KR20200050485A - Power semiconductor having gallium oxide formed using HVPE - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 전력 반도체에 관한 것이다.The present invention relates to a power semiconductor.
전력 반도체(power semiconductor)는 전력의 변환이나 제어 등을 수행하는 데 사용되는 반도체 소자이다. 전력 반도체로는, MOSFET, IGBT, BJT, Thyristor 등이 있다. 전력 반도체는 고내압화, 고전류화, 고주파수화되고 있어서, 교류와 직류 사이의 변환 효율을 높이는 것뿐만 아니라 세탁기, 냉장고, 청소기, 엘리베이터, 에스컬레이터에 사용되는 모터를 비롯한 다양한 전자기기에 전력을 공급하거나 안정적으로 원하는 전압과 전류를 공급할 수 있도록 돕는다. 최근 전기자동차의 큰 이슈로 인하여 자동차용 전력반도체 (600, 900, 1,200 V)의 수요가 크게 증가하고 있고 산업기기, 철도, 태양전지 분야에서 전력반도체 모듈의 실용화가 요구되고 있다.A power semiconductor is a semiconductor device used to perform power conversion or control. Power semiconductors include MOSFETs, IGBTs, BJTs, and Thyristors. Since power semiconductors are being subjected to high withstand voltage, high current, and high frequency, it not only increases conversion efficiency between AC and DC, but also supplies power to various electronic devices including washing machines, refrigerators, vacuum cleaners, elevators, and motors used in escalators, or is stable. To help supply the desired voltage and current. Recently, due to a large issue of electric vehicles, the demand for electric power semiconductors for automobiles (600, 900, 1,200 V) has been greatly increased, and the use of electric power semiconductor modules in industrial equipment, railways, and solar cells is required.
고전력, 고주파 특성을 갖는 반도체 소자를 구현하기 위해서는 높은 항복 전압과 동시에 높은 전자이동도를 갖는 반도체 소재가 필요하며, 이에 따르는 열적 안정성도 매우 중요하기 때문에 밴드갭이 넓은 SiC, GaN, Ga2O3의 필요성이 증대되고 있다. 특히, 갈륨 옥사이드는 4.7 ~ 4.9 eV의 넓은 에너지 밴드갭을 갖기 때문에 고내압, 저손실 전력 반도체용 소재로 유용하고, SiC, GaN 보다 3배 더 큰 8MeV/cm 항복전계를 갖는 산화물 반도체로서 전력반도체 시장에서 주목받고 있는 소재이다.In order to realize a semiconductor device having high power and high frequency characteristics, a semiconductor material having a high breakdown voltage and high electron mobility is required, and thermal stability is also very important, so the need for SiC, GaN, and Ga2O3 with a wide band gap is necessary. Is increasing. In particular, gallium oxide has a wide energy band gap of 4.7 to 4.9 eV, making it useful as a material for high-voltage and low-loss power semiconductors, and is an oxide semiconductor with an 8MeV / cm yield field that is three times larger than SiC and GaN. It is a material that is attracting attention from.
GaN 에피층을 형성하는 HVPE 공정으로 갈륨옥사이드 에피층이 형성된 전력반도체를 제공하고자 한다.It is an HVPE process for forming a GaN epi layer to provide a power semiconductor having a gallium oxide epi layer.
본 발명의 일측면에 따르면, 전력 반도체가 제공된다. 전력 반도체는, 갈륨옥사이드 웨이퍼 및 상기 갈륨옥사이드 웨이퍼의 상면에 갈륨나이트라이드 HVPE 성장법에 의해 형성된 갈륨옥사이드 에피층을 포함할 수 있다.According to one aspect of the present invention, a power semiconductor is provided. The power semiconductor may include a gallium oxide wafer and a gallium oxide epi layer formed on the top surface of the gallium oxide wafer by a gallium nitride HVPE growth method.
일 실시예로, 상기 갈륨옥사이드 에피층은, 500 내지 600 torr의 압력과 섭씨 600 내지 700도의 온도에서 에피택셜 성장될 수 있다.In one embodiment, the gallium oxide epi layer may be epitaxially grown at a pressure of 500 to 600 torr and a temperature of 600 to 700 degrees Celsius.
