KR20140147435A - Nitnide based field effect transistor and method of fabricating the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 고내압성의 대전류 밀도를 가지는 질화물계 트랜지스터 소자에 관한 것으로, 특히, 측면성장법(epitaxial lateral overgrowth:ELO) 기반으로 노멀리-오프(normally off) 특성을 갖는 질화물계 전계효과 트랜지스터(heterojunction field-effect transistor:HFET) 소자에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a nitride-based transistor device having high-voltage and high-current density, and more particularly to a nitride-based field effect transistor having a normally off characteristic based on an epitaxial lateral overgrowth (ELO) field-effect transistor (HFET) device.
파워 앰프회로, 전원회로, 모터 구동 회로 등에 실리콘 반도체를 이용한 파워 디바이스가 이용되고 있다. 그러나 실리콘 반도체의 한계로 인해, 실리콘 디바이스의 고내압화, 저저항화 및 고속화는 한계에 도달하고 있고, 시장의 요구에 부응하는 것이 곤란해지고 있다. 따라서 고 내압, 고온동작, 대전류밀도, 고속 스위칭 및 낮은 온 저항과 같은 특징을 갖는 III-V계 디바이스의 개발이 검토되고 있다.A power device using a silicon semiconductor is used for a power amplifier circuit, a power supply circuit, and a motor drive circuit. However, due to the limitations of silicon semiconductors, the demand for high-voltage, low-resistance, and high-speed silicon devices has reached their limits and it has become difficult to meet market demands. Therefore, the development of a III-V device having features such as high breakdown voltage, high temperature operation, high current density, high speed switching and low on-resistance is under development.
그러나 제안된 III-V계 디바이스는 기판 표면을 따라 소스, 게이트 및 드레인을 배열한 수평형 구조로 되어 있어, 대전류가 필요한 파워 디바이스에 적합하지 않다. 더욱이, 파워 디바이스에 필수적인 노멀리 오프 동작의 실현이 용이하지 않다는 문제가 있다. 또한, 고 전압 동작 시 전자가 반도체와 보호막 사이에 포획되어 드레인 전류가 감소하는 이른바 전류 붕괴(current collapse) 현상이 나타나는 문제가 있다. 더욱이, 수평형 구조의 III-V계 디바이스, 특히 GaN 디바이스는 내압도 부족하여 600V 이하의 고속응답 용도로 사용되고 있다.However, the proposed III-V device has a horizontal structure in which the source, gate, and drain are arranged along the surface of the substrate, so that it is not suitable for a power device requiring a large current. Furthermore, there is a problem that it is not easy to realize a normally-off operation required for a power device. Further, there is a problem in that a so-called current collapse phenomenon occurs in which electrons are trapped between the semiconductor and the protective film in a high-voltage operation and the drain current is reduced. Furthermore, a III-V device of a horizontal structure, especially a GaN device, is used for high-speed response of 600 V or less due to insufficient pressure resistance.
고내압 및 대전류 밀도를 가지는 전계효과 트랜지스터로서, CAVET(Current Aperture Vertical Electron Transistor)는, GaN기판에 성장한 버티컬 타입(vertical type)의 전계효과 트랜지스터로서, 게이트 부분에 2DEG와 CBL(Current Blocking Layer)이용하여, 성능을 향상시킬 수도 있다. 그러나, 상기 CAVET는 노멀리 온 디바이스라는 점에서, 실용적인 면에서 제한이 있다.CAVET (Current Aperture Vertical Electron Transistor) is a vertical type field effect transistor grown on a GaN substrate. The field effect transistor uses 2DEG and CBL (Current Blocking Layer) So that the performance can be improved. However, since CAVET is a normally-on device, there is a practical limitation.
한편, 질화갈륨계 트랜지스터를 제작하는데 있어서, GaN기판을 사용하면 높은 가격으로 인한 단점이 존재하고, 사파이어 기판을 사용하면 전위결함(Threading Dislocation:TD)의 발생량이 많아서 항복전압(Breakdown Voltage:BV)가 낮다는 단점이 존재한다.
On the other hand, when a GaN substrate is used for manufacturing a gallium nitride transistor, there is a disadvantage due to a high price. When a sapphire substrate is used, a breakdown voltage (BV) is generated due to a large amount of occurrence of threading dislocation (TD) Is low.
본 발명은 고내압, 대전류 밀도, 노멀리 오프 특성을 가지는 버티컬 타입의 질화물계 전계효과 트랜지스터를 제공하고자 한다. SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a vertical type nitride-based field-effect transistor having high breakdown voltage, high current density, and normally off characteristics.
또는, 본 발명은 저렴한 비용으로 제작할 수 있는 노멀리 오프 특성의 질화물계 전계효과 트랜지스터를 제공하고자 한다.
Alternatively, the present invention aims to provide a nitride-based field-effect transistor having a normally-off characteristic which can be manufactured at low cost.
본 발명의 일측면에 따른 전계효과 트랜지스터는, 드레인 전극을 구비하며, 제1 극성으로서 n형으로 도핑된 제1반도체층, 상기 제1반도체층 상부에 형성된 도핑되지 않은 반도체로 형성된 제2반도체층, 상기 제2반도체층 상부에 형성된 소스전극 및 제2극성으로서 p형으로 도핑된 제3반도체층, 상기 제3반도체층 상부에 형상된 절연층; 상기 절연층 상부에 형성된 게이트 전극 및 상기 소스 전극의 하부 영역에 상기 소스 전극과 드레인전극의 수직 경로를 차단하도록 형성된 차단층을 포함하는 것을 특징으로 한다. A field effect transistor according to an aspect of the present invention includes a first semiconductor layer doped with an n-type as a first polarity, a second semiconductor layer formed of an undoped semiconductor formed on the first semiconductor layer, A source electrode formed on the second semiconductor layer, a third semiconductor layer doped with p-type conductivity as a second polarity, an insulating layer formed on the third semiconductor layer, A gate electrode formed on the insulating layer, and a blocking layer formed on the lower region of the source electrode to block a vertical path between the source electrode and the drain electrode.
여기서 상기 제1반도체층은 사파이어 기판 상부에 형성된 것을 특징으로 한다. The first semiconductor layer is formed on the sapphire substrate.
상기 드레인전극 상에 상기 차단층과 평행하게 형성된 추가 차단층을 더 포함하는 것을 특징으로 한다. And an additional blocking layer formed on the drain electrode in parallel with the blocking layer.
상기 제1반도체층은, 상기 차단층 아래 영역에 반도체층을 성장시키기 위한 씨드층을 배치시키는 것을 특징으로 한다. The first semiconductor layer is characterized by disposing a seed layer for growing a semiconductor layer in a region below the blocking layer.
상기 제1반도체층은, 상기 드레인전극 상에 고농도로 도핑된 하이도핑 질화갈륨계 반도체층 및 상기 고농도로 도핑된 질화갈륨계 반도체층 상부에 형성된 저농도로 도핑된 로우도핑 질화갈륨계 반도체층을 포함하는 것을 특징으로 한다. The first semiconductor layer may include a highly doped gallium nitride based semiconductor layer doped at a high concentration on the drain electrode and a low doped low doped gallium nitride based semiconductor layer formed on the highly doped gallium nitride based semiconductor layer .
상기 제2반도체층은, 두께가 0.2um 이상 1.0 um 이하인 것을 특징으로 한다. And the second semiconductor layer has a thickness of 0.2um or more and 1.0um or less.
상기 게이트 전극에 전압이 인가되지 않은 상태에서 상기 제3반도체층과 제2반도체층의 접촉에 의해 형성되는 공핍 영역은, 상기 차단층까지 형성되는 것을 특징으로 한다. And a depletion region formed by the contact of the third semiconductor layer and the second semiconductor layer in a state where no voltage is applied to the gate electrode is formed up to the blocking layer.
상기 게이트 전극에 작동 전압을 인가하면, 상기 제3반도체층과 제2반도체층의 접촉에 의해 형성되는 공핍 영역은, 상기 제3반도체층 하부에만 형성되어 상기 소스전극과 상기 드레인전극 사이에 채널이 형성되는 것을 특징으로 한다. When a working voltage is applied to the gate electrode, a depletion region formed by the contact of the third semiconductor layer and the second semiconductor layer is formed only under the third semiconductor layer, and a channel is formed between the source electrode and the drain electrode Is formed.
제1에너지 밴드갭을 갖으며 제1질화물 반도체로 형성되는 상기 제1반도체층 및 제2질화물 반도체로 형성되는 제2반도체층을 관통하여 형성되는 상기 드레인전극, 상기 드레인전극과 전기적으로 연결되고 상기 제1반도체층의 일부를 관통하여 형성되며 제1에너지밴드갭과 다른 제4에너지밴드갭을 갖으며 제4질화물 반도체로 형성되는 채널층,을 더 포함하는 것을 특징으로 한다. A drain electrode formed through the first semiconductor layer and a second semiconductor layer formed of the second nitride semiconductor and having a first energy band gap and formed of a first nitride semiconductor; And a channel layer formed through the part of the first semiconductor layer and having a fourth energy band gap different from the first energy band gap and formed of a fourth nitride semiconductor.
