KR101618832B1 - 반도체 소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 산화갈륨 기판과, 산화갈륨 기판 상에 형성된 적어도 하나의 AlGaInO3층과, 적어도 하나가 AlGaInO3층 상에 형성된 전극을 포함하는 반도체 소자가 제시된다.
Description
본 발명은 반도체 소자에 관한 것으로, 특히 산화갈륨 기판을 이용한 반도체 소자에 관한 것이다.
실리콘(Si) 및 갈륨 비소(GaAs)와 같은 물질들은 저전력 및 저주파수 응용 장치용 반도체 소자에서 넓은 응용 분야로 발전해 왔다. 그러나, 이러한 반도체 물질들은 상대적으로 작은 밴드갭(bandgap)(예를 들어, 상온에서 Si의 경우 1.12eV, GaAs의 경우 1.42eV), 상대적으로 작은 항복 전압(breakdown voltage) 때문에 고전력, 고주파수 응용 장치로는 한계가 있다.
이러한 한계에 의해서, 고전력, 고온, 고주파수 응용 장치 및 소자들에 대한 관심은 넓은 밴드갭 반도체 물질로 전환되어 왔다. 이러한 반도체 물질로서 실리콘 카바이드(silicon carbide)(예로 상온에서 알파 SiC의 경우 2.996eV) 및 III족-질화물(Group III nitride)(예로, 상온에서 GaN의 경우 3.36 eV) 등이 있다. 이러한 물질들은 Si 및 GaAs에 비해 높은 항복 전압 및 높은 전자 포화도를 가지고 있다.
특히, 실리콘 카바이드는 기판으로 이용하여 질화물 반도체층이 적층되는 발광 다이오드(Light Emitting Diode; LED), 레이저 다이오드(Laser Diode; LD) 등에 이용될 수 있다. 그런데, 실리콘 카바이드 기판은 질화물 반도체층과의 격자 상수가 크지 않고 도전성이지만 투명성이 낮기 때문에 투과되는 광의 일부 파장이 흡수되는 문제점이 있다. 또한, 실리콘 카바이드 기판은 결정성이 나쁘고 마이크로파이프 결함이 존재하는 문제점이 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해 많은 연구가 진행되고 있는데, 그 중 하나가 산화갈륨 기판을 이용하는 것이다. 산화갈륨 단결정은 무색 투명하고 밴드갭이 4.8eV 정도로 크기 때문에, 자외 영역의 광학 재료, LED나 LD 등의 발광 소자, 자외선 센서 등 수광 소자의 반도체용 기판 및 산화물 투명 도전체, 고온 산소 가스 센서, 전계 효과 트랜지스터(FET) 등 다양한 응용이 검토되고 있다. 이러한 산화갈륨 기판을 이용한 반도체 소자의 예가 한국공개특허 제10-2010-0055187호 및 한국공개특허 제10-2014-0012584호 등에 제시되어 있다.
그런데, 산화갈륨 기판은 그 상부에 형성되는 물질층, 특히 질화물 반도체층과 박리되는 문제가 있다. 즉, 질화물 반도체층은 암모니아와 수소 혼합 분위기에서 성장되는데, 산화갈륨은 수소 가스 분위기에서 쉽게 식각되므로 질화물 반도체층 성장 시 산화갈륨 기판의 표면이 수소 가스에 의해 일부 불균일하게 식각된다. 이러한 계면의 불균일한 식각은 계면 접착력을 저하시켜 산화갈륨 기판과 질화물 반도체층의 박리를 발생시킨다. 또한, 산화갈륨 기판과 질화물 반도체층은 열팽창 계수가 다르기 때문에 질화물 반도체층 성장 후의 냉각 중 또는 열처리 공정에서 열팽창 계수 차이에 의한 응력에 의해 산화갈륨 기판과 질화물 반도체층 계면의 박리가 발생한다.
본 발명은 산화갈륨 기판을 이용한 반도체 소자를 제공한다.
본 발명은 산화갈륨 기판과 그 상부에 형성되는 층이 박리되지 않는 반도체 소자를 제공한다.
