ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР НА ОСАЖДЁННОЙ ИЗ ГАЗОВОЙ ФАЗЫ АЛМАЗНОЙ ПЛЁНКЕ С ДЕЛЬТА-ДОПИРОВАННЫМ ПРОВОДЯЩИМ КАНАЛОМ
FIELD-EFFECT TRANSISTOR ON GAS PHASE-PRECIPITATED DIAMOND FILM WITH DELTA-DOPED CONDUCTIVE CHANNEL

Изобретение относится к технике полупроводниковых приборов для управления, усиления и генерации высокочастотных электрических сигналов. Оно может быть использовано для создания мощных, радиационно и химически стойких и высокочастотных полевых транзисторов.
Изобретение направлено на создание полевого транзистора, основанного на осажденной из газовой фазы алмазной пленке с дельта-допированным проводящим каналом с высокой подвижностью носителей заряда. Такие пленки обладают рядом уникальных характеристик, таких как высокая теплопроводность, большие пробивное напряжение, радиационная и химическая стойкость и др. Эти свойства делают их перспективной элементной базой для полупроводниковой микро- и наноэлектроники, в частности для создания на их основе мощных, радиационно и химически стойких и высокочастотных полевых транзисторов.
Создание мощных, радиационно и химически стойких и высокочастотных полевых транзисторов является актуальной задачей современной полупроводниковой микро- и наноэлектроники, поскольку такие устройства позволяют существенно увеличить производительность вычислительных систем, генерировать сверхвысокочастотные электромагнитные волны для передачи информации, потребляют мало энергии и поэтому могут использоваться в схемах ждущих и следящих устройств, а также в схемах малого энергопотребления (кварцевые часы, пульты дистанционного управления и др.), способны работать в космических условиях и др.
Поиск решения этой задачи ведется, в основном, в двух направлениях: разработка полевых транзисторов с p-n переходом (или переходом Шоттки металл - полупроводник) и полевых транзисторов с затвором, изолированным от остальной структуры тонким слоем диэлектрика. Изменение толщины проводящего канала (и, следовательно, его сопротивления) в первом из них достигается путем вариации обратного смещения или на p-n переходе между разнородно легированными подзатворной областью и остальной частью структуры, или на переходе металл - полупроводник. Изменение толщины проводящего канала в полевом транзисторе второго типа также достигается вариацией напряжения на затворе.
Основными сложностями при создании полевых транзисторов является обеспечение высокого быстродействия (определяемого временем пролета носителями заряда в проводящем канале длины затвора), возможности работы при больших коммутируемых мощностях (т.е. эффективного теплоотвода и возможности приложения больших напряжений между истоком и стоком) и радиационной и химической стойкости.
18
-3
Известно устройство, позволяющее частично решить эти задачи. Им является полевой транзистор, основанный на гетероструктуре с селективным легированием (P.M. Solomon, H. Morkoc, "Modulation doped GaAs/AlGaAs heterojunction field-effect transistors (MODFET′s), ultrahigh speed device for supercomputers", IEEE Trans. Electron. Dev., v. ED-31, N 8, 1984, pp. 1015-1027; R. Dingle, "New high-speed III-V devices for integrated circuits", IEEE Trans. Electron. Dev., v. ED-31, N 11, 1984, pp. 1662-1667; Great Britain, EP 0481555 (A1), H01L 21/338, H01L 29/10, H01L 29/205, H01L 29/778, H01L 29/812, 1992). Он состоит из легированного слоя широкозонного полупроводника AlGaAs с толщиной 30-60 нм и концентрацией легирующей примеси 10 см, тонкого нелегированного слоя AlGaAs с толщиной 2-3 нм (т.н. спейсер) и толстого слоя узкозонного нелегированного полупроводника GaAs. В такой структуре носители заряда концентрируются в тонком (толщина несколько нанометров) слое GaAs, прилегающем к слою AlGaAs. Их подвижность (а, следовательно, и обратное время пролета ими длины затвора, т.е. быстродействие устройства) резко возрастает по сравнению со случаем однородно легированного слоя AlGaAs или GaAs с той же концентрацией легирующей примеси вследствие, во-первых, их пространственного отделения спейсером от центров рассеяния - ионизованных атомов примеси в слое AlGaAs, и, во-вторых, эффективной экранировки плотным газом носителей остаточных рассеивающих центров в самом слое GaAs.
