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KR100604465B1 - Nitride-based semiconductor field effect transistors and manufacturing method thereof - Google Patents

Nitride-based semiconductor field effect transistors and manufacturing method thereof Download PDF

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KR100604465B1
KR100604465B1 KR1020040055820A KR20040055820A KR100604465B1 KR 100604465 B1 KR100604465 B1 KR 100604465B1 KR 1020040055820 A KR1020040055820 A KR 1020040055820A KR 20040055820 A KR20040055820 A KR 20040055820A KR 100604465 B1 KR100604465 B1 KR 100604465B1
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Abstract

비아홀을 가진 사파이어 기초기판, 상기 비아홀을 통하여 전기적으로 연결된 금속층, 상기 사파이어 기초기판 위에 형성되는 복수층의 질화물계 반도체층, 상기 질화물 반도체층위에 형성되는 소스 전극, 드레인 전극 및 게이트 전극을 포함하는 전계 효과 트랜지스터를 마련한다.An electric field including a sapphire base substrate having a via hole, a metal layer electrically connected through the via hole, a plurality of nitride semiconductor layers formed on the sapphire base substrate, a source electrode, a drain electrode, and a gate electrode formed on the nitride semiconductor layer. Prepare an effect transistor.

질화물계 반도체, 전계효과 트랜지스터, 사파이어, 비아홀, 집적회로Nitride Semiconductors, Field Effect Transistors, Sapphire, Via Hole, Integrated Circuits

Description

질화물계 반도체 전계효과 트랜지스터 및 그 제조 방법{GaN-based high electron mobility transistor and method for manufacturing the same}Nitride-based semiconductor field effect transistor and method of manufacturing the same {GaN-based high electron mobility transistor and method for manufacturing the same}

도 1은 종래 질화물 반도체 트랜지스터의 기본구조를 나타내는 도면이다.1 is a view showing the basic structure of a conventional nitride semiconductor transistor.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 질화물 반도체 전계효과 트랜지스터의 단면이다.2 is a cross-sectional view of a nitride semiconductor field effect transistor according to a first embodiment of the present invention.

도 3은 ICP/RIE 건식 식각에 의한 사파이어와 GaN의 식각 속도를 나타내는 그래프이다.3 is a graph showing the etching rates of sapphire and GaN by ICP / RIE dry etching.

도 4은 황산(H2SO4)과 인산(H3PO4)의 혼합 용액을 식각으로 하여 사파이어와 질화물 반도체를 습식 식각할 경우에 황산 비(부피비)에 따른 질화물 반도체층과 사파이어와의 식각속도를 비교한 그래프이다.4 is an etching of a nitride semiconductor layer and sapphire according to the sulfuric acid ratio (volume ratio) when wet etching the sapphire and nitride semiconductor by using a mixture solution of sulfuric acid (H 2 SO 4 ) and phosphoric acid (H 3 PO 4 ) as an etching This is a graph comparing speed.

도 5은 습식 식각 방법으로 사파이어 기판에 특정한 패턴을 형성한 후 사파이어 기판을 습식식각한 후의 사파이어 기판 표면 사진이다.5 is a sapphire substrate surface photograph after wet etching the sapphire substrate after forming a specific pattern on the sapphire substrate by a wet etching method.

도 6은 사파이어 기판을 습식 식각 방법으로 제거한 후의 버퍼층의 표면 사진이다.6 is a surface photograph of a buffer layer after removing a sapphire substrate by a wet etching method.

도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 질화물 반도체 트랜지스터의 단면도이다.7 is a cross-sectional view of a nitride semiconductor transistor according to a second embodiment of the present invention.

도 8a는 본 발명의 제3 실시예에 따른 질화물 반도체 트랜지스터의 단면도이다.
도 8b는 본 발명의 제3 실시예에 따른 질화물 반도체 트랜지스터의 평면도이다.
8A is a cross-sectional view of a nitride semiconductor transistor according to a third embodiment of the present invention.
8B is a plan view of a nitride semiconductor transistor according to a third embodiment of the present invention.

도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 질화물 반도체 트랜지스터의 사시도이다.9 is a perspective view of a nitride semiconductor transistor according to a fourth embodiment of the present invention.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings

11 사파이어 기판 12 버퍼층(고저항 층)11 Sapphire substrate 12 Buffer layer (high resistance layer)

13 채널층 14 캐리어 공급층13 Channel Layer 14 Carrier Supply Layer

15 오믹 접촉층 16 소스 전극15 ohmic contact layer 16 source electrode

17 게이트 전극 18 드레인 전극 17 gate electrode 18 drain electrode

19 그라운드 전극 21 에어브리지 전극 19 Ground Electrode 21 Air Bridge Electrode

22 비아 홀 23 트랜지스터 22 Via Hole 23 Transistor

24 질화물 반도체 층 25 바이어스 라인 24 Nitride Semiconductor Layer 25 Bias Line

26 MIM 캐패시터 27 저항 26 MIM Capacitors 27 Resistor

28 RF 전송선로 (micro strip line) 29 SiNx 박막 28 RF microstrip line 29 SiNx thin film

30 MIM 캐패시터 31 스터브(stub) 전송선로30 MIM capacitors 31 stub transmission line

32 비아홀32 Via Hole

본 발명은 질화물 반도체 전계효과 트랜지스터 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게 말하면 소자의 방열문제를 해결한 고출력 전자소자에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a nitride semiconductor field effect transistor and a method of manufacturing the same.

질화물 반도체 트랜지스터는 와이드 밴드갭 (wide bang gap) 반도체인 질화물 반도체를 채널로 이용하기 때문에 질화물반도체의 물성으로부터 높은 절연 파괴전압(breakdown voltage), 고속 및 고출력 특성이 기대된다.
도 1은 종래 질화물 반도체 트랜지스터의 기본구조를 나타내는 도면이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 트랜지스터는 소스 전극, 드레인 전극 및 게이트 전극의 3 단자로 구성되어 있으며 드레인의 전류의 크기는 게이트의 전압으로 조절된다. 즉, 채널에 형성된 캐리어가 전자라고 할 때, 게이트에 마이너스 전압을 걸어 주면 채널에 있는 캐리어가 공핍되어 드레인으로 흐르는 전자 수가 감소하므로 드레인 전류는 감소하며, 반면 플러스 전압을 걸어주면 전자들이 채널속으로 모여 드레인으로 흐르는 전자수가 많아지므로 드레인 전류가 증가한다. 따라서 전계효과 트랜지스터는 게이트의 전압에 따라 드레인으로 흐르는 전류를 조절할 수 있기 때문에 스위칭 소자 또는 증폭기로서 많이 사용되고 있다. 이러한 트랜지스터는 고속 스위칭 소자, 라디오 주파수영역(radio frequency)의 고주파 및 고출력 증폭기로 많이 사용된다.
Since the nitride semiconductor transistor uses a nitride semiconductor, which is a wide bang gap semiconductor, as a channel, high breakdown voltage, high speed, and high output characteristics are expected from the properties of the nitride semiconductor.
1 is a view showing the basic structure of a conventional nitride semiconductor transistor.
As shown in Fig. 1, the transistor is composed of three terminals of a source electrode, a drain electrode, and a gate electrode, and the magnitude of the drain current is controlled by the voltage of the gate. In other words, if the carrier formed in the channel is electrons, applying a negative voltage to the gate depletes the carriers in the channel and reduces the number of electrons flowing into the drain, which reduces the drain current, while applying a positive voltage causes the electrons to enter the channel. Since the number of electrons gathered and flowing to the drain increases, the drain current increases. Therefore, the field effect transistor is widely used as a switching element or an amplifier because the current flowing to the drain can be adjusted according to the voltage of the gate. Such transistors are frequently used as high speed switching devices, high frequency and high power amplifiers in the radio frequency domain.

한편, 와이드 밴드 갭(wide-band-gap)물질의 재료적인 특성 때문에 고출력/고주파 전자소자의 재료로서 질화물 반도체가 각광을 받아 많은 연구가 진행되고 있고 괄목할만한 진보가 있지만, 아직도 해결해야 할 문제점이 많이 남아 있다. Meanwhile, due to the material properties of wide-band-gap materials, nitride semiconductors have been spotlighted as materials for high-power / high-frequency electronic devices. A lot remains.

즉, 전계효과 트랜지스터의 고주파동작에서 고주파화 및 고출력화를 실현하기 위해서는 고속동작은 기본적으로 채널을 주행하는 캐리어 속도에 제약을 받기 때문에 캐리어 이동속도를 크게 하는 것이 제1 조건임은 명백하고, 기생용량이 디바이스의 응답성에 큰 영향을 미치기 때문에 게이트 길이를 짧게 하는 것이 매우 중요하다. 그러나 게이트 길이를 단축하여 소스-드레인 간의 전압이 일정하게 되면 전계강도가 증가하는 문제가 발생한다. 이러한 경우에 반도체 재료의 절연강도가 작으면 소스-드래인간에 걸린 전압을 필연적으로 작게 인가할 수 밖에 없다. 다시 말하면, 절연 파괴전계라고 하는 재료물성에 의해 결정되는 최소 게이트 길이가 존재하고 그 이상 게이트 길이를 단축하더라도 개선된 고속동작은 기대 할 수 없게 된다. 또한, 저 전계 디바이스 동작에서는 캐리어 이동도가 디바이스 재료의 양호한 특성지표가 되지만, 고 전계 디바이스 동작에서는 캐리어 포화 이동속도-전계강도의 미분계수인 이동도에 의한 캐리어 포화이동속도 자체가 의미가 있기 때문에, 포화 이동속도가 보다 더 중요하게 된다. 또한, 전계효과 트랜지스터의 출력전력 밀도 (Pout)는 드레인 전류(Id)와 소스(Vsd)-드레인 전압(Vds) 의 누적에 사실상 비례하고, 고출력화를 달성하기 위한 소스(Vsd)-드레인 전압(Vds)은 절연 파괴전계와 비례하기 때문에 내압특성을 개선시키는 것이 필요하다. 특히, 사파이어 기반의 질화물 반도체를 이용한 전계효과 트랜지스터의 고출력 특성을 달성하기 위해서는 사파이어 기판의 방열문제를 해결해야 하지만 현재 이렇다할 진전이 이루어지지 않고 있다. In other words, in order to realize high frequency and high output in the high frequency operation of the field effect transistor, since the high speed operation is basically limited by the carrier speed traveling through the channel, it is obvious that increasing the carrier moving speed is the first condition. It is very important to shorten the gate length because capacity greatly affects the responsiveness of the device. However, when the gate length is shortened and the voltage between the source and the drain becomes constant, the field strength increases. In this case, if the insulation strength of the semiconductor material is small, the voltage applied between the source and the drain is inevitably small. In other words, even if there is a minimum gate length determined by the material property of the dielectric breakdown field and the gate length is shortened further, the improved high speed operation cannot be expected. Carrier mobility is a good indicator of device material in low-field device operation, but carrier saturation-velocity by itself, which is a derivative of carrier saturation speed-field strength, is significant in high-field device operation. Therefore, the saturation speed becomes more important. In addition, the output power density P out of the field effect transistor is substantially proportional to the accumulation of the drain current I d and the source V sd -drain voltage V ds , and the source V sd for achieving high output power. Since the) -drain voltage (V ds ) is proportional to the dielectric breakdown field, it is necessary to improve the breakdown voltage characteristic. In particular, in order to achieve the high output characteristics of the field effect transistor using a sapphire-based nitride semiconductor, it is necessary to solve the heat dissipation problem of the sapphire substrate, but no progress has been made.

다시 말하면 질화물반도체 성장 시, 결정 결함의 발생을 줄이기 위하여 격자정수 및 결정 구조가 유사한 사파이어를 기초기판으로 하는데, 사파이어는 절연체 및 열전도도가 용이하지 않고 가공이 용이하지 않으므로, 질화물 반도체의 우수한 물성에도 불구하고 열방출이 용이한 전계효과 트랜지스터 및 고출력/고주파 전자소자를 제작하는 것이 용이 하지 않다. In other words, in order to reduce the occurrence of crystal defects in nitride semiconductor growth, sapphire having a similar lattice constant and crystal structure is used as a base substrate, and since sapphire is not easily insulated and thermally conductive and not easily processed, Nevertheless, it is not easy to manufacture field effect transistors and high power / high frequency electronic devices which are easy to dissipate heat.

따라서, 열방출을 획기적으로 개선할 수 있는 방법을 개발하기 위한 연구가 당 기술분야에서 계속되고 있다. Therefore, research to develop a method that can significantly improve the heat release is continuing in the art.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 사파이어 기반의 질화물 반도체를 이용하여 전계효과 트랜지스터를 제조할 때, 식각기술을 이용하여 사파이어 기판 내에 비아홀을 형성하여 금속으로 연결시켜 줌으로써, 열방출을 용이하게 해줄뿐만 아니라, 사파이어 기판의 비아홀을 통하여 그라운드 전극과 소스전극을 전기적으로 연결시켜주는 마이크로 스트립라인 전송선로 집적회로를 가능하게 하는 전계효과 트랜지스터 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention is to solve the above problems, when manufacturing a field effect transistor using a sapphire-based nitride semiconductor, by forming a via hole in the sapphire substrate using an etching technique to connect to the metal, to facilitate heat dissipation In addition, it is an object of the present invention to provide a field effect transistor that enables an integrated circuit of a micro stripline transmission line electrically connecting the ground electrode and the source electrode through a via hole of a sapphire substrate, and a method of manufacturing the same.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는, In the present invention to achieve the above object,

상하로 관통되도록 형성된 비아홀(via hole)을 갖는 사파이어기초기판; 상기 사파이어 기초기판 위에 형성되고 버퍼층, 채널층, 제1 캐리어 공급층 및 오믹 접촉층을 포함하며, 상기 사파이어 기초 기판의 비아홀과 연결되도록 상하로 관통하는 비아홀을 갖는 질화물 반도체층; 상기 사파이어 기초기판의 하부면, 사파이어 기초기판의 비아홀(via hole) 및 질화물 반도체층의 비아홀과 접촉하도록 형성되는 금속막; 상기 질화물 반도체층 위에 형성된 적어도 하나 이상의 소스 전극, 드레인 전극 및 게이트 전극;을 포함하는 전계효과 트랜지스터를 제안한다. A sapphire base substrate having a via hole formed to penetrate up and down; A nitride semiconductor layer formed on the sapphire base substrate and including a buffer layer, a channel layer, a first carrier supply layer and an ohmic contact layer, and having a via hole penetrating up and down to be connected to the via hole of the sapphire base substrate; A metal film formed to contact a lower surface of the sapphire base substrate, a via hole of the sapphire base substrate, and a via hole of the nitride semiconductor layer; A field effect transistor including at least one source electrode, a drain electrode, and a gate electrode formed on the nitride semiconductor layer is provided.

