KR20160077936A - 다이오드 내장형 반도체 소자 - Google Patents
다이오드 내장형 반도체 소자 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20160077936A KR20160077936A KR1020140188469A KR20140188469A KR20160077936A KR 20160077936 A KR20160077936 A KR 20160077936A KR 1020140188469 A KR1020140188469 A KR 1020140188469A KR 20140188469 A KR20140188469 A KR 20140188469A KR 20160077936 A KR20160077936 A KR 20160077936A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- electrode
- barrier layer
- layer
- semiconductor device
- schottky
- Prior art date
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims abstract description 69
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims abstract description 48
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 29
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 10
- 229910002704 AlGaN Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 230000005533 two-dimensional electron gas Effects 0.000 claims description 3
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 claims 2
- 230000002457 bidirectional effect Effects 0.000 abstract description 3
- 238000009413 insulation Methods 0.000 abstract 4
- JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N Gallium nitride Chemical compound [Ga]#N JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 13
- 229910002601 GaN Inorganic materials 0.000 description 12
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 7
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 4
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 3
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 2
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 2
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- -1 GaN-based materials Chemical class 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 238000005468 ion implantation Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
- H01L29/76—Unipolar devices, e.g. field effect transistors
- H01L29/772—Field effect transistors
- H01L29/78—Field effect transistors with field effect produced by an insulated gate
- H01L29/7842—Field effect transistors with field effect produced by an insulated gate means for exerting mechanical stress on the crystal lattice of the channel region, e.g. using a flexible substrate
- H01L29/7848—Field effect transistors with field effect produced by an insulated gate means for exerting mechanical stress on the crystal lattice of the channel region, e.g. using a flexible substrate the means being located in the source/drain region, e.g. SiGe source and drain
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66007—Multistep manufacturing processes
- H01L29/66075—Multistep manufacturing processes of devices having semiconductor bodies comprising group 14 or group 13/15 materials
- H01L29/66083—Multistep manufacturing processes of devices having semiconductor bodies comprising group 14 or group 13/15 materials the devices being controllable only by variation of the electric current supplied or the electric potential applied, to one or more of the electrodes carrying the current to be rectified, amplified, oscillated or switched, e.g. two-terminal devices
- H01L29/6609—Diodes
- H01L29/66143—Schottky diodes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
- H01L29/76—Unipolar devices, e.g. field effect transistors
- H01L29/772—Field effect transistors
- H01L29/78—Field effect transistors with field effect produced by an insulated gate
- H01L29/7842—Field effect transistors with field effect produced by an insulated gate means for exerting mechanical stress on the crystal lattice of the channel region, e.g. using a flexible substrate
- H01L29/7843—Field effect transistors with field effect produced by an insulated gate means for exerting mechanical stress on the crystal lattice of the channel region, e.g. using a flexible substrate the means being an applied insulating layer
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Electrodes Of Semiconductors (AREA)
- Junction Field-Effect Transistors (AREA)
Abstract
본 발명은 반도체 소자에 관한 것이고, 보다 상세하게 본 발명은 양방향 스위칭 동작을 하는 반도체 소자에 관한 것이다. 이를 위한 본 발명의 반도체 소자는 기판; 기판의 상부에 형성된 버퍼층; 버퍼층의 상부에 형성된 배리어층; 배리어층의 상부에 형성된 게이트 절연층; 게이트 절연층의 상면 중 일부 혹은 전체를 관통하여 형성되고, 배리어층의 상부에 위치되는 소스 전극과 드레인 전극; 소스 전극과 상기 드레인 전극의 사이에 위치하고, 게이트 절연층에 의해 배리어층과 이격된 게이트 전극; 및 게이트 절연층을 관통하여 배리어층의 상부, 상면 중 일부 또는 그 전체를 관통하여 형성되는 쇼트키 전극을 포함하고, 쇼트키 전극과 소스 전극은 드레인 전극을 기준으로 서로 대향되게 형성되는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 반도체 소자에 관한 것이고, 보다 상세하게 본 발명은 양방향 스위칭 동작을 하는 반도체 소자에 관한 것이다.
