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KR20150000753A - 질화물 반도체 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

질화물 반도체 소자 및 그 제조 방법 Download PDF

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KR20150000753A
KR20150000753A KR1020130073271A KR20130073271A KR20150000753A KR 20150000753 A KR20150000753 A KR 20150000753A KR 1020130073271 A KR1020130073271 A KR 1020130073271A KR 20130073271 A KR20130073271 A KR 20130073271A KR 20150000753 A KR20150000753 A KR 20150000753A
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gan
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장태훈
김준호
김재무
조성무
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엘지전자 주식회사
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Abstract

본 명세서는, 핵생성층 및 채널층 사이에 InAlGaN 중간층을 성장시켜, 기판과 핵생성층 사이의 격자상수 차에 의해 발생하는 결함과 전위들의 진행을 억제하는 구조를 가지는 반도체 소자 및 그 제조방법을 제공한다.
이를 위하여, 일 실시예에 따른 반도체 소자는, AlN 층; 상기 AlN 층 상에 형성된 InAlGaN 중간층; 상기 InAlGaN 중간층 상에 형성된 GaN 채널층; 및 상기 GaN 채널층 상에 형성된 AlGaN 장벽층을 포함할 수 있다.

Description

질화물 반도체 소자 및 그 제조 방법{Nitride semiconductor and method thereof}
본 명세서는 반도체 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
Green energy 가 강조되면서 전력 반도체의 중요성이 더 높아지고 있다. 전기 자동차, 에어컨, 냉장고등의 인버터에 사용되는 전력 반도체는 현재 Silicon으로 제작 되고 있다. 하지만 새로운 물질의 질화물 반도체는 실리콘에 비해 높은 임계 전계, 낮은 on저항, 고온과 고주파 동작 특성이 주목되는 것으로써 차세대 전력 반도체 소자의 재료로 선행 연구되고 있다.
고출력 전력 소자에는 최근에 주류로, 크게 MOSFET와 IGBT가 있으며, GaN 계열로도 HEMT, HFET 및 MOSFET등의 소자가 연구되어 지고 있다.
HEMT의 경우, 높은 전자의 이동도를 이용하여, 고주파 특성의 통신소자 등에 이용되어 지고 있다.
또한, HEMT는 전력용 반도체 및 고주파 특성의 통신소자 등에 이용되어 지고 있다. 최근에는 하이브리드/연료 전지 자동차의 개발이 진행되고 있으며, 국외 여러 기업에서 하이브리드 자동차를 출시하고 있다. 하이브리드 자동차내 모터와 발전기(generator)를 연결하는 voltage booster converter 및 inverter내 반도체 스위치는 엔진에서 발생하는 열로 인하여 고온에서 신뢰적인 동작을 요구한다. GaN는 와이드 밴드갭으로 인하여 신뢰적인 고온 동작이 가능하며, 하이브리드 자동차내 차세대 반도체 스위치로 적합하다.
그 중 일본 Furukawa Electric이 AlGaN/GaN 고전자 이동도 트랜지스터 (high-electron-mobility transistor, HEMT) discrete를 발표하였으며, 750 V의 높은 항복 전압과 6.3 mΩ-cm2의 낮은 온-저항을 가져 기존 Si MOSFET, Si superjunction MOSFET 및 SiC MESFET에 비하여 우수한 특성을 가짐을 증명하였다. 또한 발표된 GaN discrete는 225℃의 고온에서도 안정적인 스위칭 동작을 하였다.
도 1은 이종접합 전계 효과 트랜지스터(HFET)의 일반적인 구조를 나타내는 예시도이다.
도 1을 참조하면, 일반적인 HFET는 드레인 전극에서 소스 전극으로 흐르는 2DEG 전류를 쇼트키(schottky) 게이트 전극을 통해 스위칭(switching) 동작을 할 수 있다.
일반적인 HFET(10)는 기판(미도시), 상기 기판상에 형성된 제 1 GaN층(11), 상기 제 1 GaN층 상에 형성되는 AlGaN층(12), 상기 AlGaN층 상에 형성되는 제 2 GaN층(13), 상기 제 2 GaN층 상에 형성되는 게이트 전극(14), 소스 전극(15) 및 드레인 전극(16)을 포함할 수 있다.
한편, GaN를 이용한 소자의 경우 기판 선정에 따라서 가격과 소자의 특성이 달라지기도 한다. GaN on Silicon은 낮은 가격과 Silicon 공정 프로세스의 확립으로 가장 많이 쓰이는 구조이지만 높은 Lattice mismatch로 인해서 에피(Epi)가 defective 해질 수 있고, 실리콘(Silicon) 기판이 stress를 받음으로써 높은 bow와 surface crack이 발생하는 경우가 있을 수 있으며, GaN를 직접 Silicon 위에 성장할 경우 melting back현상에 의해서 Silicon이 GaN에 etching되는 현상이 발생할 수 있는 문제점이 있을 수 있다.
본 명세서는 핵생성층 및 채널층 사이에 InAlGaN 중간층을 성장시켜, 기판과 핵생성층 사이의 격자상수 차에 의해 발생하는 결함과 전위들의 진행을 억제하는 구조를 가지는 반도체 소자 및 그 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기 목적들을 달성하기 위한 본 명세서에 따른 반도체 소자는, AlN 층; 상기 AlN 층 상에 형성된 InAlGaN 중간층; 상기 InAlGaN 중간층 상에 형성된 GaN 채널층; 및 상기 GaN 채널층 상에 형성된 AlGaN 장벽층을 포함할 수 있다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, InAlGaN 중간층의 조성은, InxAlyGa1 -x- yN으로 표현되고, 0 < x <0.1, 0 ≤ y < 1인 것일 수 있다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 InAlGaN 중간층의 In의 조성 x는, 상기 InAlGaN 중간층의 성장 방향으로 유지되거나 감소되는 것일 수 있다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 InAlGaN 중간층의 Al의 조성 y는, 상기 InAlGaN 중간층의 성장 방향으로 유지되거나 감소되는 것일 수 있다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 x 및 y 중 적어도 하나는, 상기 InAlGaN 중간층의 성장 방향으로 불연속적으로 감소되는 것일 수 있다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 InAlGaN 중간층의 성장 방향은, [0 0 1] 격자 방향인 것일 수 있다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 InAlGaN 중간층의 두께는, 100nm ~ 1000nm인 것일 수 있다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 반도체 소자는, 상기 InAlGaN 중간층 및 상기 GaN 채널층 사이에 위치하는 초격자층을 더 포함할 수 있다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 초격자층은, 서로 다른 2개의 제 1 박막층 및 제 2 박막층이 적층된 초격자 박막층이 복수개 적층되어 형성되는 것일 수 있다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 제 1 박막층은, AlN으로 이루어지고, 상기 제 2 박막층은, GaN으로 이루어지는 것일 수 있다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 제 1 박막층에 포함된 Al의 조성은, 50% ~ 99%인 것일 수 있다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 제 1 박막층의 두께는, 2nm ~ 10nm이고, 상기 제 2 박막층의 두께는, 2nm ~ 100nm인 것일 수 있다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 적층되는 초격자 박막층의 개수는, 10 ~ 300인 것일 수 있다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 초격자층은, p형 도펀트로 도핑되는 것일 수 있다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 p형 도펀트는, Mg, C 및 Fe 중 적어도 하나인 것일 수 있다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 p형 도펀트의 농도는, 1e16/cm3 ~ 5e20/cm3 인 것일 수 있다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 p형 도펀트의 농도는, 상기 초격자층의 적층 방향으로 점층적으로 감소되는 것일 수 있다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 AlN층은, 서로 다른 온도로 성장된 AlN으로 이루어진 복수의 층을 포함할 수 있다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 서로 다른 온도로 성장된 AlN으로 이루어진 복수의 층의 개수는, 2 ~ 5인 것일 수 있다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 AlN층의 두께는, 1 nm ~ 20 nm인 것일 수 있다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 GaN 채널층의 두께는, 0.01um ~ 1um인 것일 수 있다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 GaN 채널층은, C, Fe, Mg 및 Mn 중 적어도 하나의 도펀트로 도핑되는 것일 수 있다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 적어도 하나의 도펀트 농도는, 1e18/cm3 ~ 5e20/cm3인 것일 수 있다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 AlGaN 장벽층의 Al의 조성은, 10% ~ 30%인 것일 수 있다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 AlGaN 장벽층의 두께는, 10nm ~ 50nm인 것일 수 있다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 AlN층은, 기판 상에 형성되는 것일 수 있다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 기판은, Si, SiC, Sapphire 및 AlN 중 적어도 하나로 이루어지는 것일 수 있다.
상기 목적들을 달성하기 위한 본 명세서에 따른 반도체 소자의 제조방법은, 본 명세서와 관련된 일 예로서, 기판 상에 AlN층을 형성시키는 단계; 상기 AlN 층 상에 InAlGaN 중간층을 형성시키는 단계; 상기 InAlGaN 중간층 상에 GaN 채널층을 형성시키는 단계; 및 상기 GaN 채널층 상에 AlGaN 장벽층을 형성시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 AlN층, 상기 InAlGaN 중간층, 상기 GaN 채널층 및 상기 AlGaN 장벽층 중 적어도 하나는, 유기 금속 기상 성장법(MOCVD), 분자선 에피성장법(MBE), 힐라이드 기상 성장법(HVPE), PECVD (Plasma-enhanced chemical vapor deposition), 스퍼터링(Sputtering) 및 ALD(atomic layer deposition) 중 적어도 하나를 근거로 형성되는 것일 수 있다.