일 실시예로, 상기 갈륨옥사이드 에피층의 두께는 5 um일 수 있다.In one embodiment, the thickness of the gallium oxide epi layer may be 5 um.
일 실시예로, 상기 갈륨옥사이드의 온 저항은 2.9 내지 7.7 mΩ·cm2일 수 있다.In one embodiment, the on-resistance of the gallium oxide may be 2.9 to 7.7 mΩ · cm 2 .
일 실시예로, 상기 전력 반도체는 다이오드, 전력용 MOSFET 및 IGBT 중 어느 하나일 수 있다.In one embodiment, the power semiconductor may be any one of a diode, a power MOSFET, and an IGBT.
본 발명의 실시예에 따르면, GaN HVEP 공정으로 형성된 갈륨옥사이드 에피층으로 전력 반도체를 제고할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, a power semiconductor may be enhanced with a gallium oxide epi layer formed by a GaN HVEP process.
이하에서, 본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예를 참조하여 설명된다. 이해를 돕기 위해, 첨부된 전체 도면에 걸쳐, 동일한 구성 요소에는 동일한 도면 부호가 할당되었다. 첨부된 도면에 도시된 구성은 본 발명을 설명하기 위해 예시적으로 구현된 실시예에 불과하며, 본 발명의 범위를 이에 한정하기 위한 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 갈륨옥사이드 전력 반도체를 예시적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 GaN 에피층을 형성하는 HVPE 공정으로 형성된 에피층의 두께 분포를 나타낸 도면이다.
도 3은 GaN 에피층을 형성하는 HVPE 공정으로 형성된 에피층의 농도 분포를 나타낸 도면이다.
도 4는 I-V 측정을 위한 전극이 형성된 갈륨옥사이드 웨이퍼의 상면을 나타낸 도면이다.
도 5는 GaN 에피층을 형성하는 HVPE 공정으로 형성된 갈륨옥사이드 에피층이 형성된 전력 반도체의 역방향 J-V 특성을 나타낸 그래프이다.
도 6은 GaN 에피층을 형성하는 HVPE 공정으로 형성된 갈륨옥사이드 에피층이 형성된 전력 반도체의 순방향 J-V 특성을 나타낸 그래프이다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to embodiments shown in the accompanying drawings. For ease of understanding, the same reference numerals have been assigned to the same components throughout the attached drawings. The configuration shown in the accompanying drawings is merely an exemplary embodiment to illustrate the present invention, and is not intended to limit the scope of the present invention.
1 is a cross-sectional view showing a gallium oxide power semiconductor according to an embodiment of the present invention by way of example.
2 is a view showing the thickness distribution of the epi layer formed by the HVPE process to form a GaN epi layer.
3 is a view showing the concentration distribution of the epi layer formed by the HVPE process to form a GaN epi layer.
4 is a view showing an upper surface of a gallium oxide wafer on which an electrode for IV measurement is formed.
5 is a graph showing reverse JV characteristics of a power semiconductor having a gallium oxide epi layer formed by an HVPE process forming a GaN epi layer.
6 is a graph showing forward JV characteristics of a power semiconductor having a gallium oxide epi layer formed by an HVPE process to form a GaN epi layer.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The present invention can be applied to various changes and can have various embodiments, and specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail through detailed description. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.Terms such as first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from other components.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in the present application are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this application, terms such as “include” or “have” are intended to indicate that a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification exists, one or more other features. It should be understood that the existence or addition possibilities of fields or numbers, steps, operations, components, parts or combinations thereof are not excluded in advance.
