KR20140054624A - Power semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
실시예는 전력 반도체 소자에 관한 것이다.An embodiment relates to a power semiconductor device.
넓은 에너지 밴드갭(bandgap) 특성을 가진 질화 갈륨(GaN) 물질은 우수한 순방향 특성, 높은 항복전압(breakdown voltage), 낮은 고유 캐리어 밀도 등 전력용 스위치 같은 전력 반도체 소자 분야에 적합한 특성을 갖는다.Gallium nitride (GaN) materials with broad energy bandgap characteristics are suitable for power semiconductor devices such as power switches, such as excellent forward characteristics, high breakdown voltage, and low intrinsic carrier density.
전력 반도체 소자로서, 쇼트키 장벽 다이오드(Schottky barrier diode), 금속 반도체 전계 효과 트랜지스터(metal semiconductor field effect transistor) 또는 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT:High Electron Mobility Transistor) 등이 있다.As a power semiconductor device, a Schottky barrier diode, a metal semiconductor field effect transistor, or a high electron mobility transistor (HEMT) are available.
전력 반도체 소자의 응용 범위가 기지국, 위성통신, 국방용 등의 RF(Radio Frequency) 무선 전송 시스템까지 확대됨에 따라, 높은 주파수 특성을 가질 뿐만 아니라 높은 전력 특성도 동시에 만족시키는 전력 반도체 소자에 대한 요구가 증가하고 있다.As the application range of power semiconductor devices extends to radio frequency (RF) radio transmission systems such as base stations, satellite communications, and defense, there is a demand for power semiconductor devices that simultaneously satisfy not only high frequency characteristics but also high power characteristics .
도 1은 기존의 HEMT의 평면도를 나타낸다.1 shows a plan view of a conventional HEMT.
도 1에 도시된 기존의 HEMT는 소스 패드(12, 14), 드레인 패드(22), 게이트 패드(32) 및 게이트 핑거(gate finger)(34, 36)를 포함한다. 활성 영역(active area)(40) 내부에 소스(16, 18), 드레인(24) 및 게이트(35, 37)가 위치한다. 게이트 핑거(34, 36)에서 활성 영역(40) 내부에 위치한 부분이 게이트(35, 37)에 해당한다. 도 1에 도시된 기존의 HEMT는 단위 게이트 핑거(34, 36) 당 하나의 게이트 피딩 포인트(gate feeding point)(50, 52)를 갖는다. 즉, 게이트 핑거(34)는 하나의 게이트 피딩 포인트(50)를 갖고, 게이트 핑거(36)는 하나의 게이트 피딩 포인트(52)를 갖는다.The conventional HEMT shown in Fig. 1 includes
도 2는 게이트 폭(Wg)과 게이트 저항(Rg) 간의 일반적인 관계를 나타내는 그래프이고, 도 3은 게이트 폭(Wg)과 최대 공진 주파수(fmax) 간의 일반적인 관계를 나타내는 그래프이다.Figure 2 is a graph showing the general relationship between the gate width (W g) and the gate resistance (R g), 3 is a graph showing the general relationship between the gate width (W g) and the maximum resonant frequency (f max).
도 1 내지 도 3을 참조하면, 높은 전력 특성을 만족시키기 위해, HEMT의 항복 전압과 전류량을 증가시킬 필요가 있다. 게이트 폭(Wg)을 증가시킬 경우, HEMT의 전류량은 증가되지만 도 2에 도시된 바와 같이 게이트 저항(Rg)이 증가하고 도 3에 도시된 바와 같이 최대 공진 주파수(fmax)가 저하되는 문제점이 있다. 따라서, 전류량을 증가시키기 위해 게이트 폭(Wg)을 증가시킬 때 고주파수 특성의 저하를 막기 위해 게이트 저항(Rg)의 증가를 낮출 필요가 있다.Referring to Figs. 1 to 3, in order to satisfy a high power characteristic, it is necessary to increase the breakdown voltage and current amount of the HEMT. When the gate width W g is increased, the amount of current of the HEMT is increased, but the gate resistance R g increases as shown in FIG. 2, and the maximum resonance frequency f max decreases as shown in FIG. 3 There is a problem. Therefore, in order to increase the amount of current, it is necessary to lower the increase of the gate resistance (R g ) in order to prevent the deterioration of the high-frequency characteristics when increasing the gate width (W g ).
실시예는 높은 전력 특성뿐만 아니라 높은 주파수 특성도 갖고 위상차도 보상할 수 있는 전력 반도체 소자를 제공한다.The embodiment provides a power semiconductor device capable of compensating for phase difference as well as high frequency characteristics as well as high power characteristics.
실시예의 전력 반도체 소자는, 기판; 상기 기판 위에 서로 이격되어 배치된 소스 및 드레인; 상기 소스와 상기 드레인 사이에 배치된 게이트 핑거; 상기 소스를 사이에 두고 상기 게이트 핑거와 이격되며, 게이트 전압과 연결되는 N(여기서, N은 2 이상의 양의 정수)개의 게이트 피딩 포인트를 갖는 게이트 패드; 상기 N개의 게이트 피딩 포인트와 상기 게이트 핑거를 전기적으로 연결하는 N개의 게이트 연결부; 및 상기 N개의 게이트 연결부와 상기 게이트 핑거를 전기적으로 연결하는 N개의 게이트 랜딩 패드를 포함한다.A power semiconductor device of an embodiment includes: a substrate; A source and a drain spaced apart from each other on the substrate; A gate finger disposed between the source and the drain; A gate pad spaced apart from the gate finger by the source and having N gate coupling points connected to the gate voltage, wherein N is a positive integer greater than or equal to 2; N gate connections electrically connecting the N gate feeding points to the gate finger; And N gate landing pads electrically connecting the N gate connections to the gate fingers.
