WO2016208864A1 - Nitride-based transistor for implementing normally-off - Google Patents

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layer
nitride
semiconductor
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타케야모토노부
요코가와도시야
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서울반도체 주식회사
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    • H01L29/76Unipolar devices, e.g. field effect transistors
    • H01L29/772Field effect transistors
    • H01L29/778Field effect transistors with two-dimensional charge carrier gas channel, e.g. HEMT ; with two-dimensional charge-carrier layer formed at a heterojunction interface

Definitions

  • This disclosure relates generally to nitride-based transistors, and more particularly to nitride-based transistors that implement a normally-off.
  • a gallium nitride transistor using a recently developed III-V semiconductor material is capable of high-speed switching operation as compared with a conventional silicon transistor, and is suitable not only for ultra-high speed signal processing but also for high voltage It has attracted the attention of the industry due to its applicability.
  • Such a gallium nitride-based transistor can be manufactured in a horizontal structure or a vertical structure.
  • the horizontal structure means a structure in which the charge conduction from the source electrode layer to the drain electrode layer is formed in the lateral direction and generally has a structure in which the source electrode layer, the gate electrode layer, and the drain electrode layer are disposed on the same surface of the substrate .
  • a vertical structure recently appeared means a structure in which charge conduction from the source electrode layer to the drain electrode layer is made in the vertical direction, and the structure disclosed in U.S. Patent Publication No. 2012-0319127 A Current Aperture Vertical Electron Transistor (CAVET) can be presented as an example.
  • CAVET Current Aperture Vertical Electron Transistor
  • the source electrode layer and the drain electrode layer are arranged to face each other in the vertical direction, and a p-type gallium nitride (p-GaN) layer is disposed as a current barrier layer therebetween. Then, the current flows vertically from the source electrode layer to the drain electrode layer through the aperture provided by the p-type gallium nitride (p-GaN) layer.
  • p-GaN p-type gallium nitride
  • Embodiments of the present disclosure provide a structure of a nitride-based transistor that reliably implements a normally-off state.
  • the embodiment of the present disclosure provides a structure of a nitride-based transistor capable of improving the electric conductivity of a channel layer at the time of turning on.
  • a nitride-based transistor implementing a normally-off includes: an n-type doped first nitride based first semiconductor layer grown on an m-plane; An insulating second nitride based second semiconductor layer disposed on the first semiconductor layer; And a gate electrode layer disposed on the second semiconductor layer.
  • the first semiconductor layer and the second semiconductor layer have different energy band gaps.
  • a nitride-based transistor implementing a normally-off comprises: an n-type doped first nitride based first semiconductor layer grown on a c-plane; A p-type doped first nitride based second semiconductor layer disposed on the first semiconductor layer; A first nitride based third semiconductor layer disposed along the inner wall of the trench passing through the second semiconductor layer to reach the inside of the first semiconductor layer and disposed on the second semiconductor layer outside the trench; An insulating second nitride-based fourth semiconductor layer disposed on the third semiconductor layer inside and outside the trench; And a gate electrode layer disposed on the fourth semiconductor layer.
  • the third semiconductor layer and the fourth semiconductor layer have different energy band gaps.
  • a nitride-based transistor can be manufactured using the first nitride-based semiconductor layer grown on the m-plane as a conductive layer.
  • spontaneous polarization in the first nitride semiconductor layer can be suppressed.
  • formation of a charge high-conductivity layer such as a 2DEG layer due to various polarization phenomena can be effectively suppressed in the junction interface region with the second nitride-based semiconductor layer having different energy bandgaps.
  • the normally-off state can be effectively realized.
  • a nitride-based transistor can be manufactured using the first nitride-based semiconductor layer grown on the c-plane as a conductive layer.
  • the 2DEG layer can be formed in the junction interface region with the second nitride-based semiconductor layer having a different energy bandgap.
  • a trench can be formed in the first nitride based semiconductor layer and a channel layer can be formed in the first nitride based semiconductor layer in a direction parallel to the side wall of the trench.
  • the direction parallel to the sidewalls of the trench is perpendicular to the c-plane, and polarization can be suppressed at the interface between the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer.
  • the formation of the 2DEG layer can be suppressed.
  • the normally-off state can be effectively realized.
  • a 2DEG layer is formed in the interface region of the first and second nitride based semiconductor layers except the channel layer at the time of turning on, thereby increasing the amount of charge supplied to the channel layer and increasing the amount of current flowing through the channel layer .
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a nitride-based transistor implementing a normally-off according to the first embodiment of the present disclosure
  • FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a nitride-based transistor implementing a normally-off according to a second embodiment of the present disclosure
  • 3A-3F are cross-sectional views schematically illustrating a method of manufacturing a nitride-based transistor implementing a normally-off according to one embodiment of the present disclosure.
  • 4A through 4H are cross-sectional views schematically illustrating a method of manufacturing a nitride-based transistor implementing a normally-off according to another embodiment of the present disclosure.
  • 5A and 5B are cross-sectional views schematically illustrating a nitride-based transistor implementing a normally-off according to a third embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing a nitride-based transistor implementing a normally-off according to the fourth embodiment of the present disclosure
  • the source electrode layer and the drain electrode layer are referred to for convenience in consideration of the direction of current.
  • the source electrode layer becomes a drain electrode layer, It may mean an electrode layer.
  • the interfacial region between one thin film layer and another thin film layer is interpreted to include not only the interface between one thin film layer and another thin film layer but also an inner region of a predetermined depth from the surface of one thin film layer or another thin film layer adjacent to the interface .
  • the nitride-based semiconductor layer or the nitride-based material layer may include a nitride such as AlxInyGa1-x-yN (0? X? 1, 0? Y?
  • the nitride-based semiconductor layer or the nitride-based material layer may be formed by, for example, metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), molecular beam epitaxy (MIB), hydride vapor phase epitaxy And the like can be used to form the epitaxial film.
  • MOCVD metal organic chemical vapor deposition
  • MIB molecular beam epitaxy
  • the method of forming the epitaxial layer is an example and may be performed at a temperature of 1000 ° C to 1100 ° C.
  • the n-type or p-type doping implies that the n-type dopant is doped into the nitride-based semiconductor layer or the nitride-based material layer by about 1E16 / cm 3 or more and the p-type dopant is doped with 1E17 / cm 3 or more can do.
  • the expression 'doping with a high concentration of n-type' means that the n-type dopant is doped into the nitride-based semiconductor at a concentration of about 1E19 / cm 3 or more.
  • nitride-based semiconductor layer into n-type or p-type for example, when doping to the n-type, silicon (Si), germanium (Ge), selenium (Se), tellurium Te, etc. may be applied.
  • silicon (Si), germanium (Ge), selenium (Se), tellurium Te, etc. may be applied.
  • beryllium (Be), magnesium (Mg), calcium (Ca), carbon (C), iron (Fe), manganese can do.
  • the nitride based semiconductor layer can grow on the c-plane or the m-plane.
  • the nitride-based semiconductor layer is a GaN layer and the GaN layer is grown on the c-plane
  • the GaN layer is alternately stacked with the Ga layer and the N layer along the height direction (i.e., the direction perpendicular to the c- Structure.
  • the m-plane may mean a plane substantially perpendicular to the c-plane.
  • a unit GaN layer in which Ga and N coexist can be stacked in a multi- have.
  • the nitride-based transistor 10 includes an n-type doped first nitride based first semiconductor layer 110 grown on an m-plane, and an insulating second nitride layer 110 disposed on the first semiconductor layer 110.
  • the first semiconductor layer 110 and the second semiconductor layer 120 may have different energy band gaps.
  • the y direction in Fig. 1 is set to a direction perpendicular to the m-plane.
  • the nitride-based transistor 110 includes a p-type doped third semiconductor layer 140 disposed in the first semiconductor layer 110 and a source electrode layer 150 disposed on the third semiconductor layer 140 .
  • the third semiconductor layer 140 may be disposed in contact with the first semiconductor layer 110 in the lateral direction of the gate electrode layer 130.
  • the nitride-based transistor 110 includes an n-type doped first nitride based fourth semiconductor layer 160 disposed on the lower surface of the first semiconductor layer 110 and the third semiconductor layer 140, A first n-type doped first nitride semiconductor layer 170 disposed on the lower surface of the first semiconductor layer 160 and a drain electrode layer 180 disposed on the lower surface of the fifth semiconductor layer 170. Drain electrode layer 180 may form an ohmic contact with the fifth semiconductor layer 170.
  • the first connection pattern layer 141 may be disposed on the third semiconductor layer 140.
  • the first connection pattern layer 141 may be doped with a high concentration n-type and may form ohmic junctions with the first semiconductor layer 110 and the source electrode layer 150, respectively.
  • the first connection pattern layer 141 may be formed by count doping the third semiconductor layer 140 doped with p-type.
  • the source electrode layer 150 may be electrically connected to the first semiconductor layer 110 through the first connection pattern layer 141.
  • a second connection pattern layer 142 formed on the third semiconductor layer 140 and surrounded by the source electrode layer 142 may be disposed.
  • the second connection pattern layer 142 may form an ohmic contact with the third semiconductor pattern layer 140.
  • the second connection pattern layer 142 may be formed of a metal or an alloy.
  • the second connection pattern layer 142 may be electrically connected to the source electrode layer 150.
  • the first semiconductor layer 110 may be an n-type doped GaN layer
  • the second semiconductor layer 120 may be an AlGaN layer
  • the third semiconductor layer 130 may be a p-type doped GaN layer .
  • the first and third semiconductor layers 110 and 130 may grow on the m-plane.
  • the content of Al may be about 10 to 50 atomic%.
  • the fourth semiconductor layer 160 may be an n-type doped GaN layer
  • the fifth semiconductor layer 170 may be a n-type doped GaN layer having a high concentration.
  • the fourth semiconductor layer 160 and the fifth semiconductor layer 170 may be GaN layers grown in the m-plane.
  • the fifth semiconductor layer 170 may be a high-concentration n-type doped GaN substrate having an m-plane as an upper surface.
  • the first connection pattern layer 141 may be a high concentration n-type doped GaN layer.
  • the second connection pattern layer 142 may include a metal such as nickel (Ni) and gold (Au).
  • the second connection pattern layer 130 may have a structure in which a nickel (Ni) layer and a gold (Au) layer are sequentially stacked.
  • the source electrode layer 150 and the drain electrode layer 180 may include a metal such as nickel (Ni), gold (Au), titanium (Ti), and aluminum (Al) As a specific example, the source electrode layer 150 and the drain electrode layer 180 may have a structure in which an aluminum (Al) layer and a gold (Au) layer are sequentially stacked.
  • the gate electrode layer 130 may include a metal such as nickel (Ni), gold (Au), titanium (Ti), and aluminum (Al) As a specific example, the gate electrode layer 130 may have a structure in which a nickel (Ni) layer and a gold (Au) layer are sequentially stacked.
  • the second semiconductor layer 120 may function as a gate dielectric layer at the bottom of the gate electrode layer 130.
  • the AlGaN layer may not be intentionally doped.
  • the AlGaN layer may be doped with at least one of iron (Fe), carbon (C), and magnesium (Mg).
  • a depletion layer formed by the PN junction at the interface between the first semiconductor layer 110 and the third semiconductor layer 140 in the turn-off state is formed inside the first semiconductor layer 110 Can be filled.
  • the electrons supplied from the source electrode layer 150 through the first connection pattern layer 141 are trapped by the depletion layer and the electrons supplied to the drain electrode layer 180 via the fourth and fifth semiconductor layers 160 The charge transfer can be suppressed. That is, when the voltage lower than the threshold voltage is maintained in the gate electrode layer 130, the nitride-based transistor 10 can maintain the normally-off state.
  • the nitride-based transistor 10 When an operation voltage equal to or higher than the threshold voltage is applied to the gate electrode layer 130, the nitride-based transistor 10 can be turned on. At this time, the depletion layer under the gate electrode layer 130 is removed, so that the charge conductivity of the first semiconductor layer 110 can be restored. A conductive channel is formed due to the recovered charge conductivity and the source electrode layer 150, the first connection pattern layer 141, the first semiconductor layer 110, the fourth semiconductor layer 160, the fifth semiconductor layer 170 To reach the drain electrode layer 180 can be formed. As a result, electric current is conducted between the source electrode layer 150 and the drain electrode layer 170.
  • a nitride semiconductor layer having a different energy band gap from the first semiconductor layer 110 may be used as the second semiconductor layer 120 serving as a gate dielectric layer.
  • the difference in lattice constant at the interface between the gate dielectric layer 120 and the first semiconductor layer 110 can be relatively reduced by applying a nitride based semiconductor layer instead of using a silicon oxide film or a silicon nitride film as the gate dielectric layer 120. [ As shown in FIG. Accordingly, the impurity density existing at the interface between the gate dielectric layer 120 and the first semiconductor layer 110 can be reduced, thereby realizing the channel ON / OFF operation of the nitride-based transistor more reliably.
  • the first nitride based first semiconductor layer 110 grown on the m-plane is arranged to be bonded to the second nitride based second semiconductor layer 120, so that the nitride based system having the different energy bandgap Generation of spontaneous polarization or piezoelectric polarization in the interface region of the semiconductor layer can be suppressed.
  • the formation of the 2DEG layer in the interface region of the first nitride based first semiconductor layer 110 and the second nitride based second semiconductor layer 120 can be suppressed. Accordingly, charge can be prevented from moving through the 2DEG layer in the turn-off state, and the normally-off characteristic of the nitride-based transistor can be reliably realized.
  • the nitride-based transistor 20 includes a gate insulating layer 235 disposed between the second semiconductor layer 120 and the gate electrode layer 130, The structure of the nitride-based transistor 10 is substantially the same.
  • the gate dielectric layer 235 may comprise, by way of example, silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride.
  • the gate dielectric layer 235 can more reliably realize the conductive channel forming operation by the gate electrode layer 130 together with the second semiconductor layer 120.
  • 3A-3F are cross-sectional views schematically illustrating a method of manufacturing a nitride-based transistor implementing a normally-off according to one embodiment of the present disclosure.
  • a high concentration n-type doped first nitride based first material layer 310 is prepared.
  • the first material layer 310 may grow on the m-plane.
  • the first material layer 310 may be a GaN substrate having an m-plane as an upper surface.
  • a first nitride based second material layer 320 doped with n-type is formed on the first material layer 310.
  • the second material layer 320 may grow on the m-plane of the first material layer 310. Accordingly, the second material layer 320 may be formed in a direction perpendicular to the m-plane.
  • a p-type doped first nitride based third material layer 330 is formed on the second material layer 320.
  • the third material layer 330 may grow on the m-plane of the second material layer 320. Accordingly, the third material layer 330 may be formed in a direction perpendicular to the m-plane.
  • an n-type dopant is selectively implanted into the third material layer 330 to form a first n-type doped first connection pattern layer 340 having a high concentration.
  • the third material layer 330 is patterned to form a third material pattern layer 335 including the first connection pattern layer 340 therein.
  • an n-type doped first nitride based fourth material layer 350 is formed on the second material layer 320 so as to burie the third material pattern layer 335.
  • the fourth material layer 350 may be formed by growing in the height direction on the m-plane.
  • an insulating second nitride-based fifth material layer 360 is formed on the fourth material layer 350.
