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KR102781862B1 - 입체 구조를 갖는 AlGaN/GaN 이종 접합 구조의 FET 및 RF HEMT 소자 - Google Patents

입체 구조를 갖는 AlGaN/GaN 이종 접합 구조의 FET 및 RF HEMT 소자 Download PDF

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KR102781862B1
KR102781862B1 KR1020210179452A KR20210179452A KR102781862B1 KR 102781862 B1 KR102781862 B1 KR 102781862B1 KR 1020210179452 A KR1020210179452 A KR 1020210179452A KR 20210179452 A KR20210179452 A KR 20210179452A KR 102781862 B1 KR102781862 B1 KR 102781862B1
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Abstract

본 발명은 AlGaN/GaN 이종 접합 구조의 질화물반도체를 이용한 고출력 및 고주파 고전자 이동도 트랜지스터 전자소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기판 상부에 결정 결함의 생성을 억제하는 입체 구조의 지지부, 누설전류 및 항복전압을 제어하는 ~㏁ 이상의 높은 저항값의 갖는 절연부 및 높은 전자농도 및 이동도를 제어하는 구동부로 구성된다. 특히, 기판 상부에 입체 구조를 형성하여 종래의 기판면과 수직방향보다 성장률이 빠른 수평 성장 방향을 제어하여 기판과의 격자상수 및 열팽창계수의 차이에 의해서 발생하여 표면까지 전파되는 결정 결함을 효과적으로 제어하는 AlGaN/GaN 이종 접합 구조의 고주파 고전자 이동도 트랜지스터(RF High Electron Mobility Transistor_HEMT) 전자 소자를 제공한다.

Description

입체 구조를 갖는 AlGaN/GaN 이종 접합 구조의 FET 및 RF HEMT 소자{AlGaN/GaN hetero-junction structure of FET ＆ HEMT Device of having 3 dimensional structure}
본 발명은 AlGaN/GaN 이종 접합 구조의 질화물반도체를 이용한 고출력 및 고주파 고전자 이동도 트랜지스터 전자소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기판 상부에 결정 결함의 생성을 억제하는 입체 구조의 지지부, 누설전류 및 항복전압을 제어하는 ~㏁ 이상의 높은 저항값의 갖는 절연부 및 높은 전자농도와 이동도를 제어하는 구동부로 구성된다. 특히, 기판 상부에 입체 구조를 형성하여 종래의 기판면과 수직방향보다 성장률이 빠른 수평 성장 방향을 제어하여 기판과의 격자상수 및 열팽창계수와 큰 에너지 밴드갭 차이에 의해서 생성되어 표면까지 전파되는 결정 결함을 효과적으로 제어하는 AlGaN/GaN 이종 접합 구조의 고주파 고전자 이동도 트랜지스터(RF High Electron Mobility Transistor_HEMT) 전자 소자에 관한 것이다.
일반적으로, 전계 효과 트랜지스터(FET) 및 고전자 이동도 트랜지스터(High Electron Mobility Transistor_HEMT)등의 전자 소자들은 실리콘(Silicon) 또는 갈륨비소(GaAs) 등의 반도체 재료로 제조되는 일반적인 트랜지스터의 형태이다. 실리콘 반도체 재로를 사용할 경우, 전자 이동도(electron mobility_대략 1450cm2/v.sec) 가 낮기 때문에 높은 소스 저항(source resistance)을 발생시킨다는 단점을 가지고 있다. 이러한 높은 소스 저항은 실리콘 반도체 재료를 기반으로 한, 전계 효과 트랜지스터(FET) 및 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT)등의 전자소자로부터 다른 방법으로 얻을 수 있는 고성능 이득(High Performance Gain)을 심각하게 저하시킨다.[CRC Press, The Electrical Engineering Handbook, Second Edition, Dorf, pp.994,1997]
또한, 갈륨비소(GaAs) 화합물 반도체 재료를 기반으로 한 전계 효과 트랜지스터(FET) 및 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT)등의 전자소자는 실리콘 반도체 재료 보다 우수한 전자 이동도(6000cm2/v.sec) 및 그에 따른 낮은 소스 저항을 가지고 있어서 우수한 성능을 갖는 고주파 동작을 구현할 수 있다. 그러나, 갈륨비소 화합물반도체 재료는 에너지 밴드갭(Energy Bandgap_1.42Ev)이 작아서 상대적으로 파괴전압(Breakdown Voltage, Vbr)이 작기 때문에, 갈륨비소 화합물반도체 재료를 기반의 전계 효과 트랜지스터(FET) 및 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT)등의 전자소자가 고주파에서 고출력(High Power)의 성능을 구현하는데 한계점을 가지고 있다.
AlGaN/GaN 이종 접합을 갖는 GaN 기반의 질화물반도체를 이용한 전계 효과 트랜지스터(FET) 및 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT)등의 전자소자에 대한 성능 개발과 제품의 괄목한 만한 성장을 이루었다. GaN 기반의 질화물반도체는 에너지 밴드 갭(Energy Bandgap_3.4ev)이 실리콘 및 갈륨 비소 반도체 재료보다 매우 커서 항복 파괴 전압이 높고 많은 전류를 수용할 수 있기 때문에 고출력, 고온에서 동작하는 전자 소자에 적합하다. GaN 기반의 질화물 반도체을 이용한 최초의 MESFET(Metal Semiconductor FET_Metal Semiconductor Field Effect Transistor based on single crystal GaN, Appl.Phys,Lett., Vol.62, pp.1789,(1993), M.A.Khan,..)가 구현된 이래로 AlGaN/GaN 이종 접합(Hetro-Junction)을 이용한 고출력/고주파 성능을 구현할 수 있는 전계 효과 트랜지스터(FET) 및 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT)가 개발 및 상용화되었다.
Khan 등의 미국 특허 제5,192,987호에는 버퍼 및 기판 위에 성장된 AlGaN/GaN 기판 HEMT 및 그 생산 방법을 개시하고 있다. 다른 AlGaN/GaN 이종 접합 구조의 HEMT들은 Gaska 등이 기고한 학술지 [IEEE Electron Device Letter, Vol.18, No.10, October 1997, pp.492]에 "SiC 기판에 제조된 AlGaN/GaN HFET의 고온 성능"이란 제목으로 개시되어 있으며, Ping 등이 기고한 학술지 [IEEE Electron Devices Letters, Vol.19, No.2, February 1998, Page.54]에 P형 SiC 기판 위에 성장된 고전류 AlGaN 헤테로구조 전계효과트랜지스터의 DC 및 마이크로웨이브 성능"이란 제목으로 개시되어 있다. 우 이팽(Yifeng Wu) 등의 한국 특허 제0710654호에는 "트래핑을 저감하는 3족 질화물 기반 전계 효과트랜지스터와 고전자 이동도 트랜지스터 및 그 제조 방법"과 한국 특허 제0920434호에는 "절연 게이트 갈륨비소, 질화물/갈륨 질화물계 고전자 이동도트랜지스터"개시하고 있다. 또한 비치 로버트는 한국 특허 제1045573호에는"Ⅲ족 질화물 인헨스먼트 모드 소자"을 개시하고 있다. 오키 도시히로는 한국 특허 제0955249호에는 "질화물반도체 소자 및 그 제조 방법"을 개시하고 있고, 구라하시 겐이치로등의 한국 특허 제1870524호엔는 "반도체장치 및 그 제조 방법"을 개시하고 있다. Marianne Germaine등의 미국 특허 제7,772,055호에는 "ALGAN/GAN HIGH ELECTRON MOBILITY TRANSISTRO DEVICES"개시되어 있다.
GaN 기반의 질화물반도체가 다른 Ⅲ-Ⅴ 족 화합물반도체에 비해 고주파 및 고출력 전자소자에 적합한 이유는 다음과 같이 몇 가지로 대표된다. 첫째, GaN 기반의 질화물반도체는 전자 속도는 최대값이 실온에서 2.7x107cm/sec 이므로 갈륨 비소(GaAs) 화합물반도체의 전자 속도에 비해 빠르고, 이러한 빠른 전자속도는 전자의 이동시간을 감소시켜 우수한 고주파 특성을 얻을 수 있으며, 전류 및 전류 밀도의 향상시킨다. 두번째로는, 항복 전기장이 3~4MV/cm로 실리콘카바이드(SiC)에서의 값과 비교할 만하고 넓은 에너지 밴드갭에 기인한 높은 항복 전기장은 항복 전압을 높여 고추력을 처리할 수 있다. 셋째로는, AlGaN/GaN 이종 접합에서 전도대의 불연속성이 커서 2차원적 전자가스(2 Dimensional Elctron Gas, DEG) 층내에 수용할 수 있는 전하량이 크다. 즉, 에너지 밴드갭이 6.2eV인 AlN와 3.4eV인 GaN과의 큰 에너지 밴드갭 차이로 이종 접합에서의 에너지 차이가 증가하여, 에너지 차이 중 약 70% 정도가 전도대의 불연속성을 이루므로 다른 반도체에서 보다 큰 에너지 차이를 얻을 수 있다. 큰 전도대의 불연속성은 채널(channel)에서의 전하 축적에 도움을 주어 최대 전류를 높이는데 대단히 중요한 역할을 한다. 넷째로는, AlN와 GaN 박막사이의 격자상수(lattice mismatch) 불일치로 인해 이종 접합면 주위에 상당한 양의 응력(strain)이 발생하는데, 이러한 응력은 육각형 밀집구조에서 압전 현상(peizoelctric_effect)을 발생시켜 built-in 전기장이 형성된다. 이러한 built-in 전기장은 대개의 경우 전자가 이동하는 채널에 더 많이 집중시키는 역할을 하므로 채널의 전하량이 증대하게 되고 결국 최대 전류를 높이는데 도움이 된다.
일반적으로, AlGaN/GaN 이종접합 구조의 전계효과 트랜지스터(FET) 및 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT)등의 전자소자는 낮은 상호전달컨턱턴스(Gm) 특성을 가지고 있으며, 전자의 채널층으로 사용되는 단결정 GaN 박막층은 불순물(Si)을 도핑 또는 도핑하지 않느냐에 따라서 AlGaN/GaN 이종접합 계면에 형성된 2차원 전자가스(2DEG)층내의 Sheet 캐리어 농도와 전자의 이동도 특성이 향상된다.
단결정 GaN 질화물반도체는 아주 우수한 물질적 특성을 가지고 있어서, AlGaN/GaN 이종 접합 구조 형성 시, 고농도 2차원 전자층(2DEG)가 생성되기 때문에 낮은 온저항, 높은 전류밀도, 높은 전자 이동도를 얻을 수 있다. GaN 기반의 질화물반도체는 실리콘, 사파이어 및 실리콘카바이드 기판위에 MOCVD 또는 MBE 장비를 이용하여 고품질의 단결정 에피택셜 박막으로 성장시키는데, 그 중에서도 실리콘카바이드(SiC) 기판이 열전도성이 우수하고 GaN와 격자상수 및 열팽창계수 차이가 적어 AlGaN/GaN 이종접합 구조의 전계 효과 트랜지스터(FET) 및 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT)등의 전자 소자의 고출력과 우수한 고주파 성능 및 신뢰성을 확보가 용이하다. 또한 화?d물반도체인 GaAs와 InP 기반의 소자에 비해서도 우수한 고온 안정성, 단위 면적당 10배 이상의 고출력 특성, 높은 선형성 그리고 우수한 저잡음 특성 등 월등한 성능 우위를 가지고 있다.
