KR20040049744A - 이종접합 전계효과 트랜지스터 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이종접합 구조의 전계효과 트랜지스터(HFET)에 관한 것으로, 기판 상에 제 1 반도체층, 제 2 반도체층 및 제 3 반도체층이 순차적으로 형성되며, 제 3 반도체층 상에 쇼트키 게이트(Schottky gate)가 형성되고, 게이트 양측의 제 3 반도체층 상에 금속에 의해 오믹 접합된 소소스 전극 및 드레인 전극이 형성된다. 본 발명은 제 1 반도체층과 제 1 반도체층보다 높은 밴드갭을 갖는 제 3 반도체층 사이에 제 3 반도체층보다 높은 밴드갭을 갖는 제 2 반도체층을 삽입함으로써 제 1 반도체층과 제 2 반도체층 간의 이종접합 계면에 형성되는 양자우물의 버금띠에 속박된 준 2차원 자유전자가 제 3 반도체층에 존재할 확률이 감소되어 자유전자와 제 3 반도체층 내에 분포하는 불순물 간의 산란이 감소되고, 아울러 자유전자와 제 3 반도체층의 합금무질서(alloy disorder)에 기인되는 산란이 감소되어 전자가스의 이동도(mobility)와 포화속도(saturation velocity)가 증가됨으로써 고주파 영역에서의 증폭 성능이 향상된다.
Description
본 발명은 이종접합 전계효과 트랜지스터(Heterostructure field-effect transistor)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 높은 자유전자 이동도와 높은 포화속도 특성을 갖는 AlGaN/AlN/GaN 이종접합 구조의 전계효과 트랜지스터에 관한 것이다.
질화물 반도체 물질은 Si, GaAs, InP 계 반도체 물질보다 높은 에너지 밴드갭(bandgap), 높은 항복전압(breakdown voltage), 전자의 높은 포화 속도 및 뛰어난 열적 특성 등의 장점들을 많이 가지고 있기 때문에 마이크로파 주파수 영역에서 작동하는 고출력의 증폭기 등에 매우 용이하게 응용된다.
고주파 영역에서 작동하는 종래의 전력소자는 주로 질화물 반도체로 구성되며 다양한 구조로 구현되었다. 가장 보편적인 구조로는 우르짜이트(Wurtzite) 구조가 있다. 우르짜이트(Wurtzite) 구조는 GaN층과 AlGaN층으로 구성되는 AlGaN/GaN 단일 이종접합 구조이다. 이 구조 내에는 [0001]-축으로 성장된 GaN의 Ga면에 붙은 AlGaN 접합면에서 발생하는 압전 분극(piezoelectric polarization) 효과와 우르짜이트 구조 자체에서 형성되는 자발적 분극(spontaneous polarization)에 의해 고밀도의 전자들이 AlGaN와 GaN 접합면에 형성되는 양자우물의 버금띠(subband)에 유도된다. 양자우물에 모이는 전자가스는 성장축 상에서는 양자우물의 버금띠에 속박되지만, 성장축과 직교하는 판(plane) 상에서는 자유롭게 움직이므로 준 2차원 자유전자가스를 형성한다. 이런 구조 위에 쇼트키 게이트, 소오스 및 드레인 접합을 형성함으로써 마이크로파 신호를 증폭하는 기능을 갖는 이종접합 전계효과 트랜지스터(HFET)가 제작된다.
그런데 AlGaN/GaN 단일 이종접합 구조를 갖는 종래의 전계효과 트랜지스터 또는 그와 유사한 구조의 트랜지스터는 압전 및 자발적 분극 효과에 의해 GaN층 안에 인가되는 강력한 전기장에 의하여 AlGaN층과 GaN층 간의 이종접합 근방에 형성되는 양자우물에 유도되는 준 2차원 자유전자들이 AlGaN층 내에 존재할 확률이 무시하지 못할 정도로 크다. 이 효과는 자유전자와 AlGaN 내에 분포되어 있는 이온화된 불순물(ionized impurities)과의 산란뿐만 아니라 자유전자의 AlGaN층의 합금무질서(alloy disorder)에 기인한 산란을 증가시켜 자유전자의 이동도와 포화속도를 낮추는 결과를 초래한다.
또한, AlGaN/GaN 단일 이종접합 구조를 갖는 종래의 전계효과 트랜지스터는 질화물의 고유한 장점을 충분히 살리지 못하였기 때문에 고주파 영역에서의 동작 효율이 극대화되지 못하였다.
