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KR20230090573A - 다중 스트레인 구조를 가지는 AlGaN/GaN 이종 접합 구조의 고전자 이동도 트랜지스터 소자 - Google Patents

다중 스트레인 구조를 가지는 AlGaN/GaN 이종 접합 구조의 고전자 이동도 트랜지스터 소자 Download PDF

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KR20230090573A
KR20230090573A KR1020210179451A KR20210179451A KR20230090573A KR 20230090573 A KR20230090573 A KR 20230090573A KR 1020210179451 A KR1020210179451 A KR 1020210179451A KR 20210179451 A KR20210179451 A KR 20210179451A KR 20230090573 A KR20230090573 A KR 20230090573A
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KR
South Korea
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insulating
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gan
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Application number
KR1020210179451A
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English (en)
Inventor
이석헌
방상규
Original Assignee
주식회사 나유타
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by 주식회사 나유타 filed Critical 주식회사 나유타
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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

결정 결함을 개선한 AlGaN/GaN 이종 접합 구조를 갖는 전계효과 트랜지스터(FET) 및 고주파(RF) 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT) 전자 소자가 개시된다. 결정 결함을 개선하기 위해서 기판 상부에 형성된 큰 에너지 밴드갭을 갖는 AlN 격자 정합층과 AlyGa1-yN 지지층과의 큰 에너지 밴드갭 차이에서 발생하는 스트레인(응력) 및 그에 따른 스트레스에 의해서 발생하는 결정 결함을 효과적으로 억제 및 개선하기 위해서 AlxGa1-xN 다중 스트레인(응력) 정합층이 제공된다.
본 발명에서는 효과적으로 스트레인 억제하기 위해서 에너지 밴드갭 엔지니어링을 통하여 다양한 구조의 다중 스트레인 정합 구조를 제공하여 결정 결함이 개선된 고성능/고출력의 AlGaN/GaN 이종 접합 구조를 갖는 FET 및 RF HEMT 전자 소자를 제공한다.

Description

다중 스트레인 구조를 가지는 AlGaN/GaN 이종 접합 구조의 고전자 이동도 트랜지스터 소자 {AlGaN/GaN hetero-junction structure of HEMT Device of having multi-strain matching structure}
본 발명은 AlGaN/GaN 이종 접합 구조의 질화물반도체를 이용한 고출력 및 고주파 고전자 이동도 트랜지스터 전자소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 AlxGa1-xN 다중 스트레인 정합층을 적용하여 AlN 격자 정합층과 AlyGa1-yN 지지층간의 높은 에너지 밴드갭 차이에 의해서 생성되는 스트레인(응력)을 효과적으로 제어하여 결정 결함이 개선된 고성능/고출력의 특성을 갖는 AlGaN/GaN 이종 접합 구조의 고주파 고전자 이동도 트랜지스터(RF High Electron Mobility Transistor_HEMT) 전자 소자에 관한 것이다.
일반적으로, 전계 효과 트랜지스터(FET) 및 고전자 이동도 트랜지스터(High Electron Mobility Transistor_HEMT)등의 전자 소자들은 실리콘(Silicon) 또는 갈륨비소(GaAs) 등의 반도체 재료로 제조되는 일반적인 트랜지스터의 형태이다. 실리콘 반도체 재로를 사용할 경우, 전자 이동도(electron mobility_대략 1450㎠/v.sec) 가 낮기 때문에 높은 소스 저항(source resistance)을 발생시킨다는 단점을 가지고 있다. 이러한 높은 소스 저항은 실리콘 반도체 재료를 기반으로 한, 전계 효과 트랜지스터(FET) 및 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT)등의 전자소자로부터 다른 방법으로 얻을 수 있는 고성능 이득(High Performance Gain)을 심각하게 저하시킨다.[CRC Press, The Electrical Engineering Handbook, Second Edition, Dorf, pp.994,1997]
또한, 갈륨비소(GaAs) 화합물 반도체 재료를 기반으로 한 전계 효과 트랜지스터(FET) 및 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT)등의 전자소자는 실리콘 반도체 재료 보다 우수한 전자 이동도(6000㎠/v.sec) 및 그에 따른 낮은 소스 저항을 가지고 있어서 우수한 성능을 갖는 고주파 동작을 구현할 수 있다. 그러나, 갈륨비소 화합물반도체 재료는 에너지 밴드갭(Energy Bandgap_1.42Ev)이 작아서 상대적으로 파괴전압(Breakdown Voltage, Vbr)이 작기 때문에, 갈륨비소 화합물반도체 재료를 기반의 전계 효과 트랜지스터(FET) 및 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT)등의 전자소자가 고주파에서 고출력(High Power)의 성능을 구현하는데 한계점을 가지고 있다.
AlGaN/GaN 이종 접합을 갖는 GaN 기반의 질화물반도체를 이용한 전계 효과 트랜지스터(FET) 및 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT)등의 전자소자에 대한 성능 개발과 제품의 괄목한 만한 성장을 이루었다. GaN 기반의 질화물반도체는 에너지 밴드 갭(Energy Bandgap_3.4ev)이 실리콘 및 갈륨 비소 반도체 재료보다 매우 커서 항복 파괴 전압이 높고 많은 전류를 수용할 수 있기 때문에 고출력, 고온에서 동작하는 전자 소자에 적합하다. GaN 기반의 질화물 반도체을 이용한 최초의 MESFET(Metal Semiconductor FET_Metal Semiconductor Field Effect Transistor based on single crystal GaN, Appl.Phys,Lett., Vol.62, pp.1789,(1993), M.A.Khan,..)가 구현된 이래로 AlGaN/GaN 이종 접합(Hetro-Junction)을 이용한 고출력/고주파 성능을 구현할 수 있는 전계 효과 트랜지스터(FET) 및 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT)가 개발 및 상용화되었다.
Khan 등의 미국 특허 제5,192,987호에는 버퍼 및 기판 위에 성장된 AlGaN/GaN 기판 HEMT 및 그 생산 방법을 개시하고 있다. 다른 AlGaN/GaN 이종 접합 구조의 HEMT들은 Gaska 등이 기고한 학술지 [IEEE Electron Device Letter, Vol.18, No.10, October 1997, pp.492]에 "SiC 기판에 제조된 AlGaN/GaN HFET의 고온 성능"이란 제목으로 개시되어 있으며, Ping 등이 기고한 학술지 [IEEE Electron Devices Letters, Vol.19, No.2, February 1998, Page.54]에 P형 SiC 기판 위에 성장된 고전류 AlGaN 헤테로구조 전계효과트랜지스터의 DC 및 마이크로웨이브 성능"이란 제목으로 개시되어 있다. 우 이팽(Yifeng Wu) 등의 한국 특허 제0710654호에는 "트래핑을 저감하는 3족 질화물 기반 전계 효과트랜지스터와 고전자 이동도 트랜지스터 및 그 제조 방법"과 한국 특허 제0920434호에는 "절연 게이트 갈륨비소, 질화물/갈륨 질화물계 고전자 이동도트랜지스터"개시하고 있다. 또한 비치 로버트는 한국 특허 제1045573호에는"III족 질화물 인헨스먼트 모드 소자"을 개시하고 있다. 오키 도시히로는 한국 특허 제0955249호에는 "질화물반도체 소자 및 그 제조 방법"을 개시하고 있고, 구라하시 겐이치로등의 한국 특허 제1870524호엔는 "반도체장치 및 그 제조 방법"을 개시하고 있다. Marianne Germaine등의 미국 특허 제7,772,055호에는 "ALGAN/GAN HIGH ELECTRON MOBILITY TRANSISTRO DEVICES"개시되어 있다.
GaN 기반의 질화물반도체가 다른 III-V 족 화합물반도체에 비해 고주파 및 고출력 전자소자에 적합한 이유는 다음과 같이 몇 가지로 대표된다. 첫째, GaN 기반의 질화물반도체는 전자 속도는 최대값이 실온에서 2.7x107cm/sec 이므로 갈륨 비소(GaAs) 화합물반도체의 전자 속도에 비해 빠르고, 이러한 빠른 전자속도는 전자의 이동시간을 감소시켜 우수한 고주파 특성을 얻을 수 있으며, 전류 및 전류 밀도의 향상시킨다. 두번째로는, 항복 전기장이 3~4MV/cm로 실리콘카바이드(SiC)에서의 값과 비교할 만하고 넓은 에너지 밴드갭에 기인한 높은 항복 전기장은 항복 전압을 높여 고추력을 처리할 수 있다. 셋째로는, AlGaN/GaN 이종 접합에서 전도대의 불연속성이 커서 2차원적 전자가스(2 Dimensional Elctron Gas, DEG) 층내에 수용할 수 있는 전하량이 크다. 즉, 에너지 밴드갭이 6.2eV인 AlN와 3.4eV인 GaN과의 큰 에너지 밴드갭 차이로 이종 접합에서의 에너지 차이가 증가하여, 에너지 차이 중 약 70% 정도가 전도대의 불연속성을 이루므로 다른 반도체에서 보다 큰 에너지 차이를 얻을 수 있다. 큰 전도대의 불연속성은 채널(channel)에서의 전하 축적에 도움을 주어 최대 전류를 높이는데 대단히 중요한 역할을 한다. 넷째로는, AlN와 GaN 박막사이의 격자상수(lattice mismatch) 불일치로 인해 이종 접합면 주위에 상당한 양의 응력(strain)이 발생하는데, 이러한 응력은 육각형 밀집구조에서 압전 현상(peizoelctric_effect)을 발생시켜 built-in 전기장이 형성된다. 이러한 built-in 전기장은 대개의 경우 전자가 이동하는 채널에 더 많이 집중시키는 역할을 하므로 채널의 전하량이 증대하게 되고 결국 최대 전류를 높이는데 도움이 된다.
