제2 도핑 물질로 함께 도핑된 질화물로 이루어지는 제2 고저항층(20)과, 상기 제2 고저항층(20) 위에 형성되고, 도핑되지 아니한 질화물로 이루어지는 활성층(30)과, 상기 활성층(30) 위에 형성되고, 상기 활성층(30)에 2차원 전자 가스 채널이 형성되도록 하는 장벽층(40)과, 상기 장벽층(40) 위에 각각 접촉되는 소스 전극(60) 및 드레인 전극(70)과, 상기 장벽층(40)을 식각하거나, 또는 상기 장벽층(40)과 함께 상기 활성층(30)의 일부 또는 전부를 식각하여 형성된 리세스 영역(90)과, 상기 리세스 영역(90)에 형성된 게이트 절연막층(51)과, 상기 게이트 절연막층 위에 접촉되는 게이트 전극(50)을 포함하여 구성된다. 물론, 도 4에 도시한 바와 같이, 상기 질화물 반도체 소자가 캡층(80)을 구비하는 경우에, 리세스 영역(90)은 캡층(80)을 더 식각하여 형성될 수 있다.8A to 8D, a nitride semiconductor device according to another embodiment may include a first high resistance layer 10 formed on a substrate 1 and made of nitride doped with a first dopant material, and the first semiconductor layer. It is formed on the first high resistance layer 10, and formed on the second high resistance layer 20 and the second high resistance layer 20 made of a nitride doped together with the first doping material and the second doping material And an active layer 30 made of undoped nitride, a barrier layer 40 formed on the active layer 30 to form a two-dimensional electron gas channel in the active layer 30, and the barrier layer 40. A source electrode 60 and a drain electrode 70 which are in contact with each other, and the barrier layer 40 are etched, or a portion or all of the active layer 30 is etched together with the barrier layer 40. A recess region 90, a gate insulating layer 51 formed in the recess region 90, and And a gate electrode 50 in contact with the gate insulating layer. Of course, as shown in FIG. 4, when the nitride semiconductor device includes the cap layer 80, the recess region 90 may be formed by further etching the cap layer 80.

리세스 공정은 염소 계열의 에칭 가스, 예를 들어 Cl2와 BCl3 기반의 가스를 이용하여 장벽층 등을 에칭한다. 또, 리세스 공정은 에칭 가스를 이용하여 2DEG 채널 위 혹은 아래층, 즉 활성층까지 식각할 수 있다. 게이트 전극(50)은, 리세스 영역(90) 위에 증착하게 되며, 그 영역의 폭은 리세스 영역과 같거나, 소스 전극(60)이나 드레인 전극(70)의 영역으로 0 내지 5 마이크로 미터(μm)씩 확장될 수 있다. 또, 게이트 전극(50)은, Ni, Ir, Pd, Pt등 일 함수가 높은 전극을 사용해 만드는 것이 좋다.The recess process uses a chlorine-based etching gas, for example, Cl 2 and BCl 3 based gas to etch the barrier layer and the like. In addition, the recess process may use an etching gas to etch the layer above or below the 2DEG channel, that is, the active layer. The gate electrode 50 is deposited on the recess region 90, and the width of the region is the same as the recess region, or 0 to 5 micrometers (the region of the source electrode 60 or the drain electrode 70). in μm). In addition, the gate electrode 50 may be made of an electrode having a high work function such as Ni, Ir, Pd, or Pt.

도 8a 내지 도 8d는 리세스 영역의 다양한 형태를 보인 도들이다. 리세스 영역(90)은, 사각 형태(도 8a), 트렌치(trench) 형태(도 8b), 브이-그루브(V-groove) 형태(도 8c), 반원 형태(도 8d) 등의 다양한 형태를 가질 수 있다. 8A through 8D illustrate various types of recess regions. The recess region 90 may have various shapes such as a rectangular shape (FIG. 8A), a trench shape (FIG. 8B), a V-groove shape (FIG. 8C), a semicircle shape (FIG. 8D), and the like. Can have

게이트 전극(50)은, 리세스 영역(90) 위에 형성되는 게이트 절연막층(52) 위에 형성될 수 있다. 게이트 절연막층(42)은 게이트 절연막층(51)과 마찬가지로 게이트 전극의 누설 전류를 방지한다. 게이트 절연막층(52)도, 실리콘 옥사이드(SiO2), 하프늄 옥사이드(HfO2), 알루미늄 옥사이드(Al2O3), 및 실리콘 나이트라이드(SiN) 중 하나 이상으로 이루어지고, 금속-유기 화학적 기상 증착, 분자선 에피택시, 수소화물 기상 에피택시, 플라즈마 화학 기상 증착, 스퍼터링, 및 원자층 증착 중 하나 이상을 근거로 형성될 수 있다.The gate electrode 50 may be formed on the gate insulating layer 52 formed on the recess region 90. The gate insulating film layer 42 prevents the leakage current of the gate electrode similarly to the gate insulating film layer 51. The gate insulating layer 52 is also made of at least one of silicon oxide (SiO 2 ), hafnium oxide (HfO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), and silicon nitride (SiN), and a metal-organic chemical vapor phase. And one or more of deposition, molecular beam epitaxy, hydride vapor phase epitaxy, plasma chemical vapor deposition, sputtering, and atomic layer deposition.

도 3을 참조하면, 일 실시 예에 따른 질화물 반도체 소자의 제조 방법은, 기판 위에 제1 도핑 물질로 도핑된 질화물을 이용하여 제1 고저항층을 형성하는 단계(S110)와, 상기 제1 고저항층 위에 상기 제1 도핑 물질과 제2 도핑 물질로 함께 도핑된 질화물을 이용하여 제2 고저항층을 형성하는 단계(S120)와, 상기 제2 고저항층 위에 도핑되지 아니한 질화물을 이용하여 활성층을 형성하는 단계(S130)와, 상기 활성층 위에 장벽층을 형성하는 단계(S140)와, 상기 장벽층 위에 소스 전극 및 드레인 전극을 접촉하는 단계(S150)를 포함하여 구성된다.Referring to FIG. 3, a method of manufacturing a nitride semiconductor device according to an embodiment includes forming a first high resistance layer using nitride doped with a first doping material on a substrate (S110), and forming the first high resistance layer. Forming a second high resistance layer using nitride doped together with the first doped material and the second doped material on the resistive layer (S120), and using an undoped nitride layer on the second high resistance layer. Forming a barrier layer (S130), forming a barrier layer on the active layer (S140), and contacting the source electrode and the drain electrode on the barrier layer (S150).

