KR101256467B1 - 질화물계 이종접합 반도체 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

질화물계 이종접합 반도체 소자 및 그 제조 방법이 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 질화물계 이종접합 반도체 소자는 기판 상에 형성된 GaN층, GaN층 상에 형성된 Al 도핑된 GaN층, Al 도핑된 GaN층 상의 제1 영역에 형성된 쇼트키 전극, Al 도핑된 AlGaN층 상의 제2 영역에 형성된 AlGaN층 및 AlGaN층 상에 형성된 오믹 전극을 포함한다.

Description

질화물계 이종접합 반도체 소자 및 그 제조 방법{NITRIDE BACED HETEROSTRUCTURE SEMICONDUCTOR DEVICE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명의 실시예들은 쇼트키 접합 영역에서의 누설 전류를 감소시킬 수 있는 질화물계 이종접합 반도체 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
최근 정보통신산업이 급격히 발달함에 따라 개인 이동통신, 광대역 통신, 군사용 레이저 등 무선통신 기술의 수요가 점차 확대되고 있다. 그에 따라 고도의 정보 처리 기술이 가능한 고출력/고주파 소자의 필요성이 증가하고 있다. 이러한 전력증폭기에 사용하는 갈륨나이트라이드(GaN) 물질은 기존의 Si 및 GaAs 물질보다 큰 에너지 밴드갭과 높은 열전도도 등의 특징을 갖는 것으로, 고출력/고주파 소자에 적합하다.
AlGaN/GaN 이종접합 반도체 소자는 접합 계면에서 밴드 불연속(band discountinuity)이 크기 때문에 계면에 높은 농도의 전자가 유기될 수 있어 전자 이동도를 높일 수 있다. 그러나, AlGaN/GaN 반도체 소자는 AlGaN층과 GaN층의 격자상수 차이 및 열팽창 계수 차이로 인하여 AlGaN층의 표면에 결함이 발생된다. 이 같은 결함은 AlGaN층에 포함된 Al의 함유량이 높을수록 그 밀도가 증가되고, AlGaN층의 표면에 산소 원자를 포함하게 되어 쇼트키 접합시, 페르미 준위 고정(Fermi-Level-Pinning) 현상이 발생한다. 따라서, 역방향 전압을 인가하는 경우, 페르미 준위 고정(Fermi-Level-Pinning) 현상으로 쇼트키 접합 영역인 AlGaN층의 표면에서 터널링 전류가 발생하여 누설 전류가 흐르게 된다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, GaN층 상에 쇼트키 전극을 형성함으로써, 쇼트키 접합 영역에서 발생하는 누설 전류를 감소시킬 수 있는 질화물계 이종접합 반도체 소자 및 그 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
이상과 같은 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 이종접합 반도체 소자는, 기판 상에 형성된 GaN층, 상기 GaN층 상에 형성된 Al 도핑된 GaN층, 상기 Al 도핑된 GaN층 상의 제1 영역에 형성된 쇼트키 전극, 상기 Al 도핑된 AlGaN층 상의 제2 영역에 형성된 AlGaN층 및 상기 AlGaN층 상에 형성된 오믹 전극을 포함한다.
일측에 따르면, 상기 반도체 소자는 상기 Al 도핑된 AlGaN층 상에 형성된 언도프된 GaN층을 더 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 Al 도핑된 GaN층은 0.3 내지 0.6%의 Al 함량을 가질 수 있다.
일측에 따르면, 상기 Al 도핑된 GaN층 및 상기 언도프된 GaN층은 0.1 내지 1.0㎛ 내의 두께를 가질 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 이종접합 반도체 소자의 제조 방법은 기판 상에 GaN층을 성장시키는 단계, 상기 GaN층 상에 Al 도핑된 GaN층을 성장시키는 단계, 상기 Al 도핑된 GaN층 상의 제1 영역에 절연층을 형성하는 단계, 상기 Al 도핑된 GaN층 상의 제2 영역에 AlGAN층을 성장시키는 단계, 상기 Al 도핑된 GaN층 상의 제1 영역이 노출되도록 상기 절연층을 제거하는 단계, 상기 제1 영역을 통해 노출된 Al 도핑된 GaN층 상에 쇼트키 전극을 형성하는 단계 및 상기 AlGaN층 상에 오믹 전극을 형성하는 단계를 포함한다.