  • the second nitride based fifth material layer 360 has a different energy band gap from the fourth material layer 350.
  • the first nitride based first to fourth material layers 310, 320, 330, 350 may be a GaN layer and the second nitride based material layer 360 may be an AlGaN layer.
  • the AlGaN layer is not intentionally doped or the AlGaN layer is doped with at least one of iron (Fe), carbon (C), and magnesium (Mg).
  • a trench 370 is formed by sequentially patterning the fifth material layer 360 and the fourth material layer 350 to expose the first connection pattern layer 340 and the third material pattern layer 335, .
  • a second connection pattern layer 375 is formed on the third material pattern layer 335 in the trench 370.
  • the second connection pattern layer 375 may form an ohmic contact with the third material pattern layer 335.
  • the second connection pattern layer 375 may include a metal such as nickel (Ni) and gold (Au) as an example.
  • the second connection pattern layer 375 may have a structure in which a nickel (Ni) layer and a gold (Au) layer are sequentially stacked.
  • the gate electrode layer 380 may include a metal such as nickel (Ni), gold (Au), titanium (Ti), and aluminum (Al)
  • the gate electrode layer 130 may have a structure in which a nickel (Ni) layer and a gold (Au) layer are sequentially stacked.
  • a source electrode layer 390 covering the second connection pattern layer 375 in the trench 370 is formed.
  • the source electrode layer 390 may form an ohmic contact with the first connection pattern layer 340.
  • the source electrode layer 390 may include a metal such as nickel (Ni), gold (Au), titanium (Ti), and aluminum (Al)
  • the source electrode layer 150 and the drain electrode layer 180 may have a structure in which an aluminum (Al) layer and a gold (Au) layer are sequentially stacked.
  • a drain electrode layer 305 can be formed on the lower surface of the first material layer 310.
  • the drain electrode layer 305 may include a metal such as nickel (Ni), gold (Au), titanium (Ti), and aluminum (Al)
  • the source electrode layer 150 and the drain electrode layer 180 may have a structure in which an aluminum (Al) layer and a gold (Au) layer are sequentially stacked.
  • a nitride-based transistor implementing the normally-off can be manufactured.
  • the manufacturing method of Figs. 3A to 3F can be applied to the manufacturing method of the nitride-based transistors 10 and 20 described above with reference to Figs.
  • a layer of dielectric material which acts as a gate dielectric layer, is added between the gate electrode layer 380 and the fifth material layer 360, when forming the gate electrode layer 380 of Figure 3e .
  • the dielectric material layer may comprise, by way of example, silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride.
  • FIG. 4A through 4H are cross-sectional views schematically illustrating a method of manufacturing a nitride-based transistor implementing a normally-off according to another embodiment of the present disclosure.
  • a high concentration n-type doped first nitride based first material layer 310 is prepared.
  • the first material layer 310 may grow on the m-plane.
  • the first material layer 310 may be a GaN substrate having an m-plane as an upper surface.
  • a first nitride based second material layer 320 doped with n-type is formed on the first material layer 310.
  • the second material layer 320 may grow on the m-plane of the first material layer 310. Accordingly, the second material layer 320 may be formed in a direction perpendicular to the m-plane.
  • a p-type doped first nitride based third material layer 330 is formed on the second material layer 320.
  • the third material layer 330 may grow on the m-plane of the second material layer 320. Accordingly, the third material layer 330 may be formed in a direction perpendicular to the m-plane.
  • a high concentration n-type doped first nitride based contact material layer 440 is formed on the third material layer 330.
  • the contact material layer 440 is selectively etched to form a contact pattern layer 445.
  • the third material layer 330 is selectively etched to form a third material pattern layer 335 having a connection pattern layer 445 on the second material layer 320 .
  • a first nitride based fourth material layer 350 is formed on the second material layer 320 to fill the third material pattern layer 335 and the connection pattern layer 445.
  • the fourth material layer 350 may be doped n-type.
  • the fourth material layer 350 may be formed by growing in the height direction on the m-plane.
  • a second nitride based fifth material layer 360 is formed on the fourth material layer 350.
  • the fifth material layer 360 may have different band gap energies compared to the fourth material layer 350.
  • the first to fourth material layers 310, 320, 330, 350 and the nitride based connecting layer may be a GaN layer and the fifth material layer 360 may be an AlGaN layer.
  • the AlGaN layer is not intentionally doped or the AlGaN layer is doped with at least one of iron (Fe), carbon (C), and magnesium (Mg).
  • a trench 470 is formed by selectively etching the fifth material layer 360, the fourth material layer 350, and the connection pattern layer 445 to expose the third material pattern layer 335, .
  • the connection pattern layer 445 can be separated by the trench 470 and a pair of first connection pattern layers 445 can be formed.
  • a second connection pattern layer 475 is formed on the third material pattern layer 335 in the trench 470.
  • the second connection pattern layer 475 may form an ohmic contact with the third material pattern layer 335.
  • the second connection pattern layer 475 may include a metal such as nickel (Ni) and gold (Au) as an example.
  • the second connection pattern layer 475 may have a structure in which a nickel (Ni) layer and a gold (Au) layer are sequentially stacked.
  • a gate electrode layer 380 is formed on the fifth material layer 360.
  • the gate electrode layer 380 may include a metal such as nickel (Ni), gold (Au), titanium (Ti), and aluminum (Al)
  • the gate electrode layer 130 may have a structure in which a nickel (Ni) layer and a gold (Au) layer are sequentially stacked.
  • a source electrode layer 390 filling the trench 470 is formed so as to cover the second connection pattern layer 475.
  • the source electrode layer 390 may form an ohmic contact with the first connection pattern layer 340.
  • the source electrode layer 390 may include a metal such as nickel (Ni), gold (Au), titanium (Ti), and aluminum (Al)
  • the source electrode layer 150 and the drain electrode layer 180 may have a structure in which an aluminum (Al) layer and a gold (Au) layer are sequentially stacked.
  • a drain electrode layer 305 may be formed on the lower surface of the first material layer 310.
  • the drain electrode layer 305 may include a metal such as nickel (Ni), gold (Au), titanium (Ti), and aluminum (Al)
  • the source electrode layer 150 and the drain electrode layer 180 may have a structure in which an aluminum (Al) layer and a gold (Au) layer are sequentially stacked.
  • a nitride-based transistor implementing the normally-off can be manufactured.
  • the manufacturing method of Figs. 4A to 4H can be applied to the manufacturing method of the nitride-based transistors 10 and 20 described above with reference to Figs.
  • FIG. 5A schematically shows the turn-off state of the nitride-based transistor 30
  • FIG. 5B schematically shows the turn-on state of the nitride-based transistor 30.
  • the nitride-based transistor 30 includes an n-type doped first nitride based first semiconductor layer 510 grown on a c-plane, a second nitride based first semiconductor layer 510 disposed on the first semiconductor layer 510, And a second nitride based second semiconductor layer (520).
  • the nitride-based transistor 30 may include a trench 530 that penetrates the second semiconductor layer 520 and reaches the inside of the first semiconductor layer 510.
  • the nitride-based transistor 30 includes a first nitride-based third semiconductor layer 540 disposed along the inner wall of the trench 530 and disposed on the second semiconductor layer 520 outside the trench 530, a trench 530 A second insulating fourth nitride semiconductor layer 550 disposed on the third semiconductor layer 540 inside and outside the first semiconductor layer 550 and a gate electrode layer 560 disposed on the fourth semiconductor layer 550 .
  • the third semiconductor layer 540 and the fourth semiconductor layer 550 may have different energy band gaps.
  • the second semiconductor layer 520 and the third semiconductor layer 540 may be a nitride-based semiconductor layer grown on the c-plane.
  • a 2DEG layer may be formed in the interface region between the third semiconductor layer 540 and the fourth semiconductor layer 550 grown on the c-plane.
  • the y direction in FIG. 5A is set to a direction perpendicular to the c-plane, and the x direction is set to a direction parallel to the c-plane.
  • the nitride-based transistor 30 may include a high-concentration n-type doping pattern region 575 disposed inside the third and fourth semiconductor layers 540 and 550 in the lateral direction of the gate electrode layer 560.
  • the nitride-based transistor 30 may include a source electrode layer 570 disposed on the n-type doping pattern region 575.
  • the source electrode layer 570 can supply charge to the third semiconductor layer 540 through the n-type doping pattern region 575.
  • the N-type doping pattern region 575 may be formed by selectively implanting an n-type dopant into the third semiconductor layer 540 and the fourth semiconductor layer 550.
  • the nitride-based transistor 30 includes a first n-type doped first nitride semiconductor layer 580 and a second n-type doped first nitride semiconductor layer 580 disposed on the lower surface of the first semiconductor layer 510, And a drain electrode layer 590 disposed thereon.
  • the first and third semiconductor layers 510 and 540 are an n-type doped GaN layer
  • the second semiconductor layer 520 is a p-type doped GaN layer
  • AlGaN layer The fifth semiconductor layer 580 may be a high concentration n-type doped GaN layer.
  • the first to third semiconductor layers 510, 520, and 540, and the fifth semiconductor layer 580 may be a nitride-based material layer grown on the c-plane.
  • the source electrode layer 570 and the drain electrode layer 590 may include metals such as nickel (Ni), gold (Au), titanium (Ti), and aluminum (Al)
  • the source electrode layer 150 and the drain electrode layer 180 may have a structure in which an aluminum (Al) layer and a gold (Au) layer are sequentially stacked.
  • the gate electrode 560 may include a metal such as nickel (Ni), gold (Au), titanium (Ti), and aluminum (Al)
  • the gate electrode layer 130 may have a structure in which a nickel (Ni) layer and a gold (Au) layer are sequentially stacked.
  • the fourth semiconductor layer 550 may function as a gate dielectric layer at the bottom of the gate electrode layer 560.
  • the AlGaN layer may not be intentionally doped.
  • the AlGaN layer may be doped with at least one of iron (Fe), carbon (C), and magnesium (Mg).
  • the turn-off state can be maintained when a voltage less than the threshold voltage is applied to the gate electrode layer 560.
  • a depletion layer Ad is formed at the interface between the second semiconductor layer 520 and the first and third semiconductor layers 510 and 540 by PN junction to fill the inside of the third semiconductor layer 540.
  • a depletion layer Ad may be formed on a portion of the second semiconductor layer 520 and a portion of the first semiconductor layer 510 in contact with the second semiconductor layer 520.
  • the charges supplied from the source electrode layer 570 through the n-type doping pattern region 575 are trapped by the depletion layer Ad of the third semiconductor layer 540, so that the first and fifth semiconductor layers 510 and 580 The flow of charges toward the drain electrode layer 590 can be suppressed. That is, while the voltage lower than the threshold voltage is maintained in the gate electrode layer 560, the nitride-based transistor 30 can maintain the normally-off state.
  • a turn-off state in a nitride-based transistor, can be switched from a turn-off state to a turn-on state when an operation voltage equal to or higher than a threshold voltage is applied to the gate electrode layer 560.
  • the depletion layer of the third semiconductor layer 540 is removed by the operation voltage, so that the third semiconductor layer can recover the charge conductivity.
  • at least the third semiconductor layer 540 under the gate electrode layer 560 can restore the charge conductivity by the n-type dopant.
  • a 2DEG layer can be formed in the interface region between the third semiconductor layer 540 and the fourth semiconductor layer 550 grown on the c-plane.
  • the Ga plane and the N plane may be alternately stacked, and spontaneous polarization due to polarization between the Ga plane and the N plane may occur.
  • the 2DEG layer may be formed in the interface region due to the spontaneous polarization of the GaN layer or the piezoelectric polarization at the interface between the GaN and AlGaN layers.
  • the side wall surface of the trench 530 may be perpendicular to the c-plane. That is, the sidewall surfaces of the trenches 530 may be parallel to the y-direction and perpendicular to the x-direction. Since the third semiconductor layer 540 located on the sidewall of the trench 530 is not grown on the c-plane, the 2DEG layer can not be formed at the interface with the fourth semiconductor layer 550.
  • the depletion layer Ad in the third semiconductor layer 540 located on the sidewall surface of the trench 530 is removed by the operating voltage applied to the gate electrode layer 560,
  • the conductive channel (Ac) can be formed. Accordingly, the charges moved in the lateral direction along the source electrode layer 570, the n-type doping pattern region 575 and the 2DEG layer move in the vertical direction along the conductive channel Ac to form the first semiconductor layer 510, And reach the drain electrode layer 590 via the fifth semiconductor layer 580.
  • the nitride-based transistor can be manufactured using the first nitride-based third semiconductor layer 540 grown on the c-plane as the conductive layer.
  • the 2DEG layer can be formed in the interface region of the second nitride based semiconductor layer 550 having a different energy bandgap.
  • trenches 530 are formed in the first and second nitride-based first and second semiconductor layers 510 and 520, and the first nitride-based third semiconductor layer 510 is formed in a direction parallel to the sidewalls of the trench 530.
  • the direction parallel to the sidewalls of the trench 530 is perpendicular to the c-plane, and the polarization phenomenon can be suppressed at the interface between the first nitride based third semiconductor layer 540 and the second nitride based semiconductor layer 550 have. Accordingly, the formation of the 2DEG layer can be suppressed at the interface between the first nitride based third semiconductor layer 540 and the second nitride based semiconductor layer 550. As a result, when a voltage less than the threshold voltage is applied to the nitride-based transistor, the normally-off state can be effectively realized.
  • the 2DEG layer is formed in the interface region of the first nitride based third semiconductor layer 540 and the second nitride based semiconductor layer 550 except for the channel Ac, thereby increasing the charge supply amount to the channel (Ac) So that the amount of current flowing through the channel Ac can be increased.
  • the sidewall surface of the trench 530 is not formed in a direction perpendicular to the bottom surface of the trench 530, but may be formed to be inclined at a predetermined angle. In this case, the direction parallel to the sidewalls of the trench 530 may not be perpendicular to the c-plane.
  • the polarization phenomenon at the interface between the first nitride based third semiconductor layer 540 and the second nitride based semiconductor layer 550 may not be completely suppressed.
  • the 2DEG layer may be locally formed at the interface between the first nitride based semiconductor layer 540 and the second nitride based semiconductor layer 550 disposed along the sidewalls of the trench 530.
  • such a locally formed 2DEG layer can be controlled to be removed by the electric field formed between the second semiconductor layer 520 and the third semiconductor layer 540. [ Therefore, the normally-off state in the nitride-based transistor can be effectively maintained.
  • the nitride-based transistor 40 includes a gate dielectric layer 665 disposed between the fourth semiconductor layer 550 and the gate electrode layer 560, The structure of the nitride-based transistor 30 is substantially the same.
  • the gate dielectric layer 665 may comprise, by way of example, silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride.
  • the gate dielectric layer 665 can more reliably realize the conductive channel forming operation by the gate electrode layer 560 together with the fourth semiconductor layer 550.