그리고, 상기 소스 전극 및 제3에너지 밴드갭을 갖으며 제3질화물반도체로 형성되는 상기 제3반도체층과 제2에너지 밴드갭을 갖으며 제2질화물 반도체로 형성되는 상기 제2반도체층의 사이에 위치하고 제2에너지 밴드갭과 다른 제5에너지 밴드갭을 갖으며 제5질화물 반도체로 형성되는 배리어층을 더 포함하는 것을 특징으로 한다. The third semiconductor layer having the source electrode and the third energy band gap and being formed of the third nitride semiconductor, the second semiconductor layer having the second energy band gap and being formed of the second nitride semiconductor, And a barrier layer formed of a fifth nitride semiconductor and having a fifth energy band gap different from the second energy band gap.
상기 게이트 전극에 작동 전압을 인가하면, 상기 소스 전극 및 제3 반도체층과 상기 제2반도체층의 사이에 2DEG층이 형성되는 것을 특징으로 한다.When a working voltage is applied to the gate electrode, a 2DEG layer is formed between the source electrode, the third semiconductor layer, and the second semiconductor layer.
본 발명의 다른 측면에 따른 전계효과 트랜지스터의 제조 방법은, 제1기판 상에 제1 극성의 씨드층을 형성하는 제1단계 상기 씨드층을 성장시켜 제1 극성으로서 n형으로 도핑된 제1반도체층을 형성하는 제2단계, 상기 씨드층을 덮을 수 있도록 n형으로 도핑된 상기 제1반도체층 상에 차단층을 형성하는 제3단계, 상기 차단층이 없는 상기 제1반도체층 상에 도핑되지 않은 반도체층으로 이루어진 제2반도체층을 형성하는 제4단계, 상기 차단층 및 상기 제2반도체층 상에 제2 극성으로서 p형으로 도핑된 p GaN층으로 이루어진 상기 제3반도체층을 형성하는 제5단계, 상기 제3반도체층 상에 절연층을 형성하는 제6단계, 상기 차단층 상부 영역에 소스 전극을, 상기 소스 전극 사이에 게이트 전극을 형성하는 제7단계, 상면에 제2기판을 부착하는 제8단계, 상기 제1기판을 분리하는 제9단계 및 상기 제1기판이 분리된 면에 드레인전극을 형성하는 제10단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a field effect transistor, comprising: a first step of forming a seed layer of a first polarity on a first substrate; growing a seed layer of the first polarity; A third step of forming a blocking layer on the first semiconductor layer doped with n-type so as to cover the seed layer, a third step of doping the first semiconductor layer without the blocking layer Forming a third semiconductor layer made of a p-type GaN layer doped with p-type as a second polarity on the barrier layer and the second semiconductor layer; A fifth step of forming an insulating layer on the third semiconductor layer, a seventh step of forming a source electrode in the upper part of the blocking layer, a gate electrode between the source electrodes, , The first step A ninth step of separating and is characterized in that it comprises a tenth step of forming a drain electrode on a surface of the first substrate is removed.
상기 제1반도체층을 형성하는 단계는, 상기 드레인전극 상에 고농도로 도핑된 하이도핑 질화갈륨계 반도체층을 형성하는 단계 및 상기 고농도로 도핑된 질화갈륨계 반도체층 상부에 형성된 저농도로 도핑된 로우도핑 질화갈륨계 반도체층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. The forming of the first semiconductor layer may include forming a highly doped gallium nitride based semiconductor layer doped at a high concentration on the drain electrode and forming a lightly doped low- And a step of forming a doped gallium nitride based semiconductor layer.
상기 제1반도체층을 형성하는 단계에 있어서, 상기 고농도로 도핑된 하이도핑 질화갈륨계 반도체층과, 상기 저농도로 도핑된 로우도핑 질화갈륨계 반도체층 사이에, INGaN으로 형성되는 채널층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. In the step of forming the first semiconductor layer, a channel layer formed of INGaN is formed between the heavily doped high doped gallium nitride based semiconductor layer and the lightly doped low doped gallium nitride based semiconductor layer Further comprising the steps of:
상기 제2반도체층을 형성하는 단계와, 상기 제3반도체층을 형성하는 단계 사이에, 상기 차단층 및 제2반도체층 상에 AlGaN으로 형성되는 배리어층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
Forming a barrier layer formed of AlGaN on the barrier layer and the second semiconductor layer between the step of forming the second semiconductor layer and the step of forming the third semiconductor layer, do.
상술한 구성에 따른 본 발명의 질화갈륨계 전계효과 트랜지스터를 실시하면, 고내압, 대전류 밀도, 노멀리 오프 특성을 가지는 이점이 있다.When the gallium nitride-based field-effect transistor of the present invention according to the above-described configuration is used, it has an advantage of having high breakdown voltage, high current density, and normally off characteristics.
또는, 본 발명은 저렴한 비용으로 제작할 수 있는 노멀리 오프 특성의 버티컬 타입의 질화갈륨계 전계효과 트랜지스터를 실시할 수 있는 이점이 있다.
Alternatively, the present invention has an advantage that a vertical type gallium nitride-based field-effect transistor having a normally off-off characteristic can be manufactured at low cost.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 질화물계 전계효과 트랜지스터의 게이트에 전압이 인가되지 않은 상태(Gate off)를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 질화물계 전계효과 트랜지스터의 게이트에 작동 전압이 인가된 상태(Gate on)를 나타낸 단면도이다.
도 3 내지 도 18은 본 발명의 실시예에 따른 질화물계 전계효과 트랜지스터의 제조 과정을 도시한 것이다.
도 19는 본 발명의 제2실시예에 따른 질화물계 전계효과 트랜지스터의 게이트에 전압이 인가되지 않은 상태(Gate off)를 나타낸 도면이다.
도 20은 본 발명의 제2실시예에 따른 질화물계 전계효과 트랜지스터의 게이트에 작동 전압이 인가된 상태(Gate on)를 나타낸 도면이다.
도 21은 본 발명의 제3실시예에 따른 질화물계 전계효과 트랜지스터의 게이트에 전압이 인가되지 않은 상태(Gate off)를 나타낸 도면이다.
도 22는 본 발명의 제3실시예에 따른 질화물계 전계효과 트랜지스터의 게이트에 작동 전압이 인가된 상태(Gate on)를 나타낸 도면이다.
도 23 내지 도 38은 본 발명에 따른 제3실시예의 질화물계 전계효과 트랜지스터의 제조 과정을 도시한 도면이다.FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a gate off state of a gate of a nitride-based field-effect transistor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a state in which an operating voltage is applied to a gate of a nitride-based field-effect transistor (Gate on) according to an embodiment of the present invention.
FIGS. 3 to 18 illustrate a manufacturing process of a nitride-based field-effect transistor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 19 is a diagram illustrating a gate off state of a gate of a nitride-based field-effect transistor according to a second embodiment of the present invention.
20 is a diagram showing a state in which an operating voltage is applied to the gate of a nitride-based field-effect transistor (Gate on) according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 21 is a diagram illustrating a state where a gate of a nitride-based field-effect transistor according to the third embodiment of the present invention is not applied with a voltage. FIG.
FIG. 22 is a view showing a state in which an operating voltage is applied to the gate of the nitride-based field-effect transistor according to the third embodiment of the present invention (Gate on). FIG.
23 to 38 are views showing a manufacturing process of the nitride-based field effect transistor of the third embodiment according to the present invention.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 또한, 하나의 구성요소가 다른 구성요소의 "상부에" 또는 "상에" 있다고 기재된 경우 각 부분이 다른 부분의 "바로 상부" 또는 "바로 상에" 있는 경우뿐만 아니라 각 구성요소와 다른 구성요소 사이에 또 다른 구성요소가 있는 경우도 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The following embodiments are provided by way of example so that those skilled in the art can sufficiently convey the spirit of the present invention. Therefore, the present invention is not limited to the embodiments described below, but may be embodied in other forms. In the drawings, the width, length, thickness, etc. of components may be exaggerated for convenience. It is also to be understood that when an element is referred to as being "above" or "above" another element, But also includes the case where there are other components in between. Like reference numerals designate like elements throughout the specification.
하기 실시예들의 설명에 있어, 질화갈륨계 반도체라는 표현은, GaN에 특별히 한정하지 않고, AlGaN 또는 InGaN 등과 같은 3성분계, AlInGaN과 같은 4성분계의 다양한 질화물계 반도체일 수 있다. In the following description of the embodiments, the expression of a gallium nitride semiconductor is not limited to GaN, but may be a three-component system such as AlGaN or InGaN, or a variety of nitride-based semiconductors such as AlInGaN.