층, 영역 또는 웨이퍼와 같은 요소가 다른 요소 "위(on)"에 존재하는 것으로 또는 "위로(onto)" 확장되는 것으로 기술되는 경우, 그 요소는 다른 요소의 직접 위에 있거나 직접 위로 확장될 수 있고, 또는 중간의 개입 요소가 존재할 수도 있다. 반면에, 하나의 요소가 다른 요소 "바로 위(directly on)"에 있거나 "바로 위로(directly onto)" 확장된다고 언급되는 경우, 다른 중간 요소들은 존재하지 않는다. 또한, 하나의 요소가 다른 요소에 "연결(connected)"되거나 "결합(coupled)"된다고 기술되는 경우, 그 요소는 다른 요소에 직접 연결되거나 직접 결합될 수 있고, 또는 중간의 개입 요소가 존재할 수도 있다. 반면에, 하나의 요소가 다른 요소에 "직접 연결(directly connected)"되거나 "직접 결합(directly coupled)"된다고 기술되는 경우에는 다른 중간 요소가 존재하지 않는다.If an element, such as a layer, region, or wafer, is described as being “on” or extending “onto” another element, the element can be directly above or directly above the other element Or, there may be intermediate intervention elements. On the other hand, if one element is referred to as being "directly on" or extending "directly onto" another element, other intermediate elements are not present. In addition, when one element is described as being “connected” or “coupled” to another element, the element may be directly connected to or directly coupled to the other element, or intermediate intervening elements may be present. have. On the other hand, if one element is described as being "directly connected" or "directly coupled" to another element, there is no other intermediate element.
"아래의(below)" 또는 "위의(above)" 또는 "상부의(upper)" 또는 "하부의(lower)" 또는 "수평의(horizontal)" 또는 "측면의(lateral)" 또는 "수직의(vertical)"와 같은 상대적인 용어들은 여기에서 도면에 도시된 바와 같이 하나의 요소, 층 또는 영역의 다른 요소, 층 또는 영역에 대한 관계를 기술하는데 사용될 수 있다. 이들 용어들은 도면에 묘사된 방향(orientation)에 부가하여 장치의 다른 방향을 포괄하기 위한 의도를 갖는 것으로 이해되어야 한다."Below" or "above" or "upper" or "lower" or "horizontal" or "lateral" or "vertical Relative terms such as "vertical" can be used herein to describe a relationship of one element, layer or region to another element, layer or region, as shown in the figure. It should be understood that these terms are intended to cover different orientations of the device in addition to the orientation depicted in the figures.
이하, 본 발명의 실시예에 대해 관련 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이하에서는 절연게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)를 중심으로 설명하지만, 본 발명의 기술적 사상이 전력용 MOSFET 등 여러 형태의 반도체 소자에 동일 또는 유사하게 적용 및 확장될 수 있음은 당연하다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to related drawings. However, hereinafter, a description will be given with reference to an insulated gate bipolar transistor (IGBT), but it is natural that the technical idea of the present invention can be applied and extended to the same or similar types of semiconductor devices such as power MOSFETs.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 갈륨옥사이드 전력 반도체를 예시적으로 도시한 단면도이다.1 is a cross-sectional view illustrating a gallium oxide power semiconductor according to an embodiment of the present invention by way of example.
갈륨옥사이드(Ga2O3)를 이용한 전력 반도체는 다양한 구조로 구현될 수 있다. 도 1에 도시된 전력 반도체는, 갈륨옥사이드 트랜지스터이며, 전류 경로를 제공하는 갈륨옥사이드 에피층은 다른 구조, 예를 들어, 다이오드, IGBT 등에도 적용될 수 있다. The power semiconductor using gallium oxide (Ga 2 O 3 ) may be implemented in various structures. The power semiconductor shown in FIG. 1 is a gallium oxide transistor, and the gallium oxide epi layer providing a current path may be applied to other structures, for example, diodes, IGBTs, and the like.