본 발명은 산화갈륨 기판 상에 발광 다이오드, FET 등이 구현된 반도체 소자를 제공한다.
본 발명의 일 양태에 따른 반도체 소자는 산화갈륨 기판; 상기 산화갈륨 기판 상에 형성된 적어도 하나의 AlGaInO3층; 및 적어도 하나가 상기 AlGaInO3층 상에 형성된 전극을 포함한다.
상기 산화갈륨 기판과 상기 적어도 하나의 AlGaInO3층 사이에 형성된 버퍼층을 더 포함한다.
상기 적어도 하나의 AlGaInO3층과 그 상부의 상기 전극 사이에 형성된 투명 전극을 더 포함한다.
상기 AlGaInO3층은 조성이 다른 제 1 AlGaInO3층 및 제 2 AlGaInO3층을 포함한다.
상기 제 1 AlGaInO3층은 Alx1Ga(1-x1- y1 )Iny1O3(0≤x1, y<0.75)로 형성되고, 상기 제 2 AlGaInO3층은 Alx2Ga(1-x2- y2 )Iny2O3(x2≤x1, y2≥y1)으로 형성된다.
상기 제 2 AlGaInO3층은 상기 제 1 AlGaInO3층보다 에너지 밴드갭이 작고, 전하 이동도가 크다.
상기 전극은 상기 AlGaInO3층 상에 소정 간격 이격되어 형성된 제 1 및 제 2 전극을 포함한다.
상기 전극은 상기 AlGaInO3층 상의 소정 영역에 형성된 게이트 전극과, 상기 게이트 전극과 이격되어 상기 AlGaInO3층 상의 소정 영역에 형성된 소오스 전극 및 드레인 전극을 포함한다.
상기 전극은 상기 AlGaInO3층 상에 형성된 제 2 전극과, 상기 산화갈륨 기판의 타면 상에 형성된 제 1 전극을 포함한다.
상기 산화갈륨 기판은 도전성 불순물이 도핑된 도전성 기판이다.
본 발명의 실시 예들에 따른 반도체 소자는 산화갈륨 기판 상에 형성된 적어도 하나의 AlGaInO3층과, 적어도 하나가 AlGaInO3층 상에 형성된 전극을 포함한다. 예를 들어, 산화갈륨 기판 상에 서로 다른 조성을 갖는 제 1 AlGaInO3층 및 제 2 AlGaInO3층이 형성되고, 제 2 AlGaInO3층 상에 제 1 및 제 2 전극이 이격되어 형성되거나 제 2 AlGaInO3층 상에 서로 소정 간격 이격되어 게이트 전극, 소오스 전극 및 드레인 전극이 형성되어 반도체 소자가 구현될 수 있다.
본 발명에 의하면, 넓은 에너지 밴드갭을 가지고 내전압 특성이 우수하며 SiC 및 GaN에 비해 낮은 전기 저항을 가지는 AlGaInO3층을 이용하여 반도체 소자를 제조함으로써 반도체 소자의 속도를 향상시킬 수 있다. 또한, 이를 전력 반도체 소자에 적용할 경우 손실률을 현저히 줄일 수 있다. 그리고, 산화갈륨 기판 상에 3원계 이상의 금속 산화물, 즉 산화물 반도체가 형성되므로 질화물 반도체가 형성되는 소자에서 박리 문제가 발생되지 않는다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 반도체 소자의 단면도.
도 2는 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 반도체 소자의 단면도.
도 3은 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 반도체 소자의 단면도.
도 4는 본 발명의 제 4 실시 예에 따른 반도체 소자의 단면도.
도 2는 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 반도체 소자의 단면도.
도 3은 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 반도체 소자의 단면도.