하기 실시예들의 설명에 있어, 제1 극성으로서 n형, 제2 극성으로서 p형으로 구체화하여 설명하고 있지만, 반대의 경우도 가능함은 물론이다.
In the description of the following embodiments, the first polarity is described as an n-type, and the second polarity is described as a p-type. However, the opposite case is of course possible.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 질화물계 전계효과 트랜지스터의 게이트에 전압이 인가되지 않은 상태(Gate off)를 나타낸 단면도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 질화물계 전계효과 트랜지스터의 게이트에 작동 전압이 인가된 상태(Gate on)를 나타낸 단면도이다.FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a state where a gate is not applied to a gate of a nitride-based field effect transistor according to an embodiment of the present invention (Gate off), and FIG. 2 is a cross- (Gate on) to which the operating voltage is applied.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 질화물계 전계효과 트랜지스터의 구조를 도시한 것이다.FIG. 1 illustrates a structure of a nitride-based field-effect transistor according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 질화물계 전계효과 트랜지스터는, 드레인전극(10)을 구비하며, 제1 극성으로서 n형으로 도핑된 제1반도체층(20, 25), 제1반도체층(20, 25) 상부에 형성된 도핑되지 않은 반도체로 형성된 제2반도체층(40), 제2반도체층(40) 상부에 형성된 소스전극(62) 및 제2극성으로서 p형으로 도핑된 제3반도체층(50), 제3반도체층(50) 상부에 절연층(55), 절연층(55) 상부에 형성된 게이트 전극(60) 및 소스 전극(62)의 하부 영역에 소스 전극(62)과 드레인전극(10)의 수직 경로를 차단하도록 형성된 차단층(35)을 포함할 수 있다. 1, a nitride-based field effect transistor includes a
또한, 도시한 전계효과 트랜지스터는, 상기 드레인전극(10) 상부에 상기 드레인전극(10)의 일부가 제거된 공간에 차단층(35)과 평행하게 형성된 추가 차단층(15)을 더 포함할 수 있다. 차단층(35) 및 추가 차단층(15)은 SiO2를 포함하는 산화물 절연물질, SiNx를 포함하는 질화물계 절연물질로 형성할 수 있다. 또한 절연층은 SiO2 재질로 형성될 수 있다.The illustrated field effect transistor may further include an
본 실시예의 질화물계 전계효과 트랜지스터는, 도 1에서 도시하지는 않았지만, 표면에서 제1반도체층(20, 25) 및 u-GaN으로 형성되는 제2반도체층(40)을 관통하여 직접 또는 간접적으로 연결된 드레인 전극을 포함할 수 있다. Although not shown in FIG. 1, the nitride-based field-effect transistor of this embodiment is directly or indirectly connected through the
도면에서, 제1반도체층(20, 25)은, 제1에너지밴드갭을 갖는 제1질화물 반도체로 형성할 수 있다. 그리고 드레인전극(10) 상에 고농도로 도핑된 하이도핑 질화갈륨 반도체층으로서 n+ GaN층(20) 및 n+ GaN층(20) 상부에 형성된 저농도로 도핑된 로우도핑 질화갈륨계 반도체층으로서 n- GaN층(25)을 포함할 수 있다. In the figure, the
n+ GaN층(20)은 100㎛ 내지 500㎛ 두께로 형성하고 도핑농도를 1e18/cm3 로 형성할 수 있고, n- GaN층(25)은 2㎛ 내지 20㎛ 두께로 형성하고 도핑농도를 0.1 내지 1e17/cm3 로 형성할 수 있다. n +
제2반도체층(40)은 제1반도체층(20,25)과 동일하거나 동종의 물질로 형성될 수 있다. 제2반도체층(40)은 u-GaN층으로 형성되어 차단막(35)을 포함하고, 차단막(35)에서부터 형성되는 두께를 0.2㎛ 내지 1.0㎛로 형성하고, 도핑농도는 0.1 내지 5e16/cm3 로 형성할 수 있다. The
제3반도체층(50)은 P-GaN층으로 형성되고 홀(hole)농도가 0.1 내지 1e18/cm3 로 형성할 수 있다. 제3반도체층(50) P형 도핑을 위해 도펀트로 Zn, Mg 등을 사용할 수 있다. The
그리고, 이와 같은 제1,2,3반도체층(20,25,40,50)은 MOCVD, MBE, HVPE 등으로 형성할 수 있다. The first, second, and third semiconductor layers 20, 25, 40, and 50 may be formed of MOCVD, MBE, HVPE, or the like.
본 실시예의 질화물계 전계효과 트랜지스터는, 제1반도체층 중 n+ GaN층(20)은, 차단층(35) 아래 영역에 질화갈륨을 성장시키기 위한 씨드층(2)을 구비할 수 있다. In the nitride-based field-effect transistor of this embodiment, the n +
도 1은 본 실시예의 질화물계 전계효과 트랜지스터의 게이트에 전압이 인가되지 않은 상태(Gate off)를 나타내며, 도 2는 게이트에 작동 전압이 인가된 상태(Gate on)를 나타낸다.FIG. 1 shows a state where no voltage is applied to the gate of the nitride-based field effect transistor of this embodiment (Gate off), and FIG. 2 shows a state in which an operating voltage is applied to the gate (Gate on).
도 1의 Gate off 상태에서 상기 제3반도체층(50)과 제2반도체층(40)의 접촉면에서부터 형성되는 DL_off로 표시되는 공핍영역(DL)이 형성되고, 상기 공핍영역(DL)은 상기 차단층(35)까지 도달할 수 있다. A depletion region DL is formed in the gate off state of FIG. 1, which is indicated by DL_off formed from the contact surface between the
이와 같이, 공핍영역(DL)과 차단층(35)에 의해 소스 전극(62)로부터 드레인 전극(10) 까지의 모든 경로가 효과적으로 차단될 수 있다. 따라서 본 실시예의 질화물계 전계효과 트랜지스터는 노멀리 오프(normally-off) 특성을 가질 수 있다. In this manner, all the paths from the source electrode 62 to the
상기 노멀리 오프 특성을 상세히 설명하면, n+ GaN층(20) 및/또는 n- GaN층(25)의 형성과정에서 스트레인(Strain)에 의해 상기 씨드층(2) 및 그 상부 영역으로 전위결함(Threading Dislocation:TD)들이 형성될 수 있다. 또한, 반도체층들이 성장하면서 합쳐지는 영역(merge)에도 전위결함(TD)이 발생될 수 있다. 게다가, 기판을 질화가륨 기판은 고가이기 때문에 저렴한 사파이어 기판을 사용하면 필연적으로 격자불일치에 따른 전위결함이 발생할 수 있다.Off property to the
이는 높은 온도에서 GaN 성장시 각 씨드의 크기가 증가하여 그레인(grain) 형성시 각 그레인의 결정 특성이 다르므로 그레인의 경계면에서 발생하는 결함(defect)에 의한 것일 수 있다. 일반적으로 이러한 전위결함(TD)들의 존재는 누설 전류를 유발하지만, 본 발명의 질화물계 전계효과 트랜지스터의 경우 게이트 전압 오프(Gate Voltage off)시는 상술한 공핍영역(Depletion area;DL)가 전류차단층(Current Blocking Layer:CBL)로서 상기 차단층(35)까지 퍼져 있어서 전류가 흘리지 않게 된다. 따라서 pn-접합으로 공핍영역(depletion layer)을 형성하고 이용하여 노멀리-오프(normally-off) 특성을 갖는 질화물계 전계효과 트랜지스터를 구현할 수 있다. This may be due to defects occurring at the interface of the grain because the grain size of the seeds increases during the GaN growth at a high temperature and the crystal characteristics of each grain are different when the grains are formed. In general, the presence of these dislocation defects (TD) However, in the case of the nitride-based field-effect transistor of the present invention, the above-described depletion area (DL) at the time of gate voltage off is a current blocking layer (CBL) ) So that the current does not flow. Accordingly, a nitride-based field-effect transistor having a normally-off characteristic can be realized by forming and using a depletion layer as a pn-junction.
