KR101873219B1 - GaN-BASED POWER SWITCHING DEVICE - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 질화갈륨계 전력 스위칭 장치에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 AlGaN/GaN 이종접합 전력 반도체 소자에 있어서, 스위칭 구동 신호를 증폭하는 게이트 전류 부스터를 단일 스테이지로 구성하여 전력 스위칭 소자가 형성된 칩 내에 집적하는 질화갈륨계 전력 스위칭 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a gallium nitride-based power switching device, and more particularly, to an AlGaN / GaN heterojunction power semiconductor device in which a gate current booster for amplifying a switching driving signal is formed as a single stage, To a gallium nitride based power switching device.
실리콘(Si) 기반의 전력 반도체의 기술 개발이 한계에 도달함에 따라 넓은 밴드갭을 가진 실리콘카바이드(SiC) 및 질화갈륨(GaN)계 반도체는 고전력 및 고효율 스위칭 동작에 적합한 우수한 소재 특성으로 인해 차세대 전력 반도체로 큰 주목을 받고 있다. SiC와는 달리, 질화알루미늄갈륨(AlGaN)을 GaN 상에 성장시킨 GaN 기반의 전자 디바이스는 2차원 전자가스(2DEG)를 계면에 형성하여 고성능 이종접합 구조를 갖도록 제조될 수 있다. AlGaN/GaN 이종접합 구조는 강한 이동성을 갖는 높은 캐리어 밀도와 낮은 온-저항 및 주파수 성능을 제공하는 분극 효과를 가지며, 이로 인하여 낮은 전력 손실 및 고효율 RF 전력 증폭으로 빠른 스위칭 동작을 가능하게 한다.Silicon carbide (SiC) and gallium nitride (GaN) based semiconductors with wide bandgap have been developed to meet the requirements of next generation power Semiconductors are attracting much attention. Unlike SiC, a GaN-based electronic device in which aluminum gallium nitride (AlGaN) is grown on GaN can be fabricated to have a high-performance heterojunction structure by forming a two-dimensional electron gas (2DEG) at the interface. The AlGaN / GaN heterojunction structure has a polarization effect that provides high carrier density and low on-resistance and frequency performance with strong mobility, thereby enabling fast switching operation with low power loss and high efficiency RF power amplification.
스위칭 속도가 높아지면 전력 집적 회로(IC)의 수동 소자가 더 작아지기 때문에 전체 전력 모듈 크기 및 무게가 감소한다. 반면에, 파워 스위칭 전계 효과 트랜지스터(FET)의 게이트 드라이버에는 많은 주의를 기울여야 한다. 스위칭 속도가 빨라짐에 따라, 온/오프 전환 시간 주기마다 발생하는 스위칭 전력 손실은 전반적인 전력 변환 효율에 중요한 영향을 미치게 된다. 전환 시간의 길이는 스위칭 FET의 게이트 커패시턴스가 얼마나 빨리 충방전되는지에 좌우된다. 일반적으로, 게이트 구동 신호는 고전류를 제공할 수 없는 논리 회로 또는 마이크로 프로세서의 컨트롤러 IC에 의해 생성되며, 이에 따라, 스위칭 FET의 충방전 속도를 제한한다. 컨트롤러 IC로부터의 로우 레벨 입력 신호를 승압하고, 승압된 전류를 파워 스위칭 FET에 공급하여 빠른 스위칭 동작을 가능하게 하는 구성이 게이트 드라이버, 즉, 게이트 전류 부스터(Gate current booster)이다.Higher switching speeds reduce the overall power module size and weight because the passive components of the power integrated circuit (IC) are smaller. On the other hand, a great deal of attention must be paid to the gate driver of a power switching field effect transistor (FET). As the switching speed increases, the switching power loss occurring every on / off switching time period has a significant effect on the overall power conversion efficiency. The length of the switching time depends on how quickly the gate capacitance of the switching FET is charged and discharged. Generally, the gate drive signal is generated by a logic circuit or microprocessor's controller IC that can not provide a high current, thereby limiting the charge-discharge rate of the switching FET. A gate current booster is a configuration in which a low level input signal from a controller IC is boosted and a boosted current is supplied to a power switching FET to enable a fast switching operation.
일반적인 형태의 게이트 전류 부스터는, 도 1에 도시된 바와 같이 CMOS 푸시풀 인버터 체인(10)을 이용하여 스위칭 FET(20)의 게이트 커패시턴스의 빠른 충방전을 가능하게 하는 구조를 가진다. 이때, 인버터 체인(10)의 각 스테이지(Stage)는 한 쌍의 PMOS와 CMOS로 구성된다. 컨트롤러 IC로부터의 로우 레벨 입력 전류가 각 스테이지에서 부스팅되므로, 게이트 전류 부스터의 최종 출력 전류 레벨을 스테이지 수에 비례하게 된다. 따라서, 빠른 스위칭 동작을 위해서는 인버터 체인(10) 내 스테이지 수를 증가시켜야 하고, 이에 따라 회로의 면적이 증가하게 되는 문제점이 있다.A typical type of gate current booster has a structure that allows fast charge and discharge of the gate capacitance of the switching
또한, 종래의 전력 반도체 소자는, 스위칭 FET과 게이트 드라이버 회로 간 상호 연결로 인해 기생 효과, 즉, 구동 신호에서 오버슈트 링잉(Overshoot Ringing) 현상이 유발되어 안전 동작 영역이 제한되는 문제점이 있다.In addition, the conventional power semiconductor device has a problem that the parasitic effect, that is, the overshoot ringing phenomenon, occurs due to the interconnection between the switching FET and the gate driver circuit, thereby limiting the safe operation region.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 인버터의 CMOS 구성인 NMOS와 PMOS를 질화갈륨계 MOS-HFET 및 저항으로 대체함으로써 단일 스테이지 인버터 구조로도 전력 스위치의 구동 전류를 충분히 부스팅할 수 있는 질화갈륨계 전력 스위칭 장치를 제공하는데 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in order to solve the above problems of the prior art, and it is an object of the present invention to provide a CMOS inverter which can sufficiently boost the driving current of a power switch even in a single stage inverter structure by replacing NMOS and PMOS, which are CMOS structures of an inverter, with a gallium nitride- The present invention is directed to a gallium nitride based power switching device.