일반적으로, DC-DC 컨버터와 DC-AC 인버터는 가정 및 산업용의 다양한 전자기기와 전동부의 전원 공급 회로에 사용되는 중요한 구성 요소이며, 고효율의 DC-DC 컨버터 또는 DC-AC 인버터를 제작하기 위해서는 스위칭 소자의 역할이 중요하다.
최근, 스위칭 소자는 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 또는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)에 다이오드를 접합하여 구성하는 것이 일반화되고 있다. 이러한 종래의 스위칭 소자는 질화 갈륨(GaN) 기반의 소자를 적용하면서 기존의 실리콘 기반의 소자에 비하여 효율이 향상되었다. 하지만, 상술한 종래의 스위칭 소자는 외부에 별도의 다이오드를 연결하는 점에서 크기와 성능 면에서 제한이 있다.
다이오드의 기능이 내장된 GaN GIT(Gate Injection Transistor)는 다이오드의 정방향 턴온 전압이 상대적으로 높아서 불감 시간 손실(dead time loss)을 줄이는 데 제한이 있고, GIT 구조의 경우 다이오드 정방향 턴온 전압을 트랜지스터의 턴온 전압과 별도로 제어할 수 없기 때문에 높은 트랜지스터 턴온 전압이 요구되는 회로에서 다이오드의 정방향 턴온 전압을 낮게 유지할 수 없는 문제가 있다.
또한, 실리콘 다이오드를 내장한 GIT 소자에 대한 연구가 진행되고 있으나, 제조 공정이 복잡하고 실리콘 다이오드로 인하여 회로의 최대 동작 온도가 제한되는 문제가 있다.
이에 관련하여, 발명의 명칭이 "III-질화물 양방향 스위치"인 한국등록특허 제0841472호가 존재한다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, DC-DC 컨버터와 DC-AC 인버터에 적용 가능한 스위칭 소자의 기능을 수행하는 반도체 소자를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 반도체 소자는 기판; 기판의 상부에 형성된 버퍼층; 버퍼층의 상부에 형성된 배리어층; 배리어층의 상부에 형성된 게이트 절연층; 게이트 절연층의 상면 중 일부를 관통하여 형성되고, 배리어층의 상부에 위치되는 소스 전극과 드레인 전극; 소스 전극과 상기 드레인 전극의 사이에 위치하고, 게이트 절연층에 의해 배리어층과 이격된 게이트 전극; 및 게이트 절연층을 관통하여 배리어층의 상부에 형성되는 쇼트키 전극을 포함하고, 쇼트키 전극과 소스 전극은 드레인 전극을 기준으로 서로 대향되게 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 반도체 소자는 다이오드와 트랜지스터가 하나의 집적 회로로 구성된 소자일 수 있다.
또한, 소스 전극과 쇼트키 전극은 전기적으로 연결될 수 있다.
또한, 드레인 전극은 다이오드 영역에서 캐소드로 동작하고, 쇼트키 전극은 다이오드 영역에서 애노드로 동작할 수 있다.
또한, 배리어층에는 상면 중 일부 혹은 전체가 관통된 트렌치가 형성되고, 게이트 전극은 트렌치의 상부에 삽입되어 형성될 수 있다.
또한, 배리어층에는 상면 중 일부 혹은 전체가 관통된 트렌치가 형성되고, 트렌치의 상부에 쇼트키 전극이 형성될 수 있다.
또한, 배리어층에 접하는 버퍼층의 계면에 2차원 전자가스(2-DEG) 또는 전자 채널층이 더 형성될 수 있다.
또한, 버퍼층은 GaN계 물질, AlGaN계 물질, InGaN계 물질 및 AlInGaN계 물질 중 적어도 하나의 재질로 형성될 수 있다.
또한, 배리어층은 GaN계 물질, AlGaN계 물질, InGaN계 물질 및 AlInGaN계 물질 중 적어도 하나의 재질로 형성될 수 있다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다채널 반도체 소자는 복수의 반도체 소자가 병렬로 배치되고, 하나의 반도체 소자의 쇼트키 전극은 반도체 소자에 인접한 다른 하나의 반도체 소자의 소스 전극에 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 하나의 반도체 소자의 쇼트키 전극의 일 단부는 다른 하나의 반도체 소자의 소스 전극의 일 단부와 접촉될 수 있다.