따라서 본 발명은 준 2차원 전자 채널에 유도되는 자유전자의 밀도는 크게 변화하지 않으면서, 자유전자가 AlGaN층 내에 존재할 확률은 낮아지도록 함으로써 자유전자의 이동도 및 포화속도가 향상되어 고주파 영역에서 극대화된 증폭 특성을 갖을 수 있는 AlGaN/AlN/GaN 이종접합 구조의 전계효과 트랜지스터를 구현하는 데그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이종접합 전계효과 트랜지스터는 기판 상에 이종접합이 형성되도록 제 1 반도체층, 제 2 반도체층 및 제 3 반도체층이 순차적으로 적층되며, 상기 제 3 반도체층 상에 게이트가 형성되고, 상기 게이트 양측의 상기 제 3 반도체층 상에 금속에 의해 오믹 접합된 소오스 전극 및 드레인 전극이 형성되되, 상기 제 2 반도체층의 밴드갭이 상기 제 1 반도체층보다 크고, 상기 제 3 반도체층의 밴드갭이 상기 제 1 반도체층보다는 크고 상기 제 2 반도체층보다는 작아 상기 제 1 반도체층과 제 2 반도체층의 접합 계면에 형성되는 양자우물에 의해 형성되는 버금띠의 파동함수가 상기 제 2 반도체층 및 제 3 반도체층으로 침투하는 것이 최소화되어 상기 제 1 반도체층에 형성된 양자우물 속에 속박된 자유전자기체의 이동도 및 포화속도가 증가되는 것을 특징으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이종접합 전계효과 트랜지스터는 기판 상에 형성된 제 1 반도체층; 상기 제 1 반도체층 상에 형성되며 상기 제 1 반도체층과 상이한 밴드갭을 갖는 제 2 반도체층; 상기 제 2 반도체층 상에 형성되며 상기 제 2 반도체층과 상이한 밴드갭을 갖는 제 3 반도체층; 상기 제 3 반도체층 상에 형성된 게이트; 상기 게이트 양측의 상기 제 3 반도체층 상에 금속에 의해 오믹 접합된 소소스 전극 및 드레인 전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제 2 반도체층은 상기 제 1 반도체층보다 큰 밴드갭을 가지며, 상기 제 3 반도체층은 상기 제 1 반도체층보다 크지만 상기 제 2 반도체층보다는 작은 밴드갭을 갖는 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 반도체층은 의도적으로 도핑되지 않은 GaN층으로 이루어지며, 상기 제 2 반도체층은 1 내지 2 격자 두께의 AlN층으로 이루어지고, 상기 제 3 반도체층은 AlGaN층으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 이종접합 전계효과 트랜지스터를 설명하기 위한 단면 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 이종접합 전계효과 트랜지스터의 전도띠(conduction band)와 이종접합 계면에 형성된 양자우물에 의한 버금띠의 파동함수 및 준 2차원 전자가스의 형성을 설명하기 위한 개념도.
도 3은 본 발명에 따른 이종접합 전계효과 트랜지스터의 특성을 설명하기 위한 그래프도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100: 기판
102: 버퍼층
104: 제 1 반도체층
106: 제 2 반도체층
108: 제 3 반도체층
110: 게이트
112: 소오스 전극 및 드레인 전극
200: 버금띠
202: 파동함수
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 도면에서 박막 또는 영역들의 두께는 본 발명의 내용을 설명하기 위하여 편리하게 임의로 표현되었다.
도 1은 본 발명에 따른 AlGaN/AlN/GaN 이종접합 전계효과 트랜지스터를 설명하기 위한 단면 사시도이다.
사파이어, SiC, Si, AlN 또는 GaN으로 이루어진 기판(100) 상에 버퍼층(102)과 제 1 반도체층(104)이 순차적으로 형성된다. 버퍼층(102)은 기판(100)과 제 1 반도체층(104)의 격자상수 차이로 인한 결정 결함의 발생을 억제하기 위해 제 1 반도체층(102)과 기판(100) 사이에 삽입된다. 제 1 반도체층(104)과 기판(100) 간의 격자상수 차이가 크지 않아 양질의 제 1 반도체층을 바로 성장시킬 수 있는 경우 버퍼층(102)의 삽입을 생략할 수도 있다. 제 1 반도체층(104)은 의도적으로 불순물이 도핑되는 않은 GaN층으로 형성한다.
제 1 반도체층(104) 상에는 제 1 반도체층(104)과 이종접합이 형성되도록 제 1 반도체층보다 높은 밴드갭을 갖는 제 2 반도체층(106)이 형성된다. 제 2 반도체층(106)은 AlN층으로 형성하며, 분자선 에피텍시법(Molecular beam epitaxy) 또는 금속유기화학증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)을 이용하여 1 내지2 격자 정도의 두께로 형성한다.
