KR20140100785A - 전력반도체소자 - Google Patents
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Abstract
normally-off 상태를 구현하기 위해서, 실시예에 따른 전력반도체소자는 제 1 반도체층과, 상기 제 1 반도체층 상에 배치되는 제 2 반도체층을 포함하는 반도체층, 상기 반도체층 상에 서로 이격되도록 배치되는 소스 전극과, 드레인 전극, 상기 소스 전극과 상기 드레인 전극의 사이에 배치되는 게이트 전극, 상기 드레인 전극과 상기 반도체층과 절연시키는 제1절연층 및 상기 반도체층내의 2DEG에 형성되는 도핑영역을 포함하고, 상기 도핑영역은 상기 게이트 전극과 적어도 일부 영역이 수직적으로 중첩되고, p형 도펀트에 의해 도핑되는 것을 포함한다.
Description
실시예는 전력반도체소자에 관한 것이다.
최근, 고주파, 고온동작, 고전압 및 고전력을 요구하는 응용영역에서 GaN 계 물질을 반도체층으로 하는 이종 접합을 이용한 전력소자들이 차세대 고전력, 고전압 및 고온 소자로서 각광을 받고 있다.
이와 같은 GaN계의 이종 접합 구조를 갖는 전력소자들에 대한 연구들이 수행되고 있으며 빠른 시일 내에 상용화되어 많은 응용에서 기존에 사용되는 전력소자들을 대체하고 있다.
GaN 계 물질은 큰 밴드갭으로 인해 기존의 소자에 사용되는 물질들에 비해 더욱 큰 전자의 정점속도(peak electron velocity), 포화속도(saturation velocity), 높은 항복 전압(breakdown voltage), 자발분극(spontaneous polarization effect) 및 압전분극(piezoelectric polarization) 등에 의해서 다른 전자소자들보다 위에서 언급된 응용에서 더 우월한 특성을 보일 것으로 예상된다.
이러한 GaN 계의 전자소자들의 연구 및 개발에서 더 높은 전력과 고주파 특성, 안정된 신뢰성 등을 얻기 위한 노력이 계속되고 있다. GaN 계 물질을 사파이어나 실리콘 카바이드 기판에 성장을 할 때에 GaN 계 물질과 기판들 사이의 결정격자상수들의 차이에 의해 많은 결정결함을 가지게 된다.
실시 예는 게이트 전극의 아래에 2DEG(이차원 전자가스; 2 dimensional electron gas)에 도핑영역을 형성하여서 트랜지스터의 문턱전압을 올리고, 노말리 오프(normally-offf)를 구현하는 전력반도체소자를 제공한다.
실시예에 따른 전력반도체소자는 제 1 반도체층과, 상기 제 1 반도체층 상에 배치되는 제 2 반도체층을 포함하는 반도체층, 상기 반도체층 상에 서로 이격되도록 배치되는 소스 전극과, 드레인 전극, 상기 소스 전극과 상기 드레인 전극의 사이에 배치되는 게이트 전극, 상기 드레인 전극과 상기 반도체층과 절연시키는 제1절연층 및 상기 반도체층내의 2DEG에 형성되는 도핑영역을 포함하고, 상기 도핑영역은 상기 게이트 전극과 적어도 일부 영역이 수직적으로 중첩되고, p형 도펀트에 의해 도핑되는 것을 포함한다.
실시예에 따르면, 게이트 전극과 수직적으로 중첩되는 2DEG의 영역에 도핑영역을 형성하여서, 게이트 전극에 전압을 인가하지 않은 상태에서는 pn접합에 의하여 전류가 흐르지 않는 off상태를 유지하게 되는 효과를 가진다.
또한 소스 전극과 드레인 전극에 전류를 흐르게 만들기 위하여 게이트 전극 밑의 도핑영역에 높은 양전압이 인가되므로 전자가 모이게 되어서 높은 문턱 전압(threshold voltage)을 형성시키는 이점이 있다.
또한, 실시예는 게이트 전극 및 드레인 전극과 수직적으로 중첩되는 절연층을 포함시켜 누설전류를 방지하여 내압을 향상시킬 수 있다.
