KR20210151437A - 탄화규소 기반 온도 탐지 소자 - Google Patents

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Abstract

음극, 상기 음극의 상부면에 형성된 탄화규소 기반 N+형 기판, 상기 탄화규소 기반 N+형 기판의 상부면에 형성된 탄화규소 기반 N-에피택셜층, 및 상기 탄화규소 기반 N-에피택셜층의 상부면에 형성된 양극을 구비하고, 상기 N-에피택셜층은 상기 N-에피택셜층 내 및 상기 N-에피택셜층의 상층부에 P+형 도핑 영역이 부분적으로 주입되어 형성되어 있는 것인, 탄화규소 기반 온도 탐지 소자가 제공된다.

Description

탄화규소 기반 온도 탐지 소자{TEMPERATURE SENSOR BASED ON SILICON CARBIDE}
본 발명은 온도 탐지 소자에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 절대 온도에 비례하여 온도를 탐지할 수 있고 고온 및/또는 방사선 조사 환경에서도 온도 탐지의 신뢰성과 동작 안정성을 갖는, 탄화규소 기반 온도 탐지 소자에 관한 것이다.
실리콘 기반의 온도 탐지 소자는 지난 수 년간 많이 사용되어 왔다. 오늘날 실리콘 기반의 온도 탐지 소자는 전자 제품에 보편적으로 사용되고 있으며, 이제까지 온도 탐지 소자를 탑재하지 않았거나 열전쌍과 같은 다른 온도 감지 기법을 사용하던 제어 회로나 감지 모듈로도 급속히 확장되고 있다.
실리콘 기반의 온도 탐지 소자는 실리콘의 재료적 성질 중 에너지 밴드 갭(energy band gap)이 1.1 eV이므로 고온 예를 들면 125℃ 등에서는 고 에너지 상태에서 반도체적 성질을 잃어버려 소자의 온 오프 동작이 불가하고 누설 전류가 크게 상승하여 소자의 신뢰성에 문제가 있었다. 또한, 실리콘 기반의 온도 탐지 소자는 공정이 복잡하지 않아 쉽게 제작할 수 있는 쇼트키 배리어 다이오드(SBD) 구조로 제조되고 있다. 그러나, 쇼트키 배리어 다이오드 구조의 온도 탐지 소자는 다수의 캐리어에 의해 전류가 흐르게 되어 일반 다이오드와 달리 축적 효과가 없다. 하지만, 실리콘 기반의 온도 탐지 소자는 최대 역 전압이 낮아 고 전압에서는 소자가 파괴될 가능성이 있다.
한편, 실리콘 카바이드의 경우 실리콘에 비하여 약 3배 이상의 에너지 밴드 갭과 10배 이상의 전계 파괴 강도(10MV/cm2)을 가져, 실리콘 카바이드 기반의 온도 탐지 소자는 고온에서도 안정적으로 동작할 수 있으며 우주 환경 및 방사선 환경에서도 온도 탐지 소자의 신뢰성과 동작 안정성을 확보하는데 유지할 수 있다. 그러나, 실리콘 카바이드를 사용하더라도 온도 탐지 성능, 고온 및/또는 방사선 환경 하에서의 작동 안정성을 개선하는 데에는 한계가 있어왔다.
본 발명의 배경 기술은 한국등록특허 제10-1286220호 등에 기술되어 있다.
본 발명의 목적은 절대 온도에 비례하여 온도 탐지 성능이 뛰어난 탄화규소 기반 온도 탐지 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 고온 및/또는 방사선 조사 환경에서도 고 신뢰도와 동작 안정성이 확보될 수 있는 탄화규소 기반 온도 탐지 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 온도 탐지 신뢰도와 온도 탐지 민감도가 뛰어난 탄화규소 기반 온도 탐지 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 관점은 탄화규소(SiC, Silicon Carbide) 기반 온도 탐지 소자이다.
탄화규소 기반 온도 탐지 소자는 음극(cathode), 상기 음극의 상부면에 형성된 탄화규소 기반 N+형 기판, 상기 탄화규소 기반 N+형 기판의 상부면에 형성된 탄화규소 기반 N-에피택셜층, 상기 탄화규소 기반 N-에피택셜층의 상부면에 형성된 양극(anode)을 구비하고, 상기 N-에피택셜층은 상기 N-에피택셜층 내 및 상기 N-에피택셜층의 상층부에 P+형 도핑 영역이 부분적으로 주입되어 형성되어 있다.
상기 탄화규소 기반 N-에피택셜층의 상층부는 상기 P+형 도핑 영역과 N-에피택셜 영역이 반복적으로 형성되어 있을 수 있다.
상기 P+형 도핑 영역은 상기 탄화규소 기반 N-에피택셜층에 알루미늄을 이온 주입을 통해 형성될 수 있다.
상기 양극은 서로 이격되어 형성될 수 있다.
상기 N-에피택셜층의 N-에피택셜 영역과 상기 P+형 도핑 영역 간에 정션 배리어 쇼트키(JBS) 다이오드를 형성할 수 있다.
본 발명은 절대 온도에 비례하여 온도 탐지 성능이 뛰어난 탄화규소 기반 온도 탐지 소자를 제공하였다.
본 발명은 고온 및/또는 방사선 조사 환경에서도 고 신뢰도와 동작 안정성이 확보될 수 있는 탄화규소 기반 온도 탐지 소자를 제공하였다.
본 발명은 온도 탐지 신뢰도와 온도 탐지 민감도가 뛰어난 탄화규소 기반 온도 탐지 소자를 제공하였다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 탐지 센서 단면의 모식도 및 구동을 보여주는 모식도이다.
도 2는 비교예 1의 실리콘 기반의 온도 탐지 센서 단면의 모식도 및 구동을 보여주는 모식도이다.