제 2 반도체층(106) 상에는 상기 제 1 반도체층(104)보다 높은 밴드갭을 가지지만 제 2 반도체층(106)보다는 낮은 밴드갭을 갖는 제 3 반도체층(108)이 형성된다. 제 3 반도체층(108)은 AlGaN층으로 형성하며, AlGaN층의 Al 조성비 및 두께는 응용 목적에 따라 다소 변화될 수 있다.
제 3 반도체층(108) 상의 소정 부분에는 쇼트키 게이트(110)가 형성되고, 게이트(110) 양측의 제 3 반도체층(108) 상에는 금속에 의해 오믹 접합된 소소스 전극 및 드레인 전극(112)이 형성된다. 이때 소소스 전극 및 드레인 전극(112)은 패터닝되어 전기적으로 고립된 제 3 반도체층(108) 상에 금속층을 형성한 후 패터닝하고 열처리함으로써 오믹 접합에 의해 형성된다.
상기와 같이 이루어진 이종접합 전계효과 트랜지스터의 제 1 반도체층(104)과 제 2 반도체층(106) 사이의 접합계면(interface)에는 성장축 상에서 정의되는 1 차원 양자우물이 형성된다. 이 양자우물에는 압전 및 자발 분극 효과에 의해 유도되거나 제 3 반도체층(108)에 분포되어 있는 주게(donor) 불순물로부터 공급된 자유전자들이 모이며, 이들은 성장축 상에서는 양자우물에 속박되지만 성장축과 수직인 판에서는 전기가 잘 통하는 준 2차원 자유전자기체 채널을 자동적으로 형성한다.
도 2는 본 발명에 따른 AlGaN/AlN/GaN 이종접합 전계효과 트랜지스터의 전도띠(conduction band)와 AlN층과 GaN층 간의 이종접합 계면에 형성된 양자우물에 의한 버금띠의 파동함수 및 준 2차원 전자가스의 형성을 설명하기 위한 개념도이다.
본 실시예는 제 1 반도체층(104)인 GaN층, 제 2 반도체층(106)인 AlN층, 제 3 반도체층(108)인 AlGaN층으로 구성되는 우르짜이트 구조의 AlGaN/AlN/GaN 이종접합 트랜지스터를 제공한다. 본 실시예에 따른 트랜지스터 구조 내에는 [0001]-축으로 형성된 GaN의 Ga면에 붙은 AlGaN 접합면에서 발생하는 압전 분극(piezoelectric polarization) 효과와 우르짜이트 구조 자체에서 형성되는 자발적 분극(spontaneous polarization)에 의하여 고밀도의 전자들이 AlGaN와 GaN 접합면에 형성되는 양자우물의 버금띠(200)에 유도될 뿐만 아니라, AlGaN층에 분포하는 주게 불순물에서 나온 전자들이 양자우물의 버금띠(200)에 모인다. 양자우물에 모이는 전자가스는 성장축 상에서는 양자우물의 버금띠(200)에 속박되지만, 성장축과 직교하는 판(plane) 상에서는 자유롭게 움직이므로 준 2차원 자유전자가스를 형성한다. 자유전자가스는 성장축 상에서 불연속적인 에너지를 갖는 버금띠(200)들을 채운다. 성장축 상에서 양자역학적인 버금띠의 파동함수(202)는 양자우물 벽으로 침투하는데, 유한한 높이의 에너지 벽를 갖은 벽층의 포텐샬 에너지(potential energy)와 각각의 버금띠 에너지 간의 에너지 차이가 작을수록 파동함수의 벽층으로의 침투는 증가하고, 그 결과 자유전자가 벽층 안에 존재할 확률이 증가한다. 도 2는 1 내지 2 격자 두께의 AlN층(106)을 GaN층(104)과 AlGaN층(108) 사이에 삽입함으로써 버금띠 파동함수(202)가 AlGaN층(108) 안으로 침투하는 것을 효과적으로 방지할 수 있음을 보인다.
도 3은 AlGaN층(108)의 두께가 30nm일 때, AlGaN층(108)의 Al 조성비에 따라 버금띠(200)에 속박된 자유전자기체가 AlGaN층(108)에 존재할 확률(p)을GaN층(104)과 AlGaN층(108) 사이에 AlN층(106)이 삽입된 경우와 삽입되지 않은 경우에 대하여 변분계산 방법으로 계산한 실시예를 나타낸다.