또한, 본 발명은 AlGaN/GaN 이종접합 구조를 가지는 MOS-HFET 및 메사 저항을 인버터 단으로 구성함으로써, 인버터 회로를 AlGaN/GaN 이종접합 전력 스위칭 FET과 동일 기판 상에 집적할 수 있는 바, 인버터 회로를 구성하기 위한 추가적인 공정을 필요로 하지 않을 뿐 아니라 회로 간 연결로 인하여 발생되는 기생 효과를 방지할 수 있는 질화갈륨계 전력 스위칭 장치를 제공하는데 목적이 있다.Further, the present invention can integrate the inverter circuit on the same substrate as the AlGaN / GaN heterojunction power switching FET by constructing the MOS-HFET and the mesa resistor having the AlGaN / GaN heterojunction structure as the inverter stages, The present invention provides a gallium nitride based power switching device that does not require any additional process for constructing a gallium nitride based semiconductor device and can prevent a parasitic effect caused by inter-circuit connection.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예는, 전력 스위칭 트랜지스터, 및 상기 전력 스위칭 트랜지스터의 구동 신호를 입력받고 상기 구동 신호를 증폭하여 구동 게이트 전류를 생성하는 게이트 전류 부스터가 일체화되어 형성된 모놀리식 집적 회로칩 구조를 가지는 질화갈륨계 전력 스위칭 장치에 있어서, 상기 게이트 전류 부스터는, 소스 단자는 접지되고, 게이트 단자를 통하여 상기 구동 신호를 인가받으며, 드레인 단자는 상기 전력 스위칭 트렌지스터의 게이트 단자에 연결된 구동 트랜지스터; 및 일단은 상기 전력 스위칭 트렌지스터의 게이트 단자에 연결되고, 타단은 제1 전원에 연결되어, 가변적인 저항값을 제공하는 가변 저항을 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a power switching device including a power switching transistor, and a gate current booster for receiving a driving signal of the power switching transistor and amplifying the driving signal to generate a driving gate current, A GaN-based power switching device having an integrated circuit chip structure, wherein the gate current booster has a source terminal grounded and receiving the drive signal through a gate terminal, and a drain terminal connected to a gate terminal of the power switching transistor A coupled driving transistor; And a variable resistor having one end connected to the gate terminal of the power switching transistor and the other end connected to the first power supply to provide a variable resistance value.
여기서, 상기 구동 트랜지스터는, 기판; 상기 기판 위에 형성된 질화갈륨계 물질인 버퍼층; 상기 버퍼층 위에 형성된 질화알루미늄갈륨계 물질인 배리어층; 상기 배리어층 위에 형성된 게이트 절연층; 상기 게이트 절연층을 관통하여 상기 배리어층에 접하여 위치하는 제1 소스 전극 및 제1 드레인 전극; 및 상기 제1 소스 전극 및 상기 제1 드레인 전극 사이에 위치하며, 상기 게이트 절연층에 의하여 상기 배리어층과 이격되는 제1 게이트 전극을 포함할 수 있다.Here, the driving transistor may include: a substrate; A buffer layer which is a gallium nitride material formed on the substrate; A barrier layer which is an aluminum gallium nitride-based material formed on the buffer layer; A gate insulating layer formed on the barrier layer; A first source electrode and a first drain electrode which are located in contact with the barrier layer through the gate insulating layer; And a first gate electrode located between the first source electrode and the first drain electrode and spaced apart from the barrier layer by the gate insulating layer.
또한, 상기 가변 저항은, 기판; 상기 기판 위에 형성된 질화갈륨계 물질인 버퍼층; 상기 버퍼층 위에 형성된 질화알루미늄갈륨계 물질인 배리어층; 상기 배리어층 위에 형성된 게이트 절연층; 및 상기 게이트 절연층을 관통하여 상기 배리어층에 접하여 위치하는 제1 오믹 전극 및 제2 오믹 전극을 포함할 수 있다.The variable resistor may further include: a substrate; A buffer layer which is a gallium nitride material formed on the substrate; A barrier layer which is an aluminum gallium nitride-based material formed on the buffer layer; A gate insulating layer formed on the barrier layer; And a first ohmic electrode and a second ohmic electrode disposed in contact with the barrier layer through the gate insulating layer.
한편, 상기 가변 저항은, 상기 구동 트랜지스터와 동일 기판 상에 집적되어, 상기 기판; 상기 버퍼층; 상기 배리어층; 상기 게이트 절연층; 및 상기 게이트 절연층을 관통하여 상기 배리어층에 접하여 위치하는 제1 오믹 전극 및 제2 오믹 전극을 포함할 수 있다.On the other hand, the variable resistor is integrated on the same substrate as the driving transistor, The buffer layer; The barrier layer; The gate insulating layer; And a first ohmic electrode and a second ohmic electrode disposed in contact with the barrier layer through the gate insulating layer.
또한, 상기 전력 스위칭 트랜지스터는, 기판; 상기 기판 위에 형성된 질화갈륨계 물질인 버퍼층; 상기 버퍼층 위에 형성된 질화알루미늄갈륨계 물질인 배리어층; 상기 배리어층 위에 형성된 게이트 절연층; 상기 게이트 절연층을 관통하여 상기 배리어층에 접하여 위치하는 제2 소스 전극 및 제2 드레인 전극; 및 상기 제2 소스 전극 및 상기 제2 드레인 전극 사이에 위치하며, 상기 게이트 절연층에 의하여 상기 배리어층과 이격되는 제2 게이트 전극을 포함할 수 있다.The power switching transistor may further include: a substrate; A buffer layer which is a gallium nitride material formed on the substrate; A barrier layer which is an aluminum gallium nitride-based material formed on the buffer layer; A gate insulating layer formed on the barrier layer; A second source electrode and a second drain electrode penetrating the gate insulating layer and located in contact with the barrier layer; And a second gate electrode located between the second source electrode and the second drain electrode and spaced apart from the barrier layer by the gate insulating layer.
상기 전력 스위칭 트랜지스터는, 상기 구동 트랜지스터 또는 상기 가변 저항 및 상기 구동 트랜지스터와 동일 기판 상에 집적되어, 상기 기판; 상기 버퍼층; 상기 배리어층; 상기 게이트 절연층; 상기 게이트 절연층을 관통하여 상기 배리어층에 접하여 위치하는 제2 소스 전극 및 제2 드레인 전극; 및 상기 제2 소스 전극 및 상기 제2 드레인 전극 사이에 위치하며, 상기 게이트 절연층에 의하여 상기 배리어층과 이격되는 제2 게이트 전극을 포함할 수 있다.Wherein the power switching transistor is integrated on the same substrate as the driving transistor or the variable resistor and the driving transistor, The buffer layer; The barrier layer; The gate insulating layer; A second source electrode and a second drain electrode penetrating the gate insulating layer and located in contact with the barrier layer; And a second gate electrode located between the second source electrode and the second drain electrode and spaced apart from the barrier layer by the gate insulating layer.
또한, 상기 제1 소스 전극 및 상기 제1 드레인 전극의 소스-드레인 거리인 제1 거리는, 상기 제2 소스 전극 및 상기 제2 드레인 전극의 소스-드레인 거리인 제2 거리의 2분의 1일 수 있다.The first distance, which is the source-drain distance of the first source electrode and the first drain electrode, may be a half of the second distance that is the source-drain distance of the second source electrode and the second drain electrode. have.