다시말해, 차단층(35)의 아래 부분은 기판 상에 측면성장법(Epitaxial Lateral Growth:ELO)로 성장한 GaN이고 n+,n-,또는 undoped GaN Layer들로 이루어져 있다. 공핍영역(DL)으로 형성된 상기 전류차단층(CBL)과 차단층(35)은 씨드층(2) 부분에 있는 전위결함(Threading Dislocation:TD)을 완전히 덮은 형태로 형성되어 있다. 즉, 누설(Leakage)이 많이 발생하는 고 전위결함(TD) 부분을 절연물질로 형성되는 차단층(35)으로 형성하고, 인접한 차단층(35)들의 사이에는 공핍영역(DL)으로 형성되는 전류차단층(CBL)으로 덮어서 누설전류를 차단할 수 있다. 또한, 공핍영역(DL)으로 전위결함(TD)이 작은 측면성장법(ELO)으로 성장 부분과 함께 고내압 특성을 나타내게 된다. In other words, the lower part of the
반면, 도 2의 Gate on 상태에서는 공핍영역(DL)이 DL_on으로 표시한 바와 같이 상기 차단층(35)까지 도달하지 못하고 상기 p-GaN층으로 형성되는 제3반도체층(50) 바로 아래 얇은 영역에만 존재할 수 있다. 이 경우에는, IF로 도시한 바와 같은 전류 경로가 형성되어, 소스전극(62)에서 드레인전극(10)으로 전류가 흐르게 된다.On the other hand, in the gate on state of FIG. 2, the depletion region DL does not reach the
상술한 Gate off 상태 및 Gate on 상태의 동작을 위해, n+ GaN층(20), n- GaN층(25), u-GaN층(40), 및 p-GaN층(50)은 상술한 바와 같은 캐리어 밀도 및 두께를 가질 수 있다. 특히, 상술한 바와 같은 공핍영역(DL)을 형성하기 위해, u-GaN층으로 형성되는 제2반도체층(40)은, 두께가 0.2um 이상 1.0 um 이하인 것이 바람직하다. The n +
도 3 내지 도 18은 본 발명의 실시예에 따른 질화물계 전계효과 트랜지스터의 제조 과정을 도시한 것이다. 여기서 도 1 및 도 2를 인용하여 설명한다.FIGS. 3 to 18 illustrate a manufacturing process of a nitride-based field-effect transistor according to an embodiment of the present invention. Here, a description will be made with reference to Figs. 1 and 2. Fig.
도시한 본 실시예에 따른 질화물계 전계효과 트랜지스터의 제조방법은, 제1기판(1) 상에 제1 극성의 씨드층(2)을 형성하는 제1단계, 씨드층(2)을 성장시켜 제1 극성으로서 n형으로 도핑된 제1반도체층(20, 25)을 형성하는 제2단계, 씨드층(2)을 덮을 수 있도록 n형으로 도핑된 제1반도체층(20, 25) 상에 차단층(35)을 형성하는 제3단계, 차단층(35)이 없는 제1반도체층(20, 25) 상에 도핑되지 않은 반도체층으로 이루어진 제2반도체층(40)을 형성하는 제4단계, 차단층(35) 및 제2반도체층(40) 상에 제2 극성으로서 p형으로 도핑된 p GaN층으로 이루어진 제3반도체층(50)을 형성하는 제5단계, 제3반도체층(50) 상에 절연층(55)을 형성하는 제6단계; 차단층(35) 상부 영역에 소스 전극(66)을, 소스 전극(66) 사이에 게이트 전극(60)을 형성하는 제7단계; 상면에 제2기판(9)을 부착하는 제8단계; 제1기판(1)을 분리하는 제9단계 및 제1기판(1)이 분리된 면에 드레인전극(10)을 형성하는 제10단계를 포함할 수 있다. A method of manufacturing a nitride-based field-effect transistor according to the present embodiment as shown in the figure comprises a first step of forming a seed layer (2) of a first polarity on a first substrate (1), a first step of growing a seed layer A second step of forming first semiconductor layers 20 and 25 doped with n-type as one polarity, a second step of forming a first semiconductor layer 20 and 25 doped with n-type so as to cover the seed layer 2, A fourth step of forming a second semiconductor layer 40 made of a non-doped semiconductor layer on the first semiconductor layers 20 and 25 without the barrier layer 35, A fifth step of forming a third semiconductor layer 50 made of a p-GaN layer doped with a p-type as a second polarity on the barrier layer 35 and the second semiconductor layer 40, A sixth step of forming an insulating layer 55 on the insulating layer 55; A seventh step of forming a source electrode 66 in a region above the blocking layer 35 and a gate electrode 60 between the source electrodes 66; An eighth step of attaching a second substrate (9) to an upper surface; A ninth step of separating the first substrate 1 and a tenth step of forming a drain electrode 10 on the surface on which the first substrate 1 is separated.
씨드층(2)을 형성하는 단계에서는, 제1기판(1)은 사파이어 기판 등 반도체 물질을 성장할 수 있는 기판이면 어떤 기판이든 한정하지 않는다. 제1기판(1)에 부착이 용이하도록 도핑되지 않은 GaN을 씨드로 이용할 수 있다. 도 3에 도시한 바와 같이, GaN으로 이루어진 층을 제1기판(1) 상에 형성한 후 식각 등으로 일부를 제거하여, 도 4에 도시한 바와 같이 제거되지 않은 GaN층을 씨드층(2)으로 삼을 수 있다. 이때, GaN층은 1㎛ 내지 2㎛ 두께로 형성할 수 있다. In the step of forming the
도 4에서는 도핑되지 않은 GaN(u-GaN)으로서 상기 씨드층(2)에 n형으로 도핑된 GaN을 성장시켜 n+ GaN층(20)을 형성한다. 도 3 및 도 4에서의 제1기판(1)에 GaN을 형성하기 위해 기판의 c-plane 위치에 MOCVD, MBE, HVPE 방식 등으로 성장공정을 수행할 수 있다.In FIG. 4, n-doped GaN is grown on the
도 5에 도시된 바와 같이, n+ GaN층(20) 상부에 n- GaN층(25)을 형성한다. 즉, 제1반도체층(20, 25)을 형성하는 단계는, 씨드층(2)을 성장시켜 제1기판(1) 상에 n+ GaN층(20)을 형성하는 단계 및 n+ GaN층(20) 상에 n- GaN층(25)을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 이에 따라 도시한 제1반도체층(20, 25)은, 제1기판(1)과 접하는 하층으로서 자유전자 농도가 보다 높은 n+ GaN층(20) 및 n+ GaN층(20) 상부에 형성되는 상층으로서 자유전자 농도가 보다 낮은 n- GaN층(25)으로 이루어진다. As shown in FIG. 5, an n -
그런데, 도 5에서 도시된바와 같이, n- GaN층(25)을 형성한 후, 성장과정에서의 스트레인에 의해 상기 씨드 영역(2) 및 그 상부 영역으로 전위결함(Threading Dislocation:TD)들이 형성될 수 있다. 또한, 상기 전위결함들이 발생한 영역은, 추가 성장공정들이 수행되는 경우, 전위결함의 발생 정도가 증대될 수 있다. 5, after formation of the n-
도 6에 도시한 바와 같이, 차단층(35)은 씨드층(2)을 덮을 수 있도록 이보다 약간 넓은 형태의 절연층으로 형성될 수 있다. 차단층(35)은 산화물계, 질화물계 등의 절연 물질로 ICP-CVD 등의 공정으로 전면에 대하여 층을 형성한 후, 선택적으로 식각하는 방식으로 형성될 수 있다. As shown in FIG. 6, the
도 7에 도시한 바와 같이, 제2반도체층(40)을 형성하는 단계에서, 제2반도체층(40)은 u-GaN층의 성장에 따라, 차단층(35)의 테두리 영역을 일부 덮는 형태를 형성하도록 수행할 수 있다. 또는 차단층(35)의 전면을 덮을 수 있도록 형성할 수 있다. 7, in the step of forming the
도 8에 도시한 바와 같이, 제3반도체층(50)은 소자의 최종 완성 단계에서는 게이트전극(60) 아래에만 구비되지만, 제조 공정의 편의상, 상기 차단층(35) 및 제2반도체층(40) 상의 전체 면적에 p GaN층으로 형성할 수 있다. 8, the
도 9에 도시한 바와 같이, 절연층(55)도 소자의 최종 완성 단계에서는 게이트 전극(55) 아래에만 구비되지만, 제조 공정의 편의상, 차단층(35) 및 u-GaN층(40) 상부의 p GaN층(50) 상의 전체 면적에 절연층(55)을 형성한다.9, the insulating
