KR20180067194A - 고전자 이동도 트랜지스터(hemt) - Google Patents

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Abstract

ZnO 기판; MgO 채널층; 및 MgZnO 층;을 포함하는 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT)가 제공된다.

Description

고전자 이동도 트랜지스터(HEMT) {HIGH ELECTRON MOBILITY TRANSISTOR}
본 발명은 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT)에 관한 것으로 전자 이동도가 개선된 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT)에 관한 것이다.
질화물 반도체 소자는 예를 들어, 전력 제어에 사용되는 고-전력 장치로 사용될 수 있다. 전력 변환 시스템에서 고-전력 장치 의 효율이 전체 시스템의 효율을 좌우할 수 있다. 고-전력 장치 의 일 예로 실리콘(Si)을 기반으로 하는 MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)나 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 등이 있다. 그러나 실리콘의 물성 한계와 제조공정이 한계 등으로 인해, 실리콘을 기반으로 하는 고-전력 장치의 효율을 증가시키는 것이 어려운 문제가 있어, 이러한 문제를 해결하고자, 고전자 이동도 트랜지스터(High Electron Mobility Transistor, 이하 HEMT라 함)이 개발되었다.
HEMT는 전기적 분극(polarization) 특성이 서로 다른 반도체층을 포함하고, 상대적으로 큰 분극률을 갖는 반도체층이 이와 접합된 다른 반도체층에 2차원 전기 가스(2DEG;2-Dimensional Electron Gas)를 유발할 수 있다. 이러한 2차 전지가스는 채널로 사용되므로 HEMT는 높은 전자이동도를 가질 수 있어, 널리 사용되고 있다.
또한, 최근 II-VI ZnO 및 관련 산화물은, 발광 다이오드(LED), 태양 전지, 및 고전자이동도 트랜지스터(HEMT) 응용 분야를 위한 넓은 대역폭 반도체로서 제안되어 왔다.
그 중, ZnO와 GaN는 여러 물성 중 상당수가 서로 유사하며, 예를 들어, ZnO와 GaN 모두는, 인플레인(in-plane) 격자 파라미터와 거의 동일한 우르츠광(WZ) 결정 구조 및 실온 대역폭 3.3eV 및 3.4eV를 각각 갖는다.
특히, ZnO는, 저 성장 온도, 큰 엑시톤 결합 에너지, 대면적 ZnO 기판의 가용성, 및 비교적 저 물질 비용을 포함하는 여러 장점들이 있어, 이를 포함하는 ZnMgO/ZnO HEMT 구조가 개발되었다.
이러한, ZnMgO/ZnO HEMT 구조는 ZnMgO/ZnO 헤테로구조를 위한 큰 전도 대역 오프셋 및 고 밀도 2차원 전자 가스(2DEG)를 형성하는 가능성 때문에 고 주파수 및 고-전력 장치 응용분야를 위한 큰 잠재력을 갖는다.
또한, HEMT 구조는 전자 이동도가 매우 중요한데, 전자 이동도는 저온에서 흔히 합금 무질서 산란에 의해 크게 영향을 받는다. 이에 종래의 AlGaN/GaN 구조의 경우, AlGaN과 GaN 사이에 얇은 AlN 계면층을 채택하는 개질된 AlGaN/AlN/GaN 구조계는, GaN 채널로부터 AlGaN 층으로의 캐리어 통과를 억제함으로써 합금 무질서 산란을 감소시키도록 제안되었으나, 여전히 기술 개발이 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 전자 밀도 및 캐리어 구속력이 향상된 고전자 이동도 트랜지스터 를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, ZnO 기판; MgO 채널층; 및 MgZnO 층;을 포함하는 고전자 이동도 트랜지스터가 제공된다.
이때, 상기 MgO 채널층의 두께가 1 내지 3nm일 수 있으며, 바람직하게는 2 nm일 수 있다.
본 발명은 MgO 채널층으로 포함시킴으로써, 높은 전자 밀도 및 우수한 캐리어 구속 능력 등 전자 이동도가 개선된 고전자 이동도 트랜지스터를 제공할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고전자 이동도 트랜지스터를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 MgZnO/MgO/ZnO HEMT 구조와 비교예로서 MgZnO/ZnO의 구조의 (a) 전도 대역 에지 프로파일(conduction band edge profiles)과 (b) 전자 밀도 (electron densities)를 도시한 그래프이다.
도 3는 (a) 여러 개의 MgO 층 두께가 있는 MgZnO/MgO/ZnO HEMT 구조의 전도 대역 에지 프로파일(conduction band edge profiles) 및 (b) 피크 전자 밀도를 MgZnO/MgO/ZnO HEMT 구조를 위한 MgO 채널의 층 두께의 함수로서 도시한 것이다.