상기 N개의 게이트 랜딩 패드는 상기 서로 일정한 간격으로 이격될 수 있다.The N gate landing pads may be spaced apart from one another by a predetermined distance.
상기 N개의 게이트 연결부는 에어 브릿지 방식으로 상기 N개의 게이트 피딩 포인트와 상기 게이트 랜딩 패드를 전기적으로 연결하는 N개의 와이어를 포함할 수 있다.The N gate connections may include N wires electrically connecting the N gate feeding points and the gate landing pad in an air bridge fashion.
또는, 전력 반도체 소자는, 상기 게이트 패드, 상기 소스, 상기 드레인 및 상기 게이트 랜딩 패드 위에 배치되며, 상기 게이트 패드의 상부면과 상기 게이트 랜딩 패드의 상부면을 노출시키는 관통 홀을 갖는 절연층을 더 포함하고, 상기 N개의 게이트 연결부는 상기 관통 홀에 매립되어 상기 게이트 패드의 노출된 상부면과 상기 게이트 랜딩 패드의 노출된 상부면을 전기적으로 연결할 수 있다.Alternatively, the power semiconductor device may further include an insulating layer disposed over the gate pad, the source, the drain, and the gate landing pad, the insulating layer having a through hole exposing an upper surface of the gate pad and an upper surface of the gate landing pad. And the N gate connections may be embedded in the through holes to electrically connect the exposed upper surface of the gate pad to the exposed upper surface of the gate landing pad.
상기 게이트 랜딩 패드는 경사진 외곽을 갖고, 상기 외곽과 상기 소스가 마주보며 이격된 제1 거리는 상기 소스로부터 멀어질수록 증가할 수 있다. 또는/및, 상기 게이트 랜딩 패드는 경사진 외곽을 갖고, 상기 외곽과 상기 드레인이 마주보며 이격된 제2 거리는 상기 드레인으로부터 멀어질수록 증가할 수도 있다. 예를 들어, 상기 게이트 랜딩 패드의 상기 외곽은 마름모 형태를 가질 수 있다.The gate landing pad has a sloped outer surface, and the first distance that the outer surface and the source are spaced apart from each other may increase as the distance from the source increases. Or / and the gate landing pad has a sloped outer surface, and the second distance, in which the outer peripheries and the drains are spaced apart from each other, may increase as the distance is away from the drain. For example, the outer edge of the gate landing pad may have a rhombus shape.
상기 N은 상기 게이트의 저항값에 따라 아래와 같이 결정될 수 있다.N may be determined as follows according to the resistance value of the gate.
여기서, Rg는 상기 게이트의 저항값을 나타내고, Rref는 N=1일 때의 상기 게이트의 저항값을 나타낸다.Here, R g represents a resistance value of the gate, and R ref represents a resistance value of the gate when N = 1.
실시예에 따른 전력 반도체 소자는 하나의 게이트 핑거 당 복수의 게이트 피딩 포인트를 마련하여, 증가된 게이트 폭(Wg)을 증가시킴에도 불구하고 게이트 저항값(Rg)의 상승율을 낮출 수 있기 때문에 높은 전력 특성과 높은 주파수 특성을 동시에 만족시킬 뿐만 아니라 위상차를 보상할 수도 있다.The power semiconductor device according to the embodiment can provide a plurality of gate feeding points per one gate finger to lower the rate of increase of the gate resistance value R g even though the increased gate width W g is increased Not only high power characteristics and high frequency characteristics can be satisfied at the same time, but also the phase difference can be compensated.
도 1은 기존의 HEMT의 평면도를 나타낸다.
도 2는 게이트 폭과 게이트 저항 간의 일반적인 관계를 나타내는 그래프이다.
도 3은 게이트 폭과 최대 공진 주파수 간의 일반적인 관계를 나타내는 그래프이다.
도 4는 실시예에 의한 전력 반도체 소자의 평면도를 나타낸다.
도 5는 다른 실시예에 의한 전력 반도체 소자의 평면도를 나타낸다.
도 6은 또 다른 실시예에 의한 전력 반도체 소자의 평면도를 나타낸다.
도 7은 게이트 폭에 대한 게이트 저항값의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 8a 및 도 8b는 도 4 내지 도 5에 예시된 전력 반도체 소자를 7-7'선을 따라 절취한 실시예에 의한 부분 단면도를 나타낸다.
도 9는 도 4의 'A' 부분을 확대 도시한 평면도를 나타낸다.1 shows a plan view of a conventional HEMT.
Figure 2 is a graph showing the general relationship between gate width and gate resistance.
3 is a graph showing the general relationship between the gate width and the maximum resonant frequency.
4 is a plan view of the power semiconductor device according to the embodiment.
5 is a plan view of a power semiconductor device according to another embodiment.
6 is a plan view of a power semiconductor device according to another embodiment.
7 is a graph showing the relationship of the gate resistance value to the gate width.
FIGS. 8A and 8B are partial cross-sectional views of an embodiment of the power semiconductor device taken along line 7-7 'shown in FIGS.
FIG. 9 is a plan view showing an enlarged view of the portion 'A' in FIG.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 설명하고, 발명에 대한 이해를 돕기 위해 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 본 발명의 실시예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings in order to facilitate understanding of the present invention. However, the embodiments according to the present invention can be modified into various other forms, and the scope of the present invention should not be construed as being limited to the embodiments described below. Embodiments of the invention are provided to more fully describe the present invention to those skilled in the art.
본 발명에 따른 실시 예의 설명에 있어서, 각 element의 " 상(위)" 또는 "하(아래)"(on or under)에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두 개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 element사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 “상(위)" 또는 "하(아래)"(on or under)로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.In the description of embodiments according to the present invention, in the case of being described as being formed "on" or "under" of each element, the upper or lower (lower) (on or under) all include that two elements are in direct contact with each other or that one or more other elements are indirectly formed between the two elements. Also, when expressed as "on" or "under", it may include not only an upward direction but also a downward direction with respect to one element.