전술한 본 발명에 따르면, 전력 스위치의 구동 신호를 부스팅하기 위한 인버터의 CMOS 회로를 질화갈륨계 MOS-HFET 및 저항으로 대체함으로써 단일 스테이지 구조로도 부스팅 효율을 극대화할 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, by replacing the CMOS circuit of the inverter for boosting the drive signal of the power switch with the gallium nitride-based MOS-HFET and the resistor, boosting efficiency can be maximized even in a single stage structure.
또한, 본 발명에 따르면, 인버터 회로를 AlGaN/GaN 이종접합 전력 스위칭 FET과 동일 기판 상에 모놀리식 집적 회로로 구현함으로써, 인버터 회로를 구성하기 위한 추가적인 공정을 필요로 하지 않을 뿐 아니라 회로 간 연결로 인하여 발생되는 구동 신호의 오버슈트 링잉 현상을 방지할 수 있는 효과가 있다.Further, according to the present invention, since the inverter circuit is implemented as a monolithic integrated circuit on the same substrate as the AlGaN / GaN heterojunction power switching FET, no additional process is required to construct the inverter circuit, It is possible to prevent an overshoot ringing phenomenon of a driving signal caused by the driving signal.
도 1은 종래의 게이트 전류 부스터를 적용한 전력 스위칭 장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 질화갈륨계 전력 스위칭 장치를 도시한 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 질화갈륨계 전력 스위칭 장치의 구동 트랜지스터 및 전력 스위칭 트랜지스터의 구조를 도시한 수직 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 질화갈륨계 전력 스위칭 장치의 가변 저항의 부하 구조를 도시한 수직 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 질화갈륨계 전력 스위칭 장치 내 구동 트랜지스터의 입출력 전압 파형을 도시한 그래프이다.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 의해 제작된 질화갈륨계 전력 스위칭 장치의 집적도이다.
도 6b는 도 6a에 도시된 장치에 대응하는 회로도이다.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 의해 제작된 질화갈륨계 전력 스위칭 장치를 테스트 회로 기판에 연결한 회로도이다.
도 7b는 본 발명의 일 실시예에 의해 제작된 질화갈륨계 전력 스위칭 장치를 테스트 회로 기판에 연결한 구현 예를 나타낸 도면이다.
도 8a는 본 발명의 일 실시예에 의한 질화갈륨계 전력 스위칭 장치의 가변 저항의 특성을 나타낸 그래프이다.
도 8b는 본 발명의 일 실시예에 의한 질화갈륨계 전력 스위칭 장치의 구동 트랜지스터의 특성을 나타낸 그래프이다.
도 8c는 본 발명의 일 실시예에 의한 질화갈륨계 전력 스위칭 장치의 전력 스위칭 트랜지스터의 특성을 나타낸 그래프이다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 일 실시예에 의한 질화갈륨계 전력 스위칭 장치의 가변 저항 값을 변화시킴에 따른 전력 스위칭 트랜지스터의 게이트 구동 파형을 도시한 그래프이다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 일 실시예에 의한 질화갈륨계 전력 스위칭 장치의 스위칭 특성을 종래 장치의 스위칭 특성과 비교한 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 의한 질화갈륨계 전력 스위칭 장치의 동적 스위칭 특성을 도시한 그래프이다.
도 12a 및 도 12b는 게이트 전류 부스터가 모놀리식으로 집적된 본 발명의 질화갈륨계 전력 스위칭 장치의 스위칭 특성을 줌인하여 나타낸 그래프이다.
도 12c 및 도 12d는 게이트 전류 부스터가 없는 전력 스위칭 트랜지스터의 스위칭 특성을 줌인하여 나타낸 그래프이다.1 is a diagram illustrating a power switching device to which a conventional gate current booster is applied.
2 is a circuit diagram showing a gallium nitride based power switching device according to an embodiment of the present invention.
3 is a vertical cross-sectional view illustrating a structure of a driving transistor and a power switching transistor of a gallium nitride based power switching device according to an embodiment of the present invention.
4 is a vertical cross-sectional view illustrating a load structure of a variable resistor of a gallium nitride based power switching device according to an embodiment of the present invention.
5 is a graph showing input / output voltage waveforms of driving transistors in a gallium nitride based power switching device according to an embodiment of the present invention.
6A is an integration diagram of a gallium nitride based power switching device fabricated according to an embodiment of the present invention.
6B is a circuit diagram corresponding to the apparatus shown in FIG. 6A.
7A is a circuit diagram of a gallium nitride based power switching device fabricated according to an embodiment of the present invention, connected to a test circuit board.
7B is a view illustrating an embodiment in which a gallium nitride-based power switching device manufactured according to an embodiment of the present invention is connected to a test circuit board.
8A is a graph illustrating characteristics of a variable resistor of a gallium nitride based power switching device according to an embodiment of the present invention.
8B is a graph illustrating characteristics of a driving transistor of a gallium nitride based power switching device according to an embodiment of the present invention.
8C is a graph illustrating characteristics of a power switching transistor of a gallium nitride based power switching device according to an embodiment of the present invention.
9A and 9B are graphs showing a gate driving waveform of a power switching transistor according to a variation of a variable resistance value of a gallium nitride based power switching apparatus according to an embodiment of the present invention.
10A and 10B are graphs comparing switching characteristics of a gallium nitride based power switching device according to an embodiment of the present invention with switching characteristics of a conventional device.
11 is a graph showing dynamic switching characteristics of a gallium nitride based power switching device according to an embodiment of the present invention.
12A and 12B are graphs showing the switching characteristic of the gallium nitride based power switching device of the present invention in which the gate current booster is monolithically integrated.
12C and 12D are graphs showing the switching characteristics of a power switching transistor without a gate current booster in zooming.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다. 그러나 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the embodiments of the present invention can be modified into various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. The shape and the size of the elements in the drawings may be exaggerated for clarity and the same elements are denoted by the same reference numerals in the drawings.
그리고 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 “연결”되어 있다고 할 때 이는 “직접적으로 연결”되어 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 “전기적으로 연결”되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함” 또는 “구비”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함하거나 구비할 수 있는 것을 의미한다.And throughout the specification, when a part is referred to as being "connected" to another part, it includes not only "directly connected" but also "electrically connected" with another part in between. Also, when a component is referred to as " comprising " or " comprising ", it does not exclude other components unless specifically stated to the contrary .