  • nitride-based first semiconductor layer a nitride-based first semiconductor layer
  • 120 a second nitride-based second semiconductor layer
  • gate electrode layer 140 first nitride-based third semiconductor layer
  • first connection pattern layer 142 second connection pattern layer
  • source electrode layer 160 first nitride-based fourth semiconductor layer
  • first nitride-based fifth semiconductor layer 180 drain electrode layer
  • first connection pattern layer 360 second nitride based fifth material layer
  • Trench 375 Second connection pattern layer
  • gate electrode layer 390 source electrode layer
  • connecting material layer 470 trench
  • first nitride based first semiconductor layer 520 first nitride based second semiconductor layer
  • trench 540 first nitride-based third semiconductor layer
  • first nitride-based fourth semiconductor layer 560 gate electrode layer
  • source electrode layer 580 first nitride-based fifth semiconductor layer
  • drain electrode layer 665 gate dielectric layer

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Abstract

A nitride-based transistor for implementing normally-off, according to an embodiment, comprises: an n-type-doped first nitride-based first semiconductor layer grown on an m-surface; an insulating second nitride-based second semiconductor layer disposed on the first semiconductor layer; and a gate electrode layer disposed on the second semiconductor layer. The first semiconductor layer and the second semiconductor layer have different energy band gaps.

Description

노멀리-오프를 구현하는 질화물계 트랜지스터A nitride-based transistor that implements normally-off
본 개시(disclosure)는 대체로(generally) 질화물계 트랜지스터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 노멀리-오프를 구현하는 질화물계 트랜지스터에 관한 것이다.This disclosure relates generally to nitride-based transistors, and more particularly to nitride-based transistors that implement a normally-off.
정보통신기술의 발달로 인해, 고속 스위칭 환경이나 고전압 환경에서 동작하는 고내압 트랜지스터의 요청이 증가하고 있다. 이에, 최근에 등장한 Ⅲ-Ⅴ족 반도체 물질을 적용하는 질화갈륨계 트랜지스터는 종래의 실리콘 트랜지스터에 비해 고속 스위칭 동작이 가능하여 초고속 신호 처리에 적합할 뿐만 아니라 소재 자체의 고내압 특성을 통해 고전압 환경에 적용할 수 있는 장점이 있어 업계의 주목을 받고 있다. BACKGROUND ART [0002] With the development of information and communication technologies, there is an increasing demand for high-voltage transistors operating in a high-speed switching environment or a high-voltage environment. Therefore, a gallium nitride transistor using a recently developed III-V semiconductor material is capable of high-speed switching operation as compared with a conventional silicon transistor, and is suitable not only for ultra-high speed signal processing but also for high voltage It has attracted the attention of the industry due to its applicability.
이러한, 질화갈륨계 트랜지스터는 수평형 구조 또는 수직형 구조로 제조될 수 있다. 수평형 구조는 소스 전극층으로부터 드레인 전극층으로의 전하 전도가 측면 방향(lateral direction)으로 이루어지고 있는 구조를 의미하며, 일반적으로, 소스 전극층, 게이트 전극층 및 드레인 전극층이 기판 상의 동일면 상에 배치되는 구조이다. Such a gallium nitride-based transistor can be manufactured in a horizontal structure or a vertical structure. The horizontal structure means a structure in which the charge conduction from the source electrode layer to the drain electrode layer is formed in the lateral direction and generally has a structure in which the source electrode layer, the gate electrode layer, and the drain electrode layer are disposed on the same surface of the substrate .
최근에 등장한 수직형 구조는, 상술한 수평형 구조와는 달리, 소스 전극층으로부터 드레인 전극층으로의 전하 전도가 수직 방향(vertical direction)으로 이루어지고 있는 구조를 의미하며, 미국공개특허 2012-0319127에 개시된 전류구경수직전자트랜지스터(CAVET; Current Aperture Vertical ElectronTransistor)를 일 예로서 제시할 수 있다. 상기 CAVET에 따르면, 소스 전극층과 드레인 전극층은 수직 방향으로 서로 대향되게 배치되고, 그 사이에 전류 장벽층으로서 p형 갈륨나이트라이드(p-GaN)층이 배치된다. 그리고, 전류는 p형갈륨나이트라이드(p-GaN)층에 의해 제공되는 구경(aperture)을 통해 소스 전극층으로부터 드레인 전극층까지 수직 방향으로 흐른다. Unlike the above-described horizontal structure, a vertical structure recently appeared means a structure in which charge conduction from the source electrode layer to the drain electrode layer is made in the vertical direction, and the structure disclosed in U.S. Patent Publication No. 2012-0319127 A Current Aperture Vertical Electron Transistor (CAVET) can be presented as an example. According to the CAVET, the source electrode layer and the drain electrode layer are arranged to face each other in the vertical direction, and a p-type gallium nitride (p-GaN) layer is disposed as a current barrier layer therebetween. Then, the current flows vertically from the source electrode layer to the drain electrode layer through the aperture provided by the p-type gallium nitride (p-GaN) layer.
한편, 상술한 수평형, 수직형 구조의 상용화를 위해서는, 채널층을 통한 온-오프 스위칭 동작에 대한 신뢰성을 확보하는 기술 등이 여전히 요청되고 있다.On the other hand, in order to commercialize the above-described horizontal and vertical structures, there is still a demand for a technique for securing reliability in an on-off switching operation through a channel layer.
본 개시의 실시 예는 노멀리-오프 상태를 신뢰성 있게 구현하는 질화물계 트랜지스터의 구조를 제공한다.Embodiments of the present disclosure provide a structure of a nitride-based transistor that reliably implements a normally-off state.
본 개시의 실시 예는 턴온 시에 채널층의 전기 전도도를 향상시킬 수 있는 질화물계 트랜지스터의 구조를 제공한다.The embodiment of the present disclosure provides a structure of a nitride-based transistor capable of improving the electric conductivity of a channel layer at the time of turning on.
일 측면에 따르는 노멀리-오프를 구현하는 질화물계 트랜지스터는 m-면 상에서 성장한 n형 도핑된 제1 질화물계 제1 반도체층; 상기 제1 반도체층 상에 배치되는 절연성 제2 질화물계 제2 반도체층; 및 상기 제2 반도체층 상에 배치되는 게이트 전극층을 구비한다. 상기 제1 반도체층과 상기 제2 반도체층은 서로 다른 에너지 밴드갭을 가진다.A nitride-based transistor implementing a normally-off according to one aspect includes: an n-type doped first nitride based first semiconductor layer grown on an m-plane; An insulating second nitride based second semiconductor layer disposed on the first semiconductor layer; And a gate electrode layer disposed on the second semiconductor layer. The first semiconductor layer and the second semiconductor layer have different energy band gaps.
다른 측면에 따르는 노멀리-오프를 구현하는 질화물계 트랜지스터는 c-면 상에서 성장한 n형 도핑된 제1 질화물계 제1 반도체층; 상기 제1 반도체층 상에 배치되고 p형 도핑된 제1 질화물계 제2 반도체층; 상기 제2 반도체층을 관통하여 상기 제1 반도체층의 내부에 이르는 트렌치의 내벽을 따라 배치되는 동시에 상기 트렌치 외부의 상기 제2 반도체층 상에 배치되는 제1 질화물계 제3 반도체층; 상기 트렌치의 내부 및 외부의 상기 제3 반도체층 상에 배치되는 절연성 제2 질화물계 제4 반도체층; 및 상기 제4 반도체층 상에 배치되는 게이트 전극층을 포함한다. 상기 제3 반도체층과 상기 제4 반도체층은 서로 다른 에너지 밴드갭을 구비한다.A nitride-based transistor implementing a normally-off according to another aspect comprises: an n-type doped first nitride based first semiconductor layer grown on a c-plane; A p-type doped first nitride based second semiconductor layer disposed on the first semiconductor layer; A first nitride based third semiconductor layer disposed along the inner wall of the trench passing through the second semiconductor layer to reach the inside of the first semiconductor layer and disposed on the second semiconductor layer outside the trench; An insulating second nitride-based fourth semiconductor layer disposed on the third semiconductor layer inside and outside the trench; And a gate electrode layer disposed on the fourth semiconductor layer. The third semiconductor layer and the fourth semiconductor layer have different energy band gaps.
본 개시의 일 실시 예에 따르면, m-면 상에서 성장한 제1 질화물계 반도체층을 전도층으로 이용하여 질화물계 트랜지스터를 제조할 수 있다. 상기 제1 질화물계 반도체층을 m-면에서 성장시키는 경우, 상기 제1 질화물계 반도체층 내의 자발 분극 현상을 억제할 수 있다. 이에 따라, 에너지 밴드갭이 서로 다른 제2 질화물계 반도체층과의 접합 계면 영역에서, 다양한 분극 현상에 기인하여 발생하는 2DEG층과 같은 전하 고전도층의 형성을 효과적으로 억제할 수 있다. 이에 따라, 질화물계 트랜지스터에 있어서, 노멀리-오프 상태를 효과적으로 구현할 수 있다.According to one embodiment of the present disclosure, a nitride-based transistor can be manufactured using the first nitride-based semiconductor layer grown on the m-plane as a conductive layer. When the first nitride semiconductor layer is grown on the m-plane, spontaneous polarization in the first nitride semiconductor layer can be suppressed. As a result, formation of a charge high-conductivity layer such as a 2DEG layer due to various polarization phenomena can be effectively suppressed in the junction interface region with the second nitride-based semiconductor layer having different energy bandgaps. Thus, in the nitride-based transistor, the normally-off state can be effectively realized.
본 개시의 일 실시 예에 따르면, c-면 상에서 성장한 제1 질화물계 반도체층을 전도층으로 이용하여 질화물계 트랜지스터를 제조할 수 있다. 제1 질화물계 반도체층을 c-면에서 성장시키는 경우, 에너지 밴드갭이 서로 다른 제2 질화물계 반도체층과의 접합 계면 영역에서 2DEG층을 형성할 수 있다. 한편, 본 실시 예에서는 제1 질화물계 반도체층에 트렌치를 형성하고 트렌치의 측벽과 평행한 방향으로 상기 제1 질화물계 반도체층 내에 채널층을 형성할 수 있다. 트렌치의 측벽과 평행한 방향은 c-면과 수직한 방향으로서, 상기 제1 질화물계 반도체층과 상기 제2 질화물계 반도체층의 계면에서 분극 현상을 억제할 수 있다. 이에 따라, 상기 2DEG층의 형성이 억제될 수 있다. 결과적으로 질화물계 트랜지스터에 있어서, 노멀리-오프 상태를 효과적으로 구현할 수 있다. 또한, 턴온 시에 상기 채널층을 제외한 상기 제1 및 제2 질화물계 반도체층의 계면 영역에 2DEG 층이 형성됨으로써, 채널층으로의 전하 공급량을 증가시켜 채널층을 통해 흐르는 전류량을 증가시킬 수 있다.According to one embodiment of the present disclosure, a nitride-based transistor can be manufactured using the first nitride-based semiconductor layer grown on the c-plane as a conductive layer. When the first nitride-based semiconductor layer is grown on the c-plane, the 2DEG layer can be formed in the junction interface region with the second nitride-based semiconductor layer having a different energy bandgap. On the other hand, in this embodiment, a trench can be formed in the first nitride based semiconductor layer and a channel layer can be formed in the first nitride based semiconductor layer in a direction parallel to the side wall of the trench. The direction parallel to the sidewalls of the trench is perpendicular to the c-plane, and polarization can be suppressed at the interface between the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer. Thus, the formation of the 2DEG layer can be suppressed. As a result, in the nitride-based transistor, the normally-off state can be effectively realized. In addition, a 2DEG layer is formed in the interface region of the first and second nitride based semiconductor layers except the channel layer at the time of turning on, thereby increasing the amount of charge supplied to the channel layer and increasing the amount of current flowing through the channel layer .
상술한 본 개시된 기술의 효과는 본 개시의 일 실시 예의 구성으로부터 도출되는 다양한 효과 중 어느 하나를 예시하는 것이며, 제시하는 실시예의 구성으로부터 자명하게 도출될 수 있는 다른 다양한 효과를 배제하는 것은 아니다.The effects of the disclosed techniques described above are to illustrate any of the various effects derived from the configuration of one embodiment of the present disclosure and not to preclude other various effects that may be apparently derived from the configuration of the presented embodiments.
도 1은 본 개시의 제1 실시 예에 따르는 노멀리-오프를 구현하는 질화물계 트랜지스터를 개략적으로 나타내는 단면도이다.1 is a cross-sectional view schematically showing a nitride-based transistor implementing a normally-off according to the first embodiment of the present disclosure;
도 2는 본 개시의 제2 실시 예에 따르는 노멀리-오프를 구현하는 질화물계 트랜지스터를 개략적으로 나타내는 단면도이다.2 is a cross-sectional view schematically showing a nitride-based transistor implementing a normally-off according to a second embodiment of the present disclosure;
도 3a 내지 도 3f는 본 개시의 일 실시 예에 따르는 노멀리-오프를 구현하는 질화물계 트랜지스터를 제조하는 방법을 개략적으로 나타내는 단면도이다.3A-3F are cross-sectional views schematically illustrating a method of manufacturing a nitride-based transistor implementing a normally-off according to one embodiment of the present disclosure.
도 4a 내지 도 4h는 본 개시의 다른 실시 예에 따르는 노멀리-오프를 구현하는 질화물계 트랜지스터의 제조 방법을 개략적으로 나타내는 단면도이다.4A through 4H are cross-sectional views schematically illustrating a method of manufacturing a nitride-based transistor implementing a normally-off according to another embodiment of the present disclosure.
도 5a 및 도 5b는 본 개시의 제3 실시 예에 따르는 노멀리-오프를 구현하는 질화물계 트랜지스터를 개략적으로 나타내는 단면도이다.5A and 5B are cross-sectional views schematically illustrating a nitride-based transistor implementing a normally-off according to a third embodiment of the present disclosure.
도 6은 본 개시의 제4 실시 예에 따르는 노멀리-오프를 구현하는 질화물계 트랜지스터를 개략적으로 나타내는 단면도이다.6 is a cross-sectional view schematically showing a nitride-based transistor implementing a normally-off according to the fourth embodiment of the present disclosure;
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 개시의 실시 예들을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면에서 각 장치의 구성요소를 명확하게 표현하기 위하여 상기 구성요소의 폭이나 두께 등의 크기를 다소 확대하여 나타내었다. Embodiments of the present disclosure will now be described in more detail with reference to the accompanying drawings. In the drawings, the width, thickness, and the like of the components are enlarged in order to clearly illustrate the components of each device.
본 명세서에서 일 요소가 다른 요소 '위' 또는 '아래'에 위치하는 것으로 언급되는 경우, 이는 상기 일 요소가 다른 요소 '위' 또는 '아래'에 바로 위치하거나 또는 그들 요소들 사이에 추가적인 요소가 개재될 수 있다는 의미를 모두 포함한다. 본 명세서에서, '상부' 또는 '하부' 라는 용어는 관찰자의 시점에서 설정된 상대적인 개념으로, 관찰자의 시점이 달라지면, '상부' 가 '하부'를 의미할 수도 있고, '하부'가 '상부'를 의미할 수도 있다. Where an element is referred to herein as being located on another element "above" or "below", it is to be understood that the element is directly on the other element "above" or "below" It means that it can be intervened. In this specification, the terms 'upper' and 'lower' are relative concepts set at the observer's viewpoint. When the viewer's viewpoint is changed, 'upper' may mean 'lower', and 'lower' It may mean.