제1 고저항층, 제2 고저항층, 활성층은, 모두 GaN층으로서, 도핑되지 아니한 GaN층(undoped GaN)이거나, 또는 탄소(Carbon), 철(Fe), 마그네슘(Mg), 및 이들의 조합 중 하나로 도핑된 고저항 GaN층이다. 도핑 물질은, GaN층, 즉 질화물 박막 내부에 딥 억셉터(deep accepter)가 형성되어 의도치 않게 발생한 자유 전자 캐리어를 속박시킨다. GaN층의 두께는, 0.5~10 μm, 바람직하게는 0.6~3 μm이 좋다. GaN층에 도핑된 도핑 물질의 농도는, 일반적으로 1e17/cm3 내지 1e20/cm3, 바람직하게는 1e18/cm3 내지 1e19/cm3의 농도를 갖도록 도핑한다.The first high resistance layer, the second high resistance layer, and the active layer are all GaN layers, which are undoped GaN layers, or carbon, iron, magnesium, and these. It is a high resistive GaN layer doped in one of the combinations. The doping material forms a deep accepter inside the GaN layer, that is, the nitride thin film, to thereby bind a free electron carrier which is inadvertently generated. The thickness of the GaN layer is 0.5 to 10 m, preferably 0.6 to 3 m. The concentration of the doped material doped to the GaN layer is generally doped to have a concentration of 1e17 / cm 3 to about 1e20 / cm 3, preferably at 1e18 / cm 3 to about 1e19 / cm 3.

제1 고저항층을 형성하는 단계(S110)는, 농도 1e17/cm3 내지 1e19/cm3의 철(Fe)을 주입하여 형성한다. 즉, 제1 고저항층에 도핑되는 제1 도핑 물질은 철(Fe)이고, 제1 고저항층의 도핑 농도는 1e17/cm3 내지 1e19/cm3, 바람직하게는 1e17/cm3 내지 5e18/cm3이 된다. 철(Fe)은, 탄소(C)보다 작은 억셉터 레벨(accepter level)을 가지는데, 컨덕션 밴드 에지(conduction band edge)로부터 0.3eV에 가까운 에너지 레벨을 갖는다.In the forming of the first high resistance layer (S110), iron (Fe) having a concentration of 1e 17 / cm 3 to 1e 19 / cm 3 is injected. That is, the first doping material doped in the first high resistance layer is iron (Fe), the doping concentration of the first high resistance layer is 1e17 / cm 3 to 1e19 / cm 3 , preferably 1e17 / cm 3 to 5e18 / cm 3 . Iron (Fe) has an acceptor level smaller than carbon (C), but has an energy level close to 0.3 eV from the conduction band edge.

제2 고저항층을 형성하는 단계(S120)는, 1e16/cm3 내지 1e19/cm3의 농도를 가지도록 철(Fe)과 탄소(C)을 함께 주입하여 형성한다. 즉, 제2 고저항층에 도핑되는 제2 도핑 물질은 탄소(C)이고, 제2 고저항층(20)의 도핑 농도는 1e16/cm3 내지 1e19/cm3이다. 탄소(C)은, 반대로 철(Fe)보다 큰 억셉터 레벨을 가지는데, 컨덕션 밴드 에지로부터 2.5eV에 가까운 낮은 에너지 레벨을 갖는 딥 억셉터를 형성시킨다. 물론 제2 고저항층에는 제1 도핑 물질인 철(Fe)이 존재한다. 제2 고저항층(20)의 두께는 100nm~1μm의 범위가 되도록 하는 것이 좋다.Forming the second high resistance layer (S120), is formed by injecting iron (Fe) and carbon (C) together to have a concentration of 1e 16 / cm 3 to 1e 19 / cm 3 . That is, the second doping material doped in the second high resistance layer is carbon (C), and the doping concentration of the second high resistance layer 20 is 1e16 / cm 3 to 1e19 / cm 3 . Carbon (C), on the other hand, has a larger acceptor level than iron (Fe), forming a deep acceptor with a low energy level close to 2.5 eV from the conduction band edge. Of course, iron (Fe), which is the first doping material, is present in the second high resistance layer. The thickness of the second high resistance layer 20 may be in a range of 100 nm to 1 μm.

제2 고저항층을 형성하는 단계(S120)는, 상기 제1 도핑 물질의 주입을 정지하는 과정(S121)과, 상기 제2 도핑 물질을 주입하여 농도를 증가시키는 과정(S123)과, 상기 제2 고저항층이 일정 높이에 이르거나, 또는 상기 제2 고저항층에서의 상기 제1 도핑 물질의 농도가 일정 농도 이하이면, 상기 제2 도핑 물질의 주입을 정지시키는 과정(S125)을 포함하여 구성된다.The forming of the second high resistance layer (S120) may include stopping the injection of the first doping material (S121), increasing the concentration by injecting the second doping material (S123), and 2 if the high resistance layer reaches a certain height, or if the concentration of the first doping material in the second high resistance layer is less than or equal to a certain concentration, stopping the injection of the second doping material (S125); It is composed.

철(Fe)은, 탄소(C)과 달리 전위(dislocation)의 수가 도핑 전과 비교하여 유의할만한 수준으로 증가하지 아니한다. 따라서, 먼저 기판 위에 철 원자를 주입하여 제1 고저항층을 형성한다(S110). 제1 고저항층의 형성이 완료되면, 제1 도핑 물질인 철의 주입을 정지시킨다(S121). 그러나, 철은, 박막에 첨가하다가 주입을 정지한다고 하더라도, 도핑을 원하지 아니하는 부분까지 도핑되는 현상, 즉 메모리 효과(memory effect)가 있다. 따라서, 제2 고저항층에도 철 원자가 존재한다. 이러한 철 원자는 불순물(impurity)로 작용하여 전자의 이동도(mobility)를 떨어뜨릴 수 있다.Iron (Fe), unlike carbon (C), does not increase to a significant level as compared to before doping. Accordingly, first, a first high resistance layer is formed by implanting iron atoms on the substrate (S110). When the formation of the first high resistance layer is completed, the injection of iron, which is the first doping material, is stopped (S121). However, even if iron is added to the thin film and stops injecting, iron is doped to a part that does not want to be doped, that is, a memory effect. Therefore, iron atoms also exist in the second high resistance layer. These iron atoms may act as an impurity (impurity) to reduce the mobility (mobility) of the electrons.

