ГЕТЕРОЭПИТАКСИАЛЬНАЯ СТРУКТУРА СО СВЕРХТОНКИМ БАРЬЕРНЫМ СЛОЕМ ДЛЯ НОРМАЛЬНО-ЗАКРЫТЫХ ТРАНЗИСТОРОВ НА ОСНОВЕ СОЕДИНЕНИЙ НИТРИДА ГАЛЛИЯ АЛЮМИНИЯ

В мировой практике понимание стратегического значения радиоэлектронных СВЧ и КВЧ компонентов для разработки перспективных и производства современных средств связи привело к введению жестких мер по контролю и ограничению экспортных поставок как собственно радиоэлектронной аппаратуры, так и СВЧ/КВЧ электронной компонентной базы (ЭКБ), необходимой для ее создания. Мировой уровень разработок и наличие независимого от импорта, отечественного производства компонентной базы радиоэлектроники сегодня является необходимым условием создания современных систем СВЧ/КВЧ связи.
3
5
Наиболее перспективными полупроводниковыми материалами, обеспечивающими создание нового поколения СВЧ/КВЧ ЭКБ являются гетероструктуры (ГЭС) с двумерным электронным газом на основе соединений типа АВ. Данные структуры обеспечивают высокую рабочую частоту, высокую выходную мощность и коэффициент полезного действия, а также компактность и надежность устройств СВЧ/КВЧ электроники, применяемых в современной аппаратуре связи и радиолокации (№2519054 кл. H01L 29/772 от 10.06.2014, №2534002 кл. H01L 29/772, В82В 1/00 от 27.11.2014, №2581726 кл. H01L 29/772 от 20.04.2016, №2646529 кл. H01L 29/772 от 05.03.2018). Наилучшие результаты прогнозируются и достигаются при использовании нитрида галлия, обеспечивая создание нормально-закрытых транзисторов с нормально обедненным каналом, интеграция которых позволит реализовывать схемы с беспрецедентно комбинацией частотных и мощностных характеристик.
Для создания транзистора с нормально обедненным каналом необходимо, чтобы в гетероструктуре уровень Ферми находился ниже дна квантовой ямы. Подобного эффекта можно достичь при формировании затвора, представляющего из себя барьер Шоттки, обеспечив геометрическую близость канала к поверхности ГЭС. Таким образом, ключевой проблемой конструирования транзисторных гетероструктур с двумерным электронным газом на основе GaN является выполнение широкозонного барьера, способного обеспечить появление двумерного газа в канале из-за разности в спонтанной и пьезоэлектрической поляризации материалов барьерного и активного слоев и его локализацию вблизи гетерограницы. Конструкция барьера во многом определяет значения концентрации и подвижности двумерных электронов. Эти параметры задают наиболее важные характеристики мощных полевых СВЧ/КВЧ и силовых транзисторов: выходную мощность, коэффициент полезного действия, крутизну проходной характеристики, коммутируемые напряжения, коммутируемые токи, частоту переключения и т.д.
Известна гетероэпитаксиальная структура для нормально-закрытых транзисторов, содержащая подложку сапфира, буферный слой на основе AlN, нелегированный активный слой на основе GaN, нелегированный барьерный слой на основе Alo.25Gao.75N [Saito W, Takada Y, Kuraguchi M, Tsuda K, and Omura I «Recessed gate structure approach toward normally off high-voltage AlGaN/GaN HEMT for power electronic applications» IEEE Transitions Electron Devices, 53 356, 2006]. Для реализации нормально-закрытого транзистора, используя в качестве механизма обеднения канала барьер Шоттки, применяется метод, основанный на уменьшении толщины барьерного слоя AlGaN под затвором (фиг. 1). Недостатком известного устройства является использование сухого травления для уменьшения толщины барьерного слоя AlGaN под затвором, что сопряжено с неточностью контроля толщины стравливаемого слоя, а также с повреждением поверхности в процессе ионного травления.
0.25
0.75
Известна гетероэпитаксиальная структура для нормально-закрытых транзисторов, содержащая подложку, буферный слой, нелегированный активный слой на основе GaN, нелегированный барьерный слой на основе AlGaN, легированный акцепторной примесью слой на основе GaN [Greco G, Iucolano F and Roccaforte F «Review of technology for normally-HEMTs with p-GaN gate» Material Science in Semiconductor Proccessing 78 96, 2018] (фиг. 3). В известной ГЭС не требуется утонение барьерного слоя под затвором, однако, выполнение затвора с легированным слоем GaN, также включает процесс плазменного травления, что приводит к повреждению барьерного слоя и увеличивает поверхностный ток утечки, а также сопряжено с отработкой технологии выполнения структурно совершенного легированного слоя GaN над барьерным слоем AlGaN.
Общим недостатком известных гетероэпитаксиальных структур является сложная конструкция, требующая сложного, многоступенчатого технологического цикла создания транзистора, что приводит к удорожанию конечной стоимости создания нитрид-галлиевых полевых транзисторов и интегральных схем, построенных с их использованием.