또한, “제1”, “제2” 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.Furthermore, the terms " first ", " second ", and the like are used to distinguish one element from another element, and the scope of the right should not be limited by these terms. For example, the first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be referred to as a first component.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 질화갈륨계 전력 스위칭 장치를 도시한 회로도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 질화갈륨계 전력 스위칭 장치의 구동 트랜지스터(110) 및 전력 스위칭 트랜지스터(200)의 구조를 도시한 수직 단면도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 질화갈륨계 전력 스위칭 장치의 가변 저항(130)의 부하 구조를 도시한 수직 단면도로서, 본 발명의 질화갈륨계 전력 스위칭 장치는, 게이트 전류 부스터(100) 및 전력 스위칭 트랜지스터(200)를 포함한다.FIG. 2 is a circuit diagram showing a gallium nitride based power switching device according to an embodiment of the present invention. FIG. 3 is a circuit diagram of a
게이트 전류 부스터(100)는, 제어 회로(도시되지 않음)로부터 전력 스위칭 트랜지스터(200)를 턴 온 또는 오프시키는 구동 신호를 인가받고, 인가된 구동 신호를 증폭하여 구동 게이트 전류를 생성하며, 생성된 구동 게이트 전류를 전력 스위칭 트랜지스터(200)의 게이트 단자로 인가한다. 이때, 게이트 전류 부스터(100)는, 구동 트랜지스터(110) 및 가변 저항(130)을 포함한다.The
구동 트랜지스터(110)는, 소스 단자는 접지되고, 게이트 단자를 통하여 구동 신호를 인가받으며, 드레인 단자는 전력 스위칭 트렌지스터(200)의 게이트 단자에 연결된다. 이때, 구동 트랜지스터(110)는, 실리콘 기판 상에 에피성장된 AlGaN/GaN 이종접합 구조를 갖는 MOS-HFET으로, 기판(111), 버퍼층(112), 배리어층(113), 캡층(114), 게이트 절연층(115), 제1 소스 전극(116), 제1 드레인 전극(117), 제1 게이트 전극(118) 및 절연층(119)을 포함할 수 있다.The source terminal of the
먼저, 기판(111)은, 질화갈륨(GaN, Gallium Nitride)을 증착하기에 좋은 Si(Silicon)<111> 기판인 것이 바람직하나 이에 한정되지 않는다. 여기서, 기판(111)은, 약 625ㅁ25㎛의 두께이고, 저항률이 약 9000Ω·㎝일 수 있다.First, the
또한, 도시되지는 않으나, 결정 성장의 핵을 형성하기 위한 층인 핵생성층이 배리어층(113) 형성 전에 기판(111) 위에 형성될 수 있다. 여기서, 핵생성층은, 기판(111)과 버퍼층(300)이 반응하여 생기는 멜트 백(melt-back) 현상을 방지한다. 이 때, 멜트 백 현상은 버퍼층(112)에 함유된 갈륨이 실리콘 재질의 기판(111)과 접촉하여 반응하는 현상을 말하며, 멜트 백 현상이 발생하게 되면 반도체 소자의 결정성이 무너지게 된다. 또한, 핵생성층은 상부에 성장될 버퍼층(112)이 잘 웨팅(wetting)될 수 있게 하는 역할을 수행할 수도 있다.Further, although not shown, a nucleation layer, which is a layer for forming nuclei of crystal growth, may be formed on the
버퍼층(112)은, 기판(111) 또는 핵생성층 위에 형성되는데, 기판(111)과 기판(111)의 상부에 형성되는 배리어 층(400) 간의 격자 상수 및 열팽창 계수의 차이를 완충할 수 있다. 여기서, 버퍼층(112)은 GaN계인 것이 바람직하나 이에 한정되지 않고, AlGaN(Aluminium Gallium Nitride)계 물질, InGaN(Indium Gallium Nitride)계 물질 및 AlInGaN(Aluminium Indium Gallium Nitride)계 물질 등과 같은 GaN 기반의 화합물을 다양하게 형성하여 적용할 수 있으며, 도핑 또는 이온주입 공정으로 다양한 조성의 화합물 층을 형성하여 사용할 수도 있다. 이 때, 버퍼층(112)의 두께는 약 3㎛ 이상 4㎛ 이하, 바람직하게는 3.8㎛인 것이 바람직하나 이에 한정되지 않는다.The
또한, 버퍼층(112) 상에는 GaN계인 채널층(도시되지 않음)이 약 332nm의 두께로 형성될 수 있으나 이에 한정되지 않는다.A GaN-based channel layer (not shown) may be formed on the
배리어층(113)은, 버퍼층(112) 또는 채널층 위에 형성되는데, GaN의 버퍼층(112) 또는 GaN의 채널층과 AlGaN의 배리어층(113)이 순차적으로 적층됨으로써 AlGaN/GaN의 이종접합 박막구조를 형성하고, 이를 통하여 그 계면에 분극에 의한 2차원 전자채널(2DEG)이 형성된다. 여기서, 배리어층(113)은, AlGaN계, 예를 들면, 인 것인 바람직하나, 버퍼층(112) 또는 채널층과의 계면에 분극 현상이 일어날 수 있는 한 GaN계 물질, InGaN계 물질 및 AlInGaN계 물질 등의 GaN 기반의 화합물을 다양하게 형성하여 적용할 수 있으며, 도핑 또는 이온 주입 공정으로 다양한 조성의 화합물 층을 형성하여 사용할 수 있다. 다만, 배리어층(113)과 버퍼층(112)을 모두 알루미늄(Al)을 포함하는 재질을 사용하는 경우에는 분극 현상을 일으키기 위하여 배리어층(113)에 포함된 알루미늄의 비율이 버퍼층(112)에 포함된 알루미늄의 비율보다 높아야 한다. 이 때, 배리어층(113)의 두께는 약 20nm, 바람직하게는 22.5nm인 것이 바람직하나 이에 한정되지 않는다.The
이 때, 배리어층(113) 상에 도핑되지 않은 GaN계의 캡(Cap) 층(114)이 약 1.25nm 또는 2nm의 두께로 형성될 수도 있으나 이에 한정되지 않는다.At this time, an undoped GaN-based
한편, 제1 소스 전극(116)은, 캡층(114)을 관통하고 배리어층(113)의 일부를 식각하여 형성된 소스 트랜치에 형성되는데, 제1 드레인 전극(117)과 게이트 트랜치를 사이에 두고 대칭되는 위치에 게이트 절연층(115) 및 캡층(114)을 관통하여 배리어층(113)에 접하는 구조가 된다. 이 때, 제1 소스 전극(116)은, 옴 접합(Ohmic contacts)으로 Si/Ti/Al/Mo/Au(Silicon 약 5nm/Titanium 약 20nm/Aluminium 약 60nm/Molybdenum 약 35nm/Aurum 약 50nm) 금속층을 증착하고, 질소 분위기에서 약 800℃로 약 30초간 합금화하는 작업을 통하여 형성될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.The