도 9에 도시한 바와 같이, 제2 고저항층은, 제1 도핑 물질의 주입이 정지되고(S121), 제2 도핑 물질의 주입이 시작되면서 형성된다(S123). 전술한 바와 같이, 제1 도핑 물질인 철(Fe)은 그 주입이 정지되더라도 제2 고저항층에 메모리 효과에 의해 존재하게 되는데, 그 농도는 차츰 감소하게 된다. 철 원자가 감소하는 농도만큼 제2 도핑 물질인 탄소(C)의 주입량을 증가시켜 제2 고저항층이 도핑하고자 하는 농도, 예를 들어 1e16/cm3 내지 1e19/cm3이 되도록 한다. 그런 다음, 제2 고저항층의 높이가 일정 높이에 이르거나, 또는 제2 고저항층에서의 철의 농도가 일정 농도 이하로 감소한 것으로 판단되면, 제2 고저항층에 대한 탄소(C)의 주입을 정지하고(S125), 제2 고저항층의 위에 활성층을 형성한다(S130). 즉, 상기 질화물 반도체 소자는, 제1 도핑 물질(철)의 주입 정지 후에 감소하는 농도에 대응하여 제2 도핑 물질(탄소)의 농도가 증가하도록 하는 것이 좋다.As shown in FIG. 9, the second high resistance layer is formed while the injection of the first doping material is stopped (S121) and the injection of the second doping material is started (S123). As described above, iron (Fe), which is the first doping material, is present in the second high resistance layer even if the injection is stopped, and the concentration gradually decreases. The injection amount of carbon (C), which is the second doping material, is increased by the concentration of the iron atom to be reduced so that the second high resistance layer is to be doped, for example, 1e16 / cm 3 to 1e19 / cm 3 . Then, if it is determined that the height of the second high resistance layer reaches a certain height or the concentration of iron in the second high resistance layer decreases below a certain concentration, the carbon (C) for the second high resistance layer is determined. Injection is stopped (S125), and an active layer is formed on the second high resistance layer (S130). That is, the nitride semiconductor device may increase the concentration of the second doping material (carbon) in response to the concentration that decreases after the injection stop of the first doping material (iron).

예를 들어, 도 9를 참조하면, 제1 도핑 물질인 철(Fe)을 1e18cm3 의 농도로 도핑하여 제1 고저항층을 형성한 다음, 철의 주입을 정지하고 탄소(C)을 주입시켜 제2 고저항층을 형성한다. 이때, 제2 고저항층의 농도도 제1 고저항층의 농도와 같게 1e18cm3을 유지할 수 있다. 그런 다음, 제2 고저항층의 높이가 일정 높이에 이르거나, 또는 제2 고저항층에서의 철의 농도가 일정 농도 이하로 감소한 것으로 판단되면, 탄소의 주입을 정지하여 활성층을 성장시킨다.For example, referring to FIG. 9, iron (Fe), which is the first doping material, is doped to a concentration of 1e18 cm 3 to form a first high resistance layer, and then the injection of iron is stopped and carbon (C) is injected. A second high resistance layer is formed. In this case, the concentration of the second high resistance layer may be maintained at 1e18 cm 3 , similarly to the concentration of the first high resistance layer. Then, when it is determined that the height of the second high resistance layer reaches a certain height or the iron concentration in the second high resistance layer decreases below a certain concentration, the injection of carbon is stopped to grow the active layer.

활성층은, 도핑되지 아니한 GaN층(undoped GaN)이나, 실제로는 의도하지 않게 도핑된(unintentially doped) GaN층으로서, 아주 적은 농도의 불순물(또는 도핑 물질)이 존재한다. 활성층의 높이는 1 내지 200 나노미터(nm)인 것이 좋다.The active layer is an undoped GaN layer or, in fact, an unintentionally doped GaN layer, with very low concentrations of impurities (or doping materials). The height of the active layer is preferably 1 to 200 nanometers (nm).

제1 고저항층, 제2 고저항층, 및 활성층은, 다양한 방식(방법)으로 형성될 수 있다. 금속-유기 화학적 기상 증착(Metal Organic Chemical Vapor Deposition; MOCVD), 분자선 에피택시(Molecular Beam Epitaxy; MBE), 수소화물 기상 에피택시(Hydride Vapor Phase Epitaxy; HVPE), 플라즈마 화학 기상 증착(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition; PECVD), 스퍼터링(Sputtering), 및 원자층 증착(Atomic Layer Deposition; ALD) 중 하나 이상을 근거로 형성될 수 있다. 다만, GaN층의 결정성을 고려하여, 금속-유기 화학적 기상 증착으로 제작하는 것이 일반적이다. Ga의 원료인 TMGa, N의 원료인 NH3를 리액터 안에서 고온으로 합성시켜 에피 성장을 하게 된다.The first high resistance layer, the second high resistance layer, and the active layer may be formed in various ways (methods). A metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), a molecular beam epitaxy (MBE), a hydride vapor phase epitaxy (HVPE), a plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD), Sputtering, and Atomic Layer Deposition (ALD). However, considering the crystallinity of the GaN layer, it is general to fabricate by metal-organic chemical vapor deposition. TMGa as a raw material of Ga, and NH 3 as a raw material of N are synthesized at a high temperature in a reactor to perform epitaxial growth.

장벽층은, 알루미늄 갈륨 나이트라이드(AlGaN), 즉 AlxGa1 - xN (0≤x≤1)로 이루어진다. 장벽층의 두께는 2~100 nm, 바람직하게는 15~30 nm이 되도록 성장시킨다. AlGaN의 Al 조성은 1~100%, 바람직하게는 10~50% 정도로 성장시킨다(S140). 장벽층도 금속-유기 화학적 기상 증착, 분자선 에피택시, 수소화물 기상 에피택시, 플라즈마 화학 기상 증착 등에 의해 형성될 수 있다.The barrier layer is made of aluminum gallium nitride (AlGaN), that is, Al x Ga 1 - x N (0 ? X ? 1). The thickness of the barrier layer is grown to 2 to 100 nm, preferably 15 to 30 nm. The Al composition of AlGaN is grown to 1 to 100%, preferably 10 to 50% (S140). The barrier layer may also be formed by metal-organic chemical vapor deposition, molecular beam epitaxy, hydride vapor phase epitaxy, plasma chemical vapor deposition, and the like.

에피 성장 후, 아이솔레이션(isolation) 공정을 진행하여 소자 간 영역을 정의하고 소스 전극 및 드레인 전극을 증착한다(S150).After the epitaxial growth, an isolation process is performed to define a region between the devices and to deposit a source electrode and a drain electrode (S150).