Недостатками этого устройства являются относительно небольшая коммутируемая мощность, обусловленная трудностью теплоотведения от плохо теплопроводящего слоя GaAs (коэффициент теплопроводности 0,46 Вт/(см·К) и его сравнительно небольшим пробивным полем 0,48 МВ/см, а также низкая радиационная и химическая стойкость гетеропары AlGaAs.
Известно также другое устройство - полевой транзистор с проводящим каналом, ориентированным не параллельно, а перпендикулярно поверхности полупроводниковой пленки (т.н. полевой транзистор с проницаемой базой, С.О. Bozler, G.D. Alley, R.A. Murphy, D.C. Flanders, W.T. Lindley, "Fabrication and Microwave Performance of the Permeable Base Transistors", IEEE Tech. Dig., Int. Electron Device Meet., 1979, p. 384; United States of America, US 5298787 (A), H01L 21/20, H01L 21/335, H01L 21/74, H01L 23/482, H01L 23/52, H01L 23/535, H01L 29/772, H01L 29/92,1994). Для такого транзистора минимальная реализуемая длина затвора определяется не возможностями рентгеновской или электронно-лучевой микролитографии (примерно 100 нм), а минимальной достижимой толщиной пленки, т.е. возможностями молекулярно-пучковой эпитаксии, и может составлять единицы нанометров, т.е. всего несколько атомных слоев. Электродом затвора является внедренная в пленку металлическая сетка. Между проводниками металлической сетки и полупроводником возникают барьеры Шоттки. Толщины обедненных носителями заряда областей в этих барьерах определяются напряжением на сетке. В случае достаточно большого обратного напряжения эти области перекрываются и канал закрывается. В данном устройстве уменьшение времени пролета носителями заряда длины затвора, а следовательно, и увеличение быстродействия устройства достигается за счет уменьшения этой длины.
Недостатками этого устройства являются трудность получения качественных границ полупроводника с проводниками сетки, а также перечисленные выше небольшая коммутируемая мощность, обусловленная трудностью теплоотведения от плохо теплопроводящего полупроводника и его небольшим пробивным напряжением, а также низкая радиационная и химическая стойкость полупроводника.
20
-3
2
3
В качестве прототипа выбран полевой транзистор на пленке осажденного из газовой фазы алмаза с дельта-допированным бором проводящим каналом под изолированным затвором (т.н. полевой транзистор типа металл-изолятор-полупроводник, Н. El-Hajj, A. Denisenko, A. Kaiser, R.S. Balmer, Ε. Kohn, "Diamond MISFET based on boron delta-doped channel", Diamond & Related Materials, v. 17, 2008, pp. 1259-1263). Он состоит из выращенной при высоких температуре и давлении алмазной подложки, на которую методом осаждения из газовой фазы напылена алмазная пленка. Она состоит из (снизу вверх) недопированного буферного слоя с толщиной 250 нм, дельта-слоя, допированного бором (профиль допирования с одним максимумом в центре дельта-слоя с концентрацией бора в максимуме 5·10 см) и имеющего толщину 2 нм, и недопированного покровного слоя с толщиной 25 нм. Дельта-допированный проводящий канал образован верхней частью буферного слоя, дельта-слоем и нижней частью покровного слоя. На краях покровного слоя располагаются вытравленные до допированного бором дельта-слоя выемки, в которые напылены металлические контакты (источник и сток), состоящие из следующей последовательности слоев (снизу вверх): 5 нм WSi, 5 нм WSiN, 5 нм Ti и 250 нм Au. В покровном слое между источником и стоком вытравлена выемка с глубиной 15 нм. В этой выемке находится напыленный слой изолятора AlO с толщиной 25 нм. На нем располагается напыленный контактный слой алюминия (затвор).