또한, 제1 드레인 전극(117)은, 캡층(114)을 관통하고 배리어층(113)의 일부를 식각하여 형성된 드레인 트랜치에 형성되는데, 제1 소스 전극(116)과 게이트 트랜치를 사이에 두고 대칭되는 위치에 게이트 절연층(115) 및 캡층(114)을 관통하여 배리어층(113)에 접하는 구조가 된다. 이 때, 제1 드레인 전극(117)은, 옴 접합(Ohmic contacts)으로 제1 소스 전극(116)과 함께 Si/Ti/Al/Mo/Au(약 5nm/약 20nm/약 60nm/약 35nm/약 50nm) 금속층을 증착하고, 질소 분위기에서 약 800℃로 약 30초간 합금화하는 작업을 통하여 형성될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.The
한편, 게이트 절연층(115)은, 배리어층(113)에 제1 소스 전극(116) 및 제1 드레인 전극(117)이 형성되고 게이트 트랜치가 식각된 이후에 플라즈마 화학 기상 증착법(PECVD, Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)에 의하여 형성될 수 있다. 여기서, 게이트 절연층(115)은, 이산화규소(SiO₂) 물질로 약 1㎛ 미만, 바람직하게는 약 33nm의 두께에 이르도록 증착될 수 있으나 이에 한정되지 않고, SiNx, Al2O3, HfO2 등의 절연물질을 모두 적용할 수 있다.The
또한, 제1 게이트 전극(118)은, 쇼트키(Schottky) 접합으로, 게이트 트랜치 상에 게이트 절연층(115)이 증착된 위에 금속 박막을 증착하여 형성된다. 여기서, 제1 게이트 전극(118)은, Mo/Au(Molybdenum 약 20nm/Aurum 약 200nm) 금속 박막을 증착하여 형성될 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 이 때, 소스 전계 전극(121)은 제1 소스 전극(116) 상에, 드레인 전계 전극(122)은 제1 드레인 전극(117) 상에 Mo/Au(약 20nm/약 200nm) 금속 박막을 증착하여 형성될 수 있으나 이에 한정되지 않는다.Further, the
게이트 트랜치는 버퍼층(112) 또는 채널층까지 리세스되어 상시불통형의 특성을 보장하게 되며, 상술한 바와 같은 구조로 형성될 경우 임계 전압은 약 2V일 수 있다.The gate trenches are recessed to the
상술한 바와 같이 소스 전계 전극(121) 등이 형성된 구조 상에 절연층(119)을 증착할 수 있다. 이때, 절연층(119)은, 실리콘 질화물(SiNx)로 증착하는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않고, SiO₂, Al2O3, HfO2 등의 절연물질을 모두 적용할 수 있다.The insulating
이후에, 리소그래피 및 에칭 공정, 예를 들면 반응성 이온 에칭 공정을 이용하여 소스 전계 전극(121) 및 드레인 전계 전극(122)까지 연장되는 컨택홀을 절연층(119)에 형성하고, 소스 전계 전극(121) 상의 컨택홀 내에 텅스텐과 같은 금속을 증착한 후 필드 플레이트 금속층을 증착하는 방식으로 도 3에 도시된 바와 같은 MOS-HFET 구조를 형성할 수 있다.Thereafter, a contact hole extending to the source and drain elec- trodes 121 and 122 is formed in the insulating
전력 스위칭 트랜지스터(200)는, 상술한 구동 트랜지스터(110)와 동일한 구조를 가지며, 다만, 구동 트랜지스터(110)의 적층 구조상 제1 소스 전극(116) 및 제1 드레인 전극(117) 간 소스-드레인 거리(예를 들면, 10㎛)와 비교하여 전력 스위칭 트랜지스터(200)의 적층 구조상 제2 소스 전극 및 제2 드레인 전극 간 소스-드레인 거리(예를 들면, 20㎛)가 더 크게, 바람직하게는 2배의 거리를 가지도록 형성될 수 있다.The
가변 저항(130)은, 일단은 전력 스위칭 트렌지스터(200)의 게이트 단자에 연결되고, 타단은 제1 전원에 연결되는데, 전송선 측정(Transmission Line Measurements, TLM)에 의해 획득된 시트 저항값(Sheet resistance value)에 의해 설계된 AlGaN/GaN의 이종접합면의 2차원 전자채널층으로 구현된다. 여기서, 가변 저항(130)은, 실리콘 기판 상에 에피성장된 AlGaN/GaN 이종접합 구조를 가지며, 기판(111), 버퍼층(112), 배리어층(113), 캡층(114), 게이트 절연층(115), 제1 오믹 전극(131), 제2 오믹 전극(132) 및 절연층(119)을 포함할 수 있다.The
이때, 가변 저항(130)은, 구동 트랜지스터(110)와 동일한 칩 상에 집적되므로, 구동 트랜지스터(110)의 구성과 중복되는 구성에 대해서는 편의상 설명을 생략한다.Since the
한편, 제1 오믹 전극(131)은, 캡층(114)을 관통하고 배리어층(113)의 일부를 식각하여 형성된 트랜치에 형성된다. 이 때, 제1 오믹 전극(131)은, 제1 소스 전극(116) 및 제1 드레인 전극(117)과 함께 옴 접합(Ohmic contacts)으로 Si/Ti/Al/Mo/Au(Silicon 약 5nm/Titanium 약 20nm/Aluminium 약 60nm/Molybdenum 약 35nm/Aurum 약 50nm) 금속층을 증착하고, 질소 분위기에서 약 800℃로 약 30초간 합금화하는 작업을 통하여 형성될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.On the other hand, the first
또한, 제2 오믹 전극(132)은, 캡층(114)을 관통하고 배리어층(113)의 일부를 식각하여 형성된 트랜치에 형성된다. 이 때, 제2 오믹 전극(132)은, 옴 접합(Ohmic contacts)으로 제1 소스 전극(116), 제1 드레인 전극(117) 및 제1 오믹 전극(131)과 함께 Si/Ti/Al/Mo/Au(약 5nm/약 20nm/약 60nm/약 35nm/약 50nm) 금속층을 증착하고, 질소 분위기에서 약 800℃로 약 30초간 합금화하는 작업을 통하여 형성될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.The second
제1 전계 전극(141)은 제1 오믹 전극(131) 상에, 제2 전계 전극(142)은 제2 오믹 전극(132) 상에 Mo/Au(약 20nm/약 200nm) 금속 박막을 증착하여 형성될 수 있으나 이에 한정되지 않는다.The first
이때, 제1 전계 전극(141) 등이 형성된 구조 상에 절연층(119)을 증착할 수 있다. 이후에, 리소그래피 및 에칭 공정, 예를 들면 반응성 이온 에칭 공정을 이용하여 제1 전계 전극(141) 및 제2 전계 전극(142)까지 연장되는 컨택홀을 절연층(119)에 형성할 수 있다.At this time, the insulating