복수의 도면들 상에서 동일 부호는 실질적으로 서로 동일한 요소를 지칭한다. 또, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 기술되는 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. Like numbers refer to like elements throughout the several views. It is to be understood that the singular forms "a", "an", and "the" include plural referents unless the context clearly dictates otherwise, and the terms "comprise" Or combinations thereof, and does not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof.
본 명세서에서, 소스 전극층 및 드레인 전극층은 전류의 방향을 고려하여, 편의상 구분하여 명명한 것으로서, 인가되는 전압 극성의 변화에 의해 전류 방향이 변화하는 경우, 소스 전극층은 드레인 전극층을, 드레인 전극층은 소스 전극층을 의미할 수도 있다.In this specification, the source electrode layer and the drain electrode layer are referred to for convenience in consideration of the direction of current. When the direction of current changes due to a change in the applied voltage polarity, the source electrode layer becomes a drain electrode layer, It may mean an electrode layer.
본 명세서에서, 일 박막층과 다른 박막층 사이의 계면 영역이라 함은, 일 박막층과 다른 박막층의 경계면뿐만 아니라, 상기 경계면과 인접하는 일 박막층 또는 다른 박막층의 표면으로부터 소정 깊이의 내부 영역을 포괄하는 것으로 해석될 수 있다.In this specification, the interfacial region between one thin film layer and another thin film layer is interpreted to include not only the interface between one thin film layer and another thin film layer but also an inner region of a predetermined depth from the surface of one thin film layer or another thin film layer adjacent to the interface .
본 명세서에서, 질화물계 반도체층 또는 질화물계 물질층은 일례로서, AlxInyGa1-x-yN (0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1) 과 같은 질화물을 포함할 수 있다. 상기 질화물계 반도체층 또는 질화물계 물질층은 일례로서, 금속유기화학기상증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition), 분자빔에피탁시(Molecular Beam Epitaxy), 수소화기상증착에피탁시(Hydride Vapor Phase Epitaxy) 등과 같은 방법을 이용하여 에픽텍셜 형성할 수 있다. 상기 에픽텍셜 형성 방법은 일례로서, 1000 ℃ 내지 1100 ℃의 온도에서 진행될 수 있다.In this specification, the nitride-based semiconductor layer or the nitride-based material layer may include a nitride such as AlxInyGa1-x-yN (0? X? 1, 0? Y? The nitride-based semiconductor layer or the nitride-based material layer may be formed by, for example, metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), molecular beam epitaxy (MIB), hydride vapor phase epitaxy And the like can be used to form the epitaxial film. The method of forming the epitaxial layer is an example and may be performed at a temperature of 1000 ° C to 1100 ° C.
본 명세서에서, n형 또는 p형으로 도핑된다는 의미는 질화물계 반도체층 또는 질화물계 물질층 내에 n형은 도펀트가 약 1E16/cm3 이상, p형은 도펀트가 1E17/cm3 이상 주입되는 것을 의미할 수 있다. 또한, '고농도의 n형으로 도핑된다'는 의미는 질화물계 반도체 내에, n형 도펀트가 약 1E19 /cm3 이상 주입됨으로써, 고농도로 도핑되는 것을 의미할 수 있다.In this specification, the n-type or p-type doping implies that the n-type dopant is doped into the nitride-based semiconductor layer or the nitride-based material layer by about 1E16 / cm 3 or more and the p-type dopant is doped with 1E17 / cm 3 or more can do. Also, the expression 'doping with a high concentration of n-type' means that the n-type dopant is doped into the nitride-based semiconductor at a concentration of about 1E19 / cm 3 or more.
본 명세서에서, 질화물계 반도체층을 n형 또는 p형으로 도핑할 때, 일 예로서, n형으로 도핑하는 경우, 도펀트로서 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 셀레늄(Se), 텔루륨(Te) 등을 적용할 수 있으며, p형으로 도핑하는 경우, 도펀트로서 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 탄소(C), 철(Fe), 망간(Mn) 등을 적용할 수 있다.In this specification, when doping the nitride-based semiconductor layer into n-type or p-type, for example, when doping to the n-type, silicon (Si), germanium (Ge), selenium (Se), tellurium Te, etc. may be applied. When doping to p-type, beryllium (Be), magnesium (Mg), calcium (Ca), carbon (C), iron (Fe), manganese can do.
본 명세서에서, 질화물계 반도체층은 c-면 또는 m-면 상에서 성장할 수 있다. 일례로서, 질화물계 반도체층이 GaN층이고, GaN층이 c-면 상에서 성장할 경우, GaN층은 높이 방향(즉, c-면에 수직인 방향)을 따라 Ga층과 N층이 교대로 적층되는 구조를 가질 수 있다. m-면은 c-면과 실질적으로 수직인 면을 의미할 수 있으며, 일례로서, m-면 상에서 높이 방향으로 성장할 경우, Ga과 N이 공존하는 단위 GaN층이 복층으로 적층되는 구조를 가질 수 있다.In this specification, the nitride based semiconductor layer can grow on the c-plane or the m-plane. As an example, when the nitride-based semiconductor layer is a GaN layer and the GaN layer is grown on the c-plane, the GaN layer is alternately stacked with the Ga layer and the N layer along the height direction (i.e., the direction perpendicular to the c- Structure. The m-plane may mean a plane substantially perpendicular to the c-plane. For example, when grown in the height direction on the m-plane, a unit GaN layer in which Ga and N coexist can be stacked in a multi- have.
도 1은 본 개시의 제1 실시예에 따르는 노멀리-오프를 구현하는 질화물계 트랜지스터를 개략적으로 나타내는 단면도이다. 도 1을 참조하면, 질화물계 트랜지스터(10)는 m-면 상에서 성장한 n형 도핑된 제1 질화물계 제1 반도체층(110), 및 제1 반도체층(110) 상에 배치되는 절연성 제2 질화물계 제2 반도체층(120), 및 제2 반도체층(120) 상에 배치되는 게이트 전극층(130)을 구비한다. 이때, 제1 반도체층(110)과 제2 반도체층(120)은 서로 다른 에너지 밴드갭을 가질 수 있다. 논의의 편의상, 도 1의 y 방향을 m-면에 수직인 방향으로 정한다.1 is a cross-sectional view schematically showing a nitride-based transistor implementing a normally-off according to the first embodiment of the present disclosure; 1, the nitride-based transistor 10 includes an n-type doped first nitride based first semiconductor layer 110 grown on an m-plane, and an insulating second nitride layer 110 disposed on the first semiconductor layer 110. The first nitride- A second semiconductor layer 120, and a gate electrode layer 130 disposed on the second semiconductor layer 120. At this time, the first semiconductor layer 110 and the second semiconductor layer 120 may have different energy band gaps. For convenience of discussion, the y direction in Fig. 1 is set to a direction perpendicular to the m-plane.
또한, 질화물계 트랜지스터(110)는 제1 반도체층(110)의 내부에 배치되는 p형 도핑된 제3 반도체층(140), 제3 반도체층(140) 상에 배치되는 소스 전극층(150)을 포함할 수 있다. 제3 반도체층(140)은 게이트 전극층(130)의 측면 방향에서 제1 반도체층(110)과 접하도록 배치될 수 있다.The nitride-based transistor 110 includes a p-type doped third semiconductor layer 140 disposed in the first semiconductor layer 110 and a source electrode layer 150 disposed on the third semiconductor layer 140 . The third semiconductor layer 140 may be disposed in contact with the first semiconductor layer 110 in the lateral direction of the gate electrode layer 130.
또한, 질화물계 트랜지스터(110)는 제1 반도체층(110) 및 제3 반도체층(140)의 하면에 배치되는 n형 도핑된 제1 질화물계 제4 반도체층(160), 제4 반도체층(160)의 하면에 배치되는 고농도의 n형 도핑된 제1 질화물계 제5 반도체층(170), 및 제5 반도체층(170)의 하면에 배치되는 드레인 전극층(180)을 포함할 수 있다. 드레인 전극층(180)은 제5 반도체층(170)과 오믹 접합을 이룰 수 있다.The nitride-based transistor 110 includes an n-type doped first nitride based fourth semiconductor layer 160 disposed on the lower surface of the first semiconductor layer 110 and the third semiconductor layer 140, A first n-type doped first nitride semiconductor layer 170 disposed on the lower surface of the first semiconductor layer 160 and a drain electrode layer 180 disposed on the lower surface of the fifth semiconductor layer 170. Drain electrode layer 180 may form an ohmic contact with the fifth semiconductor layer 170.
도 1을 다시 참조하면, 제3 반도체층(140)에는 제1 연결 패턴층(141)이 배치될 수 있다. 제1 연결 패턴층(141)은 고농도의 n형으로 도핑될 수 있으며, 제1 반도체층(110) 및 소스 전극층(150)과 각각 오믹 접합을 이룰 수 있다. 제1 연결 패턴층(141)은 p형으로 도핑된 제3 반도체층(140)을 카운트 도핑함으로써 형성할 수 있다. 이와 같이, 소스 전극층(150)은 제1 연결 패턴층(141)을 통해 제1 반도체층(110)과 전기적으로 연결될 수 있다. Referring again to FIG. 1, the first connection pattern layer 141 may be disposed on the third semiconductor layer 140. The first connection pattern layer 141 may be doped with a high concentration n-type and may form ohmic junctions with the first semiconductor layer 110 and the source electrode layer 150, respectively. The first connection pattern layer 141 may be formed by count doping the third semiconductor layer 140 doped with p-type. As described above, the source electrode layer 150 may be electrically connected to the first semiconductor layer 110 through the first connection pattern layer 141.
도 1을 다시 참조하면, 제3 반도체층(140) 상에 형성되어 소스 전극층(142)에 의해 둘러싸이는 제2 연결 패턴층(142)이 배치될 수 있다. 제2 연결 패턴층(142)은 제3 반도체 패턴층(140)과 오믹 접합을 이룰 수 있다. 제2 연결 패턴층(142)은 금속 또는 합금으로 이루어질 수 있다. 또한, 제2 연결 패턴층(142)은 소스 전극층(150)과 전기적으로 연결될 수 있다. Referring again to FIG. 1, a second connection pattern layer 142 formed on the third semiconductor layer 140 and surrounded by the source electrode layer 142 may be disposed. The second connection pattern layer 142 may form an ohmic contact with the third semiconductor pattern layer 140. The second connection pattern layer 142 may be formed of a metal or an alloy. In addition, the second connection pattern layer 142 may be electrically connected to the source electrode layer 150.
결과적으로, 소스 전극층(150)에 전압이 인가되는 경우, 상기 전압은 제1 및 제2 연결 패턴층(141, 142)를 통해, 제1 및 제2 반도체층(110, 140)에 각각 인가될 수 있다.As a result, when a voltage is applied to the source electrode layer 150, the voltage is applied to the first and second semiconductor layers 110 and 140 through the first and second connection pattern layers 141 and 142, respectively .
일 실시예에 있어서, 제1 반도체층(110)은 n형 도핑된 GaN 층이며, 제2 반도체층(120)은 AlGaN층이며, 제3 반도체층(130)은 p형 도핑된 GaN층일 수 있다. 이때, 1 및 제3 반도체층(110, 130)은 m-면 상에서 성장할 수 있다. AlGaN층에서, Al의 함량은 약 10 내지 50 원자% 일 수 있다. In one embodiment, the first semiconductor layer 110 may be an n-type doped GaN layer, the second semiconductor layer 120 may be an AlGaN layer, and the third semiconductor layer 130 may be a p-type doped GaN layer . At this time, the first and third semiconductor layers 110 and 130 may grow on the m-plane. In the AlGaN layer, the content of Al may be about 10 to 50 atomic%.
또한, 제4 반도체층(160)은 n형 도핑된 GaN층이며, 제5 반도체층(170)은 고농도의 n형 도핑된 GaN층일 수 있다. 제4 반도체층(160) 및 제5 반도체층(170)은 m-면으로 성장한 GaN 층일 수 있다. 이를 위해, 일례로서, 제5 반도체층(170)은 m-면을 상면으로 가지는 고농도 n형 도핑된 GaN 기판일 수 있다.In addition, the fourth semiconductor layer 160 may be an n-type doped GaN layer, and the fifth semiconductor layer 170 may be a n-type doped GaN layer having a high concentration. The fourth semiconductor layer 160 and the fifth semiconductor layer 170 may be GaN layers grown in the m-plane. For example, the fifth semiconductor layer 170 may be a high-concentration n-type doped GaN substrate having an m-plane as an upper surface.
제1 연결 패턴층(141)은 고농도의 n형으로 도핑된 GaN층일 수 있다. 제2 연결 패턴층(142)은 니켈(Ni), 금(Au) 등의 금속을 포함할 수 있다. 구체적인 예로서, 제2 연결 패턴층(130)은 니켈(Ni)층과 금(Au)층이 순차적으로 적층된 구조를 가질 수 있다.The first connection pattern layer 141 may be a high concentration n-type doped GaN layer. The second connection pattern layer 142 may include a metal such as nickel (Ni) and gold (Au). As a specific example, the second connection pattern layer 130 may have a structure in which a nickel (Ni) layer and a gold (Au) layer are sequentially stacked.
소스 전극층(150) 및 드레인 전극층(180)은 일례로서, 니켈(Ni), 금(Au), 타이타늄(Ti), 알루미늄(Al)등의 금속을 포함할 수 있다. 구체적인 예로서, 소스 전극층(150) 및 드레인 전극층(180)은 알루미늄(Al)층과 금(Au)층이 순차적으로 적층된 구조를 가질 수 있다. 게이트 전극층(130)은 일례로서, 니켈(Ni), 금(Au), 타이타늄(Ti), 알루미늄(Al)등의 금속을 포함할 수 있다. 구체적인 예로서, 게이트 전극층(130)은 니켈(Ni)층과 금(Au)층이 순차적으로 적층된 구조를 가질 수 있다.The source electrode layer 150 and the drain electrode layer 180 may include a metal such as nickel (Ni), gold (Au), titanium (Ti), and aluminum (Al) As a specific example, the source electrode layer 150 and the drain electrode layer 180 may have a structure in which an aluminum (Al) layer and a gold (Au) layer are sequentially stacked. The gate electrode layer 130 may include a metal such as nickel (Ni), gold (Au), titanium (Ti), and aluminum (Al) As a specific example, the gate electrode layer 130 may have a structure in which a nickel (Ni) layer and a gold (Au) layer are sequentially stacked.
본 실시예에서, 제2 반도체층(120)은 게이트 전극층(130)의 하부에서 게이트 유전층으로 기능할 수 있다. 일례로서, 제2 반도체층(120)이 AlGaN층일 경우, AlGaN층은 의도적으로 도핑 처리가 되지 않을 수 있다. 또는 상기 AlGaN층에는 철(Fe), 탄소(C) 및 마그네슘(Mg) 중 적어도 하나가 도핑될 수도 있다.In this embodiment, the second semiconductor layer 120 may function as a gate dielectric layer at the bottom of the gate electrode layer 130. As an example, when the second semiconductor layer 120 is an AlGaN layer, the AlGaN layer may not be intentionally doped. Alternatively, the AlGaN layer may be doped with at least one of iron (Fe), carbon (C), and magnesium (Mg).