갈륨옥사이드 웨이퍼(100)는, 갈륨옥사이드에 4족 원소를 불순물로 주입하여 형성된 n형 웨이퍼다. 여기서, 불순물은 Sn이며, 갈륨옥사이드는 1 x 1018 cm-3 내지 9 x 1018 cm-3의 도핑 농도로 도핑될 수 있다. 갈륨옥사이드 웨이퍼의 두께는 약 0.65 mm이고, 결정 배향은 (001)이며, 오프각은 -1 내지 +1도일 수 있다.The
갈륨옥사이드 에피층(110)은, 갈륨옥사이드 웨이퍼(100) 상부에 갈륨옥사이드를 에피택셜 성장시켜 형성된다. 갈륨옥사이드 에피층(110)은 4족 원소를 불순물로 주입하여 형성된 n형 층이다. 여기서 불순물은 Si이며, 수 1016 cm-3의 도핑 농도로 도핑될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 전력 반도체의 특성을 테스트하기 위해서, 갈륨옥사이드 에피층(110)은 약 5.0 um의 두께까지 성장되었으나, 설계 사양에 따라 공정 파라미터를 변경하여 적절한 두께로 형성될 수 있다. 예를 들어, 실리콘카바이드의 경우, 5.0 um 두께의 에피층은 600V급 전력 반도체에 적용되지만, 갈륨옥사이드의 경우, 5.0 um 두께의 에피층은 1000V급 전력 반도체에 적용될 수 있다.The gallium oxide
갈륨옥사이드 에피층(110)은 GaN 에피층을 형성하는 HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy) 성장법에 의해 형성될 수 있다. 반응 챔버는 약 500 내지 600 torr의 압력과 약 섭씨 600 내지 700도의 온도로 유지될 수 있다. 반응 기체는 GaCl과 O2이며, O2는 약 20 내지 80 sccm의 유속을 가질 수 있다.The gallium
게이트(120), 소스(130) 및 드레인(140)은, 갈륨옥사이드 에피층(110)의 상에 금속을 이용하여 형성된다. 게이트(120)는 Ni, Pt, Ti, Au를 적층 또는 이들의 합금 또는 폴리 실리콘으로 형성되며, 소스(130) 및 드레인(140)은 Ni, Ti, Au를 적층 또는 이들의 합금으로 형성될 수 있다. 한편, 게이트(120)와 갈륨옥사이드 에피층(110) 사이에는 절연층, 예를 들어, Al2O3가 개재될 수 있다.The
도 2는 GaN 에피층을 형성하는 HVPE 공정으로 형성된 갈륨옥사이드 에피층의 두께 분포를 나타낸 도면이다.2 is a view showing the thickness distribution of the gallium oxide epi layer formed by the HVPE process to form a GaN epi layer.
도 2를 참조하면, HVPE 성장법에 의해 성장된 갈륨옥사이드 에피층(110)에 대한 물리적 특성 중 층 두께 분포를 알 수 있다. 갈륨옥사이드 웨이퍼(100)의 상부 전체에 형성된 갈륨옥사이드 에피층(110)의 평균 두께는 약 5.3 um이다. 갈륨옥사이드 웨이퍼(100)의 중앙부를 포함한 대부분의 영역은 약 4 내지 6 um의 두께 분포를 나타내며, 갈륨옥사이드 웨이퍼(100)의 우상부에서 좌하부로 갈수록 두께가 얇아짐을 알 수 있다.Referring to FIG. 2, the thickness distribution of the physical properties of the gallium
도 3은 GaN 에피층을 형성하는 HVPE 공정으로 형성된 에피층의 농도 분포를 나타낸 도면이다.3 is a view showing the concentration distribution of the epi layer formed by the HVPE process to form a GaN epi layer.
도 3을 참조하면, HVPE 성장법에 의해 성장된 갈륨옥사이드 에피층(110)에 대한 물리적 특성 중 표면 농도 분포를 알 수 있다. 갈륨옥사이드 웨이퍼(100)의 상부 전체에 형성된 갈륨옥사이드 에피층(110)의 평균 농도는 약 ×1016 cm-3이다. 갈륨옥사이드 웨이퍼(100)의 중앙부를 포함한 대부분의 영역은 약 2.0 ×1016 cm-3 내지 5.0×1016 cm-3 의 농도 분포를 나타내며, 갈륨옥사이드 웨이퍼(100)의 우상부에서 좌상부로 갈수록 농도가 낮아짐을 알 수 있다. Referring to FIG. 3, the distribution of surface concentration among physical properties of the gallium
도 4는 I-V 측정을 위한 전극이 형성된 갈륨옥사이드 웨이퍼의 상면을 나타낸 도면이다.4 is a view showing a top surface of a gallium oxide wafer on which an electrode for I-V measurement is formed.