도 4는 본 발명의 제 4 실시 예에 따른 반도체 소자의 단면도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한 다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 반도체 소자의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 반도체 소자는 산화갈륨 기판(100)과, 산화갈륨 기판(100)의 일면 상에 형성된 적어도 하나의 AlGaInO3층(110, 120)과, AlGaInO3층(120) 상에 형성되며 서로 소정 간격 이격되어 형성된 제 1 및 제 2 전극(130 및 140)을 포함할 수 있다. 즉, 본 발명은 산화갈륨 기판(100) 상에 형성된 적어도 하나의 AlGaInO3층, 예를 들어 제 1 AlGaInO3층(110) 및 제 2 AlGaInO3층(120)을 포함한다. AlGaInO3층은 산화갈륨 기반의 화합물 반도체로서 큰 에너지 밴드갭을 가지므로 내전압 특성이 우수하고, SiC와 GaN 대비 낮은 전기 저항을 가지므로 전력 반도체에 적용할 때 손실률을 현저히 줄일 수 있다. 또한, AlGaInO3층은 매우 큰 에너지 밴드갭을 가지고 있는 재료임에도 불구하고 조성비, 도핑에 따라 전기 전도도의 조절이 용이하므로 쇼트키 다이오드, FET 등의 소자 제작에 용이하게 사용할 수 있다. 즉, AlGaInO3층은 조성에 따라 3.0eV 내지 8.8eV의 넓은 범위의 에너지 밴드갭을 가질 수 있고, 에너지 밴드갭을 조절함으로써 전기 전도도를 조절할 수 있다. 예컨데, In2O3가 약 3.0eV, Ga2O3가 약 4.8eV, Al2O3가 약 8.8eV의 에너지 밴드갭을 가지는데, AlGaInO3층은 In, Ga, Al의 조성을 조절함으로써 3.0eV 내지 8.8eV의 에너지 밴드갭을 가질 수 있다.
산화갈륨(Ga2O3) 기판(100)은 β-Ga2O3 단결정으로 이루어질 수 있다. 이러한 산화갈륨 기판(100)은 산소가 육각 격자 배치된 면, 즉 (101), (-201), (301), (3-10) 중 어느 한 면을 주면으로 하는 기판일 수 있다. 뿐만 아니라, 산화갈륨 기판(100)은 (010), (001), (100) 중 어느 한 면을 주면으로 하는 기판일 수도 있다. 또한, 산화갈륨 기판(100)은 불순물 도핑에 의해 전기 전도체 성질을 가질 수 있고, 반도체 성질을 가질 수 있으며, 부도체 성질을 가질 수도 있다. 예를 들어, 산화갈륨 기판(100)은 n형 불순물, 예를 들어 실리콘(Si)이 도핑되어 전기 전도성을 가질 수 있고, 절연성 불순물이 도핑되어 부도체 성질을 가질 수도 있다.
제 1 AlGaInO3층(110)은 산화갈륨 기판(100) 상에 형성되며, 예를 들어 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition), MBE, 스프레이(spray) CVD 방법으로 형성될 수 있다. 이러한 제 1 AlGaInO3층(110)은 알루미늄 소오스 가스, 갈륨 소오스 가스, 인듐 소오스 가스 및 산소 소오스 가스를 제 1 조성비로 공급하여 형성할 수 있다. 여기서, 알루미늄 소오스는 트리메틸 알루미늄(trimethyl aluminum; TMAl) 등을 포함할 수 있고, 갈륨 소오스는 트리메틸갈륨(trimethylgallium; TMGa) 및 트리에틸갈륨(triethylgallium; TEGa) 등을 포함할 수 있으며, 인듐 소오스는 트리메틸인듐(trimethylindium; TMIn) 및 트리에틸인듐(triethylindium; TEIn) 등을 포함할 수 있고, 산소 소오스는 산소 및 오존 등을 포함할 수 있다. 이러한 제 1 조성비의 소오스 가스들의 공급에 의해 제 1 AlGaInO3층(110)은 Alx1Ga(1-x1-y1)Iny1O3(0≤x1, y1<0.75)으로 형성될 수 있다. 여기서, 제 1 AlGaInO3층(110)은 y1이 0.75 이상, 즉 인듐의 조성이 0.75 이상일 경우 상분리되고, 그에 따라 결함이 발생될 수 있다. 따라서, 제 1 AlGaInO3층(110)은 y1이 0.75를 미만이 되도록 형성하는 것이 바람직하다. 한편, 제 1 AlGaInO3층(110)은 제 1 도전형의 반도체층으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제 1 AlGaInO3층(110)은 n형 불순물이 도핑된 제 1 도전형의 반도체층으로 형성될 수 있다. n형 불순물로는 실리콘(Si), 주석(Sn)의 적어도 어느 하나를 이용할 수 있다. 예를 들어 실리콘 소오스 가스로는 SiH4 및 SiH6 등을 이용할 수 있다. 물론, 제 1 AlGaInO3층(110)은 p형 불순물이 도핑된 제 2 도전형의 반도체층으로 형성할 수도 있다. p형 불순물로는 마그네슘(Mg) 및 징크(Zn)의 적어도 하나를 이용할 수 있다. 예를 들어 마그네슘 소오소 가스로는 비스시클로펜타다이닐마그네슘(biscyclopentadienylmagnesium; Cp2Mg)를 이용할 수 있다.