본 실시예의 질화물계 트랜지스터에서, 턴오프 상태일 때, 제1 반도체층(110)과 제3 반도체층(140)의 계면에서 PN 접합에 의해 형성되는 공핍층이 제1 반도체층 내부(110)를 채울 수 있다. 이에 따라, 소스 전극층(150)으로부터 제1 연결 패턴층(141)을 통해 공급되는 전하는 상기 공핍층에 의해 포획됨으로써, 제4 및 제5 반도체층(160)을 경유하여 드레인 전극층(180)으로의 전하 이동이 억제될 수 있다. 즉, 게이트 전극층(130)에 문턱 전압 미만의 전압이 유지되는 경우, 질화물계 트랜지스터(10)는 노멀리-오프 상태를 유지할 수 있다.In the nitride-based transistor of this embodiment, a depletion layer formed by the PN junction at the interface between the first semiconductor layer 110 and the third semiconductor layer 140 in the turn-off state is formed inside the first semiconductor layer 110 Can be filled. The electrons supplied from the source electrode layer 150 through the first connection pattern layer 141 are trapped by the depletion layer and the electrons supplied to the drain electrode layer 180 via the fourth and fifth semiconductor layers 160 The charge transfer can be suppressed. That is, when the voltage lower than the threshold voltage is maintained in the gate electrode layer 130, the nitride-based transistor 10 can maintain the normally-off state.
게이트 전극층(130)에 문턱 전압 이상의 동작 전압이 인가될 때, 질화물계 트랜지스터(10)는 턴온 될 수 있다. 이때, 게이트 전극층(130) 하부의 상기 공핍층이 제거됨으로써, 제1 반도체층(110)의 전하 전도성이 회복될 수 있다. 회복된 전하 전도성에 기인하여 전도성 채널이 형성되며, 소스 전극층(150), 제1 연결 패턴층(141), 제1 반도체층(110), 제4 반도체층(160), 제5 반도체층(170)을 경유하여 드레인 전극층(180)에 도달하는 전하 전도 경로가 형성될 수 있다. 이에 의하여, 소스 전극층(150)과 드레인 전극층(170) 사이에서 전류가 도통하게 된다.When an operation voltage equal to or higher than the threshold voltage is applied to the gate electrode layer 130, the nitride-based transistor 10 can be turned on. At this time, the depletion layer under the gate electrode layer 130 is removed, so that the charge conductivity of the first semiconductor layer 110 can be restored. A conductive channel is formed due to the recovered charge conductivity and the source electrode layer 150, the first connection pattern layer 141, the first semiconductor layer 110, the fourth semiconductor layer 160, the fifth semiconductor layer 170 To reach the drain electrode layer 180 can be formed. As a result, electric current is conducted between the source electrode layer 150 and the drain electrode layer 170.
본 실시예에서는, 게이트 유전층의 역할을 수행하는 제2 반도체층(120)으로서, 제1 반도체층(110)과 에너지 밴드갭이 서로 다른 질화물계 반도체층을 적용할 수 있다. 게이트 유전층(120)으로서, 실리콘 산화막, 실리콘 질화막 등을 적용하는 대신에, 질화물계 반도체층을 적용함으로써, 게이트 유전층(120)과 제1 반도체층(110)과의 계면에서의 격자 상수 차이를 상대적으로 감소시킬 수 있는 장점이 있다. 이에 따라, 게이트 유전층(120)과 제1 반도체층(110)과의 계면에 존재하는 불순물 밀도를 감소시켜, 질화물계 트랜지스터의 채널 온오프 동작을 보다 신뢰성있게 구현할 수 있다.In this embodiment, a nitride semiconductor layer having a different energy band gap from the first semiconductor layer 110 may be used as the second semiconductor layer 120 serving as a gate dielectric layer. The difference in lattice constant at the interface between the gate dielectric layer 120 and the first semiconductor layer 110 can be relatively reduced by applying a nitride based semiconductor layer instead of using a silicon oxide film or a silicon nitride film as the gate dielectric layer 120. [ As shown in FIG. Accordingly, the impurity density existing at the interface between the gate dielectric layer 120 and the first semiconductor layer 110 can be reduced, thereby realizing the channel ON / OFF operation of the nitride-based transistor more reliably.
또한, 본 실시예에서는, m-면 상에서 성장한 제1 질화물계 제1 반도체층(110)을 제2 질화물계 제2 반도체층(120)과 접합하도록 배치함으로써, 서로 다른 에너지 밴드갭을 가지는 질화물계 반도체층의 계면 영역에서 자발 분극 또는 압전 분극이 발생하는 것을 억제할 수 있다. 이에 따라, 제1 질화물계 제1 반도체층(110) 및 제2 질화물계 제2 반도체층(120)의 계면 영역에 2DEG층이 형성되는 것을 억제할 수 있다. 이에 따라, 턴오프 상태에서 2DEG층을 통해 전하가 이동하는 것을 방지할 수 있어서, 질화물계 트랜지스터의 노멀리-오프 특성을 신뢰성 있게 구현할 수 있다.In this embodiment, the first nitride based first semiconductor layer 110 grown on the m-plane is arranged to be bonded to the second nitride based second semiconductor layer 120, so that the nitride based system having the different energy bandgap Generation of spontaneous polarization or piezoelectric polarization in the interface region of the semiconductor layer can be suppressed. Thus, the formation of the 2DEG layer in the interface region of the first nitride based first semiconductor layer 110 and the second nitride based second semiconductor layer 120 can be suppressed. Accordingly, charge can be prevented from moving through the 2DEG layer in the turn-off state, and the normally-off characteristic of the nitride-based transistor can be reliably realized.
도 2는 본 개시의 제2 실시예에 따르는 노멀리-오프를 구현하는 질화물계 트랜지스터를 개략적으로 나타내는 단면도이다. 도 2를 참조하면, 질화물계 트랜지스터(20)는 제2 반도체층(120)과 게이트 전극층(130) 사이에 배치되는 게이트 유전층(235)을 더 포함하는 구성을 제외하면, 도 1과 관련하여 상술한 질화물계 트랜지스터(10)과 구성이 실질적으로 동일하다.2 is a cross-sectional view schematically showing a nitride-based transistor implementing a normally-off according to a second embodiment of the present disclosure; Referring to FIG. 2, the nitride-based transistor 20 includes a gate insulating layer 235 disposed between the second semiconductor layer 120 and the gate electrode layer 130, The structure of the nitride-based transistor 10 is substantially the same.
게이트 유전층(235)은 일례로서, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘산질화물을 포함할 수 있다. 게이트 유전층(235)은 제2 반도체층(120)과 함께, 게이트 전극층(130)에 의한 전도성 채널 형성 동작을 보다 신뢰성 있게 구현할 수 있다.The gate dielectric layer 235 may comprise, by way of example, silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride. The gate dielectric layer 235 can more reliably realize the conductive channel forming operation by the gate electrode layer 130 together with the second semiconductor layer 120. [
도 3a 내지 도 3f는 본 개시의 일 실시예에 따르는 노멀리-오프를 구현하는 질화물계 트랜지스터를 제조하는 방법을 개략적으로 나타내는 단면도이다. 도 3a를 참조하면, 고농도의 n형 도핑된 제1 질화물계 제1 물질층(310)을 준비한다. 제1 물질층(310)은 m-면 상에서 성장할 수 있다. 일례로서, 제1 물질층(310)은 m-면을 상면으로 가지는 GaN 기판일 수 있다.3A-3F are cross-sectional views schematically illustrating a method of manufacturing a nitride-based transistor implementing a normally-off according to one embodiment of the present disclosure. Referring to FIG. 3A, a high concentration n-type doped first nitride based first material layer 310 is prepared. The first material layer 310 may grow on the m-plane. As an example, the first material layer 310 may be a GaN substrate having an m-plane as an upper surface.
이어서, 제1 물질층(310) 상에 n형으로 도핑된 제1 질화물계 제2 물질층(320)을 형성한다. 제2 물질층(320)은 제1 물질층(310)의 m-면 상에서 성장할 수 있다. 이에 따라, 제2 물질층(320)은 m-면에 수직인 방향으로 형성될 수 있다. 이어서, 제2 물질층(320) 상에 p형으로 도핑된 제1 질화물계 제3 물질층(330)을 형성한다. 제3 물질층(330)은 제2 물질층(320)의 m-면 상에서 성장할 수 있다. 이에 따라, 제3 물질층(330)은 m-면에 수직인 방향으로 형성될 수 있다. 이어서, n형 도펀트를 제3 물질층(330)에 선택적으로 주입하여, 고농도의 n형 도핑되는 제1 연결 패턴층(340)을 형성한다. Next, a first nitride based second material layer 320 doped with n-type is formed on the first material layer 310. The second material layer 320 may grow on the m-plane of the first material layer 310. Accordingly, the second material layer 320 may be formed in a direction perpendicular to the m-plane. Next, a p-type doped first nitride based third material layer 330 is formed on the second material layer 320. The third material layer 330 may grow on the m-plane of the second material layer 320. Accordingly, the third material layer 330 may be formed in a direction perpendicular to the m-plane. Then, an n-type dopant is selectively implanted into the third material layer 330 to form a first n-type doped first connection pattern layer 340 having a high concentration.
도 3b를 참조하면, 제3 물질층(330)을 패터닝하여, 제1 연결 패턴층(340)을 내부에 포함하는 제3 물질 패턴층(335)을 형성한다.Referring to FIG. 3B, the third material layer 330 is patterned to form a third material pattern layer 335 including the first connection pattern layer 340 therein.
도 3c를 참조하면, 제3 물질 패턴층(335)을 매몰하도록 n형 도핑된 제1 질화물계 제4 물질층(350)을 제2 물질층(320) 상에 형성한다. 제4 물질층(350)은 m-면 상에서 높이 방향으로 성장하여 형성될 수 있다. 이어서, 제4 물질층(350) 상에 절연성 제2 질화물계 제5 물질층(360)을 형성한다. 제2 질화물계 제5 물질층(360)은 제4 물질층(350)과 서로 다른 에너지 밴드갭을 가진다.Referring to FIG. 3C, an n-type doped first nitride based fourth material layer 350 is formed on the second material layer 320 so as to burie the third material pattern layer 335. The fourth material layer 350 may be formed by growing in the height direction on the m-plane. Next, an insulating second nitride-based fifth material layer 360 is formed on the fourth material layer 350. The second nitride based fifth material layer 360 has a different energy band gap from the fourth material layer 350.
일 실시예에 있어서, 제1 질화물계 제1 내지 제4 물질층(310, 320, 330, 350)은 GaN층일 수 있으며, 제2 질화물계 제5 물질층(360)은 AlGaN층일 수 있다. 상기 AlGaN층은 의도적으로 도핑 처리가 되지 않거나, 또는 상기 AlGaN층은 철(Fe), 탄소(C) 및 마그네슘(Mg) 중 적어도 하나가 도핑됨으로써, 절연성을 가질 수 있다.In one embodiment, the first nitride based first to fourth material layers 310, 320, 330, 350 may be a GaN layer and the second nitride based material layer 360 may be an AlGaN layer. The AlGaN layer is not intentionally doped or the AlGaN layer is doped with at least one of iron (Fe), carbon (C), and magnesium (Mg).
도 3d를 참조하면, 제5 물질층(360) 및 제4 물질층(350)을 순차적으로 패터닝하여 제1 연결 패턴층(340) 및 제3 물질 패턴층(335)을 노출시키는 트렌치(370)를 형성한다. Referring to FIG. 3D, a trench 370 is formed by sequentially patterning the fifth material layer 360 and the fourth material layer 350 to expose the first connection pattern layer 340 and the third material pattern layer 335, .
도 3e를 참조하면, 트렌치(370) 내부의 제3 물질 패턴층(335) 상에 제2 연결 패턴층(375)을 형성한다. 제2 연결 패턴층(375)은 제3 물질 패턴층(335)과 오믹 접합을 이룰 수 있다. 제2 연결 패턴층(375)은 일례로서, 니켈(Ni), 금(Au) 등의 금속을 포함할 수 있다. 구체적인 예로서, 제2 연결 패턴층(375)은 니켈(Ni)층과 금(Au)층이 순차적으로 적층된 구조를 가질 수 있다.Referring to FIG. 3E, a second connection pattern layer 375 is formed on the third material pattern layer 335 in the trench 370. The second connection pattern layer 375 may form an ohmic contact with the third material pattern layer 335. The second connection pattern layer 375 may include a metal such as nickel (Ni) and gold (Au) as an example. As a specific example, the second connection pattern layer 375 may have a structure in which a nickel (Ni) layer and a gold (Au) layer are sequentially stacked.
이어서, 트렌치(370) 사이의 제5 물질층(360) 상에 게이트 전극층(380)을 형성한다. 게이트 전극층(380)은 일례로서, 니켈(Ni), 금(Au), 타이타늄(Ti), 알루미늄(Al)등의 금속을 포함할 수 있다. 구체적인 예로서, 게이트 전극층(130)은 니켈(Ni)층과 금(Au)층이 순차적으로 적층된 구조를 가질 수 있다.Next, a gate electrode layer 380 is formed on the fifth material layer 360 between the trenches 370. The gate electrode layer 380 may include a metal such as nickel (Ni), gold (Au), titanium (Ti), and aluminum (Al) As a specific example, the gate electrode layer 130 may have a structure in which a nickel (Ni) layer and a gold (Au) layer are sequentially stacked.
도 3f를 참조하면, 트렌치(370) 내부의 제2 연결 패턴층(375)를 덮는 소스 전극층(390)을 형성한다. 소스 전극층(390)은 제1 연결 패턴층(340)과 오믹 접합을 이룰 수 있다. 소스 전극층(390)은 일례로서, 니켈(Ni), 금(Au), 타이타늄(Ti), 알루미늄(Al)등의 금속을 포함할 수 있다. 구체적인 예로서, 소스 전극층(150) 및 드레인 전극층(180)은 알루미늄(Al)층과 금(Au)층이 순차적으로 적층된 구조를 가질 수 있다.Referring to FIG. 3F, a source electrode layer 390 covering the second connection pattern layer 375 in the trench 370 is formed. The source electrode layer 390 may form an ohmic contact with the first connection pattern layer 340. The source electrode layer 390 may include a metal such as nickel (Ni), gold (Au), titanium (Ti), and aluminum (Al) As a specific example, the source electrode layer 150 and the drain electrode layer 180 may have a structure in which an aluminum (Al) layer and a gold (Au) layer are sequentially stacked.
한편, 제1 물질층(310)의 하면에는 드레인 전극층(305)을 형성할 수 있다. 드레인 전극층(305)은 일례로서, 니켈(Ni), 금(Au), 타이타늄(Ti), 알루미늄(Al)등의 금속을 포함할 수 있다. 구체적인 예로서, 소스 전극층(150) 및 드레인 전극층(180)은 알루미늄(Al)층과 금(Au)층이 순차적으로 적층된 구조를 가질 수 있다.On the other hand, a drain electrode layer 305 can be formed on the lower surface of the first material layer 310. The drain electrode layer 305 may include a metal such as nickel (Ni), gold (Au), titanium (Ti), and aluminum (Al) As a specific example, the source electrode layer 150 and the drain electrode layer 180 may have a structure in which an aluminum (Al) layer and a gold (Au) layer are sequentially stacked.