Задачей полезной модели является устранение вышеуказанных недостатков. Технический результат достигается в упрощении конструкции гетероэпитаксиальной структуры, что позволит оптимизировать технологический цикл создания нитрид-галлиевого полевого транзистора с высокой подвижностью электронов, и, как следствие, снизить требуемые для этого материальные затраты, а также в повышении надежности и эффективности мощных полевых транзисторов, в которых используется гетероструктура. Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что гетероэпитаксиальная структура со сверхтонким барьерным слоем для нормально-закрытых полевых транзисторов на основе соединений нитрида галлия алюминия включает последовательно расположенные подложку (лейкосапфир или карбид кремния), буферный слой на основе AlN, нелегированный активный слой на основе GaN, нелегированный барьерный слой на основе AlN, пассивирующий слой на основе SiN. Необходимо, чтобы толщина сверхтонкого барьерного слоя A1N составляла не менее 2 и не более 6 нанометров. При малой толщине барьерного слоя концентрация двумерных электронов в квантовой яме, образованной на гетерогранице активного слоя GaN и барьерного слоя AlN, может оказаться настолько низкой, что проводимость канала не обеспечит эффективность транзистора. Превышение необходимой толщины сверхтонкого барьерного слоя приведет к отсутствию эффекта нормально обедненного канала при формировании затвора, либо к неупругой деформации (растрескиванию) гетероструктуры вследствие механических напряжений. Целесообразно формирование резкой гетерограницы между активным и барьерным слоями полупроводника с шероховатостью активного слоя менее 5 нм для обеспечения максимального тока, крутизны ВАХ, предельной частоты усиления формируемых на гетероэпитаксиальной структуре полевых транзисторов. Целесообразно выполнение процесса пассивации поверхности гетероструктуры в едином технологическом процессе получения гетероструктуры для предотвращения окисления барьерного слоя при попадании на атмосферу, и, как следствие, деградации электрофизических свойств двумерного газа, а также для изменения спектра поверхностных состояний с целью снижения эффекта коллапса тока транзисторов, обусловленного эффектом возникновения виртуального затвора.
На фиг. 1 приведены основные элементы конструкции известной ГЭС с уменьшенной толщиной барьерного слоя AlGaN под затвором.
На фиг. 2 показана зонная диаграмма известной ГЭС вблизи гетероперехода с двумерным электронным газом.
На фиг. 3 приведены основные элементы конструкции известной ГЭС с легированным акцепторной примесью слоем GaN под затвором.
На фиг. 4 показана зонная диаграмма известной ГЭС вблизи гетероперехода с двумерным электронным газом.
На фиг. 5 приведены основные элементы конструкции предлагаемой ГЭС со сверхтонким барьерным слоем AlN и пассивирующим слоем SiN, выполненном в едином технологическом процессе получения гетероструктуры.
На фиг. 6 показана зонная диаграмма полупроводников, составляющих предлагаемую структуру, после образования гетеропереходов с двумерным электронным газом.
17
-3
17
-3
На фиг. 7 показаны данные ВИМС исследований слоев GaN, выращенных в оптимальных условиях роста. Характерные уровни легирования фоновыми примесями No ~ 1.5×10 см, Nc ~ 2.4×10cm.
2
На фиг. 8 изображение поверхности 5×5 мкм, полученное с помощью атомно-силового микроскопа (Z-шкала - 15 нм, шероховатость - 2 нм), активного слоя GaN, выполненного в оптимальных ростовых условиях.
На фиг. 9 ВАХ тестового полевого транзистора при разных напряжениях на затворе.
На чертежах и в тексте приняты следующие обозначения:
C
V
F
E, E, E - соответственно, положения дна зоны проводимости, потолка валентной зоны и уровня Ферми в полупроводниках после образования гетероперехода;
2ДЭГ двумерный электронный газ;
C
I - ток стока;
СИ
U - напряжение сток-исток;
ЗИ
U - напряжение затвор-исток.
ГЭС изготавливают следующим образом:
1. SiN/AlN/GaN ГЭС выращивают методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) в установке типа Riber CBE-32N(P)/Compact-21T с твердотельными источниками галлия и алюминия и газообразного аммиака, как источника активного азота. ГЭС SiN/AlN/GaN для нормально-закрытых транзисторов также могут быть выращены методами МЛЭ с плазменной активацией азота (при возможности in situ пассивации в ростовой камере), или методом МОГФЭ.
2. ГЭС выполняют на подложках сапфира или карбида кремния ориентации (0001).
3. Буферный слой AlN на начальных этапах роста задает металлическую полярность всем последующим слоям ГЭС и определяет кристаллическое совершенство слоев, влияющих на электрофизические параметры транзисторов. Начальные этапы роста заключаются в формировании зародышевого слоя AlN на базовых подложках.
4. В случае выполнения ГЭС на подложке лейкосапфира важным технологическим приемом является процесс нитридизации, который определяет плотность инверсионных доменов и влияет на кристаллическое совершенство буферного слоя AlN. Процесс нитридизации заключается в экспонировании нагретой подложки сапфира при температуре 840°С, в процессе которого формируется зародышевый слой AlN. Важным критерием данного процесса является толщина зародышевого слоя, оптимальное значение которой составляет 0,5 нм. При превышении данного значения слои AlN характеризуются высокой плотностью инверсионных доменов, снижающих кристаллическое совершенство ГЭС, тем самым негативно влияя на электрофизические параметры проводящего слоя.