제 2 AlGaInO3층(120)은 제 1 AlGaInO3층(110) 상에 형성되며, 예를 들어 MOCVD 방법으로 형성될 수 있다. 여기서, AlGaInO3 물질의 조성은 에너지 밴드갭의 크기와 전기 전도도, 즉 전하 이동도를 결정하며, 에너지 밴드갭의 크기가 감소할수록 전하 이동도가 증가하기 때문에 소자의 저항 감소를 목적으로 전하가 이동하는 채널 영역에서는 전하 이동도를 증가시키기 위해 다른 영역보다 에너지 밴드갭이 작아지도록 조성을 조절한다. 즉, 제 2 AlGaInO3층(120)은 전하가 이동하는 채널로 이용되므로 제 1 AlGaInO3층(110)보다 에너지 밴드갭이 작아지도록 형성하고, 그에 따라 전하 이동도를 증가시킨다. 이를 위해 제 2 AlGaInO3층(120)은 알루미늄 소오스 가스, 갈륨 소오스 가스, 인듐 소오스 가스 및 산소 소오스 가스를 제 2 조성비로 공급하여 형성할 수 있다. 즉, 제 2 AlGaInO3층(120)은 제 1 AlGaInO3층(110)과 다른 조성으로 형성될 수 있다. 이러한 제 2 조성비의 소오스 가스들의 공급에 의해 제 2 AlGaInO3층(120)은 Alx2Ga(1-x2- y2 )Iny2O3(x2≤x1, y2≥y1)으로 형성될 수 있다. 즉, 제 2 AlGaInO3층(120)의 형성 시 제 1 AlGaInO3층(110)의 형성 시보다 소오스 가스들의 공급량 또는 공급 비율을 조절하여 알루미늄이 제 1 AlGaInO3층(110)보다 적거나 같게 형성하고, 인듐이 제 1 AlGaInO3층(110)보다 많거나 같게 형성할 수 있다. 즉, 인듐의 조성이 증가할수록 에너지 밴드갭은 작아지고, 알루미늄의 조성이 증가할수록 에너지 밴드갭은 커지므로 제 1 AlGaInO3층(110)보다 인듐의 조성을 많게 하거나 알루미늄의 조성을 적게함으로써 제 2 AlGaInO3층(120)의 에너지 밴드갭을 제 1 AlGaInO3층(110)의 에너지 밴드갭보다 작게하고, 그에 따라 전자 이동도를 향상시킬 수 있다. 이때, 제 1 AlGaInO3층(110)은 제 2 AlGaInO3층(120)보다 전자 이동도가 작으므로 전자가 제 1 AlGaInO3층(110)으로 이동되지 못하고 제 2 AlGaInO3층(120)에 가두어두는 컨파인(confine)층의 역할을 한다. 한편, 제 2 AlGaInO3층(120)은 제 1 AlGaInO3층(110)과 다른 도전형의 반도체층으로 형성될 수 있다. 즉, 제 1 AlGaInO3층(110)이 n형 불순물이 도핑된 제 1 도전형의 반도체층으로 형성되면 제 2 AlGaInO3층(120)은 Mg 등의 p형 불순물이 도핑된 제 2 도전형의 반도체층으로 형성될 수 있다. 또한, 제 1 AlGaInO3층(110)이 p형 불순물이 도핑된 제 2 도전형의 반도체층으로 형성되면 제 2 AlGaInO3층(120)은 Si, Sn 등의 n형 불순물이 도핑된 제 1 도전형의 반도체층으로 형성될 수도 있다. 그런데, 제 1 AlGaInO3층(110)에 불순물이 도핑되더라도 제 1 AlGaInO3층(110)은 제 2 AlGaInO3층(120)보다 전자 이동도가 낮게 형성된다.