또한 실리콘카바이드(SiC) 기판은 열전도성이 우수하여 소자 동작 시, 발생하는 열을 효과적으로 방출하여 열에 의한 소자의 특성 저하를 완화할 수 있고, SiC와 GaN과의 격자상수 및 열팽창계수 차이가 다른 Si, Sapphire 기판에 비해 적어 결정 결함 및 스트레스를 줄여 우수한 신뢰성을 확보가 용이하고 고품질의 GaN 기반의 질화물반도체 박막층 및 구조를 성장할 수 있어 보다 우수한 전기적 특성을 얻을 수 있다.
AlGaN/GaN 이종 접합 구조를 갖는 전계 효과 트랜지스터(FET) 및 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT)등의 RF 증폭 소자를 제작하기 위해서는, 열전도성이 우수하고 고출력에 용이한 실리콘카바이드(SiC) 기판 위에 고품질의 단결정 구조로 MOCVD 및 MBE 장비를 이용하여 성장시킨다. AlGaN/GaN 이종접합 구조를 갖는 FET 및 HEMT 전자 소자의 성능 향상을 위한 연구개발이 집중되고 있다. 이를 위해서는 다음과 같은 조건들을 만족시켜야 한다. 1)AlGaN/GaN 이종 접합 구조의 설계 및 성장, 2)고저항 버퍼층 및 Back Barrier 구조 성장, 3)RF 특성을 향상시키기 위한 FET 및 HEMT 소자에 대한 AlGaN/GaN 이종접합 구조 설계, 4)신뢰성 향상을 위한 AlGaN/GaN 이종 접합 구조 성장 기술 등에 대한 연구/개발이 요구된다. 보다 구체적으로는 1)적절한 AlGaN 장벽층 성장조건을 이용한 AlGaN/GaN 이종 접합 구조 성장 기술, 2)누설전류 감소 및 항복전압 향상을 위한 AlGaN 및 p-GaN Back Barrier 기술, 3)Iron 또는 Carbon 도핑을 위한 고저항 버퍼층 성장 기술, 4)단채널효과를 줄이기 위한 얇은 Al(In)N 장벽층 성장 기술, 5)우수한 표면 특성을 위한 In-Situ Capping 층 성장 기술 등의 최적화가 필요하다. 이러한 최적화된 AlGaN/GaN 이종 접합 구조의 설계 및 성장을 통해서 FET 및 HEMT 전자 소자의 RF 고출력 전력증폭 소자가 제공된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 기판과의 격자상수 및 열팽창계수와 큰 에너지 밴드갭 차이에 의해서 생성되는 결정 결함, 특히 표면까지 전파되는 선결함을 효과적으로 제어하여 낮은 벌크 누설 전류 및 높은 항복 전압과 우수한 고주파(RF) 특성을 갖는 AlGaN/GaN 이종 정합 구조를 갖는 고주파(RF) 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT) 전자 소자를 제공하는데 있다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은, AlGaN/GaN 이종 접합 구조를 갖는 HEMT 전자소자에서; 기판 상부에 형성되어 격자 상수와 스트레인(응력)을 제어하는 지지부(100), 상기 지지부 상부에 형성되고 누설전류와 항복 전압을 제어하는 절연부(200), 상기 절연부 상부에 형성되고 2DEG 전자농도 및 이동도를 제어하는 구동부(100)를 포함하며, 상기 지지부(300)는; 기판 상부에 형성되는 AlN 격자 정합층(401), 상기 AlN 격자 정합층 상부에 형성되는 AlyGa1-yN 스트레인(응력) 정합층(402), 상기 AlyGa1-yN 스트레인(응력) 정합층 상부에 형성되는 AlGaN 지지층(403)으로 구성되고, 상기 절연부(200)은; ~㏁ 이상의 높은 저항값을 갖는 Acceptor-H complex 분포의 구조를 갖는 반절연성 AlyGa1-yN층(404)이며, 상기 구동부(100)은; 상기 반절연성 AlyGa1-yN층(404) 상부에 형성되는 AlaGa1-aN (405) 전자 구속층(405), 상기 AlaGa1-aN 전자 구속층(405) 상부에 형성되는 AlGaN 채널층(406), 상기 AlGaN 채널층 상부에 형성되는 AlN 공간층(408), 상기 AlN 공간층(408) 상부에 형성되는 AlcGa1-cN 장벽층(409), 상기 AlcGa1-cN 장벽층(409) 상부에 형성되는 표면 보호층 및 전극 접촉층(410), 또는, 상기 AlcGa1-cN 장벽층(409) 상부에 n-AlGaN 전자 공급층;을 포함하는 AlGaN/GaN 이종접합 구조를 갖는 HEMT 전자 소자를 제공한다.
본 발명의 또 다른 기술적 과제는, 입체 구조를 갖는 AlGaN/GaN 이종 접합 구조를 갖는 HEMT 전자 소자에서; 기판 상부에 형성된 입체 구조를 갖는 지지부(300), 상기 지지부(300) 상부에 형성되는 절연부(200), 상기 절연부(200) 상부에 형성되고 2DEG 전자농도 및 이동도를 제어하는 구동부(100)를 포함하고, 상기 입체 구조를 갖는 지지부(100)는; 기판 상부에 규칙적인 배열의 하부/측면/상부의 입체 구조를 갖는 AlN 격자 정합층(501), 상기 1 차 입체 구조의 AlN 격자 정합층(501) 상부에 수직방향과 수평방향의 혼재되어 형성된 AlN 격자 정합층(502), 상기 수직방향과 수평방향의 혼재되어 형성된 AlN 격자 정합층 상부에 형성된 AlxGa1-xN 스트레인(응력) 정합층(503), 상기 AlxGa1-xN 스트레인(응력) 정합층(503) 상부에 형성된 AlyGa1-yN 지지층(504), 상기 절연부(200)은;~㏁ 이상의 높은 저항값을 갖는 Acceptor-H complex 분포의 구조를 갖는 반절연성 AlyGa1-yN 층(505)이며, 상기 구동부(300)은; 상기 반절연성 AlyGa1-yN 층(505) 상부에 형성되는 AlaGa1-aN 전자 구속층(506), 상기 AlaGa1-aN 전자 구속층(506) 상부에 형성되는 AlbGa1-bN 채널층(507), 상기 AlbGa1-bN 채널층(507) 상부에 형성되는 AlN 공간층(509), 상기 AlN 공간층(509) 상부에 형성되는 AlcGa1-cN 장벽층(510), 상기 AlcGa1-cN 장벽층(510) 상부에 형성되는 표면 보호층 및 전극 접촉층(511); 상기 상부에 형성된 AlN 공간층(509)과 하부에 형성된 AlbGa1-bN 채널층 계면에서 2DEG 층(508);을 포함하는 AlGaN/GaN 이종접합 구조를 갖는 HEMT 전자 소자를 제공한다.
그리고 본 발명의 기술적 과제는, 입체 구조를 갖는 AlGaN/GaN 이종 접합 구조를 갖는 HEMT 전자 소자에서; 기판 상부에 형성된 입체 구조를 갖는 지지부(300), 상기 입체 구조를 갖는 지지부 상부에 형성되는 절연부(200), 상기 절연부 상부에 형성되는 구동부(300)로 구성되며, 상기 입체 구조를 갖는 지지부는(300); 기판 상부에 규칙적인 배열의 하부/측면/상부의 1 차 입체 구조를 갖는 AlN 격자 정합층(601), 상기 1 차 입체 구조의 AlN 격자 정합층(601) 상부에 수직 방향과 수평 방향의 혼재되어 형성된 2 차 입체 구조를 갖는 AlN 격자 정합층(602), 상기 수직방향과 수평방향의 혼재되어 형성된 2 차 입체 구조를 갖는 AlN 격자 정합층 상부에 형성되고, 수직 방향과 수평 방향의 혼재되어 형성된 AlxGa1-xN 스트레인(응력) 정합층(603), 상기 수직 방향과 수평 방향의 혼재되어 형성된 AlxGa1-xN 스트레인(응력) 정합층 상부에 형성된 AlyGa1-yN 지지층(604), 상기 절연부(200)은;~㏁ 이상의 높은 저항값을 갖는 Acceptor-H complex 분포의 구조를 갖는 반절연성 AlyGa1-yN 층(605)이며, 상기 구동부(100)은; 상기 반절연성 AlyGa1-yN 층(605) 상부에 형성되는 AlaGa1-aN 전자 구속층(606), 상기 AlaGa1-aN 전자 구속층(606) 상부에 형성되는 AlbGa1-bN 채널층(607), 상기 AlbGa1-bN 채널층(607) 상부에 형성되는 AlN 공간층(609), 상기 AlN 공간층(609) 상부에 형성되는 AlcGa1-cN 장벽층(610), 상기 AlcGa1-cN 장벽층 상부에 형성되는 표면 보호층 및 전극 접촉층(611); 상기 상부에 형성된 AlN 공간층(509)과 하부에 형성된 AlbGa1-bN 채널층 계면에서 2DEG 층(608);을 포함하는 AlGaN/GaN 이종접합 구조를 갖는 HEMT 전자 소자를 제공한다.
그리고 본 발명의 또 다른 기술적 과제는, 입체 구조를 갖는 AlGaN/GaN 이종 접합 구조를 갖는 HEMT 전자 소자에서; 기판 상부에 형성된 입체 구조를 갖는 지지부(300), 상기 입체 구조를 갖는 지지부 상부에 형성되는 절연부(200), 상기 절연부 상부에 형성되는 구동부(100)로 구성되며, 상기 입체 구조를 갖는 지지부(300)는; 기판 상부에 규칙적인 배열의 하부/측면/상부의 1 차 입체 구조를 갖는 AlN 격자 정합층(701), 상기 1 차 입체 구조를 갖는 AlN 격자 정합층(701) 상부에 형성된 하부/측면/상부를 갖는 2 차 입체 구조의 AlN 격자 정합층(702), 상기 2 차 입체 구조의 AlN 격자 정합층 상부에 하부/측면/상부의 입체 구조를 갖는 AlGaN 스트레인 정합층(703), 또한,AlxGa1-xN 스트레인 정합(703)의 입체 구조의 입체 면적이 2 차 AlN 격자 정합층(702)의 입체 면적보다 크며, 상기 입체 구조를 갖는 AlxGa1-xN 스트레인 정합층(703) 상부에 수직 방향과 수평 방향의 혼재되어 형성된 입체 구조를 갖는 AlyGa1-yN 지지층(704), 상기 절연부(200)은;~㏁ 이상의 높은 저항값을 갖는 Acceptor-H complex 분포의 구조를 갖는 반절연성 AlyGa1-yN 층(705)이며, 상기 구동부(100)은; 상기 반절연성 AlyGa1-yN 층(705) 상부에 형성되는 AlaGa1-aN 전자 구속층(706), 상기 AlaGa1-aN 전자 구속층(706) 상부에 형성되는 AlbGa1-bN 채널층(707), 상기 AlbGa1-bN 채널층(707) 상부에 형성되는 AlN 공간층(709), 상기 AlN 공간층(709) 상부에 형성되는 AlcGa1-cN 장벽층(710), 상기 AlcGa1-cN 장벽층(710) 상부에 형성되는 표면 보호층 및 전극 접촉층(711); 상기 상부에 형성된 AlN 공간층(709)과 하부에 형성된 AlbGa1-bN 채널층 계면에서 2DEG 층(708);을 포함하는 AlGaN/GaN 이종접합 구조를 갖는 HEMT 전자 소자를 제공한다.