본 발명의 반도체 소자에 따르면 GaN 기반 물질 전력 반도체 소자로 기존에 널리 사용되는 실리콘 기반의 전력 반도체 소자에 비하여 넓은 에너지밴드 대역으로 적어도 10배 높은 항복 전압을 구현할 수 있고, 높은 전자 이동도로 스위칭 속도가 높아 궁극적으로 전력 전송 효율을 개선할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 반도체 소자에 따르면 GaN 전력 소자가 실리콘 기반의 전력 소자로는 불가능한 300°C 이상에서도 동작이 가능하여, 기존의 실리콘 기반의 전력 소자를 대체하는 것을 넘어서 다양한 응용 범위를 가질 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 반도체 소자에 따르면 다이오드의 애노드를 트랜지스터 옆에 장착시킴과 동시에 애노드를 트랜지스터의 소스 접합에 연결함으로서 트랜지스터와 다이오드 두 역할을 한 개의 소자 내에서 동작이 가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명의 반도체 소자에 따르면 임의의 스위칭 동작시간에서 순방향과 역방향 채널이 공유되지 않고, 트랜지스터 동작 영역 및 다이오드 동작 영역이 각각 분리될 수 있고, 분리된 채널로 인해 소자의 발열을 감소시킬 수 있고, 반도체 소자의 단위 면적당 전류량도 획기적으로 증가시킬 수 있어서, 기존의 실리콘 기반 전력 소자에 비하여 상당한 스위칭 효율 증가를 가져올 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 반도체 소자에 따르면 전계효과 트랜지스터(MOSHFET)에 쇼트키 다이오드를 내장시킴으로써, 외부의 다이오드를 별도로 연결할 필요가 없어서 기생 인덕턴스 성분을 줄여 고주파 동작이 가능하며, 동시에 소자의 부피를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 반도체 소자에 따르면 외부의 다이오드 연결 없이도 스위칭 소자의 역할을 할 수 있기 때문에, 컨버터 또는 인버터를 모놀리식 집적회로(monolithic IC)로 제조할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 등가 회로를 도시한 회로도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 전류-전압 특성을 도시하는 그래프.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 동작 원리를 도시하는 모식도.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자가 다채널 대면적에 형성된 경우를 도시하는 단면도.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 소자의 단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 등가 회로를 도시한 회로도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 전류-전압 특성을 도시하는 그래프.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 동작 원리를 도시하는 모식도.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자가 다채널 대면적에 형성된 경우를 도시하는 단면도.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 소자의 단면도.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자(100)는 도 1에 도시된 바와 같이, 좌측은 트랜지스터 영역, 그리고 우측은 다이오드 영역으로서, 한 개의 소자만으로도 트랜지스터와 다이오드 동작을 모두 할 수 있게 하는 것을 그 목적으로 한다. 이를 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자(100)는 기판(110), 버퍼층(120), 배리어층(130), 캡층(140), 게이트 절연층(150), 웨이퍼 절연층(155), 게이트 전극(160), 소스 전극(170), 드레인 전극(180) 및 쇼트키 전극(190)을 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자(100)는 금속 산화물 반도체 이종접합 전계효과 트랜지스터(MOSHFET)를 기초로 하기 때문에, 기판(110)위에 순차적으로 버퍼층(120) 및 배리어층(130), 게이트 전극(160), 소스 전극(170) 및 드레인 전극(180)을 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 게이트 절연층(150)은 게이트 전극(160)과 배리어층(130)을 절연하기 위해, 게이트 전극(160)의 하부, 그리고 배리어층(130)의 상부에 형성될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 게이트 절연층(150)에 의해, 게이트 전극(160)과 배리어층(130)은 서로 이격되어 형성된다.