제 1 및 제 2 전극(130, 140)은 쇼트키 전극으로 형성하는데, 동일 평면 상에 서로 이격되어 형성된다. 이러한 제 1 및 제 2 전극(130, 140)은 도전성 물질을 이용하여 형성할 수 있는데, 예를 들어 Ti, Cr, Au, Al, Ni, Ag 등의 금속 물질 또는 이들의 합금을 이용하여 형성할 수 있다. 또한, 제 1 및 제 2 전극(130, 140)은 단일층 또는 다층으로 형성할 수 있다.
한편, 도시되지 않았지만, 제 2 AlGaInO3층(120)과 제 1 및 제 2 전극(130, 140) 사이에 투명 전극이 더 형성될 수 있다. 투명 전극은 UV 투과가 가능하고, 그에 따라 반도체 소자의 검출 소자, 즉 디텍터(detector)로 작용할 수 있다. 이러한 투명 전극은 UV가 잘 투과될 수 있도록 투명 도전성 물질로 형성될 수 있는데, 예를 들어 ITO, IZO, ZnO, RuOx, TiOx, IrOx 등을 이용하여 형성할 수 있다.
도 2는 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 반도체 소자의 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 반도체 소자는 산화갈륨 기판(100)과, 산화갈륨 기판(100)의 일면 상에 형성된 버퍼층(150)과, 버퍼층(150) 상에 적층 형성된 제 1 AlGaInO3층(110) 및 제 2 AlGaInO3층(120)과, 제 2 AlGaInO3층(120) 상에 형성되며 서로 소정 간격 이격되어 형성된 제 1 및 제 2 전극(140 및 150)을 포함할 수 있다. 또한, 도시되지 않았지만, 제 2 AlGaInO3층(120)과 제 1 및 제 2 전극(130, 140) 사이에 투명 전극이 더 형성될 수 있다.
즉, 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 반도체 소자는 제 1 실시 예에 비해 산화갈륨 기판(100)과 제 1 AlGaInO3층(110) 사이에 버퍼층(150)이 더 형성된다. 이는 제 1 AlGaInO3층(110)이 산화갈륨 기판(100) 상에 형성될 경우 제 1 AlGaInO3층(110)의 조성이 산화갈륨 기판(100)을 중심으로 급격하게 변할 경우 결함이 증가하기 때문에 버퍼층(150)을 형성하여 산화갈륨 기판(100)에서부터 격자 상수의 차이가 급격히 변하지 않도록 한다. 이때, 버퍼층(150)은 AlGaInO3 물질로 형성될 수 있으며, 제 1 AlGaInO3층(110)와 다른 조성으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 버퍼층(150)은 Alx3Ga(1-x3- y3 )Iny3O3(x3≤x1, y3≤y1)의 조성으로 형성될 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명의 제 1 및 제 2 실시 예에 따른 반도체 소자는 산화갈륨 기판(100) 상에 서로 다른 조성을 갖는 제 1 AlGaInO3층(110) 및 제 2 AlGaInO3층(120)이 적층 형성된다. 예를 들어, 제 1 AlGaInO3층(110)은 Alx1Ga(1-x1-y1)Iny1O3(0≤x1, y<0.75)으로 형성될 수 있고, 제 2 AlGaInO3층(120)은 Alx2Ga(1-x2-y2)Iny2O3(x2≤x1, y2≥y1)으로 형성될 수 있다. 또한, 제 2 AlGaInO3층(120)은 전자가 이동하는 채널 영역으로 이용되므로 제 1 AlGaInO3층(110)보다 에너지 밴드갭이 작아지도록 형성하며, 그에 따라 제 1 AlGaInO3층(110)보다 큰 전하 이동도를 가질 수 있다. 이렇게 4.9eV 정도의 큰 에너지 밴드갭을 가지고 내전압 특성이 우수하며 SiC 및 GaN에 비해 낮은 전기 저항을 가지는 AlGaInO3 물질을 이용하여 반도체 소자를 제조함으로써 반도체 소자의 속도를 향상시킬 수 있다. 또한, 이를 전력 반도체 소자에 적용할 경우 손실률을 현저히 줄일 수 있다. 그리고, 산화갈륨 기판(100) 상에 3원계 이상의 금속 산화물, 즉 산화물 반도체가 형성되므로 질화물 반도체가 형성되는 소자에서 박리 문제가 발생되지 않는다.