AlN층(106)이 삽입되지 않은 경우는 실선(A)으로, 1 격자 두께의 AlN층(106)이 GaN층(104)과 AlGaN층(108) 사이에 삽입된 경우는 점선(B)으로 나타내었다. 도 3은 1 격자 두께의 AlN층(106)이 삽입된 경우 자유전자기체가 AlN층(106)과 AlGaN층(108) 안에 존재할 확률이 AlN층(106)이 없는 경우에 비해 매우 많이 감소함을 보여 준다. AlN층(106)의 두께가 2 격자 이상인 경우의 계산 결과는 삽입된 AlN층(106)의 두께가 1 격자인 경우와 대동소이하였다. 그러므로 1 내지 2 격자 두께의 얇은 AlN층(106)을 GaN층(104)과 AlGaN층(108) 사이에 삽입함으로써 버금띠 파동함수(202)가 AlGaN층(108) 안으로 침투하는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 질화물 반도체 전계효과 트랜지스터는 제 1 반도체층인 GaN층과 제 3 반도체층인 AlGaN층 사이에 1 내지 2 격자 두께의 제 2 반도체층인 AlN층이 삽입된 구조를 갖는다.
AlN층은 이종접합 계면에 형성되는 양자우물에 의한 버금띠의 파동함수가 AlGaN층 안으로 침투하는 것을 방지함으로써 자유전자가 AlGaN층 안에 존재할 확률을 감소시킨다. 그 결과 준 2차원 자유전자와 AlGaN층 내에 분포되어 있는 여기 상태에 있는 불순물 간의 산란을 감소시킬 뿐만 아니라 AlGaN층의 합금 무질서에 기인되는 산란을 감소시킨다. 이에 따라 자유전자기체의 이동도와 포화속도가 증가되어 고주파 영역에서의 증폭 기능이 향상된다.
Claims (9)
- 기판 상에 이종접합이 형성되도록 제 1 반도체층, 제 2 반도체층 및 제 3 반도체층이 순차적으로 적층되며, 상기 제 3 반도체층 상에 게이트가 형성되고, 상기 게이트 양측의 상기 제 3 반도체층 상에 금속에 의해 오믹 접합된 소오스 전극 및 드레인 전극이 형성되되,상기 제 2 반도체층의 밴드갭이 상기 제 1 반도체층보다 크고, 상기 제 3 반도체층의 밴드갭이 상기 제 1 반도체층보다는 크고 상기 제 2 반도체층보다는 작아 상기 제 1 반도체층과 제 2 반도체층의 접합 계면에 형성되는 양자우물에 의해 형성되는 버금띠의 파동함수가 상기 제 2 반도체층 및 제 3 반도체층으로 침투하는 것이 최소화되어 상기 제 1 반도체층에 형성된 양자우물 속에 속박된 자유전자기체의 이동도 및 포화속도가 증가되는 것을 특징으로 하는 이종접합 전계효과 트랜지스터.
- 기판 상에 형성된 제 1 반도체층;상기 제 1 반도체층 상에 형성되며 상기 제 1 반도체층과 상이한 밴드갭을 갖는 제 2 반도체층;상기 제 2 반도체층 상에 형성되며 상기 제 2 반도체층과 상이한 밴드갭을 갖는 제 3 반도체층;상기 제 3 반도체층 상에 형성된 게이트;상기 게이트 양측의 상기 제 3 반도체층 상에 금속에 의해 오믹 접합된 소소스 전극 및 드레인 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 이종접합 전계효과 트랜지스터.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 기판은 사파이어, SiC, Si, AlN 또는 GaN으로 이루어진 것을 특징으로 하는 이종접합 전계효과 트랜지스터.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 기판 및 제 1 반도체층 사이에 형성된 버퍼층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이종접합 전계효과 트랜지스터.
- 제 2 항에 있어서, 상기 제 2 반도체층은 상기 제 1 반도체층보다 큰 밴드갭을 가지며, 상기 제 3 반도체층은 상기 제 1 반도체층보다 크지만 상기 제 2 반도체층보다는 작은 밴드갭을 갖는 것을 특징으로 하는 이종접합 전계효과 트랜지스터.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 반도체층은 의도적으로 도핑되지 않은 GaN층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 이종접합 전계효과 트랜지스터.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제 2 반도체층은 1 내지 2 격자 두께의 AlN층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 이종접합 전계효과 트랜지스터.
- 제 7 항에 있어서, 상기 AlN층은 분자선 에피텍시법 또는 금속유기화학증착법으로 형성된 것을 특징으로 하는 이종접합 전계효과 트랜지스터.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제 3 반도체층은 AlGaN층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 이종접합 전계효과 트랜지스터.
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