즉, 에피 성장 후, 장벽층 위에 소스 전극을 형성한다(S150). 소스 전극은, 게이트 전극이 형성되지 아니한 부분에 형성되고, 메탈로 이루어진다.That is, after epitaxial growth, a source electrode is formed on the barrier layer (S150). The source electrode is formed at a portion where no gate electrode is formed, and is made of metal.

소스 전극은 오믹 접촉(Ohmic Contact)으로 형성된다. 예를 들면, 소스 전극은, Ti/Al 기반의 구조를 사용하는데, 열처리를 하고 사용할 수도 있고 열처리 없이 사용하는 경우도 가능하다. 일 예로, 소스 전극은, Ti/Al/Ti/Au이 각각 30/100/20/200nm의 두께로 전자 빔 증착기를 이용하여 증착하여 리프트 오프(Lift-off) 공정으로 패턴을 형성한다.The source electrode is formed by ohmic contact. For example, the source electrode uses a Ti / Al-based structure, which can be used after heat treatment or without heat treatment. For example, the source electrode is formed by depositing Ti / Al / Ti / Au with a thickness of 30/100/20/200 nm using an electron beam evaporator to form a pattern by a lift-off process.

또, 에피 성장 후, 장벽층 위에 드레인 전극을 형성한다(S150). 드레인 전극은, 게이트 전극이 형성되지 아니한 부분에 형성되고, 메탈로 이루어진다.After the epitaxial growth, a drain electrode is formed on the barrier layer (S150). The drain electrode is formed in a portion where the gate electrode is not formed, and is made of metal.

드레인 전극은 오믹 접촉(Ohmic Contact)으로 형성된다. 예를 들면, 드레인 전극은, Ti/Al 기반의 구조를 사용하는데, 열처리를 하고 사용할 수도 있고 열처리 없이 사용하는 경우도 가능하다.The drain electrode is formed by ohmic contact. For example, the drain electrode uses a Ti / Al-based structure, which can be used with or without heat treatment.

그런 다음, 도 2에 도시한 바와 같이, 게이트 전극을 장벽층 위에 형성할 수 있다(S160).Then, as shown in Figure 2, the gate electrode can be formed on the barrier layer (S160).

도 6을 참조하면, 다른 실시 예에 따른 질화물 반도체 소자의 제조 방법은, 일 실시 예에 더하여 상기 장벽층 위에 갈륨 나이트라이드 또는 알루미늄 갈륨 나이트라이드를 이용하여 캡층을 형성하는 단계(S250)를 더 포함하여 구성된다.Referring to FIG. 6, the method of manufacturing a nitride semiconductor device according to another embodiment may further include forming a cap layer on the barrier layer using gallium nitride or aluminum gallium nitride (S250). It is configured by.

먼저, 상기 제조 방법은, 제1 도핑 물질을 이용하여 기판 위에 제1 고저항층을 형성한다(S210). 제1 고저항층을 형성하는 단계(S210)는, 농도 1e17/cm3 내지 1e19/cm3의 철(Fe)을 주입하여 형성한다. 즉, 제1 고저항층에 도핑되는 제1 도핑 물질은 철(Fe)이고, 제1 고저항층의 도핑 농도는 1e17/cm3 내지 1e19/cm3, 바람직하게는 1e17/cm3 내지 5e18/cm3이 된다.First, in the manufacturing method, the first high resistance layer is formed on the substrate using the first doping material (S210). In the forming of the first high resistance layer (S210), iron (Fe) having a concentration of 1e 17 / cm 3 to 1e 19 / cm 3 is injected. That is, the first doping material doped in the first high resistance layer is iron (Fe), the doping concentration of the first high resistance layer is 1e17 / cm 3 to 1e19 / cm 3 , preferably 1e17 / cm 3 to 5e18 / cm 3 .

그런 다음, 상기 제조 방법은, 제1 및 제2 도핑 물질을 이용하여 제1 고저항층 위에 제2 고저항층을 형성한다(S220). 제2 고저항층을 형성하는 단계(S220)는, 1e16/cm3 내지 1e19/cm3의 농도를 가지도록 철(Fe)과 탄소(C)을 함께 주입하여 형성한다. 즉, 제2 고저항층에 도핑되는 제2 도핑 물질은 탄소(C)이고, 제2 고저항층(20)의 도핑 농도는 1e16/cm3 내지 1e19/cm3이다.Then, the manufacturing method, using the first and second doping material to form a second high resistance layer on the first high resistance layer (S220). Forming the second high resistance layer (S220), it is formed by injecting iron (Fe) and carbon (C) together to have a concentration of 1e 16 / cm 3 to 1e 19 / cm 3 . That is, the second doping material doped in the second high resistance layer is carbon (C), and the doping concentration of the second high resistance layer 20 is 1e16 / cm 3 to 1e19 / cm 3 .

제2 고저항층의 높이가 일정 높이에 이르거나, 또는 제2 고저항층에서의 철의 농도가 일정 농도 이하로 감소한 것으로 판단되면, 탄소의 주입을 정지하여 활성층을 성장시킨다(S230). 활성층은, 도핑되지 아니한 GaN층(undoped GaN)이나, 실제로는 의도하지 않게 도핑된(unintentially doped) GaN층으로서, 아주 적은 농도의 불순물(또는 도핑 물질)이 존재한다. 활성층의 높이는 1~200 nm인 것이 좋다.When it is determined that the height of the second high resistance layer reaches a certain height or the iron concentration in the second high resistance layer is reduced to a predetermined concentration or less, the injection of carbon is stopped to grow the active layer (S230). The active layer is an undoped GaN layer or, in fact, an unintentionally doped GaN layer, with very low concentrations of impurities (or doping materials). The height of the active layer is preferably 1 ~ 200 nm.

장벽층은, 알루미늄 갈륨 나이트라이드(AlGaN), 즉 AlxGa1 - xN (0≤x≤1)로 이루어진다. 장벽층의 두께는 2~100 nm, 바람직하게는 15~30 nm이 되도록 성장시킨다. AlGaN의 Al 조성은 1~100%, 바람직하게는 10~50% 정도로 성장시킨다(S240). 장벽층도 금속-유기 화학적 기상 증착, 분자선 에피택시, 수소화물 기상 에피택시, 플라즈마 화학 기상 증착 등에 의해 형성될 수 있다.The barrier layer is made of aluminum gallium nitride (AlGaN), that is, Al x Ga 1 - x N (0 ? X ? 1). The thickness of the barrier layer is grown to 2 to 100 nm, preferably 15 to 30 nm. The Al composition of AlGaN is grown to 1 to 100%, preferably 10 to 50% (S240). The barrier layer may also be formed by metal-organic chemical vapor deposition, molecular beam epitaxy, hydride vapor phase epitaxy, plasma chemical vapor deposition, and the like.