본 실시예에서는 단결정 성장시킨 P 타입 실리콘 기판(110)에 GaN 재질의 버퍼층(120)을 3 내지 4㎛의 두께로 형성하고, 그 위에 Al0 .25GaN 재질의 배리어층을 300 Å의 두께로 형성하였다. 버퍼층(120)은 본 실시예에서 적용한 GaN 재질에 한정되지 않고, AlGaN계 물질, InGaN계 물질 및 AlInGaN계 물질 등과 같은 GaN 기반의 화합물을 다양하게 형성하여 적용할 수 있으며, 도핑 또는 이온주입 공정으로 다양한 조성의 화합물층을 형성하여 사용할 수도 있다. 배리어층(130)도 본 실시예에서 적용한 Al0 .25GaN와 같은 AlGaN 재질에 한정되지 않고, GaN계 물질, AlGaN계 물질, InGaN계 물질 및 AlInGaN계 물질 등의 GaN 기반의 화합물을 다양하게 형성하여 적용할 수 있으며, 도핑 또는 이온 주입 공정으로 다양한 조성의 화합물층을 형성하여 사용할 수 있다.
상술한 버퍼층과 배리어층이 모두 Al를 포함하는 재질인 경우에는 배리어층에 포함된 Al의 비율이 버퍼층에 포함된 Al의 비율보다 높아야 한다.
게이트 전극(160)은 두께가 30nm인 SiO2 재질의 게이트 절연층(150)에 의해서 배리어층과 이격되어 절연되어 상시불통(normally off)상태이고, 소스 전극과 드레인 전극은 배리어층에 접하여 게이트 전극의 양쪽에 설치된다. 여기서 게이트 절연층(150)은 그 재질이 SiO2 -만으로 한정되지 않고, SiO2, SiNx, Al2O3 HfO2 등의 절연 물질을 모두 적용할 수 있다.
여기서, 배리어층(130)에는 도 1에 도시된 것처럼 상면 중 일부가 관통된 트렌치가 형성되는데, 게이트 절연층(150)과 게이트 전극(160)이 이러한 트렌치에 삽입되어 형성될 수 있다. 이에 따라, 배리어층(130)에 접하는 버퍼층(120)의 계면에 2차원 전자가스(2-DEG) 층 또는 전자 채널층이 형성되는 것이 바람직하다. 그리고, 본 발명의 다른 실시에에서 트렌치는 배리어층(130)을 완전히 관통하여 버퍼층(120)까지 형성되는 것도 가능하다. 이 경우, 트렌치 하부의 게이트 절연층은 버퍼층(120)에 형성되어, 게이트 전극과 버퍼층을 절연할 수 있고, 게이트 절연층과 버퍼층의 계면에 채널이 형성될 수 있다.
소스 전극(170)과 드레인 전극(180)은 게이트 전극(160)을 사이에 두고 양쪽에 위치할 수 있다. 또한, 소스 전극(170)과 드레인 전극(180)은 게이트 절연층(150)의 상면 중 일부를 관통하고, 배리어층(130)의 상부에 위치될 수 있다. 도 1에서 소스 전극(170)과 드레인 전극(180)은 캡층(140)에 접하고, 배리어층(130)에는 이격되어 형성된 것으로 도시되었으나, 이는 단지 예시일 뿐이고, 캡층(140)을 관통하여 배리어층(130)에 접하도록 형성되는 것도 가능하다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자(100)는 트랜지스터 영역과 다이오드 영역을 구분하기 위해, 배리어층(130)의 상부에 형성된 쇼트키 전극(190)을 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 쇼트키 전극(190)은 게이트 절연층(150)을 관통하여, 배리어층(130)의 상부에 형성될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 쇼트키 전극(190)과 소스 전극(170)은 드레인 전극(180)을 기준으로 서로 대향되는 위치에 형성될 수 있고, 쇼트키 전극(190)과 소스 전극(170)은 전기적으로 연결될 수 있다.
상술한 구조를 통해, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자(100)는 트랜지스터 영역과 다이오드 영역을 구비한 즉, 트랜지스터와 다이오드의 기능 모두를 수행할 수 있는 모놀리식 집적회로로 제조될 수 있다. 즉, 게이트 절연층(150)을 관통하여 접합된 드레인 전극(180)은 다이오드 영역에서는 캐소드로 동작을 할 수 있게 되므로 트랜지스터 영역에서의 드레인, 그리고 다이오드 영역에서의 캐소드 역할 모두를 동시에 담당할 수 있다. 그리고, 쇼트키 전극(190)은 다이오드 영역에서 애노드의 역할을 하게 된다.
