KR20150054261A - 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 양호한 열 방출 특성을 갖는 질화물계 버티컬 타입 전계효과 트랜지스터(heterojunction field-effect transistor:HFET) 소자에 관한 것이다.
The present invention relates to a nitride-based transistor device having a high-voltage, high-current density, and more particularly to a nitride-based vertical field effect transistor (FET) having a good heat-releasing characteristic based on an epitaxial lateral overgrowth 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, 열 방출이 용이한 구조가 아니라서, 과도한 동작시 오작동이나 소자 열화의 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. Moreover, since the structure is not easy to dissipate heat, there is a problem of malfunction and device deterioration in an excessive operation. 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 저렴한 비용으로 제작하며, 누설 전류를 효과적으로 차단할 수 있는 버티컬 타입의 질화물계 전계효과 트랜지스터를 제공하고자 한다.The present invention provides a nitride-type field-effect transistor of a vertical type which is fabricated at low cost and can effectively block a leakage current.
또는, 본 발명은 양호한 발열 특성을 가지는 질화물계 전계효과 트랜지스터를 제공하고자 한다.Alternatively, the present invention provides a nitride-based field-effect transistor having good heat-generating characteristics.
또는, 본 발명은 고내압, 대전류 밀도의 버티컬 타입의 질화물계 전계효과 트랜지스터를 제공하고자 한다.
Alternatively, the present invention aims to provide a vertical type nitride-based field effect transistor having a high breakdown voltage and a high current density.
본 발명의 일 측면에 따른 질화갈륨계 소자의 제조 방법은, 사파이어 기판 상에 질화갈륨계 소자를 구성하는 질화갈륨계 적층체를 형성하는 단계; 상기 질화갈륨계 적층체의 상기 사파이어 기판이 위치한 면의 반대면에 제1 열 전도성 기판을 부착하는 단계; 상기 사파이어 기판을 제거하는 단계; 상기 사파이어 기판이 제거된 상기 질화갈륨계 적층체 면에 부가적인 적층체 를 형성하는 단계; 및 상기 부가적인 적층체의 노출면에 제2 열 도전성 기판을 부착하는 단계를 포함할 수 있다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a gallium nitride-based device, including: forming a gallium nitride-based laminate constituting a gallium nitride-based device on a sapphire substrate; Attaching a first thermally conductive substrate to a surface of the gallium nitride-based laminate opposite to a surface on which the sapphire substrate is located; Removing the sapphire substrate; Forming an additional laminate on the surface of the gallium nitride based laminate from which the sapphire substrate has been removed; And attaching a second thermally conductive substrate to the exposed surface of the additional laminate.
여기서, 상기 제1 열 도전성 기판을 부착하는 단계는, 상기 질화갈륨계 적층체 상에 질화알루미늄 또는 질화실리콘 재질의 보호층을 형성하는 단계; 및 상기 보호층에 제1 열 도전성 기판을 부착하는 단계를 포함할 수 있다.Here, the step of attaching the first thermally conductive substrate may include: forming a protective layer made of aluminum nitride or silicon nitride on the gallium nitride-based laminate; And attaching a first thermally conductive substrate to the protective layer.
여기서, 상기 제2 열 도전성 기판을 부착하는 단계는, 상기 질화갈륨계 적층체 상에 나노은, AuSn, NiSn 또는 금이나 은을 함유하는 금속 재질의 매개층을 형성하는 단계; 및 상기 보호층에 제2 열 도전성 기판을 부착하는 단계를 포함할 수 있다.Here, the step of attaching the second thermally conductive substrate may include the steps of: forming an intermediate layer of a metal material containing nano silver, AuSn, NiSn, or gold or silver on the gallium nitride-based laminate; And attaching a second thermally conductive substrate to the protective layer.
여기서, 상기 질화갈륨계 적층체를 형성하는 단계는, 사파이어 기판 상에 제1 도전형의 씨드층을 형성하는 단계; 상기 씨드층에 대하여 ELO 성장을 수행하여 진성 질화갈륨 반도체층을 형성하는 단계; 제1 도전형의 질화갈륨으로 ELO 성장을 계속 수행하여, 상기 진성 질화갈륨 반도체층을 감싸는 제1 도전형의 제1 스위치 반도체층을 형성하는 단계; 상기 제1 스위치 반도체층 상에 제2 도전형의 제2 스위치 반도체층을 형성하는 단계; 상기 제2 스위치 반도체층 상에 제1 도전형의 제3 스위치 반도체층을 형성하는 단계; 상기 제2 스위치 반도체층 및 상기 제1 스위치 반도체층의 상부 일부 영역을 식각하고, 식각된 표면에 게이트 절연막을 형성하는 단계; 상기 게이트 절연막 상에 게이트 전극을 형성하는 단계; 상기 게이트 전극 사이의 상기 제3 스위치 반도체층 상에 소스 전극을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.The step of forming the gallium nitride-based laminate may include: forming a seed layer of a first conductivity type on a sapphire substrate; Performing ELO growth on the seed layer to form an intrinsic gallium nitride semiconductor layer; Forming a first switch semiconductor layer of a first conductivity type surrounding the intrinsic gallium nitride semiconductor layer by continuously performing ELO growth with gallium nitride of a first conductivity type; Forming a second switch semiconductor layer of a second conductivity type on the first switch semiconductor layer; Forming a third switch semiconductor layer of a first conductivity type on the second switch semiconductor layer; Etching a portion of the upper part of the second switch semiconductor layer and the first switch semiconductor layer, and forming a gate insulating film on the etched surface; Forming a gate electrode on the gate insulating film; And forming a source electrode on the third switch semiconductor layer between the gate electrodes.
여기서, 상기 부가적인 적층체를 형성하는 단계는, 상기 사파이어 기판이 제거된 상기 질화갈륨계 적층체 면에 드레인 전극을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.Here, the forming of the additional laminate may include forming a drain electrode on the surface of the gallium nitride-based laminate from which the sapphire substrate is removed.
여기서, 상기 소스 전극 및 게이트 전극을 보호하는 보호층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method may further include forming a protective layer for protecting the source electrode and the gate electrode.
여기서, 상기 씨드층을 형성하는 단계 이후, 상기 진성 질화갈륨 반도체층을 형성하는 단계 이전에, 상기 씨드층 상에 TD 차단 절연층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.Here, after forming the seed layer, a step of forming a TD blocking insulating layer on the seed layer may be performed before forming the intrinsic gallium nitride semiconductor layer.
여기서, 게이트 절연막을 형성하는 단계 이전에, 상기 제3 스위치 반도체층에 그물 형상의 에칭을 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.Here, before the step of forming the gate insulating layer, the step of forming the third switch semiconductor layer may further include the step of performing a net-like etching on the third switch semiconductor layer.
여기서, 상기 질화갈륨계 적층체를 형성하는 단계는, 사파이어 기판 상에 씨드층을 형성하는 단계; 상기 씨드층에 대하여 ELO 성장을 수행하여 진성 질화갈륨 반도체층을 형성하는 단계; 제1 도전형의 질화갈륨으로 ELO 성장을 계속 수행하여, 상기 진성 질화갈륨 반도체층을 감싸는 제1 도전형의 제1 스위치 반도체층을 형성하는 단계; 상기 제1 스위치 반도체층 상에 제2 도전형의 제2 스위치 반도체층을 형성하는 단계; 상기 제2 스위치 반도체층 상에 제1 도전형의 제3 스위치 반도체층을 형성하는 단계; 상기 제2 스위치 반도체층 및 상기 제1 스위치 반도체층의 상부 일부 영역으로서, 상기 씨드층에 겹치지 않는 영역을 식각하고, 식각된 표면에 게이트 절연막을 형성하는 단계; 및 상기 게이트 절연막 상에 게이트 전극을 형성하고, 상기 게이트 절연막 사이의 상기 제3 스위치 반도체층 상에 소스 전극을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.The step of forming the gallium nitride-based laminate may include: forming a seed layer on the sapphire substrate; Performing ELO growth on the seed layer to form an intrinsic gallium nitride semiconductor layer; Forming a first switch semiconductor layer of a first conductivity type surrounding the intrinsic gallium nitride semiconductor layer by continuously performing ELO growth with gallium nitride of a first conductivity type; Forming a second switch semiconductor layer of a second conductivity type on the first switch semiconductor layer; Forming a third switch semiconductor layer of a first conductivity type on the second switch semiconductor layer; Etching a region not overlapping the seed layer as a partial upper region of the second switch semiconductor layer and the first switch semiconductor layer and forming a gate insulating film on the etched surface; And forming a gate electrode on the gate insulating film and forming a source electrode on the third switch semiconductor layer between the gate insulating films.
여기서, 상기 부가적인 적층체를 형성하는 단계는, 상기 사파이어 기판이 제거된 면에 노출된 상기 씨드층 및 진성 질화갈륨 반도체층 상에 절연막을 형성하는 단계; 및 상기 절연막 상에 드레인 전극을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.The forming of the additional layered body may include forming an insulating layer on the seed layer and the intrinsic gallium nitride semiconductor layer exposed on the surface from which the sapphire substrate is removed; And forming a drain electrode on the insulating film.
여기서, 상기 노출된 상기 씨드층 및 진성 질화갈륨 반도체층 상에 절연막을 형성하는 단계 이전에, 상기 사파이어 기판이 제거된 상기 질화갈륨계 적층체에 리프트 오프 공정에 따른 손상을 제거하기 위한 식각을 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.Here, before the step of forming the insulating layer on the exposed seed layer and the intrinsic gallium nitride semiconductor layer, etching is performed on the gallium nitride-based laminate from which the sapphire substrate has been removed to remove damage due to the lift-off process The method comprising the steps of:
여기서, 상기 질화갈륨계 적층체를 형성하는 단계는, 사파이어 기판 상에 고농도 질화갈륨 반도체층을 형성하는 단계; 상기 고농도 질화갈륨 반도체층 상에 서로 이격된 2 이상의 윈도우 절연층들을 형성하는 단계; 상기 윈도우 절연층들 사이로 노출된 상기 고농도 질화갈륨 반도체층의 표면으로부터 ELO 성장을 수행하여 초기 성장층을 형성하는 단계; 제1 도전형의 질화갈륨 또는 진성 질화갈륨으로 ELO 성장을 계속 수행하여, 상기 초기 성장층을 감싸는 제1 스위치 반도체층을 형성하는 단계; 상기 제1 스위치 반도체층 상에 제2 도전형의 제2 스위치 반도체층을 형성하는 단계; 상기 제2 스위치 반도체층 상에 제1 도전형의 제3 스위치 반도체층을 형성하는 단계; 상기 제2 스위치 반도체층 및 상기 제1 스위치 반도체층의 상부 일부 영역으로서, 상기 씨드층에 겹치지 않는 영역을 식각하고, 식각된 표면에 게이트 절연막을 형성하는 단계; 및 상기 게이트 절연막 상에 게이트 전극을 형성하고, 상기 게이트 절연막 사이의 상기 제3 스위치 반도체층 상에 소스 전극을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.The forming of the gallium nitride-based laminate may include: forming a high-concentration gallium nitride semiconductor layer on a sapphire substrate; Forming at least two window insulating layers spaced apart from each other on the high-concentration gallium nitride semiconductor layer; Performing ELO growth from the surface of the highly concentrated gallium nitride semiconductor layer exposed between the window insulating layers to form an initial growth layer; Continuing ELO growth with gallium nitride or intrinsic gallium nitride of the first conductivity type to form a first switch semiconductor layer surrounding the initial growth layer; Forming a second switch semiconductor layer of a second conductivity type on the first switch semiconductor layer; Forming a third switch semiconductor layer of a first conductivity type on the second switch semiconductor layer; Etching a region not overlapping the seed layer as a partial upper region of the second switch semiconductor layer and the first switch semiconductor layer and forming a gate insulating film on the etched surface; And forming a gate electrode on the gate insulating film and forming a source electrode on the third switch semiconductor layer between the gate insulating films.