상기 금속막은 상기 버퍼층, 제1 캐리어 공급층 또는 오믹 접촉층 중 어느 하나와 전기적으로 연결될 수 있고, 더욱 바람직하게는 상기 금속막은 상기 소스전극과 전기적으로 연결 (inter-connection)될 수 있다. 또한, 소스 전극 및 드레인 전극은 질화물 반도체층과 오믹접촉되어 있는 것이 바람직하며, 게이트 전극은 오믹접촉층을 리세스 에칭하여 노출되는 캐리어 공급층과 정류성 접촉(Schottky contact)이 되어 있는 것이 바람직하다. 또한 바람직하게는, 상기 적어도 하나 이상의 소스 전극, 드레인 전극 또는 게이트 전극은 Ti, Al, Pt, Au, Ni, Cr중 선택되는 어느 하나의 단일층 또는 어느 하나 이상을 포함하는 금속 조합의 복수층 또는 합금으로 형성되어 있을 수 있다. 상기 복수 개의 소스전극은 에어브리지 전극으로 상호간 연결되어 있는 것이 바람직하다.The metal film may be electrically connected to any one of the buffer layer, the first carrier supply layer, and the ohmic contact layer, and more preferably, the metal film may be electrically connected to the source electrode. In addition, the source electrode and the drain electrode are preferably in ohmic contact with the nitride semiconductor layer, and the gate electrode is preferably in contact with the carrier supply layer exposed by recess etching the ohmic contact layer. . Also preferably, the at least one source electrode, the drain electrode, or the gate electrode may include a single layer of any one selected from Ti, Al, Pt, Au, Ni, Cr, or a plurality of layers of a metal combination including any one or more. It may be formed of an alloy. The plurality of source electrodes are preferably connected to each other by an air bridge electrode.

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또한 상기 전계효과 트랜지스터의 질화물 반도체층은 버퍼층과 채널층 사이에 구성되는 제2 캐리어 공급층을 더 포함하고, 상기 제1 캐리어 공급층 또는 제2 캐리어 공급층은 정류 접촉층일 수 있다. 상기 버퍼층, 채널층, 제1 캐리어 공급층, 제2 캐리어 공급층 또는 오믹접촉층은 Inx(GayAl1-y)N (1≥x≥0, 1≥y≥0, x+y>0)인 질화물 반도체로 구성되는 것이 바람직하다. 또한 상기 제1 캐리어 공급층 및 오믹 접촉층은 n-형 반도체, 또는 p-형 반도체인 것이 바람직하며, 상기 n-형 반도체는 Si으로 도핑하고, p-형 반도체는 Mg으로 도핑되는 것이 더욱 바람직하다.The nitride semiconductor layer of the field effect transistor may further include a second carrier supply layer configured between the buffer layer and the channel layer, and the first carrier supply layer or the second carrier supply layer may be a rectifying contact layer. The buffer layer, the channel layer, the first carrier supply layer, the second carrier supply layer or the ohmic contact layer may be In x (Ga y Al 1-y ) N (1≥x≥0, 1≥y≥0, x + y> It is preferable that it is comprised from the nitride semiconductor which is 0). In addition, the first carrier supply layer and the ohmic contact layer are preferably an n-type semiconductor or a p-type semiconductor, more preferably, the n-type semiconductor is doped with Si and the p-type semiconductor is doped with Mg. Do.

또한 상기 제1 캐리어 공급층, 제2 캐리어 공급층 또는 오믹 접촉층의 도핑농도는 1015/㎤내지 1018/㎤인 것이 바람직하며, 상기 버퍼층은 고저항층으로써, 상기 버퍼층의 비저항은 1Ω㎝ 내지 106Ω㎝인 것이 바람직하다. 또한, 상기 채널의 밴드갭은 제1 캐리어 공급층 또는 제2 캐리어 공급층의 밴드갭보다 작은 것이 바람직하다.In addition, the doping concentration of the first carrier supply layer, the second carrier supply layer or the ohmic contact layer is preferably 10 15 / cm 3 to 10 18 / cm 3, the buffer layer is a high resistance layer, the specific resistance of the buffer layer is 1 kcm It is preferable that it is from 10 6 6cm. In addition, the band gap of the channel is preferably smaller than the band gap of the first carrier supply layer or the second carrier supply layer.

또한 상기 전계효과 트랜지스터는 상기 반도체층위에 바이어스 라인, 캐패시터, 저항, 전송선로와 함께 집적될 수 있다.The field effect transistor may be integrated with a bias line, a capacitor, a resistor, and a transmission line on the semiconductor layer.

또한 본 발명은, a. 사파이어 기초 기판위에 버퍼층, 채널층, 캐리어 공급층 및 오믹접촉층을 포함하는 복수층의 질화물 반도체층을 형성하고, 상기 복수층의 질화물 반도체층위에 소스 전극, 드레인 전극 및 게이트전극을 차례로 형성하는 단계;b. 상기 사파이어 기초 기판을 랩핑 및 연마하는 단계;c. 상기 기초 기판 표면에 보호막을 형성하는 단계;d. 상기 사파이어 기초 기판 위의 보호막을 사진 식각하여 상기 기초 기판 표면을 일부 노출시키는 단계;e. 상기 사파이어 기초 기판의 표면이 노출된 부분과 그 하부의 질화물 반도체층을 식각하여 비아 홀(via hole)를 형성하는 단계; 및f. 상기 비아홀(via hole)를 관통하여 반도체층, 소스전극 중 적어도 어느하나 이상과 연결되는 금속막을 형성하는 단계;를 포함하는 전계효과 트랜지스터의 제조 방법을 제안한다.In addition, the present invention, a. Forming a plurality of nitride semiconductor layers including a buffer layer, a channel layer, a carrier supply layer, and an ohmic contact layer on the sapphire base substrate, and sequentially forming a source electrode, a drain electrode, and a gate electrode on the nitride semiconductor layers; b. Lapping and polishing the sapphire based substrate; c. Forming a protective film on a surface of the base substrate; d. Photo-etching the passivation layer on the sapphire base substrate to partially expose the surface of the base substrate; e. Forming via holes by etching the exposed portions of the sapphire base substrate and the nitride semiconductor layers thereunder; F. And forming a metal film connected to at least one of the semiconductor layer and the source electrode through the via hole.

삭제delete

상기 전계효과 트랜지스터의 제조방법 중에서, 상기 a 단계 후에 질화물 반도체 면위에 저항, 캐패시터, 인덕터, 전송선로를 형성하는 단계를 추가적으로 포함할 수 있으며, 또한 상기 a 단계에 대하여, 상기 소스전극(16) 및 게이트전극(17)을 형성하기 위하여, Ni, Pt, Ti, Al, Au, Cr중 어느하나의 단일층 또는 어느 하나 이상을 포함하는 금속 조합의 복수층 또는 합금을 증착하여 질소 또는 산소를 포함하는 분위기의 퍼니스(furnace)에서 200℃ 내지 700℃ 사이의 온도로 열처리하는 단계를 추가적으로 포함하는 것이 바람직하다.In the method of manufacturing the field effect transistor, the method may further include forming a resistor, a capacitor, an inductor, and a transmission line on the nitride semiconductor surface after the step a. In addition, for the step a, the source electrode 16 and In order to form the gate electrode 17, a single layer of any one of Ni, Pt, Ti, Al, Au, Cr, or a combination of metals including any one or more thereof is deposited to include nitrogen or oxygen. It is preferred to further comprise the step of heat treatment to a temperature between 200 ° C and 700 ° C in a furnace of the atmosphere.

또한 상기 전계효과 트랜지스터의 제조방법 중에서, 상기 b 단계에 대하여, 사파이어 기초 기판을 랩핑 및 연마하기 위하여, CMP, 기계적 연마, 습식식각 중 적어도 어느 하나의 조합으로 할 수 있으며, 또한 사파이어 기초 기판을 랩핑 및 연마할 때, 상기 사파이어 기초 기판 두께를 30㎛내지 300㎛ 두께가 되도록 하는 것이 바람직하다.In the manufacturing method of the field effect transistor, in order to wrap and polish the sapphire base substrate for step b, at least one of CMP, mechanical polishing, and wet etching may be used, and the sapphire base substrate may be wrapped. And when polishing, the sapphire base substrate thickness is preferably 30 탆 to 300 탆 thick.

또한 전계효과 트랜지스터의 제조방법 중에서, 상기 d 단계 및 e 단계에 대하여, 습식식각을 할 때, 황산(H2SO4), 인산(H3PO4)중 어느 하나 또는 이들의 조합에 의한 혼합 용액을 주 식각액으로 사용하는 것이 바람직하다.In addition, in the method of manufacturing a field effect transistor, a mixed solution of any one or a combination of sulfuric acid (H 2 SO 4 ), phosphoric acid (H 3 PO 4 ) when wet etching the steps d and e, Is preferably used as the main etchant.

또한 전계 효과 트랜지스터의 제조방법의 상기 e 단계에서 상기 사파이어 기초기판의 비아홀(via hole)를 형성하기 위하여, 황산(H2SO4), 인산(H3PO4)중 어느 하나 또는 이들의 조합에 의한 혼합 용액을 주 식각액으로 사용하는 것이 바람직하며, 상기 식각액은 100℃ 내지 500℃의 온도로 가열된 상태에서 사용되는 것이 더욱 바람직하다. 또는 상기 e 단계에 대하여, 사파이어 기초기판의 비아홀(via hole)를 형성하기 위하여 황산(H2SO4), 인산(H3PO4)중 어느 하나 또는 이들의 조합에 의한 혼합 용액을 식각액으로 사용하는 습식 식각과 ICP/RIE 또는 RIE 건식 식각을 병행하는 것이 바람직하다. 상기 사파이어 기초기판을 식각하는데에는 상기 습식 식각이 사용되고, 상기 질화물 반도체층을 식각하는데에는 건식 식각이 사용되는 것이 더욱 바람직하다. 또한 더욱 바람직하게는 상기 버퍼층을 Mg도핑한 Inx(GayAl1-y)N (1≥x≥0, 1≥y≥0, x+y>0)질화물 반도체층을 상기 습식 식각의 식각 정지층으로 활용하는 것일 수 있으며, 또한 상기 버퍼층을 SiO2의 클러스터를 형성하여 성장함으로서 SiO2를 상기 습식 식각의 식각 정지층으로 활용할 수 있다.In addition, in order to form a via hole of the sapphire base substrate in step e of the method of manufacturing a field effect transistor, any one of sulfuric acid (H 2 SO 4 ), phosphoric acid (H 3 PO 4 ), or a combination thereof may be used. It is preferable to use a mixed solution as a main etchant, the etchant is more preferably used in a state heated to a temperature of 100 ℃ to 500 ℃. Alternatively, in step e, a mixed solution of any one of sulfuric acid (H 2 SO 4 ), phosphoric acid (H 3 PO 4 ) or a combination thereof may be used as an etching solution to form a via hole of the sapphire base substrate. It is desirable to combine wet etching with ICP / RIE or RIE dry etching. The wet etching is used to etch the sapphire base substrate, and the dry etching is more preferably used to etch the nitride semiconductor layer. More preferably, the wet etching is performed on the In x (Ga y Al 1-y ) N (1≥x≥0, 1≥y≥0, x + y> 0) nitride semiconductor layer Mg-doped the buffer layer. It is to take advantage of the stop layer, and may also take advantage of the buffer layer by growing an SiO 2 layer as an etch stop of the wet etching to form a cluster of SiO 2.

또한 전계효과 트랜지스터의 제조방법에 사용되는 상기 건식 식각은 BCL3, Cl2, HBr, Ar 중의 적어도 하나를 식각 가스로 사용하는 것이 바람직하다.In addition, the dry etching used in the method for manufacturing a field effect transistor is preferably at least one of BCL 3 , Cl 2 , HBr, Ar.

이하 본 발명에 의한 전계 효과 트랜지스터 및 그 제조방법에 대하여 상세하게 설명한다. EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, the field effect transistor by this invention and its manufacturing method are demonstrated in detail.

<제 1실시예><First Embodiment>

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 질화물 반도체 전계효과 트랜지스터의 단면도이다. Inx(GayAl1-y)N 질화물 반도체층을 성장하기 위하여, 430㎛ 정도 두께의 사파이어 기초기판 (Sapphire, Al2O3)위에 금속유기화학증착법(metal organic chemical vapor deposition; MOCVD)을 이용할 수 있다. 이때, 질화물 반도체층의 조성비는 1≥x≥0, 1≥y≥0, x+y>0 이다. 여기서 질화물계 반도체 층은 금속유기화학증착법(metal organic chemical vapor deposition), 액상에피텍셜법(liquid phase epitaxy), 수소액상성장(hydride vapor phase epitaxy), 분자빔에피텍셜법(Molecular beam epitaxy), MOVPE(metal organic vapor phase epitaxy)로 성장하는 것도 가능하다. 2 is a cross-sectional view of a nitride semiconductor field effect transistor according to a first embodiment of the present invention. In order to grow an In x (Ga y Al 1-y ) N nitride semiconductor layer, metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) was performed on a sapphire base substrate (Sapphire, Al 2 O 3 ) having a thickness of about 430 μm. It is available. At this time, the composition ratio of the nitride semiconductor layer is 1≥x≥0, 1≥y≥0, and x + y> 0. The nitride-based semiconductor layer may include metal organic chemical vapor deposition, liquid phase epitaxy, hydrogen vapor phase epitaxy, molecular beam epitaxy, and MOVPE. It is also possible to grow with (metal organic vapor phase epitaxy).

성장하는 질화물 반도체 층은 제작하고자 하는 소자의 종류에 따라 단일층 또는 복수층으로 성장 할 수 있고, 도전성질을 갖도록 Si, Mg, Zn군 중 어느 하나 또는 복수의 원소를 불순물로 첨가 할 수 있다. n-형 질화물계 반도체 층을 만들기 위해서는 Si를 첨가할 수 있고 p-형 질화물계 반도체 층을 만들기 위해서 Mg를 도핑할 수 있다. 도핑농도는 제작하고자 하는 소자의 종류에 따라 다르게 할 수 있으며, 바람직하게는 1x1015/cm3내지 1x1021/cm3 정도로 도핑 할 수 있다. The growing nitride semiconductor layer may be grown in a single layer or in multiple layers according to the type of device to be manufactured, and any one or a plurality of elements of Si, Mg, and Zn groups may be added as impurities to have a conductive property. Si may be added to make an n-type nitride based semiconductor layer and Mg may be doped to make a p-type nitride based semiconductor layer. The doping concentration may vary depending on the type of device to be manufactured, and may be preferably about 1x10 15 / cm 3 to 1x10 21 / cm 3 .