여기서, 쇼트키 전극(190)은 도 1에 도시된 트랜지스터 영역이 아닌 다이오드 영역에 배치됨으로써, 본 발명의 반도체 소자(100)가 트랜지스터의 기능을 수행하는 경우 완전히 분리되어 오프될 수 있고, 반대로 다이오드의 기능을 수행하는 경우 트랜지스터 영역에 별다른 영향을 미치지 않게 된다. 이에 따라, 반도체 소자(100)는 다이오드 영역과 트랜지스터 영역이 완벽히 구분되어 동작될 수 있게 되고, 종래의 스위칭 소자에서 발생하는 발열 문제도 해소 가능하다.
웨이퍼 절연층(155)은 애노드와 캐소드의 원활한 형성을 위해 게이트 절연층(150)의 상부에 형성될 수 있다. 여기서 웨이퍼 절연층(155)의 재질은 SiNx에 한정되지 않고, 다양한 절연 물질이 가능하다. 본 실시예의 반도체 소자(100)는, 트렌치 아래 남아있는 배리어층(130)의 두께와 Al의 비율 및 게이트 절연층(150)의 재질과 두께에 따라 MOSHFET의 턴온 전압이 결정되고, 다이오드의 정방향 턴온 전압은 애노드의 쇼트키 장벽으로 결정되고, 쇼트키 전극과 게이트 전극 사이의 거리 및 드레인 전극과 게이트 전극의 거리에 의하여 항복전압이 결정된다.
또한, 본 발명의 반도체 소자(100)는 게이트 전극(160)과 소스 전극(170) 및 드레인 전극(180)에 의해서 구성되는 트랜지스터의 턴온 전압이 0V 이상이고, 드레인 전극(180)과 쇼트키 전극(190)에 의해 구성되는 다이오드의 턴온 전압은 2V 이하일 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 반도체 소자(100)는 고전압 전력회로 시스템에서 요구하는 트랜지스터의 턴온 전압과 다이오드의 턴온 전압을 만족하도록 제작할 수 있다. 한편, 본 발명의 반도체 소자(100)는 트랜지스터의 턴온 전압과 다이오드의 턴온 전압을 개별적으로 조절할 수 있으며, 반도체 소자가 적용되는 시스템의 요구조건에 맞추어 제작할 수 있다. 한편, 상술한 본 발명의 다른 실시예에서 언급된, 트렌치를 깊게 형성함으로써 트렌치가 배리어층을 관통하여 버퍼층까지 형성된 경우에는, 게이트 절연층의 재질과 두께에 따라 MOSHFET의 턴온 전압이 결정될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자(100)의 등가 회로를 도시한 회로도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자(100)의 전류-전압 특성을 도시하는 그래프이다. 도 2와 같이, 등가회로로 표현될 수 있는 본 발명의 반도체 소자(100)는 MOSHFET(Q)와 쇼트키 다이오드(D)의 동작여부에 따라서 도 3과 같은 전류-전압 특성을 나타낼 수 있다. 이하, 도 4 내지 도 7을 참조로, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자(100)의 동작 원리를 더 설명한다.
도 4는 게이트 전극(160)과 소스 전극(170) 사이의 전압(Vgs)이 0이어서 MOSHFET(Q)가 동작하지 않고, 드레인 전극과 소스 전극 사이의 전압(Vds)은 0보다 커서 쇼트키 다이오드(D)가 동작하지 않는 상태의 전류 흐름을 나타낸다. 도시된 것과 같이, MOSHFET(Q)가 동작하지 않기 때문에 드레인 전극(180)과 소스 전극(170) 사이에 전류가 흐르지 않고, 쇼트키 다이오드(D)가 동작하지 않기 때문에 쇼트키 전극(190)과 드레인 전극(180) 사이에도 전류가 흐르지 않는, 차단 모드(blocking mode)가 된다.