여기서, 상기 질화갈륨계 적층체를 형성하는 단계는, 상기 게이트 전극 및 소스 전극을 형성하는 단계 이후, 상기 질화갈륨계 적층체의 일부 영역을 상기 고농도 질화갈륨 반도체층까지 제거하고, 제거된 영역의 상기 고농도 질화갈륨 반도체층 상에 드레인 전극을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.The step of forming the gallium nitride-based laminate may include a step of removing a portion of the gallium nitride-based stacked body to the high-concentration gallium nitride semiconductor layer after the step of forming the gate electrode and the source electrode, And forming a drain electrode on the high-concentration gallium nitride semiconductor layer.
여기서, 상기 초기 성장층을 형성하는 단계 이후, 상기 제1 스위치 반도체층을 형성하는 단계 이전에, 고농의 제1 도전형의 질화갈륨으로 버퍼층을 형성하는 단계; 및 상기 버퍼층 상에 상기 윈도우 절연층과 엇갈린 위치로 형성된 TD 차단 절연층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.Here, after forming the initial growth layer, a buffer layer may be formed of gallium nitride of a first conductivity type, which is a high concentration, prior to forming the first switch semiconductor layer. And forming a TD blocking insulating layer on the buffer layer in a staggered position with respect to the window insulating layer.
여기서, 상기 제1 스위치 반도체층을 형성하는 단계에서는, 상기 윈도우 절연층과 엇갈린 위치의 중간 높이에 TD 차단 절연층이 삽입된 상기 제1 스위치 반도체층을 형성할 수 있다.Here, in the forming of the first switch semiconductor layer, the first switch semiconductor layer in which a TD blocking insulating layer is inserted may be formed at a middle height between the window insulating layer and the window insulating layer.
여기서, 상기 부가적인 적층체를 형성하는 단계는, 상기 사파이어 기판이 제거된 상기 질화갈륨계 적층체 면에 드레인 전극을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
Here, the forming of the additional laminate may include forming a drain electrode on the surface of the gallium nitride-based laminate from which the sapphire substrate is removed.
상술한 구성에 따른 본 발명의 질화갈륨계 전계효과 트랜지스터를 실시하면, 저렴한 제작 비용으로 누설 전류를 효과적으로 차단할 수 있는 이점이 있다.When the gallium nitride-based field-effect transistor of the present invention according to the above-described configuration is used, there is an advantage that the leakage current can be effectively blocked at a low manufacturing cost.
또는, 본 발명은 양호한 발열 특성을 가지는 질화물계 전계효과 트랜지스터를 실시할 수 있는 이점이 있다.Alternatively, the present invention has an advantage that a nitride-based field-effect transistor having good heat-generating characteristics can be implemented.
또는, 본 발명은 고내압, 대전류 밀도, 노멀리 오프 특성을 가지는 질화물계 전계효과 트랜지스터를 실시할 수 있는 이점이 있다.
Alternatively, the present invention has an advantage that a nitride-based field-effect transistor having high breakdown voltage, high current density, and normally off characteristics can be implemented.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 전계효과 트랜지스터의 구조를 도시한 것이다.
도 2는 채널의 TD를 보다 효과적으로 억제할 수 있는 다른 실시예의 질화물계 전계효과 트랜지스터를 도시한다.
도 3a 내지 도 3q는 도 1의 질화물계 전계효과 트랜지스터를 제조하는 과정을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 질화물계 전계효과 트랜지스터의 구조를 도시한 것이다.
도 5a 내지 도 5r은 도 4의 질화물계 전계효과 트랜지스터를 제조하는 과정을 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 질화물계 전계효과 트랜지스터의 구조를 도시한 것이다.
도 7은 채널의 TD를 보다 효과적으로 억제할 수 있는 다른 실시예의 질화물계 전계효과 트랜지스터를 도시한다.
도 8은 채널의 TD를 보다 효과적으로 억제할 수 있는 다른 실시예의 질화물계 전계효과 트랜지스터를 도시한다.
도 9는 채널의 TD를 보다 효과적으로 억제할 수 있는 다른 실시예의 질화물계 전계효과 트랜지스터를 도시한다.
도 10a 내지 도 10g는 도 1의 질화물계 전계효과 트랜지스터를 제조하는 과정을 도시한 것이다.
도 11a 내지 11c는, 사파이어 기판을 실리콘 기판으로 대체한 경우, 도 10a 내지 10c의 대신 수행되는 공정을 나타낸 것이다.FIG. 1 illustrates a structure of a nitride-based field-effect transistor according to an embodiment of the present invention.
Fig. 2 shows a nitride-based field-effect transistor of another embodiment capable of more effectively suppressing the channel's TD.
3A to 3Q illustrate a process for fabricating the nitride-based field-effect transistor of FIG.
FIG. 4 illustrates a structure of a nitride-based field-effect transistor according to another embodiment of the present invention.
FIGS. 5A to 5R show a process of manufacturing the nitride-based field-effect transistor of FIG.
FIG. 6 illustrates the structure of a nitride-based field-effect transistor according to another embodiment of the present invention.
FIG. 7 shows a nitride-based field-effect transistor of another embodiment capable of more effectively suppressing the channel's TD.
Fig. 8 shows a nitride-based field-effect transistor of another embodiment capable of more effectively suppressing the channel's TD.
Fig. 9 shows a nitride-based field-effect transistor of another embodiment capable of more effectively suppressing the channel's TD.
FIGS. 10A to 10G show a process of manufacturing the nitride-based field-effect transistor of FIG.
Figs. 11A to 11C show processes performed instead of Figs. 10A to 10C when the sapphire substrate is replaced with a silicon substrate.
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 도전형으로서 n형, 제2 도전형으로서 p형으로 구체화하여 설명하고 있지만, 반대의 경우도 가능함은 물론이다
In the description of the embodiments described below, the n-type is described as the first conductive type and the p-type is described as the second conductive type. However, the opposite case is of course possible
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 전계효과 트랜지스터의 구조를 도시한 것이다. 도면 및 하기 설명에서 개시되는 수치는 일 예를 제시하는 것일 뿐, 이에 한정하지는 않는다. FIG. 1 illustrates a structure of a nitride-based field-effect transistor according to an embodiment of the present invention. The numerical values set forth in the drawings and the following description are for illustrative purposes only and are not intended to be limiting.
도시한 질화물계 전계효과 트랜지스터는, 열 전도성 하부 기판(2); 상기 열 전도성 하부 기판(2) 상에 위치하는 매개층(8); 상기 매개층 상부에 위치하는 드레인 전극(11); 상기 드레인 전극(11) 상에 위치한 고농도 n형 질화갈륨 반도체층(22); 상기 고농도 n형 질화갈륨 반도체층 상에 위치한 진성 질화갈륨 반도체층(24); 상기 진성 질화갈륨 반도체층(24) 상에 이를 감싸는 형태로 위치한 제1 스위치 반도체층(40); 상기 제1 스위치 반도체층(40) 상에 위치한 제2 스위치 반도체층(50); 상기 제2 스위치 반도체층(50) 상에 위치한 제3 스위치 반도체층(60); 상기 제3 스위치 반도체층(60), 상기 제2 스위치 반도체층(50) 및 상기 제1 스위치 반도체층(40)의 상부 일부 영역이 움푹 패인 형태의 트랜치 구조 상에 위치한 게이트 절연막(74); 상기 게이트 절연막 상부에 위치한 게이트 전극(76); 상기 게이트 전극들(76) 사이의 상기 제3 스위치 반도체층(60) 상에 위치한 소스 전극(72); 및 열 전도성 상부 기판(99)을 포함할 수 있다.The illustrated nitride-based field effect transistor comprises a thermally conductive
구현에 따라, 상기 드레인 전극들(11) 사이의 공간은 하부 보호층(12)으로 체워질 수 있다. 예컨대, 예컨대, AlN이나 SiN의 재질의 하부 보호층(12)이 형성될 수 있다.Depending on the implementation, the space between the
구현에 따라, 상기 게이트 전극(76)에 대한 전극 패드(93) 및 연결부(91), 상기 소스 전극(72)에 대한 전극 패드(95) 및 연결부(94), 상기 전극 패드들을 보호하기 위한 보호층(96)이 위치하고, 그 상부에 열 전도성 기판(99)이 부착될 수 있다.
According to the implementation, the
상기 드레인 전극(11)은, 버티컬 타입 전계효과 트랜지스터 구조에서 열 방출에 유리하도록 아래 방향에 형성하였지만, 소자의 두께를 줄이려는 다른 구현의 경우, 상기 고농도 n형 질화갈륨 반도체층 또는 이와 접하는 별도의 도전층에 연결된 형태로 측면에 위치할 수도 있다.Although the
열 방출에 유리하도록 상기 드레인 전극(11)은 Ti, Al, Au 중 하나 이상을 포함하는 재질 등 금속 재질로 형성될 수 있으나, 열 방출이 중요치 않은 용도에서는 도전성 반도체 또는 유기물로 형성될 수 있다.The
상기 매개층(8)은 공정 친화성 및 열/전기 전도성이 높은 귀금속 계열의 재질로 형성될 수 있다. 예컨대, 나노은(nano Ag)이나, AuSn, NiSn, Au, Ag, Al 등의 재질로 형성될 수 있다.The
상기 하부 열 전도성 기판(2) 및 상부 열 전도성 기판(99)은 구리 기판 등 열 전도성 및 기계적 특성이 우수한 재질로 형성될 수 있다.
The lower thermally
상기 고농도 n형 질화갈륨 반도체층(22)은, 상기 진성 질화갈륨 반도체층(24); 및 제1 스위치 반도체층(40)을 ELO 성장으로 형성할 때의 씨드층으로 이용될 수 있다.The high-concentration n-type gallium nitride semiconductor layer (22) comprises the intrinsic gallium nitride semiconductor layer (24); And the first
n-GaN 레이어인 상기 제1 스위치 반도체층(40), pGaN 레이어인 상기 제2 스위치 반도체층(50) 및 n+GaN 레이어인 상기 제3 스위치 반도체층(60)은, 레이어 구조상 c면 성장으로 형성될 수 있다.