상술한 바와 같은 게이트 전류 부스터(100)는, 제어 회로(도시되지 않음)의 저레벨 구동 신호를 증폭하며, 부스팅된 전류는 전력 스위칭 트랜지스터(200)의 게이트 커패시턴스에 대응하여 빠른 충방전을 가능케 한다. 이와 같은 게이트 전류 부스터(100)는, 종래의 CMOS 구성인 NMOS와 PMOS 부분을 각각 대체한 리세스식 상시불통형(Recessed normally-off) AlGaN/GaN MOS-HFET인 구동 트랜지스터(110)와 메사(Mesa) 저항인 가변 저항(130)으로 구성되어 있다.The gate
여기서, 가변 저항(130)의 저항 부하는 도 4에 도시된 바와 같이 전송선 측정(TLM)으로 얻은 시트 저항 값으로 설계된 AlGaN/GaN 2DEG 채널 층으로 구현된다. 2DEG 시트 저항은 금속 기반의 박막 저항보다 훨씬 크기 때문에 인버터 스테이지에 필요한 칩 면적을 훨씬 더 작게 설계할 수 있다. 또한, AlGaN/GaN MOS-HFET의 적층 구조를 그대로 사용하므로, 저항을 제작하기 위해 추가 처리 단계가 필요하지 않다. 게이트 전류 부스터(100) 및 전력 스위칭 트랜지스터(200)가 집적된 모놀리식 칩 제조에 있어서, 구동 트랜지스터(110)인 상시불통형 AlGaN/GaN MOS-HFET이 전력 스위칭 트랜지스터(200)인 파워 스위칭 FET와 동시에 제조될 수 있다. 즉, 가변 저항(130)과 마찬가지로, 구동 트랜지스터(110) 및 전력 스위칭 트랜지스터(200)의 모놀리식 집적을 위하여 추가적인 공정을 요하지 않는다.Here, the resistance load of the
종래의 CMOS 인버터와는 달리 본 발명의 게이트 전류 부스터(100)의 출력 충전 전류()는 가변 저항(130)의 하기 수학식 1에 따라 부하 저항 값()에 의해 결정된다.Unlike the conventional CMOS inverter, the output charge current (" Of the
여기서, 는 전원 전압이고, 는 구동 트랜지스터(110)의 턴온 시 드레인 소스 간 전압을 의미한다.here, Is a power supply voltage, Means a drain-source voltage when the driving
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 질화갈륨계 전력 스위칭 장치 내 구동 트랜지스터(110)의 입력 전압() 및 출력 전압() 파형을 도시한 그래프로, 게이트 전류 부스터(100)의 안전한 스위칭 동작을 보장하기 위하여, 구동 트랜지스터(110)인 AlGaN/GaN MOS-HFET의 온 상태 전압 강하는 전력 스위칭 트랜지스터(200)의 게이트 임계 전압보다 충분히 작도록 설정될 수 있다.5 is a graph showing the relationship between the input voltage (FIG. 5) of the driving
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 의해 제작된 질화갈륨계 전력 스위칭 장치의 집적 이미지이고, 도 6b는 도 6a의 이미지에 대응하는 회로도이다. 이때, 앞서 상술한 도 3은 도 6a의 저항 부분(R1 ~ R4)을 B~B` 방향으로 절단한 수직 단면에 해당하고, 도 4는 도 6a의 구동 트랜지스터(110) 영역(Drive AlGaN/GaN MOS-HFET) 및 전력 스위칭 트랜지스터(200) 영역(Switching AlGaN/GaN MOS-HFET)을 A~A` 방향으로 절단한 수직 단면에 해당한다.FIG. 6A is an integrated image of a gallium nitride-based power switching device manufactured by an embodiment of the present invention, and FIG. 6B is a circuit diagram corresponding to the image of FIG. 6A. FIG. 4 is a cross-sectional view of the
전력 스위칭 트랜지스터(200)는 약 20mm의 전체 채널 폭(Wg)과 약 20㎛의 소스-드레인 거리를 가질 수 있으며, 구동 트랜지스터(110)는 약 10mm의 전체 채널 폭 및 약 10㎛의 소스-드레인 거리를 갖는다. 전력 스위칭 트랜지스터(200) 및 구동 트랜지스터(110)의 소스-게이트 거리와 게이트 길이는 각각 약 3㎛과 2㎛으로 동일하게 형성될 수 있다.The
가변 저항(130)은, 직렬로 연결된 4 개의 메사 저항(R1, R2, R3 및 R4)으로 구성된 가변 부하 저항 구조를 가질 수 있다. 여기서, 각 메사 저항의 활성 영역은 폭이 약 400㎛, 길이가 약 40㎛일 수 있다.The
도 6b에 도시된 은 구동 트랜지스터(110)의 턴온 전압이므로, 구동 트랜지스터(110)는 높은 항복 전압을 가질 필요가 없다. 또한, 도 4와 같은 구조로 제작된 저항의 TLM 패턴으로부터 측정한 AlGaN/GaN 활성층의 시트 저항은 340Ω/sq이다.6B On voltage of the driving
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 의해 제작된 질화갈륨계 전력 스위칭 장치를 테스트 회로 기판에 연결한 회로도이고, 도 7b는 도 7a의 회로를 구현한 예를 나타낸 이미지로, 이에 관하여 상술하면 다음과 같다.FIG. 7A is a circuit diagram of a gallium nitride-based power switching device manufactured according to an embodiment of the present invention, connected to a test circuit board. FIG. 7B is an image showing an example of implementing the circuit of FIG. 7A. Respectively.
본 발명의 질화갈륨계 전력 스위칭 장치의 스위칭 특성을 조사하기 위하여 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같은 모놀리식 집적칩 형태로 제작된 질화갈륨계 전력 스위칭 장치를 도 7b에 도시된 바와 같이 테스트 인쇄회로기판(PCB)에 다이싱(diced) 및 부착하고, 모놀리식 집적칩을 테스트 PCB 패드에 1mil 금(Gold) 와이어 및 볼 본더(Ball bonder)를 사용하여 연결할 수 있다.To investigate the switching characteristics of the gallium nitride based power switching device of the present invention, a gallium nitride based power switching device fabricated in the form of a monolithic integrated chip as shown in Figs. 6A and 6B was tested as shown in Fig. 7B Diced and attached to a printed circuit board (PCB), and a monolithic integrated chip can be connected to a test PCB pad using 1 mil gold wire and a ball bonder.