일측에 따르면, 상기 제조 방법은 상기 절연층을 형성하는 단계 전에, 상기 Al 도핑된 GaN층 상에 언도프된 GaN층을 성장시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 제조 방법은 기판 상에 GaN층을 성장시키는 단계는 상기 기판 상에 GaN 물질을 저온에서 1차 성장하고, 고온에서 2차 성장시켜 반절연성 GaN층을 형성할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 질화물계 이종접합 반도체 소자 및 그 제조 방법은 GaN층 상에 쇼트키 전극이 형성됨으로써, 쇼트키 접합 영역에서 발생하는 누설 전류를 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 이종접합 반도체 소자의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 질화물계의 이종접합 반도체 소자의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 3 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 이종접합 반도체 소자의 구조를 나타내는 단면도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
본 명세서에서, 층이 다른 층 또는 기판 "상에" 또는 "위에" 위치하는 것으로 기재된 경우, 이 기재는 상기 다른 층 또는 기판의 바로 위에 위치할 수 있거나, 중간에 삽입되는 층들이 존재할 수도 있음을 나타낼 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 이종접합 반도체 소자의 구조를 나타내는 단면도이다. 도 1에 도시된 반도체 소자(100)는 질화물계 이종접합 쇼트키 다이오드로, 기판(110), 버퍼층(120), GaN층(130), Al 도핑된 GaN층(140), AlGaN층(150), 쇼트키 전극(160) 및 오믹 전극(170)을 포함한다.
버퍼층(120)은 기판(110) 상에 형성된다. 기판(110)은 대표적으로 사파이어 기판일 수 있으나, 이에 한정되지 않으며, SiC 또는 질화물 기판 등의 질화물 성장용 기판일 수 있다. 버퍼층(120)은 통상의 버퍼층으로 사용되는 저온성장 AlN 또는 GaN계 질화물층일 수 있다.
GaN층(130)은 버퍼층(120) 상에 형성된다. GaN층(130)은 고저항의 반절연성 GaN층이 될 수 있다. GaN층(130)은 저온 성장 및 고온 성장된 GaN층일 수 있다. 구체적으로, GaN층(130)은 높은 저항성을 확보하기 위하여 800~950℃의 온도에서 1차 성장한 후, 단결정 성장 온도인 1000~1100℃로 상승시켜 2차 성장시킨 것일 수 있다.
Al 도핑된 GaN층(140)은 GaN층(130) 상에 형성된다.
Al 도핑된 GaN층(140)은 결정성을 향상시키고, 쇼트키 다이오드의 전기적 특성을 개선시키는 층이 될 수 있다. Al 도핑된 GaN층(140)은 도핑된 Al에 의해 결함으로 존재하는 갈륨 공공(Ga vacancy)을 패시베이션시킴으로써, 2차원 또는 3차원 전위로서의 성장이 억제되어 우수한 결정성을 가질 수 있다. 따라서, GaN층(130)으로부터의 낮은 결정성을 차단시키고 우수한 결정이 성장될 수 있도록 한다. 여기서 Al의 도핑량은 1% 함량을 초과하지 않으며, 충분한 결정성 향상 효과를 위하여 바람직하게는 Al 함량이 0.1~1%, 보다 바람직하게는, 0.3~0.6%, 가장 바람직하게는 약 0.45%가 되는 범위에서 도핑될 수 있다.
Al 도핑된 GaN층(140)은 0.1~1㎛의 두께를 가질 수 있다. 이는 Al 도핑된 GaN층(140)이 0.1㎛ 미만의 두께를 가질 경우, 충분한 성장이 이루어지지 않아 결정성 향상의 효과를 기대하기 어려우며, 1㎛를 초과하는 두께를 가질 경우, 그 결정성 향상 효과가 거의 포화된 상태에서 소자 크기의 증가를 가져올 수 있기 때문이다.
Al 도핑된 GaN층(140)은 제1 영역(R1)과 제2 영역(R2)으로 구분될 수 있다. 제1 영역(R1)은 쇼트키 접합 영역이고, 제2 영역(R2)은 AlGaN층(150)과의 이종접합 영역이 될 수 있다. 다시 말해, AlGaN층(150)은 Al 도핑된 GaN층(140)의 제2 영역(R2) 상에 형성될 수 있다.