도 3a는 실시예 1의 절대 온도 변화에 따른 전압 차이 결과이고, 도 3b는 비교예 1의 절대 온도 변화에 따른 전압 차이 결과이다.
도 4a, 도 4b는 실시예 1과 비교예 1의 온도 탐지 신뢰도와 온도 탐지 민감도 평가 결과이다.
도 5는 실시예 1과 비교예 1의 온도 변화에 따른 ideality factor와 barrier height를 나타낸다.
첨부한 도면을 참고하여 실시예에 의해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성 요소에 대해서는 동일한 명칭을 사용하였다. 도면에서 각 구성 요소의 길이, 크기는 본 발명을 설명하기 위한 것으로 본 발명이 도면에 기재된 각 구성 요소의 길이, 크기에 제한되는 것은 아니다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 발명을 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명의 탄화규소 기반 온도 탐지 소자를 도 1을 참조하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 탐지 센서 단면의 모식도 및 구동을 보여주는 모식도이다.
도 1을 참조하면, 탄화규소 기반 온도 탐지 소자는 음극(cathode)(10), 탄화규소 기반 N+ 기판(20), 탄화규소 기반 N-에피택셜층(30), 양극(50)을 포함한다. 음극(10)의 상부면에, 탄화규소 기반 N+ 기판(20), 탄화규소 기반 N-에피택셜층(30), 양극(50)이 순차적으로 형성되어 있다.
음극(10)은 N+ 기판(20)의 전면에 형성되어 있다. 음극(10)은 당업자에게 알려진 통상의 소재로 형성될 수 있다. 예를 들면, 음극(10)은 니켈 등이 될 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 탄화규소 기반 온도 탐지 소자는 탄화규소 기반의 N+ 기판(20), 탄화규소 기반 N-에피택셜층(30)을 구비함으로써 고온에서도 안정적으로 동작할 수 있게 하는 데 도움을 줄 수 있다. 탄화규소는 실리콘에 비해 약 3배 이상의 에너지 밴드 갭과 약 10배 이상의 전계파괴강도(10MV/cm2)를 제공함으로써 고온에서도 온도 탐지 소자가 안정적으로 동작하게 할 수 있다.
탄화규소 기반 N-에피택셜층(30)은 N-에피택셜층(30) 내 및 N-에피택셜층(30)의 상층부에 복수 개의 P+형 도핑 영역(40)이 부분적으로 주입되어 형성되어 있다.
복수 개의 P+형 도핑 영역(40)은 N-에피택셜층(30)에 부분적으로 형성되어 온도 탐침 조사의 역 전압이 인가되었을 때 N-에피택셜층과 공핍층을 형성하여 고 전압 하에서도 온도 탐침 소자의 온도 측정 능력의 신뢰성을 높일 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 온도 탐침 소자는 N-에피택셜 영역과 P+ 영역 간에 정션 배리어 쇼트키(JBS) 다이오드를 형성함으로써 고 전압 하에서도 온도 탐침 소자의 온도 측정 능력의 신뢰성을 높일 수 있다.
또한, 복수 개의 P+형 도핑 영역(40)이 부분적으로 주입되어 형성됨으로써 N-에피택셜층의 상층부는 P+형 도핑 영역과 N-에피택셜 영역이 반복적으로 형성됨으로써 순 방향에서의 빠른 온/오프 스위치 특성을 함께 유지할 수 있다.
N-에피택셜층(30)은 음극에 탄화규소를 도핑하여 형성될 수 있다. 이때, 탄화규소의 도핑 농도는 1 x 1015 cm-3 내지 10 x 1015 cm-3, 바람직하게는 3 x 1015 cm-3 내지 6 x 1015 cm-3, 가장 바람직하게는 5 x 1015 cm-3가 될 수 있다. 상기 범위에서, 본 발명의 효과가 잘 구현될 수 있고, 온도 탐지 소자의 온도 탐지 신뢰성을 높이는 효과가 있을 수 있다.
N-에피택셜층(30)의 두께는 1㎛ 내지 15㎛, 바람직하게는 10㎛ 내지 15㎛, 가장 바람직하게는 12㎛가 될 수 있다. 상기 범위에서, 본 발명의 효과가 잘 구현될 수 있다.
P+형 도핑 영역(40)은 N-에피택셜층(30) 내에 스퍼터링 등에 의한 이온 주입에 의해 부분적으로 형성될 수 있다. 일 구체예에서, N-에피택셜층(30)의 전체 폭에 대하여 P+형 도핑 영역(40)의 폭의 총 합의 비율(P+형 도핑 영역의 폭의 총 합/N-에피택셜층의 전체 폭)은 10% 내지 50%, 바람직하게는 20% 내지 40%가 될 수 있다. 상기 범위에서, 본 발명의 효과가 잘 구현될 수 있다.
P+형 도핑 영역(40)의 폭(L)은 1㎛ 내지 10㎛, 바람직하게는 1㎛ 내지 5㎛, 가장 바람직하게는 3㎛가 될 수 있다. 상기 범위에서, 본 발명의 효과가 잘 구현될 수 있다.
P+형 도핑 영역(40)의 두께는 1㎛ 내지 10㎛, 바람직하게는 1㎛ 내지 5㎛, 가장 바람직하게는 3㎛가 될 수 있다. 상기 범위에서, 본 발명의 효과가 잘 구현될 수 있다.
P+형 도핑 영역(40)은 알루미늄(Al)으로 형성될 수 있으며, 이때 도핑 농도는 1 x 1015cm-3 내지 10 x 1015 cm-3, 바람직하게는 3 x 1015 cm-3 내지 6 x 1015 cm-3, 가장 바람직하게는 5 x 1015 cm-3가 될 수 있다. 상기 범위에서, 본 발명의 효과가 잘 구현될 수 있다.