캡층도 장벽층과 마찬가지로, 알루미늄 갈륨 나이트라이드(AlGaN), 즉 AlxGa1-xN (0≤x≤1)로 이루어진다. Al 조성은 0 내지 100%를 사용할 수 있다. 두께는 0~100 nm, 바람직하게는 2~10 nm정도로 성장시킨다(S250). 캡층은 표면 누설 전류를 막는다.The cap layer, like the barrier layer, is made of aluminum gallium nitride (AlGaN), that is, Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1). Al composition may use 0 to 100%. The thickness is grown to about 0 to 100 nm, preferably about 2 to 10 nm (S250). The cap layer prevents surface leakage currents.

에피 성장 후, 아이솔레이션(isolation) 공정을 진행하여 소자 간 영역을 정의하고 소스 전극 및 드레인 전극을 증착한다(S260). 즉, 에피 성장 후, 캡층 위에 소스 전극을 형성한다(S260). 소스 전극은, 게이트 전극이 형성되지 아니한 부분에 형성되고, 메탈로 이루어진다. 또, 상기 제조 방법은, 캡층 위에 드레인 전극을 형성한다(S260). 드레인 전극도, 게이트 전극이 형성되지 아니한 부분에 형성되고, 메탈로 이루어진다.After the epitaxial growth, an isolation process is performed to define the region between the devices and to deposit the source electrode and the drain electrode (S260). That is, after epitaxial growth, a source electrode is formed on the cap layer (S260). The source electrode is formed at a portion where no gate electrode is formed, and is made of metal. In addition, the manufacturing method forms a drain electrode on the cap layer (S260). The drain electrode is also formed in a portion where the gate electrode is not formed and is made of metal.

그런 다음, 도 4에 도시한 바와 같이, 게이트 전극을 캡층 위에 형성할 수 있다(S160).Then, as shown in FIG. 4, the gate electrode may be formed on the cap layer (S160).

또 다른 실시 예에 따른 질화물 반도체 소자의 제조 방법은, 상기 실시 예들에 더하여, 상기 장벽층 위에 게이트 절연막층을 형성하는 단계와, 상기 게이트 절연막층 위에 게이트 전극을 접촉하는 단계를 더 포함하여 구성된다. 이때, 도 5에 도시한 바와 같이, 캡층까지 형성된 경우에, 게이트 절연막층은 캡층 위에 형성될 수 있다.A method of manufacturing a nitride semiconductor device according to still another embodiment may further include forming a gate insulating layer on the barrier layer and contacting the gate electrode on the gate insulating layer in addition to the above embodiments. . In this case, as shown in FIG. 5, when the cap layer is formed, the gate insulating layer may be formed on the cap layer.

게이트 절연막(층)은, 다양한 방식(방법)으로 형성될 수 있다. 금속-유기 화학적 기상 증착, 분자선 에피택시, 수소화물 기상 에피택시, 플라즈마 화학 기상 증착, 스퍼터링, 및 원자층 증착 중 하나 이상을 근거로 형성될 수 있다. The gate insulating film (layer) can be formed in various ways (methods). For example, based on at least one of metal-organic chemical vapor deposition, molecular beam epitaxy, hydride vapor phase epitaxy, plasma chemical vapor deposition, sputtering, and atomic layer deposition.

게이트 절연막(층)은 게이트 전극의 누설 전류를 방지한다. 게이트 절연막층은, 실리콘 옥사이드(SiO2), 하프늄 옥사이드(HfO2), 알루미늄 옥사이드(Al2O3), 및 실리콘 나이트라이드(SiN) 중 하나 이상으로 이루어진다. 여기서, 게이트 전극은 게이트 절연막층 위에 형성된다. 질화물 반도체 소자는 MIS(Metal-Insulator-Semiconductor) 구조를 가질 수 있다.The gate insulating film (layer) prevents leakage current of the gate electrode. The gate insulating film layer is made of at least one of silicon oxide (SiO 2 ), hafnium oxide (HfO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), and silicon nitride (SiN). Here, the gate electrode is formed on the gate insulating film layer. The nitride semiconductor device may have a MIS (Metal-Insulator-Semiconductor) structure.

도 5를 참조하면, 캡층(또는 장벽층)까지 성장한 기판 위에 제조 공정을 거쳐 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하고, 게이트 절연막층을 thermal evaporator 또는 PECVD 를 이용하여 증착한 다음, 증착된 게이트 절연막층, 즉 산화물 위에 게이트 전극을 형성한다.Referring to FIG. 5, a source electrode and a drain electrode are formed through a manufacturing process on a substrate grown up to a cap layer (or a barrier layer), the gate insulating layer is deposited using a thermal evaporator or PECVD, and then the deposited gate insulating layer, In other words, a gate electrode is formed on the oxide.

도 7을 참조하면, 또 다른 실시 예에 따른 질화물 반도체 소자의 제조 방법은, 상기 실시 예들에 더하여, 장벽층을 식각하거나, 또는 상기 장벽층과 함께 상기 활성층의 일부 또는 전부를 식각하여 리세스 영역을 형성하는 단계(S360)와, 상기 리세스 영역에 게이트 절연막층을 형성하는 단계(S370)와, 상기 게이트 절연막층 위에 게이트 전극을 접촉하는 단계(S380)를 더 포함하여 구성된다. 물론, 도 4에 도시한 바와 같이, 상기 질화물 반도체 소자가 캡층을 구비하는 경우에, 리세스 영역은 캡층을 더 식각하여 형성될 수 있다.Referring to FIG. 7, in the method of manufacturing the nitride semiconductor device according to another embodiment, in addition to the above embodiments, the barrier layer may be etched, or a portion or all of the active layer may be etched together with the barrier layer to recess the region. And forming a gate insulating layer in the recess region (S370), and contacting a gate electrode on the gate insulating layer (S380). Of course, as shown in FIG. 4, when the nitride semiconductor device includes a cap layer, the recess region may be formed by further etching the cap layer.