도 10 내지 도 15a에 도시한 바와 같이, 상기 소스 전극(66) 및 게이트 전극(60)을 형성하는 단계는, 절연층(55) 상에 금속층을 형성하는 단계, 도 11 및 도 12에 도시한 바와 같은 상기 게이트 전극 영역 외의 상기 금속층, 절연층 및 상기 p GaN층을 게거하는 단계, 도 13 및 도 14a에 도시한 바와 같은 상기 제거된 영역에 소스 전극(66)을 위한 금속층을 형성하는 단계 및 도 15a에 도시한 바와 같은 상기 게이트 금속 및 소스 금속 사이 및 그 상부에 패시베이션층(75)을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 패시베이션층(75)은 산화물계, 질화물계 절연물질로 적어도 1회이상 도포하여 형성할 수 있다.10A to 15A, the step of forming the
소스 전극(66)과 게이트 전극(60)은 전기적으로 분리되는데, 이를 위해, 도 12의 구조에서 상면 전체에 차단 물질층을 덮은 후, 소스 전극(66)이 형성되는 영역만을 상기 차단 물질층을 제거하여, 금속층을 형성하는 방식을 적용하거나 또는, 상기 게이트 전극(60)과 연결되는 상태로 소스 전극(66)을 위한 금속층을 형성한 후, 상기 소스 전극(66)과 게이트 전극(60) 사이의 금속층을 선택적으로 제거(식각)하는 방식을 적용할 수 있다.The
도 14b는 다른 실시예로써 그 동안 미도시하였던 드레인 전극(68)의 구조를 도시한 것으로, 도시한 드레인 전극(68)도 상술한 소스 전극(66)의 경우와 마찬가지의 방식으로 형성되어, 타 전극들(60, 66)과의 전기적 분리를 구현할 수 있다. 드레인 전극(68)은 추후 생성되는 채널에 전기적으로 연결되어야 하는데, 도면에서 상기 드레인 전극(68)을 상기 씨드층(2) 위에 형성하여, 격자 결함에 의해 형성되는 전위결함(Threading Dislocation:TD)들에 의해 상기 전기적 연결 경로가 제공될 수 있다. 14B shows the structure of the
도 15b에서는 상기 패시베이션층(75)의 일부를 제거하여, 소스전극(66), 게이트전극(60), 드레인전극(68)의 외부 연결 부분들(91, 92, 93)을 형성하고 있다. 15B, a part of the
다시 본 실시예를 성명하면, 도 16에 도시한 바와 같은 상면에 제2기판(9)을 부착하는 단계를 수행한 후, 도 17에 도시한 바와 같은 제1기판(1)을 분리하는 단계를 수행할 수 있다. 제1기판을 분리하는 공정은 레이저 리프트 오프 방식으로 제거할 수 있다. 제2기판(9)은 도전성 또는 절연성 기판일 수 있다. 예컨대, 제2기판(9)은 Si, AlN, AlSi 또는 Cu 등 다양한 재료로 형성될 수 있다.After repeating the step of attaching the
그리고, 제1기판(1)을 분리하는 단계를 수행한 후 제2기판(9)을 아래로 하여, 증착작업을 수행하여 금속층을 형성할 수 있다. 도 18에서는 제1기판(1)을 분리한 후, 분리된 면에 차단층(35)과 평행하게 추가 차단층(15)을 형성하고 나서, 드레인 전극(10)을 위한 금속층을 형성한다. 여기서, 추가 차단층(15)은 차단층(35)과 동일한 재질 및 공정을 따를 수 있다.Then, the metal layer may be formed by performing the deposition operation with the
드레인 전극(10, 68), 게이트 전극(60), 소스 전극(66) 중 하나 이상은, Ti, Al, Ni, Au, Pt, Mo 중 하나 이상의 재질, 또는 그 합금 및 백금 실리사이드로, 성장공정으로 형성될 수 있으며, 필요시 증착 후 어닐링될 수 있다.
At least one of the
본 실시예에 따른 질화물계 전계효과 트랜지스터는, 제1반도체층 사이에 채널층으로써 InGaN층을 이용하여 2DEG를 형성하고 상기 2DEG의 수평방향에 배치되는 드레인전극을 연결함에 타 실시예와 구별되는 특징이 있다. 따라서, 제조 방법에 있어서도 드레인전극의 금속층을 형성하지 않아 리프트 오프(lift-off) 공정을 포함하지 않을 수 있다. The nitride-based field-effect transistor according to the present embodiment is characterized in that a 2DEG is formed using an InGaN layer as a channel layer between first semiconductor layers and a drain electrode arranged in the horizontal direction of the 2DEG is connected, . Therefore, in the manufacturing method, the metal layer of the drain electrode is not formed, and a lift-off process may not be included.
도 19에 도시한 본 실시예의 질화물계 전계효과 트랜지스터는, 제2에너지 밴드갭을 갖으며 제4질화물 반도체로 형성되는 채널층(210), 제1에너지 밴드갭을 갖으며 제1질화물계 반도체로 형성되며 채널층(210)을 포함하고 제1 극성으로서 n형으로 도핑된 제1반도체층(220, 225), 제1반도체층(220, 225) 상부에 형성된 도핑되지 않은 u-GaN층으로 형성되는 제2반도체층(240), 제2반도체층(240) 상부에 형성된 소스 전극(262) 및 제2 극성으로서 p형으로 도핑된 p-GaN층으로 형성되는 제3반도체층(250), 제3반도체층(250) 상부에 형성되는 절연층(255), 절연층(255) 상부에 형성된 게이트 전극(260) 및 소스 전극(262)의 하부 영역에 소스 전극(262)과 채널층(210)의 수직 경로를 차단하도록 형성된 차단층(235)을 포함할 수 있다. 여기서 제1에너지밴드갭과 제2에너지밴드갭은 서로 다른 에너지 밴드갭을 나타낸다. The nitride-based field-effect transistor of this embodiment shown in FIG. 19 has a
본 실시예의 질화물계 전계효과 트랜지스터는, 표면에서 제1반도체층(220, 225)을 관통하여 상기 채널층(210)에 연결된 드레인 전극(268)을 더 포함할 수 있다. 즉, 본 실시예의 경우, 이차원전자가스(2DEG)와 드레인전극(268)이 직접 연결된다. The nitride-based field effect transistor of this embodiment may further include a
여기서, 채널층(210)이 질화갈륨(GaN)계인 경우 GaN의 우르자이트(Wurtzite) 구조에서 기인하는 자발분극(spontaneous polarization) 및 채널층(210)과 제1반도체층(220,225)의 격자상수 차이에서 유발되는 압전분극(piezoelectric polarization)에 의한 전계를 이용하여 고농도의 이차원전자가스(2DEG) 영역을 형성함으로써 전자이동도를 증가시킬 수 있다. When the
다시 말해, 채널층(210)과 제1반도체층(220, 225)은 에너지 밴드갭이 서로 다른 반도체로 형성된다. 제1반도체층(220,225)이 에너지 밴드갭이 큰 GaN으로 형성되고, 채널층(210)이 상대적으로 에너지 밴드갭이 작은 InGaN으로 형성된 경우, 이차원전자가스(2DEG) 영역은 에너지 밴드갭이 작은 채널층(210)의 계면 근처에 형성되고, 이러한 고농도의 2DEG 채널을 형성함으로써 드레인전극 영역에 양호한 전자이동도를 확보할 수 있다. In other words, the
도면에서, 채널층(210)은 InGaN으로 형성될 수 있다. 제1반도체층(220, 225)은, GaN층이 매립된 고농도로 도핑된 하이도핑 질화갈륨 반도체층으로서 n+ GaN층(220) 및 상기 n+ GaN층(220) 상부에 형성된 저농도로 도핑된 로우도핑 질화갈륨계 반도체층으로서 n- GaN층(225)을 포함할 수 있다. 여기서 채널층(210)은 n+ GaN층(220)에 포함되어 형성될 수 있다. In the figure, the
본 실시예의 질화물계 전계효과 트랜지스터는, 도 19에서 도시하지는 않았지만, 제1반도체층(220,225) 중 n+ GaN층(220)은, 차단층(235) 아래 영역에 반도체층들을 성장시키기 위한 씨드층(202)을 구비할 수 있다. 19, the n +
본 실시예의 질화물계 전계효과 트랜지스터의 제1반도체층(220,225)으로서 n+ GaN층(220)은 기판(201) 상부에 위치한다. 다른 실시예의 질화물계 전계효과 트랜지스터 경우에 있어서도 제조과정 중에는 기판(201)의 상부에 위치하나, 금속 재질의 드레인 전극 형성을 위한 리프트 오프 공정에서 기판은 제거된다. 반면, 본 실시예의 경우 드레인 전극(268)은 채널층(210)에 연결되도록 형성되므로 리프트 오프 공정 없이 형성할 수 있다. 따라서 최종 완성된 본 실시예의 질화물계 전계효과 트랜지스터에도 기판(201)이 계속 부착되어 있을 수 있다. The n +
도 19는 본 발명의 제2실시예에 따른 질화물계 전계효과 트랜지스터의 게이트에 전압이 인가되지 않은 상태(Gate off)를 나타낸 도면이고, 도 20은 본 발명의 제2실시예에 따른 질화물계 전계효과 트랜지스터의 게이트에 작동 전압이 인가된 상태(Gate on)를 나타낸 도면이다. FIG. 19 is a view showing a state where a gate is not applied to a gate of a nitride-based field-effect transistor according to a second embodiment of the present invention (gate off). FIG. 20 is a cross- (Gate on) in which the operating voltage is applied to the gate of the effect transistor.