상술한 제조 방법을 진행함으로써, 노멀리-오프를 구현하는 질화물계 트랜지스터를 제조할 수 있다. 일례로서, 도 3a 내지 도 3f의 제조 방법은 도 1 및 도 2와 관련하여 상술한 질화물계 트랜지스터(10, 20)의 제조 방법에 적용될 수 있다.By proceeding with the above-described manufacturing method, a nitride-based transistor implementing the normally-off can be manufactured. As an example, the manufacturing method of Figs. 3A to 3F can be applied to the manufacturing method of the nitride-based transistors 10 and 20 described above with reference to Figs.
도시되지 않았지만, 몇몇 실시예들에 있어서, 도 3e의 게이트 전극층(380)을 형성시에, 게이트 전극층(380)과 제5 물질층(360) 사이에, 게이트 유전층으로 기능하는 유전 물질층을 추가로 형성할 수 있다. 상기 유전 물질층은 일례로서, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘산질화물을 포함할 수 있다.Although not shown, in some embodiments, a layer of dielectric material, which acts as a gate dielectric layer, is added between the gate electrode layer 380 and the fifth material layer 360, when forming the gate electrode layer 380 of Figure 3e . The dielectric material layer may comprise, by way of example, silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride.
도 4a 내지 도 4h는 본 개시의 다른 실시예에 따르는 노멀리-오프를 구현하는 질화물계 트랜지스터의 제조 방법을 개략적으로 나타내는 단면도이다. 도 4a를 참조하면, 고농도의 n형 도핑된 제1 질화물계 제1 물질층(310)을 준비한다. 제1 물질층(310)은 m-면 상에서 성장할 수 있다. 일례로서, 제1 물질층(310)은 m-면을 상면으로 가지는 GaN 기판일 수 있다.4A through 4H are cross-sectional views schematically illustrating a method of manufacturing a nitride-based transistor implementing a normally-off according to another embodiment of the present disclosure. Referring to FIG. 4A, a high concentration n-type doped first nitride based first material layer 310 is prepared. The first material layer 310 may grow on the m-plane. As an example, the first material layer 310 may be a GaN substrate having an m-plane as an upper surface.
이어서, 제1 물질층(310) 상에 n형으로 도핑된 제1 질화물계 제2 물질층(320)을 형성한다. 제2 물질층(320)은 제1 물질층(310)의 m-면 상에서 성장할 수 있다. 이에 따라, 제2 물질층(320)은 m-면에 수직인 방향으로 형성될 수 있다. 이어서, 제2 물질층(320) 상에 p형으로 도핑된 제1 질화물계 제3 물질층(330)을 형성한다. 제3 물질층(330)은 제2 물질층(320)의 m-면 상에서 성장할 수 있다. 이에 따라, 제3 물질층(330)은 m-면에 수직인 방향으로 형성될 수 있다. 이어서, 제3 물질층(330) 사에 고농도의 n형으로 도핑된 제1 질화물계 접속 물질층(440)을 형성한다. Next, a first nitride based second material layer 320 doped with n-type is formed on the first material layer 310. The second material layer 320 may grow on the m-plane of the first material layer 310. Accordingly, the second material layer 320 may be formed in a direction perpendicular to the m-plane. Next, a p-type doped first nitride based third material layer 330 is formed on the second material layer 320. The third material layer 330 may grow on the m-plane of the second material layer 320. Accordingly, the third material layer 330 may be formed in a direction perpendicular to the m-plane. Then, a high concentration n-type doped first nitride based contact material layer 440 is formed on the third material layer 330. Next,
도 4b를 참조하면, 접속 물질층(440)을 선택적으로 식각하여, 접속 패턴층(445)을 형성한다. Referring to FIG. 4B, the contact material layer 440 is selectively etched to form a contact pattern layer 445.
도 4c를 참조하면, 제3 물질층(330)을 선택적으로 식각하여, 접속 패턴층(445)을 상면에 구비하는 제3 물질 패턴층(335)를 제2 물질층(320) 상에 형성한다.Referring to FIG. 4C, the third material layer 330 is selectively etched to form a third material pattern layer 335 having a connection pattern layer 445 on the second material layer 320 .
도 4d를 참조하면, 제2 물질층(320) 상에서 제3 물질 패턴층(335) 및 접속 패턴층(445)을 매몰시키는 제1 질화물계 제4 물질층(350)을 형성한다. 제4 물질층(350)은 n형으로 도핑될 수 있다. 또한, 제4 물질층(350)은 m-면 상에서 높이 방향으로 성장하여 형성될 수 있다.Referring to FIG. 4D, a first nitride based fourth material layer 350 is formed on the second material layer 320 to fill the third material pattern layer 335 and the connection pattern layer 445. The fourth material layer 350 may be doped n-type. In addition, the fourth material layer 350 may be formed by growing in the height direction on the m-plane.
도 4e를 참조하면, 제4 물질층(350) 상에 제2 질화물계 제5 물질층(360)을 형성한다. 제5 물질층(360)은 제4 물질층(350)과 대비하여 서로 다른 밴드갭 에너지를 가질 수 있다.Referring to FIG. 4E, a second nitride based fifth material layer 360 is formed on the fourth material layer 350. The fifth material layer 360 may have different band gap energies compared to the fourth material layer 350.
일 실시예에 있어서, 제1 내지 제4 물질층(310, 320, 330, 350)과 질화물계 접속층은 GaN층일 수 있으며, 제5 물질층(360)은 AlGaN층일 수 있다. 상기 AlGaN층은 의도적으로 도핑 처리가 되지 않거나, 또는 상기 AlGaN층은 철(Fe), 탄소(C) 및 마그네슘(Mg) 중 적어도 하나가 도핑됨으로써, 절연성을 가질 수 있다.In one embodiment, the first to fourth material layers 310, 320, 330, 350 and the nitride based connecting layer may be a GaN layer and the fifth material layer 360 may be an AlGaN layer. The AlGaN layer is not intentionally doped or the AlGaN layer is doped with at least one of iron (Fe), carbon (C), and magnesium (Mg).
도 4f를 참조하면, 제5 물질층(360), 제4 물질층(350), 및 접속 패턴층(445)을 선택적으로 식각하여, 제3 물질 패턴층(335)를 노출시키는 트렌치(470)를 형성한다. 상기 트렌치(470)에 의하여 접속 패턴층(445)은 분리될 수 있으며, 한 쌍의 제1 연결 패턴층(445)을 형성할 수 있다.4F, a trench 470 is formed by selectively etching the fifth material layer 360, the fourth material layer 350, and the connection pattern layer 445 to expose the third material pattern layer 335, . The connection pattern layer 445 can be separated by the trench 470 and a pair of first connection pattern layers 445 can be formed.
도 4g를 참조하면, 트렌치(470) 내부의 제3 물질 패턴층(335) 상에 제2 연결 패턴층(475)을 형성한다. 제2 연결 패턴층(475)은 제3 물질 패턴층(335)과 오믹 접합을 이룰 수 있다. 제2 연결 패턴층(475)은 일례로서, 니켈(Ni), 금(Au) 등의 금속을 포함할 수 있다. 구체적인 예로서, 제2 연결 패턴층(475)은 니켈(Ni)층과 금(Au)층이 순차적으로 적층된 구조를 가질 수 있다.Referring to FIG. 4G, a second connection pattern layer 475 is formed on the third material pattern layer 335 in the trench 470. The second connection pattern layer 475 may form an ohmic contact with the third material pattern layer 335. The second connection pattern layer 475 may include a metal such as nickel (Ni) and gold (Au) as an example. As a specific example, the second connection pattern layer 475 may have a structure in which a nickel (Ni) layer and a gold (Au) layer are sequentially stacked.
도 4h를 참조하면, 제5 물질층(360) 상에 게이트 전극층(380)을 형성한다. 게이트 전극층(380)은 일례로서, 니켈(Ni), 금(Au), 타이타늄(Ti), 알루미늄(Al)등의 금속을 포함할 수 있다. 구체적인 예로서, 게이트 전극층(130)은 니켈(Ni)층과 금(Au)층이 순차적으로 적층된 구조를 가질 수 있다.Referring to FIG. 4H, a gate electrode layer 380 is formed on the fifth material layer 360. The gate electrode layer 380 may include a metal such as nickel (Ni), gold (Au), titanium (Ti), and aluminum (Al) As a specific example, the gate electrode layer 130 may have a structure in which a nickel (Ni) layer and a gold (Au) layer are sequentially stacked.
또한, 제2 연결 패턴층(475)를 덮도록 트렌치(470)를 메우는 소스 전극층(390)을 형성한다. 소스 전극층(390)은 제1 연결 패턴층(340)과 오믹 접합을 이룰 수 있다. 소스 전극층(390)은 일례로서, 니켈(Ni), 금(Au), 타이타늄(Ti), 알루미늄(Al)등의 금속을 포함할 수 있다. 구체적인 예로서, 소스 전극층(150) 및 드레인 전극층(180)은 알루미늄(Al)층과 금(Au)층이 순차적으로 적층된 구조를 가질 수 있다.Further, a source electrode layer 390 filling the trench 470 is formed so as to cover the second connection pattern layer 475. The source electrode layer 390 may form an ohmic contact with the first connection pattern layer 340. The source electrode layer 390 may include a metal such as nickel (Ni), gold (Au), titanium (Ti), and aluminum (Al) As a specific example, the source electrode layer 150 and the drain electrode layer 180 may have a structure in which an aluminum (Al) layer and a gold (Au) layer are sequentially stacked.
도 4h를 다시 참조하면, 제1 물질층(310)의 하면에는 드레인 전극층(305)을 형성할 수 있다. 드레인 전극층(305)은 일례로서, 니켈(Ni), 금(Au), 타이타늄(Ti), 알루미늄(Al)등의 금속을 포함할 수 있다. 구체적인 예로서, 소스 전극층(150) 및 드레인 전극층(180)은 알루미늄(Al)층과 금(Au)층이 순차적으로 적층된 구조를 가질 수 있다.Referring again to FIG. 4H, a drain electrode layer 305 may be formed on the lower surface of the first material layer 310. FIG. The drain electrode layer 305 may include a metal such as nickel (Ni), gold (Au), titanium (Ti), and aluminum (Al) As a specific example, the source electrode layer 150 and the drain electrode layer 180 may have a structure in which an aluminum (Al) layer and a gold (Au) layer are sequentially stacked.
상술한 제조 방법을 진행함으로써, 노멀리-오프를 구현하는 질화물계 트랜지스터를 제조할 수 있다. 일례로서, 도 4a 내지 도 4h의 제조 방법은 도 1 및 도 2와 관련하여 상술한 질화물계 트랜지스터(10, 20)의 제조 방법에 적용될 수 있다.By proceeding with the above-described manufacturing method, a nitride-based transistor implementing the normally-off can be manufactured. As an example, the manufacturing method of Figs. 4A to 4H can be applied to the manufacturing method of the nitride-based transistors 10 and 20 described above with reference to Figs.
도 5a 및 도 5b는 본 개시의 제3 실시예에 따르는 노멀리-오프를 구현하는 질화물계 트랜지스터를 개략적으로 나타내는 단면도이다. 구체적으로, 도 5a는 질화물계 트랜지스터(30)의 턴오프 상태를 개략적으로 나타내고 있으며, 도 5b는 질화물계 트랜지스터(30)의 턴온 상태를 개략적으로 나타내고 있다.5A and 5B are cross-sectional views schematically illustrating a nitride-based transistor implementing a normally-off according to a third embodiment of the present disclosure. Specifically, FIG. 5A schematically shows the turn-off state of the nitride-based transistor 30, and FIG. 5B schematically shows the turn-on state of the nitride-based transistor 30. FIG.
먼저, 도 5a를 참조하면, 질화물계 트랜지스터(30)는 c-면 상에서 성장한 n형 도핑된 제1 질화물계 제1 반도체층(510), 제1 반도체층(510) 상에 배치되고 p형 도핑된 제1 질화물계 제2 반도체층(520)을 포함한다. 5A, the nitride-based transistor 30 includes an n-type doped first nitride based first semiconductor layer 510 grown on a c-plane, a second nitride based first semiconductor layer 510 disposed on the first semiconductor layer 510, And a second nitride based second semiconductor layer (520).
또한, 질화물계 트랜지스터(30)는 제2 반도체층(520)을 관통하여 제1 반도체층(510)의 내부에 이르는 트렌치(530)를 구비할 수 있다. 질화물계 트랜지스터(30)는 트렌치(530)의 내벽을 따라 배치되는 동시에 트렌치(530) 외부의 제2 반도체층(520) 상에 배치되는 제1 질화물계 제3 반도체층(540), 트렌치(530)의 내부 및 외부의 제3 반도체층(540) 상에 배치되는 절연성 제2 질화물계 제4 반도체층(550), 및 제4 반도체층(550) 상에 배치되는 게이트 전극층(560)을 포함할 수 있다. 이때, 제3 반도체층(540)과 제4 반도체층(550)은 서로 다른 에너지 밴드갭을 구비할 수 있다. 한편, 제2 반도체층(520) 및 제3 반도체층(540)은 c-면 상에서 성장한 질화물계 반도체층일 수 있다. c-면 상에서 성장한 제3 반도체층(540)과 제4 반도체층(550)의 계면 영역에서는 2DEG층이 형성될 수 있다. 논의의 편의상, 도 5a의 y 방향을 c-면에 수직인 방향으로 정하고, x 방향을 c-면에 평행한 방향으로 정한다.The nitride-based transistor 30 may include a trench 530 that penetrates the second semiconductor layer 520 and reaches the inside of the first semiconductor layer 510. The nitride-based transistor 30 includes a first nitride-based third semiconductor layer 540 disposed along the inner wall of the trench 530 and disposed on the second semiconductor layer 520 outside the trench 530, a trench 530 A second insulating fourth nitride semiconductor layer 550 disposed on the third semiconductor layer 540 inside and outside the first semiconductor layer 550 and a gate electrode layer 560 disposed on the fourth semiconductor layer 550 . At this time, the third semiconductor layer 540 and the fourth semiconductor layer 550 may have different energy band gaps. Meanwhile, the second semiconductor layer 520 and the third semiconductor layer 540 may be a nitride-based semiconductor layer grown on the c-plane. A 2DEG layer may be formed in the interface region between the third semiconductor layer 540 and the fourth semiconductor layer 550 grown on the c-plane. For convenience of discussion, the y direction in FIG. 5A is set to a direction perpendicular to the c-plane, and the x direction is set to a direction parallel to the c-plane.
한편, 질화물계 트랜지스터(30)는 게이트 전극층(560) 측면 방향의 제3 및 제4 반도체층(540, 550)의 내부에 배치되는 고농도의 n형 도핑 패턴 영역(575)을 포함할 수 있다. 또한, 질화물계 트랜지스터(30)는 n형 도핑 패턴 영역(575) 상에 배치되는 소스 전극층(570)을 포함할 수 있다. 소스 전극층(570)은 n형 도핑 패턴 영역(575)을 통하여 제3 반도체층(540)에 전하를 공급할 수 있다. N형 도핑 패턴 영역(575)은 제3 반도체층(540) 및 제4 반도체층(550)에 선택적으로 n형 도펀트를 주입시켜 형성할 수 있다.The nitride-based transistor 30 may include a high-concentration n-type doping pattern region 575 disposed inside the third and fourth semiconductor layers 540 and 550 in the lateral direction of the gate electrode layer 560. In addition, the nitride-based transistor 30 may include a source electrode layer 570 disposed on the n-type doping pattern region 575. The source electrode layer 570 can supply charge to the third semiconductor layer 540 through the n-type doping pattern region 575. [ The N-type doping pattern region 575 may be formed by selectively implanting an n-type dopant into the third semiconductor layer 540 and the fourth semiconductor layer 550.