도 1은 일 실시 예에 따른 전력반도체소자를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 단면도이다.
도 3은 다른 실시 예에 따른 전력반도체소자를 도시한 단면도이다.
도 4는 또 다른 실시 예에 따른 전력반도체소자를 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1의 단면도이다.
도 3은 다른 실시 예에 따른 전력반도체소자를 도시한 단면도이다.
도 4는 또 다른 실시 예에 따른 전력반도체소자를 도시한 단면도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성 요소들과 다른 소자 또는 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 소자를 뒤집을 경우, 다른 소자의 "아래(below)"또는 "아래(beneath)"로 기술된 소자는 다른 소자의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 소자는 다른 방향으로도 배향될 수 있고, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기와 면적은 실제크기나 면적을 전적으로 반영하는 것은 아니다.
또한, 실시예에서 발광소자 또는 트랜지스터의 구조를 설명하는 과정에서 언급하는 각도와 방향은 도면에 기재된 것을 기준으로 한다. 명세서에서 발광소자를 이루는 구조에 대한 설명에서, 각도에 대한 기준점과 위치관계를 명확히 언급하지 않은 경우, 관련 도면을 참조하도록 한다.
이하에서는 도면을 참조하여 실시예를 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 일 실시 예에 따른 전력반도체소자를 도시한 사시도, 도 2는 도 1의 단면도이다.전력반도체소자(100)전력반도체소자(100)
도 1 및 도 2를 참조하면, 실시 예에 따른 전력반도체소자(100)는 기판(10), 기판(10) 상에 배치되고 제 1 반도체층(30)과의 격자상수의 차이를 줄여주는 버퍼층(20), 버퍼층(20) 상에 배치되고 전류가 흐르는 채널을 형성하는 제 1 반도체층(30), 제 1 반도체층(30) 상에 배치되고 이차원 전자가스(2 dimensional electron gas, 이하 2DEG)층의 전자밀도를 증가시키기 위한 제 2 반도체층(40), 제 2 반도체층(40) 상에 서로 이격되는 소스 전극(60), 드레인 전극(70), 게이트 전극(80)을 포함할 수 있다.
또한, 반도체층(50)에는 도핑영역(2)이 형성될 수 있다.
기판(10)은 실시 예에 따라 반도체 물질로 형성될 수 있으며, 예를 들어, 규소(Si), 게르마늄(Ge), 비소화갈륨(GaAs), 산화아연(ZnO), 실리콘카바이드(SiC), 실리콘게르마늄(SiGe), 질화갈륨(GaN), 갈륨(Ⅲ)옥사이드(Ga2O3), 사파이어(sapphire)와 같은 캐리어 웨이퍼로 구현될 수 있다. 기판(10)은 전도성 물질로 형성될 수도 있다. 실시 예에 따라서 금속으로 형성될 수 있으며, 예를 들어 금(Au), 니켈(Ni), 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 탄탈륨(Ta), 은(Ag), 백금(Pt), 크롬(Cr)중에서 선택된 어느 하나로 형성하거나 둘 이상의 합금으로 형성할 수 있으며, 위 물질 중 둘 이상의 물질을 적층하여 형성할 수 있다.
기판(10) 상에는 격자부정합을 완화하는 버퍼층(20)이 형성된다. 버퍼층(20)은 기판(10)과 제 1 반도체층(30) 사이의 격자상수 차이를 줄이고 열팽창계수의 차이를 완화시키기 위해 기판(10)과 제 1 반도체층(30) 사이에 배치될 수 있다. 버퍼층(20)은 기판(10)과 제 1 반도체층(30) 사이의 격자상수를 줄여 결정 결함(defect)의 발생을 억제할 수 있다. 버퍼층(20)은 기판(10)과 제 1 반도체층(30) 사이에 배치되어 제 1 반도체층(30)의 결정성 저하를 방지할 수 있다. 버퍼층(20)은 기판(10)과 제 1 반도체층(30) 사이의 격자상수가 크지 않은 경우에는 생략될 수 있다.