도 19의 Gate off 상태에서 p GaN층인 제3반도체층(250)과 u-GaN층인 제2반도체층(240)의 접촉면에서부터 형성되는 DL_off로 표시되는 공핍영역(DL)은, 차단층(235)까지 도달할 수 있다. 상기 공핍영역(DL)과 차단층(235)에 의해 소스전극 (262)로부터 채널층(210) 까지의 모든 경로가 효과적으로 차단되므로, 본 실시예의 질화물계 전계효과 트랜지스터는 노멀리-오프(normally-off)인 특성을 가질 수 있다. The depletion region DL indicated by DL_off formed from the contact surface between the
반면, 도 20의 Gate on 상태에서는 공핍 영역이 DL_on으로 표시한 바와 같이 상기 차단층(235)까지 도달하지 못하고 상기 p GaN층(250) 바로 아래 얇은 영역에만 존재할 뿐이어서, 소스 전극(262)에서 채널층(210)으로 전류가 흐르게 된다. On the other hand, in the gate on state of FIG. 20, the depletion region does not reach the
상술한 Gate off 상태 및 Gate on 상태의 동작을 위해, 상기 n+ GaN층(220), 상기 n- GaN층(225), u-GaN층(240), 및 p-GaN층(250)은 상기 실시예 1과 같이 상술한 같이 캐리어 밀도 및 두께를 가질 수 있다. 특히, 상술한 바와 같은 공핍 영역을 형성하기 위해, 상기 제2반도체층으로서 u-GaN층(240)은, 두께가 0.2um 이상 1.0 um 이하인 것이 유리하다.
The n-
본 실시예에 따른 전계효과 트랜지스터는, 공핍 영역이 시작되는 접합면 부근에 AlGaN으로 형성되는 배리어층을 추가로 배치함에 타 실시예와 구별되는 특징이 있다. 따라서, 제조 방법에 있어서도 상기 접합면에 상기 AlGaN으로 형성되는 배리어층을 배치하는 공정이 추가되는 것 외에는 실시예 1의 경우와 유사하며, 실시예 1과 중복될 수 있는 일부 설명들은 생략하였다. The field effect transistor according to the present embodiment is characterized in that a barrier layer formed of AlGaN is further disposed near the junction surface where the depletion region starts, which is different from the other embodiments. Therefore, the manufacturing method is also similar to that of the first embodiment except that a step of disposing the barrier layer formed of the AlGaN on the bonding surface is added, and some explanations that may be duplicated in the first embodiment are omitted.
도 21은 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 전계효과 트랜지스터의 구조를 도시한 것이다.FIG. 21 illustrates a structure of a nitride-based field-effect transistor according to an embodiment of the present invention.
도시한 전계효과 트랜지스터는, 드레인 기저층(310)을 구비하며, 제1에너지 밴드갭을 갖으며 제1질화물 반도체층으로 형성되고 제1 극성으로서 n형으로 도핑된 제1반도체층(320, 325), 제1반도체층(320, 325) 상부에 형성된 도핑되지 않은 u-GaN층을 형성되는 제2반도체층(340), 제2반도체층(340) 상부에 형성된 소스 전극(362) 및 제2 극성으로서 p형으로 도핑된 p-GaN층으로 형성되는 제3반도체층(350), 제3반도체층(350) 상부에 형성된 절연층(355), 절연층(355) 상부에 형성된 게이트 전극(360) 및 소스 전극(362)의 하부 영역에 소스 전극(362)과 드레인 전극(310)의 수직 경로를 차단하도록 형성된 차단층(335)을 포함할 수 있다.The illustrated field effect transistor includes a
또한, 도시한 질화물계 전계효과 트랜지스터는, 드레인전극(310) 상부에 상기 드레인 전극(310)의 일부가 제거된 공간에 상기 차단층(335)과 평행하게 형성된 추가 차단층(315)을 더 포함할 수 있다. The illustrated nitride-based field-effect transistor further includes an
또한, 도시한 질화물계 전계효과 트랜지스터는, 소스 전극(366) 및 제3반도체층으로서 p-GaN층(350)과 상기 제2반도체층인 u-GaN층(340)의 사이에 위치하는 AlGaN으로 형성되는 배리어층(345)을 더 포함할 수 있다.The illustrated nitride-based field-effect transistor includes a
본 실시예의 질화물계 전계효과 트랜지스터는, 도 21에서 도시하지는 않았지만, 표면에서 상기 제1반도체층(320, 325) 및 제2반도체층으로서 u-GaN층(340)을 관통하여 직접 또는 간접적으로 연결된 드레인 전극(310)을 포함할 수 있다.The nitride-based field-effect transistor of this embodiment has a structure in which the
다시 설명하면, 배리어층(345)과 제1반도체층(220, 225)은 에너지 밴드갭이 서로 다른 반도체로 형성된다. 제2반도체층(340)이 에너지 밴드갭이 작은 GaN으로 형성되고, 배리어층(345)이 상대적으로 에너지 밴드갭이 큰 AlGaN으로 형성될 수 있다. 이 경우 이차원전자가스(2DEG) 영역은 에너지 밴드갭이 작은 제2반도체층(340)의 계면 근처에 형성된다. 더욱이, 소스전극(362)과 드레인전극(310) 사이에 배리어층(345)과 같은 초격자 구조가 개재되기 때문에 내압특성을 더욱 강화할 수 있다. In other words, the
도면에서, 제1반도체층(320, 325)은, 고농도로 도핑된 하이도핑 질화갈륨 반도체층으로서 n+ GaN층(320) 및 n+ GaN층(320) 상부에 형성된 저농도로 도핑된 로우도핑 질화갈륨계 반도체층으로서 n- GaN층(325)을 포함할 수 있다.In the figure, the first semiconductor layers 320 and 325 are highly doped high doped gallium nitride semiconductor layers, and are formed of an n +
본 실시예의 질화물계 전계효과 트랜지스터는, 제1반도체층 중 상기 n+ GaN층(320)은, 차단층(335) 아래 영역에 반도체층을 성장시키기 위한 씨드층(302)을 구비할 수 있다.In the nitride-based field effect transistor of this embodiment, the n +
도 21은 본 발명의 제3실시예에 따른 질화물계 전계효과 트랜지스터의 게이트에 전압이 인가되지 않은 상태(Gate off)를 나타낸 도면이고, 도 22는 본 발명의 제3실시예에 따른 질화물계 전계효과 트랜지스터의 게이트에 작동 전압이 인가된 상태(Gate on)를 나타낸 도면이다.FIG. 21 is a view showing a state in which no gate is applied to the gate of the nitride-based field effect transistor according to the third embodiment of the present invention (Gate off), and FIG. 22 is a cross- (Gate on) in which the operating voltage is applied to the gate of the effect transistor.