도 7a에 도시된 바와 같이 질화갈륨계 게이트 전류 부스터(100)의 경우 은 10V로, 전력 스위칭 트랜지스터(200)(AlGaN/GaN MOS-HFET)의 경우 는 200V로 설정될 수 있다. 게이트 전류 부스터(100)에 대한 입력 구동 신호는 10mA 인 전류 소스에 있어서 0/10V이다. 이때, 입력 구동 신호는 1 MHz의 주파수 및 50% 듀티 사이클을 가진다. 전력 스위칭 트랜지스터(200)(AlGaN/GaN MOS-HFET)의 게이트 전하()는 =10V, =330mA 및 = 200V에서 5.6nC이다.As shown in FIG. 7A, in the case of the gallium nitride-based gate
도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같은 모놀리식 집적칩 형태로 제작된 질화갈륨계 전력 스위칭 장치의 일반적인 전압-전류 특성은 도 8a 내지 도 8c와 같다. 도 8a에 도시된 바와 같이, R1, R1~R2, R1~R3 및 R1~R4의 저항 값은 각각 =10V에서 44, 82, 121 및 160Ω이다. 도 8b에서, 4개의 서로 다른 저항을 갖는 부하에 의한 특성 곡선들이 함께 표시된다. 도 8c에 도시된 바와 같은 특성을 가지는 전력 스위칭 트랜지스터(200)(= 20mm)의 정적 온-저항 값은 1.93Ω이다.The general voltage-current characteristics of a gallium nitride based power switching device fabricated in the form of a monolithic integrated chip as shown in Figs. 6A and 6B are shown in Figs. 8A to 8C. As shown in FIG. 8A, the resistance values of R1, R1 to R2, R1 to R3, and R1 to R4 are = 44, 82, 121 and 160? At 10V. In Fig. 8B, characteristic curves by loads with four different resistances are shown together. The power switching transistor 200 (FIG. 8C) having characteristics as shown in FIG. = 20 mm) is 1.93 ?.
게이트 전류 부스터(100)(inverter)를 사용하지 않은 경우 및 게이트 전류 부스터(100)를 사용한 경우에 있어서 가변 저항(130)의 부하 저항 값에 따른 전력 스위칭 트랜지스터(200)의 스위칭 특성을 비교한 결과는 하기 표 1과 같다.As a result of comparing the switching characteristics of the
표 1에 의하면, 딥(Dual Inline Package, DIP) 스위치를 이용하여 가변 저항(130)의 부하 저항 값을 변화시킴에 따라, 10mA인 게이트 전류 부스터(100)의 입력 전류가 225.7, 121.6, 82.5 또는 62.4mA인 전력 스위칭 트랜지스터(200)의 게이트 입력 전류로 증폭, 즉, 부스팅됨을 알 수 있다.According to Table 1, as the load resistance value of the
또한, 모놀리식으로 집적된 게이트 전류 부스터(100)에서, 턴온 및 턴오프 전이 시간이 크게 감소될 수 있다. 예를 들어, 저항 부하로 'R1 only'를 사용하면 표 1에서 알 수 있듯이 전력 스위칭 트랜지스터(200)의 게이트 입력 전류가 최대 225.7mA로 증가하여 턴온 시간이 626에서 41.26ns로 감소하고 턴오프 시간이 554에서 42.19ns로 단축될 수 있다. 게이트 전류 부스터(100) 내 구동 트랜지스터(110)의 온 전압 강하와 동일한 전력 스위칭 트랜지스터(200)의 오프 게이트 전압은 0.58V로 여전히 임계 전압(=2V)보다 훨씬 낮은 레벨을 유지하고 있다.Also, in the monolithically integrated gate
도 9a 및 도 9b는 게이트 전류 부스터(100) 내 가변 저항(130)의 부하 저항 값을 변화시킴에 따른 전력 스위칭 트랜지스터(200)의 턴온(도 9a) 및 턴오프(도 9b) 게이트 구동 파형을 도시한다.9A and 9B show the turn on (FIG. 9A) and turn off (FIG. 9B) gate drive waveforms of the
한편, 모놀리식 집적화의 이점을 살펴보기 위하여, 전력 스위칭 트랜지스터에 외부 회로 형식의 게이트 전류 부스터를 연결한 장치와 모놀리식 집적화 장치의 스위칭 특성을 비교한 그래프는 도 10a 및 도 10b와 같다. 이때, 외부 회로의 인덕턴스는 약 25nH이다. 도 10a 및 도 10b에 도시된 바와 같이, 모놀리식 집적에 의해 오버슈트 및 링잉이 현저하게 억제된다. 턴온 주기 동안의 링잉 레벨은 41%에서 7.6 %로 감소했으며, 턴오프 주기의 링잉 레벨은 25%에서 0%로 감소했다. 또한, 턴온 및 턴오프 시간의 길이가 현저하게 감소된다.In order to examine the advantages of the monolithic integration, a graph comparing the switching characteristics of a monolithic integrated device with a device in which a gate current booster of an external circuit type is connected to a power switching transistor is shown in FIGS. 10A and 10B. At this time, the inductance of the external circuit is about 25nH. As shown in Figs. 10A and 10B, overshoot and ringing are remarkably suppressed by monolithic integration. During the turn-on period, the ringing level decreased from 41% to 7.6%, and the ringing level of the turn-off period decreased from 25% to 0%. In addition, the lengths of the turn-on and turn-off times are significantly reduced.
도 11은 게이트 전류 부스터(100)가 모놀리식으로 집적된 본 발명의 질화갈륨계 전력 스위칭 장치의 동적 스위칭 특성을 도시한 그래프이다. 즉, 도 11은 게이트 전류 부스터(100)로 입력되는 구동 신호의 주파수를 1MHz로 설정하고 하드 스위칭 파형을 측정함으로써 테스트한 결과이다. 도 11에 도시된 바와 같이 전력 스위칭 트랜지스터(200)은 매우 안정한 동적 특성을 보였다. 동적 온-저항 증가는 가 200V일 때 단 6.7%에 불과하다.11 is a graph showing dynamic switching characteristics of the gallium nitride based power switching device of the present invention in which the gate
도 12a 및 도 12b는 게이트 전류 부스터(100)가 모놀리식으로 집적된 본 발명의 질화갈륨계 전력 스위칭 장치의 스위칭 특성을 줌인하여 나타낸 그래프이고, 도 12c 및 도 12d는 게이트 전류 부스터(100)가 없는 전력 스위칭 트랜지스터(200)의 스위칭 특성을 줌인하여 나타낸 그래프로서, 턴온 및 턴오프 주기 동안의 스위칭 손실은 하기 수학식 2와 같이 스위칭 시간에 대하여 전력 손실을 적분함으로써 계산된다.FIGS. 12A and 12B are graphs showing the switching characteristics of the gallium nitride based power switching device of the present invention monolithically integrated with the gate
여기서 는 스위칭 손실, 및 는 각각 턴온 및 턴 오프 시간 기간이며 는 스위칭 주파수이다. 총 스위칭 손실은 하기 표 2에 도시된 바와 같이 5.27에서 0.55W로 크게 감소한다.here Switching losses, And Are turn-on and turn-off time periods, respectively Is the switching frequency. The total switching loss is greatly reduced from 5.27 to 0.55 W as shown in Table 2 below.