또한 본 발명의 또 다른 기술적 과제는, 입체 구조를 갖는 AlGaN/GaN 이종 접합 구조를 갖는 HEMT 전자 소자에서 기판 상부에 형성된 입체 구조를 갖는 지지부(100), 상기 입체 구조를 갖는 지지부(300) 상부에 형성되는 절연부(200), 상기 절연부 상부에 형성되는 구동부(100)로 구성되며, 상기 입체 구조를 갖는 지지부(100)는; 기판 상부에 규칙적인 배열의 하부/측면/상부의 1 차 입체 구조를 갖는 AlN 격자 정합층(801), 상기 1 차 입체 구조를 갖는 AlN 격자 정합층(801) 상부에 형성된 하부/측면/상부를 갖는 2 차 입체 구조의 AlN 격자 정합층(802), 상기 2 차 입체 구조의 AlN 격자 정합층(802) 상부에 하부/측면/상부의 입체 구조를 갖는 AlxGa 1-xN 스트레인 정합층(803), 상기 입체 구조를 갖는 AlxGa 1-xN 스트레인 정합층(803) 상부에 하부/측면/상부의 입체 구조를 갖는 AlyGa1-yN 지지층(804), 상기 절연부(200)은; 상기 입체 구조를 갖는 AlyGa1-yN 지지층(804) 상부에 형성되고, 수평 방향과 수직 방향의 성장이 혼재되어 있으며,~㏁ 이상의 높은 저항값을 갖는 Acceptor-H complex 분포의 구조를 갖는 반절연성 AlyGa1-yN 층(805)이며, 상기 구동부(100)은; 상기 반절연성 AlyGa1-yN 층(805) 상부에 형성되는 AlaGa1-aN 전자 구속층(806), 상기 AlaGa1-aN 전자 구속층(806) 상부에 형성되는 AlbGa1-bN 채널층(807), 상기 AlbGa1-bN 채널층(807) 상부에 형성되는 AlN 공간층(809), 상기 AlN 공간층(809) 상부에 형성되는 AlcGa1-cN 장벽층(810), 상기 AlcGa1-cN 장벽층 상부에 형성되는 표면 보호층 및 전극 접촉층(811);을 상기 상부에 형성된 AlN 공간층(809)과 하부에 형성된 AlbGa1-bN 채널층 계면에서 2DEG 층(808);을 포함하는 AlGaN/GaN 이종접합 구조를 갖는 HEMT 전자 소자를 제공한다.
상술한 본 발명에 따르면, 기판 상부에 규칙적인 배열의 [하부/측면/상부] 입체 구조를 갖는 AlN 격자 정합층을 형성하고, 상기 입체 구조를 갖는 AlN 격자 정합층 상부에 동일한 입체 구조이면서 점진적으로 입체면적이 큰 AlGaN 스트레인 정합층과 AlGaN 지지층으로 구성된다. 입체 구조를 갖는 AlN 격자 정합층,AlGaN 스트레인 정합 및 AlGaN 지지층은 기판면에서 수직방향으로 우선되는 종래의 성장 방식과 다르게 수평과 수직이 혼재하는 입체 성장방식으로서, 수평 성장 방향이 수직 성장 방향보다 최소 3 배 이상 빠른 성장률을 제공한다. 따라서 이러한 수평 성장 방향으로 기판과의 격자상수와 열팽창계수의 차이에 의해서 생성되고, 표면까지 전파되는 선결함을 효과적으로 억제하는 고품질의 AlGaN/GaN 이종 접합 구조의 RF HEMT 전자소자를 제공한다. 또한 ~㏁ 이상의 높은 저항값을 갖는 반절연성 AlyGa1-yN 층 적용하여 낮은 누설전류 및 큰 항복 전압에 의해서 우수한 고주파(RF) 특성을 갖는 AlGaN/GaN 이종 접합 구조를 갖는 FET 및 RF HEMT 전자 소자를 제공한다.
도 1. 단결정 GaN 층 상부에 평면성장(수직방향)과 입체 성장된(수평/수직 혼재)AlN 및 AlGaN/AlN 이종접합 구조에 대한 표면 사진.
도 2. 단결정 GaN 층 상부에 입체 구조로 형성된 AlGaN/AlN 이종 접합에 대한 표면사진(a) 및 A-B 단면도(b).
도 3. 격자 상수 차이에 의한 AlGaN/GaN 이종 접합 구조를 갖는 HEMT Epi. Wafer 단면도.
도 4. AlGaN/GaN 이종 접합 구조를 갖는 HEMT Epi. Wafer 단면도.
도 5. 평면과 입체 구조의 AlGaN/GaN 이종 접합 구조를 갖는 HEMT Epi. Wafer 단면도.
도 6. 평면과 입체 구조의 AlGaN/GaN 이종 접합 구조를 갖는 HEMT Epi. Wafer 단면도.
도 7. 평면과 입체 구조의 AlGaN/GaN 이종 접합 구조를 갖는 HEMT Epi. Wafer 단면도.
도 8. 평면과 입체 구조의 AlGaN/GaN 이종 접합 구조를 갖는 HEMT Epi. Wafer 단면도.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에서 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속한는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 도일 참조 부호는 도일 구성요소를 지칭한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 누설전류 및 항복 전압을 개선한 고주파(RF) 고전자 이동도 트랜지스터(High Electron Mobility Transister, HEMT, 이하 HEMT로 명칭함)에 관하여 구체적으로 설명하기로 한다.
질화물반도체 재료를 이용한 AlGaN/GaN 이종 접합 구조의 전계 효과 트랜지스터(Field Effect Transistor_FET, 하기 FET 명칭함) 및 고전자 이동도 트랜지스터(High Electron Mobility Transistor_HEMT, 하기 HEMT 명칭함) RF 전자 소자에서, 고농도 전자 이동도를 향상시키기 위해서는 고품질의 GaN 채널층 성장되어야 하며, 이 채널층내로 전자의 이동도를 제한하기 위해서 채널층 하부로 흐르는 누설전류를 최대한 방지하고 항복 전압이 높은 두꺼운 고품질의 고저항 GaN 층이 필연적으로 요구된다. 고저항 단결정 GaN층은 불순물을 도핑하지 않고 deeep Acceptor 역할을 하는 Ga 공공(vacancy)를 이용하는 undoped GaN층, Iron, Carbon, 및 Fe 불순물이 도핑된 GaN층이 사용된다. Iron 불순물은 메모리 효과로 인해 성장이 어려운 단점이 있으며, Carbon 불순물 도핑 방법은 TMGa MO source가 성장 챔버내로 유입되면서 고온의 성장온도에 의해서 해리되는 과정에서 형성된 부산물인 Carbon를 도핑하여 고저항 GaN층을 구현하는 방식이다.
본 발명에서는 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 장비를 이용하여, 낮은 벌크 누설전류 및 높은 항복 전압을 갖는 고품질의 두꺼운 반절연성 AlxGa1-xN층은 p-형 도판트 불순물인 Fe, Ir, Zn(DMZn)와 Mg(Cp2Mg) 및 Carbon(TMGa) 등의 불순물을 AlxGa1-xN층 성장중에 주입하여 ~㏁ 이상의 높은 저항을 갖는 Acceptor(Mg, Zn)-H complex 구조를 성장하였다. Zn(DMZn) 또는 Mg(Cp2Mg) 불순물인 경우, 고품질의 단결정 AlxGa1-xN층은 이온 결합 특성이 강하기 때문에 불순물의 에너지 준위가 200meV으로 ~㏁ 이상의 Acceptor(Mg 또는 Zn)-H complex에 의한 반절연성 특성 자체를 이용하였다.이러한 AlxGa1-xN층내에 존재하는 Acceptor-H complex은 매우 높은 저항값에 의해서 전기 전도도에 기여하는 홀 캐리어가 거의 없는 Zn 또는 Mg 불순물이 수소와 결합되어 분포하는 것으로써, 전기 전도도에 기여하는 홀을 형성하는 p-형 AlxGa1-xN층이 아니다.
본 발명에서는 결정 결함 생성 및 전파를 효과적으로 억제시키는 규칙적인 배열의 하부/측면/상부의 입체 구조를 포함하는 지지부, 낮은 누설전류 및 높은 항복 전압을 갖는 절연부 그리고 고전자 농도/이동도를 갖는 구동부로 구성된 입체 구조의 AlGaN/GaN 이종 정합을 갖는 FET 및 RF HEMT 전자 소자를 제공한다.
도 1 은, 본 발명의 실시예로서, MOCVD 장비를 이용하여 사파이어 기판 위에 AlN 버퍼층을 성장시킨 후, 1050℃의 고온에서 2 ㎛ 두께를 갖는 undoped GaN 층을 성장하고, undoped GaN 층 상부에 1100℃의 고온에서 1000Å 의 두께를 갖는 AlN 층과 AlN 층 상부에 0.3 ㎛의 두께를 갖는 AlGaN 층을 평면 및 입체 구조로 성장한 이종 접합의 형상을 비교한 표면 사진을 나타낸 것이다.
또한, 입체 구조를 갖는 AlN/GaN 과 AlGaN/AlN/GaN 이종 접합은 undoped GaN 표면에 0.1~1 ㎛ 두께 범위의 식각 높이(etch depth)로 다양한 형상을 갖는 패턴으로 건식 식각하여 형성한 후 재성장하는 방식이다. 이때, 사용되는 소스 및 캐리어 가스는 고순도 NH3, H2, N2 이고, MO source 는 TMGa, TMAl 이며,AlN 와 AlGaN 층의 성장온도는 1100℃이다.AlGaN 개별층에 대한 Al 조성(함량)은 각각 90, 80, 70, 60%이다. 또한, 사파이어 기판 대신 SiC 기판을 사용할 경우, GaN 층과의 격자상수 차이가 적어서 상대적으로 고품질의 결정성이 제공된다.