일반적으로, AlGaN/GaN 이종접합 구조의 전계효과 트랜지스터(FET) 및 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT)등의 전자소자는 낮은 상호전달컨턱턴스(흐) 특성을 가지고 있으며, 전자의 채널층으로 사용되는 단결정 GaN 박막층은 불순물(Si)을 도핑 또는 도핑하지 않느냐에 따라서 AlGaN/GaN 이종접합 계면에 형성된 2차원 전자가스(2DEG)층내의 Sheet 캐리어 농도와 전자의 이동도 특성이 향상된다.
단결정 GaN 질화물반도체는 아주 우수한 물질적 특성을 가지고 있어서, AlGaN/GaN 이종 접합 구조 형성 시, 고농도 2차원 전자층(2DEG)가 생성되기 때문에 낮은 온저항, 높은 전류밀도, 높은 전자 이동도를 얻을 수 있다. GaN 기반의 질화물반도체는 실리콘, 사파이어 및 실리콘카바이드 기판위에 MOCVD 또는 MBE 장비를 이용하여 고품질의 단결정 에피택셜 박막으로 성장시키는데, 그 중에서도 실리콘카바이드(SiC) 기판이 열전도성이 우수하고 GaN와 격자상수 및 열팽창계수 차이가 적어 AlGaN/GaN 이종접합 구조의 전계 효과 트랜지스터(FET) 및 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT)등의 전자 소자의 고출력과 우수한 고주파 성능 및 신뢰성을 확보가 용이하다. 또한 화?d물반도체인 GaAs와 InP 기반의 소자에 비해서도 우수한 고온 안정성, 단위 면적당 10배 이상의 고출력 특성, 높은 선형성 그리고 우수한 저잡음 특성 등 월등한 성능 우위를 가지고 있다.
또한 실리콘카바이드(SiC) 기판은 열전도성이 우수하여 소자 동작 시, 발생하는 열을 효과적으로 방출하여 열에 의한 소자의 특성 저하를 완화할 수 있고, SiC와 GaN과의 격자상수 및 열팽창계수 차이가 다른 Si, Sapphire 기판에 비해 적어 결정 결함 및 스트레스를 줄여 우수한 신뢰성을 확보가 용이하고 고품질의 GaN 기반의 질화물반도체 박막층 및 구조를 성장할 수 있어 보다 우수한 전기적 특성을 얻을 수 있다.
AlGaN/GaN 이종 접합 구조를 갖는 전계 효과 트랜지스터(FET) 및 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT)등의 RF 증폭 소자를 제작하기 위해서는, 열전도성이 우수하고 고출력에 용이한 실리콘카바이드(SiC) 기판 위에 고품질의 단결정 구조로 MOCVD 및 MBE 장비를 이용하여 성장시킨다.
AlGaN/GaN 이종접합 구조를 갖는 FET 및 HEMT 전자 소자의 성능 향상을 위한 연구개발이 집중되고 있다. 이를 위해서는 다음과 같은 조건들을 만족시켜야 한다. 1)AlGaN/GaN 이종 접합 구조의 설계 및 성장, 2)고저항 버퍼층 및 Back Barrier 구조 성장, 3)RF 특성을 향상시키기 위한 FET 및 HEMT 소자에 대한 AlGaN/GaN 이종접합 구조 설계, 4)신뢰성 향상을 위한 AlGaN/GaN 이종접합 구조 성장 기술 등에 대한 연구/개발이 요구된다. 보다 구체적으로는 1)적절한 AlGaN 장벽층 성장조건을 이용한 AlGaN/GaN 이종 접합 구조 성장 기술, 2)누설전류 감소 및 항복전압 향상을 위한 AlGaN 및 p-GaN Back Barrier 기술, 3)Iron 또는 Carbon 도핑을 위한 고저항 버퍼층 성장기술, 4)단채널효과를 줄이기 위한 얇은 Al(In)N 장벽층 성장 기술, 5)우수한 표면 특성을 위한 In-Situ Capping 층 성장 기술 등의 최적화가 필요하다. 이러한 최적화된 AlGaN/GaN 이종 접합 구조의 설계 및 성장을 통해서 FET 및 HEMT 전자 소자의 RF 고출력 전력증폭 소자가 제공된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 결정 결함을 효과적으로 억제하기 위해서 AlxGa1-xN 다중 스트레인(응력) 정합을 적용하여 신뢰성이 개선된 AlGaN/GaN 이종 정합 구조를 갖는 FET 및 고주파(RF) 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT) 전자 소자를 제공하는데 있다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은, 고전자 이동도 트랜지스터 전자소자로서; 기판 위에 형성된 AlN 격자 정합층, 상기 AlN 격자 정합층 상부에 형성되는 AlxGa1-xN 스트레인 정합층, 상기 AlxGa1-xN 스트레인 정합층 상부에 형성되는 AlyGa1-yN 지지층, 상기 AlyGa1-yN 지지층 상부에 형성되는 반절연성 AlyGa1-yN층, 상기 반절연성 AlyGa1-yN층 상부에 형성되는 AlaGa1-aN 전자 구속층, 상기 AlaGa1-aN 전자 구속층 상부에 형성되는 AlbGa1-bN 채널층, 상기 AlbGa1-bN 채널층 상부에 형성되는 AlN 공간층,상기 AlN 공간층 상부에 형성되는 AlcGa1-cN 장벽층, 상기 AlcGa1-cN 장벽층 상부에 형성되는 표면 보호층을 포함하고, 상기 반절연성 AlyGa1-yN층은 Acceptor-H complex 분포의 구조이며, ~㏁ 이상의 높은 저항값을 갖으며, 상기 AlxGa1-xN 스트레인 정합층은 [GaN(210a)/AlxGa1-xN1(210b)/GaN(210a)/AlxGa1-xN2(210c)/GaN(210a)/AlxGa1-xN3(210d)/GaN(210a)/AlxGa1-xN4(210e)]의 다중 스트레인 정합 구조를; 포함하는 초고주파(RF) 고전자 이동도 트랜지스터를 제공한다.
또한 본 발명의 기술적 과제는, 고전자 이동도 트랜지스터 전자소자로서; 기판위에 형성된 AlN 격자 정합층, 상기 AlN 격자 정합층 상부에 형성되는 AlxGa1-xN 스트레인 정합층, 상기 AlxGa1-xN 스트레인 정합층 상부에 형성되는 AlyGa1-yN 지지층, 상기 AlyGa1-yN 지지층 상부에 형성되는 반절연성 AlyGa1-yN층, 상기 반절연성 AlyGa1-yN층 상부에 형성되는 AlaGa1-aN 전자 구속층, 상기 AlaGa1-aN 전자 구속층 상부에 형성되는 AlbGa1-bN 채널층, 상기 AlbGa1-bN 채널층 상부에 형성되는 AlN 공간층, 상기 AlN 공간층 상부에 형성되는 AlcGa1-cN 장벽층, 상기 AlcGa1-cN 장벽층 상부에 형성되는 표면 보호층을 포함하고, 상기 반절연성 AlyGa1-yN층은 Acceptor-H complex 분포의 구조이며, ~㏁ 이상의 높은 저항값을 갖으며, 상기 AlxGa1-xN 스트레인 정합층은 일정한 두께의 [AlxGa1-xN(320a)/AlN(320b)] 적층 구조를 한 쌍으로 한 1차 초격자 구조이며, 상기 [AlxGa1-xN(320a)/AlN(320b)] 초격자 상부에 일정한 두께의 [AlxGa1-xN(320c)/GaN(320d)] 적층구조를 한 쌍으로 하는 2차 초격자 구조이고,상기 1차 초격자 구조와 2차 초격자 구조는 연속적으로 형성되는 것을 포함하는 초고주파(RF) 고전자 이동도 트랜지스터를 제공한다.