즉, 도핑농도에 따라 질화물 반도체를 고저항체 또는 도전성으로 구분하며 고저항체인 경우 비저항은 1Ωcm 내지 1x106Ωcm, 도전성인 경우는 10Ωcm 내지 1x10-4Ωcm가 되도록 하는 것이 바람직하다. That is, depending on the doping concentration, the nitride semiconductor is classified into a high resistor or a conductive material. In the case of a high resistor, the specific resistance is 1 내지 cm to In the case of 1x10 6 cm <3> and electroconductivity, it is preferable to set it as 10 * cm <1> -10 <4> cm <cm>.

도 2에 도시한 바와 같이, 전계효과 트랜지스터는 사파이어 기판(11)위에 버퍼층 (Buffer layer: Inx(AlyGa1-y)N)(12), 채널층 (13), 캐리어 공급층(정류접촉층)(14), 오믹접촉층 (15) 의 Inx(AlyGa1-y)N 질화물 반도체층이 성장된다. 즉, 질화물 반도체층의 각 층(12, 13, 14, 15) 은 Inx(AlyGa1-y)N으로 형성할 수 있고 조성비는 1≥x≥0, 1≥y≥0, x+y>0이다. 또한, 캐리어 공급층은 정류 접촉층으로 구성될 수도 있다. 특히 채널층에 전자가 쉽게 형성 할 수 있도록 채널층의 밴드갭은 캐리어 공급층(또는 정류접촉층)(14)의 밴드갭보다 작은 것이 바람직하고, 채널층의 경우 Inx(AlyGa1-y)N의 우물층의 양쪽에 Inx(AlyGa1-y)N의 장벽층으로 이루어진 이종접합 구조 (doble hetero junction) 또는 Inx(AlyGa1-y)N의 우물층의 한쪽에만 Inx(AlyGa1-y)N의 장벽층의 있는 일종접합 구조(single hetero junction)를 가질 수 있고, In, Ga, Al의 조성비를 조절함으로써 InN(~2.2eV) 밴드갭 구조에서 부터 AlN(~6.4eV) 밴드갭 구조까지 자유롭게 제작할 수 있다. 이러한 헤테로 접합을 이용하여, 캐리어 공급층을 채널의 상부 또는 하부, 그리고 채널층의 상하에 배치시켜 채널에 형성되는 캐리어 수를 증가시킬 수 있다.As shown in FIG. 2, the field effect transistor includes a buffer layer (In x (Al y Ga 1-y ) N) 12, a channel layer 13, and a carrier supply layer (commutation) on the sapphire substrate 11. Contact layer) 14 and the In x (Al y Ga 1-y ) N nitride semiconductor layer of the ohmic contact layer 15 are grown. That is, each layer 12, 13, 14, 15 of the nitride semiconductor layer may be formed of In x (Al y Ga 1-y ) N and the composition ratio is 1≥x≥0, 1≥y≥0, x + y> 0. The carrier supply layer may also consist of a rectifying contact layer. In particular, the band gap of the channel layer is preferably smaller than the band gap of the carrier supply layer (or rectifying contact layer) 14 so that electrons can be easily formed in the channel layer. In the case of the channel layer, In x (Al y Ga 1- y ) either side of a well layer of In x (Al y Ga 1-y ) N or a dove hetero junction consisting of a barrier layer of In x (Al y Ga 1-y ) N on both sides of the well layer of N It can only have a single hetero junction of the In x (Al y Ga 1-y ) N barrier layer, and in the InN (~ 2.2eV) bandgap structure by controlling the composition ratio of In, Ga, Al To AlN (~ 6.4eV) bandgap structure. With such heterojunctions, the carrier supply layer can be placed above or below the channel and above and below the channel layer to increase the number of carriers formed in the channel.

본 발명의 제1 실시예에 따른 전계효과 트랜지스터는 사파이어 기초기판(11) 위에 복수층의 Inx(AlyGa1-y)N 질화물 반도체층을 구성하며, 상기 질화물 반도체층은 버퍼층(12), 채널층(13), 캐리어 공급층(또는, 정류접촉층)(14), n형 오믹 접촉층(15)을 포함하며, x와 y는 1≥x≥0, 1≥y≥0, x+y>0 값을 가진다. n-형 오믹 접촉층(15)은 Si 불순물이 1x1015cm-3내지 1x1021cm-3의 농도로 도핑되어 1Ωcm 내지 1x10-4Ωcm의 비저항을 가지며, 캐리어 공급층(14)은 Si 불순물이 1x1015cm-3 내지 1x1021cm-3의 농도로 도핑되어 1Ωcm 내지 1x10-4Ωcm의 비저항을 갖도록 했다.
이상과 같이, 사파이어 기판(11)위에 질화물 반도체층(12, 13, 14, 15) 성장이 끝나면 오믹 접촉층(15)위에 Ti, Al, Au, Ni, Pt, Cr중 선택되는 어느 하나의 단일층 또는 어느 하나 이상을 포함하는 금속 조합의 복수층 또는 합금으로 소스 전극(16)과 드레인 전극(18)을 형성하고, 오믹 접촉층(15)을 RIE 또는 ICP/RIE 건식식각방법으로 리세스 에칭 (recess etching)하여 캐리어 공급층(또는 정류접촉층)(14)을 노출시키고 Ni, Al, Ti, Au, Pt, Cr중 어느 하나의 단일층 또는 어느 하나 이상을 포함하는 금속조합의 복수층 또는 합금으로 게이트 전극(17)을 형성시키는 것이 바람직하다. 이때 소스 전극(16) 및 드레인 전극(18)은 Si을 도핑한 n-형 오믹 접촉층(15)과 낮은 오믹 접촉 저항이 되도록, Ti, Al, Ni, Pt, Au, Cr중 어느 하나의 단일층 또는 어느 하나 이상을 포함하는 금속조합의 복수층 또는 합금을 형성한 후, 질소 분위기의 퍼니스 및 200℃ 내지 700℃의 온도에서 1분내지 10분 간 열처리하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 Ti/Au, Ti/Al/Ti/Au, Ni/Al/Ti/Au, Ti/Au, Ni/Al/Pt/Au의 조합으로 증착할 수 있다. 또한, 게이트 전극(17)은 Ti, Al, Ni, Pt, Au, Cr중 어느 하나의 단일층 또는 어느 하나 이상을 포함하는 금속조합의 복수층 또는 합금을 형성한 후, 질소 분위기의 퍼니스 및 300℃ 내지 700℃의 온도에서 1분내지 10분 간 열처리하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 Ti/Au, Ti/Al/Ti/Au, Ni/Al/Ti/Au, Ti/Au, Ni/Al/Pt/Au, Al/Ti/Au의 조합으로 증착할 수 있다. 게이트 전극(17)의 선폭이 전계효과 트랜지스터의 차단 주파수에 영향을 미치기 때문에, 초고속 및 초고주파 전계효과 트랜지스터를 제작하기 위해서는 게이트 전극(17)의 선폭을 줄이는 것이 바람직하다 또한 고속성의 트랜지스터를 제조하기 위해서는 게이트 전극(17)의 기생성분을 줄이는 것이 바람직하며, 이를 위해서 게이트 전극(17)은 T-형 게이트로 하는 것이 더욱 바람직하다. 이와 같이, 서브 마이크론 (sub micron)이하의 게이트 전극(17)를 형성하기 위하여, 전자빔 식각 기술(e-beam lithography)를 사용할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 상기 게이트 전극의 선폭은 0.15㎛ 이하인 것일 수 있다. 이후 질화물 반도체 층위에 SiO2 또는 SOG (spin-on glass)를 증착하여 사파이어 기초기판을 식각할 때, 질화물 반도체층의 손상을 줄이는 것이 바람직하다.
The field effect transistor according to the first embodiment of the present invention constitutes a plurality of In x (Al y Ga 1-y ) N nitride semiconductor layers on the sapphire base substrate 11, and the nitride semiconductor layer is a buffer layer 12. , Channel layer 13, carrier supply layer (or rectifying contact layer) 14, n-type ohmic contact layer 15, where x and y are 1≥x≥0, 1≥y≥0, x It has a value of + y> 0. The n-type ohmic contact layer 15 is doped with a Si impurity at a concentration of 1 × 10 15 cm −3 to 1 × 10 21 cm −3 to have a resistivity of 1 μm to 1 × 10 −4 μm, and the carrier supply layer 14 may contain Si impurities. It was doped at a concentration of 1 × 10 15 cm −3 to 1 × 10 21 cm −3 to have a resistivity of 1 μm cm to 1 × 10 −4 μm cm.
As described above, when the nitride semiconductor layers 12, 13, 14, and 15 are grown on the sapphire substrate 11, any one of Ti, Al, Au, Ni, Pt, and Cr is selected on the ohmic contact layer 15. The source electrode 16 and the drain electrode 18 are formed from a plurality of layers or alloys of metals including at least one layer or any combination thereof, and the ohmic contact layer 15 is recess-etched by RIE or ICP / RIE dry etching. (recess etching) to expose the carrier supply layer (or rectifying contact layer) 14, a plurality of layers of a metal combination including any one or more than one of Ni, Al, Ti, Au, Pt, Cr or It is preferable to form the gate electrode 17 from the alloy. At this time, the source electrode 16 and the drain electrode 18 is a single of any one of Ti, Al, Ni, Pt, Au, Cr so as to have a low ohmic contact resistance with the n-type ohmic contact layer 15 doped with Si. After forming a layer or a plurality of layers or alloys of a metal combination including any one or more, it is preferable to heat-treat for 1 minute to 10 minutes at a furnace in a nitrogen atmosphere and a temperature of 200 ℃ to 700 ℃, more preferably Ti / Au, Ti / Al / Ti / Au, Ni / Al / Ti / Au, Ti / Au, can be deposited by a combination of Ni / Al / Pt / Au. In addition, the gate electrode 17 is formed of a single layer of any one of Ti, Al, Ni, Pt, Au, Cr, or a plurality of metal combinations or alloys including any one or more thereof, followed by a furnace in a nitrogen atmosphere and 300 Heat treatment for 1 minute to 10 minutes at a temperature of ℃ to 700 ℃ is preferred, more preferably Ti / Au, Ti / Al / Ti / Au, Ni / Al / Ti / Au, Ti / Au, Ni / Al It can be deposited by a combination of / Pt / Au and Al / Ti / Au. Since the line width of the gate electrode 17 affects the cutoff frequency of the field effect transistor, it is preferable to reduce the line width of the gate electrode 17 in order to fabricate ultrafast and ultrahigh frequency field effect transistors. It is desirable to reduce the parasitic components of the gate electrode 17, and for this purpose, the gate electrode 17 is more preferably a T-type gate. As such, in order to form the gate electrode 17 of the submicron or less, an electron beam etching technique (e-beam lithography) may be used, and more preferably, the line width of the gate electrode may be 0.15 μm or less. have. Then, when etching the sapphire base substrate by depositing SiO 2 or SOG (spin-on glass) on the nitride semiconductor layer, it is desirable to reduce the damage of the nitride semiconductor layer.

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이후 사파이어 기판(11)을 랩핑하여 얇게 만든다. 여기서 사파이어 기판(11)의 랩핑은 CMP(chemical mechanical polishing), RIE 건식 식각, ICP/RIE 건식 식각, 알루미나 슬러리(Al2O3 slurry) 또는 다이아몬드 슬러리 (diamond slurry)를 이용한 기계적 연마를 이용할 수 있으며, 또는 황산(H2SO4), 인산(H3PO4)중 어느 하나 또는 이들의 조합에 의한 혼합 용액을 식각액으로 하는 습식식각을 이용할 수도 있다. 이 때, ICP/RIE 또는 RIE 의 식각 가스로는 BCL3, Cl2, HBr, Ar 중의 어느 하나 또는 이들의 혼합 가스를 사용한다. After the sapphire substrate 11 is wrapped to make a thin. Here, the lapping of the sapphire substrate 11 may use mechanical polishing using CMP (chemical mechanical polishing), RIE dry etching, ICP / RIE dry etching, alumina slurry (Al 2 O 3 slurry) or diamond slurry (diamond slurry). Alternatively, wet etching may be used in which a mixed solution of sulfuric acid (H 2 SO 4 ), phosphoric acid (H 3 PO 4 ), or a combination thereof is used as an etching solution. At this time, any one of BCL 3 , Cl 2 , HBr, Ar, or a mixed gas thereof is used as an etching gas of ICP / RIE or RIE.

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이후 도 2에 도시한 것과 같이, 사파이어 기초기판에 상하로 관통하는 비아홀을 형성하기 위하여, 우선 마스크로 사용하기 위한 SiO2를 사파이어 기판(11)에 증착하고 사진식각기술(photolithography)로 소스 전극 하부의 사파이어 기판(11)을 노출시킨다. 이후에 다음과 같은 방법으로 사파이어 기판을 식각한다. Afterwards, as shown in FIG. 2, in order to form a via hole penetrating up and down on the sapphire base substrate, first, SiO 2 for use as a mask is deposited on the sapphire substrate 11 and the lower part of the source electrode by photolithography. The sapphire substrate 11 is exposed. Thereafter, the sapphire substrate is etched by the following method.

비아 홀을 형성하기 위한 사파이어 기판(11)의 습식식각은 100℃ 내지 500℃ 온도의 황산(H2SO4)과 인산(H3PO4)이 혼합된 식각 용액에 의한 사파이어 기판(11)의 식각 속도를 측정한 후, 식각할 사파이어 기판(11)의 두께보다 1㎛ 내지 5㎛정도 더한 두께가 더 식각될 시간동안 사파이어 기판을 식각 용액에 담가둔다. The wet etching of the sapphire substrate 11 for forming the via hole is performed by sapphire substrate 11 by an etching solution in which sulfuric acid (H 2 SO 4 ) and phosphoric acid (H 3 PO 4 ) are mixed at a temperature of 100 ° C. to 500 ° C. After the etching rate is measured, the sapphire substrate is immersed in the etching solution for a time for which a thickness of about 1 μm to 5 μm more than the thickness of the sapphire substrate 11 to be etched is etched.