도 1 를 참조하면, 종래의 기판면에서 수직방향으로 성장된 GaN 상부에 AlN 또는 AlGaN/AlN 이종 접합 구조가 성장될 경우, GaN 와 AlN 층과의 격자상수 및 열팽창계수의 차이에 의한 격자 부정합 및 큰 에너지밴드갭의 차이에 큰 응력이 발생하여 크랙(crack) 및 핏(pit)이 표면에 형성된다. 일반적으로 성장온도의 증/감에 의해 GaN 층은 압축 응력(compressive strain)과 AlN 층은 팽창응력(tensile strain)으로 작용하므로 적절한 스트레인(응력) 정합층이 요구된다.
도 1 를 참조하면, 입체 구조를 갖는 AlN/GaN 및 AlGaN/AlN/GaN 구조인 경우, 오목 형상(육각형), 볼록 형상(cycle) 및 혼합구조(육각형/원형)에서 크랙(crack) 및 핏(pit)이 생성되지 않은 깨끗한 표면을 얻는다. 이러한 결과는, 다양한 형상과 구조를 갖는 입체 구조가 수직 방향의 성장보다는 수평 방향의 성장이 우선하기 때문이다. 즉, 수평 방향으로 입체 구조가 성장되면서 기판면에서 수직 방향으로 전파되는 스트레인(응력)을 수평 방향으로 우선되는 성장모드에 의해서 스트레인(응력)이 방향을 수평방향으로 변환시킨 결과이다.
또한, 다양한 Al 조성(함량)을 갖는 AlGaN 층은 90%에서 60%까지 변화하더라도 크랙(crack) 및 핏(pit) 생성되지 않은 깨끗한 표면을 제공한다. 따라서, 다양한 형태의 입체 구조를 적용하여 수직과 수평방향의 성장 모드를 제어하여 표면쪽으로 전파되는 결정 결함(선결함)을 효과적으로 제어시켜 고품질의 AlGaN/GaN 이종 접합 구조의 RF HEMT 전자 소자를 제공한다.
따라서, 본 발명에서는 상술한 입체 구조의 장점을 AlGaN/GaN 이종 접합 구조의 RF HEMT 전자 소자용 Epi-Wafer 성장 초기에 적용하여 기판에서 형성되는 초기 결정 결함을 효과적으로 억제하는 것을 목적으로 한다.
표 1 은, 본 발명의 실시예로서, MOCVD 장비를 이용하여 사파이어 기판 위에 AlN 버퍼층을 성장시킨 후, 1050℃의 고온에서 2㎛ 두께를 갖는 undoped GaN층을 성장하고, 상부에 1100℃ 고온에서 1000Å의 두께를 갖는 AlN층에 대한 성장 전/후에 대한 휨(BOW)값을 나타낸 것이다.
표 1를 참조하면, GaN층의 상부에 AlN 층을 성장시킨 결과, 전체적으로 휨(BOW) 값이 감소되고, 이러한 원인은 성장온도의 증감에 따라서 GaN층은 압축 응력(compressive strain) 생성되고, 상부에 형성된 AlN층은 팽창 응력(tensile strain) 생성되어 그 두께가 얇더라도 에너지 밴드갭이 크기 때문에 상대적으로 5개 샘플에 대해서 휨 값이 감소된다. 따라서, 두꺼운 GaN층 위에 AlN층의 두께 제어를 통하여 GaN층과 AlN층과의 스트레인(응력) 정합이 가능하여 결정 결함의 생성 및 기판에서 부터 표면 방향으로 전파되는 선결함을 효과적으로 제어하는 기술을 제공한다.
본 발명에서는, 상술에서 설명한 휨 값 제어 기술과 기판 상부에 입체 구조를 포함하는 지지부를 형성하여 결정 결함이 효과적으로 억제된 고품질의 AlGaN/GaN 이종 접합 구조의 FET 및 RF HEMT 전자 소자를 제공한다.
도 2 는, 본 발명의 실시예로서, 육각형의 오목 형상을 갖는 입체 구조의 AlGaN/AlN/GaN 이종 접합의 평면 사진을 나타낸 것이다. 육각형의 오목 형상내의 점선은 규칙적인 배열을 갖는 입체 구조의 GaN 층 이며, 식각된 하부면에서 부터 식각되지 않은 상부면으로 곡면을 갖는 구조로서, 하부면의 면적이 상부면의 면적보다 크다.
도 2 을 참조하면, 규칙적인 배열을 갖는 입체 구조의 GaN 층과 동일한 형상으로 AlN 층과 AlGaN 층이 성장되고, 식각된 하부면과 식각되지 않은 상부면에서 수직 성장 방향과 곡면을 갖는 식각된 측면에서 수평 성장 방향을 갖는다. 수평 방향으로 성장이 수직방향보다 우선하며, 최소 3 배 이상 빠른 우선 성장률을 가지는 것을 특징으로 한다. 또한 입체 구조의 면적은 GaN 층에서 부터 AlGaN 층으로 성장되면서 커지며, 수평방향이 성장률에 의해서 좌우되고, 입체 구조의 성장은 입체면으로 진행되는 반극성(semi-polar) 방향으로 진행된다.
도 2 을 참조하면, 입체 구조의 A-B 단면에서 수평방향으로 성장이 수직 방향보다 최소 3 배 최대 8 배 이상 빠르며, 이러한 수평방향으로의 빠른 성장률에 의해서 기판에서 부터 생성되어 표면쪽으로 전파되는 결정 결함(선결함)이 진행을 효과적으로 억제시키고, 수평 방향으로의 빠른 성장률은 스트레인(응력)을 수평 방향으로 분산하는 효과를 주어서 낮은 휨(BOW) 값을 제공한다.
또한, 수평방향의 빠른 성장모드를 이용하면, 입체 구조의 형상의 크기, 높이, 밀도등의 설계 조건을 최적화시켜서 수직 성장과 수평 성장 방향이 혼재된 입체 구조에서, 이후, 낮은 휨(BOW) 값과 결정결함이 제어된 평면을 갖는 AlGaN/GaN 이종 접합 지지부와 상기 지지부 상부에 형성된 높은 저항값을 갖는 반절연성 절연부와 실질적인 전기적 동작을 수행하는 구동부의 AlGaN/GaN 이종 접합 구조의 FET 또는 RF HEMT 전자소자가 제공된다.
따라서, 본 발명에서는, 수평 방향으로 빠른 성장 모드를 적용하여 성장 초기 부터 효과적으로 결정 결함의 생성을 억제 할 수 있는 AlGaN/GaN 이종 접합의 구조를 갖는 RF HEMT 전자소자를 제공한다.
도 3 은, 본 발명의 다른 실시예로서, 기판(사파이어, SiC) 상부에 실시적인 격자 상수의 차이를 고려하여 설계된 AlGaN/GaN 이종 접합 구조의 RF HEMT 전자 소자용 Epi 구조의 단면을 나타낸 것이다. 상기 RF HEMT 전자 소자용 Epi. 구조는 평면과 입체 구조에 동시에 적용되며, 또한 평면으로도 구현된다.
도 3 을 참조하면, 기판 상부에 AlN 격자 정합층, AlGaN 다중 스트레인(응력) 정합층, AlGaN 지지층을 포함하는 지지부, 상기 지지부는 기판과의 격자 상수 및 열팽창계수의 차이 및 큰 에너지 밴드갭에 의한 스트레인(응력)이 발생하여 기판면의 수직방향으로 전파되는 결정결함(선결함)을 효과적으로 억제하는 역할을 수행한다. 또한, 낮은 누설전류 및 큰 항복 전압을 제어하는 절연부, 및 게이트 전극과 Schottky 전극 접촉과 소오스 및 드레인 전극과 ohmic 전극 접촉 및 2DEG 전자 농도/이동도 그리고 채널층내 전자 흐름을 제어하는 구동부로 구성되는 AlGaN/GaN 이종 접합 구조의 FET 및 RF HEMT 전자 소자를 제공한다.
상기 구동부는 반절연성 AlGaN 층 상부에 AlGaN 또는 AlN 전자 구속층, AlGaN 채널층, AlN 공간층 및 AlGaN 장벽층 그리고 표면보호층 또는 전극 접촉층으로 구성된다.
도 3 을 참조하면, 상기 AlGaN 지지층의 Al 조성(함량)은 10% 이내이며, 반절연성 AlGaN 층과 동일하다. AlGaN 또는 AlN 전자 구속층의 Al 조성(함량)은 20% 이며 2DEG 층내의 전자가 Bulk 방향으로 흐른 것을 방지하는 역할을 수행하므로 전자 구속층이라고 명칭한다. AlGaN 채널층은 Al 조성이 10% 이내이며, 결정 결함에 의한 전자의 트랩(trap)을 최소화시키기 위해서 고품질의 결정성이 요구된다.
또한, AlN 공간은 높은 에너지 밴드갭의 차이에 의해서 채널층과의 계면에서 2차원 가스(2DEG)층이 형성되고, AlGaN 장벽층에서 전자가 터널링할 수 있는 두께인 50Å 이내이며, AlGaN 장벽층의 Al 조성(함량)은 25~30% 범위로 제공된다. 그리고 AlGaN 장벽층의 표면의 Al 또는 Ga dangling 결합에 의한 산소와의 결합에 의한 AlO, GaO 등의 native oixde 생성을 방지 하기 위해서 표면 보호층 또는 전극 접촉층 구조를 포함한다.
또한, AlGaN/GaN 이종 접합 구조의 RF HEMT 전자소자의 성능 구현에 따라서 AlGaN 장벽층 상부에 Si n-형 불순물이 도핑된 n-AlGaN 전자 공급층이 적용된다.
도 4 은 본 발명의 실시예로서, 평면 및 입체 구조가 동시에 적용된 AlGaN/GaN 이종 접합의 RF HEMT 전자소자의 Ep. 구조의 단면도(10)를 나타낸 것이다.
도 4 를 참조하여 상세하게 설명하면, AlN 격자 정합층(401),AlxGa1-xN 스트레인 정합층, 반절연성 AlyGa1-yN 층(404)로 구성된 지지부(300)과 반절연성 AlyGa1-yN 층(404)의 절연부(200), 그리고 AlaGa1-bN 전자 구속층(405),AlaGa1-bN 채널층(406),AlN 공간층(408),AlcGa1-cN 장벽층(409), 및 표면 보호층 및 전극 접촉층(410)을 포함하는 구동부(100)로 구성된다.
도 4 를 참조하면, 기판(400) 상부에 고온의 성장온도에서 0.05 ㎛~0.5 ㎛ 두께 범위, 더욱 바람직하게는 0.05 ㎛~0.3 ㎛ 두께 범위를 갖는 AlN 격자 정합층(401)을 형성한 후, 일정한 두께 범위내에서 Al 조성(함량)을 순차적으로 변화시킨 AlxGa1-xN(80→20%)층과 불순물이 첨가하지 않은 얇은 두께 범위를 갖는 GaN 층이 적층된 [Al80Ga20N/GaN]/[Al60Ga40/GaN]/[Al40Ga60N/GaN]/[Al20Ga80N/GaN] 구조인 스트레인 정합층(402)을 형성한다. 각각의 AlxGa1-xN(80→20%)층의 두께는 0.05 ㎛~0.5 ㎛이며, 바람직하게는 0.05~0.2 ㎛이고, GaN 층의 두께는 20~200Å이고, 더욱 바람직하게는 50Å~100Å 범위이다.