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.The thickness and size of each layer in the drawings are exaggerated, omitted, or schematically shown for convenience and clarity of explanation. Also, the size of each component does not entirely reflect the actual size.
도 4는 실시예에 의한 전력 반도체 소자(100A)의 평면도를 나타내며, N=2인 경우를 나타낸다.Fig. 4 shows a plan view of the
도 4에 예시된 전력 반도체 소자(100A)는 소스 패드(112, 114), 드레인 패드(122A), 게이트 패드(132), 게이트 핑거(134), 2개의 게이트 랜딩 패드(gate landing pad)(162, 164) 및 2개의 게이트 연결부(172, 174)를 포함한다.The
소스(116)는 활성 영역(active area)(140) 내에서 정의되고, 활성 영역(140) 내의 드레인 패드(122A)가 드레인(124)으로 정의되고, 활성 영역(140) 내의 게이트 핑거(134)가 게이트(136)로서 정의된다. 왜냐하면, 활성 영역(140) 내에 위치한 소스(116), 드레인(124) 및 게이트(136)가 전력 반도체 소자(100A)의 동작에 주된 영향을 미치기 때문이다.The
소스 패드(112, 114), 드레인 패드(122A) 및 게이트 패드(132)는 도 4에 예시된 전력 반도체 소자(100A)를 다른 전력 반도체 소자(미도시), 트랜지스터(미도시), 다이오드(미도시), 저항(미도시) 또는 커패시터(미도시) 같은 외부의 다른 소자와의 연결을 위한 영역 혹은 패키징을 위한 본딩 영역에 해당한다. 게이트(136)의 길이(Lg)와 폭(Wg)은 실제로 수 ㎛ 또는 수 ㎚이므로 외부의 다른 소자와 게이트(136)를 직접 연결하기 어렵고, 패키징을 위한 본딩으로서도 게이트(136)의 크기는 매우 작다. 따라서, 외부의 다른 소자와 게이트(136)를 연결하거나 혹은 패키징을 위한 본딩을 위해서, 게이트 패드(132)를 사용한다.The
전술한 비슷한 이유로 인해, 게이트(136)가 매우 작으므로, 게이트 핑거(134)와 게이트 패드(132)를 연결시키기 위한 영역으로서 게이트 랜딩 패드(162, 164)가 사용된다.The
한편, 게이트 핑거(134)는 소스(116)와 드레인(124) 사이에 배치된다.On the other hand, the
게이트 패드(132)는 소스(116)를 사이에 두고 게이트 핑거(134)와 이격되어 배치된다. 또한, 게이트 패드(132)는 N개의 게이트 피딩 포인트(150, 152)를 갖는다. 게이트 피딩 포인트(150, 152)는 게이트 전압이 인가되는 지점으로 정의된다. 여기서, N은 2 이상의 양의 정수이다. 도 4에 예시된 실시예는 N=2인 경우를 나타내지만 이에 국한되지 않는다.The
전술한 게이트 패드(132) 및 게이트 핑거(134) 각각은 금속 물질을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 내화 금속(refractory metal) 또는 이러한 내화 금속의 혼합물일 수 있다. 또는, 게이트 패드(132) 및 게이트 핑거(134) 각각은 Ta(Tantalum), TaN(Tantalum Nitride), TiN(Titanium Nitride), Pd(Palladium), W(tungsten) 및 WSi2(Tungstem silicide) 중 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다. 게이트 핑거(134)의 구성 물질과 게이트 패드(132)의 구성 물질은 서로 동일하거나 다를 수 있다.Each of the
소스 패드(112, 114), 소스(116) 드레인 패드(122A), 드레인(124) 각각은 금속으로 형성될 수 있다. 또한, 소스 패드(112, 114), 소스(116), 드레인 패드(122A), 드레인(124) 각각은 게이트 패드(132) 또는 게이트 핑거(134)의 물질과 동일한 물질을 포함할 수 있다. 또한, 소스 패드(112, 114), 소스(116), 드레인 패드(122A), 드레인(124) 각각은 오믹 특성을 갖는 반사 전극 재료로 형성될 수 있으며, 예를 들어, 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하여 단층 또는 다층 구조로 형성될 수 있다. 소스 패드(112, 114), 소스(116), 드레인 패드(122A), 드레인(124)의 각 구성 물질은 서로 다를 수도 있고 동일할 수도 있다.Each of the
도 4에 예시된 실시예에 의하면, 하나의 게이트 핑거(134) 당 2개의 게이트 피딩 포인트(150, 152)가 마련된다.According to the embodiment illustrated in FIG. 4, two gate feeding points 150, 152 are provided per
2 개의 게이트 연결부(172, 174)는 2개의 게이트 피딩 포인트(150, 152)와 게이트 핑거(134)를 전기적으로 연결한다.The two
이때, 게이트 핑거(134)는 2개의 게이트 랜딩 패드(162, 164)에 의해 2개의 게이트 연결부(172, 174)와 각각 전기적으로 연결시킨다. 도 4의 경우, 게이트 랜딩 패드(162, 164)는 서로 일정한 간격으로 이격되어 있지만, 실시예는 이에 국한되지 않는다.At this time, the
도 5는 다른 실시예에 의한 전력 반도체 소자(100B)의 평면도를 나타내며, N=3인 경우를 나타낸다. Wg1과 Wg2는 게이트(134-1, 134-2)의 폭을 각각 나타낸다.5 is a plan view of the
도 5에 예시된 전력 반도체 소자(100B)는 소스 패드(112, 114), 드레인 패드(122B), 게이트 패드(132), 게이트 핑거(134), 3개의 게이트 랜딩 패드(162, 164, 166) 및 3개의 게이트 연결부(172, 174, 176)를 포함한다.The