이와 같은 식각용액에 의한 질화물 반도체층의 식각속도는 사파이어 기판(11)에 비하여 1/10 이하이다. 즉, 사파이어 기초기판(11)에 대한 질화물계 반도체 층(12, 13, 14, 15)의 식각 선택비가 10 이상이므로, 사파이어 기초기판(11)을 완전히 식각하고도 남을 시간동안 식각을 진행하더라도 질화물 반도체 층(12, 13, 14, 15)의 식각 속도가 느리기 때문에 질화물 반도체 층(12, 13, 14, 15)이 손상될 염려가 적다. The etching rate of the nitride semiconductor layer by the etching solution is 1/10 or less than that of the sapphire substrate 11. That is, since the etching selectivity of the nitride based semiconductor layers 12, 13, 14, and 15 with respect to the sapphire base substrate 11 is 10 or more, the nitride may be nitrided even when the sapphire base substrate 11 is fully etched. Since the etching speed of the semiconductor layers 12, 13, 14, and 15 is slow, there is little possibility that the nitride semiconductor layers 12, 13, 14, and 15 will be damaged.

한편, 식각 용액의 온도는 100℃ 이상으로 유지하는 것이 식각 시간 단축을 위하여 바람직하다. 식각 용액의 온도를 100℃ 이상으로 유지하기 위한 가열은 히터 위에 용액을 올려놓거나 히터를 직접 용액에 접촉하도록 하는 직접 가열 방식과 광흡수를 이용한 간접 가열 방식으로 할 수 있다. On the other hand, it is preferable to maintain the temperature of the etching solution at 100 ℃ or more in order to shorten the etching time. The heating for maintaining the temperature of the etching solution above 100 ℃ may be a direct heating method to put the solution on the heater or directly contact the heater and the indirect heating method using light absorption.

비아 홀을 형성하기 위한 사파이어 기초기판(11)의 식각은 위와 같이 황산과 인산을 이용한 습식 식각외에도, RIE 또는 ICP/RIE 기술을 사용할 수 있으며, 상기 습식식각과 건식 식각을 혼용하여 사용하는 것도 가능하다. 사파이어 기판(11)을 빠르게 식각하기 위하여 ICP와 RIE 파워를 가능한 한 높이는 것이 좋지만 에피층을 손상시킬 수 있기 때문에 주의가 필요하다. Etching of the sapphire base substrate 11 for forming the via hole may use RIE or ICP / RIE technology in addition to wet etching using sulfuric acid and phosphoric acid as described above, and may be used by using the wet etching and dry etching in combination. Do. In order to quickly etch the sapphire substrate 11, it is desirable to increase the ICP and RIE power as much as possible, but care must be taken because it may damage the epi layer.

도 3은 ICP/RIE 건식식각에 의한 사파이어와 GaN의 식각 속도를 나타내는 그래프이다. 도 3에서와 같이, 100sccm의 BCl3, 1800W의 인덕트 파워 (Inductive Power), 10mTorr의 챔버압력에서 실험한 결과, 사파이어 및 질화물계 반도체는 ICP 및 RIE 파워를 증가시킴에 따라 식각 속도가 증가하고 있지만, 사파이어와 질화물계 반도체 사이의 식각비(Al2O3 식각속도 대비 GaN 식각속도)는 감소하고 있다는 것을 알 수 있다. 3 is a graph showing the etching rates of sapphire and GaN by ICP / RIE dry etching. As shown in FIG. 3, as a result of experiments at 100 sccm of BCl 3 , 1800 W of inductive power, and 10 mTorr of chamber pressure, the sapphire and nitride semiconductors have increased etching rates as the ICP and RIE powers are increased. However, it can be seen that the etching ratio (GaN etching rate to Al 2 O 3 etching rate) between the sapphire and the nitride semiconductor is decreasing.

이러한 결과에 의해, ICP/RIE 기술과 같은 건식 식각의 방법으로 사파이어 기판(11)을 식각할 경우, 질화물계 반도체로 이루어진 질화물 반도체층(12, 13. 14, 15)에서 식각을 정지하기 어렵다는 것을 알 수 있다. 또한, 건식 식각을 이용할 경우에는, 질화물 반도체층(12, 13. 14, 15)에서 식각을 멈추기 위해 광학적 분석 방법 또는 잔류 가스 분석 방법 같은 비교적 복잡한 과정이 필요하게 된다. As a result, when etching the sapphire substrate 11 by a dry etching method such as ICP / RIE technology, it is difficult to stop the etching in the nitride semiconductor layer 12, 13. 14, 15 made of nitride-based semiconductor. Able to know. In addition, when dry etching is used, a relatively complicated process such as an optical analysis method or a residual gas analysis method is required to stop etching in the nitride semiconductor layers 12, 13. 14, and 15.

도 4은 황산(H2SO4)과 인산(H3PO4)의 혼합 용액을 식각으로 하여 사파이어와 질화물 반도체를 습식 식각할 경우에 황산 비(부피비)에 따른 질화물 반도체층과 사파이어와의 식각속도를 비교한 그래프이다. 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 황산과 인산을 혼합한 용액의 질화물계 반도체에 대한 사파이어 식각속도는 황산과 인산의 혼합비(부피비)에 의존하며, 어느 정도까지는 황산의 비가 증가할수록 식각 속도는 증가한다. 또한 질화물 반도체(GaN)의 식각속도도 황산의 혼합비에 의존하고 있으며, 질화물 반도체(GaN)과 사파이어와의 식각 선택 비는 특정 비율에서 20 이상이 되는 것을 알 수 있다. 4 is an etching of a nitride semiconductor layer and sapphire according to the sulfuric acid ratio (volume ratio) when wet etching the sapphire and nitride semiconductor by using a mixture solution of sulfuric acid (H 2 SO 4 ) and phosphoric acid (H 3 PO 4 ) as an etching This is a graph comparing speed. As can be seen in Figure 4, the sapphire etching rate for the nitride semiconductor of the solution of sulfuric acid and phosphoric acid is dependent on the mixing ratio (volume ratio) of sulfuric acid and phosphoric acid, and to some extent the etching rate increases as the ratio of sulfuric acid increases do. In addition, the etching rate of the nitride semiconductor (GaN) also depends on the mixing ratio of sulfuric acid, it can be seen that the etching selection ratio of the nitride semiconductor (GaN) and sapphire is 20 or more in a specific ratio.

이와 같은 결과에 따라, 사파이어 기판(11)의 식각 정지층으로 질화물 반도체층(12, 13. 14, 15)을 효과적으로 다는 것을 알 수 있다. As a result, it can be seen that the nitride semiconductor layers 12, 13. 14, and 15 are effectively used as the etch stop layer of the sapphire substrate 11.

도 5는 습식 식각 방법으로 사파이어 기판에 패턴을 형성하고, 습식 식각 방법으로 사파이어 기판을 식각한 후의 사파이어 기판 표면 사진이다. 도 5를 보면, 식각된 경사면과 바닥이 아주 깨끗한 것을 알 수 있다. 또한, 사파이어 기판(11)을 325℃의 온도에서 20분 동안 식각하였을 때, 22.4㎛ 식각 되어 1.1㎛/min의 식각 속도를 나타냈다. 이러한 식각 속도는 괄목할 만한 것이고 양산을 고려해 보더라도 전혀 문제가 없을 것으로 판단되며, 습식 식각은 장비의 생산성에 제약을 받지 않으므로 대량 생산 측면에서 그 어떤 방법보다 많은 장점이 있다고 할 수 있다. 5 is a sapphire substrate surface photograph after the pattern is formed on the sapphire substrate by the wet etching method and the sapphire substrate is etched by the wet etching method. 5, it can be seen that the etched slope and the bottom are very clean. In addition, when the sapphire substrate 11 was etched at a temperature of 325 ° C. for 20 minutes, the sapphire substrate 11 was etched at 22.4 μm to exhibit an etching rate of 1.1 μm / min. This etching rate is remarkable, and considering the mass production is not a problem at all, wet etching is not limited by the productivity of the equipment can be said to have many advantages over any method in terms of mass production.

따로 도시하지 않았으나, 황산 (H2SO4)과 인산(H3PO4)이 혼합된 용액으로 다양한 선폭을 갖는 패턴에 대한 사파이어 기판을 식각한 경우 식각된 깊이는 오픈된 패턴폭에 따라 달랐으며, 오픈된 선폭이 넓을수록 깊었고 선폭이 좁은 패턴인 경우에는 식각깊이가 자동으로 정지되는 것을 알 수 있었다. Although not shown separately, when the sapphire substrate was etched with a mixture of sulfuric acid (H 2 SO 4 ) and phosphoric acid (H 3 PO 4 ) for a pattern having various line widths, the etched depth was different according to the open pattern width. In the case of a pattern with a narrow line width, the etching depth is automatically stopped.

다시 말하면, 습식식각에서 사파이어 기판은 습식식각에서 방향성을 갖고 있으며 식각깊이는 패턴된 선폭에 의존한다. 주로 사용되는 사파이어의 기초기판(11)은 (0001)의 C면이며 습식식각을 하면 방향에 따라 식각면의 각도는 M면, R면, A면에 따라 54° 또는 25° 정도의 경사면을 이룬다. 이러한 현상은 (0001)의 C면과 식각된 (10-10)의 M면, (-1012)의 R면, (11-20)의 A면-식각파셋(etched facet)면이 식각 속도가 다르기 때문이다. 즉 사파이어 식각속도의 면방위 의존성을 살펴본 결과, C면>R면>M면>A면 순서이고, 이와 같은 결과로 미루어 볼 때 식각깊이는 오픈된 선폭에 의해 결정되며 오픈된 선폭을 조절하면 자유자제로 식각깊이를 조절할 수 있다는 것을 의미한다. 이러한 결과를 이용하면, 사파이어 기초기판의 비아홀 형성과 동시에 소자의 다이싱 라인(dicing line) 또는 벽개(cleve, brake) 라인을 형성시킬 수 있다. 즉, (0001)면의 사파이어 기판을 일정한 깊이까지 식각하면 식각된 단면은 뾰족한 삼각형 형태 (V-grooved shaped)를 갖게 되어 그 어떤 다이아몬드 펜으로 벽개 라인을 형성했을 때보다 깨끗하게 만들 수 있었다. 다이싱 라인은 20㎛선폭이면 충분하고 비아홀을 식각하는 동안에 일정 깊이에서 식각이 정지되어 자동으로 스크라이빙 라인이 형성되므로 비아홀을 형성한 후 추가 공정없이 개별 칩으로 분리하기 위한 다이싱 라인을 형성할 수 있다.
도 6은 사파이어 기판을 습식 식각 방법으로 제거한 후의 버퍼층의 표면사진을 나타낸 것이다.
In other words, in wet etching, the sapphire substrate is oriented in wet etching and the etching depth depends on the patterned line width. The base substrate 11 of sapphire mainly used is the C plane of (0001), and when the wet etching is performed, the angle of the etching surface forms an inclined surface of 54 ° or 25 ° depending on the M plane, the R plane, and the A plane. . This phenomenon is due to the difference in etching speed between C surface of (0001), M surface of (10-10), R surface of (-1012) and A-etched facet surface of (11-20). Because. In other words, the surface orientation dependence of sapphire etching speed was found to be C plane> R plane> M plane> A plane, and as a result, the etch depth is determined by the open line width. This means that you can control the depth of etching by yourself. Using these results, it is possible to form a dicing line or cleve, brake line of the device at the same time as the via hole of the sapphire base substrate. In other words, when the (0001) face of the sapphire substrate was etched to a certain depth, the etched cross section had a V-grooved shape, which was cleaner than when any cleavage line was formed with any diamond pen. The dicing line is 20㎛ line width is enough, and during the via hole etching, the etch stops at a certain depth and automatically forms a scribing line. Therefore, after forming the via hole, a dicing line is formed to separate into individual chips without further processing. can do.
Figure 6 shows a surface photograph of the buffer layer after removing the sapphire substrate by a wet etching method.

도 6에서 보는 바와 같이 식각된 표면을 현미경으로 관찰한 결과, 표면 모폴로지(morphology)는 매우 깨끗했고 큰 두께편차도 관측 할 수 없었다. As shown in FIG. 6, when the surface was etched under a microscope, the surface morphology was very clean and no large thickness deviation could be observed.

이상과 같이, 사파이어 습식식각 기술을 양산에 적용할 때, 사파이어 기판(11)과 질화물 반도체층(12, 13. 14, 15)과의 식각 선택 비를 높일 수 있는 공정조건과 에피구조를 확보하는 것이 바람직하다. 특히 질화물 반도체층(12, 13. 14, 15)을 사파이어 식각 정지층 (etch stop layer)으로 활용할 수 있으며, 이때, 식각 정지층으로 활용되는 질화물 반도체층은 Inx(GayAl1-y)N (1≥x≥0, 1≥y≥0, x+y>0) 계열을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 Al의 조성비를 증가시키거나 Mg을 도핑한 p-형 GaN를 사용하는 것이 효과적이다. 또한, 필요에 따라서는 사파이어 기판(11)에 질화물 반도체 층을 형성하기 전에 국지적으로 SiO2나 SiNx 등의 보호막과 같은 식각 정지층을 별도로 형성할 수도 있다. 특히, SiO2는 황산과 인산의 혼합용액을 식각용액으로 사용한 습식 식각에서 사파이어에 높은 습식식각 선택 비를 갖고 있다.As described above, when the sapphire wet etching technology is applied to mass production, process conditions and epitaxial structure to secure the etching selectivity between the sapphire substrate 11 and the nitride semiconductor layers 12, 13. 14, 15 are ensured. It is preferable. In particular, the nitride semiconductor layers 12, 13. 14, and 15 may be used as an sapphire etch stop layer. In this case, the nitride semiconductor layer used as the etch stop layer may be In x (Ga y Al 1-y ). N (1≥x≥0, 1≥y≥0, x + y> 0) series can be used, preferably it is effective to increase the composition ratio of Al or to use p-type GaN doped with Mg . If necessary, an etch stop layer such as a protective film such as SiO 2 or SiNx may be separately formed before the nitride semiconductor layer is formed on the sapphire substrate 11. In particular, SiO 2 has a high wet etching selectivity to sapphire in the wet etching using a mixed solution of sulfuric acid and phosphoric acid as an etching solution.