본 발명의 또 다른 기술적 과제는, 고전자 이동도 트랜지스터 전자소자로서; 기판위에 형성된 AlN 격자 정합층, 상기 AlN 격자 정합층 상부에 형성되는 AlxGa1-xN 스트레인 정합층, 상기 AlxGa1-xN 스트레인 정합층 상부에 형성되는 AlyGa1-yN 지지층, 상기 AlyGa1-yN 지지층 상부에 형성되는 반절연성 AlyGa1-yN층, 상기 반절연성 AlyGa1-yN층 상부에 형성되는 AlaGa1-aN 전자 구속층, 상기 AlaGa1-aN 전자 구속층 상부에 형성되는 AlbGa1-bN 채널층, 상기 AlbGa1-bN 채널층 상부에 형성되는 AlN 공간층, 상기 AlN 공간층 상부에 형성되는 AlcGa1-cN 장벽층, 상기 AlcGa1-cN 장벽층 상부에 형성되는 표면 보호층을 포함하고, 상기 반절연성 AlyGa1-yN층은 Acceptor-H complex 분포의 구조이며, ~㏁ 이상의 높은 저항값을 갖으며, 상기 AlxGa1-xN 스트레인 정합층은 일정한 두께의 [AlxGa1-xN(420a)/GaN(420b)/AlxGa1-xN(420a)/AlN(420c)] 적층 구조를 한쌍으로 한 1차 초격자 구조이며, 상기 [AlxGa1-xN(420a)/GaN(420b)/AlxGa1-xN(420a)/AlN(420c)] 1차 초격자 구조 상부에 일정한 두께의 [AlxGa1-xN(420d)/GaN(420d)] 적층 구조를 한 쌍으로 하는 2차 초격자 구조이고,상기 1차 초격자 구조와 2차 초격자 구조는 연속적으로 형성되는 것을 포함하는 초고주파(RF) 고전자 이동도 트랜지스터를 제공한다.
상술한 본 발명에 따르면, 기판 상부에 AlN 격자 정합층의 큰 에너지 밴드갭의 차이에 의해서 동일한 c-axis 성장방향으로 AlyGa1-yN 지지층 및 상부에 형성되는 AlGaN/GaN 이종접합 구조를 갖는 FET 및 RF HEMT 전자소자의 표면으로 전파되는 스트레인 및 그에 따른 결정결함의 생성을 효과적으로 억제하기 AlxGa1-xN 다중 스트레인 정합층을 제공한다. 또한 ~㏁ 이상의 높은 저항값을 갖는 다양한 구조의 Acceptor-H complex 분포를 갖는 반절연성 AlyGa1-yN 층 적용하여 낮은 누설전류 및 큰 항복 전압에 의해서 우수한 고주파(RF) 특성을 갖는 AlGaN/GaN 이종 접합 구조를 갖는 FET 및 RF HEMT 전자 소자를 제공한다.
도 1. 단결정 [AlN vs GaN] 질화물반도체층을 성장시키기 위해서 성장온도의 증/감시, 발생하는 스트레인(응력) 방향의 변화를 나타낸 단면도 및 실제 AlN 표면 사진.
도 2. AlGaN/GaN 이종 접합 구조를 갖는 RF HEMT 소자용 에피의 단면도.
도 3. AlxGa1-xN 다중 스트레인 정합층(220)의 AlGaN/GaN 이종 접합 구조를 갖는 RF HEMT 소자용 에피의 단면도.
도 4. AlxGa1-xN 다중 스트레인 정합층(320)의 AlGaN/GaN 이종 접합 구조를 갖는 RF HEMT 소자용 에피의 단면도.
도 5. AlxGa1-xN 다중 스트레인 정합층(420)의 AlGaN/GaN 이종 접합 구조를 갖는 RF HEMT 소자용 에피의 단면도.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에서 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속한는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 도일 참조 부호는 도일 구성요소를 지칭한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 누설전류 및 항복 전압을 개선한 고주파(RF) 고전자 이동도 트랜지스터(High Electron Mobility Transister, HEMT, 이하 HEMT로 명칭함)에 관하여 구체적으로 설명하기로 한다.
질화물반도체 재료를 이용한 AlGaN/GaN 이종 접합 구조의 전계 효과 트랜지스터(Field Effect Transistor_FET, 하기 FET 명칭함) 및 고전자 이동도 트랜지스터(High Electron Mobility Transistor_HEMT, 하기 HEMT 명칭함) RF 전자 소자에서, 고농도 전자 이동도를 향상시키기 위해서는 고품질의 GaN 채널층 성장되어야 하며, 이 채널층내로 전자의 이동도를 제한하기 위해서 채널층 하부로 흐르는 누설전류를 최대한 방지하고 항복 전압이 높은 두꺼운 고품질의 고저항 GaN 층이 필연적으로 요구된다. 고저항 단결정 GaN층은 불순물을 도핑하지 않고 deeep Acceptor 역할을 하는 Ga 공공(vacancy)를 이용하는 undoped GaN층, Iron 및 Carbon 불순물이 도핑된 GaN층이 사용된다. Iron 불순물은 메모리 효과로 인해 성장이 어려운 단점이 있으며, Carbon 불순물 도핑방법은 TMGa MO source가 성장 챔버내로 유입되면서 고온의 성장온도에 의해서 해리되는 과정에서 형성된 부산물인 Carbon를 도핑하여 고저항 GaN층을 구현하는 방식이다.
본 발명에서는 ~㏁ 이상의 매우 높은 저항 값을 갖는 Acceptor-H complex 분포의 구조를 갖는 반절연성 AlGaN층을 성장시켜 벌크 누설전류 및 항복 전압을 효과적으로 개선한 AlGaN/GaN 이종 접합 구조를 갖는 FET 및 RF HEMT 전자소자를 제공한다. 또한 고품질의 Acceptor-H complex 분포의 구조를 갖는 반절연성 AlGaN층을 성장시키기 위해서 기판 상부에 AlN 격자 정합층과 AlGaN 다중 스트레인 정합층 제공하고, 상기 AlGaN 다중 스트레인 정합층 상부에 AlGaN 지지층과의 효과적인 스트레인 정합을 통하여 결정 결함을 억제하여 AlGaN/GaN 이종 접합 구조를 갖는 고출력 FET 및 RF HEMT 전자 소자의 신뢰성을 향상시킨다.
본 발명에서는 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 장비를 이용하여, AlN, AlGaN, GaN 개별층의 갖는 물성 자체를 이용하여 Al 조성(함량), 두께 및 구조등의 다양한 형태를 갖는 다중 스트레인 정합층을 적용하여 스트레인(응력)에의해서 생성되는 결정 결함을 효과적으로 억제한다. 또한 낮은 벌크 누설전류 및 높은 항복 전압을 갖는 고품질의 두꺼운 반절연성 AlxGa1-xN층은 p- 형 도판트 불순물인 Zn(DMZn)와 Mg(Cp2Mg) 및 Carbon(TMGa) 등의 불순물을 AlxGa1-xN층 성장중에 주입하여 ~㏁ 이상의 높은 저항을 갖는 Acceptor(Mg, Zn)-H complex 구조를 성장하였다. Zn(DMZn) 또는 Mg(Cp2Mg) 불순물인 경우, 고품질의 단결정 AlxGa1-xN층은 이온 결합 특성이 강하기 때문에 불순물의 에너지 준위가 200meV으로 ~㏁ 이상의 Acceptor(Mg 또는 Zn)-H complex에 의한 반절연성 특성 자체를 이용하였다.이러한 AlxGa1-xN층내에 존재하는 Acceptor-H complex은 매우 높은 저항값에 의해서 전기 전도도에 기여하는 홀 캐리어가 거의 없는 Zn 또는 Mg 불순물이 수소와 결합되어 분포하는 것으로써, 전기 전도도에 기여하는 홀을 형성하는 p-형 AlxGa1-xN층이 아니다.
본 발명에서, 도 1 은 기판 상부에 고품질의 단결정층을 형성한 후, 에너지 밴드갭이 큰 단결정 AlN 층을 성장시키는 과정에서 1000~1200℃ 이상의 고온의 성장 온도가 증/감하는 동안 스트레인(응력)이 생성 방향과 실제 2 ㎛의 두께를 갖는 단결정 GaN 층 상부에 성장된 0.2 ㎛ 두께의 AlN 층의 표면 사진이다.
도 1 를 참조하면, 고온에서 단결정 GaN 층 상부에 AlN 층을 성장할 경우, 큰 에너지 밴드갭의 차이에 의해서 스트레인(응력)이 생성되는데, 성장 온도의 증가 및 감소에 따라서 스트레인의 방향이 정반대로 작용한다. 이러한 스트레인(응력) 방향의 물성을 이용하여 GaN 층과 AlN 층의 두께 차이 및 성장 조건을 변화시켜 스트레인(응력) 정합이 가능하여, 실제 스트레인(응력)에 의해서 생성되는 크랙(crack)과 같은 결정 결함을 효과적으로 억제시킬 수 있다.
하지만, GaN 층과 AlN 층의 두께 차이에 의해서 스트레인 정합을 시킬 수 있더라도, AlN 층의 두께가 증가되면 다시 스트레인(응력)의 우선 방향이 발생하여 스트레인(응력) 정합이 깨지면 AlN 층 표면에 다량이 crack 이 발생한다.