2
Поскольку в качестве полупроводника в данном устройстве используется алмаз, то оно, в отличие от двух предыдущих устройств, характеризуется большой коммутируемой мощностью, обусловленной легкостью теплоотведения от хорошо теплопроводящего алмаза (коэффициент теплопроводности 20 Вт/(см·К)) и его большим пробивным полем около 10 МВ/см, а также высокой радиационной и химической стойкостью. Однако недостатком этого устройства является низкая подвижность носителей заряда (дырок) в дельта-допированном бором проводящем канале (порядка 20÷30 см/(В·с)). Этот недостаток обусловлен в том числе использованным в устройстве-прототипе профилем распределения концентрации бора в дельта-допированном проводящем канале, имеющим один максимум в его центре и спадающим к его краям. В результате максимум концентрации дырок находится также в центре дельта-допированного проводящего канала. Поэтому их рассеяние на ионизованных атомах бора оказывается сильным, а определяемая им подвижность - малой. В итоге быстродействие такого устройства (задаваемое, как было указано выше, временем пролета носителями заряда длины затвора) оказывается относительно небольшим (порядка наносекундны).
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является увеличение быстродействия полевого транзистора на осажденной из газовой фазы алмазной пленке с дельта-допированным проводящим каналом.
Технический эффект достигается тем, что полевой транзистор на осажденной из газовой фазы алмазной пленке с дельта-допированным проводящим каналом включает недопированную алмазную подложку, осажденную на нее из газовой фазы алмазную пленку, состоящую из нанесенных последовательно недопированного буферного слоя, тонкого допированного дельта-слоя и недопированного покровного слоя, а также металлические истоковый и стоковый контакты и отделенный от покровного слоя слоем изолятора затворный контакт.
Новым является то, что допированный дельта-слой дельта-допированного проводящего канала осажден из газовой фазы таким образом, что профиль распределения концентрации допирующей примеси в дельта-допированном проводящем канале имеет два расположенных симметрично относительно центра дельта-допированного проводящего канала и разделенных расстоянием не более 3 нм максимума, между которыми находится локальный минимум, в центре которого концентрация допирующей примеси на порядок меньше, чем в максимумах.
<mrow><msup><mi>N</mi><mo>−</mo></msup></mrow>
<mrow><msup><mi>N</mi><mo>−</mo></msup></mrow>
Изобретение поясняется следующими фигурами. На фиг. 1 приведена схема полевого транзистора типа металл-изолятор-полупроводник, общая для предложенного полевого транзистора и устройства-прототипа. На фиг. 2, 3, 4 и 5 координата центра дельта-допированного проводящего канала выбрана равной нулю, а ширина дельта-допированного проводящего канала равна ширине графиков. На фиг. 2 качественно изображены профиль распределения концентрации ионизованных атомов допирующей примеси,
(сплошная кривая), и профиль распределения концентрации носителей заряда, p (штриховая кривая), в дельта-допированном проводящем канале полевого транзистора, основанного на осажденной из газовой фазы алмазной пленке. На фиг. 3 качественно показано распределение концентрации атомов допирующей примеси в дельта-допированном проводящем канале предлагаемого устройства. На фиг. 4 изображено распределение концентрации атомов допирующей примеси в дельта-допированном проводящем канале предлагаемого полевого транзистора, основанного на осажденной из газовой фазы алмазной пленке, для конкретного варианта выполнения такого устройства, когда допирующей примесью является бор, а носителями заряда - дырки. На фиг. 5 показаны профиль распределения концентрации ионизованных атомов допирующей примеси,
(сплошная кривая), и профиль распределения концентрации носителей заряда, p (штриховая кривая), в дельта-допированном проводящем канале полевого транзистора, основанного на осажденной из газовой фазы алмазной пленке, для конкретного варианта выполнения такого устройства, когда допирующей примесью является бор, а носителями заряда - дырки.