먼저, 상기 제조 방법은, 제1 도핑 물질을 이용하여 기판 위에 제1 고저항층을 형성한다(S310). 제1 고저항층을 형성하는 단계(S310)는, 농도 1e17/cm3 내지 1e19/cm3의 철(Fe), 바람직하게는 1e17/cm3 내지 5e18/cm3의 철을 주입하여 형성한다(S310).First, in the manufacturing method, the first high resistance layer is formed on the substrate using the first doping material (S310). Forming the first high resistance layer (S310) is formed by injecting iron (Fe) with a concentration of 1e 17 / cm 3 to 1e 19 / cm 3 , preferably 1e17 / cm 3 to 5e18 / cm 3 (S310).

그런 다음, 상기 제조 방법은, 제1 및 제2 도핑 물질을 이용하여 제1 고저항층 위에 제2 고저항층을 형성한다(S320). 제2 고저항층을 형성하는 단계(S220)는, 1e16/cm3 내지 1e19/cm3의 농도를 가지도록 철(Fe)과 탄소(C)을 함께 주입하여 형성한다(S320).Then, the manufacturing method, using the first and second doping material to form a second high resistance layer on the first high resistance layer (S320). In the forming of the second high resistance layer (S220), iron (Fe) and carbon (C) are injected and formed together to have a concentration of 1e 16 / cm 3 to 1e 19 / cm 3 (S320).

제2 고저항층의 높이가 일정 높이에 이르거나, 또는 제2 고저항층에서의 철의 농도가 일정 농도 이하로 감소한 것으로 판단되면, 탄소의 주입을 정지하여 활성층을 성장시킨다(S330). 활성층은, 도핑되지 아니한 GaN층(undoped GaN)이나, 실제로는 의도하지 않게 도핑된(unintentially doped) GaN층으로서, 아주 적은 농도의 불순물(또는 도핑 물질)이 존재한다. 활성층의 높이는 1~200 nm인 것이 좋다.When it is determined that the height of the second high resistance layer reaches a certain height or the iron concentration in the second high resistance layer is reduced to a predetermined concentration or less, the injection of carbon is stopped to grow the active layer (S330). The active layer is an undoped GaN layer or, in fact, an unintentionally doped GaN layer, with very low concentrations of impurities (or doping materials). The height of the active layer is preferably 1 ~ 200 nm.

장벽층은, 알루미늄 갈륨 나이트라이드(AlGaN), 즉 AlxGa1 - xN (0≤x≤1)로 이루어진다. 장벽층의 두께는 2~100 nm, 바람직하게는 15~30 nm이 되도록 성장시킨다. AlGaN의 Al 조성은 1~100%, 바람직하게는 10~50% 정도로 성장시킨다(S340). 장벽층도 금속-유기 화학적 기상 증착, 분자선 에피택시, 수소화물 기상 에피택시, 플라즈마 화학 기상 증착 등에 의해 형성될 수 있다.The barrier layer is made of aluminum gallium nitride (AlGaN), that is, Al x Ga 1 - x N (0 ? X ? 1). The thickness of the barrier layer is grown to 2 to 100 nm, preferably 15 to 30 nm. The Al composition of AlGaN is grown to 1 to 100%, preferably 10 to 50% (S340). The barrier layer may also be formed by metal-organic chemical vapor deposition, molecular beam epitaxy, hydride vapor phase epitaxy, plasma chemical vapor deposition, and the like.

에피 성장 후, 아이솔레이션(isolation) 공정을 진행하여 소자 간 영역을 정의하고 소스 전극 및 드레인 전극을 증착한다(S350). 즉, 에피 성장 후, 장벽층(또는 캡층) 위에 소스 전극을 형성한다(S350). 소스 전극은, 게이트 전극이 형성되지 아니한 부분에 형성되고, 메탈로 이루어진다. 또, 상기 제조 방법은, 장벽층 (또는 캡층) 위에 드레인 전극을 형성한다(S350). 드레인 전극도, 게이트 전극이 형성되지 아니한 부분에 형성되고, 메탈로 이루어진다.After the epitaxial growth, an isolation process is performed to define the region between the devices and to deposit the source electrode and the drain electrode (S350). That is, after epitaxial growth, a source electrode is formed on the barrier layer (or cap layer) (S350). The source electrode is formed at a portion where no gate electrode is formed, and is made of metal. In addition, the manufacturing method forms a drain electrode on the barrier layer (or cap layer) (S350). The drain electrode is also formed in a portion where the gate electrode is not formed and is made of metal.

리세스 공정은 염소 계열의 에칭 가스, 예를 들어 Cl2와 BCl3 기반의 가스를 이용하여 장벽층 등을 에칭한다. 또, 리세스 공정은 에칭 가스를 이용하여 2DEG 채널 위 혹은 아래층, 즉 활성층까지 식각할 수 있다. 게이트 전극은, 리세스 영역 위에 증착하게 되며, 그 영역의 폭은 리세스 영역과 같거나, 소스 전극이나 드레인 전극의 영역으로 0~5 μm씩 확장될 수 있다. 또, 게이트 전극은, Ni, Ir, Pd, Pt등 일 함수가 높은 전극을 사용해 만드는 것이 좋다.The recess process uses a chlorine-based etching gas, for example, Cl 2 and BCl 3 based gas to etch the barrier layer and the like. In addition, the recess process may use an etching gas to etch the layer above or below the 2DEG channel, that is, the active layer. The gate electrode is deposited on the recess region, and the width of the region may be the same as the recess region, or may be extended by 0 to 5 μm to the region of the source electrode or the drain electrode. The gate electrode is preferably made of an electrode having a high work function such as Ni, Ir, Pd, or Pt.

도 8a 내지 도 8d는 리세스 영역의 다양한 형태를 보인 도들이다. 리세스 영역(90)은, 사각 형태(도 8a), 트렌치(trench) 형태(도 8b), 브이-그루브(V-groove) 형태(도 8c), 반원 형태(도 8d) 등의 다양한 형태를 가질 수 있다. 8A through 8D illustrate various types of recess regions. The recess region 90 may have various shapes such as a rectangular shape (FIG. 8A), a trench shape (FIG. 8B), a V-groove shape (FIG. 8C), a semicircle shape (FIG. 8D), and the like. Can have

리세스 영역 위에 게이트 절연막(층)이 형성될 수 있고(S370), 게이트 전극은 게이트 절연막(층) 위에 형성될 수 있다(S380). 게이트 절연막(층)은 도 8b 내지 도 8d에 도시한 바와 같이, 51과 52로 나누어질 수 있다. 즉, 리세스 영역이 형성되기 이전에 게이트 절연막층(51)을 형성시키고, 리세스 영역의 식각 후에 리세스 영역 위에 게이트 절연막층(52)을 다시 형성시킬 수 있다.A gate insulating layer (layer) may be formed on the recess region (S370), and the gate electrode may be formed on the gate insulating layer (layer) (S380). The gate insulating film (layer) can be divided into 51 and 52, as shown in Figs. 8B to 8D. That is, the gate insulating layer 51 may be formed before the recess region is formed, and the gate insulating layer 52 may be formed again on the recess region after etching the recess region.