본 발명에서는, AlN 격자 정합층과 AlGaN 지지층 및 두꺼운 반절연성 AlGaN 층 사이의 큰 에너지 밴드갭 차이에 의해서 생성되는 스트레인(응력)을 효과적으로 억제시키기 위해서 AlN, Al 조성(함량)의 적절하게 변화된 AlGaN 및 GaN 층의 구조, 두께등이 변화된 다중 스트레인 정합층을 적용하여 결정 결함을 최소화시킬 수 있는 기술을 제공한다.
도 2은 본 발명의 실시예로서, AlxGa1-xN 다중 스트레인 정합층(120)과 Acceptor-H complex 분포의 갖는 반절연성 AlyGa1-yN층(140)을 포함하는 AlGaN/GaN 이종접합 구조의 고주파(RF) HEMT 전자소자의 에피 단면 구조(10)이다.
도 2를 참조하면, 기판(100) 상부에 고온의 성장온도에서 0.05㎛~0.5㎛ 두께 범위, 더욱 바람직하게는 0.05㎛~0.3㎛ 두께 범위를 갖는 AlN 격자 정합층(110)을 형성한 후, 상기 AlN 격자 정합층(110) 상부에 0.1㎛~2㎛이며, 바람직하게는 0.1~0.1㎛ 두께 범위를 갖는 AlxGa1-xN 다중 스트레인 정합층(120)을 형성한다. 상기 스트레인 정합층(120) 상부에 0.2㎛~3㎛ 두께범위이고, 바람직하게 0.2~2㎛ 두께 범위를 갖는 고품질의 AlyGa1-yN 지지층(130)을 형성한 후, ~㏁ 이상의 높은 저항값을 갖는 0.2㎛~5㎛ 두꺼 범위 내에서, 바람직하게는 0.2㎛~3㎛의 두께 범위의 Acceptor-H complex 분포의 구조를 갖는 반절연성 AlyGa1-yN층(140)을 형성한다. 상기 AlyGa1-yN층(140) 상부에 0.02㎛~0.3㎛ 두께 범위내에서, 바람직하게는 0.02㎛~0.3㎛ 두께 범위의 AlaGa1-aN 전자 구속층(150)을 형성한 후, 0.05㎛~1㎛ 두께 범위내에서 바람직하게는 0.05㎛~0.5㎛ 범위의 고품질의 GaN 채널층(160)을 형성한다. 상기 GaN 채널층(160)은 FET 또는 RF HEMT 전자소자의 설계조건에 따라서 그 두께 범위가 결정된다. 상기 GaN 채널층(160) 상부에 50Å 이내의 두께를 갖는 양질의 AlN 공간층(170)을 형성한다. 상기 AlN 공간층(170)과 GaN 채널층(160)간의 에너지 밴드갭의 불연속적인 차이에 의해서 응력이 발생하여 계면에서 높은 Sheet 캐리어 전자농도 및 높은 이동도를 갖는 2차원적인 가스(2DEG)층이 형성된다. 따라서 상기 GaN 채널층(160)은 결정 결함이 최대한 억제된 고품질의 결정성이 요구되며, 얇은 두께를 갖는 AlN 공간층(170) 또한 양질의 결정성이 요구된다. 상기 AlN 공간층(170)을 형성한 후, 100Å~1000Å의 두께 범위를 갖는, 바람직하게는 100~500Å의 두께 범위의 AlcGa1-cN 장벽층(180)을 형성한다. 이때 AlcGa1-cN 장벽층(180)의 Al 조성은 20~35% 이며, 바람직하게는 25~30% 범위내이다. 이 후, 노출된 AlcGa1-cN 장벽층(180)은 Al과 Ga의 dangling bond가 우선하여 공기 중에 있는 산소와 쉽게 결합되어 AlxOy, GaxOy등의 20Å 이하의 얇은 native oxide가 형성되기 때문에 GaN, AlGaN, Al(In)N 등의 질화물반도체 또는 SixNy과 같은 유전체 절연막을 형성하여 표면을 보호시킨다. 상기의 GaN, AlGaN, Al(In)N 등의 질화물반도체를 이용한 표면 보호층(190)은 n 또는 p- 형 포판트인 불순물이 도핑되거나 도핑을 하지 않을 수 있으며 두께는 30Å~1000Å 범위가 바람직하다. 또한 SixNy 유전체 절연막은 MOCVD 장비내에서 in-situ 또는 MOCVD, CVD, Sputter, ALD등 반도체 장비를 이용하여 1000~3000Å의 두께가 바람직하다.
도 2를 참조하면, AlxGa1-xN 다중 스트레인 정합층(120)과 AlyGa1-yN지지층(130), Acceptor-H complex 분포의 구조를 갖는 반절연성 AlyGa1-yN층(140), AlaGa1-aN 전자 구속층(150) 및 AlcGa1-cN 장벽층(180)등의 각각의 Al 조성(함량)은 다음과 같이 제공된다. 반절연성 AlyGa1-yN층(140)의 Al 조성(함량)은 하부에 형성된 AlxGa1-xN 다중 스트레인 정합층(120)보다 낮으며(x>y), 상부에 형성된 AlaGa1-aN 전자 구속층(150) 보다 낮으며(a>y), n-AlcGa1-cN 전자 공급층(180) 보다 낮고(c>y), 또한 AlaGa1-aN 전자 구속층(150)의 Al 조성은 동일면상에 c-axis로 성장된 상부의 AlxGa1-xN 다중 스트레인 정합층(120) 보다 같거나 작고(a≤x) 동일면상에 c-axis로 성장된 상부의 AlcGa1-cN 장벽층(180) 보다 같거나 높다.(a≥c)
도 3 은, 본 발명의 또 다른 실시예로서, AlxGa1-xN 다중 스트레인 정합층(220)과 Acceptor-H complex 분포의 갖는 반절연성 AlyGa1-yN 층(240)을 포함하는 AlGaN/GaN 이종접합 구조의 고주파(RF) HEMT 전자 소자의 에피 단면 구조(20)이다.
도 3 를 참조하면, 하부의 AlN 격자 정합층(210)과의 스트레인 정합을 위해서 Al 조성(함량)의 순차적으로 감소시킨 AlxGa1-xN1(220b), AlxGa1-xN2(220c), AlxGa1-xN3(220d) 및 AlxGa1-xN4(220e) 개별 구조와 AlN 격자 정합층(110)과 스트레인(응력) 방향이 정반대인 얇은 GaN 격자 왜곡층(201a)을 적용한 [GaN(220a)/AlxGa1-xN1(220b)/GaN(220a)/AlxGa1-xN2(220c)/GaN(220a)/AlxGa1-xN3(220d)/GaN(220a)/AlxGa1-xN4(220e)] 구조를 갖는 다중 스트레인(응력) 정합층(220)을 형성한다. 상기 다중 스트레인(응력) 정합층(220)은 GaN 격자 왜곡층(220a)에 의해서 AlN 격자 정합층(110)과 Al 조성(함량)의 순차적으로 감소시킨 AlxGa1-xN1(220b), AlxGa1-xN2(220c), AlxGa1-xN3(220d) 및 AlxGa1-xN4(220e) 스트레인 방향을 효과적으로 정합시키는 역할을 수행한다. 또한 상기 다중 스트레인 정합층(220) 상부에 형성되는 AlyGa1-yN 지지층(230)으로 전파되는 결정 결함을 효과적으로 제어하여 고 신뢰성을 갖는 AlGaN/GaN 이종 접합 구조의 FET 및 RF HEMT 전자 소자를 제공한다.
도 3를 참조하면, 개별 AlxGa1-xN1(220b), AlxGa1-xN2(220c), AlxGa1-xN3(220d) 및 AlxGa1-xN4(220e) 스트레인 층의 Al 조성(함량)은 각각 70~90%, 50~70%, 30~50% 및 10~30%으로 순차적으로 감소되고, 그와 관련된 두께 범위는 100~3000Å 두께 범위이며, 바람직하게는 500~1000Å 두께 범위에서 제공된다.
또한 정반대의 스트레인 방향을 갖는 GaN층(110)의 두께 범위는 20~200Å이며, 바람직하게는 20~50Å 두께 범위에서 제공된다.
도 4 는, 본 발명의 또 다른 실시예로서, AlxGa1-xN 다중 스트레인 정합층(320)과 Acceptor-H complex 분포의 갖는 반절연성 AlyGa1-yN 층(340)을 포함하는 AlGaN/GaN 이종접합 구조의 고주파(RF) HEMT 전자 소자의 에피 단면 구조(30)를 나타낸 것이다. 상기 AlyGa1-yN 지지층(330) 상부에부터 표면 보호층(390) 까지의 기능은 도 2 와 도 3 과 동일하게 제공된다.
도 4을 참조하면, 하부의 AlN격자 정합층(310)과 상부 AlyGa1-yN 지지층(330)과의 스트레인 정합을 위해서, 상기 AlxGa1-xN 스트레인 정합층(320)은 일정한 두께의 [AlxGa1-xN(320a)/AlN(320b)] 적층 구조를 한 쌍으로 한 1차 초격자 구조와, 상기 [AlxGa1-xN(320a)/AlN(320b)] 1차 초격자 구조 상부에 일정한 두께의 [AlxGa1-xN(320c)/GaN(320d)] 적층 구조를 한 쌍으로 하는 2차 초격자 구조이며 상기 1차 초격자 구조와 2차 초격자 구조는 연속적으로 형성된다.
[AlxGa1-xN(320a)/AlN(320b)] 1차 초격자 구조의 스트레인(응력)은 기판을 향하는 스트레인(응력)이 작용하는 구성을 가진다. AlN 격자 정합층(310)과 접하는 부위는 AlxGa1-xN(320a)이 먼저 형성되고, 그 상부에 AlN(320b)이 형성됨이 바람직하다. AlN 격자 정합층(310)은 사파이어 기판 상에 형성되는 경우, 기판을 향해 스트레인(응력)을 형성한다. 다만, AlxGa1-xN(320a)이 형성되므로 기판을 향하는 응력은 다소 감소된다. 또한 AlN 격자 정합층(310)에 의해 기판을 향하는 스트레인(응력)은 상존하나, AlN(320b)이 가지는 초격자의 반복 구조로 인해 다소 저감된 스트레인(응력)이 기판을 향해 존재한다.
도 4를 참조하면, 상기 반절연성 AlyGa1-yN층(340)의 Al 조성(함량)은 하부에 형성된 AlxGa1-xN 다중 스트레인 정합층(320)보다 낮으며(x>y), 상부에 형성된 AlaGa1-aN 전자 구속층 보다 낮으며(a>y), 상부에 형성된 AlcGa1-cN 장벽층층 보다 낮다.(c>y) 또한 상기 AlaGa1-aN 전자 구속층의 Al 조성은 동일면상에 c-axis로 성장된 상부의 AlxGa1-xN 스트레인 정합층 보다 같거나 적고(a≤x) 동일면상에 c-axis로 성장된 상부의 n- AlcGa1-cN 전자 공급층 보다 같거나 높은(a≥c)것을 포함하는 고주파(RF) 고전자 이동도 트랜지스터를 제공한다.
도 4를 참조하면, 하부의 AlN 격자 정합층(310)과 상부의 AlyGa1-yN 지지층(330)과의 사이에 연속적으로 형성된 [AlxGa1-xN(320a)/AlN(320b)] 1차 초격자 구조와 [AlxGa1-xN(320c)/GaN(320d)] 2차 초격자 구조의 개별층의 Al 조성(함량)은 40~80% 범위의 AlxGa1-xN(320a), 20~60%의 범위인 AlxGa1-xN(320c) 이며, 필요한 경우 개별층인 AlxGa1-xN(320a)과 AlxGa1-xN(320c)의 Al 조성(함량)을 동일하게 적용된다. 또한 상기 1차 및 2차 초격자 구조의 AlxGa1-xN 다중 스트레인 정합층의 각각의 개별 AlxGa1-xN(320a)층과 AlxGa1-xN(320c)은 100~500Å 두께 범위이며, 바람직하게는 100~300Å이고 AlN층은 100~500Å 두께 범위이며, 바람직하게는 100~300Å이다. 그리고 GaN 격자 왜곡층(320d)은 20~200Å 두께 범위이며, 바람직하게는 50~100Å 두께 범위를 포함하는 고주파(RF) 고전자 이동도 트랜지스터를 제공한다. 1차 및 2차 초격자 구조는 2~30 쌍으로 전체 두께를 제어한다.
AlN(320b)은 50Å 내지 300Å의 두께를 가짐이 바람직하다. 만일 AlN(320b)이 50Å 미만의 두께를 가지면, AlN(320b)을 형성하기 위한 공정 시간이 단축되고 생산성이 향상되는 잇점이 있으나, 상부에 형성되는 AlxGa1-xN (320a) 사이의 스트레인(응력)에 의해 AlN(320b) 자체에서 결정 결함이 발생된다. 또한, AlN(320b)이 300Å를 상회하는 두께를 가지면, 결정학적으로 안정된 AlN(302b)을 얻을 수 있으나, 기판을 향한 스트레인(응력)이 과도하게 작용하여 AlN 격자 정합층(310)에서부터 결정 결함이 발생한다.
또한 AlxGa1-xN (320a)은 100Å 내지 500Å의 두께를 가짐이 바람직하다. 상기 AlN(302b)에 의해 기판을 향하는 스트레인(응력)이 흡수하고 저감하는 동작을 수행한다. 따라서, 상기 AlxGa1-xN (320a)의 두께는 AlN(302b)의 두께보다 큼이 바람직하다. 만일 AlxGa1-xN (320a)의 두께가 100Å 미만이면, 인접한 AlN(320b)에 의해 기판을 향하는 응력을 충분히 저감하지 못하여 자체 내에서 결정 결함을 유발한다. 또한, AlxGa1-xN (302a)의 두께가 500Å를 상회하면, 과도한 두께로 인해 공정 시간이 증가되고 생산성이 저하되는 문제가 발생된다.
[AlxGa1-xN(320c)/GaN(320d)] 2차 초격자 구조에서, AlxGa1-xN (320c)은 50Å 내지 300Å의 두께를 가짐이 바람직하다. AlxGa1-xN (320c)의 두께가 50Å 미만이면 GaN(320d)에서 발생되는 상향 스트레인(응력)의 흡수가 불충분하다. AlxGa1-xN (320c)의 두께가 300Å를 상회하면 결정 결함이 발생된다. 또한, GaN(320d)의 두께는 10Å~50Å임이 바람직하다. GaN(320d)의 두께가 10Å 미만이면 스트레인(응력)이 충분히 형성되지 못하고 균일한 막질을 얻을 수 없으며 AlxGa1-xN (320c)과의 계면에서 격자 상수의 차이 또는 열팽창 계수의 차이로 인해 결정 결함이 발생된다.
도 5 는, 본 발명의 실시예로서, AlxGa1-xN 다중 스트레인 정합층(420)과 Acceptor-H complex 분포의 갖는 반절연성 AlyGa1-yN 층(440)을 포함하는 AlGaN/GaN 이종접합 구조의 고주파(RF) HEMT 전자소자의 에피 단면 구조(40)이다. 상기 AlyGa1-yN 지지층(430) 상부에부터 표면 보호층(490) 까지의 기능은 도 2, 도 3 및 도 4 와 동일하게 제공된다.
도 5를 참조하면, 기판(400) 상부에 형성된 AlN 격자 정합층(410)과 상기 AlN 격자 정합층 상부에 형성되는 AlxGa1-xN 다중 스트레인 정합층(420), 상기 AlxGa1-xN 스트레인 정합층(420) 상부에 형성되는 AlyGa1-yN 지지층(430), 상기 AlyGa1-yN 지지층(430) 상부에 형성되는 반절연성 AlyGa1-yN층(440), 상기 반절연성 AlyGa1-yN층(440) 상부에 형성되는 AlaGa1-aN 전자 구속층(450), 상기 AlaGa1-aN 전자 구속층(450) 상부에 형성되는 AlbGa1-bN 채널층(460), 상기 AlbGa1-bN 채널층(460) 상부에 형성되는 AlN 공간층(470), 상기 AlN 공간층(470) 상부에 형성되는 AlcGa1-cN 장벽층(480), 상기 AlcGa1-cN 장벽층(480) 상부에 형성되는 표면 보호층(490)을 포함한다.
상기 AlxGa1-xN 스트레인 정합층(420)은 일정한 두께의 [AlxGa1-xN(420a)/GaN(420b)/AlxGa1-xN(420a)/AlN(420c)] 적층 구조를 한 쌍으로 한 1차 초격자 구조이고, 상기 [AlxGa1-xN(420a)/GaN(420b)/AlxGa1-xN(420a)/AlN(420c)] 1차 초격자 구조 상부에 일정한 두께의 [AlxGa1-xN(420d)/GaN(420d) 적층 구조를 한 쌍으로 하는 2차 초격자 구조이다. 상기 1차 초격자 구조와 2차 초격자 구조는 연속적으로 형성되는 것을 포함하는 고주파(RF) 고전자 이동도 트랜지스터를 제공한다.
도 5를 참조하면, 반절연성 AlyGa1-yN층(440)의 Al 조성(함량)은 하부에 형성된 AlxGa1-xN 스트레인 정합층 보다 낮으며(x>y) 상부에 형성된 AlaGa1-aN 전자 구속층 보다 적고(a>y), AlcGa1-cN 장벽층보다 적다.(c>y). 또한 AlaGa1-aN 전자 구속층의 Al 조성은 동일면상에 c-axis로 성장된 상부의 AlxGa1-xN 스트레인 정합층 보다 같거나 적고(a≤x) 동일면상에 c-axis로 성장된 상부의 AlcGa1-cN 장벽층 보다 같거나 높다.(a≥c)
또한 하부의 AlN 격자 정합층(410)과 상부의 AlyGa1-yN 지지층(430)과의 사이에, 연속적으로 형성된 [AlxGa1-xN(420a)/GaN(420b)/AlxGa1-xN(420a)/AlN(420c)] 1차 초격자 구조와 [AlxGa1-xN(420d)/AlN(420b)] 2차 초격자 구조에서, 상기 개별층의 Al 조성(함량)은 40~80% 범위의 AlxGa1-xN(420a)이 20~60%의 범위인 AlxGa1-xN(420d) 보다 높다. 필요한 경우, AlxGa1-xN층(420a)과 AlxGa1-xN층(420d)의 Al 조성(함량)을 동일하게 제공한다.
도 5를 참조하면, 상기 1차 및 2차 초격자 구조의 AlxGa1-xN 다중 스트레인 정합층(420)의 각각의 개별 AlxGa1-xN(420a)층과 AlxGa1-xN(420d)은 100~500Å 두께범위이며, 바람직하게는 100~200Å이다. 또한 AlN층은 100~500Å 두께 범위이며, 바람직하게는 100~200Å이고, GaN층은 20~100Å 두께 범위이며, 바람직하게는 50~50Å 두께 범위로 제공한다.
[AlxGa1-xN(420a)/GaN(420b)/AlxGa1-xN(420a)/AlN(420c)] 적층 구조를 한 쌍으로 한 1차 초격자 구조에서, GaN(420b)은 기판을 기준으로 상부로 향하는 스트레인(응력)을 형성한다. 즉, GaN(420b)의 중심은 상부를 향하는 스트레인(응력)을 형성한다. 따라서, AlxGa1-xN (420a) 및 GaN(420b)의 적층 구조는 상부로 향하는 스트레인(응력)을 가지나, AlxGa1-xN (420a)에 의해 상부로 향하는 스트레인(응력)이 다소 저감된다. 또한, AlxGa1-xN (420a)은 하부의 AlN(420d)과 GaN(420b) 사이에 배치되어 GaN(420b)의 결정 성장시 결정 결함을 방지할 수 있는 막질로 기능한다.
상술한 구조에서 GaN(420b)은 상부를 향해 응력을 발생하고, AlN(420d)은 하부의 기판을 향한 스스레인(응력)을 발생한다. 또한, AlxGa1-xN (420a)은 GaN(420b) 상에 AlN(420d)이 직접 성장될 경우에 발생할 수 있는 결정 결함의 발생을 억제하는 역할을 수행한다.
[AlxGa1-xN(420d)/AlN(420b)] 적층 구조를 한 쌍으로 한 2차 초격자 구조에서, AlxGa1-xN (420d)은 50Å 내지 300Å의 두께를 가짐이 바람직하다. AlxGa1-xN (420d)의 두께가 50Å 미만이면 GaN(420b)에서 발생되는 상향 응력의 흡수가 불충분하다. AlxGa1-xN (420d)의 두께가 300Å를 상회하면 결정 결함이 발생된다. 또한, GaN(420b)의 두께는 10Å~50Å임이 바람직하다. GaN(420b)의 두께가 10Å 미만이면 응력이 충분히 형성되지 못하고 균일한 막질을 얻을 수 없으며 AlxGa1-xN (420d)과의 계면에서 격자 상수의 차이 또는 열팽창 계수의 차이로 인해 결정 결함이 발생된다.
도 5를 참조하면, ~㏁ 이상의 높은 저항값을 갖는 반절연성 AlyGa1-yN층(440)과 동일한 c-axis 성장 방향으로 형성된 AlbGa1-bN 채널층(460) 및 AlN 공간층(470)과의 계면에서 높은 sheet 캐리어 전자농도 및 이동도를 갖는 2차원가스(2DEG)층을 포함하는 고주파(RF) 고전자 이동도 트랜지스터를 제공한다..
본 발명에서, 기판 상부에 형성되는 AlGaN/GaN 이종 접합 구조의 FET 또는 RF HEMT 전자소자의 에피 구조의 개별층은 기판의 성장면과 수직인 c-axis 성장방향을 갖으며, 기판에서부터 표면 보호층까지 Al 조성의 유/무에 따라 스트레인의 방향의 정반대이고, Al 조성의 차이에 의해서 스트레인 인가되는 강도가 변화되어 설계 조건과 기준에 따라서 휘(BOW) 값이 변한다. 따라서 이러한 스트레인에 의한 휨(BOW) 값을 최대한 억제시키기 위해서 AlN 와 GaN 박막의 고유한 물성에 의한 스트레인 방향과 강도를 제어하여 결정 결함이 감소/억제된 고 신뢰성의 AlGaN/GaN 이종 접합 구조를 갖는 FET 및 RF HEMT 전자소자를 제공한다.
기판 : 100, 200, 300, 400 AlN 격자 정합층 : 110, 210, 310, 410
AlxGa1-xN 스트레인 정합층 : 120, 220, 320, 420 AlyGa1-yN 지지층 : 130, 230, 330, 430
Acceptor-H complex 분포의 구조를 갖는 반절연성 AlyGa1-yN 지지층 : 140, 240, 340, 440
AlaGa1-aN 전자 구속층 : 150, 250, 350, 450 AlbGa1-bN 채널층 : 160, 260, 360, 460
AlN 공간층 : 170, 270, 370, 470 AlcGa1-cN 장벽층 : 180, 280, 380, 390
표면 보호층 : 190, 290, 390, 490

Claims (31)

  1. 고전자 이동도 트랜지스터 전자소자로서;
    기판위에 형성된 AlN 격자 정합층,
    상기 AlN 격자 정합층 상부에 형성되는 AlxGa1-xN 스트레인 정합층,
    상기 AlxGa1-xN 스트레인 정합층 상부에 형성되는 AlyGa1-yN 지지층,
    상기 AlyGa1-yN 지지층 상부에 형성되는 반절연성 AlyGa1-yN층,
    상기 반절연성 AlyGa1-yN층 상부에 형성되는 AlaGa1-aN 전자 구속층,
    상기 AlaGa1-aN 전자 구속층 상부에 형성되는 AlbGa1-bN 채널층,
    상기 AlbGa1-bN 채널층 상부에 형성되는 AlN 공간층,
    상기 AlN 공간층 상부에 형성되는 AlcGa1-cN 장벽층,
    상기 AlcGa1-cN 장벽층 상부에 형성되는 표면 보호층,
    을 포함하고,
    상기 반절연성 AlyGa1-yN층은 Acceptor-H complex 분포의 구조이며,
    ~㏁ 이상의 높은 저항값을 갖으며,
    상기 AlxGa1-xN 스트레인 정합층은 [GaN(220a)/AlxGa1-xN1(220b)/GaN(220a)/AlxGa1-xN2(220c)/GaN(220a)/AlxGa1-xN3(220d)/GaN(220a)/AlxGa1-xN4(220e)]의 다중 스트레인 정합 구조를;
    포함하는 고주파(RF) 고전자 이동도 트랜지스터.
  2. 청구항 1에서,
    반절연성 AlyGa1-yN층의 Al 조성(함량)은;
    하부에 형성된 AlyGa1-yN스트레인 정합층보다 낮으며(x>y),
    상부에 형성된 AlaGa1-aN 전자 구속층 보다 낮으며(a>y),
    상부에 형성된 AlcGa1-cN 장벽층층 보다 낮고(c>y),
    상기 AlaGa1-aN 전자 구속층의 Al 조성은;
    동일면상에 c-axis로 성장된 상부의 AlxGa1-xN 스트레인 정합층 보다 같거나 적고(a≤x)
    동일면상에 c-axis로 성장된 상부의 AlcGa1-cN 장벽층 보다 같거나 높은(a≥c)것을;,
    포함하는 고주파(RF) 고전자 이동도 트랜지스터.
  3. 청구항 1에서,
    하부의 AlN 격자 정합층과 상부의 AlyGa1-yN 지지층과의 사이에 형성된 [GaN(220a)/AlxGa1-xN1(220b)/GaN(220a)/AlxGa1-xN2(220c)/GaN(220a)/AlxGa1-xN3(220d)/GaN(220a)/AlxGa1-xN4(220e)] 다중 스트레인 정합 구조의 개별층의 Al 조성(함량)은 AlxGa1-xN1(220b)>AlxGa1-xN2(220c)>AlxGa1-xN3(220d)>AlxGa1-xN4(220e) 이며,
    각각의 개별층의 Al 함량은 각각 70~90%, 50~70%, 30~50% 및 10~30%;을
    포함하는 초고주파(RF) 고전자 이동도 트랜지스터.
  4. 청구항 1에서,
    상기 AlxGa1-xN 다중 스트레인 정합구조의 각각의 개별 AlxGa1-xN1(220b), AlxGa1-xN2(220c), AlxGa1-xN3(220d), AlxGa1-xN4(220e)은 100~3000Å 두께 범위이며,
    바람직하게는 500~1000Å 두께 범위이고,
    GaN층(220a)의 두께 범위는 20~200Å, 바람직하게는 20~50Å 두께 범위;을
    포함하는 초고주파(RF) 고전자 이동도 트랜지스터.
  5. 청구항 1에서,
    ~㏁ 이상의 높은 저항값을 갖는 반절연성 AlyGa1-yN층은;
    Acceptor-H complex 분포를 갖는 구조이고,
    Mg, Zn, C,Ir, Fe 등의 Acceptor 불순물로 구성되며,
    1019~1021/㎤ 범위의 불순물 농도를 갖는 고주파(RF) 고전자 이동도 트랜지스터.
  6. 청구항 1에서,
    표면 보호층은;
    반절연성 AlyGa1-yN층 상부에 동일한 c-axis로 방향으로 성장되어 형성되고,
    하부에 형성된 AlcGa1-cN 장벽층의 표면 보호를 위하여
    불을 포함하지 않은 GaN, AlGaN, 및 Al(In)N로 구성되거나,
    Acceptor 불순물을 포함하는 GaN, AlGaN, 및 Al(In)N로 구성되며,
    또한 SixNy 절연막이 in-situ 및 ex-situ 방법으로 형성된 것을;
    포함하는 고주파(RF) 고전자 이동도 트랜지스터.
  7. 청구항 1에서,
    동일한 c-axis 성장방향으로 형성된 반절연성 AlyGa1-yN층을 기준으로;
    하부에 형성된 AlyGa1-yN 지지층과의 계면에서 불연속적인 Acceptor-H complex 분포 갖고,
    또한 상부에 형성된 AlaGa1-aN 전자 구속층과의 계면에서도 불연속적인 Acceptor-H complex 분포를;
    포함하는 고주파(RF) 고전자 이동도 트랜지스터.
  8. 청구항 1에서,
    ~㏁ 이상의 높은 저항값을 갖는 반절연성 AlyGa1-yN층,
    상기 반절연성 AlyGa1-yN층과 동일한 c-axis 성장방향으로 형성된 AlbGa1-bN 채널층과,
    상기 AlbGa1-bN 채널층과 동일한 c-axis 성장방향으로 형성된 AlN 공간층과의 계면에서 높은 캐리어 전자농도 및 이동도를 갖는 2차원가스(2DEG)층을 ;
    포함하는 고주파(RF) 고전자 이동도 트랜지스터.
  9. 청구항 1에서,
    ~㏁ 이상의 높은 저항값을 갖는 반절연성 AlyGa1-yN층,
    상기 반절연성 AlyGa1-yN층과 동일한 c-axis 성장방향으로 형성된 AlbGa1-bN 채널층과,
    상기 AlbGa1-bN 채널층과 동일한 c-axis 성장방향으로 형성된 AlcGa1-cN 장벽층 상부에,
    질화물반도체 및 절연막으로 구성된 표면 보호층을;
    포함하는 전계효과 트랜지스터.
  10. 청구항 1에서,
    ~㏁ 이상의 높은 저항 값을 갖고,
    c-axis의 성장 방향으로 형성된 반절연성 AlyGa1-yN층으로서,
    SiC, Sapphire, Silicon등을 포함하는 반도체 재료를 기판으로 사용되는
    고주파(RF) 고전자 이동도 트랜지스터 및 전계 효과 트랜지스터.
  11. 고전자 이동도 트랜지스터 전자소자로서;
    기판위에 형성된 AlN 격자 정합층,
    상기 AlN 격자 정합층 상부에 형성되는 AlxGa1-xN 스트레인 정합층,
    상기 AlxGa1-xN 스트레인 정합층 상부에 형성되는 AlyGa1-yN 지지층,
    상기 AlyGa1-yN 지지층 상부에 형성되는 반절연성 AlyGa1-yN층,
    상기 반절연성 AlyGa1-yN층 상부에 형성되는 AlaGa1-aN 전자 구속층,
    상기 AlaGa1-aN 전자 구속층 상부에 형성되는 AlbGa1-bN 채널층,
    상기 AlbGa1-bN 채널층 상부에 형성되는 AlN 공간층,
    상기 AlN 공간층 상부에 형성되는 AlcGa1-cN 장벽층,
    상기 n-AlcGa1-cN 전자 공급층 상부에 형성되는 표면 보호층,
    을 포함하고,
    상기 반절연성 AlyGa1-yN층은 Acceptor-H complex 분포의 구조이며,
    ~㏁ 이상의 높은 저항값을 갖으며,
    상기 AlxGa1-xN 스트레인 정합층은 일정한 두께의 [AlxGa1-xN(320a)/AlN(320b)] 적층 구조를 한 쌍으로 한 1차 초격자 구조이며,
    상기 [AlxGa1-xN(320a)/AlN(320b)] 초격자 상부에 일정한 두께의 [AlxGa1-xN(320c)/GaN(320d)] 적층 구조를 한 쌍으로 하는 2차 초격자 구조이고,
    상기 1차 초격자 구조와 2차 초격자 구조는 연속적으로 형성되는 것을;
    포함하는 고주파(RF) 고전자 이동도 트랜지스터.
  12. 청구항 11에서,
    반절연성 AlyGa1-yN층의 Al 조성(함량)은;
    하부에 형성된 AlyGa1-yN 스트레인 정합층보다 낮으며(x>y),
    상부에 형성된 AlaGa1-aN 전자 구속층 보다 낮으며(a>y),
    상부에 형성된 AlcGa1-cN 장벽층 보다 낮고(c>y),
    또한 AlaGa1-aN 전자 구속층의 Al 조성은;
    동일면상에 c-axis로 성장된 상부의 AlxGa1-xN 스트레인 정합층 보다 같거나 적고(a≤x)
    동일면상에 c-axis로 성장된 상부의 AlcGa1-cN 장벽층 보다 같거나 높은(a≥c)것을;,
    포함하는 고주파(RF) 고전자 이동도 트랜지스터.
  13. 청구항 11에서,
    하부의 AlN 격자 정합층과 상부의 AlyGa1-yN 지지층과의 사이에 형성된
    연속적으로 형성된 [AlxGa1-xN(320a)/AlN(320b)] 1차 초격자 구조와 [AlxGa1-xN(320c)/GaN(320d)] 2차 초격자 구조의 개별층의 Al 조성(함량)은
    상기 개별층의 Al 조성(함량)은 40~80% 범위의 AlxGa1-xN(320a)이 20~60%의 범위인 AlxGa1-xN(320c) 보다 높은 것을;
    포함하는 초고주파(RF) 고전자 이동도 트랜지스터.
  14. 청구항 11에서,
    상기 1차 및 2차 초격자 구조의 AlxGa1-xN 다중 스트레인 정합층의 각각의 개별 AlxGa1-xN(320a)층과 AlxGa1-xN(320c)은 100~500Å 두께범위이며, 바람직하게는 100~200Å이고
    AlN층은 100~500Å 두께 범위이며, 바람직하게는 100~200Å이고,
    GaN층은 20~200Å 두께 범위이며, 바람직하게는 50~100Å 두께 범위을;
    포함하는 고주파(RF) 고전자 이동도 트랜지스터.
  15. 청구항 11에서,
    ~㏁ 이상의 높은 저항값을 갖는 반절연성 AlyGa1-yN층은;
    Acceptor-H complex 분포를 갖는 구조이고,
    Mg, Zn, C,Ir, Fe 등의 Acceptor 불순물로 구성되며,
    1019~1021/㎤ 범위의 불순물 농도를 갖는 고주파(RF) 고전자 이동도 트랜지스터.
  16. 청구항 11에서,
    표면 보호층은;
    반절연성 AlyGa1-yN층 상부에 동일한 c-axis로 방향으로 성장되어 형성되고,
    하부에 형성된 AlcGa1-cN 장벽층의 표면 보호를 위하여
    불순물을 포함하지 않은 GaN, AlGaN, 및 Al(In)N로 구성되거나,
    Acceptor 불순물을 포함하는 GaN, AlGaN, 및 Al(In)N로 구성되며,
    또한 SixNy 절연막이 in-situ 및 ex-situ 방법으로 형성된 것을;
    포함하는 고주파(RF) 고전자 이동도 트랜지스터.
  17. 청구항 11에서,
    동일한 c-axis 성장방향으로 형성된 반절연성 AlyGa1-yN층을 기준으로;
    하부에 형성된 AlyGa1-yN 지지층과의 계면에서 불연속적인 Acceptor-H complex 분포 갖고,
    또한 상부에 형성된 AlaGa1-aN 전자 구속층과의 계면에서도 불연속적인 Acceptor-H complex 분포를;
    포함하는 고주파(RF) 고전자 이동도 트랜지스터.
  18. 청구항 11에서,
    ~㏁ 이상의 높은 저항값을 갖는 반절연성 AlyGa1-yN층,
    상기 반절연성 AlyGa1-yN층과 동일한 c-axis 성장방향으로 형성된 AlbGa1-bN 채널층과,
    상기 AlbGa1-bN 채널층과 동일한 c-axis 성장방향으로 형성된 AlN 공간층과의 계면에서 높은 캐리어 전자농도 및 이동도를 갖는 2차원가스(2DEG)층을 ;
    포함하는 고주파(RF) 고전자 이동도 트랜지스터.
  19. 청구항 11에서,
    ~㏁ 이상의 높은 저항값을 갖는 반절연성 AlyGa1-yN층,
    상기 반절연성 AlyGa1-yN층과 동일한 c-axis 성장방향으로 형성된 AlbGa1-bN 채널층과,
    상기 AlbGa1-bN 채널층과 동일한 c-axis 성장방향으로 형성된 AlcGa1-cN 장벽층 상부에,
    질화물반도체 및 절연막으로 구성된 표면 보호층을;
    포함하는 전계효과 트랜지스터.
  20. 청구항 11에서,
    ~㏁ 이상의 높은 저항값을 갖고,
    c-axis의 성장 방향으로 형성된 반절연성 AlyGa1-yN층으로서,
    SiC, Sapphire, Silicon등을 포함하는 반도체 재료를 기판으로 사용되는
    고주파(RF) 고전자 이동도 트랜지스터 및 전계 효과 트랜지스터.
  21. 고전자 이동도 트랜지스터 전자소자로서;
    기판위에 형성된 AlN 격자 정합층,
    상기 AlN 격자 정합층 상부에 형성되는 AlxGa1-xN 스트레인 정합층,
    상기 AlxGa1-xN 스트레인 정합층 상부에 형성되는 AlyGa1-yN 지지층,
    상기 AlyGa1-yN 지지층 상부에 형성되는 반절연성 AlyGa1-yN층,
    상기 반절연성 AlyGa1-yN층 상부에 형성되는 AlaGa1-aN 전자 구속층,
    상기 AlaGa1-aN 전자 구속층 상부에 형성되는 AlbGa1-bN 채널층,
    상기 AlbGa1-bN 채널층 상부에 형성되는 AlN 공간층,
    상기 AlN 공간층 상부에 형성되는 AlcGa1-cN 장벽층,
    상기 AlcGa1-cN 장벽층 상부에 형성되는 표면 보호층,
    을 포함하고,
    상기 반절연성 AlyGa1-yN층은 Acceptor-H complex 분포의 구조이며,
    ~㏁ 이상의 높은 저항값을 갖으며,
    상기 AlxGa1-xN 스트레인 정합층은 일정한 두께의 [AlxGa1-xN(420a)/GaN(420b)/AlxGa1-xN(420a)/AlN(420c)] 적층 구조를 한쌍으로 한 1차 초격자 구조이며,
    상기 [AlxGa1-xN(420a)/GaN(420b)/AlxGa1-xN(420a)/AlN(420c)] 1차 초격자 구조 상부에 일정한 두께의 [AlxGa1-xN(420d)/GaN(420d) 적층 구조를 한 쌍으로 하는 2차 초격자 구조이고,
    상기 1차 초격자 구조와 2차 초격자 구조는 연속적으로 형성되는 것을;
    포함하는 고주파(RF) 고전자 이동도 트랜지스터.
  22. 청구항 21에서,
    반절연성 AlyGa1-yN층의 Al 조성(함량)은;
    하부에 형성된 AlyGa1-yN 스트레인 정합층보다 낮으며(x>y),
    상부에 형성된 AlaGa1-aN 전자 구속층 보다 낮으며(a>y),
    상부에 형성된 AlcGa1-cN 장벽층 보다 낮고(c>y),
    상기 AlaGa1-aN 전자 구속층의 Al 조성은;
    동일면상에 c-axis로 성장된 상부의 AlxGa1-xN 스트레인 정합층 보다 같거나 적고(a≤x)
    동일면상에 c-axis로 성장된 상부의 AlcGa1-cN 장벽층 보다 같거나 높은(a≥c)것을;,
    포함하는 고주파(RF) 고전자 이동도 트랜지스터.
  23. 청구항 21에서,
    하부의 AlN 격자 정합층과 상부의 AlyGa1-yN 지지층과의 사이에,
    연속적으로 형성된 [AlxGa1-xN(420a)/GaN(420b)/AlxGa1-xN(420a)/AlN(420c)] 1차 초격자 구조와 [AlxGa1-xN(420d)/GaN(420b)] 2차 초격자 구조에서,
    상기 개별층의 Al 조성(함량)은 40~80% 범위의 AlxGa1-xN(420a)이 20~60%의 범위인 AlxGa1-xN(420d) 보다 높은 것을;
    포함하는 초고주파(RF) 고전자 이동도 트랜지스터.
  24. 청구항 21에서,
    상기 1차 초격자 구조 및 2차 초격자 구조의 AlxGa1-xN 다중 스트레인 정합층의 각각의 개별 AlxGa1-xN(420a)층과 AlxGa1-xN(420d)은 100~500Å 두께범위이며, 바람직하게는 100~200Å이고
    AlN층은 100~500Å 두께 범위이며, 바람직하게는 100~200Å이고,
    GaN층은 20~200Å 두께 범위이며, 바람직하게는 50~100Å 두께 범위을;
    포함하는 고주파(RF) 고전자 이동도 트랜지스터.
  25. 청구항 21에서,
    고품질의 결정성을 갖는 AlyGa1-yN 지지층과 반절연성 AlyGa1-yN 층 하부에,
    기판과의 격자 정합을 위한 AlN층이 형성되고,
    상기 AlN 격자 정합층과 AlyGa1-yN 지지층과의 사이에 스트레인 정합층인 AlxGa1-xN 층을;
    포함하는 고주파(RF) 고전자 이동도 트랜지스터.
  26. 청구항 21에서,
    ~㏁ 이상의 높은 저항값을 갖는 반절연성 AlyGa1-yN층은;
    Acceptor-H complex 분포를 갖는 구조이고,
    Mg, Zn, C,Ir, Fe 등의 Acceptor 불순물로 구성되며,
    1019~1021/㎤ 범위의 불순물 농도를 갖는 고주파(RF) 고전자 이동도 트랜지스터.
  27. 청구항 21에서,
    표면 보호층은;
    반절연성 AlyGa1-yN층 상부에 동일한 c-axis로 방향으로 성장되어 형성되고,
    하부에 형성된 AlcGa1-cN 장벽층의 표면 보호를 위하여
    불순물을 포함하지 않은 GaN, AlGaN, 및 Al(In)N로 구성되거나,
    Acceptor 불순물을 포함하는 GaN, AlGaN, 및 Al(In)N로 구성되며,
    또한 SixNy 절연막이 in-situ 및 ex-situ 방법으로 형성된 것을;
    포함하는 고주파(RF) 고전자 이동도 트랜지스터.
  28. 청구항 21에서,
    동일한 c-axis 성장방향으로 형성된 반절연성 AlyGa1-yN층을 기준으로;
    하부에 형성된 AlyGa1-yN 지지층과의 계면에서 불연속적인 Acceptor-H complex 분포 갖고,
    또한 상부에 형성된 AlaGa1-aN 전자 구속층 계면에서 불연속적인 Acceptor-H complex 분포를;
    포함하는 고주파(RF) 고전자 이동도 트랜지스터.
  29. 청구항 21에서,
    ~㏁ 이상의 높은 저항값을 갖는 반절연성 AlyGa1-yN층,
    상기 반절연성 AlyGa1-yN층과 동일한 c-axis 성장방향으로 형성된 AlbGa1-bN 채널층과,
    상기 AlbGa1-bN 채널층과 동일한 c-axis 성장방향으로 형성된 AlN 공간층과의 계면에서 높은 캐리어 전자농도 및 이동도를 갖는 2차원가스(2DEG)층을 ;
    포함하는 고주파(RF) 고전자 이동도 트랜지스터.
  30. 청구항 21에서,
    ~㏁ 이상의 높은 저항값을 갖는 반절연성 AlyGa1-yN층,
    상기 반절연성 AlyGa1-yN층 층과 동일한 c-axis 성장방향으로 형성된 AlbGa1-bN 채널층과,
    상기 AlbGa1-bN 채널층과 동일한 c-axis 성장방향으로 형성된 AlcGa1-cN 장벽층 상부에,
    질화물반도체 및 절연막으로 구성된 표면 보호층을;
    포함하는 전계 효과 트랜지스터.
  31. 청구항 21에서,
    ~㏁ 이상의 높은 저항값을 갖고,
    c-axis의 성장 방향으로 형성된 반절연성 AlyGa1-yN층으로서,
    SiC, Sapphire, Silicon등을 포함하는 반도체 재료를 기판으로 사용되는
    고주파(RF) 고전자 이동도 트랜지스터 및 전계 효과 트랜지스터.
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