버퍼층(20)은 GaN, InN, AlN, AlInN, InGaN, AlGaN, 및 InAlGaN 과 같은 재질 중 선택할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 버퍼층(20)은 기판(10)과 제 1 반도체층(30) 사이의 격자상수를 줄이기 위해서 조성이 위치에 따라서 변할 수 있다. 버퍼층(20)은 하나의 물질로 이루어질 수 있으나 이에 한정되지 않고, 위치에 따라서 조성이 변하며 격자상수가 점차적으로 바뀌며 형성될 수 있다.
버퍼층(20)의 두께는 1㎛ 내지 5㎛ 로 형성될 수 있다. 버퍼층(20)의 두께가 1㎛ 이하로 형성되는 경우 버퍼층(20)의 두께가 너무 얇아서 버퍼층(20)을 형성하기 어려울 수 있고, 버퍼층(20)의 두께가 5㎛ 이상으로 형성되는 경우 버퍼층(20)의 두께가 너무 두꺼워져서 기판(10)이 버퍼층(20)의 두께를 버티지 못할 수 있다.
기판(10)과 버퍼층(20) 사이에 소정의 시드층(seed layer; 미도시)이 배치될 수 있다. 시드층(미도시)는 버퍼층(20)의 성장을 위한 베이스층일 수 있다.
예를 들면, 버퍼층(20)은 단층으로 이루어지고, AlxGa(1-x)N에서 Al의 조성비x가 단계적으로 줄거나 늘어나는 구조를 가질 수도 있고, 다층으로 이루어지고, 각층은 AlxGa(1-x)N 구성을 가지며, 각 층의 Al의 조성비x가 상부 방향으로 진행할 수록 단계적으로 줄거나 늘어나는 구조를 가질 수도 있다. 또한, 버퍼층(20)의 상부는 GaN 캡핑층이 배치될 수도 있다.
다른 예를 들면, 버퍼층(20)은 AlN/ AlxGa(1-x)N/ AlN/GaN/ uGaN 구조로 적층되는 구조를 가질 수 있다.
또 다른 예를 들면, 버퍼층(20)은 AlN상에, 상부 방향으로 갈수록 Al의 조성비가 주는 AlxGa(1-x)N 멀티층과, AlxGa(1-x)N 멀티층 상에 uGaN층과, uGaN층 상에 AlxGa(1-x)N 베리어층과, AlxGa(1-x)N 베리어층 사에 GaN캡핑층의 구조를 가질 수도 있다. 다만, 버퍼층(20)의 구조는 이에 한정되는 것은 아니고, 다양한 구조를 가질 수 있다.
제 1 반도체층(30)은 버퍼층(20) 상에 배치될 수 있고, 기판(10)과 격자상수의 차이가 크지 않은 경우 버퍼층(20)이 생략되어 기판(10) 상에 배치될 수도 있다. 제 1 반도체층(30)은 제 2 반도체층(40) 하부에 배치될 수 있다.
제 1 반도체층(30)은 GaxN (0≤x≤1) 층과 같은 화합물 반도체층일 수 있다. 제 1 반도체층(30)은 도핑되지 않은 GaxN 층일 수 있고, 불순물이 도핑된 GaxN 층일 수 있다. 제 1 반도체층(30) 상에 제 2 반도체층(40)이 배치될 수 있다.
제 2 반도체층(40)은 제 1 반도체층(30) 상에 배치될 수 있다. 제 2 반도체층(40)은 제 1 반도체층(30)과 분극 특성이 다른 물질을 포함할 수 있다. 제 2 반도체층(40)은 제 1 반도체층(30) 보다 분극률이 큰 물질을 포함할 수 있다. 제 2 반도체층(40)에 의해 제 1 반도체층(30)에 2DEG가 형성될 수 있다. 2DEG는 제 1 반도체층(30)과 제 2 반도체층(40)의 계면 아래의 제 1 반도체층(30) 부분에 형성될 수 있다. 2DEG는 n형 채널로 사용될 수 있다. 2DEG가 형성되는 경우 전자의 밀도가 높게 되고, 저항이 낮아서 전류가 잘 흐를 수 있다.