본 명세서에 개시된 일 실시예에 따르면, 핵생성층 및 채널층 사이에 InAlGaN 중간층을 성장시켜, 기판과 핵생성층 사이의 격자상수 차에 의해 발생하는 결함과 전위들의 진행을 억제하는 구조를 가지는 반도체 소자 및 그 제조방법을 제공한다.
특히, 본 명세서에 개시된 반도체 소자에 따르면, 핵생성층으로부터 진행되는 결함을 감소시키고, compressive stress를 줌으로서 cooling down 시에 발생하는 tensile stress를 억제하여 웨이퍼의 휨을 억제하고 GaN층의 크랙 생성을 막아 양질의 GaN 층을 기판 위에 성장시킬 수 있는 장점이 있을 수 있다.
도 1은 이종접합 전계 효과 트랜지스터(HFET)의 일반적인 구조를 나타내는 예시도이다.
도 2는 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 반도체 소자의 구조를 나타내는 예시도이다.
도 3은 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 초격자층을 포함하는 반도체 소자를 나타내는 예시도이다.
도 4는 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 Fe 도펀트의 도핑 프로파일을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 명세서에 개시된 또 다른 일 실시예에 따른 Fe 도펀트의 도핑 프로파일을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법을 나타내는 순서도이다.
도 7a ~ 도 7e는 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법을 나타내는 예시도이다.
본 명세서에 개시된 기술은 이종접합 전계효과 트랜지스터 및 그 제조방법에 적용될 수 있다. 그러나 본 명세서에 개시된 기술은 이에 한정되지 않고, 상기 기술의 기술적 사상이 적용될 수 있는 모든 질화물계 반도체 소자 및 그 제조방법에 적용될 수 있다.
최근, 질화물(Nitride) 반도체의 성장 기술에 따라, 자외선에서 적색 파장밴드를 포괄하는 발광 다이오드 및 청자색 레이저 다이오드의 개발이 완료되어 이미 신호등, 전광판, 핸드폰 등에 널리 사용되고 있다.
질화물 반도체를 이용한 전력소자는 Si 에 기반을 둔 소자에 비해 switching 속도나 내전압 특성이 우수하고 전류 포화속도가 커서 고출력 고전압용으로 Si 기반소자 들에 비해 많은 장점을 가지고 있다.
즉, 질화물 반도체의 대표격인 GaN은 밴드갭 에너지가 크고 이종 접합을 통해 2차원 2DEG 채널을 형성할 수 있기 때문에 임계 전압이 크고 고속 동작을 할 수 있다.
이러한 고출력, 고속 특성은 높은 동작 전압 및 스위칭 상의 적은 에너지 손실이 요구되는 전력 반도체에 매우 적합하기 때문에 차세대 전력 반도체 재료로써 주목받고 있다.
이런 질화물 기반으로 하는 HFET 를 만들기 위해서는 2DEG 구조를 가지는 에피층을 성장하여야 하는데 이때 사용되는 보통의 기판들은 주로 사파이어, Si, SiC, AlN 등의 기판을 사용한다.
여기서 Si 기판은 대량화가 가능하고 가격이 싼 장점때문에 질화물 전력반도체의 기판으로 많은 장점이 있다. 그러나 Si는 GaN에 비해 열팽창계수가 작아 성장후 cooling down 시에 GaN 층이 tensile stress를 받아 크랙이 발생할 확률이 커지게 된다.
즉, 화합물 반도체는 일반적으로 이종 기판 위에 사용되므로 격자 상수 차이로 인한 스트레스 및 결함이 발생할 수 있으며, 화합물의 불완전한 결합으로 생기는 결정 결함 등으로 인해 고품질의 에피층을 성장하기 어렵고, 다양한 누설 전류의 경로가 존재하는 단점이 있을 수 있다.
이러한 크랙을 방지하기 위한 일 방법으로는, Si 기판과 GaN 의 중간정도의 열팽창계수를 가지는 AlN층을 삽입하여 tensile stress를 완화시키는 구조가 일반적인 질화물계 전력소자의 에피구조를 들 수 있다.
본 명세서에 개시된 기술은, 질화물 반도체 HFET 소자의 제작 방법에 관한 것으로, High power device를 만들기 위한 소자 제작 방법 및 구조에 대한 것이다.
구체적으로, 본 명세서에 개시된 기술은, HFET 전력소자를 제조하기 위한 질화물 반도체 성장방법에 관한 것으로 Si 기판위에 GaN 질화물을 성장할 때 열팽창계수의 차이에 의한 크랙의 발생을 억제하고 기판으로부터의 전위의 생성 및 성장을 최소화하는 성장방법에 관한 것이다.
기판 위에 2DEG층을 만드는 HFET 소자 구조를 성장하기 위해 Si 기판위에 핵생성층인 AlN 를 성장한 후에 InAlGaN 중간층을 성장시켜 Si와 AlN 의 격자상수 차에 의해 발생하는 결함과 전위들의 진행을 억제하는 구조가 개시된다.
본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 명세서에 개시된 기술의 사상을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 본 명세서에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 명세서에 개시된 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적인 용어가 본 명세서에 개시된 기술의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예들을 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
또한, 본 명세서에 개시된 기술을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 기술의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 기술의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 그 기술의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
질화물계 반도체 소자에 있어서의 버퍼층에 대한 설명
전력 반도체에서 질화물 반도체 즉, GaN는 높은 Breakdown voltage와 낮은 on저항의 소자로써 각광받고 있다.
하지만 GaN을 defective하지 않으면서 적은 lattice mismatch를 유지하게 성장하기에는 그 기판의 단가가 높고, 제작하기가 어려워서 소자 성장에 어려움이 있을 수 있다.
또한, Sapphire나 SiC를 성장 후 공정하는데 있어서 기존 반도체 공정으로는 할 수가 없어 새로운 공정 프로세스를 개발해야 할 수 있다.
이런 이유로 단가가 낮고, 이미 반도체 공정 방법이 확립되어 있는 기판인 Silicon을 사용하게 되는데, Silicon의 경우에는 질화물 반도체인 GaN과의 Lattice mismatch가 커서 바로 위에 성장하게 될 경우 Epi가 defective하게 성장이 될 것이고, 소자를 제작하게 될 경우에는 defect들이 leakage path로 작용하여 소자의 leakage current를 증가될 수 있다.
따라서, GaN과 Silicon 기판 사이에 AlGaN등의 버퍼층(buffer) 층을 삽입하게 될 경우에는 Lattice mismatch를 줄여주어서 defect density를 줄여 줄 수 있고, GaN과 Silicon의 Lattice constant의 차이로 인한 Epi stress가 줄어들어서, thicker GaN을 성장하여도, Crack의 발생을 막아주게 될 수 있다.
또한, Grade AlGaN buffer를 이용한 소자의 경우에는 1 ~ 5개의 Al 조성이 다른 AlGaN 층을 AlN Nucleaiton 층 위에 성장하는 것으로써, Silicon과 GaN buffer layer 사이에 Latitice mismatch를 줄이고, 두꺼운 GaN buffer 층을 성장 시키기 위해 성장하게 되는 장점이 있을 수 있다.
이하에서는 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 질화물계 반도체 소자에 있어서의 버퍼층에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
lll-V족 화합물 반도체는 이종접합으로 인한 2차원 전자 가스 채널 (2-dimentional electron gas, 2DEG)로 고이동도 및 높은 전류 밀도를 가지는 소자를 제작 가능하기 때문에 고속, 고출력 소자에 유리한 장점을 가지고 있다.
그러나 구조적인 특성에 의해 발생하는 2DEG 때문에 소자는 노멀리-온 특성을 가지게 되며, 오프 상태를 위해서 추가적인 전압을 가해주어야 하기 때문에 소자의 대기 상태도 전력을 소모하는 단점을 가지고 있다.
GaN와 같은 화합물 반도체는 Gallium과 Nitride 같의 결합 과정에서 발생하는 N-vacancy 및 반응 챔버에 존재하는 불순물에서 유래하는 도너 등으로 인해 의도적인 도핑을 하지 않아도 약한 수준의 n-type 도핑된 효과가 있다.
이러한 결함 및 불순물의 GaN의 저항률을 낮추는 역할을 하며, 이로 인해 활성층 이 외 영역으로의 누설전류 문제가 발생할 수 있다.
MOCVD 공정은 전형적으로 1 x 1016 cm-3의 전자농도를 가지는 GaN을 형성하는 것으로 알려져 있다.
또한 sapphire, SiC, Si 등 이종의 기판 위에 성장되기 때문에 기판과의 격자 상수 차이로 인한 결함이 발생하여 Si과 같은 전도성 기판을 사용할 경우 누설 전류에 취약한 부분이 된다. 따라서 소자의 노멀리-오프 특성과 완충층(또는 버퍼층)을 통한 결함 감소 및 누설전류 억제를 위한 방안이 필요하다.
이종 접합 구조의 질화물 반도체 전력 소자에서 에피 박막에서 오는 누설 전류를 줄이기 위해 여러 방법이 있을 수 있다.
특히, 상기 누설 전류를 감소시키기 위해 기판 및 GaN층 사이에 적어도 하나의 버퍼층을 성장시키는 방법이 있을 수 있다.
또한, 버퍼층을 통해 효율적으로 누설 전류를 줄이기 위해서는 GaN 채널의 semi-insulating 기능을 강화해야 할 뿐만 아니라 이를 성장하기 위한 버퍼(buffer)층의 결정 결함도 최소화하고 semi-insulating 특성 또한 증대시켜 소자 active 영역에서 오는 vertical과 lateral 누설전류를 최소화해야 할 수 있다.
이는 특히, 고전력 소자의 동작에 있어서 필요한 부분이라고 할 수 있다.