또한, 질화물계 트랜지스터(30)는 제1 반도체층(510)의 하면에 배치되는 고농도의 n형 도핑된 제1 질화물계 제5 반도체층(580), 및 제5 반도체층(580)의 하면에 배치되는 드레인 전극층(590)을 포함할 수 있다. The nitride-based transistor 30 includes a first n-type doped first nitride semiconductor layer 580 and a second n-type doped first nitride semiconductor layer 580 disposed on the lower surface of the first semiconductor layer 510, And a drain electrode layer 590 disposed thereon.
일 실시예에서, 제1 및 제3 반도체층(510, 540)은 n형 도핑된 GaN층이며, 제2 반도체층(520)은 p형 도핑된 GaN층이며, 제4 반도체층(550)은 AlGaN층일 수 있다. 제5 반도체층(580)은 고농도의 n형 도핑된 GaN층일 수 있다. 제1 내지 제3 반도체층(510, 520, 540), 및 제5 반도체층(580)은 c-면 상에서 성장한 질화물계 물질층일 수 있다. In one embodiment, the first and third semiconductor layers 510 and 540 are an n-type doped GaN layer, the second semiconductor layer 520 is a p-type doped GaN layer, AlGaN layer. The fifth semiconductor layer 580 may be a high concentration n-type doped GaN layer. The first to third semiconductor layers 510, 520, and 540, and the fifth semiconductor layer 580 may be a nitride-based material layer grown on the c-plane.
소스 전극층(570) 및 드레인 전극층(590)은 일례로서, 니켈(Ni), 금(Au), 타이타늄(Ti), 알루미늄(Al)등의 금속을 포함할 수 있다. 구체적인 예로서, 소스 전극층(150) 및 드레인 전극층(180)은 알루미늄(Al)층과 금(Au)층이 순차적으로 적층된 구조를 가질 수 있다. 게이트 전극(560)은 일례로서, 니켈(Ni), 금(Au), 타이타늄(Ti), 알루미늄(Al)등의 금속을 포함할 수 있다. 구체적인 예로서, 게이트 전극층(130)은 니켈(Ni)층과 금(Au)층이 순차적으로 적층된 구조를 가질 수 있다.The source electrode layer 570 and the drain electrode layer 590 may include metals such as nickel (Ni), gold (Au), titanium (Ti), and aluminum (Al) As a specific example, the source electrode layer 150 and the drain electrode layer 180 may have a structure in which an aluminum (Al) layer and a gold (Au) layer are sequentially stacked. The gate electrode 560 may include a metal such as nickel (Ni), gold (Au), titanium (Ti), and aluminum (Al) As a specific example, the gate electrode layer 130 may have a structure in which a nickel (Ni) layer and a gold (Au) layer are sequentially stacked.
본 실시예에서, 제4 반도체층(550)은 게이트 전극층(560)의 하부에서 게이트 유전층으로 기능할 수 있다. 일례로서, 제4 반도체층(550)이 AlGaN층일 경우, AlGaN층은 의도적으로 도핑 처리가 되지 않을 수 있다. 또는 상기 AlGaN층에는 철(Fe), 탄소(C) 및 마그네슘(Mg) 중 적어도 하나로 도핑될 수도 있다.In this embodiment, the fourth semiconductor layer 550 may function as a gate dielectric layer at the bottom of the gate electrode layer 560. As an example, when the fourth semiconductor layer 550 is an AlGaN layer, the AlGaN layer may not be intentionally doped. Alternatively, the AlGaN layer may be doped with at least one of iron (Fe), carbon (C), and magnesium (Mg).
본 실시예의 질화물계 트랜지스터에서, 게이트 전극층(560)에 문턱 전압 미만의 전압이 인가될 때 턴오프 상태를 유지할 수 있다. 이때, 제2 반도체층(520)과 제1 및 3 반도체층(510, 540)의 계면에는 PN 접합에 의해 공핍층(Ad)이 형성되어 제3 반도체층(540)의 내부를 채울 수 있다. 이에 더하여, 제2 반도체층(520)의 일부분 및 제2 반도체층(520)과 접하는 제1 반도체층(510)의 일부분에도 공핍층(Ad)이 형성될 수 있다.In the nitride-based transistor of this embodiment, the turn-off state can be maintained when a voltage less than the threshold voltage is applied to the gate electrode layer 560. At this time, a depletion layer Ad is formed at the interface between the second semiconductor layer 520 and the first and third semiconductor layers 510 and 540 by PN junction to fill the inside of the third semiconductor layer 540. In addition, a depletion layer Ad may be formed on a portion of the second semiconductor layer 520 and a portion of the first semiconductor layer 510 in contact with the second semiconductor layer 520.
한편, 소스 전극층(570)으로부터 n형 도핑 패턴 영역(575)을 통해 공급되는 전하는 제3 반도체층(540)의 공핍층(Ad)에 의해 포획됨으로써, 제1 및 제5 반도체층(510, 580)을 경유하여 드레인 전극층(590)으로 향하는 전하 흐름이 억제될 수 있다. 즉, 게이트 전극층(560)에 문턱 전압 미만의 전압이 유지되는 동안, 질화물계 트랜지스터(30)는 노멀리-오프 상태를 유지할 수 있다.On the other hand, the charges supplied from the source electrode layer 570 through the n-type doping pattern region 575 are trapped by the depletion layer Ad of the third semiconductor layer 540, so that the first and fifth semiconductor layers 510 and 580 The flow of charges toward the drain electrode layer 590 can be suppressed. That is, while the voltage lower than the threshold voltage is maintained in the gate electrode layer 560, the nitride-based transistor 30 can maintain the normally-off state.
도 5b를 참조하면, 질화물계 트랜지스터에서, 게이트 전극층(560)에 문턱 전압 이상의 동작 전압이 인가될 때 턴오프 상태로부터 턴온 상태로 전환될 수 있다. 상기 동작 전압에 의해 제3 반도체층(540)의 공핍층이 제거됨으로써, 상기 제3 반도체층이 전하 전도성을 회복할 수 있다. 구체적으로, 도 5b에서와 같이, 적어도 게이트 전극층(560) 하부의 제3 반도체층(540)은 n형 도펀트에 의한 전하 전도성을 회복할 수 있다.Referring to FIG. 5B, in a nitride-based transistor, a turn-off state can be switched from a turn-off state to a turn-on state when an operation voltage equal to or higher than a threshold voltage is applied to the gate electrode layer 560. The depletion layer of the third semiconductor layer 540 is removed by the operation voltage, so that the third semiconductor layer can recover the charge conductivity. Specifically, as shown in FIG. 5B, at least the third semiconductor layer 540 under the gate electrode layer 560 can restore the charge conductivity by the n-type dopant.
또한, c-면 상에서 성장한 제3 반도체층(540)과 제4 반도체층(550) 사이의 계면 영역에서는 2DEG층이 형성될 수 있다. 일례로서, c-면 상에서 GaN층이 성장할 때, Ga 면 및 N 면이 교대로 적층되는 구조를 가질 수 있으며, Ga 면과 N 면 사이의 분극에 의한 자발 분극이 발생할 수 있다. 또한, c-면 상에서 성장한 GaN층이 AlGaN층과 접합하는 경우, GaN 층의 자발 분극 또는 GaN과 AlGaN층의 계면에서의 압전 분극에 기인하여 계면 영역에 2DEG층이 형성될 수 있다. In addition, a 2DEG layer can be formed in the interface region between the third semiconductor layer 540 and the fourth semiconductor layer 550 grown on the c-plane. As an example, when the GaN layer is grown on the c-plane, the Ga plane and the N plane may be alternately stacked, and spontaneous polarization due to polarization between the Ga plane and the N plane may occur. Further, when the GaN layer grown on the c-plane is bonded to the AlGaN layer, the 2DEG layer may be formed in the interface region due to the spontaneous polarization of the GaN layer or the piezoelectric polarization at the interface between the GaN and AlGaN layers.
한편, 도 5b를 다시 참조하면, 트렌치(530)의 측벽 면은 c-면과 수직 방향을 이룰 수 있다. 즉, 트렌치(530)의 측벽 면은 y 방향에 평행하며 x 방향에 수직 방향으로 배치될 수 있다. 트렌치(530)의 측벽 면에 위치하는 제3 반도체층(540)은 c-면 상에서 성장한 것이 아니므로, 제4 반도체층(550)과의 계면에서 2DEG층을 형성하지 못한다. 5B, the side wall surface of the trench 530 may be perpendicular to the c-plane. That is, the sidewall surfaces of the trenches 530 may be parallel to the y-direction and perpendicular to the x-direction. Since the third semiconductor layer 540 located on the sidewall of the trench 530 is not grown on the c-plane, the 2DEG layer can not be formed at the interface with the fourth semiconductor layer 550.
트렌치(530)의 측벽 면에 위치하는 제3 반도체층(540) 내의 공핍층(Ad)은 게이트 전극층(560)에 인가되는 상기 동작 전압에 의해 제거되어, 트렌치(530)의 측벽 면에 평행한 방향으로 전도성 채널(Ac)을 형성할 수 있다. 이에 따라, 소스 전극층(570), n형 도핑 패턴 영역(575), 2DEG층을 따라 측면 방향으로 이동한 전하가, 전도성 채널(Ac)을 따라 수직 방향으로 이동하여 제1 반도체층(510), 제5 반도체층(580)을 경유하여 드레인 전극층(590)에 도달할 수 있다.The depletion layer Ad in the third semiconductor layer 540 located on the sidewall surface of the trench 530 is removed by the operating voltage applied to the gate electrode layer 560, The conductive channel (Ac) can be formed. Accordingly, the charges moved in the lateral direction along the source electrode layer 570, the n-type doping pattern region 575 and the 2DEG layer move in the vertical direction along the conductive channel Ac to form the first semiconductor layer 510, And reach the drain electrode layer 590 via the fifth semiconductor layer 580. [
상술한 바와 같이, 본 실시예에서는, c-면 상에서 성장한 제1 질화물계 제3 반도체층(540)을 전도층으로 이용하여 질화물계 트랜지스터를 제조할 수 있다. 제1 질화물계 제3 반도체층(540)이 c-면 상에서 성장하는 경우, 에너지 밴드갭이 서로 다른 제2 질화물계 반도체층(550)과의 접합 계면 영역에서 2DEG층을 형성할 수 있다. 한편, 본 실시예에서는 제1 질화물계 제1 및 제2 반도체층(510, 520)에 트렌치(530)를 형성하고 트렌치(530)의 측벽과 평행한 방향으로 상기 제1 질화물계 제3 반도체층(540) 내에 전도성 채널(Ac)을 형성한다. 트렌치(530)의 측벽과 평행한 방향은 c-면과 수직한 방향으로서, 제1 질화물계 제3 반도체층(540)과 제2 질화물계 반도체층(550)의 계면에서 분극 현상이 억제될 수 있다. 이에 따라, 제1 질화물계 제3 반도체층(540)과 제2 질화물계 반도체층(550)의 계면에서 상기 2DEG층의 형성이 억제될 수 있다. 결과적으로 질화물계 트랜지스터에 문턱 전압 미만의 전압이 인가될 때, 노멀리-오프 상태를 효과적으로 구현할 수 있다. 또한, 턴온 시에는 채널(Ac)을 제외한 제1 질화물계 제3 반도체층(540)과 제2 질화물계 반도체층(550) 계면 영역에 2DEG 층이 형성됨으로써, 채널(Ac)로의 전하 공급량을 증가시켜 채널(Ac)을 통해 흐르는 전류량을 증가시킬 수 있다.As described above, in this embodiment, the nitride-based transistor can be manufactured using the first nitride-based third semiconductor layer 540 grown on the c-plane as the conductive layer. When the first nitride based third semiconductor layer 540 grows on the c-plane, the 2DEG layer can be formed in the interface region of the second nitride based semiconductor layer 550 having a different energy bandgap. In this embodiment, trenches 530 are formed in the first and second nitride-based first and second semiconductor layers 510 and 520, and the first nitride-based third semiconductor layer 510 is formed in a direction parallel to the sidewalls of the trench 530. [ Thereby forming a conductive channel (Ac) in the via hole (540). The direction parallel to the sidewalls of the trench 530 is perpendicular to the c-plane, and the polarization phenomenon can be suppressed at the interface between the first nitride based third semiconductor layer 540 and the second nitride based semiconductor layer 550 have. Accordingly, the formation of the 2DEG layer can be suppressed at the interface between the first nitride based third semiconductor layer 540 and the second nitride based semiconductor layer 550. As a result, when a voltage less than the threshold voltage is applied to the nitride-based transistor, the normally-off state can be effectively realized. In addition, at the time of the turn-on, the 2DEG layer is formed in the interface region of the first nitride based third semiconductor layer 540 and the second nitride based semiconductor layer 550 except for the channel Ac, thereby increasing the charge supply amount to the channel (Ac) So that the amount of current flowing through the channel Ac can be increased.
몇몇 다른 실시예들에 있어서, 트렌치(530)의 측벽 면은 트렌치(530)의 바닥 면에 대하여 수직 방향으로 형성되지 않고, 소정 각도로 경사지도록 형성될 수 있다. 이 경우, 트렌치(530)의 측벽과 평행한 방향은 c-면과 수직한 방향이 아닐 수 있다. 이에 따라, 제1 질화물계 제3 반도체층(540)과 제2 질화물계 반도체층(550)의 계면에서의 분극 현상이 완전히 억제되지 않을 수 있다. 그 결과, 트렌치(530)의 측벽을 따라 배치되는 제1 질화물계 제3 반도체층(540)과 제2 질화물계 반도체층(550)의 계면에서 상기 2DEG층이 국부적으로 형성될 수도 있다. 하지만, 이러한 국부적으로 형성되는 2DEG층은 제2 반도체층(520)과 제3 반도체층(540) 사이에 형성되는 전계에 의해 제거되도록 제어될 수 있다. 따라서, 질화물계 트랜지스터에서의 노멀리-오프 상태는 유효하게 유지될 수 있다.In some other embodiments, the sidewall surface of the trench 530 is not formed in a direction perpendicular to the bottom surface of the trench 530, but may be formed to be inclined at a predetermined angle. In this case, the direction parallel to the sidewalls of the trench 530 may not be perpendicular to the c-plane. Thus, the polarization phenomenon at the interface between the first nitride based third semiconductor layer 540 and the second nitride based semiconductor layer 550 may not be completely suppressed. As a result, the 2DEG layer may be locally formed at the interface between the first nitride based semiconductor layer 540 and the second nitride based semiconductor layer 550 disposed along the sidewalls of the trench 530. However, such a locally formed 2DEG layer can be controlled to be removed by the electric field formed between the second semiconductor layer 520 and the third semiconductor layer 540. [ Therefore, the normally-off state in the nitride-based transistor can be effectively maintained.