제 2 반도체층(40)은 AlyGaxN (0≤x≤1, 0≤y≤1) 로 형성될 수 있다. 제 2 반도체층(40)은 제 1 반도체층(30)과의 격자 상수 차이를 완화하기 위해서 제 1 반도체층(30)과 가까운 부분에서는 y 값이 0에 가까울 수 있고, 제 1 반도체층(30)과 멀어질수록 y 값이 1까지 증가할 수 있다.
제 1 반도체층(30)과 제 2 반도체층(40)은 AlyGaxN (0≤x≤1, 0≤y≤1)로 형성될 수 있다. 제 1 반도체층(30)의 하부에서 제 2 반도체층(40)의 상부로 가면서 x 값이 0에서 1로 점차적으로 변해가면서 격자상수의 차이를 줄일 수 있다.
반도체층(50)은 제 1 반도체층(30)과 제 2 반도체층(40)을 포함할 수 있다. 반도체층(50) 상에 게이트 전극(80)이 배치될 수 있고, 소스 전극(60)과 드레인 전극(70)이 배치될 수 있다. 게이트 전극(80)과 소스 전극(60), 드레인 전극(70)은 서로 이격되어 형성될 수 있다.
게이트 전극(80)은 반도체층(50) 상에 배치될 수 있다. 게이트 전극(80)은 소스 전극(60)과 드레인 전극(70)과 이격되어 배치될 수 있고, 소스 전극(60)과 드레인 전극(70) 사이에 배치될 수 있다.
게이트 전극(80)은 제 2 반도체층(40)과 제1절연층(45)의해 절연된다.
제1절연층(45)은 게이트 전극(80)과 제 2 반도체층(40)의 사이에 배치되고, 절연 물질로 형성될 수 있다. 제1절연층(45)은 Al2O3, SiOx, SixNy 중 어느 하나로 형성될 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
제1절연층(45)의 두께는 100nm 내지 1000nm 로 형성될 수 있다. 제1절연층(45)의 두께가 100nm 이하인 경우 상술한 제1절연층(45)의 역할을 하는데 효율적이지 않을 수 있고, 제1절연층(45)의 두께가 1000nm 이상으로 형성되는 경우, 제1절연층(45)의 무게가 너무 무거워져 기판(10)이 버티기 힘들어 질 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
쇼트키 컨택(schottky contact)을 형성할 수 있다. 게이트 전극(80)은 제 2 반도체층(40)과 쇼트키 컨택을 형성하는 물질(금속, 금속화합물 등)로 형성될 수 있다. 게이트 전극(80)과 제 2 반도체층(40)이 쇼트키 컨택을 형성하기 위하여 별도의 쇼트키 컨택층(미도시)을 형성할 수도 있다.
게이트 전극(80)은 p형 금속이나 도전성 질화물을 포함할 수 있다. 게이트 전극(80)은 니켈(Ni), 이리듐(Ir), 백금(Pt), 금(Au) 등일 수 있고, TiN, TaN, ZrN 등 일 수 있으나 이에 한정되지 않고, 다양한 p형 금속이나 도전성 질화물을 포함할 수 있다.
소스 전극(60)과 드레인 전극(70)은 반도체층(50) 상에 배치될 수 있다. 소스 전극(60)과 드레인 전극(70)은 서로 이격되어 배치될 수 있고, 게이트 전극(80)과도 서로 이격되어 배치될 수 있다. 소스 전극(60)과 게이트 전극(80) 사이의 거리가 드레인 전극(70)과 게이트 전극(80) 사이의 거리보다 짧을 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
소스 전극(60) 및 드레인 전극(70)은 제 2 반도체층(40)과 오믹 컨택(ohmic contact)을 형성할 수 있다. 소스 전극(60) 및 드레인 전극(70)과 제 2 반도체층(40)이 오믹 컨택을 형성하기 위하여 별도의 오믹 컨택층(미도시)을 형성할 수도 있다.