상기 스트레인 정합층(402) 상부에 0.2 ㎛~3 ㎛ 두께범위이고, 바람직하게 0.2~2 ㎛ 두께 범위를 갖는 고품질의 AlyGa1-yN 지지층(403)을 형성한 후,~㏁이상의 높은 저항값을 갖는 0.2 ㎛~3 ㎛ 두꺼 범위내에서, 바람직하게는 0.2 ㎛~1 ㎛의 두께 범위의 Acceptor-H complex 분포의 구조를 갖는 반절연성 AlyGa1-yN 층 404)을 형성한다. 상기 반절열성 AlyGa1-yN 층(404) 상부에 0.05 ㎛~0.3 ㎛ 두께 범위내에서, 바람직하게는 0.05 ㎛~0.3 ㎛ 두께 범위의 AlaGa1-aN 전자 구속층(405)을 형성한후, 0.05 ㎛~1 ㎛ 두께 범위내에서 바람직하게는 0.05 ㎛~0.5 ㎛ 범위의 고품질의 GaN 채널층(407)을 형성한다.
GaN 채널층(406)은 FET 또는 RF HEMT 전자소자의 설계조건에 따라서 그 두께 범위가 결정된다. 상기 GaN 채널층(407) 상부에 50Å 이내의 두께를 갖는 양질의 AlN 공간층(408 을 형성한다. AlN 공간층(408)과 GaN 채널층(406)간의 에너지 밴드갭의 불연속적인 차이에 의해서 응력이 발생하여 계면에서 높은 캐리어 전자농도 및 높은 이동도를 갖는 2 차원적인 가스(2DEG)층(407)이 형성된다. 따라서 GaN 채널층(406)은 결정 결함이 최대한 억제된 고품질의 결정성이 요구되며, 얇은 두께를 갖는 AlN 공간층(408) 또한 양질의 결정성이 요구된다.
AlN 공간층(408)을 형성한 후, 100Å~1000Å의 두께 범위를 갖는, 바람직하게는 100~500Å 두께 범위의 AlcGa1-cN 장벽층(409)을 형성한다. 이때 AlcGa1-cN 장벽층(409)의 Al 조성은 20~35% 이며, 바람직하게는 25~30% 범위내이다. 이 후, 노출된 AlcGa1-cN 장벽층(409)은 Al 과 Ga 의 dangling bond 가 우선하여 공기 중에 있는 산소와 쉽게 결합되어 AlxOy, GaxOy 등의 20Å 이하의 얇은 native oxide 가 형성되기 때문에 GaN, AlGaN, Al(In)N 등의 질화물반도체 또는 SixNy 과 같은 유전체 절연막을 형성하여 표면을 보호시킨다. 상기의 GaN, AlGaN, Al(In)N 등의 질화물반도체를 이용한 표면 보호층 및 전극 접촉층(410)은 n 또는 p-형 포판트인 불순물이 도핑되거나 도핑을 하지 않을 수 있으며 두께는 30Å~1000Å 범위가 바람직하다. 또한 SixNy 유전체 절연막은 MOCVD 장비내에서 in-situ 또는 MOCVD, CVD, Sputter, ALD 등 반도체 장비를 이용하여 1000~3000Å의 두께가 바람직하다. 또한, 상기 AlcGa1-cN 장벽층 상부에 Si n-형 불순물이 도핑된 n-AlcGa1-cN 전자 공급층이 형성된 AlGaN/GaN 이종 접합 구조의 RF HEMT 전자 소자를 제공한다.
도 4 를 참조하면, AlxGa1-xN 스트레인 정합층(402)과 AlyGa1-yN 지지층(403), Acceptor-H complex 분포의 구조를 갖는 반절연성 AlyGa1-yN 층(404), AlaGa1-aN 전자 구속층(406) 및 AlcGa1-cN 장벽층(409)등의 각각의 Al 조성(함량)은 다음과 같다. 반절연성 AlyGa1-yN 층(404 의 Al 조성(함량)은 하부에 형성된 AlyGa1-yN 스트레인 정합층(402)보다 낮으며(x>y),상부에 형성된 AlaGa1-aN 전자 구속층(405) 보다 낮으며(a>y), AlcGa1-cN 장벽층(409) 보다 낮고(c>y), 또한 AlaGa1-aN 전자 구속층(405)의 Al 조성은 동일면상에 c-axis 로 성장된 상부의 AlxGa1-xN 스트레인 정합층(402) 보다 같거나 적고(a≤x), 상부의 AlcGa1-cN 장벽층(409) 보다 같거나 높은(a≥c)것을 포함하는 고주파(RF) 고전자 이동도 트랜지스터를 제공한다.
도 5 는 본 발명의 실시예로서, 기판 상부에 규칙적인 배열의 식각된 하부면에서 부터 식각되지 않은 상부면까지 곡면 형상의 입체 구조를 갖는 AlN 격자 정합층을 포함하는 지지부(300), 절연부(200) 및 구동부(100)의 AlGaN/GaN 이종 접합의 RF HEMT 전자소자의 Ep. 구조의 단면도(20)를 나타낸 것이다. 입체 구조를 갖는 AlN 격자 정합층에서, 하부면의 면적이 상부면의 면적보다 큰 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 지지부(300), 절연부(200) 및 구동부(100)를 구성하는 개별층의 성장 조건은 도 4 에 상술한 내용과 동일하다.
도 5 를 참조하면, 입체 구조를 갖는 AlGaN/GaN 이종 접합 구조를 갖는 HEMT 전자 소자용 Epi-Wafer 구조에 대해서 상세하게 설명하면 다음과 같다. 기판 상부에 형성된 입체 구조를 갖는 지지부(300), 상기 지지부 상부에 형성되는 절연부(200), 상기 절연부 상부에 형성되고 2DEG 전자농도 및 이동도를 제어하는 구동부(100)로 구성되고, 상기 입체 구조를 갖는 지지부는 기판 상부에 규칙적인 배열의 식각된 하부면에서 부터 식각되지 않은 상부면까지 곡면 형상의 입체 구조를 갖는 AlN 격자 정합층(501), 상기 1 차 입체 구조의 AlN 격자 정합층(501) 상부에 수직방향과 수평방향의 혼재되어 형성된 AlN 격자 정합층(502), 상기 수직방향과 수평방향의 혼재되어 형성된 AlN 격자 정합층 상부에 형성된 AlxGa1-xN 스트레인(응력) 정합층(503), 및 상기 AlxGa1-xN 스트레인(응력) 정합층(503) 상부에 형성된 AlyGa1-yN 지지층(504)으로 구성된다.
또한, 상기 절연부(200)은 ~㏁ 이상의 높은 저항값을 갖는 Acceptor-H complex 분포의 구조를 갖는 반절연성 AlyGa1-yN 층(505)이며, 상기 구동부(100)은 상기 반절연성 AlyGa1-yN 층(505) 상부에 형성되는 AlaGa1-aN 전자 구속층(506), 상기 AlaGa1-aN 전자 구속층(506) 상부에 형성되는 AlbGa1-bN 채널층(507), 상기 AlbGa1-bN 채널층(507) 상부에 형성되는 AlN 공간층(509), 상기 AlN 공간층(509) 상부에 형성되는 AlcGa1-cN 장벽층(510), 및 상기 AlcGa1-cN 장벽층(510) 상부에 형성되는 표면 보호층 및 전극 접촉층(511)으로 구성된다. 그리고 상기 상부에 형성된 AlN 공간층(509)과 하부에 형성된 AlbGa1-bN 채널층 계면에서 고농도 전자와 이동도를 갖는 2 차원 전자가스(2DEG)층(508)을 포함하는 AlGaN/GaN 이종접합 구조를 갖는 HEMT 전자 소자를 제공한다.
도 5 를 참조하면, 상기 수직 방향과 수평 방향의 혼재되어 형성된 AlN 격자 정합층(502)은 수평 방향의 성장률이 수직 방향으로의 성장률보다 최소 2 배 이상 빠르며, 수평 방향과 수직 방향의 혼재되어 동시에 진행되고, 상기 하부/측면/상부를 갖는 입체 구조가 수평 방향으로 성장이 우선한다. 또한, 상기 하부/측면/상부를 갖는 입체 구조가 융합되어 기판(500)의 성장면과 평행한 평면의 AlN 격자 정합층(502)을 포함하는 입체구조의 AlGaN/GaN 이종 접합 구조를 갖는 RF HEMT 전자 소자를 제공한다.
도 5 를 참조하면, 상기 하부/측면/상부를 갖는 입체 구조의 AlN 격자 정합층(501)은 하부의 면적이 상부의 면적보다 크며, 측면은 하부에서 상부쪽으로 곡면의 입체 구조이고, 입체 구조의 상부면과 입체 구조가 없은 하부면에서 2 개의 수직 성장 방향과 입체 구조의 측면에서 수평의 성장 방향을 포함하는 AlGaN/GaN 이종 접합 구조를 갖는 RF HET 전자 소자를 제공한다..
도 6 은, 본 발명의 실시예로서, 기판(600) 상부에 규칙적인 배열의 식각된 하부면에서 부터 식각되지 않은 상부면까지 곡면 형상의 1 차 입체 구조의 AlN 격자 정합층(601)과 1 차 입체 구조의 AlN 격자 정합층(601) 상부에 동일한 형상으로 성장된 2 차 입체 구조의 AlN 격자 정합층(602)A 을 포함하는 지지부(300), 절연부(200) 및 구동부(100)의 AlGaN/GaN 이종 접합의 RF HEMT 전자소자의 Ep. 구조의 단면도(30)를 나타낸 것이다.
또한, 1 차 입체 구조의 AlN 격자 정합층(601)의 면적은 2 차 입체 구조의 AlN 격자 정합층(602)보다 적으며, 입체 구조 하부면의 면적이 상부면의 면적보다 큰 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 지지부(300), 절연부(200) 및 구동부(100)를 구성하는 개별층의 성장 조건은 도 4 에 상술한 내용과 동일하다.
도 6 를 참조하면, 입체 구조를 갖는 AlGaN/GaN 이종 접합 구조를 갖는 HEMT 전자 소자에서, 기판 상부에 형성된 입체 구조를 갖는 지지부(300), 상기 입체 구조를 갖는 지지부(300) 상부에 형성되는 절연부(200), 상기 절연부 상부에 형성되는 구동부(300)로 구성된다. 또한, 상기 입체 구조를 갖는 지지부는(300)은 기판(600) 상부에 규칙적인 배열의 하부/측면/상부의 1 차 입체 구조를 갖는 AlN 격자 정합층(601), 상기 1 차 입체 구조의 AlN 격자 정합층(601) 상부에 수직 방향과 수평 방향의 혼재되어 형성된 2 차 입체 구조를 갖는 AlN 격자 정합층(602)으로 구성되고, 상기 수직방향과 수평방향의 혼재되어 형성된 2 차 입체 구조를 갖는 AlN 격자 정합층(602) 상부에 형성되고, 수직 방향과 수평 방향의 혼재되어 형성된 AlxGa1-xN 스트레인(응력) 정합층(603)와 상기 수직 방향과 수평 방향의 혼재되어 형성된 AlxGa1-xN 스트레인(응력) 정합층(603) 상부에 형성된 AlyGa1-yN 지지층(604)으로 구성된다.