AlGaN층(150)은 오믹 접합 영역을 제공한다. 또한, AlGaN층(150)과 Al 도핑된 GaN층(140)의 계면에 2차원 전자가스(2-Dimensional Electron Gas) 채널층(180)이 형성될 수 있다.
Al 도핑된 GaN층(140) 상의 제2 영역(R2)에만 AlGaN층(150)이 형성됨에 따라 Al 도핑된 GaN층(140)이 노출될 수 있다.
쇼트키 전극(160)은 Al 도핑된 GaN층(140) 상의 제1 영역(R1) 상에 쇼트키 접합된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 쇼트키 전극(160)은 AlGaN층(150)이 아닌, Al 도핑된 GaN층(140) 상에 형성됨에 따라, 쇼트키 접합 영역에서의 누설 전류를 감소시킬 수 있다. Al 도핑된 GaN층(140)은 AlGaN층(150)과 비교할 때, Al 함량이 적기 때문에 낮은 결함 밀도를 갖는다.
만약, 결함 밀도가 높을 경우, Al 도핑된 GaN층(140)은 표면에 산소 원자를 포함하게 되어 쇼트키 접합시, 페르미 준위 고정(Fermi-Level-Pinning) 현상이 발생될 수 있다. 그러나, Al 도핑된 GaN층(140)은 낮은 결함 밀도를 가지며, 우수한 결정성을 갖기 때문에 페르미 준위 고정 현상이 발생되지 않는다. 따라서, 쇼트키 전극(160)에 역방향 전압을 인가하는 경우, 쇼트키 접합 영역인 Al 도핑된 GaN층(140)의 제1 영역(R1)에서 터널링 전류가 발생되지 않아 누설 전류가 현저히 감소될 수 있다.
오믹 전극(170)은 AlGaN층(150) 상에 오믹 접합된다.
도 1에 도시된 반도체 소자(100)에 따르면, 쇼트키 접합 영역이 Al 도핑된 GaN층(140)에 포함되기 때문에, 쇼트키 접합 영역의 표면 상태를 안정화시켜 누설 전류 발생을 방지할 수 있다. 따라서, 반도체 소자(100)의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 질화물계의 이종접합 반도체 소자의 구조를 나타내는 단면도이다. 도 2에 도시된 반도체 소자(200)는 질화물계 이종접합 쇼트키 다이오드로, 기판(210), 버퍼층(220), GaN층(230), Al 도핑된 GaN층(240), 언도프드 GaN층(250), AlGaN층(260), 쇼트키 전극(270) 및 오믹 전극(280)을 포함한다.
도 2에 도시된 반도체 소자(200)에서 언도프드 GaN층(250)을 제외한 구성들은 도 1에 도시된 반도체 소자(100)와 동일하므로, 동일한 구성들에 대해서는 구체적인 설명을 생략한다.
언도프드 GaN층(250)은 Al 도핑된 GaN층(240) 상에 0.1~1㎛의 두께 형성된다. 언도프드 GaN층(250)은 Al 도핑된 GaN층(240)과 마찬가지로 향상된 결정성을 가지며, 반도체 소자(200)의 전기적 특성을 개선시킨다.
언도프드 GaN층(250)은 Al 도프된 GaN층(240)의 결정성을 기반으로 하여 보다 높은 결정성을 가질 수 있다. 따라서, AlGaN층(260)과 언도프드 GaN층(250)의 계면에 형성된 2차원 전자가스(2-Dimensional Electron Gas) 채널층(290)에서 높은 전자 이동도를 가질 수 있다.
또한, 언도프드 GaN층(250)은 반도체 소자(200)가 고온에서 작동되는 경우 발생할 수 있는 전자 이동도 감소를 방지할 수 있다. 도 1에 도시된 것과 같이, Al 도핑된 GaN층(140)과 AlGaN층(150)의 계면에 형성된 2차원 전자가스 채널층(180)은 고온에서 소량으로 도핑된 Al이 스캐터링 센터(scattering center)로 작용하여 전자 이동도를 저하시킬 수 있다. 그러나, 언도프드 GaN층(250)은 Al을 포함하지 않기 때문에 2차원 전자가스 채널층(290)은 도 1에 도시된 2차원 전자가스 채널층(180)보다 높은 전자 이동도를 가질 수 있게 된다.