GaN HVPE 성장법에 의해 성장된 갈륨옥사이드 에피층의 품질을 평가하기 위하여 다이오드 I-V 특성을 측정할 수 있다. 이를 위해, 애노드 전극이 갈륨옥사이드 에피층(110)의 상면에 형성되며, 캐소드 전극이 갈륨옥사이드 웨이퍼(100)의 하면에 형성된다. 애노드 전극은, Ni와 Au를 각각 약 50nm와 약 200nm로 적층하여 형성되며, 캐소드 전극은, Ti와 Au를 각각 약 50nm와 약 200nm로 적층하여 형성된다. 도 4에 표시된 원은, I-V 측정 지점을 나타낸다. Diode I-V characteristics can be measured to evaluate the quality of the gallium oxide epi layer grown by the GaN HVPE growth method. To this end, an anode electrode is formed on the upper surface of the gallium
도 5는 GaN 에피층을 형성하는 HVPE 공정으로 형성된 갈륨옥사이드 에피층이 형성된 전력 반도체의 역방향 J-V 특성을 나타낸 그래프이다. 5 is a graph showing reverse J-V characteristics of a power semiconductor having a gallium oxide epi layer formed by an HVPE process to form a GaN epi layer.
도 5를 참조하면, 그래프의 세로축은 전류 밀도를 나타내며, 가로축은 역방향 전압을 나타낸다. 역방향 전압이 약 -200V까지 증가하더라도 전류 밀도는 수 10-5 A/cm2에 불과하여, 전류가 거의 흐르지 않음을 알 수 있다.Referring to FIG. 5, the vertical axis of the graph represents the current density, and the horizontal axis represents the reverse voltage. It can be seen that even if the reverse voltage increases to about -200V, the current density is only a few 10 -5 A / cm 2 , so that almost no current flows.
도 6은 GaN 에피층을 형성하는 HVPE 공정으로 형성된 갈륨옥사이드 에피층이 형성된 전력 반도체의 순방향 J-V 특성을 나타낸 그래프이다.6 is a graph showing forward J-V characteristics of a power semiconductor having a gallium oxide epi layer formed by an HVPE process to form a GaN epi layer.
도 6을 참조하면, 순방향 전압 인가시, 약 0.7 V에서 전력 반도체가 턴온됨을 알 수 있다. 전류 밀도와 전압 측정치로부터, 온 저항이 약 2.9 내지 약 7.7 mΩ·cm2으로 산출될 수 있다. 산출된 온 저항으로부터, 극히 낮은 값을 나타내고 있어, 전력소자로의 응용이 충분함을 알 수 있다. Referring to FIG. 6, it can be seen that when the forward voltage is applied, the power semiconductor is turned on at about 0.7 V. From the current density and voltage measurements, the on resistance can be calculated from about 2.9 to about 7.7 mΩ · cm 2 . From the calculated on-resistance, it shows an extremely low value, and it can be seen that the application to the power element is sufficient.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. The above description of the present invention is for illustration only, and those skilled in the art to which the present invention pertains can understand that the present invention can be easily modified into other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. will be. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타나며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is indicated by the following claims rather than the above detailed description, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalent concepts should be interpreted to be included in the scope of the present invention. .
Claims (5)
상기 갈륨옥사이드 웨이퍼의 상면에 갈륨나이트라이드 HVPE 성장법에 의해 형성된 갈륨옥사이드 에피층을 포함하는 전력 반도체.Gallium oxide wafer; And
A power semiconductor including a gallium oxide epitaxial layer formed by a gallium nitride HVPE growth method on an upper surface of the gallium oxide wafer.
The power semiconductor of claim 1, wherein the power semiconductor is any one of a diode, a power MOSFET, and an IGBT.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020180132682A KR20200050485A (en) | 2018-11-01 | 2018-11-01 | Power semiconductor having gallium oxide formed using HVPE |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| KR1020180132682A KR20200050485A (en) | 2018-11-01 | 2018-11-01 | Power semiconductor having gallium oxide formed using HVPE |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| KR20200050485A true KR20200050485A (en) | 2020-05-12 |
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ID=70679600
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Country Status (1)
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| KR (1) | KR20200050485A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114361286A (en) * | 2021-11-24 | 2022-04-15 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | Gallium oxide based solar blind ultraviolet photoelectric detector |
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2018
- 2018-11-01 KR KR1020180132682A patent/KR20200050485A/en unknown
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