또한, 상기 절연부(200)은 ~㏁ 이상의 높은 저항값을 갖는 Acceptor-H complex 분포의 구조를 갖는 반절연성 AlyGa1-yN 층(605)되고, 상기 구동부(100)은 상기 반절연성 AlyGa1-yN 층(605) 상부에 형성되는 AlaGa1-aN 전자 구속층(606), 상기 AlaGa1-aN 전자 구속층(606) 상부에 형성되는 AlbGa1-bN 채널층(607), 상기 AlbGa1-bN 채널층(607) 상부에 형성되는 AlN 공간층(609), 상기 AlN 공간층(609) 상부에 형성되는 AlcGa1-cN 장벽층(610) 및 상기 AlcGa1-cN 장벽층 상부에 형성되는 표면 보호층 및 전극 접촉층(611)으로 구성되고, 상기 상부에 형성된 AlN 공간층(509)과 하부에 형성된 AlbGa1-bN 채널층 계면에서 2DEG 층(608)을 포함하는 AlGaN/GaN 이종접합 구조를 갖는 HEMT 전자 소자를 제공한다.
도 6 를 참조하면, 상기 하부/측면/상부를 갖는 2 차 입체 구조의 AlN 격자 정합층(602)은 수평 방향의 성장률이 수직 방향으로의 성장률보다 최소 2 배 이상 빠르며, 수평 방향과 수직 방향의 혼재되어 동시에 진행된다. 또한, 상기 하부/측면/상부를 갖는 입체 구조에서 수평 방향으로 성장이 우선되는 것을 포함하는 입체구조의 AlGaN/GaN 이종 접합 구조를 갖는 RF HEMT 전자 소자를 제공한다.
도 6 를 참조하면, 상기 하부/측면/상부를 갖는 1 차 및 2 차 입체 구조의 AlN 격자 정합층(601)/(602)은 하부의 면적이 상부의 면적보다 크며, 측면은 하부에서 상부쪽으로 곡면의 입체 구조로 구성된다. 또한, 입체 구조의 상부면과 입체 구조가 없은 하부면에서 2 개의 수직 성장 방향과 입체 구조의 측면에서 수평의 성장 방향을 포함하는 입체구조의 AlGaN/GaN 이종 접합 구조를 갖는 RF HET 전자 소자를 제공한다.
도 6 를 참조하면, 상기 수직 방향과 수평 방향의 혼재되어 형성된 AlGaN 스트레인 정합층(603)은 수평 방향의 성장률이 수직 방향으로의 성장률보다 최소 3 배 이상 빠르며, 수평 방향과 수직 방향의 혼재되어 동시에 진행되고, 상기 하부/측면/상부를 갖는 입체 구조가 수평 방향으로 성장이 우선된다. 또한, 상기 하부/측면/상부를 갖는 입체 구조가 융합되어 기판(600)의 성장면과 평행한 평면의 AlGaN 스트레인 정합층(603)을 포함하는 입체구조의 AlGaN/GaN 이종 접합 구조를 갖는 RF HEMT 전자 소자를 제공한다.
도 7 는, 본 발명의 실시예로서, 기판(700) 상부에 규칙적인 배열의 식각된 하부면에서 부터 식각되지 않은 상부면까지 곡면 형상의 1 차 입체 구조의 AlN 격자 정합층(701)과 1 차 입체 구조의 AlN 격자 정합층(701) 상부에 동일한 형상으로 성장된 2 차 입체 구조의 AlN 격자 정합층(702),2 차 입체 구조의 AlN 격자 정합층(702) 상부에 동일한 형상으로 성장된 입체 구조의 AlGaN 스트레인 정합층(703), 상기 입체 구조의 AlGaN 스트레인 정합층(703) 상부에 형성되고, 수직 방향과 수평 방향의 혼재되어 형성된 AlGaN 지지층(704)을 포함하는 지지부(300), 절연부(200), 및 구동부(100)의 AlGaN/GaN 이종 접합의 RF HEMT 전자소자의 Ep. 구조의 단면도(40)를 나타낸 것이다.
또한, 입체 구조의 AlGaN 스트레인 정합층(703)의 면적은 2 차 입체 구조의 AlN 격자 정합층(602)의 면적보다 크며, 입체 구조 하부면의 면적이 상부면의 면적보다 큰 것을 특징으로 한다. 그리고, 상기 지지부(300), 절연부(200) 및 구동부(100)를 구성하는 개별층의 성장 조건은 도 4 에 상술한 내용과 동일하다.
도 7 를 참조하면, 입체 구조를 갖는 AlGaN/GaN 이종 접합 구조를 갖는 HEMT 전자 소자에서, 기판(700) 상부에 형성된 입체 구조를 갖는 지지부(300), 상기 입체 구조를 갖는 지지부(300) 상부에 형성되는 절연부(200), 및 상기 절연부 상부에 형성되는 구동부(100)로 구성되며, 상기 입체 구조를 갖는 지지부(300)은 기판(700) 상부에 규칙적인 배열의 하부/측면/상부의 1 차 입체 구조를 갖는 AlN 격자 정합층(701), 상기 1 차 입체 구조를 갖는 AlN 격자 정합층(701) 상부에 형성된 하부/측면/상부를 갖는 2 차 입체 구조의 AlN 격자 정합층(702), 상기 2 차 입체 구조의 AlN 격자 정합층 상부에 하부/측면/상부의 입체 구조를 갖는 AlGaN 스트레인 정합층(703)으로 구성된다.
또한, AlxGa1-xN 스트레인 정합(703)의 입체 구조의 입체 면적이 2 차 AlN 격자 정합층(702)의 입체 면적보다 크며, 상기 입체 구조를 갖는 AlxGa1-xN 스트레인 정합층(703) 상부에 수직 방향과 수평 방향의 혼재되어 형성된 입체 구조를 갖는 AlyGa1-yN 지지층(704)을 포함한다.
상기 절연부(200)은 ~㏁ 이상의 높은 저항값을 갖는 Acceptor-H complex 분포의 구조를 갖는 반절연성 AlyGa1-yN 층(705)이고, 상기 구동부(100)은 상기 반절연성 AlyGa1-yN 층(705) 상부에 형성되는 AlaGa1-aN 전자 구속층(706), 상기 AlaGa1-aN 전자 구속층(706) 상부에 형성되는 AlbGa1-bN 채널층(707), 상기 AlbGa1-bN 채널층(707) 상부에 형성되는 AlN 공간층(709), 상기 AlN 공간층(709) 상부에 형성되는 AlcGa1-cN 장벽층(710), 및 상기 AlcGa1-cN 장벽층(710) 상부에 형성되는 표면 보호층 및 전극 접촉층(711)으로 구성되고, 상기 상부에 형성된 AlN 공간층(709)과 하부에 형성된 AlbGa1-bN 채널층 계면에서 2DEG 층(708)을 포함하는 AlGaN/GaN 이종접합 구조를 갖는 HEMT 전자 소자를 제공한다.
도 7 를 참조하면, 상기 수직 방향과 수평 방향의 혼재되어 형성된 2 차 AlN 격자 정합층(702)은 수평 방향의 성장률이 수직 방향으로의 성장률보다 최소 2 배 이상 빠르며, 수평 방향과 수직 방향의 혼재되어 동시에 진행되고, 상기 하부/측면/상부를 갖는 입체 구조에서 수평 방향으로 성장이 우선되는 것을 포함하는 입체구조의 AlGaN/GaN 이종 접합 구조를 갖는 RF HEMT 전자 소자를 제공한다. 또한, 상기 하부/측면/상부의 입체 구조를 갖는 1 차 및 2 차 AlN 격자 정합층(701)/(702)은 하부의 면적이 상부의 면적보다 크며, 측면은 하부에서 상부쪽으로 곡면의 입체 구조이다. 또한, 입체 구조의 상부면과 입체 구조가 없는 하부면에서 2 개의 수직 성장 방향과 입체 구조의 측면에서 수평의 성장 방향을 포함하는 입체구조의 AlGaN/GaN 이종 접합 구조를 갖는 RF HET 전자 소자를 제공한다.
도 7 를 참조하면, 상기 하부/측면/상부의 입체 구조를 갖는 AlN 스트레인 정합층(701)은 하부의 면적이 상부의 면적보다 크며, 측면은 하부에서 상부쪽으로 곡면의 입체 구조이고, 입체 구조의 상부면과 입체 구조가 없는 하부면에서 2 개의 수직 성장 방향과 입체 구조의 측면에서 수평의 성장 방향이고, AlxGa1-xN 스트레인 정합층(703)의 2 차 입체면적이 AlN 격자 정합층(702)의 입체면적보다 큰 것을 포함하는 입체구조의 AlGaN/GaN 이종 접합 구조를 갖는 RF HET 전자 소자를 제공한다.
도 7 를 참조하면, 상기 수직 방향과 수평 방향의 혼재되어 형성된 AlyGa1-yN 지지층(704)은 수평 방향의 성장률이 수직 방향으로의 성장률보다 최소 2 배 이상 빠르며, 수평 방향과 수직 방향의 혼재되어 동시에 진행되고, 상기 하부/측면/상부를 갖는 입체 구조가 수평 방향으로 성장이 우선된다. 또한, 상기 하부/측면/상부를 갖는 입체 구조가 융합되어 기판의 성장면과 평행한 평면의 AlGaN 지지층(704)을 포함하는 입체구조의 AlGaN/GaN 이종 접합 구조를 갖는 RF HEMT 전자 소자를 제공한다.
도 8 는, 본 발명의 다른 실시예로서, 기판(800) 상부에 규칙적인 배열의 식각된 하부면에서 부터 식각되지 않은 상부면까지 곡면 형상의 1 차 입체 구조의 AlN 격자 정합층(801),2 차 입체 구조의 AlN 격자 정합층(802),2 차 입체 구조의 AlN 격자 정합층(802), 입체 구조의 AlGaN 스트레인 정합층(803), 및 입체 구조의 AlGaN 지지층(804)상기 입체 구조를 포함하는 지지부(300)와 수직 방향과 수평 방향의 혼재되어 형성된 반절연성 AlGaN 층(804) 및 반절연성 AlGaN 층(805)을 포함하는 절연부(200), 구동부(100)으로 구성된 AlGaN/GaN 이종 접합의 RF HEMT 전자소자의 Ep. 구조의 단면도(50)를 나타낸 것이다. 상기 지지부(300), 절연부(200) 및 구동부(100)를 구성하는 개별층의 성장 조건은 도 4 에 상술한 내용과 동일하다.