상기한 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 반도체 소자의 제조 방법을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 산화갈륨 기판(100)을 준비하고, 산화갈륨 기판(100)의 적어도 일면, 바람직하게는 양면을 습식 세척하여 산화갈륨 기판(100) 표면의 유기물 및 무기물을 제거할 수 있다. 또한, 산화갈륨 기판(100)에 도전성 불순물, 예를 들어 실리콘 등의 n형 불순물을 도핑하여 전기 전도성을 갖게 할 수 있다. 물론, 산화갈륨 기판(100)에 불순물을 도핑하지 않아 절연성을 갖게 할 수도 있다.
이어서, 산화갈륨 기판(100)의 일면 상에 제 1 AlGaInO3층(110)을 형성한다. 제 1 AlGaInO3층(110)은 다양한 방법으로 형성할 수 있는데, 예를 들어 MOCVD, 스퍼터링 방법으로 형성할 수 있다. 이러한 제 1 AlGaInO3층(110)은 알루미늄 소오스 가스, 갈륨 소오스 가스, 인듐 소오스 가스 및 산소 소오스 가스를 제 1 조성비로 공급하여 Alx1Ga(1-x1- y1 )Iny1O3(0≤x1, y<0.75)으로 형성할 수 있다. 한편, 제 1 AlGaInO3층(110)은 실리콘 등의 n형 불순물이 도핑된 제 1 도전형의 반도체층으로 형성될 수 있다. 이를 위해 예를 들어 SiH4 및 SiH6 등을 포함하는 실리콘 소오스 가스를 더 공급할 수 있다. 물론, 제 1 AlGaInO3층(110)은 마그네슘 등의 p형 불순물이 도핑된 제 2 도전형의 반도체층으로 형성할 수도 있다. 이를 위해 예를 들어 비스시클로펜타다이닐마그네슘(biscyclopentadienylmagnesium; Cp2Mg)을 포함하는 마그네슘 소오스 가스를 더 공급할 수 있다. 이러한 제 1 AlGaInO3층(110)은 예를 들어 300℃∼1500℃의 온도와 10Torr∼760Torr의 압력에서 형성할 수 있으며, 예를 들어 0.01㎛∼10㎛ 두께로 형성할 수 있다.
이어서, 제 1 AlGaInO3층(110) 상에 제 2 AlGaInO3층(120)을 형성한다. 제 2 AlGaInO3층(120)은 제 1 AlGaInO3층(110)과 동일 챔버 내에서 연속적으로, 즉 인시투(insitu)로 형성될 수 있다. 여기서, 제 2 AlGaInO3층(120)은 알루미늄 소오스 가스, 갈륨 소오스 가스, 인듐 소오스 가스 및 산소 소오스 가스를 제 2 조성비로 공급하여 Alx2Ga(1-x2-y2)Iny2O3(x2≤x1, y2≥y1)으로 형성할 수 있다. 즉, 제 2 AlGaInO3층(120)은 제 1 AlGaInO3층(110)과 다른 조성으로 형성할 수 있는데, 알루미늄이 제 1 AlGaInO3층(110)보다 적거나 같게 형성하고, 인듐이 제 1 AlGaInO3층(110)보다 많거나 같게 형성할 수 있다. 한편, 제 2 AlGaInO3층(120)은 제 1 AlGaInO3층(110)과 다른 도전형의 반도체층으로 형성될 수 있다. 즉, 제 1 AlGaInO3층(110)이 n형 불순물이 도핑된 제 1 도전형의 반도체층으로 형성되면 제 2 AlGaInO3층(120)은 Mg 등의 p형 불순물이 도핑된 제 2 도전형의 반도체층으로 형성될 수 있다. 또한, 제 1 AlGaInO3층(110)이 p형 불순물이 도핑된 제 2 도전형의 반도체층으로 형성되면 제 2 AlGaInO3층(120)은 Si 등의 n형 불순물이 도핑된 제 1 도전형의 반도체층으로 형성될 수도 있다. 이러한 제 2 AlGaInO3층(120)은 제 1 AlGaInO3층(110)과 동일한 조건, 예를 들어 300℃∼1500℃의 온도와 10Torr∼760Torr의 압력에서 형성할 수 있으며, 예를 들어 0.01㎛∼10㎛ 두께로 형성할 수 있다.