The first
상기 소스 전극(72)은 상기 제3 스위치 반도체층(60)을 관통하는 소스 코어(71)에 연결되어 있다. 예컨대, 상기 소스 전극(72)을 형성하기 전에, n+GaN 레이어인 제3 스위치 반도체층(60)에 그물 형상의 에칭을 pGaN 레이어인 제2 스위치 반도체층(50)의 상부 일부까지 제거되도록 수행한 후, 금속 재질로 소스 전극(71)을 증착하는 방식으로, 상기 소스 코어(71)를 형성할 수 있다.
The
상기 게이트 전극(76)은 턴온 전압이 인가되었을 때, 상기 제1 내지 제3 스위치 반도체층(40, 50, 60)에 의해 n-p-n 접합에 따른 채널이 형성될 수 있도록, 경사면을 가지는 트랜치 형상으로 형성될 수 있다. 상기 트랜치 형상은, 상기 제3 스위치 반도체층(60) 및 제2 스위치 반도체층(50)과, 상기 제1 스위치 반도체층(40)의 상부 일부 영역을 제거한 형태를 가질 수 있다.The
상기 소스 전극(72) 및 게이트 전극(76)은 서로 교번하는 위치에 형성되며, 금속이나 도전막 등 도전성 재질로 형성될 수 있다. 구현에 따라, 상기 소스 전극(72) 및 게이트 전극(76)을 보호하거나, 외부로 인출되는 라인들과의 연결 유지 및 절연을 지원하는 보호층(96)이 그 상부를 덮도록 형성될 수 있다. 예컨대, AlN이나 SiN의 재질의 보호층(96)이 형성될 수 있다.
The
도시한 전계효과 트랜지스터는, 열 전도성 하부 기판(2) 및 열 전도성 상부 기판(99) 사이에 질화갈륨 전계효과 트랜지스터 적층체가 위치하는 구조를 가지는데, 이와 같은 구조는 전계효과 트랜지스터에서 발생되는 열을 효과적으로 신속하게 방출할 수 있는 이점을 가진다. The illustrated field effect transistor has a structure in which a gallium nitride field effect transistor stack is located between a thermally conductive
또한, 도시한 전계효과 트랜지스터는, 비교적 저렴한 사파이어 기판이나 실리콘 기판 상에 GaN seed를 이용한 ELO 성장으로 소자를 형성하되, ELO 성장으로 인한 TD(Threading dislocation)가 소스 전극 쪽에 발생하는 것을 효과적으로 억제할 수 있다. 이에 따라, 저렴한 비용으로 양호한 내압 특성을 가지는 수직형(Vertical Type) GaN계 전자 소자를 실시할 수 있다.
In addition, in the illustrated field effect transistor, a device is formed by ELO growth using a GaN seed on a comparatively inexpensive sapphire substrate or a silicon substrate, and effectively suppressing occurrence of TD (Threading dislocation) due to ELO growth on the source electrode side have. As a result, it is possible to implement a vertical type GaN-based electronic device having good pressure resistance characteristics at low cost.
도 2는 채널의 TD를 보다 효과적으로 억제할 수 있는 다른 실시예의 질화물계 전계효과 트랜지스터를 도시한다.Fig. 2 shows a nitride-based field-effect transistor of another embodiment capable of more effectively suppressing the channel's TD.
도시한 전계효과 트랜지스터는, 도 1에 도시한 것과 대부분의 구성요소가 유사하지만, 고농도 n형 질화갈륨 반도체층(22) 상부에 TD 차단 절연층(23)이 더 구비됨에 차이가 있다.The illustrated field effect transistor is similar to most of the elements shown in FIG. 1 except that the TD blocking insulating
도시한 TD 차단 절연층(23)은, ELO 시드의 상부에 SiO2 등의 재질로 형성될 수 있으며, 이에 따라, TD가 감소하여, 전자 이동도가 증가하고, 턴온 저항이 감소되는 이점을 가져온다. 또한, 소스 전극(72)과 드레인 전극(11) 사이의 채널에, n+GaN에서 시작되는 TD가 존재하지 않게 되어, 누설 전류도 크게 절감할 수 있다.
The illustrated TD blocking insulating
도 3a 내지 도 3q는 도 1의 질화물계 전계효과 트랜지스터를 제조하는 과정을 도시한 것이다.3A to 3Q illustrate a process for fabricating the nitride-based field-effect transistor of FIG.
우선, 도 3a에 도시한 바와 같이, 사파이어 기판(1) 상에 n+형 질화갈륨 반도체층(22-1)을 형성시키고, 제조될 도 1의 n+형 질화갈륨 반도체층(22)에 맞는 크기로 상기 n+형 질화갈륨 반도체층(22-1) 상부에 절연층(22-2)을 형성한다. 상기 형성된 n+형 질화갈륨 반도체층(22-1)은 0.7um보다 작은 두께로 형성할 수 있다. 또한, 상기 절연층(22-2)은, SiO2 재질의 stripe로서 <11-00>, <112-0> 방향으로 형성할 수 있다.First, as shown in Fig. 3A, an n + type gallium nitride semiconductor layer 22-1 is formed on a
다음, 도 3b에 도시한 바와 같이, 상기 적층된 n+형 질화갈륨 반도체층(22-1)을 식각하여, 도 1의 n+형 질화갈륨 반도체층들(22)을 형성하고, 도 3c에 도시한 바와 같이, n+형 질화갈륨 반도체층들(22) 상부의 절연층을 제거한다. 이때, 식각 방법으로는 RIE(Reactive Ion Etching)을 적용하거나, 일반적인 건식 식각 및/또는 습식 식각을 이용할 수 있다. 상기 식각 과정에서 식각 영역 아래의 사파이어 기판(1)의 일부도 식각된 상태가 될 수 있다. Next, as shown in FIG. 3B, the stacked n + type gallium nitride semiconductor layer 22-1 is etched to form the n + type gallium nitride semiconductor layers 22 shown in FIG. 1, The insulating layer on the n + -type gallium nitride semiconductor layers 22 is removed. At this time, RIE (Reactive Ion Etching) may be applied as an etching method, or general dry etching and / or wet etching may be used. A portion of the
다음, 도 3d에 도시한 바와 같이, 상기 사파이어 기판(1) 상에 남은 n+형 질화갈륨 반도체층(22)을 씨드층으로 하여, ELO 성장을 수행하여 진성 질화갈륨 반도체층(24)을 형성한다.Next, as shown in FIG. 3D, the n-type gallium
다음, 도 3e에 도시한 바와 같이, n-GaN으로 ELO 성장을 계속 수행하여, 상기 진성 질화갈륨 반도체층(24)을 감싸는 n-GaN 재질의 제1 스위치 반도체층(40)을 형성한다.Next, as shown in FIG. 3E, ELO growth is continued with n-GaN to form a first
상기 도 3d 및/또는 3d의 ELO 성장은, 절연막들 사이의 윈도우 없이, 사파이어 기판상에 부착된 씨드층으로부터 성장을 진행하는, 이른바, PENDEO 방식의 ELO 성장으로 수행될 수 있다. The ELO growth in FIGS. 3D and / or 3D can be performed by the so-called PENDEO type ELO growth in which growth proceeds from the seed layer adhered on the sapphire substrate, without a window between the insulating films.
다음, 도 3f에 도시한 바와 같이, 상기 n-GaN 제1 스위치 반도체층(40) 상에 p GaN 재질의 제2 스위치 반도체층(50)을 형성하고, 다시 상기 제2 스위치 반도체층(50)상에 n+GaN 재질의 제3 스위치 반도체층(60)을 형성한다. 상기 제1 스위치 반도체층(40), 상기 제2 스위치 반도체층(50) 및 상기 제3 스위치 반도체층(60)은, 레이어 구조상 c면 성장으로 형성될 수 있다. 상기 p GaN 재질의 제2 스위치 반도체층(50)은 Mg 등을 도핑한 GaN으로 형성될 수 있다.
Next, as shown in FIG. 3F, a second
다음, 도 3g에 도시한 바와 같이, 소스 코어가 형성될 위치를 마련하기 위해, 상기 제3 스위치 반도체층(60)에 그물 형상(에칭되는 공간들의 관점에서는 도트 패턴이라고 칭할 수도 있다)의 에칭을 수행한다. 상기 그물 형상의 에칭을 수행하기 위한 식각 공정에서 게이트를 위한 트랜치 영역도 함께 제거되도록, 마스크 형상을 결정하는 것이 바람직하다. 상기 식각 방법으로는 RIE(Reactive Ion Etching)을 적용하거나, 일반적인 건식 식각 및/또는 습식 식각을 이용할 수 있다. Next, as shown in Fig. 3G, etching of the mesh shape (which may be referred to as a dot pattern in terms of the spaces to be etched) is performed on the third
다음, 도 3h에 도시한 바와 같이, 게이트를 위한 트랜치 구조를 형성하는 과정으로서, 상기 제2 스위치 반도체층(50) 및 상기 제1 스위치 반도체층(40)의 상부 일부 영역을 식각한다. 상기 식각 방법으로는 RIE(Reactive Ion Etching)을 적용하거나, 일반적인 건식 식각 및/또는 습식 식각을 이용할 수 있다.Next, as shown in FIG. 3H, a portion of the upper portion of the second
다음, 도 3i에 도시한 바와 같이, 게이트 절연막을 형성하기 위해, 도 3h의 적층 구조 상부 영역에 절연막층(74-1)을 형성한다. 상기 절연막층(74-1)은 100 내지 1000 옹스트롱의 두께로 증착될 수 있다.Next, as shown in FIG. 3I, an insulating film layer 74-1 is formed in the upper region of the laminated structure of FIG. 3H in order to form a gate insulating film. The insulating film layer 74-1 may be deposited to a thickness of 100 to 1000 angstroms.
다음, 상기 절연막층(74-1)에서 불필요한 영역을 제거한 형태의 게이트 절연막(74)이 형성된 상태에서, 도 3j에 도시한 바와 같이, 포토 레지스트(76-2)를 이용한 포토 리쏘그래피를 수행하고, 게이트 전극(76)을 형성한다. 예컨대, 게이트 전극(76)을 형성하기 위한 상기 포토 레지스트(76-2)를 포함하는 적층 구조체 상부에 Ti/Al/Au나 Ni/Au 등 금속층(76-1)을 증착할 수 있다. 3J, photolithography using the photoresist 76-2 is performed in a state in which a
다음, 포토 레지스트(76-2) 및 불필요한 금속층(76-1)을 제거하고, 도 3k에 도시한 바와 같이, 포토 레지스트(72-2)를 이용한 포토 리쏘그래피를 수행하고, 소스 전극(72)을 형성한다. 예컨대, 소스 전극(72)을 형성하기 위한 상기 포토 레지스트(72-2)를 포함하는 적층 구조체 상부에 Ni/Au 등 금속층(72-1)을 증착할 수 있다. 상기 증착 과정에 의해, 상기 도 3g에서 형성한 그물 형상의 에칭 홀들에도 증착하는 금속이 채워져서, 도 1에 도시한 소스 코어(71)를 형성할 수 있다. Next, the photoresist 76-2 and the unnecessary metal layer 76-1 are removed, and photolithography using the photoresist 72-2 is performed as shown in FIG. 3K. Then, the
다음, 도 3l에 도시한 바와 같이, 포토 레지스트(72-2) 및 불필요한 금속층(72-1)을 제거한다.Next, as shown in FIG. 31, the photoresist 72-2 and the unnecessary metal layer 72-1 are removed.
다음, 도 3m에 도시한 바와 같이, 도 3l의 적층 구조체 상부에 보호층(92-1)(passivation layer)을 형성한다. 예컨대, 상기 보호층(92-1)은, SiNx를 증착하여 형성할 수 있다.Next, as shown in FIG. 3M, a passivation layer 92-1 (passivation layer) is formed on the laminated structure of FIG. For example, the protective layer 92-1 may be formed by depositing SiNx.
다음, 도 3n에 도시한 바와 같이, 도 3m의 적층 구조체 상부의 보호층(92-2) 중 게이트 전극(76) 및 소스 전극(72)을 전극 패드(미도시)에 연결하는 연결체(도 1의 91, 94)를 위한 공간을 식각한다. Next, as shown in FIG. 3N, a connecting body (not shown) for connecting the
다음, 도 3o에 도시한 바와 같이, 게이트 전극(76)에 대한 전극 패드(93), 소스 전극(72)에 대한 전극 패드(95) 및 상기 전극 패드들을 보호하기 위한 보호층(96)을 형성하고, 그 상부에 열 전도성 기판(99)을 부착한다. 예컨대, 상기 열 전도성 기판(99)은 일종의 히트 씽크로 기능하도록 구리(Cu) 등 금속 기판에 AuSn이나 귀금속(Au, Ag) 포함 재질의 매개층을 매개하여 부착될 수 있다.3O, an
다음, 도 3p에 도시한 바와 같이, 도 3o의 적층 구조체에서, 아래의 사파이어 기판(1)을 제거한다. 예컨대, 레이져 리프트 오프 공정으로 상기 사파이어 기판(1)을 제거할 수 있다. 구현에 따라, 리프트 오프 공정에서의 손상된 표면을 제거하기 위해, 건식 식각을 수행할 수 있다. Next, as shown in Fig. 3P, in the laminated structure of Fig. 30, the
다음, 도 3q에 도시한 바와 같이, 상기 사파이어 기판(1)이 제거된 면의 상부에 절연층(12)을 형성하고, 드레인 전극(11)이 형성될 영역을 제거한 후, 드레인 전극(11)을 형성하고나서, 하부 열 전도성 기판(2)을 부착한다. 예컨대,상기 절연층(12)으로서 SiO2막을 증착하고, Ti/Al/Au 등과 같은 금속 재질로 드레인 전극(11)을 증착하고, 히트 씽크의 특성을 가지도록 구리(Cu) 등의 재질로 하부 열전도성 기판(2)을 형성할 수 있다. 상기 하부 열 전도성 기판(2)과 드레인 전극(11)의 부착은 매개층(18)에 의해 수행될 수 있는데, 상기 매개층(18)은 공정 친화성 및 열/전기 전도성이 높은 귀금속 계열의 재질, 예컨대, 나노은(nano Ag)이나, AuSn, NiSn, Au, Ag, Al 등의 재질로 형성될 수 있다.
Next, as shown in FIG. 3Q, the insulating
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 질화물계 전계효과 트랜지스터의 구조를 도시한 것이다. 도면 및 하기 설명에서 개시되는 수치는 일 예를 제시하는 것일 뿐, 이에 한정하지는 않는다. FIG. 4 illustrates a structure of a nitride-based field-effect transistor according to another embodiment of the present invention. The numerical values set forth in the drawings and the following description are for illustrative purposes only and are not intended to be limiting.
도시한 질화물계 전계효과 트랜지스터는, In the illustrated nitride-based field-effect transistor,
열 전도성 하부 기판(2); 상기 열 전도성 하부 기판(2) 상에 위치하는 매개층(8); 상기 매개층 상부에 위치하는 드레인 전극층(211);A thermally conductive
상기 드레인 전극층(211) 상의 소스 영역에 위치한 TD 차단 절연층(221);A TD blocking insulating
상기 윈도우 절연층(221) 상에 위치한 씨드층(222); 상기 씨드층(222)을 감싸는 형태로 형성된 초기 성장층(224); 상기 초기 성장층(224)을 감싸면서 적층된 제1 스위치 반도체층(240); 상기 제1 스위치 반도체층(240) 상에 위치한 제2 스위치 반도체층(250); 상기 제2 스위치 반도체층(250) 상에 위치한 제3 스위치 반도체층(260); 상기 제3 스위치 반도체층(260), 상기 제2 스위치 반도체층(250) 및 상기 제1 스위치 반도체층(240)의 상부 일부 영역이 움푹 패인 형태의 트랜치 구조 상에 위치한 게이트 절연막(274); 상기 게이트 절연막(274) 상부에 위치한 게이트 전극(276); 상기 게이트 전극들(276) 사이의 상기 제3 스위치 반도체층(260) 상에 위치한 소스 전극(272); 및 열 전도성 상부 기판(299)을 포함할 수 있다.A
구현에 따라, 상기 게이트 전극(276)에 대한 전극 패드(293) 및 연결부(291), 상기 소스 전극(272)에 대한 전극 패드(295) 및 연결부(294), 상기 전극 패드들을 보호하기 위한 보호층(296)이 위치하고, 그 상부에 열 전도성 기판(299)이 부착될 수 있다. According to the implementation, the
상기 드레인 전극층(211)은, 버티컬 타입 전계효과 트랜지스터 구조에서 열 방출에 유리하도록 아래 방향에 형성하였지만, 소자의 두께를 줄이려는 다른 구현의 경우, 상기 고농도 n형 질화갈륨 반도체층 또는 이와 접하는 별도의 도전층에 연결된 형태로 측면에 위치할 수도 있다.The
열 방출에 유리하도록 상기 드레인 전극층(211)은 Ti, Al, Au 중 하나 이상을 포함하는 재질 등 금속 재질로 형성될 수 있으나, 열 방출이 중요치 않은 용도에서는 도전성 반도체 또는 유기물로 형성될 수 있다.The
상기 매개층(8)은 공정 친화성 및 열/전기 전도성이 높은 귀금속 계열의 재질로 형성될 수 있다. 예컨대, 나노은(nano Ag)이나, AuSn, NiSn, Au, Ag, Al 등의 재질로 형성될 수 있다.The
상기 하부 열 전도성 기판(2) 및 상부 열 전도성 기판(299)은 구리 기판 등 열 전도성 및 기계적 특성이 우수한 재질로 형성될 수 있다.
The lower thermally
상기 씨드층(222)은, 상기 초기 성장층(224) 및 제1 스위치 반도체층(40)을 ELO 성장으로 형성할 때의 씨드층으로 이용될 수 있다.The
상기 씨드층(222)은 진성 질화갈륨 반도체층으로 형성될 수 있으며, 상기 초기 성장층(224)는 진성 질화갈륨 반도체층 또는 n-GaN 반도체층으로 형성될 수 있다.The
n-GaN 레이어인 상기 제1 스위치 반도체층(240), pGaN 레이어인 상기 제2 스위치 반도체층(250) 및 n+GaN 레이어인 상기 제3 스위치 반도체층(260)은, 레이어 구조상 c면 성장으로 형성될 수 있다.The first
상기 소스 전극(272)은 상기 제3 스위치 반도체층(260)을 관통하는 소스 코어(271)에 연결되어 있다. 예컨대, 상기 소스 전극(272)을 형성하기 전에, n+GaN 레이어인 제3 스위치 반도체층(260)에 그물 형상의 에칭을 pGaN 레이어인 제2 스위치 반도체층(250)의 상부 일부까지 제거되도록 수행한 후, 금속 재질로 소스 전극(271)을 증착하는 방식으로, 상기 소스 코어(271)를 형성할 수 있다.
The
상기 게이트 전극(276)은 턴온 전압이 인가되었을 때, 상기 제1 내지 제3 스위치 반도체층(240, 250, 260)에 의해 n-p-n 접합에 따른 채널이 형성될 수 있도록, 경사면을 가지는 트랜치 형상으로 형성될 수 있다. 상기 트랜치 형상은, 상기 제3 스위치 반도체층(260) 및 제2 스위치 반도체층(250)과, 상기 제1 스위치 반도체층(240)의 상부 일부 영역을 제거한 형태를 가질 수 있다.The
상기 소스 전극(272) 및 게이트 전극(276)은 서로 교번하는 위치에 형성되며, 금속이나 도전막 등 도전성 재질로 형성될 수 있다. 구현에 따라, 상기 소스 전극(272) 및 게이트 전극(276)을 보호하거나, 외부로 인출되는 라인들과의 연결 유지 및 절연을 지원하는 보호층(296)이 그 상부를 덮도록 형성될 수 있다. 예컨대, AlN이나 SiN의 재질의 보호층(296)이 형성될 수 있다.
The
그런데, 도시한 전계효과 트랜지스터는, ELO 공정이 안정적인 반면, TD가 소스 영역의 상부에 유발되어, 누설 전류가 문제될 수 있는 바, 드레인 전극층(211)과 TD가 유발된 소스 전극 하부 영역 사이에 TD 차단 절연층(221)을 두어, 누설 전류를 차단한다. 한편, 드레인 전극층(211)은 하면 전체로 확장하여, 상기 TD 차단 절연층(221)의 존재에도 턴온시 채널 전류가 흐르는 경로를 확보한다.However, since the field effect transistor shown in the figure is stable in the ELO process, the TD is induced in the upper portion of the source region, and the leakage current may be a problem. In this case, between the
도시한 전계효과 트랜지스터는, 열 전도성 하부 기판(2) 및 열 전도성 상부 기판(99) 사이에 질화갈륨 전계효과 트랜지스터 적층체가 위치하는 구조를 가지는데, 이와 같은 구조는 전계효과 트랜지스터에서 발생되는 열을 효과적으로 신속하게 방출할 수 있는 이점을 가진다. The illustrated field effect transistor has a structure in which a gallium nitride field effect transistor stack is located between a thermally conductive
또한, 도시한 전계효과 트랜지스터는, 비교적 저렴한 사파이어 기판이나 실리콘 기판 상에 GaN seed를 이용한 ELO 성장으로 소자를 형성하되, ELO 성장으로 인한 TD(Threading dislocation)가 채널 하부에 발생하는 것을 효과적으로 억제할 수 있어서, 저렴한 비용으로 양호한 내압 특성을 가지는 수직형(Vertical Type) GaN계 전자 소자를 실시할 수 있다. In addition, in the field effect transistor shown, a device is formed by ELO growth using a GaN seed on a relatively inexpensive sapphire substrate or a silicon substrate, and effective suppression of occurrence of TD (Threading dislocation) due to ELO growth in the channel bottom Thus, it is possible to implement a vertical type GaN-based electronic device having good withstand voltage characteristics at low cost.
또한, 도시한 전계효과 트랜지스터는, ELO 공정에 대한 불확실성을 억제하여, 생산된 제품의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
In addition, the illustrated field effect transistor can suppress the uncertainty in the ELO process and improve the reliability of the produced product.
도 5a 내지 도 5r은 도 4의 질화물계 전계효과 트랜지스터를 제조하는 과정을 도시한 것이다.FIGS. 5A to 5R show a process of manufacturing the nitride-based field-effect transistor of FIG.
우선, 도 5a에 도시한 바와 같이, 사파이어 기판(1) 상에 진성 질화갈륨 반도체층(222-1)을 형성시키고, 제조될 도 4의 씨드층(222)에 맞는 크기로 상기 진성 질화갈륨 반도체층(222-1) 상부에 절연층(222-2)을 형성한다. 상기 형성된 진성 질화갈륨 반도체층(222-1)은 0.7um보다 작은 두께로 형성할 수 있다. 또한, 상기 절연층(222-2)은, SiO2 재질의 stripe로서 <11-00>, <112-0> 방향으로 형성할 수 있다.5A, the intrinsic gallium nitride semiconductor layer 222-1 is formed on the
다음, 도 5b에 도시한 바와 같이, 상기 적층된 진성 질화갈륨 반도체층(222-1)을 식각하여, 도 1의 씨드층들(222)을 형성하고, 도 5c에 도시한 바와 같이, 씨드층들(22) 상부의 절연층을 제거한다. 이때, 식각 방법으로는 RIE(Reactive Ion Etching)을 적용하거나, 일반적인 건식 식각 및/또는 습식 식각을 이용할 수 있다. 상기 식각 과정에서 식각 영역 아래의 사파이어 기판(1)의 일부도 식각된 상태가 될 수 있다. Next, as shown in FIG. 5B, the stacked intrinsic gallium nitride semiconductor layer 222-1 is etched to form the seed layers 222 of FIG. 1, and as shown in FIG. 5C, The insulating layer on the
다음, 도 5d에 도시한 바와 같이, 상기 사파이어 기판(1) 상에 남은 씨드층(111)으로부터 ELO 성장을 수행하여 초기 성장층(224)을 형성한다. 상기 초기 성장층(224)는 상기 씨드층(111)과 특성이 유사한 진성 질화갈륨 반도체층 또는 후속 공정으로 생성될 제1 스위치 반도체층(240)과 특성이 유사한 n-GaN 반도체층으로 형성될 수 있다.Next, as shown in FIG. 5D, ELO growth is performed from the
다음, 도 5e에 도시한 바와 같이, n-GaN으로 ELO 성장을 계속 수행하여, 상기 진성 질화갈륨 반도체층(224)을 감싸는 n-GaN 재질의 제1 스위치 반도체층(240)을 형성한다.Next, as shown in FIG. 5E, ELO growth is continued with n-GaN to form a first
상기 도 5d 및/또는 5d의 ELO 성장은, 절연막들 사이의 윈도우 없이, 사파이어 기판상에 부착된 씨드층으로부터 성장을 진행하는, 이른바, PENDEO 방식의 ELO 성장으로 수행될 수 있다. The ELO growth in FIGS. 5D and / or 5D can be performed by so-called PENDEO-type ELO growth, in which growth proceeds from the seed layer adhered on the sapphire substrate without a window between the insulating films.
다음, 도 5f에 도시한 바와 같이, 상기 n-GaN 제1 스위치 반도체층(240) 상에 p GaN 재질의 제2 스위치 반도체층(250)을 형성하고, 다시 상기 제2 스위치 반도체층(250)상에 n+GaN 재질의 제3 스위치 반도체층(260)을 형성한다. 상기 제1 스위치 반도체층(240), 상기 제2 스위치 반도체층(250) 및 상기 제3 스위치 반도체층(260)은, 레이어 구조상 c면 성장으로 형성될 수 있다. 상기 p GaN 재질의 제2 스위치 반도체층(250)은 Mg 등을 도핑한 GaN으로 형성될 수 있다.
Next, as shown in FIG. 5F, a second
다음, 도 5g에 도시한 바와 같이, 소스 코어가 형성될 위치를 마련하기 위해, 상기 제3 스위치 반도체층(260)에 그물 형상(에칭되는 공간들의 관점에서는 도트 패턴이라고 칭할 수도 있다)의 에칭을 수행한다. 상기 그물 형상의 에칭을 수행하기 위한 식각 공정에서 게이트를 위한 트랜치 영역도 함께 제거되도록, 마스크 형상을 결정하는 것이 바람직하다. 상기 식각 방법으로는 RIE(Reactive Ion Etching)을 적용하거나, 일반적인 건식 식각 및/또는 습식 식각을 이용할 수 있다. Next, as shown in Fig. 5G, the third
다음, 도 5h에 도시한 바와 같이, 게이트를 위한 트랜치 구조를 형성하는 과정으로서, 포토 레지스트(260-1)를 덮고, 포토 리쏘그래피를 수행한 후, 상기 제2 스위치 반도체층(250) 및 상기 제1 스위치 반도체층(240)의 상부 일부 영역을 식각한다. 상기 식각 방법으로는 RIE(Reactive Ion Etching)을 적용하거나, 일반적인 건식 식각 및/또는 습식 식각을 이용할 수 있다.
Next, as shown in FIG. 5H, the photoresist 260-1 is covered and photolithography is performed to form a trench structure for the gate. Then, the second
다음, 도 5i에 도시한 바와 같이, 게이트 절연막을 형성하기 위해, 도 5h의 적층 구조 상부 영역에 절연막층(274-1)을 형성한다. 예컨대, 상기 절연막층(274-1)은 100 내지 1000 옹스트롱의 두께로 표면 플라즈마 옥시데이션 방식으로 증착될 수 있으며, 이후, HCl/H2O를 이용한 습식 식각으로 게이트 절연막을 제외한 영역을 제거할 수 있다. Next, as shown in Fig. 5I, an insulating film layer 274-1 is formed in the upper region of the laminated structure in Fig. 5H in order to form a gate insulating film. For example, the insulating film layer 274-1 may be deposited by a surface plasma oxidation method with a thickness of 100 to 1000 angstroms, and then a region excluding the gate insulating film may be removed by wet etching using HCl / H2O .
다음, 상기 절연막층(274-1)에서 불필요한 영역을 제거한 형태의 게이트 절연막(274)이 형성된 상태에서, 도 5j에 도시한 바와 같이, 포토 레지스트(276-2)를 이용한 포토 리쏘그래피를 수행하고, 게이트 전극(276) 및 소스 전극(272)을 형성한다. 예컨대, 게이트 전극(276) 및 소스 전극(272)을 형성하기 위한 상기 포토 레지스트(276-2)를 포함하는 적층 구조체 상부에 Ti/Al/Au나 Ni/Au 등 금속층(276-1)을 증착할 수 있다. 5G, photolithography using the photoresist 276-2 is performed, and a photoresist 276-2 is formed on the
다음, 포토 레지스트(276-2) 및 불필요한 금속층(276-1)을 제거하고, 도 5k에 도시한 바와 같이, 적층 구조체 상부에 보호층(92-1)(passivation layer)을 형성한다. 예컨대, 상기 보호층(292-1)은, SiNx를 증착하여 형성할 수 있다.Next, the photoresist 276-2 and the unnecessary metal layer 276-1 are removed, and a passivation layer 92-1 (passivation layer) is formed on the laminated structure as shown in FIG. 5K. For example, the protective layer 292-1 may be formed by depositing SiNx.
다음, 도 5l에 도시한 바와 같이, 도 5k의 적층 구조체 상부의 보호층(292-2) 중 게이트 전극(276) 및 소스 전극(272)을 전극 패드(미도시)에 연결하는 연결체(도 4의 291, 294)를 위한 공간을 식각한다.
Next, as shown in FIG. 5L, a connecting body (not shown) for connecting the
다음, 도 5m에 도시한 바와 같이, 게이트 전극(276)에 대한 전극 패드(293), 소스 전극(272)에 대한 전극 패드(295) 및 상기 전극 패드들을 보호하기 위한 보호층(296)을 형성하고, 그 상부에 열 전도성 기판(299)을 부착한다. 예컨대, 상기 열 전도성 기판(299)은 일종의 히트 씽크로 기능하도록 구리(Cu) 등 금속 기판에 AuSn이나 귀금속(Au, Ag) 포함 재질의 매개층을 매개하여 부착될 수 있다.Next, as shown in FIG. 5M, an
다음, 도 5n에 도시한 바와 같이, 도 5m의 적층 구조체에서, 아래의 사파이어 기판(1)을 제거한다. 예컨대, 레이져 리프트 오프 공정으로 상기 사파이어 기판(1)을 제거할 수 있다. Next, as shown in Fig. 5N, in the laminated structure of Fig. 5M, the
다음, 도 5o에 도시한 바와 같이, 리프트 오프 공정에서의 손상된 표면을 제거하기 위해, 건식 식각을 수행하며, 이와 동시 또는 후속으로 도 1의 TD 차단 절연층(221)이 형성될 공간을 식각한다. 상기 식각 공정은 상기 열 전도성 기판(299)가 아래로 위치하도록 뒤집힌 상태로, 건식 또는 습식 식각으로 수행될 수 있다.Next, as shown in FIG. 5O, dry etching is performed to remove the damaged surface in the lift-off process, and simultaneously or subsequently, a space where the TD blocking insulating
다음, 도 5p에 도시한 바와 같이, 상기 식각된 면상으로 절연층을 형성하고, 포토 리쏘그래피로 불필요한 부분의 절연층을 제거하여, TD 차단 절연층(221)을 형성한다.Next, as shown in FIG. 5P, an insulating layer is formed on the etched surface, and an unnecessary portion of the insulating layer is removed by photolithography to form a TD blocking insulating
다음, 도 5q에 도시한 바와 같이, 상기 TD 차단 절연층(221)이 형성된 면의 상부에 드레인 전극층(211)을 형성하고나서, 도 5r에 도시한 바와 같이, 하부 열 전도성 기판(2)을 부착한다. 예컨대, Ti/Al/Au 등과 같은 금속 재질로 드레인 전극층(211)을 증착할 수 있다. 히트 씽크의 특성을 가지도록 구리(Cu) 등의 재질로 하부 열전도성 기판(2)을 형성할 수 있다. 상기 하부 열 전도성 기판(2)과 드레인 전극층(211)의 부착은 매개층(18)에 의해 수행될 수 있는데, 상기 매개층(18)은 공정 친화성 및 열/전기 전도성이 높은 귀금속 계열의 재질, 예컨대, 나노은(nano Ag)이나, AuSn, NiSn, Au, Ag, Al 등의 재질로 형성될 수 있다.
Next, as shown in FIG. 5Q, the
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 질화물계 전계효과 트랜지스터의 구조를 도시한 것이다. 도면 및 하기 설명에서 개시되는 수치는 일 예를 제시하는 것일 뿐, 이에 한정하지는 않는다. FIG. 6 illustrates the structure of a nitride-based field-effect transistor according to another embodiment of the present invention. The numerical values set forth in the drawings and the following description are for illustrative purposes only and are not intended to be limiting.
도시한 질화물계 전계효과 트랜지스터는, 하부 기판(2); 상기 하부 기판(2) 상에 형성된 드레인 전극층(411); 상기 드레인 전극층(411) 상에 형성된 고농도 질화갈륨 반도체층(420); 상기 고농도 질화갈륨 반도체층(420) 상에 위치한 윈도우 절연층들(421); 상기 윈도우 절연층들(421) 사이에 이보다 약간 높은 높이로 형성된 초기 성장층(423); 상기 초기 성장층(423)을 감싸면서 적층된 제1 스위치 반도체층(440); 상기 제1 스위치 반도체층(440) 상에 위치한 제2 스위치 반도체층(450); 상기 제2 스위치 반도체층(450) 상에 위치한 제3 스위치 반도체층(460); 상기 제3 스위치 반도체층(460), 상기 제2 스위치 반도체층(450) 및 상기 제1 스위치 반도체층(440)의 상부 일부 영역이 움푹 패인 형태의 트랜치 구조 상에 위치한 게이트 절연막(474); 상기 게이트 절연막(474) 상부에 위치한 게이트 전극(476); 상기 게이트 전극들(476) 사이의 상기 제3 스위치 반도체층(460) 상에 위치한 소스 전극(472)을 포함할 수 있다.The illustrated nitride-based field-effect transistor comprises a
구현에 따라, 상기 게이트 전극(476) 및 소스 전극(472)들을 보호하기 위한 보호층(496)이 위치하고, 그 상부에 열 전도성 기판(499)이 부착될 수 있다. 예컨대, AlN이나 SiN의 재질의 보호층(496)이 형성될 수 있다.A
상기 드레인 전극층(411)은, 버티컬 타입 전계효과 트랜지스터 구조에서 열 방출에 유리하도록 아래 방향에 형성하였지만, 소자의 두께를 줄이려는 다른 구현의 경우, 상기 고농도 n형 질화갈륨 반도체층 또는 이와 접하는 별도의 도전층에 연결된 형태로 측면에 위치할 수도 있다.Although the
열 방출에 유리하도록 상기 드레인 전극층(411)은 Ti, Al, Au 중 하나 이상을 포함하는 재질 등 금속 재질로 형성될 수 있으나, 열 방출이 중요치 않은 용도에서는 도전성 반도체 또는 유기물로 형성될 수 있다. 상기 드레인 전극층(411)은 매개층(8)을 매개하여 상기 하부 기판(2)에 부착될 수 있다.The
상기 매개층(8)은 공정 친화성 및 열/전기 전도성이 높은 귀금속 계열의 재질로 형성될 수 있다. 예컨대, 나노은(nano Ag)이나, AuSn, NiSn, Au, Ag, Al 등의 재질로 형성될 수 있다.The
상기 하부 기판(2) 및 상부 열 전도성 기판(499)은 구리 기판 등 열 전도성 및 기계적 특성이 우수한 재질로 형성될 수 있다.
The
상기 고농도 질화갈륨 반도체층(420)은, n+GaN 레이어로 형성될 수 있으며, 1*1018/cm3보다 많은 캐리어 농도를 가질 수 있다.The high-concentration gallium
상기 윈도우 절연층들(421)은 ELO 성장을 위한 윈도우로 기능할 수 있으며, 이에 따라, 먼저, 상기 윈도우 절연층들 사이의 고농도 질화갈륨 반도체층(420) 표면에 진성 질화갈륨 반도체가 성장되어, 초기 성장층(423)이 형성될 수 있다. 다른 구현에서, 상기 초기 성장층(423)은 n-GaN 반도체층으로 형성될 수도 있다. ELO 성장을 계속 진행하여, n-GaN 레이어의 제1 스위치 반도체층(440)을 형성할 수 있다. 다른 구현에서, 상기 제1 스위치 반도체층(440)은 iGaN 레이어로 형성될 수 있다.The
n-GaN 레이어인 상기 제1 스위치 반도체층(440), pGaN 레이어인 상기 제2 스위치 반도체층(450) 및 n+GaN 레이어인 상기 제3 스위치 반도체층(460)은, 레이어 구조상 c면 성장으로 형성될 수 있다.The first
상기 게이트 전극(476)은 턴온 전압이 인가되었을 때, 상기 제1 내지 제3 스위치 반도체층(440, 650, 660)에 의해 n-p-n 접합에 따른 채널이 형성될 수 있도록, 경사면을 가지는 트랜치 형상으로 형성될 수 있다. 상기 트랜치 형상은, 상기 제3 스위치 반도체층(460) 및 제2 스위치 반도체층(450)과, 상기 제1 스위치 반도체층(440)의 상부 일부 영역을 제거한 형태를 가질 수 있다.The
상기 소스 전극(472) 및 게이트 전극(476)은 서로 교번하는 위치에 형성되며, 금속이나 도전막 등 도전성 재질로 형성될 수 있다.
The
도시한 전계효과 트랜지스터는, ELO 성장으로 인한 TD(Threading dislocation)가 소스 전극 쪽에 발생하는 것을 효과적으로 억제할 수 있다. 이에 따라, 양호한 내압 특성을 가지는 수직형(Vertical Type) GaN계 전자 소자를 실시할 수 있다. The illustrated field effect transistor can effectively suppress occurrence of TD (Threading dislocation) due to ELO growth on the source electrode side. As a result, it is possible to implement a vertical type GaN-based electronic device having good withstand voltage characteristics.
또한, 도시한 전계효과 트랜지스터는, 열 전도성 하부 기판(2) 및 열 전도성 상부 기판(499) 사이에 질화갈륨 전계효과 트랜지스터 적층체가 위치하는 구조를 가지는데, 이와 같은 구조는 전계효과 트랜지스터에서 발생되는 열을 효과적으로 신속하게 방출할 수 있는 이점을 가진다.
In addition, the illustrated field effect transistor has a structure in which a gallium nitride field effect transistor stack is located between a thermally conductive
도 7은 채널의 TD를 보다 효과적으로 억제할 수 있는 다른 실시예의 질화물계 전계효과 트랜지스터를 도시한다.FIG. 7 shows a nitride-based field-effect transistor of another embodiment capable of more effectively suppressing the channel's TD.
도시한 질화물계 전계효과 트랜지스터는, In the illustrated nitride-based field-effect transistor,
사파이어 기판(1); 상기 사파이어 기판(1) 상에 형성된 고농도 질화갈륨 반도체층(620); 상기 고농도 질화갈륨 반도체층(620) 상에 위치한 윈도우 절연층들(621); 상기 윈도우 절연층들(621) 사이에 이보다 약간 높은 높이로 형성된 초기 성장층(623); 상기 초기 성장층(623)을 감싸면서 적층된 제1 스위치 반도체층(640); 상기 제1 스위치 반도체층(640) 상에 위치한 제2 스위치 반도체층(650); 상기 제2 스위치 반도체층(650) 상에 위치한 제3 스위치 반도체층(660); 상기 제3 스위치 반도체층(660), 상기 제2 스위치 반도체층(650) 및 상기 제1 스위치 반도체층(640)의 상부 일부 영역이 움푹 패인 형태의 트랜치 구조 상에 위치한 게이트 절연막(674); 상기 게이트 절연막(674) 상부에 위치한 게이트 전극(676); 상기 게이트 전극들(676) 사이의 상기 제3 스위치 반도체층(660) 상에 위치한 소스 전극(672)을 포함할 수 있다.A
상기 고농도 질화갈륨 반도체층(620)은, n+GaN 레이어로 형성될 수 있으며, 1*1018/cm3보다 많은 캐리어 농도를 가질 수 있다.The high-concentration gallium
상기 윈도우 절연층들(621)은 ELO 성장을 위한 윈도우로 기능할 수 있으며, 이에 따라, 먼저, 상기 윈도우 절연층들 사이의 고농도 질화갈륨 반도체층(620) 표면에 진성 질화갈륨 반도체가 성장되어, 초기 성장층(623)이 형성될 수 있다. 다른 구현에서, 상기 초기 성장층(623)은 n-GaN 반도체층으로 형성될 수도 있다. ELO 성장을 계속 진행하여, n-GaN 레이어의 제1 스위치 반도체층(640)을 형성할 수 있다. 다른 구현에서, 상기 제1 스위치 반도체층(640)은 iGaN 레이어로 형성될 수 있다.The
n-GaN 레이어인 상기 제1 스위치 반도체층(640), pGaN 레이어인 상기 제2 스위치 반도체층(650) 및 n+GaN 레이어인 상기 제3 스위치 반도체층(660)은, 레이어 구조상 c면 성장으로 형성될 수 있다.
The first
상기 게이트 전극(676)은 턴온 전압이 인가되었을 때, 상기 제1 내지 제3 스위치 반도체층(640, 650, 660)에 의해 n-p-n 접합에 따른 채널이 형성될 수 있도록, 경사면을 가지는 트랜치 형상으로 형성될 수 있다. 상기 트랜치 형상은, 상기 제3 스위치 반도체층(660) 및 제2 스위치 반도체층(650)과, 상기 제1 스위치 반도체층(640)의 상부 일부 영역을 제거한 형태를 가질 수 있다.The
상기 소스 전극(672) 및 게이트 전극(676)은 서로 교번하는 위치에 형성되며, 금속이나 도전막 등 도전성 재질로 형성될 수 있다.
The
도시한 전계효과 트랜지스터는, 비교적 저렴한 사파이어 기판이나 실리콘 기판 상에 GaN seed를 이용한 ELO 성장으로 소자를 형성하되, ELO 성장으로 인한 TD(Threading dislocation)가 소스 전극 쪽에 발생하는 것을 효과적으로 억제할 수 있다. 이에 따라, 저렴한 비용으로 양호한 내압 특성을 가지는 수직형(Vertical Type) GaN계 전자 소자를 실시할 수 있다.
The illustrated field effect transistor can effectively suppress generation of TD (Threading dislocation) due to ELO growth on the side of the source electrode by forming an element by ELO growth using a GaN seed on a comparatively inexpensive sapphire substrate or a silicon substrate. As a result, it is possible to implement a vertical type GaN-based electronic device having good pressure resistance characteristics at low cost.
도 8은 채널의 TD를 보다 효과적으로 억제할 수 있는 다른 실시예의 질화물계 전계효과 트랜지스터를 도시한다.Fig. 8 shows a nitride-based field-effect transistor of another embodiment capable of more effectively suppressing the channel's TD.