본 명세서에 개시된 기술은 GaN 성장을 위한 버퍼(buffer)층의 누설 전류를 줄이기 한 효과적인 에피 구조에 대해서 제안하고자 한다.
본 명세서에 개시된 일 실시예에 따르면, 기판(예를 들어, Si기판) 위에 GaN를 성장하기 위한 버퍼층의 종류에는 3가지가 있을 수 있다. 예를 들어, 상기 버퍼층은 AlN층, AlGaN층, InAlGaN층 및 초격자(superlattice)층 중 적어도 하나를 포함하는 구조로 이루어질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 AlN층(또는 AlN 핵생성층)은 서로 다른 온도로 성장된 AlN으로 이루어진 복수의 층을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 서로 다른 온도로 성장된 AlN으로 이루어진 복수의 층의 개수는, 2 ~ 5인 것일 수 있다.
또한, 예를 들어, AlN 버퍼(buffer)는 저온과 고온의 조합으로 사용될 수 있다. 즉, AlN 버퍼의 하부는 저온 성장으로 형성되고, AlN 버퍼의 상부는 고온 성장으로 형성되는 것일 수 있다. 이 경우, 상기 AlN층은, 저온으로 성장된 제 1 AlN층 및 상기 제 1 AlN층 상에 형성되고, 고온으로 성장된 제 2 AlN층을 포함할 수 있다.
또한, 일 실시예에 따르면, 상기 AlGaN 버퍼는, Al의 조성이 서로 다른 AlGaN으로 이루어진 복수의 층을 포함할 수 있다.
예를 들어, Al의 조성이 서로 다른 AlGaN으로 이루어진 복수의 층의 개수는, 2 ~ 5인 것일 수 있다.
또한, 예를 들어, AlGaN 버퍼의 하부 층에는 Al 조성이 높고 상부 층에는 Al 조성이 낮은 연속 graded 또는 단계별 graded 버퍼가 사용될 수 있다.
본 명세서에 개시된 일 실시예에 따르면, 상기 버퍼층은, 상기 AlN층 및 상기 AlN층 상에 형성된 상기 InAlGaN층(또는 InAlGaN 중간층)을 포함하는 구조일 수 있다.
상기 InAlGaN 중간층의 역할은 기판의 휨 억제와 성장 완료후 상온으로 냉각시에 발생하는 tensile stress를 감소시켜 주는 역할을 할 수 있다.
일 실시예에 따르면, InAlGaN 중간층의 조성은, InxAlyGa1 -x- yN으로 표현될 수 있다.
여기서, 상기 x 및 y가 가질 수 있는 값의 범위는 각각 0 < x <0.1, 0 ≤ y < 1인 것일 수 있다.
또한, 일 실시예에 따르면, 상기 InAlGaN 중간층의 In의 조성 x는, 상기 InAlGaN 중간층의 성장 방향으로 유지되거나 감소되는 것일 수 있다.
또한, 일 실시예에 따르면, 상기 InAlGaN 중간층의 Al의 조성 y는, 상기 InAlGaN 중간층의 성장 방향으로 유지되거나 감소되는 것일 수 있다.
또한, 일 실시예에 따르면, 상기 x 및 y 중 적어도 하나는, 상기 InAlGaN 중간층의 성장 방향으로 불연속적으로 감소되는 것일 수 있다.
또한, 일 실시예에 따르면, 상기 InAlGaN 중간층의 성장 방향은, [0 0 1] 격자 방향인 것일 수 있다.
또한, 일 실시예에 따르면, 상기 InAlGaN 중간층의 두께는, 100nm ~ 1000nm인 것일 수 있다.
즉, 전술된 구조는, 기판위에 2DEG층을 만드는 HFET 소자 구조를 성장하기 위해 Si 기판 위에 핵생성층인 상기 AlN층을 성장시킨 후에 상기 InAlGaN 중간층을 성장시켜 Si와 AlN의 격자상수 차에 의해 발생하는 결함과 전위들의 진행을 억제하는 구조일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 버퍼층은 초격자 버퍼(superlattice buffer) 구조를 구비할 수 있다.
상기 초격자 버퍼 구조는 서로 다른 2개의 박막층(또는 초박막층)이 적층된 구조일 수 있다.
예를 들어, 상기 초격자 버퍼(superlattice buffer) 구조의 종류에는 AlN/GaN 또는 AlGaN/GaN 조합이 사용될 수 있다.
따라서, 상기 버퍼층이 초격자 버퍼 구조를 구비한 경우(또는 초격자층인 경우), 상기 초격자 구조를 가지는 버퍼층(또는 초격자층)은 서로 다른 2개의 박막층이 교번하여 적층되어 형성되는 것일 수 있다.
상기 3가지 buffer 중에 superlattice 구조가 누설 전류 측면에서는 가장 낮은 특성을 보일 수 있다.
본 명세서에 개시된 일 실시예에 따르면, 상기 세가지 종류의 버퍼층은, 단일 버퍼층으로 사용될 수도 있지만, 서로 조합되어 하나의 반도체 소자에 구비될 수 있다.
예를 들어, 일 실시예에 따른 반도체 소자는, 상기 AlN 버퍼(또는 AlN 버퍼층)가 기판상에 형성되고, 상기 AlN 버퍼층 상에 InAlGaN 중간층이 형성되고, 상기 InAlGaN 중간층 상에 초격자 버퍼(다른 말로는, 초격자 버퍼층 또는 초격자층)가 형성되는 구조를 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 AlN 버퍼층은 기판상에 GaN을 성장시키기 위한 씨드(Seed)가 되는 층으로 핵생성층이라고 할 수 있다.
즉, InAlGaN 4종의 화합물에서 Al 조성을 성장방향으로 감소시키는 층을 성장한 후에 AlN와 GaN을 교대로 적층한 초격자층을 GaN 채널층 아래에 성장시켜 GaN 와 Si의 열팽창계수차이를 완충시켜주고 격자상수차에 의해 발생하는 결함이 감소되는 구조일 수 있다.
일반적으로, 상기 기판의 종류는 Si, SiC, 절연성 기판(예를 들어, Sapphire 기판), GaN 기판 등이 사용될 수 있다.
예를 들어, 상기 기판이 Si 기판인 경우, Si 기판상에 곧바로 상기 GaN층을 성장(또는 증착, 적층)시키는 경우, Si 및 GaN의 격자 상수 차이로 인해 GaN층의 결정성이 떨어지고 격자 결함등으로 인한 누설 전류 증가 및 항복 전압 특성이 저하되는 문제점이 있을 수 있다.
따라서, 전술한 바와 같이, 상기 Si 기판상에 곧바로 상기 GaN층을 성장시키는 대신, 중간에 적어도 하나의 버퍼층을 성장시킴으로써 상기 GaN층의 결정성을 높이고, 누설 전류 특성 및 항복 전압 특성을 개선시킬 수 있다.
이하에서는 도 2 내지 도 5를 참조하여 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 반도체 소자의 구조에 대해 설명한다.
본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 반도체 소자에 대한 설명
본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 반도체 소자는, AlN 층, 상기 AlN 층 상에 형성된 InAlGaN 중간층, 상기 InAlGaN 중간층 상에 형성된 GaN 채널층 및 상기 GaN 채널층 상에 형성된 AlGaN 장벽층을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, InAlGaN 중간층의 조성은, InxAlyGa1 -x- yN으로 표현되고, 0 < x <0.1, 0 ≤ y < 1인 것일 수 있다.
또한, 일 실시예에 따르면, 상기 InAlGaN 중간층의 In의 조성 x는, 상기 InAlGaN 중간층의 성장 방향으로 유지되거나 감소되는 것일 수 있다.
또한, 일 실시예에 따르면, 상기 InAlGaN 중간층의 Al의 조성 y는, 상기 InAlGaN 중간층의 성장 방향으로 유지되거나 감소되는 것일 수 있다.
또한, 일 실시예에 따르면, 상기 x 및 y 중 적어도 하나는, 상기 InAlGaN 중간층의 성장 방향으로 불연속적으로 감소되는 것일 수 있다.
또한, 일 실시예에 따르면, 상기 InAlGaN 중간층의 성장 방향은, [0 0 1] 격자 방향인 것일 수 있다.
또한, 일 실시예에 따르면, 상기 InAlGaN 중간층의 두께는, 100nm ~ 1000nm인 것일 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 반도체 소자는, 상기 InAlGaN 중간층 및 상기 GaN 채널층 사이에 위치하는 초격자층을 더 포함할 수 있다.
또한, 일 실시예에 따르면, 상기 초격자층은, 서로 다른 2개의 제 1 박막층 및 제 2 박막층이 적층된 초격자 박막층이 복수개 적층되어 형성되는 것일 수 있다.
또한, 일 실시예에 따르면, 상기 제 1 박막층은, AlN으로 이루어지고, 상기 제 2 박막층은, GaN으로 이루어지는 것일 수 있다.
또한, 일 실시예에 따르면, 상기 제 1 박막층에 포함된 Al의 조성은, 50% ~ 99%인 것일 수 있다.
또한, 일 실시예에 따르면, 상기 제 1 박막층의 두께는, 2nm ~ 10nm이고, 상기 제 2 박막층의 두께는, 2nm ~ 100nm인 것일 수 있다.
또한, 일 실시예에 따르면, 상기 적층되는 초격자 박막층의 개수는, 10 ~ 300인 것일 수 있다.
또한, 일 실시예에 따르면, 상기 초격자층은, p형 도펀트로 도핑되는 것일 수 있다.
또한, 일 실시예에 따르면, 상기 p형 도펀트는, Mg, C 및 Fe 중 적어도 하나인 것일 수 있다.