도 5에서, 소스(116-1, 116-2)는 활성 영역(142, 144) 내에서 각각 정의되고, 활성 영역(142, 144) 내에 위치한 드레인 패드(122B)가 드레인(124-1, 124-2)으로서 각각 정의되고, 활성 영역(142, 144) 내에 위치한 게이트 핑거(134)가 게이트(134-1, 134-2)로서 각각 정의된다.In Figure 5, the sources 116-1 and 116-2 are respectively defined in the
활성 영역(142) 내에서, 게이트(134-1)는 소스(116-1)와 드레인(124-1) 사이에 배치된다. 활성 영역(144) 내에서, 게이트(134-2)는 소스(116-2)와 드레인(124-2) 사이에 배치된다.Within
게이트 패드(132)는 소스(116)를 사이에 두고 게이트 핑거(134)와 이격되어 배치됨은 도 4와 동일하다. 또한, 게이트 패드(132)는 3개의 게이트 피딩 포인트(150, 152, 154)를 갖는다.The
여기서, 게이트 핑거(134)의 개수는 한 개이며, 하나의 게이트 핑거(134)를 게이트 패드(132) 상의 3개의 게이트 피딩 포인트(150, 152, 154)와 연결하기 위해서 3개의 게이트 랜딩 패드(162, 164, 166)가 게이트 핑거(134)의 상부에 배치되어 있다.Here, the number of the
또한, 3개의 게이트 연결부(172, 174, 176)는 3개의 게이트 피딩 포인트(150, 152, 154)와 게이트 핑거(134)를 전기적으로 연결한다.The three
이때, 게이트 핑거(134)는 3개의 게이트 랜딩 패드(162, 164, 166)에 의해 3개의 게이트 연결부(172, 174, 176)와 각각 전기적으로 연결된다. 도 5의 경우, 3개의 게이트 랜딩 패드(162, 164, 166)는 서로 일정한 간격으로 이격되어 있지만, 실시예는 이에 국한되지 않는다.At this time, the
또한, 도 4의 드레인 패드(122A)는 홈을 갖지 않는 반면, 도 5의 드레인 패드(122B)는 하나의 홈(123)을 가질 수 있다. 여기서, 홈(123)은 게이트 랜딩 패드(166)를 위한 공간을 형성하는데 기여한다.In addition, the
그 밖에 도 5에 예시된 전력 반도체 소자(100B)의 다른 부분은 도 4에 예시된 전력 반도체 소자(100A)와 동일하므로 이에 대한 상세한 설명을 생략한다.Other parts of the
도 6은 또 다른 실시예에 의한 전력 반도체 소자(100C)의 평면도를 나타내며, N=4인 경우를 나타낸다. Wg1, Wg2 및 Wg2는 게이트(134-1, 134-2, 134-3)의 폭을 각각 나타낸다.FIG. 6 shows a plan view of a
도 6에 예시된 전력 반도체 소자(100C)는 소스 패드(112, 114), 드레인 패드(122C), 게이트 패드(132), 게이트 핑거(134), 4개의 게이트 랜딩 패드(162, 164, 167, 168) 및 4개의 게이트 연결부(172, 174, 177, 178)를 포함한다.The
도 6에서, 소스(116-1, 116-2, 116-3)는 활성 영역(142, 144, 146) 내에서 각각 정의되고, 활성 영역(142, 144, 146) 내에 위치한 드레인 패드(122C)가 드레인(124-1, 124-2, 124-3)으로서 각각 정의되고, 활성 영역(142, 144, 146) 내에 위치한 게이트 핑거(134)가 게이트(134-1, 134-2, 134-3)로서 각각 정의된다.In Figure 6, the sources 116-1, 116-2, and 116-3 are defined within the
활성 영역(142) 내에서, 게이트(134-1)는 소스(116-1)와 드레인(124-1) 사이에 배치된다. 활성 영역(144) 내에서, 게이트(134-2)는 소스(116-2)와 드레인(124-2) 사이에 배치된다. 활성 영역(146) 내에서, 게이트(134-3)는 소스(116-3)와 드레인(124-3) 사이에 배치된다.Within
게이트 패드(132)는 소스(116)를 사이에 두고 게이트 핑거(134)와 이격되어 배치됨은 도 4와 동일하다. 또한, 게이트 패드(132)는 4개의 게이트 피딩 포인트(150, 152, 156, 158)를 갖는다.The
여기서, 게이트 핑거(134)의 개수는 한 개이며, 하나의 게이트 핑거(134)를 게이트 패드(132) 상의 4개의 게이트 피딩 포인트(150, 152, 156, 158)와 연결하기 위해서 4개의 게이트 랜딩 패드(162, 164, 167, 168)가 게이트 핑거(134)의 상부에 배치되어 있다.Here, the number of the
또한, 4개의 게이트 연결부(172, 174, 177, 178)는 4개의 게이트 피딩 포인트(150, 152, 156, 158)와 게이트 핑거(134)를 전기적으로 연결한다.The four
이때, 게이트 핑거(134)는 4개의 게이트 랜딩 패드(162, 164, 167, 168)에 의해 4개의 게이트 연결부(172, 174, 177, 178)와 각각 전기적으로 연결된다. 도 6의 경우, 4개의 게이트 랜딩 패드(162, 164, 167, 168)는 서로 일정한 간격으로 이격되어 있지만, 실시예는 이에 국한되지 않는다.At this time, the
또한, 도 4의 드레인 패드(122A)는 홈을 갖지 않는 반면, 도 6의 드레인 패드(122C)는 2개의 홈(125, 127)을 가질 수 있다. 여기서, 홈(125, 127)은 게이트 랜딩 패드(167, 168)를 위한 공간을 형성하는데 기여한다.In addition, the
그 밖에 도 6에 예시된 전력 반도체 소자(100C)의 다른 부분은 도 4에 예시된 전력 반도체 소자(100A)와 동일하므로 이에 대한 상세한 설명을 생략한다.Other parts of the
전술한 도 4 내지 도 6에 예시된 실시예는 N이 각각 2, 3 또는 4인 경우이다. 그러나, 당업자의 수준에서 N이 5 이상인 경우에도 본 발명을 용이하게 적용할 수 있음은 물론이다.The embodiments illustrated in Figs. 4 to 6 described above are cases where N is 2, 3 or 4, respectively. However, it goes without saying that the present invention can be easily applied even when N is 5 or more at the level of those skilled in the art.