상기 도핑영역(2)은 반도체층(50) 내의 2DEG이 형성되는 영역에 게이트 전극(80)과 적어도 일부 영역이 수직적으로 중첩되게 배치될 수 있다. 즉, 도핑영역(2)은 2DEG이 형성되는 영역에 게이트 전극(80)과 일부 또는 모든 영역이 중첩되게 배치될 수 있다. 여기서, 수직은 도 1을 기준으로 상하방향을 의미한다.
도핑영역(2)은 p형 도펀트에 의해 도핑되고, 도핑영역(2)의 p형 도펀트는 Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 및 C 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
질화물 반도체는 큰 내압 특성 및 높은 전자 포화 속도를 가지며, 그에 따라 대 전류, 대 전력, 대 전압 소자에 유리한 물성 특성을 가진다. 특히 GaN위에 AlGaN을 가진 hetero 구조는 압전 분극과 자발분극의 영향으로 높은 이동도와 큰 전자 농도를 가능하게 하는 구조로 활발히 연구되고 있다. 하지만, 이와 같은 구조는 게이트 전극(80)에 전압을 인가하지 않은 상태에서 소스 전극(60)과 드레인 전극(70)에 전류가 흐르는 normally-on특성을 가지게 되며, 음의 문턱전압(threshold voltage)를 가지게 되는 문제점이 있다.
실시예에 따르면, 게이트 전극(80)과 수직적으로 중첩되는 2DEG의 영역에 도핑영역(2)을 형성하여서, 소스 전극(60)과 드레인 전극(70) 사이의 2DEG에는 게이트 전극(80)과 수직적으로 중첩되는 도핑영역(2)을 형성되므로, 게이트 전극(80)에 전압을 인가하지 않은 상태에서는 pn접합에 의하여 전류가 흐르지 않는 normally-off상태를 유지하게 되는 효과를 가진다. 또한 소스 전극(60)과 드레인 전극(70)에 전류를 흐르게 만들기 위하여 게이트 전극(80) 밑의 도핑영역(2)에 높은 양전압이 인가되므로 전자가 모이게 되고 높은 문턱 전압(threshold voltage)이 형성되는 이점이 있다.
도핑영역(2)의 도핑농도는 10e14/cm3 내지 1e18/cm3 인 것이 바람직하다. 도핑농도가 너무 낮으면 normally-off상태를 유지하기 힘들고, 도핑농도가 너무 높은 경우 반도체층(50)의 품질이 저하되기 때문이다.
또한, 도핑영역(2)의 면적 또는 폭은 게이트 전극(80)의 면적 또는 폭에 대응되게 형성될 수 있다. 바람직하게는 도핑영역(2)의 면적 또는 폭은 게이트 전극(80)의 면적 또는 폭보다 넓게 형성될 수 있다. 도핑영역(2)의 형상은 제한이 없지만, 바람직하게는 게이트 전극(80)의 평면상의 형상에 대응되는 형상을 가질 수 있다.
도핑영역(2)은 2DEG에 형성되며, 다양한 배치를 가질 수 있다. 예를 들면, 도핑영역(2)은 제 1 반도체층(30)에 형성될 수 있고, 제 1 반도체층(30)과 반도체층(50)에 형성될 수도 있다. 여기서, 제 1 반도체층(30)에 형성된 도핑영역(2)을 제1도핑영역(32)이고, 제 2 반도체층(40)에 형성된 도핑영역(2)은 제2도핑영역(42)으로 정의한다.
제1도핑영역(32)은 제 1 반도체층(30)에서 2DEG 이 형성되는 영역에 배치된다. 바람직하게는, 제1도핑영역(32)은 제 1 반도체층(30)과 제 2 반도체층(40)의 계면에서 제 1 반도체층(30)의 방향으로 연장되어 형성될 수 있다. 더욱 바람직하게는 제1도핑영역(32)의 두께(a)는, 50nm 내지 100nm일 수 있다. 제1도핑영역(32)의 두께가 너무 얇은 경우 normally off상태를 유지하기 힘들고, 제1도핑영역(32) 두께가 너무 두꺼우면 제 1 반도체층(30)의 품질이 저하되기 때문이다.
도 3은 다른 실시 예에 따른 전력반도체소자를 도시한 단면도이다.