도 8 를 참조하면, 입체 구조를 갖는 AlGaN/GaN 이종 접합 구조를 갖는 HEMT 전자 소자에서, 기판(800) 상부에 형성된 입체 구조를 갖는 지지부(300)는 상기 입체 구조를 갖는 지지부(300) 상부에 형성되는 절연부(200), 상기 절연부(200) 상부에 형성되는 구동부(100)로 구성된다. 또한, 상기 입체 구조를 갖는 지지부(300)는 기판(800) 상부에 규칙적인 배열의 하부/측면/상부의 1 차 입체 구조를 갖는 AlN 격자 정합층(801), 상기 1 차 입체 구조를 갖는 AlN 격자 정합층(801) 상부에 동일한 형상으로 형성되어 하부/측면/상부를 갖는 2 차 입체 구조의 AlN 격자 정합층(802), 상기 2 차 입체 구조의 AlN 격자 정합층(802) 상부에 동일한 형상으로 형성되어 하부/측면/상부의 입체 구조를 갖는 AlxGa1-xN 스트레인 정합층(803), 및 상기 입체 구조를 갖는 AlxGa1-xN 스트레인 정합층(803) 상부에 동일한 형상으로 형성되어 하부/측면/상부의 입체 구조를 갖는 AlyGa1-yN 지지층(804)을 포함한다.
또한, 상기 절연부(200)은 상기 입체 구조를 갖는 AlyGa1-yN 지지층(804) 상부에 형성되고, 수평 방향과 수직 방향의 성장이 혼재되어 있으며,~㏁ 이상의 높은 저항값을 갖는 Acceptor-H complex 분포의 구조를 갖는 반절연성 AlyGa1-yN 층(805)이고, 상기 구동부(300)은 상기 반절연성 AlyGa1-yN 층(805) 상부에 형성되는 AlaGa1-aN 전자 구속층(806), 상기 AlaGa1-aN 전자 구속층(806) 상부에 형성되는 AlbGa1-bN 채널층(807), 상기 AlbGa1-bN 채널층(807) 상부에 형성되는 AlN 공간층(809), 상기 AlN 공간층(809) 상부에 형성되는 AlcGa1-cN 장벽층(810), 및 상기 AlcGa1-cN 장벽층 상부에 형성되는 표면 보호층 및 전극 접촉층(811)으로 구성되며, 상기 상부에 형성된 AlN 공간층(809)과 하부에 형성된 AlbGa1-bN 채널층 계면에서 2DEG 층(808)을 포함하는 AlGaN/GaN 이종접합 구조를 갖는 HEMT 전자 소자를 제공한다.
도 8 를 참조하면, 상기 수직 방향과 수평 방향의 혼재되어 형성된 2 차 AlN 격자 정합층(802)은 수평 방향의 성장률이 수직 방향으로의 성장률보다 최소 3 배 이상 빠르며, 수평 방향과 수직 방향의 혼재되어 동시에 진행되고, 상기 하부/측면/상부를 갖는 입체 구조에서 수평 방향으로 성장이 우선하는 것을 포함하는 입체구조의 AlGaN/GaN 이종 접합 구조를 갖는 RF HEMT 전자 소자를 제공한다.
도 8 를 참조하면, 상기 하부/측면/상부의 입체 구조를 갖는 2 차 AlN 격자 정합층(802)은 하부의 면적이 상부의 면적보다 크며, 측면은 하부에서 상부쪽으로 곡면의 입체 구조이고, 입체 구조의 상부면과 입체 구조가 없는 하부면에서 2 개의 수직 성장 방향과 입체 구조의 측면에서 수평의 성장 방향을 포함하는 입체구조의 AlGaN/GaN 이종 접합 구조를 갖는 RF HET 전자 소자를 제공한다.
기판 :400, 500,600, 700, 800 AlN 격자 정합층 :401, 501, 601, 701, 801
입체 구조의 AlN 격자 정합층 :501, 601/602, 701/702, 801/802
AlxGa1-xN 스트레인 정합층 :402, 503, 603
입체 구조의 AlxGa1-xN 스트레인 정합층 :703, 803 AlyGa1-yN 지지층 :403, 504, 604, 704
입체 구조의 AlyGa1-yN 지지층 :804
Acceptor-H complex 분포의 구조를 갖는 반절연성 AlyGa1-yN 지지층 :404, 505, 605, 705, 805
AlaGa1-aN 전자 구속층 :405, 506, 606, 706, 806 AlbGa1-bN 채널층 :406, 507, 607, 707, 807
AlN 공간층 :408, 509, 609, 709, 809 AlcGa1-cN 장벽층 :409,510, 610, 710, 810
표면 보호층 및 전극 접촉층 :410, 511, 611, 711, 811

Claims (58)

  1. AlGaN/GaN 이종 접합 구조를 갖는 고전자 이동도 트랜지스터 소자에서;
    기판 상부에 형성되어 격자 상수와 스트레인(응력)을 제어하는 지지부(300),
    상기 지지부 상부에 형성되고 누설전류와 항복 전압을 제어하는 절연부(200),
    상기 절연부 상부에 형성되고 2DEG 전자농도 및 이동도를 제어하는 구동부(100)를 포함하며,
    상기 지지부(300)는;
    기판 상부에 형성되는 AlN 격자 정합층(401),
    상기 AlN 격자 정합층 상부에 형성되는 AlxGa1-xN 스트레인(응력) 정합층(402),
    상기 AlxGa1-xN 스트레인(응력) 정합층 상부에 형성되는 AlGaN 지지층(403)으로 구성되고,
    상기 절연부(200)은;
    ~㏁ 이상의 높은 저항값을 갖는 Acceptor-H complex 분포의 구조를 갖는 반절연성 AlyGa1-yN층(404)이며,
    상기 구동부(100)은;
    상기 반절연성 AlyGa1-yN층(404) 상부에 형성되는 AlaGa1-aN(405) 전자 구속층(405),
    상기 AlaGa1-aN 전자 구속층(405) 상부에 형성되는 AlGaN 채널층(406),
    상기 AlGaN 채널층 상부에 형성되는 AlN 공간층(408),
    상기 AlN 공간층(408) 상부에 형성되는 AlcGa1-cN 장벽층(409),
    상기 AlcGa1-cN 장벽층(409) 상부에 형성되는 표면 보호층 및 전극 접촉층(410),
    또는, 상기 AlcGa1-cN 장벽층(409) 상부에 n-AlGaN 전자 공급층;을
    포함하고,
    상기 반절연성 AlyGa1-yN층(404)의 Al 조성(함량)은;
    상기 AlxGa1-xN 스트레인 정합층(402)보다 낮으며(x>y),
    상기 AlaGa1-aN 전자 구속층(405) 보다 낮으며(a>y),
    상기 AlcGa1-cN 장벽층(409) 보다 낮고(c>y),
    상기 AlaGa1-aN 전자 구속층(405)의 Al 조성은;
    상기 AlxGa1-xN 스트레인 정합층(402) 보다 같거나 적고(a≤x),
    상기 AlcGa1-cN 장벽층(409) 보다 같거나 높은(a≥c)
    고전자 이동도 트랜지스터 소자.
  2. 청구항 1에서,
    고품질의 결정성을 갖는 AlGaN 지지층(403)과 반절연성 AlyGa1-yN층(404) 하부에,
    기판과의 격자 정합을 위한 AlN 격자 정합층(401)이 형성되고,
    상기 AlN 격자 정합층(401)과 AlGaN 지지층과(403)의 스트레인 정합층인 AlxGa1-xN 층(402)을;
    포함하는 고전자 이동도 트랜지스터 소자.
  3. 청구항 1에서,
    ~㏁ 이상의 높은 저항값을 갖는 반절연성 AlyGa1-yN층(404)은;
    Acceptor-H complex 분포를 갖는 구조이고,
    Mg, Zn, C, Ir, Fe등의 Acceptor 불순물로 구성되는 고전자 이동도 트랜지스터 소자.
  4. 청구항 1에서,
    ~㏁ 이상의 높은 저항값을 갖는 반절연성 AlyGa1-yN층(404),
    상기 반절연성 AlyGa1-yN층(404)과 동일한 c-axis 성장방향으로 형성된 AlbGa1-bN 채널층(406)과,
    상기 AlbGa1-bN 채널층(406)과 동일한 c-axis 성장방향으로 형성된 AlN 공간층(408)과의 계면에서 높은 캐리어 전자농도 및 이동도를 갖는 2차원가스(2DEG)층(407)을 ;
    포함하는 고전자 이동도 트랜지스터 소자.
  5. 청구항 1에서,
    ~㏁ 이상의 높은 저항값을 갖는 반절연성 AlyGa1-yN층(404),
    상기 반절연성 AlyGa1-yN층(404)과 동일한 c-axis 성장방향으로 형성된 AlbGa1-bN 채널층(406)과,
    상기 AlbGa1-bN 채널층(406)과 동일한 c-axis 성장방향으로 형성된 AlcGa1-cN 장벽층(409) 상부에,
    질화물반도체 및 절연막으로 구성된 표면 보호층(410)을;
    포함하는 고전자 이동도 트랜지스터 소자.
  6. 청구항 1에서,
    ~㏁ 이상의 높은 저항값을 갖고, c-axis의 성장 방향으로 형성된 반절연성 AlyGa1-yN층(404)으로서,
    SiC, Sapphire, Silicon등을 포함하는 반도체 재료를 기판으로 사용되는
    고전자 이동도 트랜지스터 소자.
  7. 입체 구조를 갖는 AlGaN/GaN 이종 접합 구조를 갖는 고전자 이동도 트랜지스터 소자에서;
    기판 상부에 형성된 입체 구조를 갖는 지지부(300),
    상기 지지부 상부에 형성되는 절연부(200),
    상기 절연부 상부에 형성되고 2DEG 전자농도 및 이동도를 제어하는 구동부(100)를 포함하며,
    상기 입체 구조를 갖는 지지부(300)는;
    기판 상부에 규칙적인 배열의 하부/측면/상부의 입체 구조를 갖는 AlN 격자 정합층(501),
    상기 입체 구조를 갖는 AlN 격자 정합층(501) 상부에 수직방향과 수평방향의 혼재되어 형성된 AlN 격자 정합층(502),
    상기 수직방향과 수평방향의 혼재되어 형성된 AlN 격자 정합층 상부에 형성된 AlxGa1-xN 스트레인(응력) 정합층(503),
    상기 AlxGa1-xN 스트레인(응력) 정합층 상부에 형성된 AlyGa1-yN 지지층(504),
    상기 절연부(200)은;
    ~㏁ 이상의 높은 저항값을 갖는 Acceptor-H complex 분포의 구조를 갖는 반절연성 AlyGa1-yN 층(505)이며,
    상기 구동부(100)은;
    상기 반절연성 AlyGa1-yN 층(505) 상부에 형성되는 AlaGa1-aN 전자 구속층(506),
    상기 AlaGa1-aN 전자 구속층(506) 상부에 형성되는 AlbGa1-bN 채널층(507),
    상기 AlbGa1-bN 채널층(507) 상부에 형성되는 AlN 공간층(509),
    상기 AlN 공간층(509) 상부에 형성되는 AlcGa1-cN 장벽층(510),
    상기 AlcGa1-cN 장벽층(510) 상부에 형성되는 표면 보호층 및 전극 접촉층(511);
    상기 상부에 형성된 AlN 공간층(509)과 하부에 형성된 AlbGa1-bN 채널층 계면에서 2DEG 층(508);을
    포함하고
    상기 반절연성 AlyGa1-yN층(505)의 Al 조성(함량)은;
    상기 AlxGa1-xN 스트레인 정합층(503)보다 낮으며(x>y),
    상기 AlaGa1-aN 전자 구속층(506) 보다 낮으며(a>y),
    상기 AlcGa1-cN 장벽층(510) 보다 낮고(c>y),
    상기 AlaGa1-aN 전자 구속층(506)의 Al 조성은;
    상기 AlxGa1-xN 스트레인 정합층(503) 보다 같거나 적고(a≤x),
    상기 AlcGa1-cN 장벽층(510) 보다 같거나 높은(a≥c)
    고전자 이동도 트랜지스터 소자.