도 1에 도시된 기존의 전력 반도체 소자의 경우 하나의 게이트 핑거(34) 당 하나의 게이트 피딩 포인트(50)가 배치되고, 하나의 게이트 핑거(36) 당 하나의 게이트 피딩 포인트(52)가 마련된다. 반면, 도 4에 예시된 전력 반도체 소자(100A)의 경우 하나의 게이트 핑거(134) 당 2개(N=2)의 게이트 피딩 포인트(150, 152)가 마련되고, 도 5에 예시된 전력 반도체 소자(100B)의 경우 하나의 게이트 핑거(134) 당 3개의 게이트 피딩 포인트(150, 152, 154)가 마련되고, 도 6에 예시된 전력 반도체 소자(100C)의 경우 하나의 게이트 핑거(134) 당 4개의 게이트 피딩 포인트(150, 152, 156, 158)가 마련된다. 이와 같이, 실시예의 의하면, 하나의 게이트 핑거(134) 당 복수의 게이트 피딩 포인트(150, 152, 154, 156, 158)가 배치되기 때문에, 게이트 폭(Wg, Wg1, Wg2, Wg3)의 증가에도 불구하고, 게이트 저항(Rg)이 낮아질 수 있다. 게이트 저항(Rg)과 N은 다음 수학식 1과 같은 관계를 갖는다.In the case of the conventional power semiconductor device shown in Fig. 1, one
여기서, Rref는 N=1일 때의 게이트(35, 37)의 저항값(이하, "기준 저항값"이라 함)을 나타낸다.Here, R ref represents a resistance value of the
수학식 1을 참조하면, N=2일 경우 도 4에 예시된 게이트(136)의 저항값(Rg)은 기준 저항값(Rref)의 1/4이 되고, N=3일 경우 도 5에 예시된 게이트(134-1, 134-2)의 저항값(Rg)은 기준 저항값(Rref)의 1/16이 되고, N=4일 경우 도 6에 예시된 게이트(134-1, 134-2, 134-3)의 저항값(Rg)은 기준 저항값(Rref)의 1/36이 된다. 이와 같이, N이 증가할수록 게이트(136, 134-1, 134-2, 134-3)의 저항값(Rg)은 기준 저항값(Rref)보다 더욱 낮아짐을 알 수 있다.Referring to Equation 1, when N = 2, the resistance value R g of the
도 7은 게이트 폭(Wg)에 대한 게이트 저항값(Rg)의 관계를 나타내는 그래프이다.Fig. 7 is a graph showing the relationship of the gate resistance value (R g ) to the gate width (W g ).
도 7을 참조하면, 게이트 폭(Wg)이 증가에 따라 게이트 저항값(Rg)의 증가율은 기준 저항값(Rref)(300)일 때보다 N=2인 경우(302)에 감소하고, N=2(302)일 때보다 N=3인 경우(304)에 더욱 감소함을 알 수 있다.Referring to FIG. 7, as the gate width W g increases, the rate of increase of the gate resistance value R g decreases to 302 when N = 2 as compared with the reference resistance value R ref 300 (304) than when N = 2 (302) and N = 3 (304).
일반적으로 전력 반도체 소자가 HEMT일 경우 최대 공진 주파수(fmax)와 게이트의 저항값(Rg)은 다음 수학식 2와 같은 관계를 갖는다.Generally, when the power semiconductor device is a HEMT, the maximum resonant frequency (f max ) and the resistance value (R g ) of the gate have the relationship expressed by the following equation (2).
여기서, fT는 컷 오프(cut-off) 주파수로서 ㎓의 단위를 갖고, Gds는 드레인 컨덕턴스 또는 출력 컨덕턴스로서 mS의 단위를 갖고, Rs는 소스 저항값을 나타내고, Ri는 고유(intrinsic) 저항값을 나타내고, gm , int는 고유 상호 컨덕턴스를 나타내고, Cgs는 게이트와 소스간 커패시턴스를 나타내고, Cgd는 게이트와 드레인간 커패시턴스를 나타낸다. Rg, Rs, Ri는 각각 오옴(ohm)(Ω)의 단위를 갖고, Cgs와 Cgd는 각각 pF의 단위를 갖는다.Where f T has a unit of GHz as a cut-off frequency, G ds has a unit of mS as a drain conductance or an output conductance, R s denotes a source resistance value, and R i denotes an intrinsic ) Denotes a resistance value, g m , int denotes a specific transconductance, C gs denotes a gate-to-source capacitance, and C gd denotes a gate and drain capacitance. R g , R s , and R i each have units of ohms (Ω), and C gs and C gd each have units of pF.
전술한 수학식 2는 다음 수학식 3과 같이 근사될 수 있다.Equation (2) may be approximated as Equation (3).