도시한 전계효과 트랜지스터는, 도 7에 도시한 것과 대부분의 구성요소가 유사하지만, 초기 성장층(623)의 상부 영역 제1 스위치 반도체층(640) 내에 제1 부가 TD 차단 절연층(631)을 구비하고, 윈도우 절연층(621)의 상부 영역 제1 스위치 반도체층(640) 내에 제2 부가 TD 차단 절연층(632)이 더 구비됨에 차이가 있다.7, a first additional TD blocking insulating
도시한 제1/제2 부가 TD 차단 절연층(631, 632)은, SiO2 등의 재질로 형성될 수 있으며, 이에 따라, TD가 제1 스위치 반도체층(640)에서 연장되는 것을 차단하여, 전자 이동도가 증가하고, 턴온 저항이 감소되는 이점을 가져온다. 한편, 채널 전류가 흐르는 게이트 경사면 아래의 영역은 제1/제2 부가 TD 차단 절연층(631, 632)에 의해 차단되지 않도록 형성됨을 알 수 있다.The first and second additional TD blocking insulating
또한, 상기 제1/제2 부가 TD 차단 절연층(631, 632)은, 상기 제1 스위치 반도체층(640)을 ELO 성장시킬 때의 윈도우를 제공하는 기능을 제공할 수 있다.
In addition, the first / second additional blocking insulating
도 9는 채널의 TD를 보다 효과적으로 억제할 수 있는 다른 실시예의 질화물계 전계효과 트랜지스터를 도시한다.Fig. 9 shows a nitride-based field-effect transistor of another embodiment capable of more effectively suppressing the channel's TD.
도시한 전계효과 트랜지스터는, 도 8에 도시한 것과 대부분의 구성요소가 유사하지만, 제1/제2 부가 TD 차단 절연층(631, 632) 아래에 n+GaN 버퍼층(625)이 더 구비됨에 차이가 있다.8, the n +
상기 버퍼층(625)으로 인하여 비록 공정상 복잡도는 증가하지만, 상기 버퍼층(625)에 의해 상기 제1 스위치 반도체층(640)에 대한 ELO 성장의 안정성이 증대된다.
The stability of ELO growth for the first
도 10a 내지 도 10g는 도 1의 질화물계 전계효과 트랜지스터를 제조하는 과정을 도시한 것이다.FIGS. 10A to 10G show a process of manufacturing the nitride-based field-effect transistor of FIG.
우선, 도 10a에 도시한 바와 같이, 사파이어 기판(1) 상에 n+형 질화갈륨 반도체층(620)을 형성하고, 상기 n+형 질화갈륨 반도체층(620) 상부에 윈도우 절연층(621)을 형성한다. 예컨대, 상기 윈도우 절연층(621)은, SiO2 재질의 stripe로서 <11-00>, <112-0> 방향으로 형성하고, 불필요한 부분은 식각하여, 도시한 구조를 형성할 수 있다.10A, an n + -type gallium
다음, 도 10b에 도시한 바와 같이, 상기 윈도우 절연층들(621) 사이의 상기 n+형 질화갈륨 반도체층(620)의 표면부터 nGaN으로 ELO 성장을 진행하여, 도시한 바와 같은 초기 성장층(623)을 형성한다.
10B, the ELO growth proceeds from the surface of the n + -type gallium
다음, 도 10c에 도시한 바와 같이, n-GaN으로 ELO 성장을 계속 수행하여, 상기 초기 성장층(623)을 감싸는 n-GaN 재질의 제1 스위치 반도체층(640)을 형성하고, 상기 n-GaN 제1 스위치 반도체층(640) 상에 p GaN 재질의 제2 스위치 반도체층(650)을 형성하고, 다시 상기 제2 스위치 반도체층(650)상에 n+GaN 재질의 제3 스위치 반도체층(660)을 형성한다. 상기 제1 스위치 반도체층(640), 상기 제2 스위치 반도체층(650) 및 상기 제3 스위치 반도체층(660)은, 레이어 구조상 c면 성장으로 형성될 수 있다. 상기 p GaN 재질의 제2 스위치 반도체층(650)은 Mg 등을 도핑한 GaN으로 형성될 수 있다.
Next, as shown in FIG. 10C, ELO growth is continued with n-GaN to form a first
다음, 도 10d에 도시한 바와 같이, 게이트를 위한 트랜치 구조를 형성하는 과정으로서, 상기 제3 스위치 반도체층(660)과 제2 스위치 반도체층(650) 및 상기 제1 스위치 반도체층(640)의 상부 일부 영역을 식각한다. 상기 식각 방법으로는 ICP(Inductively Coupled Plasma) RIE(Reactive Ion Etching)을 적용하거나, 일반적인 건식 식각 및/또는 습식 식각을 이용할 수 있다. 상기 식각 과정에서 Cl2 및/또는 BCl3 등이 이용될 수 있다.Next, as shown in FIG. 10D, a process of forming a trench structure for a gate includes the steps of forming the third
다음, 게이트 절연막을 형성하기 위해, 도 10d의 적층 구조 상부 영역에 절연막층을 형성하고, 상기 절연막층에서 불필요한 영역을 제거하여, 도 10e에 도시한 바와 같은 게이트 절연막(674)을 형성한다. 예컨대, 상기 절연막층은 SiO2 재질로 증착되어 형성될 수 있다.Next, in order to form the gate insulating film, an insulating film layer is formed in the upper region of the stacked structure of FIG. 10D, and unnecessary regions are removed from the insulating film layer to form a
다음, 포토 리쏘그래피를 수행하여, 도 10f에 도시한 바와 같은 게이트 전극(676)을 형성한다. 예컨대, 게이트 전극(676)을 형성하기 위한 상기 포토 레지스트를 포함하는 적층 구조체 상부에 Ti/Al/Au나 Ni/Au 등 금속층을 증착하고, 포토 레지스트 및 불필요한 금속층(72-1)을 제거하여 게이트 전극(676)을 형성할 수 있다.Next, photolithography is performed to form a
다음, 도 10g에 도시한 바와 같이, 소스 전극(672) 및 드레인 전극(611)을 형성한다. 예컨대, 상기 소스 전극(672) 및 드레인 전극(611)은, Ti/Al/Au나 Ni/Au 등 금속 증착 공정 및 포토 리쏘그래피 공정에 의해 형성될 수 있다. 한편, 다른 구현에서는, 상기 소스 전극(672)이 상기 게이트 전극(676)의 형성 공정에서 함께 형성될 수 있다.
Next, as shown in Fig. 10G, a
한편, 도 11a 내지 11c는, 상기 사파이어 기판(1)을 실리콘 기판(5)으로 대체한 경우, 도 10a 내지 10c의 대신 수행되는 공정을 나타낸 것이다.11A to 11C show a process performed instead of FIGS. 10A to 10C when the
도시한 바와 같이, 도 10a 내지 도 10c의 고농도 질화갈륨 반도체층(620)은, 실리콘 기판 접합을 위한 버퍼층(620-1)로 대체된 것을 제외하고는, 도 10a 내지 도 10c과 동일한 구성요소들을 가지고 있음을 알 수 있다. 상기 실리콘 기판 접합을 위한 버퍼층(620-1)은, AlGaN 및/또는 GaN으로 형성될 수 있다. 도 11c 이후, 도 10d 내지 10g의 공정들이 동일하게 수행될 수 있음은 자명하다.
As shown in the figure, the high-concentration gallium
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 : 사파이어 기판
2 : 열 전도성 하부 기판;
11, 211 : 드레인 전극
22, 222 : 씨드층
24, 224 : 진성 질화갈륨 반도체층
40, 240, 440, 640 : 제1 스위치 반도체층
50, 250, 450, 650 : 제2 스위치 반도체층
60, 260, 460, 660 : 제3 스위치 반도체층
72, 272, 472, 672 : 소스 전극
74, 274, 474, 674 : 게이트 절연막
76, 276, 476, 676 : 게이트 전극
99, 299, 499 : 열 전도성 상부 기판1: sapphire substrate
2: thermally conductive lower substrate;
11, 211: drain electrode
22, 222: seed layer
24, 224: intrinsic gallium nitride semiconductor layer
40, 240, 440, 640: a first switch semiconductor layer
50, 250, 450, 650: second switch semiconductor layer
60, 260, 460, 660: a third switch semiconductor layer
72, 272, 472, 672: source electrode
74, 274, 474, 674: gate insulating film
76, 276, 476, 676: gate electrode
99, 299, 499: thermally conductive upper substrate
Claims (16)
상기 질화갈륨계 적층체의 상기 사파이어 기판이 위치한 면의 반대면에 제1 열 전도성 기판을 부착하는 단계;
상기 사파이어 기판을 제거하는 단계;
상기 사파이어 기판이 제거된 상기 질화갈륨계 적층체 면에 부가적인 적층체 를 형성하는 단계; 및
상기 부가적인 적층체의 노출면에 제2 열 도전성 기판을 부착하는 단계
를 포함하는 질화갈륨계 소자의 제조 방법.
Forming a gallium nitride-based laminate constituting a gallium nitride-based device on a sapphire substrate;
Attaching a first thermally conductive substrate to a surface of the gallium nitride-based laminate opposite to a surface on which the sapphire substrate is located;
Removing the sapphire substrate;
Forming an additional laminate on the surface of the gallium nitride based laminate from which the sapphire substrate has been removed; And
Attaching a second thermally conductive substrate to the exposed surface of the additional laminate
Based semiconductor layer.
상기 제1 열 도전성 기판을 부착하는 단계는,
상기 질화갈륨계 적층체 상에 질화알루미늄 또는 질화실리콘 재질의 보호층을 형성하는 단계; 및
상기 보호층에 제1 열 도전성 기판을 부착하는 단계
를 포함하는 질화갈륨계 소자의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the step of attaching the first thermally-
Forming a protective layer of aluminum nitride or silicon nitride on the gallium nitride-based laminate; And
Attaching a first thermally conductive substrate to the protective layer
Based semiconductor layer.
상기 제2 열 도전성 기판을 부착하는 단계는,
상기 질화갈륨계 적층체 상에 나노은, AuSn, NiSn 또는 금이나 은을 함유하는 금속 재질의 매개층을 형성하는 단계; 및
상기 보호층에 제2 열 도전성 기판을 부착하는 단계
를 포함하는 질화갈륨계 소자의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the step of attaching the second thermally-
Forming an intermediate layer of a metal material containing nano silver, AuSn, NiSn, or gold or silver on the gallium nitride based laminate; And
Attaching a second thermally conductive substrate to the protective layer
Based semiconductor layer.
상기 질화갈륨계 적층체를 형성하는 단계는,
사파이어 기판 상에 제1 도전형의 씨드층을 형성하는 단계;
상기 씨드층에 대하여 ELO 성장을 수행하여 진성 질화갈륨 반도체층을 형성하는 단계;
제1 도전형의 질화갈륨으로 ELO 성장을 계속 수행하여, 상기 진성 질화갈륨 반도체층을 감싸는 제1 도전형의 제1 스위치 반도체층을 형성하는 단계;
상기 제1 스위치 반도체층 상에 제2 도전형의 제2 스위치 반도체층을 형성하는 단계;
상기 제2 스위치 반도체층 상에 제1 도전형의 제3 스위치 반도체층을 형성하는 단계;
상기 제2 스위치 반도체층 및 상기 제1 스위치 반도체층의 상부 일부 영역을 식각하고, 식각된 표면에 게이트 절연막을 형성하는 단계;
상기 게이트 절연막 상에 게이트 전극을 형성하는 단계;
상기 게이트 전극 사이의 상기 제3 스위치 반도체층 상에 소스 전극을 형성하는 단계
를 포함하는 질화갈륨계 소자의 제조 방법.