도 6은 본 개시의 제4 실시예에 따르는 노멀리-오프를 구현하는 질화물계 트랜지스터를 개략적으로 나타내는 단면도이다. 도 6을 참조하면, 질화물계 트랜지스터(40)는 제4 반도체층(550)과 게이트 전극층(560) 사이에 배치되는 게이트 유전층(665)을 더 포함하는 구성을 제외하면, 도 3과 관련하여 상술한 질화물계 트랜지스터(30)과 구성이 실질적으로 동일하다.6 is a cross-sectional view schematically showing a nitride-based transistor implementing a normally-off according to the fourth embodiment of the present disclosure; Referring to FIG. 6, the nitride-based transistor 40 includes a gate dielectric layer 665 disposed between the fourth semiconductor layer 550 and the gate electrode layer 560, The structure of the nitride-based transistor 30 is substantially the same.
게이트 유전층(665)은 일례로서, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘산질화물을 포함할 수 있다. 게이트 유전층(665)은 제4 반도체층(550)과 함께, 게이트 전극층(560)에 의한 전도성 채널 형성 동작을 보다 신뢰성 있게 구현할 수 있다.The gate dielectric layer 665 may comprise, by way of example, silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride. The gate dielectric layer 665 can more reliably realize the conductive channel forming operation by the gate electrode layer 560 together with the fourth semiconductor layer 550. [
이상에서는 도면 및 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 개시의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 개시된 실시예들을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is evident that many alternatives, modifications and variations will be apparent to those skilled in the art in light of the above teachings. It will be understood.
* 부호의 설명* Explanation of symbols
110: 질화물계 제1 반도체층, 120: 제2 질화물계 제2 반도체층110: a nitride-based first semiconductor layer, 120: a second nitride-based second semiconductor layer
130: 게이트 전극층 140: 제1 질화물계 제3 반도체층130: gate electrode layer 140: first nitride-based third semiconductor layer
141: 제1 연결 패턴층 142: 제2 연결 패턴층141: first connection pattern layer 142: second connection pattern layer
150: 소스 전극층 160: 제1 질화물계 제4 반도체층150: source electrode layer 160: first nitride-based fourth semiconductor layer
170: 제1 질화물계 제5 반도체층 180: 드레인 전극층170: first nitride-based fifth semiconductor layer 180: drain electrode layer
235: 게이트 유전층235: gate dielectric layer
305: 드레인 전극층305: drain electrode layer
310, 320, 330, 350: 제1 질화물계 제1 ~ 제4 물질층310, 320, 330, 350: first nitride-based first to fourth material layers
340: 제1 연결 패턴층 360: 제2 질화물계 제5 물질층340: first connection pattern layer 360: second nitride based fifth material layer
370: 트렌치 375: 제2 연결 패턴층370: Trench 375: Second connection pattern layer
380: 게이트 전극층 390: 소스 전극층380: gate electrode layer 390: source electrode layer
440: 접속 물질층 470: 트렌치440: connecting material layer 470: trench
510: 제1 질화물계 제1 반도체층 520: 제1 질화물계 제2 반도체층510: first nitride based first semiconductor layer 520: first nitride based second semiconductor layer
530: 트렌치 540: 제1 질화물계 제3 반도체층530: trench 540: first nitride-based third semiconductor layer
550: 제1 질화물계 제4 반도체층 560: 게이트 전극층550: first nitride-based fourth semiconductor layer 560: gate electrode layer
570: 소스 전극층 580: 제1 질화물계 제5 반도체층570: source electrode layer 580: first nitride-based fifth semiconductor layer
590: 드레인 전극층 665: 게이트 유전층590: drain electrode layer 665: gate dielectric layer

Claims (22)

  1. m-면 상에서 성장한 n형 도핑된 제1 질화물계 제1 반도체층;an n-type doped first nitride based first semiconductor layer grown on an m-plane;
    상기 제1 반도체층 상에 배치되는 절연성 제2 질화물계 제2 반도체층; 및An insulating second nitride based second semiconductor layer disposed on the first semiconductor layer; And
    상기 제2 반도체층 상에 배치되는 게이트 전극층을 구비하고,And a gate electrode layer disposed on the second semiconductor layer,
    상기 제1 반도체층과 상기 제2 반도체층은 서로 다른 에너지 밴드갭을 가지는 노멀리-오프를 구현하는 질화물계 트랜지스터.Wherein the first semiconductor layer and the second semiconductor layer implement a normally-off having different energy band gaps.
  2. 제1 항에 있어서,The method according to claim 1,
    상기 게이트 전극층의 측면 방향에서 상기 제1 반도체층과 접하도록 배치되는 p형 도핑된 제1 질화물계 제3 반도체층; 및A p-type doped first nitride based third semiconductor layer disposed in contact with the first semiconductor layer in a lateral direction of the gate electrode layer; And
    상기 제3 반도체층 상에 배치되는 소스 전극층을 더 포함하는 노멀리-오프를 구현하는 질화물계 트랜지스터.Further comprising a source electrode layer disposed on the third semiconductor layer.
  3. 제2 항에 있어서,3. The method of claim 2,
    상기 소스 전극층은 상기 제1 반도체층 및 상기 제3 반도체층과 전기적으로 연결되는 노멀리-오프를 구현하는 질화물계 트랜지스터.Wherein the source electrode layer is electrically connected to the first semiconductor layer and the third semiconductor layer.
  4. 제2 항에 있어서,3. The method of claim 2,
    상기 제1 반도체층은 n형 도핑된 GaN층이며,The first semiconductor layer is an n-type doped GaN layer,
    상기 제2 반도체층은 AlGaN층이며,The second semiconductor layer is an AlGaN layer,
    상기 제3 반도체층은 p형 도핑된 GaN층인 노멀리-오프를 구현하는 질화물계 트랜지스터.Wherein the third semiconductor layer is a p-type doped GaN layer that implements normally-off.
  5. 제1 항에 있어서,The method according to claim 1,
    상기 AlGaN층은 의도적으로 도핑 처리가 되지 않은 절연성 질화물계 반도체층인 노멀리-오프를 구현하는 질화물계 트랜지스터.Wherein the AlGaN layer is an insulating nitride-based semiconductor layer that is not intentionally doped.
  6. 제1 항에 있어서,The method according to claim 1,
    상기 AlGaN층은 철(Fe), 탄소(C) 및 마그네슘(Mg) 중 적어도 하나가 도핑된 절연성 질화물계 반도체층인 노멀리-오프를 구현하는 질화물계 트랜지스터.Wherein the AlGaN layer is an insulating nitride-based semiconductor layer doped with at least one of iron (Fe), carbon (C), and magnesium (Mg).
  7. 제2 항에 있어서,3. The method of claim 2,
    상기 제1 반도체층 및 상기 제3 반도체층의 하면에 배치되는 n형 도핑된 제1 질화물계 제4 반도체층; An n-type doped first nitride based fourth semiconductor layer disposed on a lower surface of the first semiconductor layer and the third semiconductor layer;
    상기 제4 반도체층의 하면에 배치되는 고농도의 n형 도핑된 제1 질화물계 제5 반도체층; 및A first n-type doped first nitride based fifth semiconductor layer disposed on a lower surface of the fourth semiconductor layer; And
    상기 제5 반도체층의 하면에 배치되는 드레인 전극층을 더 포함하는 노멀리-오프를 구현하는 질화물계 트랜지스터.Further comprising a drain electrode layer disposed on a lower surface of the fifth semiconductor layer.
  8. 제7 항에 있어서,8. The method of claim 7,
    상기 제4 반도체층 및 상기 제5 반도체층은 m-면으로 성장한 질화물계 반도체층인 노멀리-오프를 구현하는 질화물계 트랜지스터.Wherein the fourth semiconductor layer and the fifth semiconductor layer are nitride-based semiconductor layers grown in an m-plane.
  9. 제1 항에 있어서,The method according to claim 1,
    턴오프 상태일 때 상기 제1 반도체층과 상기 제3 반도체층의 계면에서 PN 접합에 의해 형성되는 공핍층이 상기 제1 반도체층 내부를 채우는 노멀리-오프를 구현하는 질화물계 트랜지스터.Off state in which a depletion layer formed by a PN junction at an interface between the first semiconductor layer and the third semiconductor layer is filled in the first semiconductor layer when the first semiconductor layer and the second semiconductor layer are turned off.
  10. 제9 항에 있어서,10. The method of claim 9,
    턴온 상태일 때 상기 게이트 전극층에 인가되는 동작 전압에 의해, 상기 게이트 전극층 하부의 상기 공핍층이 제거되어 상기 제1 반도체층의 전하 전도성이 회복되는 노멀리-오프를 구현하는 질화물계 트랜지스터.Off state in which the depletion layer under the gate electrode layer is removed by an operation voltage applied to the gate electrode layer in a turn-on state to restore the charge conductivity of the first semiconductor layer.
  11. 제1 항에 있어서,The method according to claim 1,
    상기 제2 반도체층과 상기 게이트 전극층 사이에 배치되는 게이트 유전층을 더 포함하는 노멀리-오프를 구현하는 질화물계 트랜지스터.Further comprising a gate dielectric layer disposed between the second semiconductor layer and the gate electrode layer.
  12. c-면 상에서 성장한 n형 도핑된 제1 질화물계 제1 반도체층;an n-type doped first nitride based first semiconductor layer grown on a c-plane;
    상기 제1 반도체층 상에 배치되고 p형 도핑된 제1 질화물계 제2 반도체층;A p-type doped first nitride based second semiconductor layer disposed on the first semiconductor layer;
    상기 제2 반도체층을 관통하여 상기 제1 반도체층의 내부에 이르는 트렌치의 내벽을 따라 배치되는 동시에 상기 트렌치 외부의 상기 제2 반도체층 상에 배치되는 제1 질화물계 제3 반도체층;A first nitride based third semiconductor layer disposed along the inner wall of the trench passing through the second semiconductor layer to reach the inside of the first semiconductor layer and disposed on the second semiconductor layer outside the trench;
    상기 트렌치의 내부 및 외부의 상기 제3 반도체층 상에 배치되는 절연성 제2 질화물계 제4 반도체층; 및An insulating second nitride-based fourth semiconductor layer disposed on the third semiconductor layer inside and outside the trench; And
    상기 제4 반도체층 상에 배치되는 게이트 전극층을 포함하고,And a gate electrode layer disposed on the fourth semiconductor layer,
    상기 제3 반도체층과 상기 제4 반도체층은 서로 다른 에너지 밴드갭을 구비하는 노멀리-오프를 구현하는 질화물계 트랜지스터.And wherein the third semiconductor layer and the fourth semiconductor layer implement a normally-off having different energy band gaps.
  13. 제12 항에 있어서,13. The method of claim 12,
    상기 게이트 전극층의 측면 방향의 상기 제3 및 제4 반도체층의 내부에 배치되는 고농도의 n형 도핑 패턴 영역; 및A high concentration n-type doping pattern region disposed inside the third and fourth semiconductor layers in a lateral direction of the gate electrode layer; And
    상기 n형 도핑 패턴 영역 상에 배치되는 소스 전극층을 더 포함하는 노멀리-오프를 구현하는 질화물계 트랜지스터.And a source electrode layer disposed on the n-type doping pattern region.
  14. 제12 항에 있어서,13. The method of claim 12,
    상기 제3 반도체층과 상기 제4 반도체층의 계면 영역에 배치되는 2DEG층을 더 포함하되,And a 2DEG layer disposed in an interface region between the third semiconductor layer and the fourth semiconductor layer,
    상기 2DEG층은 상기 트렌치의 측벽 면과 평행한 계면 상에서 억제되는 노멀리-오프를 구현하는 질화물계 트랜지스터.Wherein the 2DEG layer implements a normally-off suppression at an interface parallel to the sidewall surface of the trench.
  15. 제12 항에 있어서,13. The method of claim 12,
    상기 제1 및 제3 반도체층은 n형 도핑된 GaN층이며,Wherein the first and third semiconductor layers are n-type doped GaN layers,
    상기 제2 반도체층은 p형 도핑된 GaN층이며,The second semiconductor layer is a p-type doped GaN layer,
    상기 제4 반도체층은 AlGaN층인 노멀리-오프를 구현하는 질화물계 트랜지스터.Wherein the fourth semiconductor layer is an AlGaN layer that implements normally-off.
  16. 제15 항에 있어서,16. The method of claim 15,
    상기 AlGaN층은 의도적으로 도핑 처리가 되지 않은 절연성 질화물계 반도체층인 노멀리-오프를 구현하는 질화물계 트랜지스터.Wherein the AlGaN layer is an insulating nitride-based semiconductor layer that is not intentionally doped.
  17. 제15 항에 있어서,16. The method of claim 15,
    상기 AlGaN층은 철(Fe), 탄소(C) 및 마그네슘(Mg) 중 적어도 하나가 도핑된 절연성 질화물계 반도체층인 노멀리-오프를 구현하는 질화물계 트랜지스터.Wherein the AlGaN layer is an insulating nitride-based semiconductor layer doped with at least one of iron (Fe), carbon (C), and magnesium (Mg).
  18. 제12 항에 있어서,13. The method of claim 12,
    상기 제1 반도체층의 하면에 배치되는 고농도의 n형 도핑된 제1 질화물계 제5 반도체층; 및A first n-type doped first nitride based fifth semiconductor layer disposed on a lower surface of the first semiconductor layer; And
    상기 제5 반도체층의 하면에 배치되는 드레인 전극층을 더 포함하는 노멀리-오프를 구현하는 질화물계 트랜지스터.Further comprising a drain electrode layer disposed on a lower surface of the fifth semiconductor layer.
  19. 제18 항에 있어서,19. The method of claim 18,
    상기 제5 반도체층은 c-면으로 성장한 질화물계 반도체층인 노멀리-오프를 구현하는 질화물계 트랜지스터.And the fifth semiconductor layer is a nitride-based semiconductor layer grown in a c-plane.
  20. 제12 항에 있어서,13. The method of claim 12,
    턴오프 상태일 때 상기 제2 반도체층과 상기 제3 반도체층의 계면에서 PN 접합에 의해 형성되는 공핍층이, 적어도 상기 게이트 전극층과 접하는 상기 제3 반도체층 내부를 채우는 노멀리-오프를 구현하는 질화물계 트랜지스터.A depletion layer formed by the PN junction at the interface between the second semiconductor layer and the third semiconductor layer in the turn-off state realizes a normally-off state filling at least the inside of the third semiconductor layer in contact with the gate electrode layer Nitride type transistor.
  21. 제12 항에 있어서,13. The method of claim 12,
    턴온 상태일 때 상기 게이트 전극층에 인가되는 동작 전압에 의해, 상기 공핍층이 제거되어 상기 제3 반도체층의 전하 전도성이 회복되는 노멀리-오프를 구현하는 질화물계 트랜지스터.Off state in which the depletion layer is removed and the charge conductivity of the third semiconductor layer is restored by an operation voltage applied to the gate electrode layer when the semiconductor substrate is turned on.
  22. 제12 항에 있어서,13. The method of claim 12,
    상기 제4 반도체층과 상기 게이트 전극층 사이에 배치되는 게이트 유전층을 더 포함하는 노멀리-오프를 구현하는 질화물계 트랜지스터.Further comprising a gate dielectric layer disposed between the fourth semiconductor layer and the gate electrode layer.
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