또한, 일 실시예에 따르면, 상기 p형 도펀트의 농도는, 1e16/cm3 ~ 5e20/cm3 인 것일 수 있다.
또한, 일 실시예에 따르면, 상기 p형 도펀트의 농도는, 상기 초격자층의 적층 방향으로 점층적으로 감소되는 것일 수 있다.
또한, 일 실시예에 따르면, 상기 AlN층은, 서로 다른 온도로 성장된 AlN으로 이루어진 복수의 층을 포함할 수 있다.
또한, 일 실시예에 따르면, 상기 서로 다른 온도로 성장된 AlN으로 이루어진 복수의 층의 개수는, 2 ~ 5인 것일 수 있다.
또한, 일 실시예에 따르면, 상기 AlN층의 두께는, 1 nm ~ 20 nm인 것일 수 있다.
또한, 일 실시예에 따르면, 상기 GaN 채널층의 두께는, 0.01um ~ 1um인 것일 수 있다.
또한, 일 실시예에 따르면, 상기 GaN 채널층은, C, Fe, Mg 및 Mn 중 적어도 하나의 도펀트로 도핑되는 것일 수 있다.
또한, 일 실시예에 따르면, 상기 적어도 하나의 도펀트 농도는, 1e18/cm3 ~ 5e20/cm3인 것일 수 있다.
또한, 일 실시예에 따르면, 상기 AlGaN 장벽층의 Al의 조성은, 10% ~ 30%인 것일 수 있다.
또한, 일 실시예에 따르면, 상기 AlGaN 장벽층의 두께는, 10nm ~ 50nm인 것일 수 있다.
또한, 일 실시예에 따르면, 상기 AlN층은, 기판 상에 형성되는 것일 수 있다.
또한, 일 실시예에 따르면, 상기 기판은, Si, SiC, Sapphire 및 AlN 중 적어도 하나로 이루어지는 것일 수 있다.
도 2는 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 반도체 소자의 구조를 나타내는 예시도이다.
도 2를 참조하면, 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 반도체 소자(100)는 AlN층(110), InAlGaN 중간층(120), GaN 채널층(140) 및 AlGaN 장벽층(150)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 반도체 소자(100)는 상기 AlGaN 장벽층(150) 상에 형성되는 GaN층 캡층(미도시)을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 반도체 소자(100)는 표면 누설 전류를 막기 위한 산화막 층(미도시)을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 반도체 소자(100)는 상기 AlGaN 장벽층(150)의 일부 영역 상에 형성되는 소스 전극(미도시), 드레인 전극(미도시) 및 게이트 전극(미도시)을 더 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 반도체 소자(100)는 상기 드레인 전극에서 소스 전극으로 흐르는 2DEG(CDEG) 전류를 쇼트키(schottky) 게이트 전극을 통해 스위칭(switching) 동작을 할 수 있다.
여기서, 상기 AlN층(110)은 기판(101) 상에 형성되는 것일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 기판(101)은 n형이 될 수도 있고, p형이 될 수도 있으며, 다양한 종류의 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 기판(101)은 절연성 기판, 사파이어 기판, GaN 기판, SiC 기판, AlN 기판 및 Si 기판 중 적어도 하나인 것일 수 있다. 이외에도 다양한 종류의 기판이 본 명세서에 개시된 반도체 소자에 적용될 수 있음이 본 기술분야의 당업자에게 자명하다.
또한, 상기 기판(101)은 상기 반도체 소자(100)의 제작 후에 제거될 수 있다. 따라서, 최종적인 상기 반도체 소자의 구조는 상기 기판이 없는 구조일 수 있다.
상기 AlN층(110)은, 기판상에 GaN을 성장시키기 위한 씨드(Seed)가 되는 층으로 핵생성층이라고 할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 AlN층의 두께는, 1 nm ~ 20 nm인 것일 수 있다.
또한, 일 실시예에 따르면, 상기 AlN층(110)은, 서로 다른 온도로 성장된 AlN으로 이루어진 복수의 층을 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 서로 다른 온도로 성장된 AlN으로 이루어진 복수의 층의 개수는, 2 ~ 5인 것일 수 있다.
즉, 상기 AlN층(110)은 다양한 조건에서 성장될 수 있다. 예를 들어, 상기 AlN층(110)은, 저온으로 성장된 제 1 AlN층 및 상기 제 1 AlN층 상에 형성되고, 고온으로 성장된 제 2 AlN층을 포함할 수 있다.
상기 InAlGaN 중간층(120)의 조성은, InxAlyGa1 -x- yN으로 표현될 수 있다.
여기서, 상기 x 및 y가 가질 수 있는 값의 범위는 각각 0 < x <0.1, 0 ≤ y < 1일 수 있다.
특히, 상기 x의 범위는 0 < x <0.01일 수 있다.
상기 InAlGaN 중간층(120)은, AlN nucleation층(핵생성층)으로부터 진행되는 결함을 감소시키고, compressive stress를 줌으로서 cooling down시에 발생하는 tensile stress를 억제하여 웨이퍼의 휨을 억제하고 GaN층의 크랙 생성을 막아 양질의 GaN 층을 Si 기판 위에 성장시킬 수 있는 이점이 있을 수 있다.
상기 InAlGaN 중간층(120)의 In의 조성 x는, 상기 InAlGaN 중간층(120)의 성장 방향으로 유지되거나 감소되는 것일 수 있다.
또한, 상기 InAlGaN 중간층(120)의 Al의 조성 y는, 상기 InAlGaN 중간층(120)의 성장 방향으로 유지되거나 감소되는 것일 수 있다.
또한, 상기 x 및 y 중 적어도 하나는, 상기 InAlGaN 중간층(120)의 성장 방향으로 불연속적으로 감소되는 것일 수 있다.
예를 들어, 상기 x 및 y 중 적어도 하나는 연속적이고, 점층적으로 감소하는 것일 수 있다.
또한, 예를 들어, 상기 x 및 y 중 적어도 하나는 계단식(또는 단계식)으로 점층적으로 감소되는 것일 수 있다.
상기 x 및 y의 변화 모양은 후술될 도 4 내지 도 5에 개시된 초격자층(130)의 Fe 도핑 농도 프로파일과 유사할 수 있다.
여기서, 상기 InAlGaN 중간층(120)의 성장 방향은, [0 0 1] 격자 방향인 것일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 InAlGaN 중간층(120)의 두께는, 100nm ~ 1000nm인 것일 수 있다.
이외에도 다양한 물질, 조성비 및 성장 조건을 근거로 상기 InAlGaN 중간층(120)이 형성될 수 있음이 본 기술분야의 당업자에게 자명하다.
상기 InAlGaN 중간층(120)은 다양한 방식(또는 방법)으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 InAlGaN 중간층(120)은 질화물 반도체 결정을 선택적으로 성장시키는 방법을 통하여 형성될 수 있는데, 유기 금속 기상 성장법(MOCVD), 분자선 에피성장법(MBE) 및 힐라이드 기상 성장법(HVPE) 중 적어도 하나를 근거로 형성되는 것일 수 있다. 다만, 상기 InAlGaN 중간층(120)의 결정성을 고려하면, 디바이스 제작에는 MOCVD법이 사용되는 것이 일반적일 수 있다.
도 3은 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 초격자층을 포함하는 반도체 소자를 나타내는 예시도이다.
도 3을 참조하면, 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 반도체 소자(100')는 상기 InAlGaN 중간층(120) 및 상기 GaN 채널층(140) 사이에 위치하는 초격자층(130)을 더 포함할 수 있다.
즉, 도 3에 개시된 반도체 소자는 도 2에 개시된 반도체 소자에 초격자층이 더 포함된 구조라고 할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 초격자층(130)은, 서로 다른 2개의 제 1 박막층(131) 및 제 2 박막층(132)이 적층된 초격자 박막층(133)이 복수개 적층되어 형성되는 것일 수 있다.
다른 말로 표현하면, 상기 초격자층(130)은 서로 다른 2개의 박막층인 제 1 박막층(131) 및 제 2 박막층(132)가 교번하여 적층되어 형성되는 것일 수 있다.
상기 초격자 박막층(133)은 다양한 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 초격자 박막층(133)은, AlN/GaN 초격자 구조로 이루어질 수 있다.
즉, 일 실시예에 따르면, 상기 제 1 박막층(131)은, AlN으로 이루어지고, 상기 제 2 박막층(132)은, GaN으로 이루어지는 것일 수 있다.
이외에도 다양한 물질로 상기 초격자 박막층(133)이 이루어질 수 있음이 본 기술분야의 당업자에게 자명하다.
일 실시예에 따르면, 상기 제 1 박막층(131)에 포함된 Al의 조성은, 50% ~ 99%인 것일 수 있다.
또한, 일 실시예에 따르면, 상기 AlN에서의 Al 조성은 적층 방향에 따라 변화할 수 있다. 예를 들어, 상기 Al 조성은 후술될 도 4 내지 도 5에 개시된 초격자층(130)의 Fe 도핑 농도 프로파일과 유사할 수 있다(도 4 내지 도 5 참조).
일 실시예에 따르면, 상기 제 1 박막층(131) 및 상기 제 2 박막층(132)의 두께는 1 ~ 100nm일 수 있다.
예를 들어, 상기 제 1 박막층(131)의 두께는, 2nm ~ 10nm인 것일 수 있다.
또한, 예를 들어, 상기 제 2 박막층(132)의 두께는, 2nm ~ 200nm인 것일 수 있다.
또한, 일 실시예에 따르면, 상기 초격자층(130) 내에서 적층되는 초격자 박막층(133)의 개수는, 10 ~ 300인 것일 수 있다. 특히, 상기 초격자층(130) 내에서 적층되는 초격자 박막층(133)의 개수는, 50 ~ 150인 것일 수 있다.