도 5는 게이트 전극(160)과 소스 전극(170) 사이의 전압(Vgs)이 턴온 전압을 유지하면서 드레인 전극(180)과 소스 전극(170) 사이의 전압(Vds)이 0보다 커서 트랜지스터가 동작하고, 쇼트키 다이오드(D)는 역방향 전압이기 때문에 동작하지 않는 상태의 전류 흐름을 나타낸다. 도 5에 도시된 것과 같이, 쇼트키 다이오드(D)가 동작하지 않기 때문에 쇼트키 전극(190)과 드레인 전극(180) 사이에는 전류가 흐르지 않고, MOSHFET(Q)의 동작에 의해서 드레인 전극(180)으로부터 소스 전극(170)으로 전류(is)가 흐르는, 정방향 전도 모드(forward conduction mode)가 된다.
도 6은 게이트 전극(160)과 소스 전극(170) 사이의 전압(Vgs)이 0이면서, 드레인 전극(180)과 소스 전극(170) 사이의 전압(Vds)이 0보다 작으면서, 다이오드(D)의 턴온전압 이상이 될 경우, 트랜지스터는 동작하지 않고, 쇼트키 다이오드(D)가 동작하는 상태의 전류 흐름을 나타낸다. 도시된 것과 같이, MOSHFET(Q)가 동작하지 않기 때문에 드레인 전극(180)과 소스 전극(170) 사이에 전류가 흐르지 않고, 쇼트키 다이오드(D)가 동작하기 때문에 쇼트키 전극(190)으로부터 드레인 전극(180)으로 전류(is)가 흐르는, 역방향 전도 모드(reverse conduction mode)가 된다.
도 7은 게이트 전극(160)과 소스 전극(170) 사이의 전압(Vgs)이 턴온 전압(Von) 이상이면서, 드레인 전극(180)과 소스 전극(170) 사이의 전압(Vds)이 0보다 작으면서 다이오드(D)의 턴온전압 이상이 될 경우, 트랜지스터는 역방향으로 동작하며, 쇼트키 다이오드(D)는 순방향 전압이으로 동작한다. 이 때의 최대 전류는 앞서 도시한 도 6의 트랜지스터의 전류가 합쳐지므로 최대 전류는 트랜지스터와 다이오드의 전류의 합으로 나타나게 된다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자가 다채널 대면적에 형성된 경우를 도시하는 단면도이다. 도 8에 도시된 다채널 반도체 소자(200)는 도 1 내지 도 7을 참조로 설명한 반도체 소자(100)가 복수개로 이루어지고, 이들 복수의 반도체 소자가 병렬로 배치된 예시를 나타낸다. 도 8에 도시된 다채널 반도체 소자(200)는 도면의 간략화를 위하여 반도체 소자가 3개만 도시되어 있으나, 상기 개수로 제한되지 않고, 요구되는 전력에 대응하여 스위칭 소자를 병렬로 추가 반복하여 배치할 수 있다. 여기서, 트랜지스터와 다이오드의 쌍이 반드시 유지될 필요는 없으며, 정방향과 역방향에서 요구되는 전류크기에 따라 트랜지스터 혹은 다이오드의 개수를 상이하게 배치할 수 있다.
도 8의 배열 방식은 위에서 언급한 것처럼 드레인을 기준으로 임의의 시간에 좌우 중 한쪽으로만 전류가 흐르게 되어 이웃한 채널의 발열 영향을 줄이는 장점도 가지고 있다.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 소자의 단면도를 도시한다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 소자(200, 300, 400)는 게이트 전극 또는 쇼트키 전극의 형상만 다를 뿐, 다른 부분은 동일하다. 따라서, 위에서 언급된 부분과 중복되는 사항에 대해서는 상세한 설명을 생략한다.
도 9에서, 반도체 소자(200)에 포함된 트랜치는 반도체 소자(100)의 트랜치에 비해 더 깊게 형성될 수 있다. 즉, 본 발명의 다른 실시예에서 트랜치는 배리어층(230)의 전체를 관통하여 형성될 수 있다. 이에 따라, 게이트 전극(260)도 더 깊게 형성될 수 있다.