P+형 도핑 영역(40)은 N-에피택셜층(30)의 상층부에 이격되어 형성되어 있고 이때 P+형 도핑 영역(40) 간의 이격 거리(W)는 1㎛ 내지 10㎛, 바람직하게는 2㎛ 내지 6㎛, 가장 바람직하게는 4㎛가 될 수 있다. 상기 범위에서, 본 발명의 효과가 잘 구현될 수 있다.
P+형 도핑 영역(40)은 정사각형, 직사각형 등의 사각형 형상으로 제조될 수 있다.
양극(50)은 N-에피택셜층(30)의 상부면에 접촉하여 형성되며 음극(10)과는 달리 서로 이격되어 형성되어 있다. 음극(10)은 탄화규소 기반 N+ 기판(20)의 하부면에 하나의 층으로 탄화규소 N+ 기판(20)의 전면에 형성되어 있다. 양극(50)은 서로 이격(또는 분리)되어 형성됨으로써 전자의 흐름이 분리되어 흐를 수 있도록 하여, 본 발명의 효과 구현이 보다 용이해질 수 있다.
양극(50) 간의 이격 거리는 1㎛ 내지 10㎛, 바람직하게는 2㎛ 내지 6㎛, 가장 바람직하게는 4㎛가 될 수 있다. 상기 범위에서, 본 발명의 효과 구현이 보다 용이해질 수 있다.
1개의 양극(50)은 적어도 2개 이상, 바람직하게는 2개 내지 3개의 P+ 도핑 영역(40)과 접촉하여 형성될 수 있다. 이를 통해, 본 발명의 효과 구현이 보다 용이해질 수 있다.
1개의 양극(50)의 하부면은 N-에피택셜층과 접촉하여 형성되며 이때 1개의 양극의 하부면에는 N-에피택셜층의 P+형 도핑 영역과 N-에피택셜 영역이 반복적으로 형성되어 있을 수 있다. 이를 통해, 본 발명의 효과 구현이 용이해질 수 있다.
양극(50)은 당업자에게 알려진 통상의 물질로 제조될 수 있다. 예를 들면, 양극(50)은 니켈 등으로 형성될 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세하게 설명한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
실시예 1
니켈 음극의 상부면에 N+ 탄화규소 기판을 형성하였다. N+ 탄화규소 기판의 상부면에 탄화규소를 5 x 1015 cm-3의 도핑 농도로 도핑하여 탄화규소 기판의 N-에피택셜층(두께: 12㎛)을 형성하였다. N-에피택셜층 중 부분적으로 알루미늄 이온을 주입하여 P+ 도핑 영역을 서로 이격시켜 형성하였다. P+ 도핑 영역은 N-에피택셜층 내에 형성되어 있다. P+ 도핑 영역은 폭이 3㎛, P+ 도핑 영역 간의 이격 거리는 4㎛, N-에피택셜층 전체 폭 중 P+ 도핑 영역의 폭 전체의 비율은 10 내지 50%이었다. N-에피택셜층의 상부면에 니켈 소재의 양극을 서로 분리시켜 형성하여 도 1의 단면도를 갖는 온도 탐지 소자를 제조하였다.
비교예 1
니켈 음극의 상부면에 N+ 탄화규소 기판을 형성하였다. N+ 탄화규소 기판의 상부면에 탄화규소를 5 x 1015 cm-3의 도핑 농도로 도핑하여 탄화규소 기판의 N-에피택셜층(두께: 12㎛)을 형성하였다. N-에피택셜층의 상부면에 니켈 소재의 양극을 서로 분리시켜 도 2의 단면도를 갖는 온도 탐지 소자를 제조하였다. 도 2를 참조하면, 온도 탐지 소자는 음극(1), 탄화규소 기반 N+ 기판(2), 탄화규소 기반 N-에피택셜층(3), 양극(5)이 순차적으로 형성되어 있으며 쇼트키 배리어 다이오드에 기초한 것이다.
실시예 1과 비교예 1에서 제조한 온도 탐지 소자에 대하여 절대 온도 변화에 따른 민감도를 평가하였다. 그 결과를 도 3a, 도 3b에 나타내었다. 도 3a, 도 3b에서 온도 탐지 소자의 민감도는 S로 나타낼 수 있으며, S 값이 높을수록 민감도가 높음을 나타낸다. 도 3a, 도 3b에서 절대 온도 변화에 따른 VD2 - VD1의 변화를 보여주며 r은 ID2/ID1이다. VD2 - VD1은 다이오드의 전압 차이를 나타낸다. 실시예 1의 온도 탐지 소자가 비교예 1 대비 절대 온도의 변화에 따른 민감도가 높음을 알 수 있다.
실시예 1과 비교예 1에서 제조한 온도 탐지 소자에 대하여 온도 탐지 신뢰도와 온도 탐지 민감도를 평가하였다. 그 결과를 도 4에 나타내었다. 도 4에서 Coefficient of determination (R2) 는 온도 탐지 소자의 신뢰도를 평가하는 지표로써 온도가 상승함에 따라 온도 탐지 소자의 전류 값이 변화가 일정한 지를 보여줌. 해당 신뢰도의 최고값은 약 0.9995 값을 가지며 안정적으로 동작하는 것을 확인하였다. 또한 도 4의 Sensitivity (mV/K) 는 온도 민감도를 보여주는 것으로, 비교예 1의 온도 민감도(SSBD, 2.85 mV/K)와 비교하여 실시예 1의 온도 민감도(SJBS, 4.32 mV/K)는 약 51.6% 향상된 것을 나타내었다.
실시예 1과 비교예 1에서 제조한 온도 탐지 소자에 대하여 ideality factor와 barrier height를 평가하였다. 그 결과를 도 5에 나타내었다. 도 5에서 SBD는 비교예 1, JBS는 실시예 1을 나타낸다. 도 5를 참조하면, 실시예 1은 비교예 1 대비 ideality factor가 높고 barrier height도 높음을 알 수 있다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.
10: 음극 20: 탄화규소 기반 N+ 기판
30: 탄화규소 기반 N-에피택셜층, 40: P+형 도핑 영역
50: 양극