즉, 상기 초격자층(130)은, 10 ~ 300 개의 초격자 박막층(133)을 포함하는 것일 수 있다. 다른 의미로는, 상기 초격자층(130)은 10 ~ 300 페어(pair)의 상기 서로 다른 2개의 박막층(131, 132)을 구비하는 것일 수 있다. 또 다른 의미로는, 상기 초격자층(130)은 상기 서로 다른 2개의 박막층(131. 132)이 19 ~ 599 회 교번하여 적층되어 형성되는 것일 수 있다.
상기 초격자층(130)은 다양한 방식(또는 방법)으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 초격자층(130)은 질화물 반도체 결정을 선택적으로 성장시키는 방법을 통하여 형성될 수 있는데, 유기 금속 기상 성장법(MOCVD), 분자선 에피성장법(MBE) 및 힐라이드 기상 성장법(HVPE) 중 적어도 하나를 근거로 형성되는 것일 수 있다. 다만, 상기 초격자층(130)의 결정성을 고려하면, 디바이스 제작에는 MOCVD법이 사용되는 것이 일반적일 수 있다.
본 명세서에 개시된 일 실시예에 따르면, 상기 초격자 버퍼 구조(또는 초격자층, 130)는 특정 도펀트가 도핑되어 형성되는 것일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 특정 도펀트는 p형 도펀트일 수 있다. 예를 들어, 상기 p형 도펀트는 Mg, C 및 Fe 중 적어도 하나인 것일 수 있다.
상기 p형 도펀트는 다양한 방식(또는 방법)으로 상기 초격자층(130)에 도핑될 수 있다.
예를 들어, 상기 p형 도펀트가 C인 경우, 상기 초격자 층(130)에 carbon doping을 하기 위해서 GaN의 성장 속도를 높여서 TMGa 소스 자체에 있는 carbon 함량을 GaN 결정 내부에 높게 형성시키는 방법(또는 도핑 시키는 방법)으로 상기 p형 도펀트가 상기 초격자층(130)에 도핑되는 것일 수 있다.
또한, 예를 들어, 상기 p형 도펀트가 Fe인 경우, Cp2Fe 소스를 사용하여(또는 근거로) 의도적으로 Fe doping을 하여 새로운 trap을 생성함으로써 박막의 품질을 저하시키지 않고, semi-insulating효과도 가져올 수 있는 superlattice buffer 구조가 형성될 수 있다.
상기 p형 도펀트가 Fe인 경우, 상기 초격자층(130)의 GaN 성장 속도를 최대한 낮춰서 계면의 결정성을 향상시킬 수 있다. 즉, Fe(iron) doping을 사용할 경우에는 GaN 본연의 저속 성장에 따른 고품질의 결정성을 유지하면서 Fe dopant에 의한 새로운 trap을 형성시킴으로써 semi-insulating 효과도 가져오고 누설전류를 더욱 효율적으로 줄일 수 있는 이점을 가질 수 있다.
본 명세서에 개시된 일 실시예에 따르면, 상기 p형 도펀트의 농도는, 1e16/cm3 ~ 5e20/cm3인 것일 수 있다. 특히, 상기 p형 도펀트의 농도는, 3e17/cm3 ~ 1e20/cm3인 것일 수 있다.
또한, 일 실시예에 따르면, 상기 p형 도펀트의 농도는, 상기 초격자층(130)의 적층 방향으로 점층적으로 감소되는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 p형 도펀트의 농도는 연속적이고, 점층적으로 감소하는 것일 수 있다. 또한, 예를 들어, 상기 p형 도펀트의 농도는 계단식으로 점층적으로 감소되는 것일 수 있다.
다른 의미로, 상기 p형 도펀트는, 상기 초격자층(130)의 적층 방향으로의 상기 p형 도펀트에 대한 도핑량을 나타내는 도핑 프로파일을 근거로 도핑되는 것일 수 있다.
여기서, 상기 도핑 프로파일은, 상기 초격자층(130)의 특정 위치로부터 적층방향으로 상기 p형 도펀트의 도핑량이 특정 기울기로 줄어드는 형태의 도핑 프로파일인 것일 수 있다.
또한, 상기 도핑 프로파일은, 상기 초격자층(130)의 특정 위치로부터 적층방향으로 상기 p형 도펀트의 도핑량이 계단식으로(또는 단계적으로) 줄어드는 형태의 도핑 프로파일인 것일 수 있다.
또한, 일 실시예에 따르면, 상기 p형 도펀트의 도핑량은, 상기 초격자 층(130)의 상부로부터 특정 깊이까지는 최소 도핑량 이하가 되는 것일 수 있다.
상기 특정 깊이는, 1nm ~ 50nm일 수 있다. 또한, 상기 최소 도핑량은, 1e16/cm3 ~ 1e17/cm3인 것일 수 있다.
도 4는 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 Fe 도펀트의 도핑 프로파일을 나타내는 그래프이다.
도 4는 상기 p형 도펀트가 Fe인 경우를 나타낸다.
도 4를 참조하면, 상기 초격자층(130) 내에서의 Fe 도핑 농도에 대한 도핑 프로파일을 확인할 수 있다.
상기 Fe 도핑 농도는 상기 초격자층(130) 내의 제 2 지점(P2)에서 제 1 지점(P1)까지 연속적이고, 점층적으로 감소됨을 확인할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제 2 지점(P2)에서의 Fe 도핑 농도는 5e20/cm3 일 수 있다.
또한, 일 실시예에 따르면, 상기 제 1 지점(P1)에서의 Fe 도핑 농도는 1e16/cm3 일 수 있다.
또한, 일 실시예에 따르면, 상기 초격자 층(130)의 상부로부터 특정 깊이(△l)까지는 최소 도핑량 이하가 되는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 특정 깊이(△l)는 2nm ~ 50nm일 수 있으며, 도 4는 상기 특정 깊이(△l)가 50nm인 경우를 나타낸다.
도 5는 본 명세서에 개시된 또 다른 일 실시예에 따른 Fe 도펀트의 도핑 프로파일을 나타내는 그래프이다.
도 5는 상기 p형 도펀트가 Fe인 경우를 나타낸다.
도 5를 참조하면, 상기 초격자층(130) 내에서의 Fe 도핑 농도에 대한 도핑 프로파일을 확인할 수 있다.
상기 Fe 도핑 농도는 상기 초격자층(130) 내의 제 6 지점에서 제 3 지점(P6 ~ P3)까지 계단식으로 점층적으로 감소됨을 확인할 수 있다.
도 4와 마찬가지로 상기 제 6 지점(P6)에서의 Fe 도핑 농도는 5e20/cm3 일 수 있고, 제 3 지점에서의 Fe 도핑 농도는 1e16/cm3 일 수 있다.
또한, 상기 초격자 층(130)의 상부로부터 특정 깊이(△l)까지는 최소 도핑량 이하가 되는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 특정 깊이(△l)는 2nm ~ 50nm일 수 있으며, 도 4는 상기 특정 깊이(△l)가 50nm인 경우를 나타낸다.
다시 도 2 내지 도 3을 참조하면, 상기 GaN 채널층(140)은 0.01um ~ 1.0um의 두께를 가질 수 있다.
상기 GaN 채널층(140)은 다양한 방식(또는 방법)으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 GaN 채널층(140)은 질화물 반도체 결정을 선택적으로 성장시키는 방법을 통하여 형성될 수 있는데, 유기 금속 기상 성장법(MOCVD), 분자선 에피성장법(MBE) 및 힐라이드 기상 성장법(HVPE) 중 적어도 하나를 근거로 형성되는 것일 수 있다. 다만, 상기 GaN 채널층(140)의 결정성을 고려하면, 디바이스 제작에는 MOCVD법이 사용되는 것이 일반적일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 반도체 소자(100, 100')는 상기 GaN 채널층(140) 상에 C, Fe, Mg 및 Mn 도펀트 중 적어도 하나의 도펀트를 주입하여 형성된 GaN 채널의 semi-insulating 특성을 나타내기 위한 고-저항 GaN층(미도시)을 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 적어도 하나의 도펀트의 농도는, 1e16/cm3 ~ 5e20/cm3인 것일 수 있다. 특히, 상기 적어도 하나의 도펀트의 농도는 3e17/cm3 ~ 1e20/cm3인 것일 수 있다.
특히, 상기 적어도 하나의 도펀트가 C인 경우, 1e18/cm3 이상의 도핑이 일반적일 수 있다.
또한, 전술된 바와 같이, 전류가 흐르는 채널층을 형성하기 위해 GaN 채널층(140)의 끝부분은 불순물의 도핑이 최소화되어야 할 수 있고, 특히 C 농도는 1e17/cm3 이하로 도핑이 되어야 할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 GaN층(140)은, 서로 다른 온도로 성장된 GaN으로 이루어진 복수의 층을 포함할 수 있다.
또한, 일 실시예에 따르면, 상기 서로 다른 온도로 성장된 GaN으로 이루어진 복수의 층의 개수는, 2 ~ 5인 것일 수 있다.
상기 GaN 채널층(140) 위에는 상기 AlGaN 장벽층(150)이 형성되어 채널층에 2DEG가 형성될 수 있다.
즉, 상기 AlGaN 장벽층(150)은 상기 GaN층(140) 상에 형성될 수 있고, 상기 AlGaN 장벽층(150)은 활성층의 역할을 할 수 있다.
또한, 상기 AlGaN 장벽층(150)의 두께는, 10nm ~ 50nm 범위인 것일 수 있다.