반도체 소자(200)는 한 쌍의 Al 도핑된 GaN층(240)과 언도프드 GaN층(250)을 포함하나, 이들 구성은 두 쌍 이상이 포함될 수도 있다.
Al 도핑된 GaN층(240)과 언도프드 GaN층(250)은 제1 영역(R1)과 제2 영역(R2)으로 나뉜다. 도 2에 도시된 반도체 소자(200)에서 제1 영역(R1) 및 제2 영역(R2)은 Al 도핑된 GaN층(240)과 언도프드 GaN층(250) 상에서 쇼트키 접합 영역과 오믹 접합 영역이 위치될 영역을 구분하기 위한 것일 뿐, 특정 층의 일 면에 지정되는 영역은 아니다.
쇼트키 전극(270)은 Al 도핑된 GaN층(240) 상의 제1 영역(R1)에 형성되며, 실질적으로는 언도프드 GaN층(250)에 쇼트키 접합될 수 있다.
쇼트키 전극(270)이 AlGaN층(260)이 아닌, 언도프드 GaN층(250) 상에 형성됨에 따라, 쇼트키 접합 영역에서의 누설 전류를 감소시킬 수 있다. Al 도핑된 GaN층(140)은 AlGaN층(150)과 비교할 때, Al 함량이 적기 때문에 낮은 결함 밀도를 갖는다.
AlGaN층(260)은 Al 도핑된 GaN층(240) 상의 언도프드 GaN층(250)에 형성된다. 이때, AlGaN층(260)은 제2 영역(R2)에 형성될 수 있다. 이 같이 AlGaN층(260)이 제2 영역(R2)에만 형성됨에 따라, 제1 영역(R1)에서 언도프드 GaN층(250)이 노출될 수 있다.
AlGaN층(260)은 제2 영역(R2)에서 언도프드 GaN층(250)과 이종접합될 수 있다. AlGaN층(260)은 오믹 접합 영역을 제공한다.
오믹 전극(280)은 AlGaN층(260) 상에 오믹 접합된다.
도 3 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 이종접합 반도체 소자의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 3은 버퍼층(320)을 포함하는 기판(310) 상에 GaN층(330) 및 Al 도핑된 GaN층(340)을 차례로 성장시키고, 절연층(350)을 형성하는 과정을 나타낸다.
사파이어 기판, SiC 기판 또는 질화물 기판 등과 같은 질화물 성장용 기판(310) 상에 AlN 또는 GaN계 질화물층을 500~550℃에서 저온 성장시켜 버퍼층(320)을 형성할 수 있다.
버퍼층(320)을 형성한 후에, 버퍼층(320) 상에 그레인 사이즈를 조절하여 깊은 트랩(deep trap) 준위로 작용하는 갈륨 공공을 형성하여 고저항의 반절연성 GaN층(330)을 성장시킨다. GaN층(330)은 기판(310) 상에 GaN 물질을 저온에서 1차 성장하고, 연속적인 공정으로 고온에서 2차 성장시켜 형성할 수 있다.
GaN층(330) 상에 Al을 도핑하여 Al 도핑된 GaN층(340)을 형성할 수 있다. Al 도핑된 GaN층(340)은 0.1~1% 범위의 Al 도핑 함량을 가질 수 있으며, 0.1~1㎛의 두께로 형성될 수 있다.
이후, Al 도핑된 GaN층(340) 상의 제1 영역(R1)에 절연층(350)을 형성한다. 구체적으로, Al 도핑된 GaN층(340)의 전면에 실리콘 산화물(SiOX) 또는 실리콘 질화물(SiNX) 등의 절연 물질을 증착한 후, 제2 영역(R2)에 존재하는 절연 물질만을 식각하여 절연층(350)을 형성할 수 있다.
도면을 통해 도시하고 있지는 않으나, 절연층(350)을 형성하기 전에 Al 도핑된 GaN층(340) 상에 언도프된 GaN층(미도시)을 성장시킬 수도 있다. 언도프된 GaN층을 통해 결정성을 향상시키고, 소자의 전자 이동도를 개선시킬 수 있다.