  8. 청구항 7 에서,
    상기 수직 방향과 수평 방향의 혼재되어 형성된 AlN 격자 정합층(502)은,
    수평 방향의 성장률이 수직 방향으로의 성장률보다 최소 2 배 이상 빠르며,
    수평 방향과 수직 방향의 혼재되어 동시에 진행되고,
    상기 하부/측면/상부를 갖는 입체 구조가 수평 방향으로 성장이 우선되며,
    상기 하부/측면/상부를 갖는 입체 구조가 융합되어 기판의 성장면과 평행한 평면의 AlN 격자 정합층(502);을
    포함하는 고전자 이동도 트랜지스터 소자.
  9. 청구항 7 에서,
    상기 하부/측면/상부를 갖는 입체 구조의 AlN 격자 정합층(501)은;
    하부의 면적이 상부의 면적보다 크며,
    측면은 하부에서 상부쪽으로 곡면의 입체 구조이며,
    또한, 입체 구조의 상부면과 입체 구조가 없는 하부면에서 2 개의 수직 성장 방향과,
    입체 구조의 측면에서 수평의 성장 방향;을
    포함하는 고전자 이동도 트랜지스터 소자.
  10. 청구항 7에서,
    고품질의 결정성을 갖는 AlyGa1-yN 지지층(504)과 반절연성 AlyGa1-yN층(505) 하부에,
    기판과의 격자 정합을 위한 AlN 격자 정합층(502)이 형성되고,
    상기 AlN 격자 정합층(502)과 AlyGa1-yN 지지층과(504)의 스트레인 정합층인 AlxGa1-xN 층(503)을;
    포함하는 고전자 이동도 트랜지스터 소자.
  11. 청구항 7에서,
    입체 구조를 갖는 지지부(300),
    ~㏁ 이상의 높은 저항값을 갖는 반절연성 AlyGa1-yN층(505),
    상기 반절연성 AlyGa1-yN층(505)과 동일한 c-axis 성장방향으로 형성된 AlbGa1-bN 채널층(507)과,
    상기 AlbGa1-bN 채널층(507)과 동일한 c-axis 성장방향으로 형성된 AlN 공간층(409)과의 계면에서 높은 캐리어 전자농도 및 이동도를 갖는 2차원가스(2DEG)층(508)을 ;
    포함하는 고전자 이동도 트랜지스터 소자.
  12. 청구항 7에서,
    입체 구조를 갖는 지지부(300),
    ~㏁ 이상의 높은 저항값을 갖는 반절연성 AlyGa1-yN층(505),
    상기 반절연성 AlyGa1-yN층(505)과 동일한 c-axis 성장방향으로 형성된 AlbGa1-bN 채널층(507)과,
    상기 AlbGa1-bN 채널층(507)과 동일한 c-axis 성장방향으로 형성된 AlcGa1-cN 장벽층(510) 상부에,
    질화물반도체 및 절연막으로 구성된 표면 보호층(511)을;
    포함하는 고전자 이동도 트랜지스터 소자.
  13. 청구항 7에서,
    ~㏁ 이상의 높은 저항값을 갖고, c-axis의 성장 방향으로 형성된 반절연성 AlyGa1-yN층(505)으로서,
    SiC, Sapphire, Silicon등을 포함하는 반도체 재료를 기판으로 사용되는
    고전자 이동도 트랜지스터 소자.
  14. 입체 구조를 갖는 AlGaN/GaN 이종 접합 구조를 갖는 고전자 이동도 트랜지스터 소자에서;
    기판 상부에 형성된 입체 구조를 갖는 지지부(300),
    상기 입체 구조를 갖는 지지부 상부에 형성되는 절연부(200),
    상기 절연부 상부에 형성되는 구동부(100)로 구성되며,
    상기 입체 구조를 갖는 지지부는(300);
    기판 상부에 규칙적인 배열의 하부/측면/상부의 1 차 입체 구조를 갖는 AlN 격자 정합층(601),
    상기 1 차 입체 구조의 AlN 격자 정합층(601) 상부에 수직 방향과 수평 방향의 혼재되어 형성된 2 차 입체 구조를 갖는 AlN 격자 정합층(602),
    상기 수직방향과 수평방향의 혼재되어 형성된 2 차 입체 구조를 갖는 AlN 격자 정합층(602) 상부에 형성되고,
    수직 방향과 수평 방향의 혼재되어 형성된 AlxGa1-xN 스트레인(응력) 정합층(603),
    상기 수직 방향과 수평 방향의 혼재되어 형성된 AlxGa1-xN 스트레인(응력) 정합층 상부에 형성된 AlyGa1-yN 지지층(604),
    상기 절연부(200)은;
    ~㏁ 이상의 높은 저항값을 갖는 Acceptor-H complex 분포의 구조를 갖는 반절연성 AlyGa1-yN층(605)이며,
    상기 구동부(100)은;
    상기 반절연성 AlyGa1-yN층(605) 상부에 형성되는 AlaGa1-aN 전자 구속층(606),
    상기 AlaGa1-aN 전자 구속층(606) 상부에 형성되는 AlbGa1-bN 채널층(607),
    상기 AlbGa1-bN 채널층(607) 상부에 형성되는 AlN 공간층(609),
    상기 AlN 공간층(609) 상부에 형성되는 AlcGa1-cN 장벽층(610),
    상기 AlcGa1-cN 장벽층 상부에 형성되는 표면 보호층 및 전극 접촉층(611);
    상기 상부에 형성된 AlN 공간층(509)과 하부에 형성된 AlbGa1-bN 채널층 계면에서 2DEG 층(608);을
    포함하고,
    상기 반절연성 AlyGa1-yN층(605)의 Al 조성(함량)은;
    상기 AlxGa1-xN 스트레인 정합층(603)보다 낮으며(x>y),
    상기 AlaGa1-aN 전자 구속층(606) 보다 낮으며(a>y),
    상기 AlcGa1-cN 장벽층(610) 보다 낮고(c>y),
    상기 AlaGa1-aN 전자 구속층(606)의 Al 조성은;
    상기 AlxGa1-xN 스트레인 정합층(603) 보다 같거나 적고(a≤x),
    상기 AlcGa1-cN 장벽층(610) 보다 같거나 높은(a≥c)
    고전자 이동도 트랜지스터 소자.
  15. 청구항 14 에서,
    상기 하부/측면/상부를 갖는 2 차 입체 구조의 AlN 격자 정합층(602)은;
    수평 방향의 성장률이 수직 방향으로의 성장률보다 최소 2 배 이상 빠르며,
    수평 방향과 수직 방향의 혼재되어 동시에 진행되고,
    상기 하부/측면/상부를 갖는 입체 구조에서 수평 방향으로 성장이 우선되는 것;을
    포함하는 고전자 이동도 트랜지스터 소자.
  16. 청구항 14 에서,
    상기 하부/측면/상부를 갖는 1 차 및 2 차 입체 구조의 AlN 격자 정합층(601)/(602)은;
    하부의 면적이 상부의 면적보다 크며,
    측면은 하부에서 상부쪽으로 곡면의 입체 구조이며,
    또한, 입체 구조의 상부면과 입체 구조가 없은 하부면에서 2 개의 수직 성장 방향과,
    입체 구조의 측면에서 수평의 성장 방향;을
    포함하는 고전자 이동도 트랜지스터 소자.
  17. 청구항 14 에서,
    상기 수직 방향과 수평 방향의 혼재되어 형성된 AlGaN 스트레인 정합층(603)은,
    수평 방향의 성장률이 수직 방향으로의 성장률보다 최소 2 배 이상 빠르며,
    수평 방향과 수직 방향의 혼재되어 동시에 진행되고,
    상기 하부/측면/상부를 갖는 입체 구조가 수평 방향으로 성장이 우선되며,
    상기 하부/측면/상부를 갖는 입체 구조가 융합되어 기판의 성장면과 평행한 평면의 AlGaN 스트레인 정합층(603);을
    포함하는 고전자 이동도 트랜지스터 소자.
  18. 청구항 14에서,
    고품질의 결정성을 갖는 AlyGa1-yN 지지층(604)과 반절연성 AlyGa1-yN층(605) 하부에,
    기판과의 격자 정합을 위한 AlN 격자 정합층(601)이 형성되고,
    상기 AlN 격자 정합층(601)과 AlyGa1-yN 지지층과(604)의 스트레인 정합층인 AlxGa1-xN 층(603)을;
    포함하는 고전자 이동도 트랜지스터 소자.
  19. 청구항 14에서,
    입체 구조를 갖는 지지부(300),
    ~㏁ 이상의 높은 저항값을 갖는 반절연성 AlyGa1-yN층(605),
    상기 반절연성 AlyGa1-yN층(605)과 동일한 c-axis 성장방향으로 형성된 AlbGa1-bN 채널층(607)과,
    상기 AlbGa1-bN 채널층(607)과 동일한 c-axis 성장방향으로 형성된 AlN 공간층(609)과의 계면에서 높은 캐리어 전자농도 및 이동도를 갖는 2차원가스(2DEG)층(608)을 ;
    포함하는 고전자 이동도 트랜지스터 소자.
  20. 청구항 14에서,
    입체 구조를 갖는 지지부(300),
    ~㏁ 이상의 높은 저항값을 갖는 반절연성 AlyGa1-yN층(605),
    상기 반절연성 AlyGa1-yN층(605)과 동일한 c-axis 성장방향으로 형성된 AlbGa1-bN 채널층(607)과,
    상기 AlbGa1-bN 채널층(607)과 동일한 c-axis 성장방향으로 형성된 AlcGa1-cN 장벽층(610) 상부에,
    질화물반도체 및 절연막으로 구성된 표면 보호층(611)을;
    포함하는 고전자 이동도 트랜지스터 소자.
  21. 청구항 14에서,
    ~㏁ 이상의 높은 저항값을 갖고, c-axis의 성장 방향으로 형성된 반절연성 AlyGa1-yN층(605)으로서,
    SiC, Sapphire, Silicon등을 포함하는 반도체 재료를 기판으로 사용되는
    고전자 이동도 트랜지스터 소자.
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