또한, 도 10 도 11에 도시된 것처럼, 쇼트키 전극(390, 490)의 형성시, 다이오드 턴온 전압을 낮추기 위해, 쇼트키 전극(390, 490) 하부의 배리어 층(330, 430)의 일부 또는 전체를 관통하여 트랜치를 형성하고, 쇼트키 전극(390, 490)을 형성하는 것도 가능하다. 여기서, 쇼트키 전극(390, 490)의 형상은 도 10 및 도 11에 도시된 것처럼 특정 형상으로 제한되지 않는다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적의 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100 : 반도체 소자
110 : 기판
120 : 버퍼층 130 : 배리어층
140 : 캡층 150 : 게이트 절연층
155 : 웨이퍼 절연층 160 : 게이트 전극
170 : 소스 전극 180 : 드레인 전극
190 : 쇼트키 전극 200 : 다채널 반도체 소자
120 : 버퍼층 130 : 배리어층
140 : 캡층 150 : 게이트 절연층
155 : 웨이퍼 절연층 160 : 게이트 전극
170 : 소스 전극 180 : 드레인 전극
190 : 쇼트키 전극 200 : 다채널 반도체 소자
Claims (11)
- 기판;
상기 기판의 상부에 형성된 버퍼층;
상기 버퍼층의 상부에 형성된 배리어층;
상기 배리어층의 상부에 형성된 게이트 절연층;
상기 게이트 절연층의 상면 중 일부를 관통하여 형성되고, 상기 배리어층의 상부에 위치되는 소스 전극과 드레인 전극;
상기 소스 전극과 상기 드레인 전극의 사이에 위치하고, 상기 게이트 절연층에 의해 상기 배리어층과 이격된 게이트 전극; 및
상기 게이트 절연층을 관통하여 상기 배리어층의 상부에 형성되는 쇼트키 전극을 포함하고,
상기 쇼트키 전극과 상기 소스 전극은 상기 드레인 전극을 기준으로 서로 대향되게 형성되는 것을 특징으로 하는, 반도체 소자. - 제1항에 있어서,
상기 반도체 소자는 다이오드와 트랜지스터가 하나의 집적 회로로 구성된 소자인 것을 특징으로 하는, 반도체 소자. - 제2항에 있어서,
상기 소스 전극과 상기 쇼트키 전극은 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는, 반도체 소자. - 제2항에 있어서,
상기 드레인 전극은 다이오드 영역에서 캐소드로 동작하고, 상기 쇼트키 전극은 다이오드 영역에서 애노드로 동작하는 것을 특징으로 하는, 반도체 소자. - 제1항에 있어서,
상기 배리어층에는 상면 중 일부 혹은 전체가 관통된 트렌치가 형성되고, 상기 게이트 절연층 및 상기 게이트 전극은 상기 트렌치의 상부에 삽입되어 형성되는 것을 특징으로 하는, 반도체 소자. - 제1항에 있어서,
상기 배리어층에는 상면 중 일부 혹은 전체가 관통된 전극용 트렌치가 형성되고, 상기 쇼트키 전
상기 전극용 트렌치의 상부에 삽입되어 형성되는 것을 특징으로 하는, 반도체 소자. - 제1항에 있어서,
상기 배리어층에 접하는 상기 버퍼층의 계면에 2차원 전자가스(2-DEG) 또는 전자 채널층이 더 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자. - 제1항에 있어서,
상기 버퍼층은 GaN계 물질, AlGaN계 물질, InGaN계 물질 및 AlInGaN계 물질 중 적어도 하나의 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는, 반도체 소자. - 제1항에 있어서,
상기 배리어층은 GaN계 물질, AlGaN계 물질, InGaN계 물질 및 AlInGaN계 물질 중 적어도 하나의 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는, 반도체 소자. - 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 복수의 반도체 소자가 병렬로 배치된 다채널 반도체 소자로서,
하나의 반도체 소자의 쇼트키 전극은 상기 반도체 소자에 인접한 다른 하나의 반도체 소자의 소스 전극에 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는, 다채널 반도체 소자. - 제10항에 있어서,
하나의 반도체 소자의 쇼트키 전극의 일 단부는 상기 다른 하나의 반도체 소자의 소스 전극의 일 단부와 접촉되는 것을 특징으로 하는, 다채널 반도체 소자.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020140188469A KR102241012B1 (ko) | 2014-12-24 | 2014-12-24 | 다이오드 내장형 반도체 소자 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020140188469A KR102241012B1 (ko) | 2014-12-24 | 2014-12-24 | 다이오드 내장형 반도체 소자 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20160077936A true KR20160077936A (ko) | 2016-07-04 |
| KR102241012B1 KR102241012B1 (ko) | 2021-04-19 |
Family
ID=56501320
