KR20230144086A - GaN on Si 전계 효과 트랜지스터들과 함께 측면으로 제작된 광전도성 반도체 스위치 - Google Patents
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Abstract
본 개시는 집적 회로 구조물에 관한 것으로, 상기 집적 회로 구조물은 상부 표면을 갖는 기판; 상기 기판의 상부 표면에 배치된 질화갈륨층; 및 상기 집적 회로 구조물에 통합된 질화갈륨층 상의 트랜지스터와 함께 측면으로 배치된 광전도성 반도체 스위치;를 포함하고, 이때 상기 광전도성 반도체 스위치 상에 재성장 질화갈륨 재료가 배치되고 웨이퍼와 작동가능하게 연결된다.
Description
본 개시는 개선된 질화갈륨(GaN) 집적 회로 기술, 특히 GaN 광전도성 반도체 스위치(photoconductive semiconductor switch, PCSS) 및/또는 광전도성으로 스위칭된 트랜지스터(photoconductively switched transistor)와 GaN 트랜지스터 및 수반되는 집적 회로 구조물을 모두 포함하는 구조물에 관한 것이다.
현재 온칩 GaN on Si 고전자이동도 트랜지스터(High Electron Mobility Transistor, HEMT) 스위치 및 RF 장치들은 전기 신호들을 통해 제어되고, 기존 반도체 장치 설계 및 제작의 제약들로 인해 제한된다. 예를 들어, 스위칭 속도는 장치의 기하학적 구조와 온-오프 전류 비율(on-off current ratio)에 제한된다. 또 다른 예시로는 장치의 항복 전압이 포함되는데, 이는 재해적 장치 고장이 발생하기 전에 장치가 처리할 수 있는 최대 전압이다. 이 전압은, 적용된 드레인 바이어스와 게이트에서 드레인까지의 거리의 함수인 드레인 측의 전계 피크가 재료의 항복 전장(breakdown field)을 초과하는 경우 HEMT 반도체 재료 및/또는 유전체의 항복에 의해 결정된다. 최신 기술 수준의 GaN HEMT 스위치들의 최대 작동 전압 - 작동은 항복 전압 미만의 안전한 작동 영역임 -은 약 650V이다. 광전도성 반도체 스위치(PCSS) 및 광전도성으로 스위칭된 트랜지스터는 금속 게이트들에 의해 적용되는 바이어스들 대신 빛에 의해 스위칭되는 고전압 스위칭 능력, 초고속 스위칭 속도, 또는 빠른 에너지 펄스를 제공하는 서로 다른 장치들이다. 따라서, 이들은 기존 GaN HEMT 스위치 및 RF 장치에 비해 작동 전압을 높일 수 있는 가능성을 제공한다.
또한, 기존 GaN PCSS 구조물은 비평면 리프트오프(liftoff) 기반 처리를 통해 제작된 독립형 장치로, 와이어 본딩 또는 회로 기판 설계를 통해 더 큰 모듈의 일부로 트랜지스터, 집적 회로(IC), 및 광원(예를 들어, 레이저 및 발광 다이오드)과 연결된다.
최대 성능과 기능 밀도(functional density)를 위해 필요한 것은 콤팩트한 통합 광전도성 반도체 스위치와 광전도성으로 스위칭된 트랜지스터이다.
본 개시에 따르면, 집적 회로 구조물이 제공되며, 상기 집적 회로 구조물은 상부 표면을 갖는 기판; 상기 기판의 상부 표면에 배치되어 있는 질화갈륨층 - 이때 상기 기판과 상기 질화갈륨층은 웨이퍼를 포함함 -; 및 상기 집적 회로 구조물에 통합된 질화갈륨층 상의 트랜지스터와 함께 측면으로 배치된 광전도성 반도체 스위치;를 포함하고; 이때 상기 광전도성 반도체 스위치 상에 재성장 질화갈륨 재료가 배치되고 웨이퍼와 작동가능하게 연결된다.
전술한 구현예들 중 어느 것의 추가 구현예는 추가로 및/또는 대안적으로 상기 기판이 규소 재료 및 탄화규소 재료 중 적어도 하나를 포함하는 것을 포함할 수 있다.
전술한 구현예들 중 어느 것의 추가 구현예는 추가로 및/또는 대안적으로 상기 트랜지스터가 전계 효과 트랜지스터를 포함하는 것을 포함할 수 있다.
전술한 구현예들 중 어느 것의 추가 구현예는 추가로 및/또는 대안적으로 상기 광전도성 반도체 스위치가 GaN층 상에 배치된 제1 전기 접점 및 제2 전기 접점을 포함하는 것을 포함할 수 있다.
전술한 구현예들 중 어느 것의 추가 구현예는 추가로 및/또는 대안적으로 상기 광전도성 반도체 스위치가 실리콘 웨이퍼 상의 질화갈륨 상에 배치된 알루미늄 갈륨 질화물층을 포함하고; 상기 제1 전기 접점 및 상기 제2 전기 접점은 상기 웨이퍼의 질화갈륨층 상의 측면으로 배열된 오프메사(off-mesa)이며, 이때 재성장 질화갈륨 재료가 상기 제1 전기 접점 및 상기 제2 전기 접점 각각의 위에 증착되고, 상기 제1 전기 접점과 상기 제2 전기 접점 사이의 질화갈륨 상에 배치된다는 것을 포함할 수 있다.
전술한 구현예들 중 어느 것의 추가 구현예는 추가로 및/또는 대안적으로 상기 재성장 질화갈륨 재료 및 상기 질화갈륨층 중 적어도 하나가 광전도성 회로를 형성한다는 것을 포함할 수 있다.
전술한 구현예들 중 어느 것의 추가 구현예는 추가로 및/또는 대안적으로 상기 광전도성 반도체 스위치가 실리콘 웨이퍼 상의 질화갈륨 상에 배치된 알루미늄 갈륨 질화물층; 상기 알루미늄 갈륨 질화물층 상에 배치되는 온메사(on-mesa)인 제1 전기 접점 및 제2 전기 접점 - 여기에 AlGaN-GaN 2차원 전자 가스 인터페이스가 존재함 -; AlGaN층에 에칭된 윈도우(window); 및 상기 윈도우에 증착된 재성장 GaN층;을 포함하는 것을 포함할 수 있다.
전술한 구현예들 중 어느 것의 추가 구현예는 추가로 및/또는 대안적으로 재성장 GaN 층이 윈도우의 노출된 질화갈륨층 상에 배치된다는 것을 포함할 수 있다.
전술한 구현예들 중 어느 것의 추가 구현예는 추가로 및/또는 대안적으로 광전도성 반도체 스위치의 제1 전기 접점 및 제2 전기 접점과 트랜지스터를 각각 절연하도록 구성된 투과성(transparent) 이산화규소 유전체 절연층을 더 포함하는 집적 회로 구조물을 포함할 수 있다.
전술한 구현예들 중 어느 것의 추가 구현예는 추가로 및/또는 대안적으로 광전도성 반도체 스위치에 광학적으로 연결된 광원을 더 포함하는 집적 회로 구조물을 포함할 수 있다.
전술한 구현예들 중 어느 것의 추가 구현예는 추가로 및/또는 대안적으로 상기 광전도성 반도체 스위치와 상기 트랜지스터가 각각 개별적으로 또는 상호의존적으로 사용되도록 구성된다는 것을 포함할 수 있다.
전술한 구현예들 중 어느 것의 추가 구현예는 추가로 및/또는 대안적으로 광전도성 반도체 스위치가 실리콘 웨이퍼 상의 질화갈륨 상의 트랜지스터와 균일하게 통합되고, 트랜지스터를 제어하도록 구성된다는 것을 포함할 수 있다.
전술한 구현예들 중 어느 것의 추가 구현예는 추가로 및/또는 대안적으로 광전도성 반도체 스위치가 실리콘 웨이퍼 상의 질화갈륨 내의 트랜지스터와 균일하게 통합되고 트랜지스터에 의해 제어되도록 구성된다는 것을 포함할 수 있다.
전술한 구현예들 중 어느 것의 추가 구현예는 추가로 및/또는 대안적으로 유전체와 중간층이 광전도성 반도체 스위치를 트리거하는 데 사용되는 광원에 대해 투과성인 것을 포함할 수 있다.
GaN on Si 이종 기술(GaN on Si heterogeneous technology)에 대한 다른 세부사항들은 하기 상세한 설명과 첨부된 도면들에 기재되어 있으며, 여기서 유사한 참조번호는 유사한 요소를 나타낸다.
도 1은 예시적인 측면 집적 회로 구조물의 단면 개략도이다.
도 2는 예시적인 GaN PCSS의 단면 개략도이다.
도 3은 예시적인 GaN PCSS의 단면 개략도이다.
도 2는 예시적인 GaN PCSS의 단면 개략도이다.
도 3은 예시적인 GaN PCSS의 단면 개략도이다.
도 1을 참조하면, 측면 집적 회로 구조물(10)이 도시되어 있다. 측면 집적 회로 구조물(10)은 각각 공통 기판(16) 상에 측면으로 통합되고 지지되는 PCSS(14)와 전기적으로 연결된 트랜지스터(12)를 포함한다. 트랜지스터(12)는 FET, 예를 들어, GaN 트랜지스터, Si 트랜지스터, 및 수반되는 집적 회로 구조물일 수 있다. PCSS(14)는 GaN PCSS를 포함할 수 있다. 기판(16)은 규소(Si) 또는 탄화규소(SiC) 재료를 포함할 수 있다. 기판(16)은 상부 표면(18)을 포함한다.
기판(16)의 상부 표면(18) 상에 질화갈륨(GaN)층이 배치되어 Si 웨이퍼(22) 상에 GaN을 형성한다. GaN층(20)은 트랜지스터(12)와 PCSS(14)가 측면으로 통합되고 동일한 집적 회로에 통합되도록 트랜지스터(12)와 PCSS(14)를 직렬로 지지한다.
FET(12)는 GaN층(20) 상에 배치된 알루미늄 갈륨 질화물(AlGaN)층(24)을 포함한다. FET(12)는 FET(12)의 드레인 D, 게이트 G, 및 소스 S 각각에 근접한 AlGaN층(24) 상에 배치된 질화규소 유전체(SiN/유전체)층(26)을 포함한다. 이산화규소 유전체(SiO2/유전체)층(28)은 트랜지스터(12) 회로뿐만 아니라 중간층(30), 여기서는 예를 들어 SiNx, 및 이산화규소 유전체층(28) 내에 배치된 전도성 상호연결부(31)를 절연한다. 유전체(28, 26) 및 중간층(30)은 PCSS(14) 전도 경로를 트리거하는 데 사용되는 광원(32)에 대해 투과성일 수 있다. 예시적인 구현예에서, 유전체층 또는 중간층이 투과성이 아닌 경우, 광 투과를 허용하기 위해 필름에서 윈도우가 개방될 수 있다.
PCSS(14)는 GaN층 상에 배치된 제1 전기 접점(34)(PCSS-1) 및 제2 전기 접점(36)(PCSS-2)을 포함할 수 있다. 예시적인 구현예에서, 이산화규소 유전체층(28)은 광전도성 반도체 스위치(14)의 제1 전기 접점(34)과 제2 전기 접점(36) 각각을 절연한다. 예시적인 구현예에서, 유전체층(28)은 질화규소 또는 이산화규소 재료 등일 수 있다. 다른 예시적인 구현예에서, 제1 전기 접점(34) 및 제2 전기 접점(36)은 유전 절연체(dielectric insulation)를 갖지 않는다. 광전도성 반도체 스위치(14)는 일반적으로 저항성이 매우 높은, 여기서는 예를 들어 의도하지 않게 도핑되거나 탄소 또는 철과 같은 깊은 레벨로 도핑된 반도체 재료(예컨대 GaN) 영역이다. 이를 통해 상기 재료는 매우 낮은 누설로 상당한 양의 전압을 차단할 수 있다. 그러나, 밴드 갭 에너지보다 높거나 그 근처의 에너지를 갖는 광원(32)으로 조명될 때, 과다한 여기 캐리어들이 생성된다. 이러한 여기 캐리어들은 이제 스위칭에 사용되는 낮은 저항 전도 경로를 형성한다. PCSS(14)는 고전압 스위칭 능력, 초고속 스위칭 속도, 또는 빠른 에너지 펄스를 제공한다. 트랜지스터(12)에 대한 입력 전압은 PCSS(14)의 온-오프 상태에 의해 제어되거나 또는 그 반대로 제어될 수 있다.
도 2, 및 도 3을 또한 참조하면, GaN PCSS(14)는 웨이퍼(22) 상에 다양한 방식으로 제작될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 예시적인 구현예에서, PCSS(14)는 웨이퍼(22)를 포함하는 기판(16) 상에 배치된 GaN층(20)을 갖는 기판(16)을 포함할 수 있다. 제1 전기 접점(34) 및 제2 전기 접점(36)은 웨이퍼(22)의 GaN층(20) 상에 측면으로 배열된 오프메사이다. 재성장 GaN 재료(40)는 재성장 GaN(40) 및/또는 GaN층(20)이 광전도성 회로(42)를 형성하도록 제1 전기 접점(34)과 제2 전기 접점(36) 각각의 위에 그리고 제1 전기 접점(34)과 제2 전기 접점(36) 사이의 질화갈륨층(20) 위에 증착된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 예시적인 구현예에서, PCSS(14)는 웨이퍼(22)를 포함하는 기판(16) 상에 배치된 GaN층(20)을 갖는 기판(16)을 포함할 수 있다. 제1 전기 접점(34) 및 제2 전기 접점(36)은 AlGaN-GaN 2차원 인터페이스(2DEG 인터페이스)가 존재하도록 AlGaN층(24) 상에 배치되는 온메사(on-mesa)이다. AlGaN층(24)은 에칭되어 2DEG층(24)에 GaN 윈도우(38)를 형성할 수 있다. 재성장 GaN(40)은 게이트 금속(미도시) 대신 윈도우(38)에 증착될 수 있다. 재성장 GaN(40)은 AlGaN층(24)에서 에칭된 윈도우(38) 내의 노출된 GaN층(20) 상에 형성된다.
본 개시는 트랜지스터들 및 광원들과 모놀리식으로 또는 웨이퍼 대 웨이퍼 본딩 또는 다이 스태킹을 통해 통합된 광전도성 반도체 스위치들 및 광전도성으로 스위칭된 트랜지스터들을 제공한다. 이를 달성하려면 절삭 평면 가공(subtractive planar processing) 기술이 필요하다.
본 개시의 기술적 이점은 광학 게이트 스위치(optically gated switch)의 고유한 고전압 능력과 빠른 응답 시간을 활용할 수 있도록 GaN on Si 공정 흐름에 광학 게이트 스위치를 직접 통합시키는 것을 포함한다.
본 개시의 또 다른 기술적 이점은 GaN on Si 트랜지스터 장치와 GaN PCSS 장치를 둘 다 포함하는 단일 칩/웨이퍼를 포함하는 구조물을 포함하며, 여기서 최종 장치는 개별적으로 또는 상호의존적으로 사용되는 GaN 트랜지스터, Si 트랜지스터, 및 GaN PCSS의 기능을 갖는다.
본 개시의 또 다른 기술적 이점은 동일한 웨이퍼에 균일하게 통합된 GaN 플러스 Si 장치를 제어하거나 이에 의해 제어되는 PCSS 장치를 포함한다.
본 개시의 또 다른 기술적 이점은 독립적으로 또는 결합된 재성장 AlGaN/GaN을 갖는 AlGaN/GaN 기반 기판; 또는 감광성 AlGaN/GaN 재료의 좁은 영역에 의해 연결된 AlGaN/GaN 2DEG과 같은, 광전도성 재료에 대한 다중 옵션을 갖는 구조물을 포함한다.
본 개시의 또 다른 기술적 이점은 기판의 에피택셜 GaN과 독립적으로 구성 및 조정될 수 있는 재성장 AlGaN/GaN을 포함한다. 구성 및 조정 파라미터에는 기하학적 구조/두께, 도핑, 및 농도/화학양론이 포함될 수 있다.
본 개시의 또 다른 기술적 이점은 GaN PCSS를 제작하는 방법이 Si 파운드리의 전통적인 기술을 사용하는, 층 절삭에 기반할 수 있다는 것을 포함한다.
본 개시의 또 다른 기술적 이점은 GaN PCSS와 GaN/Si 트랜지스터가 둘 다 동일한 처리 단계들을 사용하여 동시에 제작된다는 것을 포함한다.
본 개시의 또 다른 기술적 이점은, 독립형 GaN on Si 또는 독립형 PCSS 장치에서 사용되지 않을 층들 및 구조물을 사용하기 때문에 사소하지 않은 추가로서 Si 장치 상의 GaN에 PCSS를 추가하는 것을 포함한다.
본 개시의 또 다른 기술적 이점은 2DEG 층이, GaN on Si 장치에서와 달리, 관통하여 완전히 리세스(recess)되어야 한다는 것을 포함한다.
본 개시의 또 다른 기술적 이점은 일반적인 PCSS 장치들과 달리, 감광성에 최적화된 벌크 기판이 아니라 AlGaN/GaN 고전자이동도 트랜지스터(HEMPT) epi 기판이 사용된다는 것을 포함한다.
GaN on Si 이종 기술이 제공되었다. GaN on Si 이종 기술이 이의 특정 구현예들의 맥락에서 설명되었지만, 전술한 설명을 읽은 당업자에게는 예상치 못한 다른 대안, 수정, 및 변형이 명백할 수 있다. 따라서, 첨부된 청구범위의 넓은 범위에 속하는 대안, 수정, 및 변형을 포괄하는 것으로 의도된다.