게이트 절연막(층)은, 실리콘 옥사이드(SiO2), 하프늄 옥사이드(HfO2), 알루미늄 옥사이드(Al2O3), 및 실리콘 나이트라이드(SiN) 중 하나 이상으로 이루어지고, 금속-유기 화학적 기상 증착, 분자선 에피택시, 수소화물 기상 에피택시, 플라즈마 화학 기상 증착, 스퍼터링, 및 원자층 증착 중 하나 이상을 근거로 형성될 수 있다(S370).The gate insulating layer (layer) is made of at least one of silicon oxide (SiO 2 ), hafnium oxide (HfO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), and silicon nitride (SiN), and is a metal-organic chemical vapor deposition. , Molecular beam epitaxy, hydride vapor phase epitaxy, plasma chemical vapor deposition, sputtering, and atomic layer deposition may be formed based on one or more (S370).

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시 예들에 따른 질화물 반도체 소자 및 이의 제조 방법들은, 질화물 박막을 철 원자와 탄소 원자를 이용하여 순차적으로 도핑한 다음, 그 상부에는 도핑되지 아니한 층을 형성시킴으로써 누설 전류를 최소화하고, 항복 전압의 저감을 최소화할 수 있다. 본 발명의 실시 예들은, 질화물 박막의 성장 시에 결정성에 영향을 미치지 않는 철을 하부에 먼저 도핑하고, 철 도핑에 의한 메모리 효과가 발생하는 구간엔 탄소을 도핑함으로써 전위(dislocation)의 양을 줄이고, 이와 함께 박막에 존재하는 자유 전자를 줄일 수 있다. 본 발명의 실시 예들은, 질화물 박막이 고 저항성을 갖도록 함으로써 2차원 전자 가스 채널의 특성을 저해하지 아니하고, 이와 함께 고 내압의 효과를 가진다. 또한, 고전압에서 소자를 작동할 시에 누설 전류를 최소화함과 동시에 2DEG 채널의 캐리어 농도(수)나 전자 이동도의 감소를 방지함으로써 소자의 안정성 및 신뢰성을 제고한다.As described above, the nitride semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the embodiments of the present invention, by sequentially doping the nitride thin film using an iron atom and a carbon atom, and then forming an undoped layer on top of the leakage current And minimization of the breakdown voltage can be minimized. Embodiments of the present invention reduce the amount of dislocations by first doping iron that does not affect the crystallinity at the time of growth of the nitride thin film, and doping carbon in the region where the memory effect due to iron doping occurs, In addition, free electrons present in the thin film can be reduced. Embodiments of the present invention, by making the nitride thin film has a high resistance does not impair the characteristics of the two-dimensional electron gas channel, and together with the effect of high withstand pressure. In addition, the device's stability and reliability are improved by minimizing leakage current when operating the device at high voltages, while reducing the carrier concentration (number) and electron mobility of the 2DEG channel.

1: 기판 10: 제1 고저항층
20: 제2 고저항층 30: 활성층
40: 장벽층 50: 게이트 전극
51, 52: 게이트 절연막층 60: 소스 전극
70: 드레인 전극 80: 캡층
90: 리세스 영역
1: Substrate 10: First High Resistance Layer
20: second high resistance layer 30: active layer
40: barrier layer 50: gate electrode
51, 52: gate insulating film 60: source electrode
70: drain electrode 80: cap layer
90: recessed area

Claims (19)