도 21의 Gate off 상태에서 상기 제3반도체층으로서 p GaN층(350)과 제2반도체층으로서 u GaN층(340)의 접촉면에서부터 형성되는 DL_off로 표시되는 공핍 영역은, 상기 실시예 1의 경우와 마찬가지로 상기 차단층(335)까지 도달하여, 본 실시예의 전계효과 트랜지스터는 노멀리-오프(normally-off)인 특성을 가진다.The depletion region indicated by DL_off formed from the contact surface between the p-
반면, 도 22의 Gate on 상태에서는 공핍 영역이 DL_on으로 표시한 바와 같이 상기 차단층(335)까지 도달하지 못하고 상기 p GaN층(350) 바로 아래 얇은 영역에만 존재하게 된다. 게다가, 상기 게이트 전극에 작동 전압을 인가하면, 소스 전극 및 제3반도체층으로서 p GaN층(350) 바로 아래의 상기 제2반도체층인 u GaN층(340)의 표층에는 2DEG층이 형성된다. 상기 2DEG층은 배리어층(345)의 존재에 의해 생성된 것으로, 소스 전극(362)에서 드레인전극(310)으로의 전류 흐름을 원할하게 하는 역할을 수행할 수 있다. 즉, 배리어층(345)의 부가 구조는, GaN의 우르자이트(Wurtzite) 구조에서 기인하는 자발분극(spontaneous polarization) 및 상기 u GaN층(240)과 상기 AlGaN층(345)의 격자상수 차이에서 유발되는 압전분극(piezoelectric polarization)에 의한 전계를 이용하여 고농도의 2DEG 채널을 형성함으로써 전자이동도를 증가시킬 수 있다.On the other hand, in the gate on state of FIG. 22, the depletion region does not reach the
상기 2DEG층의 형성을 위해 배리어층(345)은 10nm에서 100nm의 두께를 가질 수 있다. 예컨대, 배리어층(345)이 Al0 .26Ga0 .74N인 경우, 20nm의 두께를 가질 수 있다.For formation of the 2DEG layer, the
상술한 Gate off 상태 및 Gate on 상태의 동작을 위해, 상기 n+ GaN층(320), 상기 n- GaN층(325), u-GaN층(340), 및 p-GaN층(350)은 도 상술한 바와 같은 캐리어 밀도 및 두께를 가질 수 있다. 특히, 상술한 바와 같은 공핍 영역을 형성하기 위해, 상기 제2반도체층으로서 u-GaN층(340)은, 두께가 0.2um 이상 1.0 um 이하인 것이 유리하다.The n +
도 23 내지 도 38은 본 발명에 따른 제3실시예의 질화물계 전계효과 트랜지스터의 제조 과정을 도시한 도면이다. 도시한 본 실시예에 따른 질화물계 전계효과 트랜지스터의 제조 방법은, 기판(301) 상에 제1 극성의 씨드층(302)을 형성하는 단계, 씨드층(302)을 성장시켜 제1 극성으로서 n형으로 도핑된 제1반도체층(320, 325)을 형성하는 단계, 씨드층(302)을 덮을 수 있도록 n형으로 도핑된 제1반도체층(20, 25) 상에 차단층(35)을 형성하는 단계, 차단층(335)이 없는 제1반도체층(320, 325) 상에 도핑되지 않은 제2반도체층으로서 u-GaN층(40)을 형성하는 단계, 차단층(335) 및 제2반도체층(340) 상에 배리어층(345)을 형성하는 단계, 배리어층(345) 상에 제2극성으로서 p형으로 도핑된 제3반도체층(350)을 형성하는 단계; 제3반도체층(350) 상에 절연층(55)을 형성하는 단계; 상기 차단층(35) 상부 영역에 소스 전극(66)을, 상기 소스 전극(66) 사이에 게이트 전극(60)을 형성하는 단계; 상면에 제2 기판(9)을 부착하는 단계; 상기 사파이어 기판(1)을 분리하는 단계; 및 상기 사파이어 기판(1)이 분리된 면에 드레인 기저층(10)을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.23 to 38 are views showing a manufacturing process of the nitride-based field effect transistor of the third embodiment according to the present invention. The method of manufacturing a nitride-based field-effect transistor according to the illustrated embodiment includes the steps of forming a
씨드층을 형성하는 단계에서는, 기판(301)에 부착이 용이하도록 도핑되지 않은 GaN을 씨드층으로 이용할 수 있다. 도 23에 도시한 바와 같이 u GaN층(302)을 사파이어 기판(301) 상에 형성한 후 식각 등으로 일부를 제거하여, 도 24에 도시한 바와 같이 제거되지 않은 u GaN층을 씨드 영역(302)으로 삼는다. 도 24에서는 도핑되지 않은 GaN(u-GaN)으로서 상기 씨드 영역(302)에 n형으로 도핑된 GaN을 성장시켜 상기 n+ GaN층(320)을 형성한다. In the step of forming the seed layer, undoped GaN can be used as the seed layer to facilitate adhesion to the
도 25에서는 상기 n+ GaN층(320) 상부에 n- GaN층(325)을 형성하였다. 즉, 상기 제1반도체층(320, 325)을 형성하는 단계는, 씨드층(302)을 성장시켜 기판(301)상에 n+ GaN층(320)을 형성하는 단계 및 상기 n+ GaN층(320) 상에 n- GaN층(325)을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 이에 따라 도시한 제1반도체층(320, 325)은, 기판과 접하는 하층으로서 자유전자 농도가 보다 높은 n+ GaN층(320), 및 상기 n+ GaN층(320) 상부에 형성되는 상층으로서 자유전자 농도가 보다 낮은 n- GaN층(325)으로 이루어진다.In FIG. 25, an n -
도 26에 도시한 바와 같이, 차단층(335)은 상기 씨드층(302)을 덮을 수 있도록 이보다 약간 넓은 형태의 절연층으로 형성될 수 있다. 차단층(335)은 SiO2 등의 절연 물질로 층을 형성한 후, 선택적으로 식각하는 방식으로 형성될 수 있다.As shown in FIG. 26, the
도 27에 도시한 바와 같이, u-GaN층(340)을 형성하는 단계에서는 u-GaN층(340)의 성장에 따라, 절연층(335)의 테두리 영역을 일부 덮는 형태를 형성하도록 수행할 수 있다.The step of forming the
도 28에 도시한 바와 같이, 배리어층(345)을 형성하는 단계에서 생성되는 AlGaN층(345)은 그 상하로 형성되는 상기 u-GaN층(40) 및 p GaN층(50)에 비하여 두께(10~100nm)가 얇은 박막 형태를 가질 수 있다. 28, the
절연층(355)은 소자의 최종 완성 단계에서는 게이트 전극 아래에만 구비되지만, 제조 공정의 편의상, 도 29에 도시한 바와 같이, 차단층(335) 및 u-GaN층(340) 상부의 p GaN층(350) 상의 전체 면적에 절연층(355)을 형성한다.The insulating
상기 소스 전극 및 게이트 전극을 형성하는 단계는, 도 30에 도시한 바와 같은 상기 절연층(355) 상에 금속층(360)을 형성하는 단계 도 31 및 도 32에 도시한 바와 같은 상기 게이트 전극 영역 외의 상기 금속층(360), 상기 절연층(355) 및 상기 p GaN층(350)의 일부를 게거하는 단계, 도 33 및 도 34에 도시한 바와 같은 상기 제거된 영역에 소스 전극(366)을 위한 금속층을 형성하는 단계 및 도 35에 도시한 바와 같은 상기 게이트 금속층 및 소스 금속층(366) 사이 및 그 상부에 절연층(375)을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.The step of forming the source electrode and the gate electrode may include a step of forming a
도 36에 도시한 바와 같은 상면에 제2 기판(309)을 부착하는 단계를 수행한 후, 도 37에 도시한 바와 같은 기판(301)을 분리하는 단계를 수행할 수 있다.After the step of attaching the
기판(301)을 분리하는 단계를 수행한 후 제2기판(309)을 아래로 하여, 증착작업을 수행하여 드레인전극(310)을 위한 금속층을 형성할 수 있다. 도 38에서는 기판(301)을 분리한 후, 분리된 면에 차단층(335)과 평행하게 추가 차단층(315)을 형성하고 나서, 드레인전극(310)을 위한 금속층을 형성하였다. 여기서, 추가 차단층(315)은 차단층(335)과 동일한 재질 및 공정을 따를 수 있다.The metal layer for the
상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
It should be noted that the above-described embodiments are intended to be illustrative, not limiting. In addition, it will be understood by those of ordinary skill in the art that various embodiments are possible within the scope of the technical idea of the present invention.
1, 201, 301 : 기판
2, 202, 302 : 씨드층
10, 210, 310 : 드레인전극
20, 220, 320 : n+ GaN층
25, 225, 325 : n- GaN층
35, 235, 335 : 차단층
40, 240, 340 : 제2반도체층
50, 250, 350 : 제3반도체층
55, 255, 355 : 절연층
60, 260, 360 : 게이트 전극
62, 262, 362 : 소스 전극
68, 268, 368 : 드레인전극
245: 채널층
345: 배리어층1, 201, 301: substrate
2, 202, 302: seed layer
10, 210 and 310: drain electrode
20, 220, 320: an n + GaN layer
25, 225, 325: n- GaN layer
35, 235, 335: barrier layer
40, 240, 340: a second semiconductor layer
50, 250, 350: a third semiconductor layer
55, 255, 355: insulating layer
60, 260, 360: gate electrode
62, 262, 362: source electrode
68, 268, 368: drain electrode
245: channel layer
345: barrier layer
Claims (15)
상기 제1반도체층 상부에 형성된 도핑되지 않은 반도체로 형성된 제2반도체층;
상기 제2반도체층 상부에 형성된 소스전극 및 제2극성으로서 p형으로 도핑된 제3반도체층;
상기 제3반도체층 상부에 형상된 절연층;
상기 절연층 상부에 형성된 게이트 전극; 및
상기 소스 전극의 하부 영역에 상기 소스 전극과 드레인전극의 수직 경로를 차단하도록 형성된 차단층;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 전계효과 트랜지스터.
A first semiconductor layer doped with n-type conductivity as a first polarity;
A second semiconductor layer formed on the first semiconductor layer and formed of undoped semiconductor;
A source electrode formed on the second semiconductor layer and a third semiconductor layer doped with p-type as a second polarity;
An insulating layer formed on the third semiconductor layer;
A gate electrode formed on the insulating layer; And
A blocking layer formed on a lower region of the source electrode to block a vertical path of the source electrode and the drain electrode;
Wherein the nitride-based field-effect transistor comprises:
상기 제1반도체층은 사파이어 기판 상부에 형성된 것을 특징으로 하는 질화물계 전계효과 트랜지스터.