전술한 수학식 2 및 3을 보면, 게이트의 저항값(Rg)과 최대 공진 주파수(fmax)는 반비례 관계에 있음을 알 수 있다. 따라서, 전류량을 증가시키기 위해, 게이트 폭(Wg)을 증가시키면 게이트 저항값(Rg)이 증가하여 최대 공진 주파수(fmax)가 감소하게 된다.In the above-described expressions (2) and (3), it can be seen that the resistance value (R g ) of the gate and the maximum resonance frequency (f max ) are in inverse proportion. Therefore, if the gate width W g is increased to increase the amount of current, the gate resistance value R g increases and the maximum resonant frequency f max decreases.
그러나, 실시예에 의하면, 하나의 게이트 핑거(134) 당 N개의 게이트 피딩 포인트(150, 152, 154, 156, 158)를 마련하기 때문에, 전술한 수학식 1과 같이 게이트 저항값(Rg)은 감소하게 된다. 따라서, 전술한 수학식 2 및 3과 같이 게이트 저항값(Rg)의 감소에 의해 최대 공진 주파수(fmax)를 증가시킬 수 있다. 즉, 실시예에 의한 전력 반도체 소자(100A, 100B, 100C)에서 전류량을 증가시키기 위해, 게이트 폭(Wg)을 증가시킴에도 불구하고 최대 공진 주파수(fmax)를 키울 수 있다. 그러므로, 실시예에 의한 전력 반도체 소자(100A ~ 100C)의 경우, 고 전력 특성과 고 주파수 특성을 함께 충족시킬 수 있을 뿐만 아니라 위상차를 보상할 수도 있다.However, according to the embodiment, since the N gate feeding points 150, 152, 154, 156 and 158 are provided per one
한편, 전술한 게이트 연결부(172, 174, 176, 177, 178)는 다양한 형태를 가질 수 있다.Meanwhile, the
도 8a 및 도 8b는 도 4 내지 도 5에 예시된 전력 반도체 소자(100A ~ 100C)를 7-7'선을 따라 절취한 실시예에 의한 부분 단면도를 나타낸다. 여기서, 참조부호 116, 124 및 134는 도 4 내지 도 6에 예시된 소스(116, 116-1), 드레인(124, 124-1) 및 게이트(136, 134-1)에 각각 해당한다. 또한, 참조부호 172A, 172B 각각은 도 4 내지 도 6에 예시된 게이트 연결부(172)에 해당한다.FIGS. 8A and 8B are partial cross-sectional views taken along line 7-7 'of the
도 8a을 참조하면, 게이트 연결부(172A)는 에어 브릿지(air bridge) 형태로 게이트 패드(132)의 게이트 피딩 포인트(150, 152, 154, 156, 158)와 게이트 랜딩 패드(162)를 전기적으로 연결할 수 있다.8A, the
또는, 도 8b를 참조하면, 게이트 연결부(172A)는 에어 브릿지 방식이 아닌 절연체 이용 방식으로 게이트 패드(132)의 게이트 피딩 포인트(150)와 게이트 랜딩 패드(162)를 전기적으로 연결할 수 있다. 이 경우, 전력 반도체 소자는 절연층(250)을 더 포함한다. 절연층(250)은 게이트 패드(132), 소스(116), 드레인(124) 및 게이트 랜딩 패드(162)을 덮으면서 배리어층(240) 위에 배치된다. 절연층(250)은 게이트 패드(132)의 상부면을 노출시키는 관통 홀(252)과 게이트 랜딩 패드(162)의 상부면을 노출시키는 관통 홀(254)을 갖는다. 게이트 연결부(172B)는 관통 홀(252, 254)을 매립하면서 절연층(250)의 위에 배치되어 게이트 패드(132)의 노출된 상부면과 게이트 랜딩 패드(162)의 노출된 상부면을 전기적으로 연결한다.8B, the
한편, 도 8a 및 도 8b에 예시된 전력 반도체 소자는 기판(210), 전이층(220), 버퍼(buffer)층(230) 및 배리어(barrier)층(240)을 더 포함한다.The power semiconductor device illustrated in FIGS. 8A and 8B further includes a
기판(210)은 실리콘 기판, 실리콘 카바이드 기판, GaN 기판 또는 사파이어 기판일 수 있으나, 실시예는 기판(210)의 종류에 국한되지 않는다.The
버퍼층(230)은 기판(210) 상에 배치된다. 버퍼층(230)은 언도프된(undoped) 반도체층일 수 있다. 버퍼층(230)은 반도체 화합물로 형성될 수 있다. 3족-5족 또는 2족-6족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있다. 예를 들어, AlxInyGa(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질을 포함할 수 있다. 버퍼층(230)은 GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN, AlGaAs, InGaAs, AlInGaAs, GaP, AlGaP, InGaP, AlInGaP, InP 중 어느 하나 이상으로 형성될 수 있으나 이에 국한되지 않는다.The
채널층(232)은 배리어층(240)에 인접하여 버퍼층(230)의 상부에 형성될 수 있다. 즉, 채널층(232)은 배리어층(240)과 버퍼층(230)의 계면 아래의 버퍼층(230) 상부에 배치된다.A