도 4는, (a) 1V의 드레인 전압(VDS)에서의 드레인 전류(IDS) 대 게이트 전압(VGS) 및 (b) MgZnO/MgO/ZnO 및 MgZnO/ZnO HEMT 구조에서의 수 게이트 바이어스에 대한 드레인 전류(IDS) 대 드레인 전압을 도시한 것이다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어 또는 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 해석되어서는 안되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서상에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서, 이를 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고전자 이동도 트랜지스터를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 고전자 이동도 트랜지스터(1)는 ZnO 기판(10), 상기 ZnO 기판(10) 상에 적층된 MgO 채널층(20) 및 상기 MgO 채널층(20) 상에 적층된 MgZnO 층(30), 게이트 전극(40), 소스 전극(50) 및 드레인 전극(60)을 더 포함하는 반도체 소자가 제공될 수 있으며, 이때 각 전극의 위치는 함께 적용되는 다른 소자에 따라 다양하게 적용할 수 있다.
이하에서는 설명의 편의를 위해 도 1로 도시된 본 발명의 일 실시예를 상층에서 하층 순으로 지칭하여 MgZnO/MgO/ZnO HEMT 구조라고 하며, 비교예로서 MgZnO/ZnO를 적용하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 MgZnO/MgO/ZnO HEMT 구조와 비교예로서 MgZnO/ZnO의 구조의 (a) 전도 대역 에지 프로파일(conduction band edge profiles)과 (b) 전자 밀도 (electron densities)를 도시한 그래프이다.
이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 MgO 채널츨의 두께는 1nm로 고정되어 있으며, 또한, MgO층은 완전히 스트레인된 것으로 추정되었다. 또한, 제로인가전압(zero applied voltage, V = 0V)에서 셀프 컨시스턴트(self-consistent, SC) 해를 산출 하였다. 아울러, 금속-반도체 계면을 위해 0.7eV인 쇼트키 장벽 높이를 사용하였으며, MgZnO/MgO/ZnO HEMT 구조를 위해 Zn-면을 고려하였다.
ZnO/MgO/MgZnO HEMT 구조에 있어서 2DEG에 대한 분극 효과를 이론적으로 조사한다. Silvaco 시뮬레이션 소프트웨어 패키지를 사용함으로써 수치 결과를 취득하였다. 전자에 대한 슈뢰딩거 등식 및 푸아송 등식을 반복적으로 풀어, 셀프 컨시스턴트(self-consistent, SC) 대역 구조 및 파동 함수를 취득하였다
도 2(a)를 참조하면, MgZnO/MgO/ZnO HEMT 구조는, MgO와 ZnO의 계면에서의 전도 대역의 휘어짐이 MgZnO과 ZnO의 계면에서의 전도 대역의 휘어짐보다 날카로움을 나타낸다. 그 결과, MgZnO/MgO/ZnO HEMT 구조에서의 캐리어 구속은 종래의 MgZnO/ZnO HEMT 구조에서의 캐리어 구속보다 뛰어나다는 것을 알 수 있다.
또한, 도 2(b)를 참조하면 전자 밀도의 피크 위치는, MgZnO/MgO/ZnO과 MgZnO/ZnO HEMT 구조를 위한 MgO/ZnO과 MgZnO/ZnO 계면의 위치에 각각 대응하는데, MgZnO/MgO/ZnO HEMT 구조는, 전자의 파동 함수들의 제곱의 합이 후자의 파동 함수들의 제곱의 합보다 크기 때문에, 종래의 MgZnO/ZnO HEMT 구조의 전자 밀도보다 훨씬 큰 전자 밀도를 나타낸다.
도 3는 (a) 여러 개의 MgO 층 두께가 있는 MgZnO/MgO/ZnO HEMT 구조의 전도 대역 에지 프로파일(conduction band edge profiles) 및 (b) 피크 전자 밀도를 MgZnO/MgO/ZnO HEMT 구조를 위한 MgO 채널의 층 두께의 함수로서 도시한 것이다.
도 3을 참조하면, 전자 밀도는 층 두께에 매우 민감한 것을 알 수 있다. 또한, 전자 밀도는 층 두께 2nm에서 최대인 것을 알 수 있으며, 이는 MgO과 ZnO의 계면에서의 전도 대역의 휘어짐이 층 두께 2nm에서 가장 날카롭다는 사실로 설명할 수 있다. 그러나, 층 두께가 3nm를 초과하면 그 휘어짐이 포화되기 시작한다.
또한, MgZnO/MgO/ZnO HEMT 구조는 MgO 채널에서 발생하는 큰 전계를 나타낸다. MgO 층의 전계는 약 1.55×106V/cm이다. 반면, MgZnO/ZnO 계면에서의 전계는 MgZnO/ZnO HEMT 구조에 대하여 1.06×105V/cm이다.
도 4는, (a) 1V의 드레인 전압(VDS)에서의 드레인 전류(IDS) 대 게이트 전압(VGS) 및 (b) MgZnO/MgO/ZnO 및 MgZnO/ZnO HEMT 구조에서의 수 게이트 바이어스에 대한 드레인 전류(IDS) 대 드레인 전압을 도시한 것이다. 여기서, MgO 층의 두께는 2nm로 고정하였다.
도 4를 참조하면, MgZnO/MgO/ZnO HEMT 구조는 VGS=-6V인 바이어스에 대하여 핀치-오프에 도달한다. MgZnO/ZnO HEMT 구조의 경우, 그 핀치-오프는 VGS=0.5V에서 도달하게 된다. 종래의 MgZnO/ZnO HEMT 구조에서, 포화 드레인 전류는 VGS=5V에서 IDS = 5.6×10-5A이다. 반면에, MgZnO/MgO/ZnO HEMT 구조의 경우, 포화 드레인 전류는, VGS=5V에서 IDS = 1.8×10-4A로 증가한다. 이는, 본질적으로, MgO 층의 포함시 발생하는 향상된 분극 전하에 의해 유도되는 채널의 전자 밀도의 증가 때문이다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
1: 고전자 이동도 트랜지스터
2: 반도체 소자
10: ZnO 기판
20: MgO 채널층
30: MgZnO 층
40: 게이트 전극
50: 소스 전극
60: 드레인