The method according to claim 1,
The step of forming the gallium nitride-
Forming a seed layer of a first conductivity type on the sapphire substrate;
Performing ELO growth on the seed layer to form an intrinsic gallium nitride semiconductor layer;
Forming a first switch semiconductor layer of a first conductivity type surrounding the intrinsic gallium nitride semiconductor layer by continuously performing ELO growth with gallium nitride of a first conductivity type;
Forming a second switch semiconductor layer of a second conductivity type on the first switch semiconductor layer;
Forming a third switch semiconductor layer of a first conductivity type on the second switch semiconductor layer;
Etching a portion of the upper part of the second switch semiconductor layer and the first switch semiconductor layer, and forming a gate insulating film on the etched surface;
Forming a gate electrode on the gate insulating film;
Forming a source electrode on the third switch semiconductor layer between the gate electrodes
Based semiconductor layer.
상기 부가적인 적층체를 형성하는 단계는,
상기 사파이어 기판이 제거된 상기 질화갈륨계 적층체 면에 드레인 전극을 형성하는 단계
를 포함하는 질화갈륨계 소자의 제조 방법.
5. The method of claim 4,
Wherein forming the additional laminate comprises:
Forming a drain electrode on a surface of the gallium nitride-based stacked body from which the sapphire substrate is removed
Based semiconductor layer.
상기 소스 전극 및 게이트 전극을 보호하는 보호층을 형성하는 단계
를 더 포함하는 질화갈륨계 소자의 제조 방법.
5. The method of claim 4,
Forming a protective layer for protecting the source electrode and the gate electrode
Based on the weight of the gallium nitride-based material.
상기 씨드층을 형성하는 단계 이후, 상기 진성 질화갈륨 반도체층을 형성하는 단계 이전에,
상기 씨드층 상에 TD 차단 절연층을 형성하는 단계
를 더 포함하는 질화갈륨계 소자의 제조 방법.
5. The method of claim 4,
After the step of forming the seed layer, before the step of forming the intrinsic gallium nitride semiconductor layer,
Forming a TD blocking insulating layer on the seed layer
Based on the weight of the gallium nitride-based material.
게이트 절연막을 형성하는 단계 이전에,
상기 제3 스위치 반도체층에 그물 형상의 에칭을 수행하는 단계
를 더 포함하는 질화갈륨계 소자의 제조 방법.
5. The method of claim 4,
Prior to the step of forming the gate insulating film,
Performing a net-like etching on the third switch semiconductor layer
Based on the weight of the gallium nitride-based material.
상기 질화갈륨계 적층체를 형성하는 단계는,
사파이어 기판 상에 씨드층을 형성하는 단계;
상기 씨드층에 대하여 ELO 성장을 수행하여 진성 질화갈륨 반도체층을 형성하는 단계;
제1 도전형의 질화갈륨으로 ELO 성장을 계속 수행하여, 상기 진성 질화갈륨 반도체층을 감싸는 제1 도전형의 제1 스위치 반도체층을 형성하는 단계;
상기 제1 스위치 반도체층 상에 제2 도전형의 제2 스위치 반도체층을 형성하는 단계;
상기 제2 스위치 반도체층 상에 제1 도전형의 제3 스위치 반도체층을 형성하는 단계;
상기 제2 스위치 반도체층 및 상기 제1 스위치 반도체층의 상부 일부 영역으로서, 상기 씨드층에 겹치지 않는 영역을 식각하고, 식각된 표면에 게이트 절연막을 형성하는 단계; 및
상기 게이트 절연막 상에 게이트 전극을 형성하고, 상기 게이트 절연막 사이의 상기 제3 스위치 반도체층 상에 소스 전극을 형성하는 단계
를 포함하는 질화갈륨계 소자의 제조 방법.
The method according to claim 1,
The step of forming the gallium nitride-
Forming a seed layer on the sapphire substrate;
Performing ELO growth on the seed layer to form an intrinsic gallium nitride semiconductor layer;
Forming a first switch semiconductor layer of a first conductivity type surrounding the intrinsic gallium nitride semiconductor layer by continuously performing ELO growth with gallium nitride of a first conductivity type;
Forming a second switch semiconductor layer of a second conductivity type on the first switch semiconductor layer;
Forming a third switch semiconductor layer of a first conductivity type on the second switch semiconductor layer;
Etching a region not overlapping the seed layer as a partial upper region of the second switch semiconductor layer and the first switch semiconductor layer and forming a gate insulating film on the etched surface; And
Forming a gate electrode on the gate insulating film, and forming a source electrode on the third switch semiconductor layer between the gate insulating films
Based semiconductor layer.
상기 부가적인 적층체를 형성하는 단계는,
상기 사파이어 기판이 제거된 면에 노출된 상기 씨드층 및 진성 질화갈륨 반도체층 상에 절연막을 형성하는 단계; 및
상기 절연막 상에 드레인 전극을 형성하는 단계
를 포함하는 질화갈륨계 소자의 제조 방법.
10. The method of claim 9,
Wherein forming the additional laminate comprises:
Forming an insulating film on the seed layer and the intrinsic gallium nitride semiconductor layer exposed on the surface from which the sapphire substrate is removed; And
Forming a drain electrode on the insulating film
Based semiconductor layer.
상기 노출된 상기 씨드층 및 진성 질화갈륨 반도체층 상에 절연막을 형성하는 단계 이전에,
상기 사파이어 기판이 제거된 상기 질화갈륨계 적층체에 리프트 오프 공정에 따른 손상을 제거하기 위한 식각을 수행하는 단계
를 더 포함하는 질화갈륨계 소자의 제조 방법.
11. The method of claim 10,
Before the step of forming the insulating film on the exposed seed layer and the intrinsic gallium nitride semiconductor layer,
Performing a step of etching the gallium nitride-based laminate from which the sapphire substrate has been removed to remove damage due to the lift-off process;
Based on the weight of the gallium nitride-based material.
상기 질화갈륨계 적층체를 형성하는 단계는,
사파이어 기판 상에 고농도 질화갈륨 반도체층을 형성하는 단계;
상기 고농도 질화갈륨 반도체층 상에 서로 이격된 2 이상의 윈도우 절연층들을 형성하는 단계;
상기 윈도우 절연층들 사이로 노출된 상기 고농도 질화갈륨 반도체층의 표면으로부터 ELO 성장을 수행하여 초기 성장층을 형성하는 단계;
제1 도전형의 질화갈륨 또는 진성 질화갈륨으로 ELO 성장을 계속 수행하여, 상기 초기 성장층을 감싸는 제1 스위치 반도체층을 형성하는 단계;
상기 제1 스위치 반도체층 상에 제2 도전형의 제2 스위치 반도체층을 형성하는 단계;
상기 제2 스위치 반도체층 상에 제1 도전형의 제3 스위치 반도체층을 형성하는 단계;
상기 제2 스위치 반도체층 및 상기 제1 스위치 반도체층의 상부 일부 영역으로서, 상기 씨드층에 겹치지 않는 영역을 식각하고, 식각된 표면에 게이트 절연막을 형성하는 단계; 및
상기 게이트 절연막 상에 게이트 전극을 형성하고, 상기 게이트 절연막 사이의 상기 제3 스위치 반도체층 상에 소스 전극을 형성하는 단계
를 포함하는 질화갈륨계 소자의 제조 방법.
The method according to claim 1,
The step of forming the gallium nitride-
Forming a high-concentration gallium nitride semiconductor layer on the sapphire substrate;
Forming at least two window insulating layers spaced apart from each other on the high-concentration gallium nitride semiconductor layer;
Performing ELO growth from the surface of the highly concentrated gallium nitride semiconductor layer exposed between the window insulating layers to form an initial growth layer;
Continuing ELO growth with gallium nitride or intrinsic gallium nitride of the first conductivity type to form a first switch semiconductor layer surrounding the initial growth layer;
Forming a second switch semiconductor layer of a second conductivity type on the first switch semiconductor layer;
Forming a third switch semiconductor layer of a first conductivity type on the second switch semiconductor layer;
Etching a region not overlapping the seed layer as a partial upper region of the second switch semiconductor layer and the first switch semiconductor layer and forming a gate insulating film on the etched surface; And
Forming a gate electrode on the gate insulating film, and forming a source electrode on the third switch semiconductor layer between the gate insulating films
Based semiconductor layer.
상기 질화갈륨계 적층체를 형성하는 단계는,
상기 게이트 전극 및 소스 전극을 형성하는 단계 이후,
상기 질화갈륨계 적층체의 일부 영역을 상기 고농도 질화갈륨 반도체층까지 제거하고, 제거된 영역의 상기 고농도 질화갈륨 반도체층 상에 드레인 전극을 형성하는 단계
를 더 포함하는 질화갈륨계 소자의 제조 방법.
13. The method of claim 12,
The step of forming the gallium nitride-
After forming the gate electrode and the source electrode,
Removing a portion of the gallium nitride-based stacked body to the high-concentration gallium nitride semiconductor layer, and forming a drain electrode on the high-concentration gallium nitride semiconductor layer in the removed region
Based on the weight of the gallium nitride-based material.
상기 초기 성장층을 형성하는 단계 이후, 상기 제1 스위치 반도체층을 형성하는 단계 이전에,
고농의 제1 도전형의 질화갈륨으로 버퍼층을 형성하는 단계; 및
상기 버퍼층 상에 상기 윈도우 절연층과 엇갈린 위치로 형성된 TD 차단 절연층을 형성하는 단계
를 더 포함하는 질화갈륨계 소자의 제조 방법.
13. The method of claim 12,
After forming the initial growth layer, before forming the first switch semiconductor layer,
Forming a buffer layer of gallium nitride of the first conductivity type at a high concentration; And
Forming a TD blocking insulating layer on the buffer layer at positions staggered with the window insulating layer
Based on the weight of the gallium nitride-based material.
상기 제1 스위치 반도체층을 형성하는 단계에서는,
상기 윈도우 절연층과 엇갈린 위치의 중간 높이에 TD 차단 절연층이 삽입된 상기 제1 스위치 반도체층을 형성하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 소자의 제조 방법.
13. The method of claim 12,
In the step of forming the first switch semiconductor layer,
Wherein the first switch semiconductor layer in which a TD blocking insulating layer is inserted is formed at an intermediate height between the window insulating layer and the window insulating layer.
상기 부가적인 적층체를 형성하는 단계는,
상기 사파이어 기판이 제거된 상기 질화갈륨계 적층체 면에 드레인 전극을 형성하는 단계
를 포함하는 질화갈륨계 소자의 제조 방법.
13. The method of claim 12,
Wherein forming the additional laminate comprises:
Forming a drain electrode on a surface of the gallium nitride-based stacked body from which the sapphire substrate is removed
Based semiconductor layer.
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
KR1020130136481A KR20150054261A (en) | 2013-11-11 | 2013-11-11 | Nitnide based field effect transistor and method of fabricating the same |
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