Сущность изобретения заключается в том, что предлагаемый полевой транзистор на осажденной из газовой фазы алмазной пленке аналогично устройству-прототипу состоит (см. фиг. 1) из выращенной при высоких температуре и давлении алмазной подложки 1, на которую методом осаждения из газовой фазы напылена алмазная пленка (слои 2, 3 и 4), состоящая из (снизу вверх) недопированного буферного слоя 2, допированного дельта-слоя 3 и недопированного покровного слоя 4. Дельта-допированный проводящий канал (обозначенный на фиг. 1 пунктирными линиями) образован верхней частью буферного слоя 2, допированным дельта-слоем 3 и нижней частью покровного слоя 4. На краях покровного слоя 4 располагаются вытравленные до допированного дельта-слоя 3 выемки, в которые напылены металлические контакты (источник 5 и сток 6). В покровном слое 4 между источником 5 и стоком 6 вытравлена выемка. В этой выемке находится напыленный слой изолятора 7. На нем располагается напыленный контактный слой металла (затвор) 8. Предлагаемый полевой транзистор на осажденной из газовой фазы алмазной пленке отличается от устройства-прототипа тем, что допированный дельта-слой 3 дельта-допированного проводящего канала осажден из газовой фазы таким образом, что профиль распределения концентрации допирующей примеси в дельта-допированном проводящем канале имеет два расположенных симметрично относительно центра дельта-допированного проводящего канала и разделенных расстоянием не более 3 нм максимума, между которыми находится локальный минимум, в центре которого концентрация допирующей примеси на порядок меньше, чем в максимумах.
Предлагаемый профиль распределения концентрации допирующей примеси (упоминаемый далее так же как профиль допирования) в дельта-допированном проводящем канале с двумя расположенными симметрично относительно его центра максимумами и локальным минимумом между ними вследствие близости этих максимумов является практически профилем с одним допированным дельта-слоем 3 (с толщиной, равной расстоянию между этими максимумами), а не профилем с двумя допированными дельта-слоями, разделенными слабодопированным промежутком (такой профиль был исследован, например, в работах T. Kobayashi, T. Ariki, M. Iwabuchi, T. Maki, S. Shikama, and S. Suzuki, "Analytical studies on multiple delta doping in diamond thin films for efficient hole excitation and conductivity enhancement", Journal of Applied Physics, v. 76, No. 3, pp. 1977-1979 (1994); Y. Anda, T. Ariki, and T. Kobayashi, "Quantum Analysis of Hole Distribution in Multiple-Delta-Doped Diamond with a Deep Impurity Level", Japanese Journal of Applied Physics, v. 34, No. 8A, p. 3987 (1995), в которых толщина этого промежутка была относительно велика (более 5 нм, как правило 30÷50 нм), вследствие чего максимумы и минимумы концентрации носителей заряда совпадали соответственно с максимумами и минимумами концентрации ионизованных атомов примеси). Поэтому для предлагаемого профиля распределения концентрации допирующей примеси профиль распределения концентрации носителей заряда остается качественно таким же, как и при использованном в устройстве-прототипе профиле распределения концентрации допирующей примеси с одним максимумом, т.е. профиль распределения концентрации носителей заряда имеет максимум в центре дельта-допированного проводящего канала и два спадающих по обе стороны от него хвоста. В результате при предлагаемом профиле допирования максимум концентрации носителей заряда и максимумы концентрации ионизованных атомов допирующей примеси оказываются пространственно разнесенными (см. фиг. 2), в то время как при профиле допирования, использованном в устройстве-прототипе, они совпадают. Поэтому для предлагаемого профиля допирования рассеяние носителей заряда на ионизованных атомах допирующей примеси оказывается менее интенсивным, чем для профиля допирования, использованного в устройстве-прототипе. В итоге для предлагаемого профиля допирования подвижность носителей заряда в дельта-допированном проводящем канале и, следовательно, быстродействие основанного на нем полевого транзистора будут больше, чем для профиля допирования, использованном в устройстве-прототипе. Технологическая возможность реализации предлагаемого профиля допирования с расположенными на малом (не более 3 нм) расстоянии максимумами концентрации допирующей примеси и ее существенном (на порядок) уменьшении между ними в осажденной из газовой фазы алмазной пленке появилась лишь в последние годы (см. P.N. Volpe, N. Tranchant, J.С. Arnault, S. Saada, F. Jomard, and P. Bergonzo, "Ultra-sharp boron interfaces for delta doped diamond structures", Phys. Status Solidi Rapid Research Letters, v. 6, No. 2, 2012, pp. 59-61; заявка РФ №2014150472, МПК C23C 16/27, 16/511, H01J 7/24 (2006.01) на изобретение "Плазменный СВЧ реактор для газофазного осаждения алмазных пленок в потоке газа авторы - А.Л. Вихарев и др., 2014 г.) в результате применения новой системы впуска газов в ростовой реактор, а также подбора его геометрических характеристик, давления газа и скорости газового потока, обеспечивающих ламинарное безвихревое движение газов в реакторе, позволивших значительно быстрее менять химический состав находящейся у поверхности алмазной подложки газовой смеси.
0
Предлагаемое распределение концентрации допирующей примеси в дельта-допированном проводящем канале показано на фиг. 3. Расстояние между двумя максимумами 9 и 10 концентрации допирующей примеси, Δx, т.е. толщина допированного дельта-слоя, определяется по формуле Δx=2l, где l - расстояние, на котором концентрация допирующей примеси изменяется (увеличивается или уменьшается) в 10 раз. Данная формула получается из условия, чтобы концентрация допирующей примеси в центре дельта-допированного проводящего канала была бы в 10 раз меньше, чем в симметрично окружающих его двух максимумах. Зависимость концентрации допирующей примеси N от координаты в допированном дельта-слое 3 (область 11 на фиг. 3) дается формулой  где N - концентрация допирующей примеси в максимумах. В областях дельта-допированного проводящего канала 12 и 13, находящихся слева от левого максимума и справа от правого максимума соответственно, зависимость концентрации допирующей примеси от координаты дается при  такой же формулой  При  она равняется нулю. В общем случае состав допирующей примеси может быть разным.
0
0
19
-3
Далее рассмотрим вариант реализации предлагаемого устройства для случая допирования бором (как и в устройстве-прототипе) и приведем соответствующие оценки его эффективности. В конкретном варианте выполнения предлагаемое устройство аналогично устройству-прототипу, за исключением выполнения допированного бором дельта-слоя 3 дельта-допированного проводящего канала. В предлагаемой нами конструкции полевого транзистора распределение концентрации бора в дельта-допированном проводящем канале имеет не один максимум в его центре и спадает к его краям (как в устройстве-прототипе), а имеет профиль, показанный на фиг. 4. Величина l равняется 1,5 нм и достигается в лучших технологических установках для осаждения алмаза из газовой фазы. Тогда, согласно вышеприведенной формуле, расстояние между двумя максимумами 14 и 15 концентрации бора, Δx, т.е. толщина допированного дельта-слоя равняется 3 нм. Зависимость концентрации бора, N, от координаты в допированном дельта-слое 3 (область 16 на фиг. 4) дается формулой , где N=2,8·10 см - концентрация бора в максимумах, а координата x выражена в нанометрах. В областях дельта-допированного проводящего канала 17 и 18, находящихся слева от левого максимума и справа от правого максимума концентрации бора соответственно, зависимость концентрации бора от координаты при  нм дается такой же формулой  с указанным выше значением N. При  нм она равняется нулю.
Поскольку в случае профиля допирования бором с двумя максимумами максимум концентрации дырок и максимумы концентрации ионизованных атомов бора оказываются пространственно разнесенными (см. фиг. 5), то рассеяние дырок на ионизованных атомах бора происходит менее интенсивно, чем при использованном в устройстве-прототипе профиле допирования бором с одним максимумом, когда максимум концентрации дырок и максимум концентрации ионизованных атомов бора совпадают. В итоге при предлагаемом профиле допирования бором с двумя максимумами подвижность дырок µ и, следовательно, быстродействие полевого транзистора будут больше, чем при использованном в устройстве-прототипе профиле допирования бором с одним максимумом.
Для численной характеристики увеличения подвижности дырок отметим, что она удовлетворяет соотношению:
1
0
0
2
19
-3
где p - зависящая от x концентрация дырок,  - вероятность нахождения дырки в слое с толщиной dx. Расчеты показывают, что отношение подвижностей дырок для случая профиля допирования бором с одним максимумом (типа использованного в устройстве-прототипе), µ, когда распределение концентрации бора дается формулой N=N=const с N=2,8·10 см при  (т.е. внутри дотированного дельта-слоя),  при  нм и N=0 при  нм, и профиля с двумя максимумами, µ, есть . Таким образом, дельта-допированный проводящий канал, имеющий профиль допирования бором с двумя максимумами его концентрации, обеспечивает более чем в 3 раза большую подвижность дырок (и, следовательно, более чем в 3 раза большее быстродействие основанного на нем полевого транзистора), чем использованный в устройстве-прототипе дельта-допированный проводящий канал, имеющий профиль допирования бором с одним максимумом его концентрации.
Достоинством предлагаемого полевого транзистора на осажденной из газовой фазы алмазной пленке с дельта-допированным бором проводящим каналом с профилем концентрации бора, имеющим два близко расположенных максимума, является также то, что такой профиль допирования по сравнению с использованным в устройстве-прототипе профилем допирования бором с одним максимумом обеспечивает не только увеличение подвижности дырок, но и рост проводимости двумерного дырочного газа:
1,2
Расчеты показывают, что отношение  и , где p - пространственные распределения концентрации дырок для профиля допирования бором с одним и двумя максимумами его концентрации соответственно равняется примерно 0,51. Такое значение этого отношения объясняется уменьшением концентрации бора в центре дельта-допированного проводящего канала в случае профиля допирования с двумя максимумами по сравнению с ее значением в этой плоскости в случае профиля допирования бором с одним максимумом, когда при  нм (т.е. внутри допированного дельта-слоя) она постоянна. Однако вследствие указанного выше значительного возрастания подвижности дырок для профиля допирования бором с двумя максимумами по сравнению с использованном в устройстве-прототипе профиле с одним максимумом отношение . Таким образом, предлагаемый дельта-допированный бором проводящий канал с профилем допирования с двумя максимумами обеспечивает не только рост подвижности дырок и, как следствие, увеличение быстродействия основанного на нем полевого транзистора по сравнению с использованным в устройстве-прототипе дельта-допированным бором проводящим каналом, имеющим профиль допирования с одним максимумом, но и рост проводимости двумерного дырочного газа. Последнее обстоятельство позволяет увеличить мощность сигнала, коммутируемого основанным на дельта-допированном проводящем канале с профилем допирования с двумя максимумами полевым транзистором, по сравнению с аналогичной величиной для полевого транзистора, основанного на использованном в устройстве-прототипе дельта-допированном проводящем канале с профилем допирования с одним максимумом.
Таким образом, предлагаемый нами полевой транзистор на осажденной из газовой фазы алмазной пленке с дельта-допированным проводящим каналом с профилем концентрации допирующей примеси, имеющим два расположенных на его границах максимума и локальный минимум в его центре, будет характеризоваться высокой радиационной и химической стойкостью, а также будет иметь в общем случае более высокое быстродействие, чем аналогичное устройство, но имеющее профиль концентрации допирующей примеси в дельта-допированном проводящем канале с одним максимумом в его центре, а в сравнении с устройством-прототипом сможет коммутировать сигнал с большей на 60% мощностью.