이후 사파이어 비아홀과 연결되며, 상하로 관통하는 비아홀을 질화물 반도체층에 형성하여, 소스 전극(16)을 노출시킨다. 이때, RIR 또는 ICP/RIE를 사용하여 질화물 반도체층을 식각할 수 있으며, 건식 식각의 식각가스로는 BCl3, Cl2, Ar, HBr중 어느 하나 이상을 조합하여 사용하는 것이 바람직하다. 이후 사파이어 기판 및 사파이어 기판의 비아홀과 질화물 반도체층의 비아홀을 감싸도록 금속막을 증착한다. 이때 금속막은 소스 전극(16)과 접촉(inter-connection)하는 그라운드 전극(19)으로 구성된다. 그라운드 전극(19)은 Ti, Al, Ni, Au, Pt, Cr중 어느 하나의 단일층 또는 어느 하나 이상을 포함하는 금속조합의 복수층 또는 합금으로 형성하는 것이 바람직하고, Ti/Au, Pt/Au, Ti/Al/Pt/Au의 복수층으로 하는 것이 더욱 바람직하다. 이와 같이, 그라운드 전극(19)의 형성하면, 열방출이 용이하게 될 뿐만 아니라, 전송 선로가 마이크로 스트립라인(micro strip line)이 되도록 하는 고주파 집적회로를 용이하게 제작할 수 있다.
그라운드 전극의 증착이 끝나면 소자를 개개로 분리한다.
Thereafter, a via hole connected to the sapphire via hole and penetrating up and down is formed in the nitride semiconductor layer to expose the source electrode 16. In this case, the nitride semiconductor layer may be etched using RIR or ICP / RIE, and as an etching gas of dry etching, one or more of BCl 3 , Cl 2 , Ar, and HBr may be used in combination. Thereafter, a metal film is deposited to cover the via holes of the sapphire substrate and the sapphire substrate and the via holes of the nitride semiconductor layer. In this case, the metal film is composed of a ground electrode 19 in contact with the source electrode 16. The ground electrode 19 is preferably formed of a single layer of any one of Ti, Al, Ni, Au, Pt, Cr, or a plurality of layers or alloys of metal combinations containing at least one, and Ti / Au, Pt / It is more preferable to use multiple layers of Au and Ti / Al / Pt / Au. As such, when the ground electrode 19 is formed, not only the heat dissipation is easy, but also the high frequency integrated circuit for the transmission line to be a micro strip line can be easily manufactured.
After the deposition of the ground electrode, the devices are separated individually.

제1 실시예에 따른 전계효과 트랜지스터의 특징을 요약하면 다음과 같다. The characteristics of the field effect transistor according to the first embodiment are summarized as follows.

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질화물 반도체층위에 소스 전극(16), 드레인 전극(18) 및 게이트전극(17)이 형성되며, 게이트 전극(17)은 오믹접촉층(15)을 리세스 에칭하여 노출되는 캐리어 공급층(또는 정류접촉층)(14)위에 형성되어 있다. 소스 전극(16) 및 드레인 전극(18)은 오믹 접촉층(15)과 오믹접촉 되어 있고, 게이트 전극(17)은 캐리어 공급층과 정류성 접촉이 되어 있다. 소스 전극(16), 드레인 전극(18) 및 게이트전극(17)은 Ti, Al, Pt, Ni, Au, Cr 중 선택되는 어느 하나의 단일층 또는 어느 하나 이상을 포함하는 금속 조합의 복수층 또는 합금으로 형성되어 있다. 또한 열방출이 용이하도록 사파이어 기판(11)에 형성된 비아홀을 관통하여 오믹 접촉층 또는 소스 전극(16)과 접촉하는 그라운드 전극(19)을 포함하며, 그라운드 전극(19)은 Ti, Al, Pt, Au, Ni, Cr중 어느 하나의 단일층 또는 어느 하나 이상을 포함하는 금속 조합의 이상의 복수층 또는 합금으로 형성되어 있다. The source electrode 16, the drain electrode 18, and the gate electrode 17 are formed on the nitride semiconductor layer, and the gate electrode 17 is a carrier supply layer (or rectified) exposed by recess etching the ohmic contact layer 15. Contact layer) (14). The source electrode 16 and the drain electrode 18 are in ohmic contact with the ohmic contact layer 15, and the gate electrode 17 is in rectifying contact with the carrier supply layer. The source electrode 16, the drain electrode 18, and the gate electrode 17 may be a single layer of any one selected from Ti, Al, Pt, Ni, Au, Cr, or a plurality of layers of a metal combination including any one or more. It is formed of an alloy. In addition, the ground electrode 19 includes a ground electrode 19 contacting the ohmic contact layer or the source electrode 16 through the via hole formed in the sapphire substrate 11 to facilitate heat dissipation. The ground electrode 19 may include Ti, Al, Pt, It is formed of a plurality of layers or alloys of a combination of metals including any one layer of Au, Ni, Cr, or any one or more.

<제 2 실시예>Second Embodiment

도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 전계효과 트랜지스터의 단면도이다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 전계효과 트랜지스터는 제1 실시예와 마찬가지로, 사파이어 기초기판(11) 위에 복수층의 Inx(AlyGa1-y)N 질화물 반도체층을 구성하며, 상기 질화물 반도체층은 버퍼층(12), 채널층(13), 캐리어 공급층(또는, 정류접촉층)(14), n형 오믹 접촉층(15)을 포함하며, x와 y는 1≥x≥0, 1≥y≥0, x+y>0 값을 가진다. n-형 오믹 접촉층(15)은 Si 불순물이 1x1015cm-3내지 1x1021cm-3의 농도로 도핑되어 1Ωcm 내지 1x10-4Ωcm의 비저항을 가지며, 캐리어 공급층(14)은 Si 불순물이 1x1015cm-3 내지 1x1021cm-3의 농도로 도핑되어 1Ωcm 내지 1x10-4Ωcm의 비저항을 갖도록 했다. 제2 실시예에서, 질화물 반도체층의 성장에 대한 부분은 제1 실시예에서 설명한 것과 동일 또는 유사하므로, 상세한 설명은 생략한다.
도 7에서 보는 바와 같이, 제2 실시예에 따른 전계효과 트랜지스터는 질화물 반도체층 위에, 소스 전극(16), 드레인 전극(18) 및 게이트 전극(17)을 형성한다. 보다 상세하게는, 상기 소스 전극(16)과 드레인 전극(18)은 Ti, Al, Au, Ni, Pt, Cr중 선택되는 어느 하나의 단일층 또는 어느 하나 이상을 포함하는 금속 조합의 복수층 또는 합금으로 형성하고, 상기 게이트 전극(17)은 오믹 접촉층(15)을 RIE 또는 ICP/RIE 건식식각방법으로 리세스 에칭 (recess etching)하여 캐리어 공급층 (또는 정류접촉층)(14)을 노출시킨 후, Ni, Al, Ti, Au, Pt, Cr중 어느 하나의 단일층 또는 어느 하나 이상을 포함하는 금속 조합의 복수층 또는 합금으로 형성시키는 것이 바람직하다. 이후 질화물 반도체 층위에 SiO2 또는 SOG (spin-on glass)를 증착하여 사파이어 기초기판을 식각할 때, 질화물 반도체층의 손상을 줄이는 것이 바람직하다.
이후 사파이어 기판(11)을 랩핑하여 얇게 만든다. 여기서 사파이어 기판(11)의 랩핑은 CMP(chemical mechanical polishing), RIE 건식 식각, ICP/RIE 건식 식각, 알루미나 슬러리(Al2O3 slurry) 또는 다이아몬드 슬러리 (diamond slurry)를 이용한 기계적 연마를 이용할 수 있으며, 또는 황산(H2SO4), 인산(H3PO4)중 어느 하나 또는 이들의 조합에 의한 혼합 용액을 식각액으로 하는 습식식각을 이용할 수도 있다. 이 때, ICP/RIE 또는 RIE 의 식각 가스로는 BCL3, Cl2, HBr, Ar 중의 어느 하나 또는 이들의 혼합 가스를 사용한다.
이후 도 7에 도시한 것과 같이, 사파이어 기초기판에 상하로 관통하는 비아홀을 형성하기 위하여, 우선 마스크로 사용하기 위한 SiO2를 사파이어 기판(11)에 증착하고 사진식각기술(photolithography)로 게이트 전극 하부의 사파이어 기판(11)을 노출시킨다. 이후에 다음과 같은 방법으로 사파이어 기판을 식각한다.
비아 홀을 형성하기 위한 사파이어 기판(11)의 습식식각은 100℃ 내지 500℃ 온도의 황산(H2SO4)과 인산(H3PO4)이 혼합된 식각 용액에 의한 사파이어 기판(11)의 식각 속도를 측정한 후, 식각할 사파이어 기판(11)의 두께보다 1㎛ 내지 5㎛정도 더한 두께가 더 식각될 시간동안 사파이어 기판을 식각 용액에 담가둔다.
7 is a cross-sectional view of a field effect transistor according to a second embodiment of the present invention.
The field effect transistor according to the second embodiment of the present invention, like the first embodiment, constitutes a plurality of In x (Al y Ga 1-y ) N nitride semiconductor layers on the sapphire base substrate 11, and the nitride The semiconductor layer includes a buffer layer 12, a channel layer 13, a carrier supply layer (or rectifying contact layer) 14, and an n-type ohmic contact layer 15, where x and y are 1≥x≥0, 1≥y≥0 and x + y> 0. The n-type ohmic contact layer 15 is doped with a Si impurity at a concentration of 1 × 10 15 cm −3 to 1 × 10 21 cm −3 to have a resistivity of 1 μm to 1 × 10 −4 μm, and the carrier supply layer 14 may contain Si impurities. It was doped at a concentration of 1 × 10 15 cm −3 to 1 × 10 21 cm −3 to have a resistivity of 1 μm cm to 1 × 10 −4 μm cm. In the second embodiment, the portion for the growth of the nitride semiconductor layer is the same as or similar to that described in the first embodiment, and thus the detailed description is omitted.
As shown in FIG. 7, the field effect transistor according to the second embodiment forms a source electrode 16, a drain electrode 18, and a gate electrode 17 on the nitride semiconductor layer. In more detail, the source electrode 16 and the drain electrode 18 may include a single layer of any one selected from Ti, Al, Au, Ni, Pt, Cr, or a plurality of layers of a metal combination including any one or more. The gate electrode 17 is formed of an alloy, and the ohmic contact layer 15 is recess etched by RIE or ICP / RIE dry etching to expose the carrier supply layer (or rectifying contact layer) 14. After forming, it is preferable to form a single layer of any one of Ni, Al, Ti, Au, Pt, Cr, or a plurality of layers or alloys of a metal combination including at least one. Then, when etching the sapphire base substrate by depositing SiO 2 or SOG (spin-on glass) on the nitride semiconductor layer, it is desirable to reduce the damage of the nitride semiconductor layer.
After the sapphire substrate 11 is wrapped to make a thin. Here, the lapping of the sapphire substrate 11 may use mechanical polishing using CMP (chemical mechanical polishing), RIE dry etching, ICP / RIE dry etching, alumina slurry (Al 2 O 3 slurry) or diamond slurry (diamond slurry). Alternatively, wet etching may be used in which a mixed solution of sulfuric acid (H 2 SO 4 ), phosphoric acid (H 3 PO 4 ), or a combination thereof is used as an etching solution. At this time, any one of BCL 3 , Cl 2 , HBr, Ar, or a mixed gas thereof is used as an etching gas of ICP / RIE or RIE.
Subsequently, as shown in FIG. 7, in order to form a via hole penetrating up and down on the sapphire base substrate, first, SiO 2, which is used as a mask, is deposited on the sapphire substrate 11, and the lower part of the gate electrode is formed by photolithography. The sapphire substrate 11 is exposed. Thereafter, the sapphire substrate is etched by the following method.
The wet etching of the sapphire substrate 11 for forming the via hole is performed by sapphire substrate 11 by an etching solution in which sulfuric acid (H 2 SO 4 ) and phosphoric acid (H 3 PO 4 ) are mixed at a temperature of 100 ° C. to 500 ° C. After the etching rate is measured, the sapphire substrate is immersed in the etching solution for a time for which a thickness of about 1 μm to 5 μm more than the thickness of the sapphire substrate 11 to be etched is etched.

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이후에 식각시에 마스크로 사용하기 위하여 사파이어 기판(11)에 SiO2를 증착하고 사진식각기술로 게이트 전극(17) 밑에 사파이어 기판(11)을 노출시킨다. 이후에 다음과 같은 방법으로 사파이어 기판을 식각하여 비아홀을 형성한다. 100℃ 내지 500℃ 온도의 황산(H2SO4), 인산(H3PO4)중 어느 하나 이상으로 혼합된 식각 용액에 의한 사파이어 기판(11)의 식각 속도를 측정하여 사파이어 기판(11) 두께보다 1㎛ 내지 5㎛정도 더한 두께를 식각할 만큼의 시간동안 식각 용액에 담가둔다.
비아 홀을 형성하기 위한 사파이어 기초기판(11)의 식각에는 RIE 또는 ICP/RIE 기술을 사용할 수 있으며, 상기 습식식각과 건식 식각을 혼용하여 사용할 수도 있다. 사파이어 기판(11)을 빠르게 식각하기 위하여 ICP와 RIE 파워를 가능한 한 높이는 것이 좋지만 에피층을 손상시킬 수 있기 때문에 주의가 필요하다.
Thereafter, SiO 2 is deposited on the sapphire substrate 11 to be used as a mask during etching, and the sapphire substrate 11 is exposed under the gate electrode 17 by photolithography. Thereafter, the sapphire substrate is etched to form a via hole in the following manner. Sapphire substrate 11 thickness by measuring the etching rate of the sapphire substrate 11 by the etching solution mixed with any one of sulfuric acid (H 2 SO 4 ), phosphoric acid (H 3 PO 4 ) at a temperature of 100 ℃ to 500 ℃ It is immersed in the etching solution for a time enough to etch a thickness of about 1 to 5 ㎛ further.
RIE or ICP / RIE technology may be used for etching the sapphire base substrate 11 to form the via holes, and the wet and dry etching may be used in combination. In order to quickly etch the sapphire substrate 11, it is desirable to increase the ICP and RIE power as much as possible, but care must be taken because it may damage the epi layer.