The method according to claim 1,
Wherein the first semiconductor layer is formed on a sapphire substrate.
상기 드레인전극 상에 상기 차단층과 평행하게 형성된 추가 차단층
을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 전계효과 트랜지스터.
The method according to claim 1,
And an additional blocking layer formed on the drain electrode in parallel with the blocking layer.
Wherein the nitride-based field-effect transistor further comprises:
상기 제1반도체층은, 상기 차단층 아래 영역에 반도체층을 성장시키기 위한 씨드층을 배치시키는 것을 특징으로 하는 질화물계 전계효과 트랜지스터.
The method according to claim 1,
Wherein the first semiconductor layer includes a seed layer for growing a semiconductor layer in a region below the blocking layer.
상기 제1반도체층은,
상기 드레인전극 상에 고농도로 도핑된 하이도핑 질화갈륨계 반도체층; 및
상기 고농도로 도핑된 질화갈륨계 반도체층 상부에 형성된 저농도로 도핑된 로우도핑 질화갈륨계 반도체층;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 전계효과 트랜지스터.
The method according to claim 1,
Wherein the first semiconductor layer comprises a first semiconductor layer,
A highly doped gallium nitride based semiconductor layer doped at a high concentration on the drain electrode; And
A lightly doped low doped gallium nitride based semiconductor layer formed on the highly doped gallium nitride based semiconductor layer;
Wherein the nitride-based field-effect transistor comprises:
상기 제2반도체층은, 두께가 0.2um 이상 1.0 um 이하인 것을 특징으로 하는 질화물계 전계효과 트랜지스터.
The method according to claim 1,
Wherein the second semiconductor layer has a thickness of 0.2 um or more and 1.0 um or less.
상기 게이트 전극에 전압이 인가되지 않은 상태에서 상기 제3반도체층과 제2반도체층의 접촉에 의해 형성되는 공핍 영역은,
상기 차단층까지 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물계 전계효과 트랜지스터.
The method according to claim 1,
A depletion region formed by the contact of the third semiconductor layer and the second semiconductor layer in a state in which no voltage is applied to the gate electrode,
Wherein the barrier layer is formed up to the barrier layer.
상기 게이트 전극에 작동 전압을 인가하면,
상기 제3반도체층과 제2반도체층의 접촉에 의해 형성되는 공핍 영역은,
상기 제3반도체층 하부에만 형성되어 상기 소스전극과 상기 드레인전극 사이에 채널이 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물계 전계효과 트랜지스터.
The method according to claim 1,
When an operating voltage is applied to the gate electrode,
And a depletion region formed by the contact of the third semiconductor layer and the second semiconductor layer,
And a channel is formed only between the source electrode and the drain electrode in the lower portion of the third semiconductor layer.
제1에너지 밴드갭을 갖으며 제1질화물 반도체로 형성되는 상기 제1반도체층 및 제2질화물 반도체로 형성되는 제2반도체층을 관통하여 형성되는 상기 드레인전극;
상기 드레인전극과 전기적으로 연결되고 상기 제1반도체층의 일부를 관통하여 형성되며 제1에너지밴드갭과 다른 제4에너지밴드갭을 갖으며 제4질화물 반도체로 형성되는 채널층:
을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 전계효과 트랜지스터.
The method according to claim 1,
The drain electrode formed through a first semiconductor layer having a first energy bandgap and formed of a first nitride semiconductor and a second semiconductor layer formed of a second nitride semiconductor;
A channel layer formed of a fourth nitride semiconductor and having a fourth energy bandgap different from the first energy band gap, the channel layer being formed to penetrate a part of the first semiconductor layer, the channel layer being electrically connected to the drain electrode,
Wherein the nitride-based field-effect transistor further comprises:
상기 소스 전극 및 제3에너지 밴드갭을 갖으며 제3질화물반도체로 형성되는 상기 제3반도체층과 제2에너지 밴드갭을 갖으며 제2질화물 반도체로 형성되는 상기 제2반도체층의 사이에 위치하고 제2에너지 밴드갭과 다른 제5에너지 밴드갭을 갖으며 제5질화물 반도체로 형성되는 배리어층;
을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 전계효과 트랜지스터.
The method according to claim 1,
The third semiconductor layer having the third energy band gap and the third energy band gap, the third semiconductor layer having the third energy band gap and the second semiconductor layer having the second energy band gap and being formed of the second nitride semiconductor, A barrier layer having a fifth energy band gap different from the second energy band gap and being formed of a fifth nitride semiconductor;
Wherein the nitride-based field-effect transistor further comprises:
상기 게이트 전극에 작동 전압을 인가하면,
상기 소스 전극 및 제3 반도체층과 상기 제2반도체층의 사이에 2DEG층이 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물계 전계효과 트랜지스터.
11. The method of claim 10,
When an operating voltage is applied to the gate electrode,
And a 2DEG layer is formed between the source electrode, the third semiconductor layer, and the second semiconductor layer.
상기 씨드층을 성장시켜 제1 극성으로서 n형으로 도핑된 제1반도체층을 형성하는 제2단계;
상기 씨드층을 덮을 수 있도록 n형으로 도핑된 상기 제1반도체층 상에 차단층을 형성하는 제3단계;
상기 차단층이 없는 상기 제1반도체층 상에 도핑되지 않은 반도체층으로 이루어진 제2반도체층을 형성하는 제4단계;
상기 차단층 및 상기 제2반도체층 상에 제2 극성으로서 p형으로 도핑된 p GaN층으로 이루어진 상기 제3반도체층을 형성하는 제5단계;
상기 제3반도체층 상에 절연층을 형성하는 제6단계;
상기 차단층 상부 영역에 소스 전극을, 상기 소스 전극 사이에 게이트 전극을 형성하는 제7단계;
상면에 제2기판을 부착하는 제8단계;
상기 제1기판을 분리하는 제9단계; 및
상기 제1기판이 분리된 면에 드레인전극을 형성하는 제10단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 전계효과 트랜지스터의 제조방법.
A first step of forming a seed layer of a first polarity on the first substrate;
A second step of growing the seed layer to form an n-type doped first semiconductor layer as a first polarity;
A third step of forming a blocking layer on the first semiconductor layer doped with n-type so as to cover the seed layer;
A fourth step of forming a second semiconductor layer made of an undoped semiconductor layer on the first semiconductor layer without the blocking layer;
A fifth step of forming the third semiconductor layer including the blocking layer and the p-GaN layer doped with p-type as a second polarity on the second semiconductor layer;
A sixth step of forming an insulating layer on the third semiconductor layer;
A seventh step of forming a source electrode in the upper region of the blocking layer and a gate electrode in the region between the source electrodes;
An eighth step of attaching a second substrate to an upper surface;
A ninth step of separating the first substrate; And
Forming a drain electrode on a surface where the first substrate is separated;
Type field effect transistor.
상기 제1반도체층을 형성하는 단계는,
상기 드레인전극 상에 고농도로 도핑된 하이도핑 질화갈륨계 반도체층을 형성하는 단계; 및
상기 고농도로 도핑된 질화갈륨계 반도체층 상부에 형성된 저농도로 도핑된 로우도핑 질화갈륨계 반도체층을 형성하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 전계효과 트랜지스터의 제조방법.
13. The method of claim 12,
Wherein forming the first semiconductor layer comprises:
Forming a highly doped gallium nitride based semiconductor layer doped at a high concentration on the drain electrode; And
Forming a lightly doped low doped gallium nitride based semiconductor layer formed on the heavily doped gallium nitride based semiconductor layer;
Type field effect transistor.
상기 제1반도체층을 형성하는 단계에 있어서,
상기 고농도로 도핑된 하이도핑 질화갈륨계 반도체층과, 상기 저농도로 도핑된 로우도핑 질화갈륨계 반도체층 사이에,
INGaN으로 형성되는 채널층을 형성하는 단계;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전계효과 트랜지스터의 제조방법.
14. The method of claim 13,
In the step of forming the first semiconductor layer,
Doped high-doped gallium nitride based semiconductor layer and a lightly doped low doped gallium nitride based semiconductor layer,
Forming a channel layer formed of INGaN;
Further comprising the steps of:
상기 제2반도체층을 형성하는 단계와, 상기 제3반도체층을 형성하는 단계 사이에,
상기 차단층 및 제2반도체층 상에 AlGaN으로 형성되는 배리어층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 전계효과 트랜지스터의 제조방법.
13. The method of claim 12,
Forming the second semiconductor layer, and forming the third semiconductor layer,
And forming a barrier layer formed of AlGaN on the barrier layer and the second semiconductor layer.
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