이상 본 발명을 바람직한 실시예를 통하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예를 구현할 수 있음을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.While the invention has been shown and described with reference to certain preferred embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made without departing from the scope of the invention. Accordingly, the technical scope of the present invention should be determined by the appended claims.
100: 게이트 전류 부스터
110: 구동 트랜지스터
130: 가변 저항
200: 전력 스위칭 트랜지스터100: Gate current booster
110: driving transistor
130: Variable resistance
200: Power switching transistor
Claims (7)
상기 게이트 전류 부스터는,
소스 단자는 접지되고, 게이트 단자를 통하여 상기 구동 신호를 인가받으며, 드레인 단자는 상기 전력 스위칭 트렌지스터의 게이트 단자에 연결된 구동 트랜지스터; 및
일단은 상기 전력 스위칭 트렌지스터의 게이트 단자에 연결되고, 타단은 제1 전원에 연결되어, 가변적인 저항값을 제공하는 가변 저항을 포함하되,
상기 구동 트랜지스터는 상시불통형인 질화갈륨계 전력 스위칭 장치.
A gallium nitride based power switching device having a monolithic integrated circuit chip structure formed by integrating a power switching transistor and a gate current booster for receiving a driving signal of the power switching transistor and amplifying the driving signal to generate a driving gate current, As a result,
The gate current booster includes:
A source terminal connected to the gate of the power switching transistor, and a drain terminal connected to a gate terminal of the power switching transistor; And
A variable resistor connected at one end to a gate terminal of the power switching transistor and at the other end to a first power supply to provide a variable resistance value,
Wherein the driving transistor is always inactive.
상기 구동 트랜지스터는,
기판;
상기 기판 위에 형성된 질화갈륨계 물질인 버퍼층;
상기 버퍼층 위에 형성된 질화알루미늄갈륨계 물질인 배리어층;
상기 배리어층 위에 형성된 게이트 절연층;
상기 게이트 절연층을 관통하여 상기 배리어층에 접하여 위치하는 제1 소스 전극 및 제1 드레인 전극; 및
상기 제1 소스 전극 및 상기 제1 드레인 전극 사이에 위치하며, 상기 게이트 절연층에 의하여 상기 배리어층과 이격되는 제1 게이트 전극을 포함하는 질화갈륨계 전력 스위칭 장치.
The method according to claim 1,
The driving transistor includes:
Board;
A buffer layer which is a gallium nitride material formed on the substrate;
A barrier layer which is an aluminum gallium nitride-based material formed on the buffer layer;
A gate insulating layer formed on the barrier layer;
A first source electrode and a first drain electrode which are located in contact with the barrier layer through the gate insulating layer; And
And a first gate electrode located between the first source electrode and the first drain electrode and spaced apart from the barrier layer by the gate insulating layer.
상기 가변 저항은,
기판;
상기 기판 위에 형성된 질화갈륨계 물질인 버퍼층;
상기 버퍼층 위에 형성된 질화알루미늄갈륨계 물질인 배리어층;
상기 배리어층 위에 형성된 게이트 절연층; 및
상기 게이트 절연층을 관통하여 상기 배리어층에 접하여 위치하는 제1 오믹 전극 및 제2 오믹 전극을 포함하는 질화갈륨계 전력 스위칭 장치.
The method according to claim 1,
The variable resistor comprises:
Board;
A buffer layer which is a gallium nitride material formed on the substrate;
A barrier layer which is an aluminum gallium nitride-based material formed on the buffer layer;
A gate insulating layer formed on the barrier layer; And
And a first ohmic electrode and a second ohmic electrode disposed in contact with the barrier layer through the gate insulating layer.
상기 가변 저항은,
상기 기판;
상기 버퍼층;
상기 배리어층;
상기 게이트 절연층; 및
상기 게이트 절연층을 관통하여 상기 배리어층에 접하여 위치하는 제1 오믹 전극 및 제2 오믹 전극을 포함하는 질화갈륨계 전력 스위칭 장치.
The method of claim 2,
The variable resistor comprises:
The substrate;
The buffer layer;
The barrier layer;
The gate insulating layer; And
And a first ohmic electrode and a second ohmic electrode disposed in contact with the barrier layer through the gate insulating layer.
상기 전력 스위칭 트랜지스터는,
기판;
상기 기판 위에 형성된 질화갈륨계 물질인 버퍼층;
상기 버퍼층 위에 형성된 질화알루미늄갈륨계 물질인 배리어층;
상기 배리어층 위에 형성된 게이트 절연층;
상기 게이트 절연층을 관통하여 상기 배리어층에 접하여 위치하는 제2 소스 전극 및 제2 드레인 전극; 및
상기 제2 소스 전극 및 상기 제2 드레인 전극 사이에 위치하며, 상기 게이트 절연층에 의하여 상기 배리어층과 이격되는 제2 게이트 전극을 포함하는 질화갈륨계 전력 스위칭 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the power switching transistor comprises:
Board;
A buffer layer which is a gallium nitride material formed on the substrate;
A barrier layer which is an aluminum gallium nitride-based material formed on the buffer layer;
A gate insulating layer formed on the barrier layer;
A second source electrode and a second drain electrode penetrating the gate insulating layer and located in contact with the barrier layer; And
And a second gate electrode located between the second source electrode and the second drain electrode and spaced apart from the barrier layer by the gate insulating layer.
상기 전력 스위칭 트랜지스터는,
상기 기판;
상기 버퍼층;
상기 배리어층;
상기 게이트 절연층;
상기 게이트 절연층을 관통하여 상기 배리어층에 접하여 위치하는 제2 소스 전극 및 제2 드레인 전극; 및
상기 제2 소스 전극 및 상기 제2 드레인 전극 사이에 위치하며, 상기 게이트 절연층에 의하여 상기 배리어층과 이격되는 제2 게이트 전극을 포함하는 질화갈륨계 전력 스위칭 장치.
The method according to claim 2 or 4,
Wherein the power switching transistor comprises:
The substrate;
The buffer layer;
The barrier layer;
The gate insulating layer;
A second source electrode and a second drain electrode penetrating the gate insulating layer and located in contact with the barrier layer; And
And a second gate electrode located between the second source electrode and the second drain electrode and spaced apart from the barrier layer by the gate insulating layer.
상기 제1 소스 전극 및 상기 제1 드레인 전극의 소스-드레인 거리인 제1 거리는, 상기 제2 소스 전극 및 상기 제2 드레인 전극의 소스-드레인 거리인 제2 거리의 2분의 1인 질화갈륨계 전력 스위칭 장치.The method of claim 6,
Wherein a first distance that is a source-drain distance of the first source electrode and the first drain electrode is equal to a half of a second distance that is a source-drain distance of the second source electrode and the second drain electrode, Power switching device.
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