Claims (14)
- 집적 회로 구조물로서, 상기 집적 회로 구조물은,
상부 표면을 갖는 기판;
상기 기판의 상부 표면 상에 배치된 질화갈륨층 - 이때 상기 기판과 상기 질화갈륨층은 웨이퍼를 포함함 -; 및
상기 집적 회로 구조물에 통합된 상기 질화갈륨층 상의 트랜지스터와 함께 측면으로 배치된 광전도성 반도체 스위치;를 포함하고,
상기 광전도성 반도체 스위치 상에 재성장 질화갈륨 재료가 배치되고 상기 웨이퍼와 작동가능하게 연결되는 것인, 집적 회로 구조물. - 제1항에 있어서, 상기 기판은 규소 재료 및 탄화규소 재료 중 적어도 하나를 포함하는 것인, 집적 회로 구조물.
- 제1항에 있어서, 상기 트랜지스터는 전계 효과 트랜지스터를 포함하는 것인, 집적 회로 구조물.
- 제1항에 있어서, 상기 광전도성 반도체 스위치는 GaN층 상에 배치된 제1 전기 접점과 제2 전기 접점을 포함하는 것인, 집적 회로 구조물.
- 제4항에 있어서, 상기 광전도성 반도체 스위치는 실리콘 웨이퍼 상의 질화갈륨 상에 배치된 알루미늄 갈륨 질화물층을 포함하고; 상기 제1 전기 접점 및 상기 제2 전기 접점은 상기 웨이퍼의 질화갈륨층 상의 측면으로 배열된 오프메사(off-mesa)이며, 이때 재성장 질화갈륨 재료가 상기 제1 전기 접점 및 상기 제2 전기 접점 각각의 위에 증착되고, 상기 제1 전기 접점과 상기 제2 전기 접점 사이의 질화갈륨 상에 배치되는 것인, 집적 회로 구조물.
- 제5항에 있어서, 상기 재성장 질화갈륨 재료와 상기 질화갈륨층 중 적어도 하나는 광전도성 회로를 형성하는 것인, 집적 회로 구조물.
- 제4항에 있어서, 상기 광전도성 반도체 스위치는 실리콘 웨이퍼 상의 질화갈륨 상에 배치된 알루미늄 갈륨 질화물층; 상기 알루미늄 갈륨 질화물층 상에 배치되는 온메사(on-mesa)인 상기 제1 전기 접점 및 상기 제2 전기 접점 - 여기에 AlGaN-GaN 2차원 전자 가스 인터페이스가 존재함 -; AlGaN층에 에칭된 윈도우(window); 및 상기 윈도우에 증착된 재성장 GaN층을 포함하는 것인, 집적 회로 구조물.
- 제7항에 있어서, 상기 재성장 GaN층은 상기 윈도우 내의 노출된 질화갈륨층 상에 배치되는 것인, 집적 회로 구조물.
- 제1항에 있어서, 상기 집적 회로 구조물은,
상기 광전도성 반도체 스위치의 제1 전기 접점 및 제2 전기 접점과 상기 트랜지스터를 각각 절연하도록 구성된 투과성(transparent) 이산화규소 유전체 절연층;을 더 포함하는, 집적 회로 구조물. - 제1항에 있어서, 상기 집적 회로 구조물은,
상기 광전도성 반도체 스위치에 광학적으로 연결된 광원;을 더 포함하는, 집적 회로 구조물. - 제1항에 있어서, 상기 광전도성 반도체 스위치와 상기 트랜지스터는 각각 개별적으로 또는 상호의존적으로 사용되도록 구성되는 것인, 집적 회로 구조물.
- 제1항에 있어서, 상기 광전도성 반도체 스위치는 실리콘 웨이퍼 상의 질화갈륨 상의 상기 트랜지스터와 균일하게 통합되고, 상기 트랜지스터를 제어하도록 구성되는 것인, 집적 회로 구조물.
- 제1항에 있어서, 상기 광전도성 반도체 스위치는 실리콘 웨이퍼 상의 질화갈륨에 있는 상기 트랜지스터와 균일하게 통합되고, 상기 트랜지스터에 의해 제어되도록 구성되는 것인, 집적 회로 구조물.
- 제1항에 있어서, 유전체 및 중간층은 상기 광전도성 반도체 스위치를 트리거하는 데 사용되는 광원에 대해 투과성인 것인, 집적 회로 구조물.
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