이후 RIR 또는 ICP/RIE를 사용하여 사파이어 비아홀에 노출된 질화물반도체를 식각하여 게이트 전극 하부의 버퍼층을 노출시킨다. 식각가스로는 BCl3, Cl2, Ar, HBr중 어느하나 이상을 조합하여 사용하는 것이 바람직하다. 이후 사파이어 기판 및 사파이어 기판의 비아홀과 질화물 반도체층의 비아홀을 감싸도록 금속막을 증착한다. 이때 금속막은 질화물 반도체층의 채널층(13)과 접촉(inter-connection)하는 그라운드 전극(19)으로 구성된다. 그라운드 전극(19)은 Ti, Al, Ni, Au, Pt, Cr중 어느 하나의 단일층 또는 어느 하나 이상을 포함하는 금속조합의 복수층 또는 합금으로 형성하는 것이 바람직하고, Ti/Au, Pt/Au, Ti/Al/Pt/Au의 복수층으로 하는 것이 더욱 바람직하다. 이와 같이, 그라운드 전극(19)의 형성하면, 열방출이 용이하게 될 뿐만 아니라, 전송 선로가 마이크로 스트립라인(micro strip line)이 되도록 하는 고주파 집적회로를 용이하게 제작할 수 있다.
그라운드 전극의 형성이 끝나면, 소자를 개개로 분리한다.
The nitride semiconductor exposed to the sapphire via hole is then etched using RIR or ICP / RIE to expose the buffer layer under the gate electrode. As the etching gas, it is preferable to use a combination of any one or more of BCl 3 , Cl 2 , Ar, HBr. Thereafter, a metal film is deposited to cover the via holes of the sapphire substrate and the sapphire substrate and the via holes of the nitride semiconductor layer. At this time, the metal film is composed of a ground electrode 19 in contact with the channel layer 13 of the nitride semiconductor layer. The ground electrode 19 is preferably formed of a single layer of any one of Ti, Al, Ni, Au, Pt, Cr, or a plurality of layers or alloys of metal combinations containing at least one, and Ti / Au, Pt / It is more preferable to use multiple layers of Au and Ti / Al / Pt / Au. As such, when the ground electrode 19 is formed, not only the heat dissipation is easy, but also the high frequency integrated circuit for the transmission line to be a micro strip line can be easily manufactured.
After the formation of the ground electrode, the elements are separated individually.

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제2 실시예에 따른 전계효과 트랜지스터의 특징을 요약하면 다음과 같다. The features of the field effect transistor according to the second embodiment are summarized as follows.

제2 실시예에 따른 전계효과 트랜지스터는, 상기 제1 실시예와 마찬가지로, 질화물 반도체층위에 소스 전극(16), 드레인 전극(18) 및 게이트 전극(17)을 형성한다. 그리고, 게이트 전극(17) 하부의 사파이어 기판(11) 및 질화물 반도체층에 비아홀을 형성하여, 형성된 비아홀을 감싸면서 반도체층과 접촉하는 그라운드 전극(19)이 형성된다. In the field effect transistor according to the second embodiment, the source electrode 16, the drain electrode 18, and the gate electrode 17 are formed on the nitride semiconductor layer as in the first embodiment. In addition, a via hole is formed in the sapphire substrate 11 and the nitride semiconductor layer under the gate electrode 17 to form a ground electrode 19 which contacts the semiconductor layer while covering the formed via hole.

<제 3 실시예>Third Embodiment

도 8a은 본 발명의 제3 실시예에 따른 전계효과 트랜지스터의 단면도이고, 도8b는 제3 실시예에 따른 전계효과 트랜지스터의 평면도이다. 도 8a 및 도 8b에서 보는 바와 같이, 사파이어 기판(11)위에 버퍼층(12), 채널층(13), 캐리어 공급층(14) 및 오믹 접촉층(15)을 포함하는 질화물 반도체층(12, 13, 14, 15)을 성장한 후, 상기 질화물 반도체층 위에 적어도 하나 이상의 소스 전극(16), 게이트 전극(17) 및 드레인 전극(18)을 형성한다. 보다 상세하게는, 도 8a에 나타낸 바와 같이, 상기 소스 전극(16)과 드레인 전극(18)은 오믹 접촉층(15)위에 Ti, Al, Au, Ni, Pt, Cr중 선택되는 어느 하나의 단일층 또는 어느 하나이상을 포함하는 금속조합의 복수층 또는 합금으로 형성한다. 그리고 상기 게이트 전극(17)은 오믹 접촉층(15)을 RIE 건식 식각 또는 ICP/RIE 건식식각방법으로 리세스 에칭 (recess etching)하여 캐리어 공급층(또는 정류접촉층)(14)을 노출시킨 후, 노출된 캐리어 공급층 위에 Ni, Al, Ti, Au, Pt, Cr중 선택되는 어느 하나의 단일층 또는 어느 하나 이상을 포함하는 금속 조합의 복수층 또는 합금으로 형성시키는 것이 바람직하다. 또한, 도 8a에서 보는 바와 같이 게이트 전극(17)을 형성한 후, 에어브리지 형태(21)로 복수 개의 소스 전극(16)을 서로 연결한다.
소스 전극, 게이트 전극 및 드레인 전극의 형성이 끝나면, 사파이어 기판을 랩핑하여 얇게 한다.
8A is a cross-sectional view of the field effect transistor according to the third embodiment of the present invention, and FIG. 8B is a plan view of the field effect transistor according to the third embodiment. 8A and 8B, nitride semiconductor layers 12 and 13 including a buffer layer 12, a channel layer 13, a carrier supply layer 14 and an ohmic contact layer 15 on the sapphire substrate 11. , 14, 15, and at least one source electrode 16, a gate electrode 17, and a drain electrode 18 are formed on the nitride semiconductor layer. More specifically, as shown in FIG. 8A, the source electrode 16 and the drain electrode 18 are any one selected from Ti, Al, Au, Ni, Pt, and Cr on the ohmic contact layer 15. It is formed of a plurality of layers or alloys of metal combinations including layers or any one or more. The gate electrode 17 is recess-etched by the ohmic contact layer 15 by RIE dry etching or ICP / RIE dry etching to expose the carrier supply layer (or rectifying contact layer) 14. It is preferable to form a plurality of layers or alloys of any one single layer selected from among Ni, Al, Ti, Au, Pt, Cr, or a combination of metals including any one or more on the exposed carrier supply layer. In addition, as shown in FIG. 8A, after the gate electrode 17 is formed, the plurality of source electrodes 16 are connected to each other in an air bridge form 21.
After the formation of the source electrode, the gate electrode and the drain electrode, the sapphire substrate is wrapped and thinned.

제3 실시예에 따른 전계 효과 트랜지스터에 있어서, 질화물 반도체층의 성장 및 사파이어 기판의 랩핑은 상기 제1 실시예 및 제2 실시예에서 설명한 바와 동일 또는 유사하므로 상세한 설명은 생략한다.In the field effect transistor according to the third embodiment, the growth of the nitride semiconductor layer and the lapping of the sapphire substrate are the same as or similar to those described in the first and second embodiments, and thus a detailed description thereof will be omitted.

이후, 사파이어 기판의 비아홀(via hole)을 형성하기 위하여, SiO2를 사파이어 기판에 증착하고, 사진 식각 기술로 소스 전극(16)하부의 사파이어 기판을 노출시킨다. 비아홀을 형성하기 위한 사파이어 기판의 식각은 100℃ 내지 500℃ 온도의 황산 또는 인산 중 어느 하나 또는 이들을 혼합한 식각 용액에 의한 습식 식각으로 사파이어 기판의 식각 속도를 측정한 후, 식각할 두께보다 1㎛ 내지 5㎛가 더 식각될 시간동안 사파이어 기판을 식각 용액에 담가둔다. 이러한 습식 식각 외에도, 비아 홀을 형성하기 위한 사파이어 기초기판(11)의 식각에는 RIE 또는 ICP/RIE 기술을 사용할 수 있으며, 또는 상기 습식식각과 건식 식각을 혼용하여 사용하는 것도 가능하다.Then, in order to form a via hole of the sapphire substrate, SiO 2 is deposited on the sapphire substrate, and the sapphire substrate under the source electrode 16 is exposed by photolithography. The etching of the sapphire substrate for forming the via hole is performed by wet etching with an etching solution containing either sulfuric acid or phosphoric acid at a temperature of 100 ° C. to 500 ° C., or a mixture thereof. The sapphire substrate is immersed in the etching solution for a time to further etch 5 μm. In addition to the wet etching, RIE or ICP / RIE technology may be used to etch the sapphire base substrate 11 to form the via hole, or the wet and dry etching may be used in combination.

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이후 RIR 또는 ICP/RIE를 사용하여 사파이어 비아홀에 노출된 질화물반도체를 소스 전극(16)이 노출될 때까지 식각한다. 이때의 식각가스로는 BCl3, Cl2, Ar, HBr중 어느하나 이상을 조합하여 사용하는 것이 바람직하다. 이와 같이, 사파이어 기판 및 질화물 반도체층의 비아홀을 형성한 후에는 사파이어 기판과 질화물 반도체층의 비아홀 및 사파이어 기판을 감싸는 금속막을 형성하여, 그라운드 전극(19)을 구성한다. 그라운드 전극은 Ti, Al, Ni, Au, Pt, Cr중 선택되는 어느 하나의 단일층 또는 어느 하나 이상을 포함하는 금속 조합의 복수층 또는 합금으로 형성하는 것이 바람직하다. 이와 같이 구성되는 비아홀은 소스전극(16)과 그라운드(19)를 전기적으로 연결(inter connection)하는 역할을 할 뿐만 아니라, 전계효과 트랜지스터에서 발생한 열을 외부에 효과적으로 방출하는 역할을 하고, 전송선로를 마이크로 스트립 라인(micro strip line)을 형성할 수 있게 함으로서 고주파 집적회로를 용이하게 제작 할 수 있도록 한다. The nitride semiconductor exposed to the sapphire via hole is then etched using RIR or ICP / RIE until the source electrode 16 is exposed. At this time, as the etching gas, it is preferable to use a combination of any one or more of BCl 3 , Cl 2 , Ar, HBr. In this manner, after the via holes of the sapphire substrate and the nitride semiconductor layer are formed, a metal film surrounding the sapphire substrate and the via hole of the nitride semiconductor layer and the sapphire substrate is formed to form the ground electrode 19. The ground electrode is preferably formed of a single layer of any one selected from Ti, Al, Ni, Au, Pt, Cr, or a plurality of layers or alloys of metal combinations including any one or more. The via hole configured as described above not only electrically connects the source electrode 16 and the ground 19, but also effectively emits heat generated from the field effect transistor to the outside, and provides a transmission line. By forming a micro strip line (micro strip line) it is possible to easily manufacture a high frequency integrated circuit.

따라서 사파이어 비아홀을 관통하여 에피와 접촉하는 그라운드 전극(19)을 형성함으로서 외부에 열방출이 용이하게 된다.
그라운드 전극의 형성이 끝나면, 소자를 개개로 분리한다.
Therefore, heat dissipation is facilitated to the outside by forming the ground electrode 19 penetrating the sapphire via hole and contacting the epi.
After the formation of the ground electrode, the elements are separated individually.

제3 실시예에 따른 전계효과 트랜지스터의 특징을 요약하면 다음과 같다. The features of the field effect transistor according to the third embodiment are summarized as follows.

질화물 반도체층위에 복수 개의 소스 전극(16), 드레인 전극(18) 및 게이트 전극(17)을 형성한다. 복수 개의 게이트 전극(17)은 오믹접촉층(15)을 리세스 에칭(recess etching)하여 캐리어 공급층(또는 정류접촉층)(14)위에 형성되어 있다. 복수 개의 소스 전극(16) 및 드레인 전극(18)은 오믹접촉층(15)과 오믹접촉 되어 있고, 상기 복수 개의 소스전극(16)은 에어브리지로 상호간에 연결되어 있다. 또한, 소스 전극 하부의 사파이어 기판 및 질화물 반도체층에 상하로 관통하는 비아홀을 형성하고, 상기 비아홀을 통해 복수 개의 소스 전극을 노출시킨다. 또한, 사파이어 기판과 질화물 반도체층의 비아홀 및 사파이어 기판을 감싸도는 금속막을 형성하여 그라운드 전극을 형성한다. 그라운드 전극은 소스 전극과 전기적으로 접촉되며, 그라운드 전극으로 인해, 소자의 열방출이 용이하게 된다. A plurality of source electrodes 16, drain electrodes 18, and gate electrodes 17 are formed on the nitride semiconductor layer. A plurality of gate electrodes 17 are formed on the carrier supply layer (or rectifying contact layer) 14 by recess etching the ohmic contact layer 15. The plurality of source electrodes 16 and the drain electrodes 18 are in ohmic contact with the ohmic contact layer 15, and the plurality of source electrodes 16 are connected to each other by an air bridge. In addition, a via hole penetrating up and down is formed in the sapphire substrate and the nitride semiconductor layer under the source electrode, and a plurality of source electrodes are exposed through the via hole. In addition, a ground electrode is formed by forming a metal film covering the sapphire substrate, the via hole of the nitride semiconductor layer, and the sapphire substrate. The ground electrode is in electrical contact with the source electrode, and the ground electrode facilitates heat dissipation of the device.

<제 4 실시예>Fourth Embodiment

도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 전계효과 트랜지스터의 사시도를 나타낸 것이다. 도 9에서 보는 바와 같이, 제4 실시예에 따른 전계효과 트랜지스터는 사파이어 기판 위에 버퍼층(12), 채널층(13), 캐리어공급층(14, 또는 정류 접촉층) 및 오믹 접촉층(15)을 포함하는 질화물 반도체층을 성장시킨 후, 상기 오믹 접촉층(15) 위에 적어도 하나 이상의 소스 전극(16) 및 드레인 전극(18)을 형성하고, 상기 오믹 접촉층을 리세스 에칭하여 노출되는 캐리어 공급층에 적어도 하나 이상의 게이트 전극(17)을 형성한다. 그리고 게이트 전극(17)을 형성한 후 에어브리지 형태(21)로 소스전극(16) 간을 연결하는 것이 바람직하다. 제4 실시예에 따른 전계효과 트랜지스터에 있어서, 질화물 반도체층의 성장 및 전극의 형성은 상기 제1 실시예 내지 제3 실시예에서 설명한 바와 동일 또는 유사하므로 상세한 설명은 생략한다.9 is a perspective view of a field effect transistor according to a fourth embodiment of the present invention. As shown in FIG. 9, the field effect transistor according to the fourth embodiment includes a buffer layer 12, a channel layer 13, a carrier supply layer 14, or a rectifying contact layer and an ohmic contact layer 15 on a sapphire substrate. After growing the nitride semiconductor layer comprising a carrier supply layer to form at least one source electrode 16 and drain electrode 18 on the ohmic contact layer 15, the ohmic contact layer is recess-etched to expose At least one gate electrode 17 is formed on the substrate. After the gate electrode 17 is formed, it is preferable to connect the source electrodes 16 to the air bridge form 21. In the field effect transistor according to the fourth embodiment, the growth of the nitride semiconductor layer and the formation of the electrode are the same as or similar to those described in the first to third embodiments, and thus the detailed description thereof will be omitted.