또한, 기판(210)과 버퍼층(230) 사이에 전이층(220)이 더 배치될 수도 있다. 전이층(220)은 질화알루미늄(AlN), 질화알루미늄갈륨(AlGaN) 등을 포함할 수 있으나, 실시예는 이에 국한되지 않으며 전이층(220)은 생략될 수도 있다.In addition, a
배리어층(240)은 버퍼층(230) 상에 배치된다. 배리어층(240)은 채널층(232)의 형성에 도움을 주기 위해 배치되는 층으로서, 밴드 갭 에너지를 휘게 하는 역할을 한다. 배리어층(240)은 채널층(232)보다 밴드 폭이 큰 층으로써, 층 전체에서 균일한 분극 밀도를 가질 수 있으며, 배리어층(240)과 버퍼층(230)의 상이한 밴드갭(band gap) 에너지를 갖는 이종 접합에 의하여 2차원 전자가스(2-Dimensional Electron Gas, 2DEG)가 채널층(232)으로서 생성될 수 있다.The
예를 들어, 배리어층(240)은 3족-5족 또는 2족-6족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있다. 예를 들어, AlxInyGa(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질을 포함할 수 있다. 배리어층(240)은 GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN, AlGaAs, InGaAs, AlInGaAs, GaP, AlGaP, InGaP, AlInGaP, InP 중 어느 하나 이상으로 형성될 수 있다.For example, the
도 8a 및 도 8b에 예시된 기판(210), 중간층(220), 버퍼층(230) 및 배리어층(240)은 전력 반도체 소자를 구성하는 하나의 일 례에 불과하며, 실시예는 이러한 층(210, 220, 230, 240)의 형태 및 구성 물질에 국한되지 않는다.The
한편, 도 4 내지 도 6에 예시된 실시예의 전력 반도체 소자(100A, 100B, 100C)에서 소스(116, 116-1 ~ 116-3)와 게이트 랜딩 패드(162, 164, 166, 167, 168) 사이의 간격이 작을 경우, 소스(116, 116-1 ~ 116-3)와 게이트 랜딩 패드(162, 164, 166, 167, 168) 사이에 기생 커패시턴스가 커질 수 있다.On the other hand, in the
이를 방지하기 위해, 실시예에 의한 전력 반도체 소자에서 게이트 랜딩 패드(162, 164, 166, 167, 168)는 경사진 외곽을 갖고, 경사진 외곽과 소스(116, 116-1 ~ 116-3)가 마주보며 이격된 제1 거리는 소스(116, 116-1 ~ 116-3)로부터 멀어질수록 증가할 수 있다.In order to prevent this, the
또한, 도 4 내지 도 6에 예시된 실시예의 전력 반도체 소자(100A, 100B, 100C)에서 드레인 패드(122A, 122B, 122C)와 게이트 랜딩 패드(162, 164, 166, 167, 168) 사이의 간격이 작을 경우, 드레인 패드(122A, 122B, 122C)와 게이트 랜딩 패드(162, 164, 166, 167, 168) 사이에 야기되는 기생 커패시턴스가 커질 수 있다.The spacing between the
또한, 게이트 랜딩 패드(162, 164, 166, 167, 168)에 인접하는 드레인 패드(122A, 122B, 122C)는 도 4 내지 도 6에 예시된 활성 영역(140, 142, 144, 146)을 넓게 정의할 경우 드레인(124, 124-1, 124-2, 124-3)을 의미할 수도 있다. 이 경우, 도 4 내지 도 6에 예시된 실시예의 전력 반도체 소자(100A, 100B, 100C)에서 드레인(124, 124-1 ~ 124-3)과 게이트 랜딩 패드(162, 164, 166, 167, 168) 사이의 간격이 작을 경우, 드레인(124, 124-1 ~ 124-3)과 게이트 랜딩 패드(162, 164, 166, 167, 168) 사이에 야기되는 기생 커패시턴스가 커질 수 있다.The
이를 방지하기 위해, 있어서, 게이트 랜딩 패드(162, 164, 166, 167, 168)는 경사진 외곽을 갖고, 경사진 외곽과 드레인 패드(122A, 122B, 122C)(또는, 드레인(124, 124-1 ~ 124-3))이 마주보며 이격된 제2 거리는 드레인 패드(122A, 122B, 122C)(또는, 드레인(124, 124-1 ~ 124-3))으로부터 멀어질수록 증가할 수 있다.In order to prevent this, the
도 9는 도 4의 'A' 부분을 확대 도시한 평면도를 나타낸다.FIG. 9 is a plan view showing an enlarged view of the portion 'A' in FIG.
일반적으로 커패시터의 커패시턴스는 다음 수학식 4와 같은 관계를 갖는다.In general, the capacitance of the capacitor has a relationship represented by the following equation (4).
여기서, S는 커패시터를 이루는 2개의 도전판의 면적을 나타내고, d는 2개의 도전판이 이격된 거리를 나타내고, ε는 2개의 도전판 사이에 채워진 물질의 유전율을 나타낸다.Here, S represents the area of the two conductive plates constituting the capacitor, d represents the distance between the two conductive plates, and? Represents the dielectric constant of the material filled between the two conductive plates.
도 9와 전술한 수학식 4를 참조하면, 게이트 랜딩 패드(162)의 외곽의 평면 형상이 도 4 내지 도 6에 예시된 바와 같이 사각형(162E)일 경우, 게이트 랜딩 패드(162)의 외곽과 소스(116)의 외곽(116A, 116B) 사이의 거리(D2, D4, D6)가 작아 소스(116)와 게이트 랜딩 패드(162)간의 기생 커패시턴스가 증가할 수 있다.Referring to FIG. 9 and Equation (4), when the outer shape of the
그러나, 실시예에 의하면, 게이트 랜딩 패드(162)의 외곽의 평면 형상이 경사진다. 즉, 게이트 랜딩 패드(162)의 경사진 외곽(162A, 162B, 162C)과 소스(116A, 116B)가 마주보며 이격된 제1 거리(D1, D3, D5)는 소스(116A, 116B)로부터 멀어질수록 증가한다. 따라서, 소스(116)와 게이트 랜딩 패드(162)간의 기생 커패시턴스가 감소할 수 있다.However, according to the embodiment, the planar shape of the outer periphery of the
이와 비슷하게, 게이트 랜딩 패드(162)의 외곽의 평면 형상이 도 4 내지 도 6에 예시된 바와 같이 사각형(162E)일 경우, 게이트 랜딩 패드(162)의 외곽(162D)과 드레인 패드(122A) 사이의 거리(D8)가 작아 드레인 패드(122A)와 게이트 랜딩 패드(162)간의 기생 커패시턴스가 증가할 수 있다.Similarly, when the planar shape of the outer edge of the
그러나, 실시예에 따라 게이트 랜딩 패드(162)의 외곽의 평면 형상이 경사지면, 게이트 랜딩 패드(162)의 외곽(162D)과 드레인 패드(122A)가 마주보며 이격된 제2 거리(D7)가 드레인 패드(122A)로부터 멀어질수록 증가한다. 따라서, 드레인 패드(122A)와 게이트 랜딩 패드(162)간의 기생 커패시턴스가 감소할 수 있다.However, if the planar shape of the outer edge of the
전술한 바와 같이 기생 커패시턴스를 줄이기 위해, 게이트 랜딩 패드(162)의 외곽은 경사진 형태를 갖는다. 이를 고려하면, 도 4 내지 도 6에 예시된 게이트 랜딩 패드(162, 164, 166, 167, 168) 중 게이트 핑거(134)의 중간에 위치한 게이트 랜딩 패드(166, 167, 168)은 마름모 형태를 가질 수 있으며, 이에 국한되지 않고 게이트 랜딩 패드(162, 164, 166, 167, 168)는 다양한 형태로 경사진 외곽을 가질 수 있다.In order to reduce the parasitic capacitance as described above, the outline of the
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, It will be understood that various modifications and applications are possible. For example, each component specifically shown in the embodiments can be modified and implemented. It is to be understood that all changes and modifications that come within the meaning and range of equivalency of the claims are therefore intended to be embraced therein.
100A, 100B, 100C: 전력 반도체 소자 112, 114: 소스 패드
116, 116-1, 116-2, 116-3: 소스 122A, 122B, 122C: 드레인 패드
124, 124-1, 124-2, 124-3: 드레인 132: 게이트 패드
134: 게이트 핑거 134-1 ~ 134-2, 136: 게이트
140, 142, 144, 146: 활성 영역
150, 152, 154, 156, 158: 게이트 피딩 포인트
162, 164, 166, 167, 168: 게이트 랜딩 패드
172, 172A, 172B, 174, 176, 177, 178: 게이트 연결부
210: 기판 220: 전이층
230: 버퍼층 232: 채널층
240: 배리어층 250: 절연층100A, 100B, 100C:
116, 116-1, 116-2, 116-3:
124, 124-1, 124-2, 124-3: drain 132: gate pad
134: gate finger 134-1 to 134-2, 136: gate
140, 142, 144, 146: active region
150, 152, 154, 156, 158: gate feeding point
162, 164, 166, 167, 168: gate landing pads
172, 172A, 172B, 174, 176, 177, 178:
210: substrate 220: transition layer
230: buffer layer 232: channel layer
240: barrier layer 250: insulating layer
Claims (8)
상기 기판 위에 서로 이격되어 배치된 소스 및 드레인;
상기 소스와 상기 드레인 사이에 배치된 게이트 핑거;
상기 소스를 사이에 두고 상기 게이트 핑거와 이격되며, 게이트 전압과 연결되는 N(여기서, N은 2 이상의 양의 정수)개의 게이트 피딩 포인트를 갖는 게이트 패드;
상기 N개의 게이트 피딩 포인트와 상기 게이트 핑거를 전기적으로 연결하는 N개의 게이트 연결부; 및
상기 N개의 게이트 연결부와 상기 게이트 핑거를 전기적으로 연결하는 N개의 게이트 랜딩 패드를 포함하는 전력 반도체 소자.Board;
A source and a drain spaced apart from each other on the substrate;
A gate finger disposed between the source and the drain;
A gate pad spaced apart from the gate finger by the source and having N gate coupling points connected to the gate voltage, wherein N is a positive integer greater than or equal to 2;
N gate connections electrically connecting the N gate feeding points to the gate finger; And
And N gate landing pads electrically connecting the N gate connections to the gate fingers.
에어 브릿지 방식으로 상기 N개의 게이트 피딩 포인트와 상기 게이트 랜딩 패드를 전기적으로 연결하는 N개의 와이어를 포함하는 전력 반도체 소자.2. The apparatus of claim 1, wherein the N gate connections
And N wires electrically connecting the N gate feeding points and the gate landing pad in an air bridge manner.
상기 N개의 게이트 연결부는 상기 관통 홀에 매립되어 상기 게이트 패드의 노출된 상부면과 상기 게이트 랜딩 패드의 노출된 상부면을 전기적으로 연결하는 전력 반도체 소자.The semiconductor device of claim 1, further comprising an insulating layer disposed over the gate pad, the source, the drain, and the gate landing pad, the insulating layer having a through hole exposing an upper surface of the gate pad and an upper surface of the gate landing pad and,
Wherein the N gate connections are buried in the through holes to electrically connect the exposed upper surface of the gate pad to the exposed upper surface of the gate landing pad.
(여기서, Rg는 상기 게이트의 저항값을 나타내고, Rref는 N=1일 때의 상기 게이트의 저항값을 나타낸다.)The power semiconductor device according to claim 1, wherein N is determined according to a resistance value of the gate as follows.
(Where R g represents the resistance value of the gate and R ref represents the resistance value of the gate when N = 1).
Priority Applications (1)
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JPH03232241A (en) * | 1989-08-31 | 1991-10-16 | Mitsubishi Electric Corp | Semiconductor device and manufacture thereof |
KR20080079377A (en) * | 2007-02-27 | 2008-09-01 | 삼성전자주식회사 | Multi-finger transistors |
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- 2012-10-29 KR KR1020120120331A patent/KR101977277B1/en active IP Right Grant
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