이어서, 제 2 AlGaInO3층(120) 상의 소정 영역에 제 1 및 제 2 전극(130, 140)을 각각 형성한다. 즉, 제 1 및 제 2 전극(130, 140)은 동일 평면 상에 서로 소정 간격 이격되어 형성된다.
한편, 본 발명은 산화갈륨 기판을 이용하여 다이오드 이외의 다양한 반도체 소자를 구현할 수 있다. 이러한 반도체 소자의 예를 도 3을 이용하여 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 반도체 소자의 단면도로서, 전계 효과 트랜지스터(Field Effect Transistor)의 단면도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 반도체 소자는 산화갈륨 기판(100)과, 산화갈륨 기판(100) 상에 형성된 제 1 AlGaInO3층(110) 및 제 2 AlGaInO3층(120)과, 제 2 AlGaInO3층(120) 상의 소정 영역에 형성된 게이트 전극(160)과, 게이트 전극(160)과 이격되어 제 2 AlGaInO3층(160) 상에 형성된 소오스 전극(170) 및 드레인 전극(180)을 포함할 수 있다. 또한, 산화갈륨 기판(100)과 제 1 AlGaInO3층(110) 사이에 버퍼층(미도시)이 더 형성될 수도 있고, 제 2 AlGaInO3층(120)과 전극들(160, 170, 180) 사이에 투명 전극이 더 형성될 수도 있다. 여기서, 제 1 AlGaInO3층(110)은 Alx1Ga(1-x1- y1 )Iny1O3(0≤x1, y<0.75)으로 형성될 수 있고, 제 2 AlGaInO3층(120)은 Alx2Ga(1-x2- y2 )Iny2O3(x2≤x1, y2≥y1)으로 형성될 수 있다. 또한, 제 2 AlGaInO3층(120)은 소정 영역에 소정 깊이로 불순물이 도핑될 수 있다. 예를 들어, 소오스 전극(170) 및 드레인 전극(190)과 적어도 일부 중첩되도록 이들 하측에 소정 깊이로 불순물이 도핑될 수 있다. 또한, 게이트 전극(160)은 게이트 절연막(161)과 게이트(162)를 포함할 수 있다. 게이트 절연막(161)은 실리콘 옥사이드를 포함하는 절연 물질을 이용하여 형성할 수 있으며, 단일층 또는 복수의 층으로 형성될 수 있다. 게이트(162)는 도전 물질을 이용하여 형성할 수 있는데, 폴리실리콘, 금속 등을 이용할 수 있다. 그리고, 소오스 전극(170) 및 드레인 전극(180) 또한 도전 물질로 형성할 수 있는데, 게이트(162) 형성 물질과 동일 물질로 형성할 수도 있고, 다른 물질로 형성할 수도 있다. 이렇게 게이트 전극(160), 소오스 전극(170) 및 드레인 전극(180)에 의해 오믹 전극이 형성된다.
도 4는 본 발명의 제 4 실시 예에 따른 반도체 소자의 단면도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제 4 실시 예에 따른 반도체 소자는 산화갈륨 기판(100)과, 산화갈륨 기판(100)의 일면 상에 적층 형성된 제 1 AlGaInO3층(110) 및 제 2 AlGaInO3층(120)과, 제 2 AlGaInO3층(120) 상의 소정 영역에 형성된 제 1 전극(135) 및 산화갈륨 기판(100)의 타면 상에 형성된 제 2 전극(145)을 포함할 수 있다. 또한, 산화갈륨 기판(100)과 제 1 AlGaInO3층(110) 사이에 버퍼층(미도시)이 더 형성될 수도 있고, 제 2 AlGaInO3층(120)과 제 1 전극들(1135) 사이에 투명 전극이 더 형성될 수도 있다. 즉, 본 발명의 제 4 실시 예에 따른 반도체 소자는 제 1 및 제 2 전극(135, 145)가 수직 방향으로 이격되어 형성될 수 있다. 이때, 산화갈륨 기판(100)은 실리콘(Si) 등의 도전형 불순물이 주입되어 전기 전도성 특성을 가질 수 있다. 또한, 제 1 AlGaInO3층(110)은 Alx1Ga(1-x1- y1 )Iny1O3(0≤x1, y<0.75)으로 형성될 수 있고, 제 2 AlGaInO3층(120)은 Alx2Ga(1-x2- y2 )Iny2O3(x2≤x1, y2≥y1)으로 형성될 수 있다. 제 1 전극(135)은 제 2 AlGaInO3층(120) 상의 소정 영역에 형성되어 제 2 AlGaInO3층(120)에 전원을 공급하고, 제 2 전극(145)은 산화갈륨 기판(100)의 타면의 소정 영역에 형성되어 제 1 AlGaInO3층(110)에 전원을 공급한다. 한편, 본 발명의 제 4 실시 예는 제 2 AlGaInO3층(120) 상부에 두개의 전극이 서로 이격되어 형성될 수도 있다. 즉, 제 2 AlGaInO3층(120) 상부에 두개의 전극이 서로 이격되어 형성되고 하나의 전극이 산화갈륨 기판(100)의 이면에 형성될 수도 있다.
본 발명의 기술적 사상은 상기 실시 예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시 예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주지해야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야에서 당업자는 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 산화갈륨 기판 110 : 제 1 AlGaInO3층
120 : 제 2 AlGaInO3층 130, 140 : 제 1 및 제 2 전극
150 : 버퍼층
120 : 제 2 AlGaInO3층 130, 140 : 제 1 및 제 2 전극
150 : 버퍼층
Claims (10)
- 산화갈륨 기판;
상기 산화갈륨 기판 상에 형성되고, Alx1Ga(1-x1-y1)Iny1O3(0≤x1, y1<0.75)의 조성을 갖는 제1 AlGaInO3 반도체층;
상기 제1 AlGaInO3 반도체층 상에 형성되고, Alx2Ga(1-x2-y2)Iny2O3(x2≤x1, y2≥y1)의 조성을 갖는 제2 AlGaInO3 반도체층;
상기 제2 AlGaInO3 반도체층 상에 서로 이격되어 형성된 소오스 전극과 드레인 전극; 및
서로 이격된 상기 소오스 전극과 드레인 전극 사이의 상기 제2 AlGaInO3 반도체층 상에 형성된 게이트 절연막과 게이트;를 포함하고,
상기 제2 AlGaInO3 반도체층은 상기 소오스 전극과 상기 드레인 전극 사이를 전하가 이동하는 채널을 제공하고,
상기 제1 AlGaInO3 반도체층은 상기 전하를 상기 제2 AlGaInO3 반도체층에 가두는 컨파인층이며,
상기 제2 AlGaInO3 반도체층과 상기 제1 AlGaInO3 반도체층은 서로 다른 도전형의 반도체층인 반도체 소자.
- 청구항 1에 있어서,
상기 산화갈륨 기판과 상기 제1 AlGaInO3 반도체층 사이에 형성된 버퍼층을 더 포함하는 반도체 소자.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 제 2 AlGaInO3 반도체층은 상기 제 1 AlGaInO3 반도체층보다 에너지 밴드갭이 작고, 전하 이동도가 큰 반도체 소자.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 산화갈륨 기판은 불순물이 도핑된 것인 반도체 소자.
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2014
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