Claims (5)

  1. 음극(cathode), 상기 음극의 상부면에 형성된 탄화규소 기반 N+형 기판, 상기 탄화규소 기반 N+형 기판의 상부면에 형성된 탄화규소 기반 N-에피택셜층, 및 상기 탄화규소 기반 N-에피택셜층의 상부면에 형성된 양극(anode)을 구비하고,
    상기 N-에피택셜층은 상기 N-에피택셜층 내 및 상기 N-에피택셜층의 상층부에 P+형 도핑 영역이 부분적으로 주입되어 형성되어 있는 것인, 탄화규소 기반 온도 탐지 소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 탄화규소 기반 N-에피택셜층의 상층부는 상기 P+형 도핑 영역과 N-에피택셜 영역이 반복적으로 형성되어 있는 것인, 탄화규소 기반 온도 탐지 소자.
  3. 제1항에 있어서, 상기 P+형 도핑 영역은 상기 탄화규소 기반 N-에피택셜층에 알루미늄을 이온 주입을 통해 형성된 것인, 탄화규소 기반 온도 탐지 소자.
  4. 제1항에 있어서, 상기 양극은 서로 이격되어 형성된 것인, 탄화규소 기반 온도 탐지 소자.
  5. 제1항에 있어서, 상기 N-에피택셜층의 N-에피택셜 영역과 상기 P+ 영역 간에 정션 배리어 쇼트키(JBS) 다이오드를 형성하는 것인, 탄화규소 기반 온도 탐지 소자.

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