도 3을 참고하면, 실시예에 따른 전력반도체소자(100A)은 도 1의 실시예에 비교하면, 도핑영역(2)은 제2도핑영역(42)을 더 포함한다. 이하에서는 도 1의 실시예에서 설명한 구성과 동일한 구성에 대한 설명은 생략한다.
제2도핑영역(42)은 제 2 반도체층(40) 내에서 게이트 전극(80)과 수직적으로 중첩되게 형성될 수 있다. 제2도핑영역(42)의 도핑농도 등은 상술한 바와 같다.
또한, 제2도핑영역(42)의 폭은 제1도핑영역(32)의 폭과 상이하거나 같을 수 있다.
제 2 반도체층(40)에 제2도핑영역(42)이 형성되면, 더욱 높은 문턱 전압을 형성할 수 있다.
도 4는 또 다른 실시 예에 따른 전력반도체소자를 도시한 단면도이다.
도 4를 참고하면, 실시예에 따른 전력반도체소자(100B)은 도 3의 실시예에 비교하면, 제2절연층(90)을 더 포함하고, 제1도핑영역(32)의 배치에 차이점이 존재한다.
제1도핑영역(32)은 2DEG이 형성되는 영역에 형성될 수도 있고, 제 1 반도체층(30)에 형성될 수도 있다.
제2절연층(90)은 반도체층(50)과 기판(10) 사이에 배치될 수 있다. 제2절연층(90)은 기판(10)을 형성한 후 버퍼층(20)을 형성하기 전에 기판(10) 상에 배치될 수 있다. 제2절연층(90)은 버퍼층(20)과 기판(10) 사이에 배치될 수 있으나 버퍼층(20)이 없는 경우에는 기판(10)과 반도체층(50) 사이에 배치될 수 있다.
제2절연층(90)은 게이트 전극(80)의 엣지(edge) 에서 형성된 수직적 전계의 증가를 지연시킬 수 있고, 이로 인해 고내압 특성을 가지도록 할 수 있다. 드레인 전극(70)에 전압이 인가되면 드레인 전극(70)의 하부에 공핍층(depletion layer)이 형성되고, 게이트 전극(80)의 엣지에서 형성된 전계가 증가함에 따라 공핍층이 기판(10)까지 도달할 수 있다. 공핍층이 기판(10)까지 도달하는 경우 전류가 급격히 증가되면서 전압 파괴 현상이 일어날 수 있다. 또한 일정 전계 이상이 게이트 전극(80)의 엣지 부분에 걸리는 경우 역시 전류가 급격히 증가하며 전압 파괴 현상이 일어날 수 있다. 제2절연층(90)은 공핍층이 기판(10)까지 도달하는 것을 막을 수 있다. 제2절연층(90)은 게이트 전극(80)의 엣지에서 형성된 전계가 증가하여 기판(10)까지 도달하는 것을 막아 전압 파괴 현상이 일어나는 것을 막을 수 있다.
제2절연층(90)은 게이트 전극(80) 및 드레인 전극(70)과 수직적으로 중첩되게 배치될 수 있다. 제2절연층(90)은 소스 전극(60)의 하부에 형성되지 않을 수 있다. 제2절연층(90)이 소스 전극(60)의 하부에 형성되는 경우 동작 상태에서 발생되는 캐리어(carrier)들이 빠져나가는 통로를 막을 수 있고, 이 경우 동작상태의 안정성이 떨어지게 된다. 제2절연층(90)은 소스 전극(60)의 하부에 형성되지 않고, 게이트 전극(80) 및 드레인 전극(70)의 하부에 형성되어 동작상태의 안정성을 높일 수 있다.
제2절연층(90)은 절연 물질로 형성될 수 있다. 제2절연층(90)은 Al2O3, SiOx, SixNy 중 어느 하나로 형성될 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 제2절연층(90)은 전류가 흐르는 것을 막을 수 있는 물질로 형성될 수 있다.