또한, 도 9에 도시한 것과 같이, 집적회로(IC)를 질화물 반도체 기판위에 제작하기 위하여 전계효과 트랜지스터를 제작할 때 수동소자인 저항(27), 캐패시터(26, 29), 인덕터 및 전송선로(28, 31)를 동시에 집적시킬 수 있다. In addition, as shown in FIG. 9, when fabricating field effect transistors for fabricating integrated circuits (ICs) on nitride semiconductor substrates, resistors 27, capacitors 26, 29, inductors, and transmission lines 28, which are passive elements, are fabricated. , 31) can be integrated at the same time.

이후, 사파이어 기판을 식각할 때 질화물반도체 위에 형성된 소자들을 보호하기 위하여 SiNx, SiO2, SOG(spin-on-glass)중 어느 하나 이상을 증착한다. Thereafter, at least one of SiNx, SiO 2 , and spin-on-glass (SOG) is deposited to protect devices formed on the nitride semiconductor when the sapphire substrate is etched.

보호막을 증착한 후, 사파이어 기판을 50㎛ 내지 300㎛ 두께가 되도록 연마한다. 여기서 사파이어 기판(11)의 연마는 CMP(chemical mechanical polishing), RIE 건식 식각, ICP/RIE 건식 식각, 알루미나 슬러리(Al2O3 slurry), 다이아몬드 슬러리 (diamond slurry)를 이용한 기계적 연마를 이용할 수 있고, 황산(H2SO4), 인산(H3PO4)중 적어도 어느 하나 또는 이들의 조합에 의한 혼합 용액을 식각액으로 하는 습식식각을 이용할 수 있다. 이 때, ICP/RIE 또는, RIE 의 식각 가스로는 BCL3, Cl2, HBr, Ar 중의 어느 하나 또는 이들의 혼합 가스를 사용한다. After depositing the protective film, the sapphire substrate is polished to a thickness of 50 µm to 300 µm. Here, the sapphire substrate 11 may be polished by using mechanical mechanical polishing (CMP), RIE dry etching, ICP / RIE dry etching, alumina slurry (Al 2 O 3 slurry), or diamond slurry (diamond slurry). , Wet etching using as a etching solution a mixed solution of at least one of sulfuric acid (H 2 SO 4 ) and phosphoric acid (H 3 PO 4 ) or a combination thereof can be used. At this time, any one of BCL 3 , Cl 2 , HBr, Ar, or a mixed gas thereof is used as an etching gas of ICP / RIE or RIE.

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이후, 사파이어 기판(11)의 비아홀(22, 32)을 형성하기 위하여, SiO2를 사파이어 기판에 증착하고, 사진식각기술로 소스전극(16) 하부의 사파이어 기판(11)을 노출시킨다. 비아홀(22, 32)을 형성하기 위한 사파이어 기판의 식각은 100℃ 내지 500℃ 온도의 황산(H2SO4), 인산(H3PO4)중 적어도 어느 하나 또는 이들의 조합에 의한 혼합 용액을 식각액으로 하는 습식 식각에서 사파이어 기판(11)의 식각 속도를 측정한 후, 식각할 두께보다 0.1 ㎛ 내지 5㎛정도 더한 두께가 더 식각될 시간동안 사파이어 기판(11)을 식각 용액에 담가둔다. Subsequently, in order to form the via holes 22 and 32 of the sapphire substrate 11, SiO 2 is deposited on the sapphire substrate, and the sapphire substrate 11 under the source electrode 16 is exposed by photolithography. The sapphire substrate for forming the via holes 22 and 32 may be etched using a mixed solution of at least one or a combination of sulfuric acid (H 2 SO 4 ) and phosphoric acid (H 3 PO 4 ) at a temperature of 100 ° C. to 500 ° C. After the etching rate of the sapphire substrate 11 is measured in the wet etching using the etching solution, the sapphire substrate 11 is immersed in the etching solution for a time to be etched by a thickness of 0.1 μm to 5 μm more than the thickness to be etched.

이러한 습식 식각외에도, 비아 홀(via hole) (22, 32)을 형성하기 위한 사파이어 기초기판(11)의 식각에는 RIE 또는 ICP/RIE 기술을 사용할 수 있으며, 또는 상기 습식식각과 건식 식각을 혼용하여 사용하는 것도 가능하다. 또한 비아홀(22, 32)의 형태는 원형뿐만 아니라, 다각형의 모양으로 형성시킬 수 도 있으며, 소스 전극(16) 하부외에도 게이트 전극(17)하부에 형성시키는 것도 가능하다. 게이트 전극(17) 하부에 형성시킬 때는 질화물 반도체층의 비아홀을 형성할 시에 사파이어 기초기판위에 형성될 전극이 채널층과 쇼트가 나지 않도록 버퍼층의 고저항층에만 접촉하도록 하는 것이 바람직하다. In addition to the wet etching, the sapphire base substrate 11 for forming the via holes 22 and 32 may be etched using RIE or ICP / RIE technology, or the wet and dry etching may be used in combination. It is also possible to use. In addition, the via holes 22 and 32 may be formed not only in a circular shape but also in a polygonal shape, and may be formed in the lower portion of the gate electrode 17 in addition to the lower portion of the source electrode 16. When the gate electrode 17 is formed under the gate electrode 17, it is preferable that the electrode to be formed on the sapphire base substrate is in contact with only the high resistance layer of the buffer layer so as not to short-circuit the channel layer when forming the via hole of the nitride semiconductor layer.

이후 RIR 또는 ICP/RIE를 사용하여 사파이어 비아홀에 노출된 질화물반도체를 식각하여 소스전극(16)을 노출시킨다. 식각가스로는 BCl3, Cl2, Ar, HBr중 어느하나 이상을 조합하여 사용하는 것이 바람직하다. 이후 사파이어 기판과 질화물 반도체층의 비아홀 및 사파이어 기판을 감싸도록 형성되는 금속막을 형성하여, 그라운드 전극(19)을 형성한 후, 소자를 개별칩으로 분리하면 된다. 그라운드 전극은 Ti, Al, Ni, Au, Pt, Cr중 선택되는 어느 하나의 단일층 또는 어느 하나 이상을 포함하는 금속 조합의 복수층 또는 합금으로 형성하는 것이 바람직하다. 여기서 비아홀은 소스전극(16)과 그라운드(19)를 전기적으로 연결하는 역할을 할 뿐만 아니라 전계효과 트랜지스터에서 발생한 열을 외부에 효과적으로 방출하는 역할을 한다. Thereafter, the nitride semiconductor exposed to the sapphire via hole is etched using RIR or ICP / RIE to expose the source electrode 16. As the etching gas, it is preferable to use a combination of any one or more of BCl 3 , Cl 2 , Ar, HBr. Thereafter, a metal film formed to surround the sapphire substrate, the via hole of the nitride semiconductor layer, and the sapphire substrate is formed, the ground electrode 19 is formed, and then the devices may be separated into individual chips. The ground electrode is preferably formed of a single layer of any one selected from Ti, Al, Ni, Au, Pt, Cr, or a plurality of layers or alloys of metal combinations including any one or more. Here, the via hole not only serves to electrically connect the source electrode 16 and the ground 19, but also effectively discharges heat generated from the field effect transistor to the outside.

따라서 사파이어 비아홀을 관통하여 에피와 접촉하는 그라운드 전극(19)을 형성함으로서 외부에 열방출이 용이하게 되고, 전송선로 현태를 마이크로 스트립 라인(micro strip line)으로 형성할 수 있으므로 고주파 집적회로를 용이하게 제작 할 수 있다.Therefore, by forming a ground electrode 19 through the sapphire via hole to contact the epi, heat dissipation can be easily performed to the outside, and the state of the transmission line can be formed as a micro strip line, thereby facilitating a high frequency integrated circuit. I can make it.

제4 실시예에서 제조된 전계효과 트랜지스터의 특징을 요약하면 다음과 같다. The characteristics of the field effect transistor manufactured in the fourth embodiment are as follows.

질화물 반도체 층위에 복수 개의 소스(16), 드레인(18) 및 게이트 전극(17), 저항(27), 캐패시터(26, 30), 인덕터, 전송선로(31)가 형성되어 있으며, 게이트 전극(17)은 오믹접촉층(15)을 리세스 에칭(recess etching)하여 노출되는 캐리어 공급층(또는 정류접촉층)(14)위에 형성되어 있다. 복수 개의 소스 전극(16) 및 드레인 전극(18)은 반도체 오믹접촉층(15)과 오믹접촉 되어 있고 게이트 전극(17)은 반도체 층과 정류성(Schottky) 접촉되어 있다. 소스 전극(16), 드레인 전극(18), 전송선로 및 게이트 전극(17)은 Ti, Al, Pt, Ni, Au, Cr 중 선택되는 어느 하나의 단일층 또는 어느 하나 이상을 포함하는 금속조합의 복수층 또는 합금으로 형성되어 있다. 또한 전계효과 트랜지스터는 열방출이 용이하도록 소스전극(16) 하부에 위치한 사파이어 기판(11)에 형성된 비아홀을 관통하여 반도체층 및 소스전극(16)과 전기적으로 연결(inter-connection)된 그라운드 전극(19)을 포함하며, 그라운드 전극(19)은 Ti, Al, Pt, Au, Ni, Cr중 어느하나의 이상의 복수층 또는 합금으로 형성되어 열방출이 용이하도록 설계되어 있다.A plurality of sources 16, drains 18 and gate electrodes 17, resistors 27, capacitors 26 and 30, inductors and transmission lines 31 are formed on the nitride semiconductor layer, and gate electrodes 17 are formed. ) Is formed on the carrier supply layer (or rectifying contact layer) 14 exposed by recess etching the ohmic contact layer 15. The plurality of source and drain electrodes 16 and 18 are in ohmic contact with the semiconductor ohmic contact layer 15, and the gate electrode 17 is in Schottky contact with the semiconductor layer. The source electrode 16, the drain electrode 18, the transmission line and the gate electrode 17 are formed of a metal layer including any one layer or any one or more selected from Ti, Al, Pt, Ni, Au, and Cr. It is formed of multiple layers or alloys. In addition, the field effect transistor may be a ground electrode electrically connected to the semiconductor layer and the source electrode 16 through a via hole formed in the sapphire substrate 11 under the source electrode 16 to facilitate heat dissipation. 19), and the ground electrode 19 is formed of a plurality of layers or alloys of any one of Ti, Al, Pt, Au, Ni, and Cr, and is designed to facilitate heat dissipation.

본 발명에서는 건식 또는 습식 식각을 이용하여 사파이어 기판내에 비아홀을 형성하기 때문에 생산성이 크게 향상되며, 사파이어 기판을 관통하는 비아홀을 통하여 그라운드 전극(19)이 질화물 반도체층 또는전계효과 트랜지스터의 소스전극(16)과 연결함으로서 외부로 열방출이 용이하게 이루어 진다. 또한 사파이어 기판과 질화물반도체 간에 식각 선택 비를 활용함으로서 공정의 재현성을 용이하게 향상시킬 수 있으며, 표준화된 공정이 가능하여 대량생산이 용이해진다.In the present invention, since the via holes are formed in the sapphire substrate by using dry or wet etching, the productivity is greatly improved, and the ground electrode 19 is the source electrode 16 of the nitride semiconductor layer or the field effect transistor through the via hole passing through the sapphire substrate. ) Can be easily released to the outside heat. In addition, by utilizing the etching selectivity between the sapphire substrate and the nitride semiconductor can be easily improved the reproducibility of the process, and the standardized process is possible to facilitate mass production.

이상과 같이 본 발명과 같은 구조의 전계효과 트랜지스터에서는 사파이어 기판내에 비아 홀을 형성하여 질화물 반도체층을 노출시켜 금속으로 반도체층과 비아홀을 열결시킴으로서 질화물 반도체에서 발생한 열을 비아홀을 통하여 용이하게 방출 시킬 수 있으며, 비아홀을 통하여 반도체 층위에 형성된 소스와 전기적으로 연결(inter-connection)시킴으로서 사파이어 기판위에 그라운드가 형성된 마이크로 스트립라인(micro strip line)의 전송선로를 갖는 집적회로를 구성 시킬 수 있어 보다 간편한 회로구성이 가능하여 칩의 스케일 다운은 물론, 신호의 잡음을 억제 시킬 수 있어 고성능 고출력/고주파 전자소자 및 집적회로(MMIC)제작이 가능하게 된다.As described above, in the field effect transistor having the structure of the present invention, the via hole is formed in the sapphire substrate to expose the nitride semiconductor layer, thereby thermally forming the semiconductor layer and the via hole with a metal, thereby easily dissipating heat generated from the nitride semiconductor through the via hole. By connecting the source formed on the semiconductor layer through the via-hole, the circuit can be configured to have an integrated circuit having a transmission line of a micro strip line with a ground formed on the sapphire substrate. This enables not only scale down of the chip but also noise suppression of the signal, thus enabling the production of high performance high output / high frequency electronic devices and integrated circuits (MMIC).

본 발명에서는 이면 연마와 건식 또는 습식 식각을 이용하여 사파이어 기판위 또는 반도체층에 비아 홀을 형성하기 때문에 사파이어 기판위에 성장한 질화물반도체에 있어서도 사파이어 기판내에 비아홀을 형성함으로서 사파이어 기초기판위에 그라운드 전극형성이 가능한 공정을 용이하게 달성할 수 있어 집적회로 제작은 물론, 생산성을 크게 높일 수 있고, 사파이어 기판과 질화물반도체 간에 식각 선택 비를 활용함으로서 공정의 재현성을 용이하게 향상시킬 수 있으며, 표준화된 공정이 가능하여 대량생산이 용이해진다.In the present invention, the via hole is formed on the sapphire substrate or the semiconductor layer by using back surface polishing and dry or wet etching, so that even if the nitride semiconductor is grown on the sapphire substrate, via holes are formed in the sapphire substrate to form a ground electrode on the sapphire substrate. Since the process can be easily achieved, the integrated circuit fabrication and productivity can be greatly increased, and the reproducibility of the process can be easily improved by utilizing the etching selectivity between the sapphire substrate and the nitride semiconductor, and the standardized process is possible. Mass production becomes easy.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 벗어나지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 알 수 있음을 밝혀두고자 한다. While the invention has been shown and described with respect to particular embodiments, it will be understood that various changes and modifications can be made in the art without departing from the spirit or scope of the invention as set forth in the claims below. It will be appreciated that those skilled in the art can easily know.

Claims (31)

상하로 관통되도록 형성된 비아홀(via hole)을 갖는 사파이어기초기판;A sapphire base substrate having a via hole formed to penetrate up and down; 상기 사파이어 기초기판 위에 형성되고, 버퍼층, 채널층, 제1 캐리어 공급층 및 오믹 접촉층을 포함하며, 상기 사파이어 기초기판의 비아홀과 연결되도록 상하로 관통하는 비아홀을 갖는 질화물 반도체층;A nitride semiconductor layer formed on the sapphire base substrate, the nitride semiconductor layer including a buffer layer, a channel layer, a first carrier supply layer, and an ohmic contact layer, and having a via hole penetrating up and down to be connected to the via hole of the sapphire base substrate; 상기 사파이어 기초기판의 하부면, 사파이어 기초기판의 비아홀 및 질화물 반도체층의 비아홀과 접촉하도록 형성되는 금속막;A metal film formed to contact the lower surface of the sapphire base substrate, the via hole of the sapphire base substrate, and the via hole of the nitride semiconductor layer; 상기 질화물계반도체층 위에 형성된 적어도 하나 이상의 소스 전극, 드레인전극 또는 게이트 전극;을 포함하는 전계효과 트랜지스터.And at least one source electrode, drain electrode, or gate electrode formed on the nitride based semiconductor layer. 제 1항에 있어서, 상기 금속막은 상기 버퍼층, 제1 캐리어 공급층 또는 오믹 접촉층 중 적어도 어느 하나와 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 전계효과 트랜지스터.The field effect transistor of claim 1, wherein the metal layer is electrically connected to at least one of the buffer layer, the first carrier supply layer, and the ohmic contact layer. 제 1항에 있어서, 상기 금속막은 상기 소스 전극과 전기적으로 연결 (inter-connection)되는 것을 특징으로 하는 전계효과 트랜지스터.The field effect transistor of claim 1, wherein the metal layer is electrically connected to the source electrode. 제 1항에 있어서, 상기 소스 전극 및 드레인 전극은 상기 오믹 접촉층과 오믹접촉되어 있는 것을 특징으로 하는 전계효과 트랜지스터.The field effect transistor according to claim 1, wherein the source electrode and the drain electrode are in ohmic contact with the ohmic contact layer. 제 1항에 있어서, 상기 게이트 전극은 상기 오믹접촉층을 리세스 에칭하여 노출되는 캐리어 공급층과 정류성 접촉 (Schottky contact)이 되어 있는 것을 특징으로 하는 전계효과 트랜지스터.The field effect transistor according to claim 1, wherein the gate electrode is in a Schottky contact with a carrier supply layer exposed by recess etching the ohmic contact layer. 제 1항에 있어서, 상기 적어도 하나 이상의 소스 전극, 드레인 전극 또는 게이트 전극은 Ti, Al, Pt, Au, Ni, Cr중 선택되는 어느 하나의 단일층 또는 어느 하나 이상을 포함하는 금속 조합의 복수층 또는 합금으로 형성되는 것을 특징으로 하는 전계효과 트랜지스터.The plurality of layers of claim 1, wherein the at least one source electrode, the drain electrode, or the gate electrode comprises any one single layer selected from Ti, Al, Pt, Au, Ni, Cr, or any one or more metal combinations. Or a field effect transistor, characterized in that formed of an alloy. 삭제delete 제 1항에 있어서, 상기 복수 개의 소스 전극은 에어브리지(air bridge)전극으로 상호간 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전계효과 트랜지스터.The field effect transistor of claim 1, wherein the plurality of source electrodes are connected to each other by an air bridge electrode. 삭제delete 삭제delete 제 1항에 있어서, 질화물 반도체층은 버퍼층과 채널층 사이에 구성되는 제 2캐리어공급층을 더 포함하고,The nitride carrier layer of claim 1, further comprising a second carrier supply layer formed between the buffer layer and the channel layer. 상기 제1 캐리어 공급층 또는 제2 캐리어 공급층은 정류 접촉층인 것을 특징으로 하는 전계효과 트랜지스터.And the first carrier supply layer or the second carrier supply layer is a rectifying contact layer. 제 11항에 있어서, 상기 버퍼층, 채널층, 제1 캐리어 공급층, 제2 캐리어 공급층 또는 오믹접촉층은 Inx(GayAl1-y)N (1≥x≥0, 1≥y≥0, x+y>0)인 질화물 반도체로 구성된 전계효과 트랜지스터.The method of claim 11, wherein the buffer layer, the channel layer, the first carrier supply layer, the second carrier supply layer or the ohmic contact layer is In x (Ga y Al 1-y ) N (1≥x≥0, 1≥y≥ A field effect transistor composed of a nitride semiconductor of 0, x + y> 0). 제 1항에 있어서, 상기 제1 캐리어 공급층 및 오믹 접촉층은 n-형 반도체, 또는 p-형 반도체인 것을 특징으로 하는 전계효과 트랜지스터.The field effect transistor according to claim 1, wherein the first carrier supply layer and the ohmic contact layer are n-type semiconductors or p-type semiconductors. 제 13항에 있어서, 상기 n-형 반도체는 Si으로 도핑하고, p-형 반도체는 Mg으로 도핑된 것을 특징으로 하는 전계효과 트랜지스터.15. The field effect transistor of claim 13, wherein the n-type semiconductor is doped with Si and the p-type semiconductor is doped with Mg. 제 14항에 있어서, 상기 제1 캐리어 공급층, 오믹 접촉층의 도핑농도는 1015/㎤내지 1018/㎤인 것을 특징으로 하는 전계효과 트랜지스터. 15. The field effect transistor of claim 14, wherein the doping concentration of the first carrier supply layer and the ohmic contact layer is in the range of 10 15 / cm 3 to 10 18 / cm 3. 제 1항에 있어서, 상기 버퍼층은 고저항층으로써, 상기 버퍼층의 비저항은 1Ω㎝ 내지 106Ω㎝인 것을 특징으로 하는 전계효과 트랜지스터.The field effect transistor according to claim 1, wherein the buffer layer is a high resistance layer, and the specific resistance of the buffer layer is in the range of 1 Ωcm to 10 6 Ωcm. 제 12항에 있어서, 상기 채널의 밴드갭은 제1 캐리어 공급층 또는 제2 캐리어 공급층의 밴드갭보다 작은 것을 특징으로 하는 전계효과 트랜지스터.13. The field effect transistor of claim 12, wherein a band gap of the channel is smaller than a band gap of the first carrier supply layer or the second carrier supply layer. 제 1항에 있어서, 상기 반도체층위에 바이어스 라인, 캐패시터, 저항, 전송선로와 함께 집적된 전계효과 트랜지스터.The field effect transistor of claim 1, wherein the field effect transistor is integrated with a bias line, a capacitor, a resistor, and a transmission line on the semiconductor layer. a. 사파이어 기초 기판 위에 버퍼층, 채널층, 캐리어 공급층 및 오믹접촉층을 포함하는 복수 층의 질화물 반도체층을 형성하고, 상기 복수 층의 질화물 반도체층 위에 소스 전극, 드레인 전극 및 게이트 전극을 형성하는 단계;a. Forming a plurality of nitride semiconductor layers including a buffer layer, a channel layer, a carrier supply layer, and an ohmic contact layer on the sapphire base substrate, and forming a source electrode, a drain electrode, and a gate electrode on the plurality of nitride semiconductor layers; b. 상기 사파이어 기초 기판을 랩핑 및 연마하는 단계;b. Lapping and polishing the sapphire based substrate; c. 상기 기초 기판 표면에 보호막을 형성하는 단계;c. Forming a protective film on a surface of the base substrate; d. 상기 사파이어 기초 기판 위의 보호막을 사진 식각하여 상기 기초 기판 표면을 일부 노출시키는 단계;d. Photo-etching the passivation layer on the sapphire base substrate to partially expose the surface of the base substrate; e. 상기 사파이어 기초 기판의 표면이 노출된 부분과 그 하부의 질화물 반도체층을 식각하여 비아 홀(via hole)를 형성하는 단계; 및e. Forming via holes by etching the exposed portions of the sapphire base substrate and the nitride semiconductor layers thereunder; And f. 상기 비아홀(via hole)를 관통하여 반도체층, 소스전극 중 적어도 어느하나 이상과 연결되는 금속막을 형성하는 단계;를 포함하는 전계효과 트랜지스터의 제조 방법.f. And forming a metal film connected to at least one of the semiconductor layer and the source electrode through the via hole. 제 19항에 있어서,The method of claim 19, 상기 a 단계 후에 질화물 반도체층위에 저항, 캐패시터, 인덕터, 전송선로를 형성하는 단계를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 전계효과 트랜지스터의 제조 방법.And forming a resistor, a capacitor, an inductor, and a transmission line on the nitride semiconductor layer after step a. 제 19항에 있어서,The method of claim 19, 상기 a 단계에 대하여, 상기 소스전극 및 게이트전극을 형성하기 위하여, Ni, Pt, Ti, Al, Au, Cr중 어느 하나의 단일층 또는 어느 하나 이상을 포함하는 금속 조합의 복수층 또는 합금을 증착하여 질소 또는 산소를 포함하는 분위기의 퍼니스(furnace)에서 200℃ 내지 700℃ 사이의 온도로 열처리하는 단계를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 전계효과 트랜지스터의 제조 방법.In step a, in order to form the source electrode and the gate electrode, a plurality of layers or alloys of metal combinations including any one or more than one of Ni, Pt, Ti, Al, Au, and Cr are deposited. And heat-treating at a temperature between 200 ° C and 700 ° C in a furnace containing nitrogen or oxygen. 제 19항에 있어서,The method of claim 19, 상기 b 단계에 대하여, 사파이어 기초 기판을 랩핑 및 연마하기 위하여, CMP(chemical mechanical polishing), 기계적 연마, 습식식각 중 적어도 어느 하나의 조합으로 하는 것을 특징으로 하는 전계효과 트랜지스터의 제조 방법.In step b, a method of manufacturing a field effect transistor, characterized in that the combination of at least one of chemical mechanical polishing (CMP), mechanical polishing, wet etching to wrap and polish the sapphire base substrate. 제 19항에 있어서,The method of claim 19, 상기 b 단계에 대하여, 사파이어 기초 기판을 랩핑 및 연마할 때, 상기 사파이어 기초 기판 두께를 30㎛내지 300㎛ 두께가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 전계효과 트랜지스터의 제조 방법.In the step b, when the sapphire base substrate is wrapped and polished, the thickness of the sapphire base substrate is 30 μm to 300 μm. 제 19항에 있어서,The method of claim 19, 상기 d 단계 및 e 단계에 대하여, 습식식각을 할 때, 황산(H2SO4), 인산(H3PO4)중 어느 하나 또는 이들의 조합에 의한 혼합 용액을 주 식각액으로 사용하는 것을 특징으로 하는 전계효과 트랜지스터의 제조 방법.In the d and e steps, when wet etching, a mixed solution of any one of sulfuric acid (H 2 SO 4 ), phosphoric acid (H 3 PO 4 ) or a combination thereof is used as a main etching solution. A method of manufacturing a field effect transistor. 제 19항에 있어서, The method of claim 19, 상기 e 단계에서 상기 사파이어 기초기판의 비아홀(via hole)를 형성하기 위하여, 황산(H2SO4), 인산(H3PO4)중 어느 하나 또는 이들의 조합에 의한 혼합 용액을 주 식각액으로 사용하는 것을 특징으로 하는 전계효과 트랜지스터의 제조 방법.In order to form a via hole of the sapphire base substrate in step e, a mixed solution of sulfuric acid (H 2 SO 4 ), phosphoric acid (H 3 PO 4 ) or a combination thereof is used as a main etching solution. Method for producing a field effect transistor, characterized in that. 제25항에 있어서, The method of claim 25, 상기 식각액은 100℃ 내지 500℃의 온도로 가열된 상태에서 사용되는 것을 특징으로 하는 전계효과 트랜지스터의 제조 방법.The etching solution is a method of manufacturing a field effect transistor, characterized in that used in a state heated to a temperature of 100 ℃ to 500 ℃. 제19항에 있어서, The method of claim 19, 상기 e 단계에 대하여, 사파이어 기초기판의 비아홀(via hole)를 형성하기 위하여 황산(H2SO4), 인산(H3PO4)중 어느 하나 또는 이들의 조합에 의한 혼합 용액을 식각액으로 사용하는 습식 식각과 ICP/RIE 또는 RIE 건식 식각을 병행하는 것을 특징으로 하는 전계효과 트랜지스터의 제조 방법.For step e, a mixed solution of any one of sulfuric acid (H 2 SO 4 ), phosphoric acid (H 3 PO 4 ) or a combination thereof is used as an etching solution to form via holes in the sapphire base substrate. A method for manufacturing a field effect transistor, comprising wet etching and ICP / RIE or RIE dry etching in parallel. 제 27항에 있어서, The method of claim 27, 상기 사파이어 기초기판을 식각하는데에는 상기 습식 식각이 사용되고, 상기 질화물 반도체층을 식각하는데에는 건식 식각이 사용되는 전계효과 트랜지스터의 제조 방법.The wet etching is used to etch the sapphire base substrate, and the dry etching is used to etch the nitride semiconductor layer. 제 28항에 있어서, The method of claim 28, 상기 버퍼층을 Mg도핑한 Inx(GayAl1-y)N (1≥x≥0, 1≥y≥0, x+y>0)질화물 반도체층을 상기 습식 식각의 식각 정지층으로 활용하는 전계효과 트랜지스터의 제조 방법. Mg-doped In x (Ga y Al 1-y ) N (1≥x≥0, 1≥y≥0, x + y> 0) nitride semiconductor layer is used as an etch stop layer of the wet etching. Method for manufacturing a field effect transistor. 제 29항에 있어서, The method of claim 29, 상기 버퍼층을 SiO2의 클러스터를 형성하여 성장함으로서 SiO2를 상기 습식 식각의 식각 정지층으로 활용하는 전계효과 트랜지스터의 제조 방법. The method for producing a field effect transistor that utilizes the buffer layer as an etch stop layer for the wet etching of SiO 2 by growth to form the cluster of SiO 2. 제 27항에 있어서, The method of claim 27, 상기 건식 식각은 BCL3, Cl2, HBr, Ar 중의 적어도 하나를 식각 가스로 사용하는 전계효과 트랜지스터의 제조 방법.The dry etching is a method of manufacturing a field effect transistor using at least one of BCL 3 , Cl 2 , HBr, Ar as an etching gas.
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