Claims (3)

  1. ZnO 기판;
    MgO 채널층; 및
    MgZnO 층;을 포함하는 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 MgO 채널층의 두께가 1 내지 3nm 인 것을 특징으로 하는 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT).
  3. 제1항에 있어서,
    상기 MgO 채널층의 두께가 2 nm인 것을 특징으로 하는 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT).
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110600539A (zh) * 2019-09-02 2019-12-20 广东美的制冷设备有限公司 高电子迁移率晶体管及其应用

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009212375A (ja) * 2008-03-05 2009-09-17 Rohm Co Ltd ＺｎＯ系トランジスタ
KR101539294B1 (ko) * 2014-02-03 2015-07-24 한국해양대학교 산학협력단 ZnO/MgZnO 활성층 구조의 박막트랜지스터

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009212375A (ja) * 2008-03-05 2009-09-17 Rohm Co Ltd ＺｎＯ系トランジスタ
KR101539294B1 (ko) * 2014-02-03 2015-07-24 한국해양대학교 산학협력단 ZnO/MgZnO 활성층 구조의 박막트랜지스터

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Li Meng et al.,‘Enhancement of Two-Dimensional Electron-Gas Properties by Zn Polar ZnMgO/MgO/ZnO Structure Grown by Radical-Source Laser Molecular Beam Epitaxy’, Journal of Nanomaterials, Vol. 2015, 6 *
Li Meng et al.,‘Enhancement of Two-Dimensional Electron-Gas Properties by Zn Polar ZnMgO/MgO/ZnO Structure Grown by Radical-Source Laser Molecular Beam Epitaxy’, Journal of Nanomaterials, Vol. 2015, 694234 (2015) *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110600539A (zh) * 2019-09-02 2019-12-20 广东美的制冷设备有限公司 高电子迁移率晶体管及其应用

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