제2절연층(90)의 두께는 100nm 내지 1000nm 로 형성될 수 있다. 제2절연층(90)의 두께가 100nm 이하인 경우 상술한 제2절연층(90)의 역할을 하는데 효율적이지 않을 수 있고, 제2절연층(90)의 두께가 1000nm 이상으로 형성되는 경우, 제2절연층(90)의 무게가 너무 무거워져 기판(10)이 버티기 힘들어 질 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
이때, 버퍼층(20)은 기판(10) 상에 제2절연층(90)이 배치된 후 제2절연층(90) 상에 배치될 수 있다. 버퍼층(20)은 제2절연층(90)이 배치되면서 제2절연층(90)을 포함한 부분의 높이가 제2절연층(90)을 포함하지 않은 부분의 높이보다 높아진 것을 서로 비슷한 높이로 맞추기 위하여 평탄화 작업을 거칠 수 있다. 버퍼층(20)은 평탄화 작업을 거치며 제2절연층(90)이 배치된 부분과 제2절연층(90)이 배치되지 않은 부분의 높이가 서로 비슷하도록 형성될 수 있다. 버퍼층(20)이 평탄화 작업을 거친 경우 제 1 반도체층(30)은 더욱 용이하게 배치될 수 있다.
이상에서는 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.
Claims (14)
- 제 1 반도체층과, 상기 제 1 반도체층 상에 배치되는 제 2 반도체층을 포함하는 반도체층;
상기 반도체층 상에 서로 이격되도록 배치되는 소스 전극과, 드레인 전극;
상기 소스 전극과 상기 드레인 전극의 사이에 배치되는 게이트 전극;
상기 드레인 전극과 상기 반도체층과 절연시키는 제1절연층; 및
상기 반도체층내의 2DEG에 형성되는 도핑영역을 포함하고,
상기 도핑영역은,
상기 게이트 전극과 적어도 일부 영역이 수직적으로 중첩되고, p형 도펀트에 의해 도핑되는 전력반도체소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 p형 도펀트는 Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 및 C 중 어느 하나를 포함하는 전력반도체소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 도핑영역은 상기 게이트 전극의 면적 보다 넓은 전력반도체소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 도핑영역의 도핑농도는 10e14/cm3 내지 1e18/cm3 인 전력반도체소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 도핑영역은 상기 제1 반도체층과 제 2 반도체층의 계면에서 상기 제 1 반도체층이 방향으로 연장되어 형성되는 제1도핑영역을 포함하는 전력반도체소자. - 제 5 항에 있어서,
상기 제1도핑영역의 두께는, 50nm 내지 100nm인 전력반도체소자. - 제 5 항에 있어서,
상기 도핑영역은,
상기 제 2 반도체층에 형성되는 제2도핑영역을 더 포함하는 전력반도체소자. - 제 7 항에 있어서,
상기 제2도핑영역의 폭은 상기 제1도핑영역의 폭과 상이한 전력반도체소자.
- 제 1 항에 있어서,
상기 반도체층의 아래에 배치되는 기판을 더 포함하고,
상기 반도체층과 상기 기판 사이에 배치되며, 상기 게이트 전극 및 상기 드레인 전극과 수직적으로 중첩되게 배치되는 제2절연층을 더 포함하는 전력반도체소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 게이트 전극은 상기 드레인 전극과의 거리보다 상기 소스 전극과의 거리가 가까운 것을 포함하는 전력반도체소자. - 제 9 항에 있어서,
상기 기판과 상기 반도체층 사이에 배치되는 버퍼층을 더 포함하고,
상기 버퍼층은 AlGaN, GaN, 또는 AlN 중 어느 하나를 포함하는 전력반도체소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 반도체층은 GaxN (0≤x≤1)을 포함하는 전력반도체소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 반도체층은 AlyGaxN (0≤x≤1, 0≤y≤1)을 포함하는 전력반도체소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 반도체층과 상기 제 2 반도체층은 AlyGaxN (0≤x≤1, 0≤y≤1)을 포함하고,
상기 제 1 반도체층의 하부에서 상기 제 2 반도체층의 상부로 가면서 상기 Ga의 계수x 가 0에서 1로 변하는 전력반도체소자.
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| JP2009218566A (ja) * | 2008-02-13 | 2009-09-24 | Toshiba Corp | 半導体装置 |
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