도 4는 Al 도핑된 GaN층(340) 상의 제2 영역(R2)에 AlGaN층(350)을 성장시키는 과정을 나타낸다. 도 4에 도시된 구조물을 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 챔버에 장착시킨 후, 재성장 방법을 이용하여 AlGaN층(350)을 성장시킬 수 있다. 이때, Al 도핑된 GaN층(340) 상의 제1 영역(R1)이 절연층(350)에 의해 보호된 상태이므로, AlGaN층(350)은 제2 영역(R2)에만 형성될 수 있다.
도 5는 절연층(350)을 제거하는 과정을 나타낸다. 절연층(350)을 식각하여 Al 도핑된 GaN층(340) 상의 제1 영역(R1)을 노출시킬 수 있다. 제1 영역(R1)은 쇼트키 접합 영역이 될 수 있다.
도 6은 쇼트키 전극(370) 및 오믹 전극(380)을 형성하여 반도체 소자(300)를 제조하는 과정을 나타낸다. 구체적으로, 제1 영역(R1)을 통해 노출된 Al 도핑된 GaN층(340) 상에 쇼트키 전극(370)을 형성하고, AlGaN층(380) 상에 오믹 전극(380)을 형성할 수 있다.
도 6에서와 같이, 쇼트키 전극(370)이 AlGaN층(380)에 비해 상대적으로 낮은 결합 밀도를 갖는 Al 도핑된 GaN층(340) 상에 쇼트키 접합됨에 따라, 쇼트키 접합 영역에서의 누설 전류를 감소시킬 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100, 200, 300: 반도체 소자
110, 210, 310: 기판 120, 220, 320: 버퍼층
130, 230, 330: GaN층 140, 240, 340: Al 도핑된 GaN층
150, 260, 360: AlGaN층 250: 언도프된 GaN층
350: 절연층 160, 270, 370: 쇼트키 전극
170, 280, 380: 오믹 전극

Claims (7)

  1. 기판 상에 형성된 GaN층;
    상기 GaN층 상에 형성된 Al 도핑된 GaN층;
    상기 Al 도핑된 GaN층 상의 제1 영역에 형성된 쇼트키 전극;
    상기 Al 도핑된 AlGaN층 상의 제2 영역에 형성된 AlGaN층; 및
    상기 AlGaN층 상에 형성된 오믹 전극
    을 포함하는 질화물계 이종접합 반도체 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 Al 도핑된 GaN층 상에 형성된 언도프된 GaN층
    을 더 포함하는 질화물계 이종접합 반도체 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 Al 도핑된 GaN층은,
    0.3 내지 0.6%의 Al 함량을 갖는 질화물계 이종접합 반도체 소자.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 Al 도핑된 GaN층 및 상기 언도프된 GaN층은,
    0.1 내지 1.0㎛ 내의 두께를 갖는 질화물계 이종접합 반도체 소자.
  5. 기판 상에 GaN층을 성장시키는 단계;
    상기 GaN층 상에 Al 도핑된 GaN층을 성장시키는 단계;
    상기 Al 도핑된 GaN층 상의 제1 영역에 절연층을 형성하는 단계;
    상기 Al 도핑된 GaN층 상의 제2 영역에 AlGAN층을 성장시키는 단계;
    상기 Al 도핑된 GaN층 상의 제1 영역이 노출되도록 상기 절연층을 제거하는 단계;
    상기 제1 영역을 통해 노출된 Al 도핑된 GaN층 상에 쇼트키 전극을 형성하는 단계; 및
    상기 AlGaN층 상에 오믹 전극을 형성하는 단계
    를 포함하는 질화물계 이종접합 반도체 소자의 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 절연층을 형성하는 단계 전에, 상기 Al 도핑된 GaN층 상에 언도프된 GaN층을 성장시키는 단계
    를 더 포함하는 질화물계 이종접합 반도체 소자의 제조 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    기판 상에 GaN층을 성장시키는 단계는,
    상기 기판 상에 GaN 물질을 저온에서 1차 성장하고, 고온에서 2차 성장시켜 반절연성 GaN층을 형성하는 질화물계 이종접합 반도체 소자의 제조 방법.
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