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020140188469A KR102241012B1 (ko) | 2014-12-24 | 2014-12-24 | 다이오드 내장형 반도체 소자 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102241012B1 (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR3124022A1 (fr) * | 2021-06-14 | 2022-12-16 | Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives | Circuit de commutation compact dote de transistors a heterojonction |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20140023610A (ko) * | 2012-08-16 | 2014-02-27 | 삼성전자주식회사 | 반도체소자 및 그 제조방법 |
| KR20140105056A (ko) * | 2013-02-21 | 2014-09-01 | 홍익대학교 산학협력단 | 반도체 소자 및 그 제조방법 |
| KR101435937B1 (ko) * | 2013-04-15 | 2014-11-03 | 홍익대학교 산학협력단 | 쇼트키 배리어 다이오드 및 그 제조방법 |
-
2014
- 2014-12-24 KR KR1020140188469A patent/KR102241012B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20140023610A (ko) * | 2012-08-16 | 2014-02-27 | 삼성전자주식회사 | 반도체소자 및 그 제조방법 |
| KR20140105056A (ko) * | 2013-02-21 | 2014-09-01 | 홍익대학교 산학협력단 | 반도체 소자 및 그 제조방법 |
| KR101435937B1 (ko) * | 2013-04-15 | 2014-11-03 | 홍익대학교 산학협력단 | 쇼트키 배리어 다이오드 및 그 제조방법 |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR3124022A1 (fr) * | 2021-06-14 | 2022-12-16 | Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives | Circuit de commutation compact dote de transistors a heterojonction |
| EP4105990A1 (fr) * | 2021-06-14 | 2022-12-21 | Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives | Circuit de commutation compact doté de transistors à hétérojonction |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR102241012B1 (ko) | 2021-04-19 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10692861B2 (en) | Method of manufacturing a semiconductor device | |
| US10290732B2 (en) | High voltage semiconductor devices and methods of making the devices | |
| TWI499058B (zh) | 氮化鎵二極體及積體組件 | |
| US8581301B2 (en) | Nitride semiconductor device | |
| JP4417677B2 (ja) | 電力用半導体装置 | |
| JP5672756B2 (ja) | 半導体装置 | |
| KR101922122B1 (ko) | 노멀리 오프 고전자이동도 트랜지스터 | |
| CN103367356B (zh) | 具有氮化物层的半导体元件 | |
| US11322606B2 (en) | Heterojunction semiconductor device having high blocking capability | |
| CN105871365B (zh) | 开关电路和半导体器件 | |
| JP2006351691A (ja) | 半導体装置 | |
| US9905558B1 (en) | Conductivity modulated drain extended MOSFET | |
| KR102163725B1 (ko) | 반도체 소자 및 그 제조방법 | |
| US20130175542A1 (en) | Group III-V and Group IV Composite Diode | |
| EP2639832A2 (en) | Group III-V and group IV composite diode | |
| WO2013153937A1 (ja) | 半導体ダイオード装置 | |
| KR20140105056A (ko) | 반도체 소자 및 그 제조방법 | |
| US20140042449A1 (en) | High electron mobility transistor | |
| KR102241012B1 (ko) | 다이오드 내장형 반도체 소자 | |
| KR101559111B1 (ko) | 양방향 스위칭 소자 및 그 제조 방법 | |
| KR102654457B1 (ko) | 반도체 소자 및 그 제조 방법 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |