ГЕТЕРОЭПИТАКСИАЛЬНАЯ СТРУКТУРА ДЛЯ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

Известна гетероэпитаксиальная структура для полевых транзисторов, содержащая подложку, буферный слой, легированные и нелегированные слои полупроводников (см. патент JP 8055979, Кл. H01L 29/812, опубл. 27.02.1996). Недостатком известного устройства является малая подвижность основных носителей заряда, и, как следствие, относительно невысокая эффективность работы, а также недостаточная надежность транзистора, изготовленного на основе такой структуры.
Известна гетероэпитаксиальная структура (ГЭС) для полевых транзисторов, содержащая последовательно расположенные подложку, буферный слой, первый легированный донорной или акцепторной примесью и нелегированный слои широкозонного полупроводника, слой узкозонного полупроводника, нелегированный и второй, легированный той же примесью, что и первый, слои широкозонного полупроводника (см. S.C.Wang, J.S.Liu, К.С.Hwang, W.Kong, D.W. Tu, P. Ho, L. Mohnkern, K.Nichols, and P.C.Chao "High Performance Fully Selective Double Recess InAlAs/InGaAs/InP HEMTs" IEEE Electron Device Letters, vol. 21, №7, July 2000. M. Kuzuhara, S. Tanaka "GaAs-based high-frequency and high-speed devices" JSAP International №7 January 2003).
После изготовления транзистора на основе известной ГЭС, слой узкозонного полупроводника, ширина запрещенной зоны которого меньше ширины запрещенной зоны широкозонного, выполняет функцию канала транзистора. В известной ГЭС легирование слоев структуры проводится
основной легирующей примесью только одного типа. Для получения электронной проводимости слоя канала, выполненного из узкозонного полупроводника, используется основная легирующая примесь донорного типа.
D
Суть известного способа модулированного легирования основной легирующей примесью заключается в том, что при выращивании ГЭС легирование проводится только слоев широкозонного полупроводника и только одним типом примеси. Также при модулированном легировании ГЭС для полевых транзисторов часть широкозонного полупроводника, примыкающего к гетерогранице, не легируется основной легирующей примесью (распределение N(x)). Нелегированный слой широкозонного полупроводника, примыкающий к гетерограницам, получил название «спейсер».
Как правило, легирование части слоя широкозонного полупроводника основной легирующей примесью одного типа (донорной для полевых транзисторов с электронным типом проводимости канала) проводится однородно по площади пластины. Легирование по толщине части слоя широкозонного полупроводника может быть как однородным, так и неоднородным. В частности, известны решения с использованием дельталегирования (δ легирование) основной легирующей примесью, комбинации однородного по толщине легирования и δ-легирования основной легирующей примесью.
При модулированном легировании часть подвижных носителей заряда (электронов) переходит из легированной области широкозонного полупроводника в узкозонный полупроводник. Этот переход приводит к обогащению канала полевого транзистора электронами.
Модулированное легирование приводит к увеличению подвижности носителей заряда в канале из-за устранения их рассеяния на основной легирующей примеси в узкозонном полупроводнике, поскольку слой узкозонного полупроводника не легируется. Также подвижность
увеличивается из-за существенного снижения вероятности рассеяния на пространственных флуктуациях потенциала основной легирующей примеси в легированном слое широкозонного полупроводника (флуктуации потенциала быстро уменьшаются при удалении от легированных областей в сторону слоя узкозонного полупроводника).
Недостатком известного устройства является следующее.
3
5
x
1-x
b
b
Многие гетеропереходы на основе соединений АВ, например, AlGaAs-GaAs, отличаются сравнительно малой величиной φ  величиной скачка энергии дна зоны проводимости на гетерогранице между широкозонным и узкозонным полупроводниками. Характерная величина φ для таких гетеропереходов составляет 0.2-0.4 эВ, что недостаточно для локализации электронного газа в слое канала транзистора при условии сильного термополевого разогрева электронов, который имеет место в канале полевого транзистора, изготовленного на основе таких ГЭС.
b
g
x
1-x
g2
b
Энергия, приобретаемая электронами в слое канала полевого транзистора в результате термо-полевого разогрева, может значительно превысить величину φ и даже оказаться равной величине энергии запрещенной зоны в узкозонном полупроводнике E. Например, для гетероперехода AlGaAs-GaAs, величина Е в GaAs равна 1.42 эВ, а величина φ при х=0.3 примерно равна 0.33 эВ.
b
Использование различных вариантов модулированного легирования одним типом основной легирующей примеси не позволяет увеличить φ настолько, чтобы была обеспечена локализация основных носителей заряда в слое канала транзистора при сильном термо-полевом разогреве электронов. Потеря локализации основных носителей заряда (например, что характерно для большинства практических приложений, электронов) в слое канала транзистора приводит к тому, что электроны приобретают возможность рассеяния на потенциале основной легирующей примеси в легированном широкозонном слое и на дефектах в буферном слое ГЭС. Таким образом, при
достаточно сильном термо-полевом разогреве электронного газа, характерном для работы полевого транзистора, теряются преимущества, заложенные в основу принципа модулированного легирования.
Совокупность эффектов рассеяния основных носителей заряда на потенциалах основных легирующих примесей и дефектов приводит к значительному уменьшению подвижности основных носителей заряда, что является основным недостатком известного решения.
Задачей полезной модели является устранение указанного недостатка. Технический результат достигается в увеличении подвижности основных зарядов в гетероструктуры, а также в увеличении эффективности и надежности мощных полевых транзисторов на ее основе. Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что гетероэпитаксиальная структура для полевых транзисторов содержит последовательно расположенные подложку, буферный слой, первый легированный донорной или акцепторной примесью и нелегированный слои широкозонного полупроводника, нелегированный слой узкозонного полупроводника, нелегированный и второй, легированный той же примесью, что и первый, слои широкозонного полупроводника, при этом с обеих сторон узкозонного полупроводника, образующего канал транзистора, в нелегированном слое выполнены третья и четвертая прослойки, легированные иным типом примеси, нежели первый и второй легированные слои. Предпочтительно, чтобы второй слой был легирован однородно по объему, а остальные - модулирование. Целесообразно выращивание между вторым объемно-легированным и ближайшим к нему нелегированным слоями модулированно-легированного слоя, легированного той же примесью, что и второй. Модулированное легирование может быть выполнено в виде дельта-легирования. Предпочтительно, чтобы уровень легирования и толщины слоев были подобраны так, чтобы величина скачка энергии дна зоны проводимости на гетерогранице широкозонного
g
g
g
полупроводника и узкозонного полупроводника была равна от 0,8 E до 1,2 E, где E - ширина запрещенной зоны узкозонного полупроводника, но не превышала ширины запрещенной зоны широкозонного полупроводника.
D
На фиг.1 приведены основные элементы конструкции известной двойной ГЭС и возможный профиль легирования основной легирующей донорной примесью N(x).
На фиг.2 показана зонная диаграмма известной двойной ГЭС вблизи одного гетероперехода.
На фиг.3 приведены основные элементы конструкции предлагаемой двойной ГЭС с дополнительными слоями.
На фиг.4 показана зонная диаграмма полупроводников, составляющих предлагаемую структуру, до образования гетеропереходов.
На фиг.5 - то же после образования гетеропереходов.
На чертежах и в тексте приняты следующие обозначения:
c
ν
E, E, F - соответственно, положения дна зоны проводимости, потолка валентной зоны и уровня Ферми в широкозонном и узкозонном полупроводниках после образования гетероперехода;
b
φ, - величина скачка между положениями дна зоны проводимости на гетерогранице широкозонного и узкозонного полупроводников;
g2
Е - ширина запрещенной зоны в узкозонном полупроводнике;
g1
E - ширина запрещенной зоны в широкозонном полупроводнике;
α - ширина приповерхностного объемнолегированного слоя.
Общие элементы структур обозначены следующими позициями:
1 - широкозонный полупроводник;
2 - узкозонный полупроводник;
3 - гетерограницы;
4 - поверхность структуры.
D5
A7
A8
D10
D11
Гетероэпитаксиальная структура для полевых транзисторов согласно полезной модели содержит следующие последовательно расположенные слои: подложка, буферный слой, донорный δ (дельта) - слой (5) с уровнем легирования δN, нелегированный слой (6), прослойка из акцепторного δ-слоя (7) с уровнем легирования δN, нелегированный спейсер, нелегированный слой канала, нелегированный спейсер, прослойка из акцепторного δ-слоя (8) с уровнем легирования δN, нелегированный слой (9), донорный δ-слой (10) с уровнем легирования δN и объемно легированный донорами слой (11) с уровнем легирования N.
ГЭС изготавливают следующим образом.
1. В процессе выращивания ГЭС формируют слои широкозонных полупроводников (1) модулировано легированных основными легирующими примесями донорного и акцепторного типов.
2. Проводят избыточное легирование совокупности слоев, изготовленных из широкозонных полупроводников (1) тем типом основной легирующей примеси, которая необходима для получения нужного типа проводимости слоя канала.
b
g2
3. Профиль модулированного легирования слоев широкозонных полупроводников (1) примесями донорного и акцепторного типов выбирается таким, чтобы потенциальный рельеф, формируемый зарядами этих примесей, обеспечивал величину скачка энергии дна зоны проводимости на гетерогранице (3) между широкозонным (1) и узкозонным (2) полупроводниками близкой или равной по величине ширине запрещенной зоны в узкозонном полупроводнике (2) - φ=(0,8÷1,2)·Е.
4. Для получения электронного типа проводимости слоя канала и величины скачка энергии дна зоны проводимости на каждой гетерогранице (3) между широкозонным (1) и узкозонным (2) полупроводниками близкой или равной по величине ширине запрещенной зоны в узкозонном (2)
полупроводнике, в слое широкозонного (1) полупроводника, сформированном на буферном слое, формируются следующие дополнительные слои:
- слой широкозонного полупроводника легированный донорами (5),
- слой нелегированного широкозонного полупроводника (6),
- прослойка широкозонного полупроводника легированная акцепторами (7),
- полезно, чтобы слой (5) был дельта-легирован донорами,
- полезно, чтобы прослойка (7) была дельта-легирована акцепторами
5. Для получения электронного типа проводимости слоя канала и величины скачка (разрыва) энергии дна зоны проводимости на каждой гетерогранице между широкозонным и узкозонным полупроводниками близкой или равной по величине ширине запрещенной зоны в узкозонном полупроводнике, в слое широкозонного полупроводника, сформированном на слое, изготовленном из нелегированного узкозонного полупроводника, формируются следующие дополнительные слои:
- прослойка широкозонного полупроводника легированная акцепторами (8),
- слой нелегированного широкозонного полупроводника (9),
- слой широкозонного полупроводника легированный донорами (10),
- слой широкозонного полупроводника легированный донорами (11),
- полезно, чтобы прослойка (8) был дельта-легирована акцепторами,
- полезно, чтобы слой (10) был дельта-легирован донорами,
- полезно, чтобы слой (11) был объемно-легирован донорами.
6. При электронном типе проводимости слоя канала полезно, чтобы количество доноров в слое (11), отнесенное к площади структуры, не превышало плотности отрицательно заряженных поверхностных состояний на поверхности (4) слоя (11).
7. При электронном типе проводимости слоя канала полезно, чтобы уровень легирования акцепторами прослойки (7) и толщина слоя (6) были
b1
g2
g1
подобраны так, чтобы φ - величина скачка энергии дна зоны проводимости на гетерогранице 3а между широкозонным и узкозонным полупроводниками была близкой по величине к ширине запрещенной зоны в узкозонном полупроводнике Е, но меньше ширины запрещенной зоны в широкозонном полупроводнике Е.
b2
g2
g1
8. При электронном типе проводимости слоя канала полезно, чтобы уровень легирования акцепторами прослойки (8) и толщина слоя (9) были подобраны так, чтобы φ - величина скачка энергии дна зоны проводимости на гетерогранице 3б между узкозонным и широкозонным полупроводниками была близкой по величине к ширине запрещенной зоны в узкозонном полупроводнике Е, но меньше ширины запрещенной зоны в широкозонном полупроводнике Е.
9. Полезно, чтобы толщина слоя узкозонного полупроводника была достаточно малой для возникновения размерно-квантового эффекта в потенциальной яме, образованной в узкозонном полупроводнике скачками потенциалов гетерограниц 3а и 3б.
Принцип достижения преимущества предлагаемой ГЭС.
Достижение преимущества предлагаемой двойной ГЭС поясняется с помощью фиг.3-5. На чертежах не показаны слои, необходимые для формирования омических контактов полевого транзистора, поскольку эти слои не влияют на формирование потенциального рельефа гетеропереходов.
1
2
При построении зонной диаграммы (см. фиг.4) учитывалось, что величина скачков энергий дна зоны проводимости на гетерограницах Δχ и Δχ, между широкозонным и узкозонным полупроводниками при условии локальной электронейтральности контактирующих полупроводников определяется только разностью величин электроотрицательностей контактирующих полупроводников. Формирование в широкозонных полупроводниках встроенного потенциального рельефа, путем проведения
1
2
1
2
b1
b2
модулированного легирования донорной и акцепторной примесью, позволяет существенно изменить величину скачка энергии дна зоны проводимости на каждой гетерогранице между широкозонным и узкозонным полупроводниками. В результате сложения встроенного потенциального рельефа, образованного зарядами основных легирующих примесей, с потенциальным рельефом зонной диаграммы локально электронейтральных широкозонных полупроводников, в них формируется такой потенциальный рельеф, который позволяет получить на гетерограницах вместо величин Δχ и Δχ большие (по сравнению с Δχ и Δχ) величины скачков энергий дна зон проводимости, равные φ и φ.
b1
b2
Заряды слоев (5), (7) и (8), (10) формируют в нелегированных слоях (6) и (9) электрические поля. Варьируя толщину нелегированных слоев (6) и (9) можно сформировать такие величины перепадов потенциала на слоях (6) и (9), которые позволяют получить достаточно высокие потенциальные барьеры φ и φ, (см. фиг.4, 5) для электронов, находящихся в слое канала, который образован узкозонным полупроводником. Толщина нелегированных слоев (6) и (9) и толщина спейсеров выбираются достаточно большой для подавления эффекта туннелирования электронов из слоя узкозонного полупроводника в слои широкозонного полупроводника.
b1
b2
При пренебрежимо малой концентрации основных носителей заряда в слоях широкозонных полупроводников величины перепада потенциала на слоях (6) и (9) пропорциональны толщинам этих слоев. Таким образом, технологически задаваемые величины зарядов слоев (5), (7) и (8), (10) вместе с величинами толщины слоев (6) и (9) составляют набор независимых параметров, изменения которых позволяют изменять в нужную сторону высоту потенциальных барьеров φ и φ.
В предлагаемом решении толщины слоев (6) и (9) вместе с величиной плотности акцепторов в δ-легированных прослойках (7) и (8) при заданных величинах плотности доноров в δ-легированных слоях (5) и (10)
b1
b2
подбираются так, чтобы высоты потенциальных барьеров φ и φ удовлетворяли условию [1], что позволяет обеспечить преимущество предлагаемой двойной ГЭС:
14
15
-3
Выполнение неравенства, входящего в условие [1], необходимо для предотвращения присутствия в ГЭС недопустимо большой концентрации неосновных носителей заряда (дырок для ГЭС, в которой обеспечивается электронная проводимость слоя канала). При этом допустимо присутствие в структуре фоновой легирующей примеси либо акцепторного, либо донорного типа, величина объемной концентрации которой примерно равна 1·10-1·10 см.
b2
b1
b2
Выполнение приблизительного равенства Е≅φ и φ, входящего в условие [1], необходимо для сохранения локализации основных носителей заряда в слое канала структуры при условии их сильного термо-полевого разогрева. При выполнении условия [1] практически все основные носители заряда остаются локализованными в слое канала в том случае, если энергия A£, приобретаемая ими от электрического поля и в результате теплового разогрева, удовлетворяет условию [2]:
В условии [2]: k - постоянная Больцмана, Т - температура.
D5
D10
e
D5
D10
Задание величин δN, и δN, т.е. плотностей доноров в δ-легированных слоях (5) и (10), проводится исходя из величины N - необходимой для практического применения плотности электронов в слое канала ГЭС. Величины δN, и δN, определяются исходя из условия электрической нейтральности ГЭС (3) при учете неравенства [4]:
e
S
В выражениях [3] и [4] N - необходимая для практического применения плотность электронов в слое канала ГЭС (2), N - плотность заряженных поверхностных состояний структуры на поверхности (4) слоя (11).
13
-2
12
-2
e
В настоящее время технология δ-легирования позволяет получать достаточно большую, для выполнения требований практических приложений, величину максимальной плотности доноров и акцепторов в δ-легированных слоях. В частности, достижима величина максимальной плотности доноров, примерно равная 2·10 см, и величина максимальной плотности акцепторов, примерно равная 8·10 см, при сохранении приемлемого совершенства кристаллической решетки, что позволяет получать необходимые достаточно большие величины N.
Требование выполнения неравенства [4] приводится для того, чтобы в объемнолегированном донорами слое широкозонного полупроводника не было электронейтральной области с электронной проводимостью, которая является дополнительным (паразитным) каналом.
Поскольку в предлагаемой двойной ГЭС предполагается выполнение неравенства [4], наполнение слоя канала электронами происходит в результате перехода электронов, локализованных вблизи слоев (5) и (10), в слой канала структуры, сформированный из узкозонного полупроводника.
S
S
При оптимизации толщины объемнолегированного донорами слоя широкозонного полупроводника согласно неравенству [4] применительно к полевым транзисторам с барьером Шоттки, проводится учет того, что величина плотности заряженных поверхностных состояний структуры, Nкак правило, не совпадает с величиной плотности заряженных состояний барьера Шоттки. В этом случае в неравенство [4] вместо величины Nподставляется величина плотности заряженных состояний барьера Шоттки.
При избыточно сильном δ-легировании донорами слоев (5) и (10) может возникнуть нежелательная ситуация, когда не все электроны, локализованные вблизи слоев (5) и (10), перейдут в слой канала структуры. В
D5
D10
этом случае вблизи слоев (5) и (10) тоже образуются дополнительные (паразитные) каналы. Требование отсутствия дополнительных (паразитных) каналов ограничивает величины δN и δN сверху.
При формировании встроенного потенциального рельефа в структуре часть электронов из всех электронов донорной примеси переходит на энергетические уровни акцепторов прослоек (7) и (8), формируя их отрицательное зарядовое состояние. На фиг.5 показан случай, когда в слоях широкозонных полупроводников подвижных носителей заряда пренебрежимо мало, отсутствуют паразитные каналы. В этом случае обеспечивается зависимость формируемого в широкозонных слоях ГЭС потенциального рельефа, только от профиля легирования широкозонных полупроводников основными легирующими примесями донорного и акцепторного типов.
Использование в мощных полевых транзисторах такой гетероструктуры позволяет повысить их надежность и эффективность за счет увеличения подвижности основных носителей заряда в канале.