상기 AlGaN 장벽층(150)은 다양한 조성으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 AlGaN 장벽층(150)의 Al의 조성은, 10% ~ 30%인 것일 수 있다. 이외에도 다양한 조성비로써 상기 AlGaN 장벽층(150)이 이루어질 수 있음이 본 기술분야의 당업자에게 자명하다.
특히, 상기 AlGaN 장벽층(150)의 Al 조성은 25%이고 두께는 25nm일 수 있다.
상기 AlGaN 장벽층(150)은 다양한 방식(또는 방법)으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 AlGaN 장벽층(150)은 질화물 반도체 결정을 선택적으로 성장시키는 방법을 통하여 형성될 수 있는데, 유기 금속 기상 성장법(MOCVD), 분자선 에피성장법(MBE) 및 힐라이드 기상 성장법(HVPE) 중 적어도 하나를 근거로 형성되는 것일 수 있다. 다만, 상기 AlGaN 장벽층(150)의 결정성을 고려하면, 디바이스 제작에는 MOCVD법이 사용되는 것이 일반적일 수 있다.
상기 GaN 캡층은 상기 AlGaN 장벽층(150) 상에 형성되고, GaN을 얇게 성장시킴으로써 형성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 GaN 캡층의 두께는 0nm ~ 100nm 범위, 특히, 2nm ~ 10nm인 것일 수 있다. 상기 GaN 캡층은 표면 누설 전류를 막는 역할을 할 수 있다.
상기 소스 전극, 상기 드레인 전극 및 게이트 전극은 상기 AlGaN 장벽층(150)의 일부 영역 상에 형성되는 것일 수 있다. 또한, 상기 반도체 소자(100, 100')가 상기 GaN 캡층을 더 포함하는 경우, 상기 GaN 캡층의 일부 영역 상에 형성될 수 있다.
전술한 바와 같이, 상기 드레인 전극에서 소스 전극으로 흐르는 2DEG(CDEG) 전류가 쇼트키(schottky) 게이트 전극의 제어를 통해 발생할 수 있다.
또한, 일 실시예에 따르면, 상기 반도체 소자(100, 100')는 상기 AlGaN 장벽층(150), 상기 소스 전극, 상기 드레인 전극 및 상기 게이트 전극의 일부 영역 상에 형성되는 산화막층(미도시)을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 반도체 소자(100, 100')가 상기 GaN 캡층을 더 포함하는 경우, 상기 산화막층은 상기 GaN 캡층의 일부 영역 상에 형성될 수 있다.
상기 산화막층은 표면 누설 전류를 감소시키는 역할을 할 수 있다.
여기서, 상기 산화막층은, 상기 소스 전극 또는 상기 드레인 전극과 상기 게이트 전극 사이에 형성되는 것일 수 있다.
상기 산화막층은 다양한 물질 또는 조성비로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 산화막층은, SiO2, SixNy(예를 들어, Si3N4), HfO2, Al2O3, ZnO 및 Ga2O3 중 적어도 하나의 물질로 이루어질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 산화막층의 두께는, 2nm ~ 200nm 범위이며, 특히 2nm ~ 100nm일 수 있다.
또한, 상기 산화막층은 다양한 방법으로 형성될 수 있는다, 예를 들어, 상기 산화막층은 유기 금속 기상 성장법(MOCVD), 분자선 에피성장법(MBE), 힐라이드 기상 성장법(HVPE), PECVD (Plasma-enhanced chemical vapor deposition), 스퍼터링(Sputtering) 및 ALD(atomic layer deposition) 중 적어도 하나를 근거로 형성되는 것일 수 있다.
본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법에 대한 설명
본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법은, 상술된 실시예들이 포함하고 있는 구성 또는 단계의 일부 또는 조합으로 구현되거나 실시예들의 조합으로 구현될 수 있으며, 이하에서는 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법의 명확한 표현을 위해 중복되는 부분을 생략할 수 있다.
AlGaN/GaN 이종 접합 구조의 질화물 반도체를 Si 기판위에 성장하기 위해서는 Si와 GaN의 열팽창계수에 의한 크랙의 발생 및 웨이퍼가 휘는 현상과 격자상수 차이에 의한 결함밀도가 증가하는 등의 문제를 해결해야 할 수 있다.
이런 문제를 최소화하기 위한 일 방법으로는 Si 기판과 GaN 층 사이에 Al 성분이 들어가는 층을 삽입하여 이를 최소화하는 방법이 있을 수 있다.
예를 들어, 이런 문제를 최소화하는 방법은, Si 기판위에 AlN nucleation 층을 형성하고 AlGaN 층을 기판에서부터 성장방향으로 Al조성을 grading 주는 방법으로 중간버퍼층을 사용하는 방법일 수 있다.
본 명세서에 개시된 일 실시예에 따르면, AlN 핵생성층 상에 InAlGaN의 중간층을 성장시켜 전위가 연속적으로 생성 및 진행하는 것을 억제해 결함밀도가 자고 성장후 크랙 발생을 억제하는 HFET 소자 구조가 개시된다.
상기 InAlGaN 중간층 위에는 GaN 채널층이 성장될 수도 있고, AlN와 GaN가 교대로 적층되는 초격자 구조의 층이 10~300 주기의 복수층을 성장후 GaN 채널층이 형성될 수 있다.
본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법은, 기판 상에 AlN층을 형성시키는 단계, 상기 AlN 층 상에 InAlGaN 중간층을 형성시키는 단계, 상기 InAlGaN 중간층 상에 GaN 채널층을 형성시키는 단계 및 상기 GaN 채널층 상에 AlGaN 장벽층을 형성시키는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 InAlGaN 중간층의 조성은, InxAlyGa1 -x- yN으로 표현되고, 0 < x <0.1, 0 ≤ y < 1인 것일 수 있다.
또한, 일 실시예에 따르면, 상기 AlN층, 상기 InAlGaN 중간층, 상기 GaN 채널층 및 상기 AlGaN 장벽층 중 적어도 하나는, 유기 금속 기상 성장법(MOCVD), 분자선 에피성장법(MBE), 힐라이드 기상 성장법(HVPE), PECVD (Plasma-enhanced chemical vapor deposition), 스퍼터링(Sputtering) 및 ALD(atomic layer deposition) 중 적어도 하나를 근거로 형성되는 것일 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 반도체 소자는, 상기 InAlGaN 중간층 및 상기 GaN 채널층 사이에 초격자층을 형성시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 일 실시예에 따르면, 상기 초격자층은, 서로 다른 2개의 제 1 박막층 및 제 2 박막층이 적층된 초격자 박막층이 복수개 적층되어 형성되는 것일 수 있다.
또한, 일 실시예에 따르면, 상기 제 1 박막층은, AlN으로 이루어지고, 상기 제 2 박막층은, GaN으로 이루어지는 것일 수 있다.
도 6은 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법을 나타내는 순서도이다.
도 6을 참조하면, 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법은 다음과 같은 단계로 이루어질 수 있다.
먼저, 기판 상에 AlN층을 형성시킬 수 있다(S110).
다음으로, 상기 AlN 층 상에 InAlGaN 중간층을 형성시킬 수 있다(S120).
다음으로, 상기 InAlGaN 중간층 상에 GaN 채널층을 형성시킬 수 있다(S130).
다음으로, 상기 GaN 채널층 상에 AlGaN 장벽층을 형성시킬 수 있다(S140).
여기서, 상기 InAlGaN 중간층은, 상기 InAlGaN 중간층의 조성은, InxAlyGa1-x-yN으로 표현되고, 0 < x <0.1, 0 ≤ y < 1인 것일 수 있다.
도 7a ~ 도 7e는 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법을 나타내는 예시도이다.
도 7a ~ 도 7e를 참조하면, 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법은 기판(101) 상에 차례로 AlN층(110), InAlGaN 중간층(120), 초격자층(130), GaN 채널층(140) 및 AlGaN 장벽층(150)을 형성시키는 단계로 이루어질 수 있다.
또한, 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법은 상기 AlGaN 장벽층(150)의 일부 영역 상에 게이트 전극(미도시), 소스 전극(미도시), 드레인 전극(미도시)을 형성시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법은 상기 AlGaN 장벽층(150), 상기 소스 전극, 상기 드레인 전극 및 상기 게이트 전극의 일부 영역 상에 산화막층(미도시)을 형성시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
자세한 공정 순서를 도 7a ~ 도 7e를 참조하여 구체적으로 상술하면, 먼저, 기판(101)상에 MOCVD 박막 성장 장비를 가지고 AlN층(110)을 형성(또는 성장)시킬 수 있다(도 7a).
상기 기판(101)은 n형이 될 수도 있고, p형이 될 수도 있으며, 기판의 종류는 Si, SiC, Sapphire, GaN(예를 들어, Freestanding GaN) 기판, AlN 기판 등이 될 수 있다.
상기 AlN층(110)은 단일 layer(또는 층)가 될 수도 있고, 온도가 다른 2 ~ 5개 layer로 성장될 수도 있다.
AlN의 원료로는 TMAl이 사용될 수 있으며, N의 원료는 NH3가 사용될 수 있다.
일 실시예에 따르면, AlN 층(110, 또는 AlN 핵생성층)은 저온과 고온의 조합으로 사용될 수 있다. 즉, AlN 버퍼의 하부는 저온 성장으로 형성되고, AlN 버퍼의 상부는 고온 성장으로 형성되는 것일 수 있다(전술된 제 1 AlN층 및 제 2 AlN층 참조).
상기 AlN층(110)의 형성에 있어서 결정 성장 방법에는 유기금속 박막성장 장비(MOCVD)가 이용될 수 있으며, 원료는 트리메틸갈륨(TMGa), 트리메틸알루미늄(TMAl), 암모니아(NH3)가 사용되고, 고온의 환경에서 합성이 되어 에피로 성장 됨에 의해 III-V족 박막이 형성될 수 있다. 준비된 기판에 따라 GaN 성장을 위한 통상적인 방법의 핵생성 층이 성장될 수 있다.
다음으로, 상기 AlN층(110) 상에 InAlGaN 중간층(120)을 형성시킬 수 있다(도 7b).
즉, 상기 InAlGaN 중간층(120)이 상기 AlN층(110) 상에 버퍼로서 형성될 수 있다.
여기서, 상기 InAlGaN 중간층은, 상기 InAlGaN 중간층의 조성은, InxAlyGa1 -x-yN으로 표현되고, 0 < x <0.1, 0 ≤ y < 1인 것일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 In의 조성 x 및 상기 Al의 조성 y 중 적어도 하나는 상기 InAlGaN 중간층(120)이 성장하는 [001] 방향으로 조성이 변하지 않거나 연속적 또는 불연속적으로 감소할 수 있다.
다음으로, 상기 InAlGaN 중간층(120) 상에 초격자층(130)을 형성시킬 수 있다(도 7c).
구체적으로, 상기 초격자층(130)은, 서로 다른 2개의 제 1 박막층(131) 및 제 2 박막층(132)이 적층된 초격자 박막층(133)이 복수개 적층되어 형성되는 것일 수 있다.
다른 말로 표현하면, 상기 초격자층(130)은 서로 다른 2개의 박막층인 제 1 박막층(131) 및 제 2 박막층(132)가 교번하여 적층되어 형성되는 것일 수 있다.
상기 초격자 박막층(133)은 다양한 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 초격자 박막층(133)은, AlN/GaN 초격자 구조로 이루어질 수 있다.
이외에도 다양한 물질로 상기 초격자 박막층(133)이 이루어질 수 있음이 본 기술분야의 당업자에게 자명하다.
즉, 상기 InAlGaN 중간층(120) 위에는 AlN(131)와 GaN(132)층이 교대로 적층되는 초격자층(130)이 형성될 수 있고, 그 위에 GaN 채널층(140)이 상기 초격자층(130)상에 형성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제 1 박막층(131) 및 상기 제 2 박막층(132)의 두께는 1 ~ 100nm일 수 있다.
예를 들어, 상기 제 1 박막층(131)의 두께는, 2nm ~ 10nm인 것일 수 있다.
또한, 예를 들어, 상기 제 2 박막층(132)의 두께는, 2nm ~ 200nm인 것일 수 있다.
또한, 일 실시예에 따르면, 상기 초격자층(130) 내에서 적층되는 초격자 박막층(133)의 개수는, 10 ~ 300인 것일 수 있다. 특히, 상기 초격자층(130) 내에서 적층되는 초격자 박막층(133)의 개수는, 50 ~ 150인 것일 수 있다.
즉, 상기 초격자층(130)은, 10 ~ 300 개의 초격자 박막층(133)을 포함하는 것일 수 있다. 다른 의미로는, 상기 초격자층(130)은 10 ~ 300 페어(pair)의 상기 서로 다른 2개의 박막층(131, 132)을 구비하는 것일 수 있다. 또 다른 의미로는, 상기 초격자층(130)은 상기 서로 다른 2개의 박막층(131. 132)이 19 ~ 599 회 교번하여 적층되어 형성되는 것일 수 있다.
상기 초격자층(130)은 다양한 방식(또는 방법)으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 초격자층(130)은 질화물 반도체 결정을 선택적으로 성장시키는 방법을 통하여 형성될 수 있는데, 유기 금속 기상 성장법(MOCVD), 분자선 에피성장법(MBE) 및 힐라이드 기상 성장법(HVPE) 중 적어도 하나를 근거로 형성되는 것일 수 있다. 다만, 상기 초격자층(130)의 결정성을 고려하면, 디바이스 제작에는 MOCVD법이 사용되는 것이 일반적일 수 있다.
상기 초격자층(130)에서, AlN의 Al 조성비는 50% ~ 99%로 성장될 수 있으며, AlN 및 GaN의 초격자(Super-Lattice)층(130)의 총 두께는 0.3 ~ 4.0um로 성장될 수 있다.
상기 초격자층(130)은 다양한 방식(또는 방법)으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 초격자층(130)은 질화물 반도체 결정을 선택적으로 성장시키는 방법을 통하여 형성될 수 있는데, 유기 금속 기상 성장법(MOCVD), 분자선 에피성장법(MBE) 및 힐라이드 기상 성장법(HVPE) 중 적어도 하나를 근거로 형성되는 것일 수 있다. 다만, 상기 초격자층(130)의 결정성을 고려하면, 디바이스 제작에는 MOCVD법이 사용되는 것이 일반적일 수 있다.
본 명세서에 개시된 일 실시예에 따르면, 상기 초격자 버퍼 구조(또는 초격자층, 130)는 semi-insulating 특성을 가지기 위해 특정 도펀트가 도핑될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 특정 도펀트는 p형 도펀트일 수 있다. 예를 들어, 상기 p형 도펀트는 Mg, C 및 Fe 중 적어도 하나인 것일 수 있다.
본 명세서에 개시된 일 실시예에 따르면, 상기 p형 도펀트의 농도는, 1e16/cm3 ~ 5e20/cm3인 것일 수 있다. 특히, 상기 p형 도펀트의 농도는, 3e17/cm3 ~ 1e20/cm3인 것일 수 있다.
또한, 일 실시예에 따르면, 상기 p형 도펀트의 농도는, 상기 초격자층(130)의 적층 방향으로 점층적으로 감소되는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 p형 도펀트의 농도는 연속적이고, 점층적으로 감소하는 것일 수 있다. 또한, 예를 들어, 상기 p형 도펀트의 농도는 계단식으로 점층적으로 감소되는 것일 수 있다.
다음으로, 상기 초격자층(130) 상에 GaN 채널층(140)을 형성시킬 수 있다(도 7d).
상기 GaN 채널층(140)을 이루는 GaN은 MOCVD법으로 불리는 유기 금속기상 성장법으로 제작하는 것이 일반적일 수 있다.
이 경우, Ga의 원료인 TMGa, N의 원료인 NH3를 리액터 안에서 고온으로 합성시켜 상기 GaN층(140)이 에피 성장으로 형성될 수 있다.
상기 GaN 채널층(140)은 0.01um ~ 1.0um의 두께를 가질 수 있다.
여기서, 상기 GaN 채널층(140)에는 semi-insulating한 특성을 만들어 주기 위해서 Fe, Mg 또는 Carbon이 도핑될 수 있다. 상기 GaN 채널층(140) 또한 한가지의 온도로 성장되거나 2~5가지 연속적 혹은 불연속적인 온도로 성장될 수 있다.
다음으로, 상기 GaN 채널층(140)을 성장시킨 후에는 이종접합 부분의 2DEG 층을 만들기 위한 활성층인 AlGaN 장벽층(150)을 10% ~ 30% Al 조성비로 성장시킬 수 있다(도 7e).
추가적으로, 상기 AlGaN 장벽층(150)의 일부 영역 상에 소스 전극, 드레인 전극 및 게이트 전극을 형성시킬 수 있으며, passivation을 위하여 상기 AlGaN 장벽층(150), 상기 소스 전극, 상기 드레인 전극 및 상기 게이트 전극의 일부 영역 상에 산화막층을 형성시킬 수 있다.
상기 AlGaN 장벽층(150)의 두께는 10 nm ~ 50 nm일 수 있다.
상기 AlGaN 장벽층(150)은 상기 GaN 채널층(140)과의 격자 상수 차이로 인한 piezo-polarization등으로 2DEG를 형성해주는 층으로써 Al 조성과 두께에 따라서 2DEG density가 결정될 수 있다.
소스 전극, 드레인 전극 및 게이트 전극의 증착은 오믹 전극을 E-beam을 이용하여 이루어질 수 있다.
전술된 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 반도체 소자의 구성 및 그 제조방법에 대해 간략히 정리하면 다음과 같다.
도 3은 본 명세서에 개시된 질화물 반도체 소자의 적층단면 구조를 모식적으로 표현한 것으로, III족 질화물 반도체 소자의 에피텍셜 적층순서는 먼저 기판(101) 위에 AlN로 이뤄진 nucleation 층(110)이 형성되고, 그 위에 InAlGaN 중간층(120)이 버퍼로서 형성될 수 있다.
이 중간층(120)의 In 조성은 0≤x<0.1의 값을 가질 수 있다. 특히, 상기 x의 범위는 0 < x <0.01일 수 있다.
In의 조성은 성장하는 [001] 방향으로 조성이 변하지 않거나 연속적 또는 불연속적으로 감소할 수 있다.
중간층(120)에서 Al의 조성은 0≤y<1의 조성 값을 가질 수 있고, Al 조성 또한 성장방향인 [001] 방향으로 조성이 변하지 않거나 연속적 혹은 불연속적으로 감소할 수 있다.
이 InAlGaN 중간층 위에는 AlN(131)과 GaN층(132)이 교대로 적층되는 초격자층(130)이 형성되고 그 위에 GaN 채널층(140)이 초격자층(130)상에 형성된다. 이 초격자층의 반복 주기는 10 ~ 300의 반복주기를 갖고 50 ~ 150 주기가 바람직하다.
AlN(131)와 GaN(132)의 각 층의 두께는 1 ~ 50nm의 두께로 적층이 되어 질 수 있다.
초격자층(130) 상에 형성되는 GaN 체널층(140)은 내전압을 높이기 위해 C, Fe, Mg, Mn등의 물질로 도핑이 되고, 특히 C 도핑의 경우 1e18/cm3 이상의 도핑이 바람직하다.
전류가 흐르는 채널층을 형성하기 위해 GaN 채널층(140)의 끝부분은 불순물의 도핑이 최소화 되야하고 특히 C 농도는 1e17/cm3 이하로 도핑이 되어야 할 수 있다.
이 채널층의 두께는 0.01um~ 1um의 두께범위를 갖고 C 도핑의 최소화를 위해 200mbar 이상의 고압에서 성장하고 성장속도는 3um/hr 이하로 최소화해서 성장하는 것이 바람직하다.
GaN 채널층(140)위에는 AlGaN 장벽층(150)이 형성되어 채널층에 2DEG을 형성시키게 된다. 이때 AlGaN(150)의 Al 조성은 10 ~ 30% 의 조성을 갖고 두께는 10 ~ 50nm의 두께를 가질 수 있다.
특히, AlGaN층의 Al 조성은 25%이고 두께는 25nm 가질 수 있다.
기판으로 쓰이는 물질은 Si, SiC, 사파이어, AlN 등의 물질을 사용할 수 있고, Si의 경우는 (001),(111),(100)등의 면을 가진 Si 기판을 사용하고 [001] 방향으로 표면이 거칠지 않은 (111) Si 기판이 사용될 수 있다.
중간층으로의 InAlGaN에서 In은 표면이동도가 작은 Al의 표면이동도를 높이기 위한 surfactant 역할로서도 사용되어지고, In의 조성은 tensile stress를 방지하기 위해 최소량만 들어갈 수 있다.
도 2에서는 InAlGaN 층위에 초격자층이 형성되지 않고 바로 GaN buffer 층이 형성되는 구조를 나타내는 모식도가 개시되었다. 도 3과 다른 점은 중간층인 InAlGaN 층위에 바로 GaN buffer층(또는 GaN 채널층, 140)이 성장이 되는 구조라는 점이다.
전술된 바와 같이, Si 기판위에 GaN를 성장하기 위해서는 AlN nucleation 층이 중간에 성장되어 GaN와 Si 기판과의 melt-back 반응을 억제하고 Si와 GaN의 열팽창계수 차이에 의한 냉각시의 크랙 발생이 억제될 수 있다.
본 명세서에 개시된 기술에 따르면, AlN 핵생성층 상에 InAlGaN 중간층을 형성시켜 전위의 진행을 막고 열팽창계수차이를 줄여 전위밀도가 낮고 크랙발생을 억제하는 HFET 소자구조가 개시된다.
본 명세서에 개시된 일 실시예에 따르면, 핵생성층 및 채널층 사이에 InAlGaN 중간층을 성장시켜, 기판과 핵생성층 사이의 격자상수 차에 의해 발생하는 결함과 전위들의 진행을 억제하는 구조를 가지는 반도체 소자 및 그 제조방법을 제공한다.
특히, 본 명세서에 개시된 반도체 소자에 따르면, 핵생성층으로부터 진행되는 결함을 감소시키고, compressive stress를 줌으로서 cooling down 시에 발생하는 tensile stress를 억제하여 웨이퍼의 휨을 억제하고 GaN층의 크랙 생성을 막아 양질의 GaN 층을 기판 위에 성장시킬 수 있는 장점이 있을 수 있다.
본 발명의 범위는 본 명세서에 개시된 실시 예들로 한정되지 아니하고, 본 발명은 본 발명의 사상 및 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 다양한 형태로 수정, 변경, 또는 개선될 수 있다.
100: 반도체 소자 101: 기판
110: AlN층 120: InAlGaN 중간층
130: 초격자층 140: GaN 채널층
150: AlGaN 장벽층

Claims (33)

  1. AlN 층;
    상기 AlN 층 상에 형성된 InAlGaN 중간층;
    상기 InAlGaN 중간층 상에 형성된 GaN 채널층; 및
    상기 GaN 채널층 상에 형성된 AlGaN 장벽층을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
  2. 제1항에 있어서, InAlGaN 중간층의 조성은,
    InxAlyGa1 -x- yN으로 표현되고,
    0 < x <0.1, 0 ≤ y < 1인 것을 특징으로 반도체 소자.
  3. 제2항에 있어서, 상기 InAlGaN 중간층의 In의 조성 x는,
    상기 InAlGaN 중간층의 성장 방향으로 유지되거나 감소되는 것인 반도체 소자.
  4. 제2항에 있어서, 상기 InAlGaN 중간층의 Al의 조성 y는,
    상기 InAlGaN 중간층의 성장 방향으로 유지되거나 감소되는 것인 반도체 소자.
  5. 제2항에 있어서, 상기 x 및 y 중 적어도 하나는,
    상기 InAlGaN 중간층의 성장 방향으로 불연속적으로 감소되는 것인 반도체 소자.
  6. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 InAlGaN 중간층의 성장 방향은,
    [0 0 1] 격자 방향인 것인 반도체 소자.
  7. 제1항에 있어서, 상기 InAlGaN 중간층의 두께는,
    100nm ~ 1000nm인 것인 반도체 소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 InAlGaN 중간층 및 상기 GaN 채널층 사이에 위치하는 초격자층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
  9. 제8항에 있어서, 상기 초격자층은,
    서로 다른 2개의 제 1 박막층 및 제 2 박막층이 적층된 초격자 박막층이 복수개 적층되어 형성되는 것인 반도체 소자.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제 1 박막층은,
    AlN으로 이루어지고,
    상기 제 2 박막층은,
    GaN으로 이루어지는 것인 반도체 소자.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제 1 박막층에 포함된 Al의 조성은,
    50% ~ 99%인 것인 반도체 소자.
  12. 제9항에 있어서, 상기 제 1 박막층의 두께는,
    2nm ~ 10nm이고,
    상기 제 2 박막층의 두께는,
    2nm ~ 100nm인 것인 반도체 소자.
  13. 제9항에 있어서, 상기 적층되는 초격자 박막층의 개수는,
    10 ~ 300인 것인 반도체 소자.
  14. 제8항에 있어서, 상기 초격자층은,
    p형 도펀트로 도핑되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
  15. 제14항에 있어서, 상기 p형 도펀트는,
    Mg, C 및 Fe 중 적어도 하나인 것인 반도체 소자.
  16. 제14항에 있어서, 상기 p형 도펀트의 농도는,
    1e16/cm3 ~ 5e20/cm3 인 것인 반도체 소자.
  17. 제14항에 있어서, 상기 p형 도펀트의 농도는,
    상기 초격자층의 적층 방향으로 점층적으로 감소되는 것인 반도체 소자.
  18. 제1항에 있어서, 상기 AlN층은,
    서로 다른 온도로 성장된 AlN으로 이루어진 복수의 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
  19. 제18항에 있어서, 상기 서로 다른 온도로 성장된 AlN으로 이루어진 복수의 층의 개수는,
    2 ~ 5인 것인 반도체 소자.
  20. 제1항에 있어서, 상기 AlN층의 두께는,
    1 nm ~ 20 nm인 것인 반도체 소자.
  21. 제1항에 있어서, 상기 GaN 채널층의 두께는,
    0.01um ~ 1um인 것인 반도체 소자.
  22. 제1항에 있어서, 상기 GaN 채널층은,
    C, Fe, Mg 및 Mn 중 적어도 하나의 도펀트로 도핑되는 것인 반도체 소자.
  23. 제22항에 있어서, 상기 적어도 하나의 도펀트 농도는,
    1e18/cm3 ~ 5e20/cm3인 것인 반도체 소자.
  24. 제1항에 있어서, 상기 AlGaN 장벽층의 Al의 조성은,
    10% ~ 30%인 것인 반도체 소자.
  25. 제1항에 있어서, 상기 AlGaN 장벽층의 두께는,
    10nm ~ 50nm인 것인 반도체 소자.
  26. 제1항에 있어서, 상기 AlN층은,
    기판 상에 형성되는 것인 반도체 소자.
  27. 제26항에 있어서, 상기 기판은,
    Si, SiC, Sapphire 및 AlN 중 적어도 하나로 이루어지는 것인 반도체 소자.
  28. 기판 상에 AlN층을 형성시키는 단계;
    상기 AlN 층 상에 InAlGaN 중간층을 형성시키는 단계;
    상기 InAlGaN 중간층 상에 GaN 채널층을 형성시키는 단계; 및
    상기 GaN 채널층 상에 AlGaN 장벽층을 형성시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법.
  29. 제28항에 있어서, 상기 InAlGaN 중간층의 조성은,
    InxAlyGa1 -x- yN으로 표현되고,
    0 < x <0.1, 0 ≤ y < 1인 것을 특징으로 반도체 소자의 제조방법.
  30. 제28항에 있어서, 상기 AlN층, 상기 InAlGaN 중간층, 상기 GaN 채널층 및 상기 AlGaN 장벽층 중 적어도 하나는,
    유기 금속 기상 성장법(MOCVD), 분자선 에피성장법(MBE), 힐라이드 기상 성장법(HVPE), PECVD (Plasma-enhanced chemical vapor deposition), 스퍼터링(Sputtering) 및 ALD(atomic layer deposition) 중 적어도 하나를 근거로 형성되는 것인 반도체 소자의 제조방법.
  31. 제28항에 있어서,
    상기 InAlGaN 중간층 및 상기 GaN 채널층 사이에 초격자층을 형성시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법.
  32. 제31항에 있어서, 상기 초격자층은,
    서로 다른 2개의 제 1 박막층 및 제 2 박막층이 적층된 초격자 박막층이 복수개 적층되어 형성되는 것인 반도체 소자의 제조방법.
  33. 제31항에 있어서, 상기 제 1 박막층은,
    AlN으로 이루어지고,
    상기 제 2 박막층은,
    GaN으로 이루어지는 것인 반도체 소자.
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