기판 위에 형성되고, 제1 도핑 물질로 도핑된 질화물로 이루어지는 제1 고저항층;
상기 제1 고저항층 위에 형성되고, 상기 제1 도핑 물질과 제2 도핑 물질로 함께 도핑된 질화물로 이루어지는 제2 고저항층;
상기 제2 고저항층 위에 형성되고, 도핑되지 아니한 질화물로 이루어지는 활성층;
상기 활성층 위에 형성되고, 상기 활성층에 2차원 전자 가스 채널이 형성되도록 하는 장벽층; 및
상기 장벽층 위에 각각 접촉되는 소스 전극 및 드레인 전극;을 포함하는 질화물 반도체 소자.
A first high resistance layer formed on the substrate and made of nitride doped with a first doping material;
A second high resistance layer formed on the first high resistance layer and made of nitride doped together with the first and second doping materials;
An active layer formed on the second high resistance layer and formed of undoped nitride;
A barrier layer formed on the active layer and allowing a two-dimensional electron gas channel to be formed in the active layer; And
And a source electrode and a drain electrode respectively contacting the barrier layer.
제1 항에 있어서,
상기 제2 도핑 물질은, 상기 제2 고저항층보다 상기 제1 고저항층에 적게 포함되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
The method according to claim 1,
The second doping material is less nitride semiconductor device, characterized in that contained in the first high resistance layer than the second high resistance layer.
제1 항에 있어서,
상기 제2 도핑 물질은, 상기 제1 고저항층에 실질적으로 존재하지 아니하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
The method according to claim 1,
And the second doped material is substantially absent from the first high resistance layer.
제1 항에 있어서,
상기 제1 고저항층에서의 상기 제1 도핑 물질의 농도는, 상기 제2 고저항층에서의 그것보다 높은 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
The method according to claim 1,
The concentration of the first doping material in the first high resistance layer is higher than that in the second high resistance layer.
제1 항에 있어서,
상기 제1 도핑 물질은 철(Fe)인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
The method according to claim 1,
The first doped material is a nitride semiconductor device, characterized in that the iron (Fe).
제5 항에 있어서,
상기 제2 도핑 물질은 탄소(C)인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
6. The method of claim 5,
The second doped material is a nitride semiconductor device, characterized in that the carbon (C).
제1 항에 있어서,
상기 제2 고저항층은,
그 높이가 높아질수록, 상기 제1 도핑 물질의 농도가 감소하고, 상기 제2 도핑 물질의 농도가 증가하여 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
The method according to claim 1,
The second high resistance layer,
The higher the height, the concentration of the first doping material is reduced, the nitride semiconductor device, characterized in that formed by increasing the concentration of the second doping material.
제1 항에 있어서,
상기 제1 고저항층, 제2 고저항층, 및 활성층은,
각각 갈륨 나이트라이드로 이루어지고, 그 전체 두께는 1 내지 10 마이크로미터인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
The method according to claim 1,
The first high resistance layer, the second high resistance layer, and the active layer,
A nitride semiconductor device, each consisting of gallium nitride, the total thickness of which is 1 to 10 micrometers.
제1 항에 있어서,
상기 장벽층은,
알루미늄 갈륨 나이트라이드로 이루어지고, 두께는 2 내지 100 나노미터인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
The method according to claim 1,
Wherein the barrier layer comprises
A nitride semiconductor device comprising aluminum gallium nitride and having a thickness of 2 to 100 nanometers.
제1 항에 있어서,
상기 장벽층 위에 형성되고, 갈륨 나이트라이드 또는 알루미늄 갈륨 나이트라이드로 이루어지는 캡층;을 더 포함하는 질화물 반도체 소자.
The method according to claim 1,
And a cap layer formed on the barrier layer and formed of gallium nitride or aluminum gallium nitride.
제1 항 내지 제10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 장벽층 위에 형성된 게이트 절연막층; 및
상기 게이트 절연막층 위에 접촉되는 게이트 전극;을 더 포함하는 질화물 반도체 소자.
11. The method according to any one of claims 1 to 10,
A gate insulating layer formed on the barrier layer; And
And a gate electrode contacting the gate insulating film layer.
제1 항 내지 제10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 장벽층을 식각하거나, 또는 상기 장벽층과 함께 상기 활성층의 일부 또는 전부를 식각하여 형성된 리세스 영역;
상기 리세스 영역에 형성된 게이트 절연막층; 및
상기 게이트 절연막층 위에 접촉되는 게이트 전극;을 더 포함하는 질화물 반도체 소자.
11. The method according to any one of claims 1 to 10,
A recess region formed by etching the barrier layer or by etching part or all of the active layer together with the barrier layer;
A gate insulating layer formed in the recess region; And
And a gate electrode contacting the gate insulating film layer.
기판 위에 제1 도핑 물질로 도핑된 질화물을 이용하여 제1 고저항층을 형성하는 단계;
상기 제1 고저항층 위에 상기 제1 도핑 물질과 제2 도핑 물질로 함께 도핑된 질화물을 이용하여 제2 고저항층을 형성하는 단계;
상기 제2 고저항층 위에 도핑되지 아니한 질화물을 이용하여 활성층을 형성하는 단계;
상기 활성층 위에 장벽층을 형성하는 단계; 및
상기 장벽층 위에 소스 전극 및 드레인 전극을 접촉하는 단계;를 포함하는 질화물 반도체 소자의 제조 방법.
Forming a first high resistance layer on the substrate using nitride doped with a first doped material;
Forming a second high resistance layer on the first high resistance layer by using a nitride doped together with the first doped material and the second doped material;
Forming an active layer using an undoped nitride on the second high resistance layer;
Forming a barrier layer over the active layer; And
Contacting the source electrode and the drain electrode on the barrier layer.
제13 항에 있어서,
상기 제1 고저항층을 형성하는 단계는,
농도 1e17/cm3 내지 1e19/cm3의 철(Fe)을 주입하여 형성하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자의 제조 방법.
The method of claim 13,
Forming the first high resistance layer,
A method of manufacturing a nitride semiconductor device, characterized in that formed by injecting iron (Fe) with a concentration of 1e 17 / cm 3 to 1e 19 / cm 3 .
제13 항에 있어서,
상기 제2 고저항층을 형성하는 단계는,
1e16/cm3 내지 1e19/cm3의 농도를 가지도록 (Fe)과 탄소(C)을 함께 주입하여 형성하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자의 제조 방법.
The method of claim 13,
Forming the second high resistance layer,
A method of manufacturing a nitride semiconductor device, characterized in that formed by injecting iron (Fe) and carbon (C) together to have a concentration of 1e 16 / cm 3 to 1e 19 / cm 3 .
제13 항에 있어서,
상기 제2 고저항층을 형성하는 단계는,
상기 제1 도핑 물질의 주입을 정지하는 과정;
상기 제2 도핑 물질을 주입하여 농도를 증가시키는 과정; 및
상기 제2 고저항층이 일정 높이에 이르거나, 또는 상기 제2 고저항층에서의 상기 제1 도핑 물질의 농도가 일정 농도 이하이면, 상기 제2 도핑 물질의 주입을 정지시키는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자의 제조 방법.
The method of claim 13,
Forming the second high resistance layer,
Stopping implantation of the first doped material;
Injecting the second doping material to increase the concentration; And
Stopping the injection of the second doping material when the second high resistance layer reaches a certain height or when the concentration of the first doping material in the second high resistance layer is lower than or equal to a certain concentration. A method for producing a nitride semiconductor device, characterized in that.
제13 항에 있어서,
상기 장벽층 위에 갈륨 나이트라이드 또는 알루미늄 갈륨 나이트라이드를 이용하여 캡층을 형성하는 단계;를 더 포함하는 질화물 반도체 소자의 제조 방법.
The method of claim 13,
Forming a cap layer on the barrier layer by using gallium nitride or aluminum gallium nitride;
제13 항 내지 제17 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 장벽층 위에 게이트 절연막층을 형성하는 단계; 및
상기 게이트 절연막층 위에 게이트 전극을 접촉하는 단계;를 더 포함하는 질화물 반도체 소자의 제조 방법.
18. The method according to any one of claims 13 to 17,
Forming a gate insulating layer on the barrier layer; And
And contacting a gate electrode on the gate insulating layer.
제13 항 내지 제17 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 장벽층을 식각하거나, 또는 상기 장벽층과 함께 상기 활성층의 일부 또는 전부를 식각하여 리세스 영역을 형성하는 단계;
상기 리세스 영역에 게이트 절연막층을 형성하는 단계; 및
상기 게이트 절연막층 위에 게이트 전극을 접촉하는 단계;를 더 포함하는 질화물 반도체 소자의 제조 방법.
18. The method according to any one of claims 13 to 17,
Etching the barrier layer or etching part or all of the active layer with the barrier layer to form a recessed region;
Forming a gate insulating layer in the recess region; And
And contacting a gate electrode on the gate insulating layer.
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