5. При выполнении ГЭС на подложках карбида кремния важным этапом является процесс предэпитаксиального отжига подложки при температуре 1000°С, обеспечивающий формирование сверхструктуры (√3×√3)R30°, свидетельствующей об обогащении поверхности атомами Si. Последующий рост буферного слоя AlN на такой поверхности позволяет выращивать слои металлической полярности.
6. ГЭС включает буферный слой AlN толщиной 300 нм, слой GaN толщиной 1500 нм и барьерный слой AlN толщиной не менее 2 и не более 6 нм.
7. Сверхтонкая пленка нитрида кремния 0,6 нм наносится на поверхность ГЭС непосредственно в камере роста установки МЛЭ. В качестве прекурсоров используют газы (моносилан и аммиак), которые разлагаются на поверхности AlN при температуре около 800°С. В случае роста ГЭС методом МЛЭ процесс формирования пассивирующего слоя SiN может осуществляться с использованием твердотельного источника кремния, выступающего в качестве альтернативы газовому источнику моносилана.
3
8. Рост активного слоя GaN производят при температуре 800°С и потоке аммиака 200 см/мин.
Принцип достижения преимущества предлагаемой ГЭС.
Достижение преимущества предлагаемой ГЭС со сверхтонким барьером поясняется с помощью фиг. 4-9.
1. Выполнен барьерный слой AlN толщиной не менее 2 и не более 6 нм. При малой толщине барьерного слоя концентрация двумерных электронов в квантовой яме, образованной на гетерогранице активного слоя GaN и барьерного слоя AlN, может оказаться настолько низкой, что проводимость канала не обеспечит эффективность транзистора. Превышение необходимой толщины сверхтонкого барьерного слоя приведет к отсутствию эффекта нормально обедненного канала при формировании затвора, либо к неупругой деформации (растрескиванию) гетероструктуры вследствие механических напряжений.
2. Условия выполнения активного слоя GaN способствуют формированию слоев с высоким сопротивлением. Высокое сопротивление слоя GaN является необходимым критерием для получения транзисторов с высокими значениями пробивных напряжений. Высокое сопротивление слоя GaN в выбранных ростовых условиях достигается вследствие самокомпенсации фоновых примесей углерода и кислорода, без преднамеренного легирования слоев (фиг. 7). Использование данных условий роста позволяет выращивать слои GaN с гладкой морфологией поверхности со среднеквадратичной шероховатостью менее 5 нм, без наличия растравов на поверхности в местах выхода дислокаций. Шероховатость активного слоя менее 5 нм обеспечивает максимальный ток, крутизну ВАХ, предельную частоту усиления формируемых на гетероэпитаксиальной структуре полевых транзисторов.
3. Преимущество предлагаемой ГЭС со сверхтонким барьером заключается в отсутствии необходимости проводить дополнительные высокотехнологичные постростовые операции для обеднения канала транзистора, связанные с утонением барьерного слоя под затвором, или формированием дополнительного легированного акцепторной примесью слоя GaN, с последующим удалением в контактных областях Истока и Стока.
4. Эффект обеднения канала транзистора достигается после формирования металлического затвора, обусловленный появлением барьера Шоттки, который приводит к изгибу зон вверх барьерного слоя AlN на границе металл-полупроводник (фиг. 6). Из-за малой суммарной толщины пассивирующего слоя SiN и барьерного слоя AlN изгиба зон барьерного слоя AlN недостаточно для выполнения равновесного состояния, поэтому изгиб зон присутствует также в активном слое GaN.
5. Поверхностный изгиб зон в активном слое GaN приводит к поднятию квантовой ямы над уровнем Ферми, что вызывает обеднение канала без подачи запирающего напряжения на затвор.
6. Процесс пассивации поверхности гетероструктуры выполнен в едином технологическом процессе получения гетероструктуры, что позволило предотвратить окисление барьерного слоя при попадании на атмосферу, и, как следствие, деградацию электрофизических свойств двумерного газа, а также для изменить спектр поверхностных состояний с целью снижения эффекта коллапса тока транзисторов, обусловленного эффектом возникновения виртуального затвора.
7. В случае пост-ростового нанесения под область затвора дополнительного слоя диэлектрика, ГЭС может использоваться для изготовления нормально-открытых транзисторов, поскольку с увеличением толщины диэлектрика, изгиб зон при формировании барьера Шоттки не будет распространяться в область с каналом транзистора.
8. Технология выполнения предлагаемой ГЭС со сверхтонким барьером для нормально-закрытых транзисторов является законченной, с использованием выполненных слоев по предлагаемой к патентованию полезной модели, были изготовлены тестовые нормально-закрытые транзисторы. Из фиг. 9 видно, что при отсутствии отпирающего напряжения на затворе ток протекающий через тестовый транзистор при нулевом напряжении на затворе практически равен нулю, что свидетельствует о том, что тестовый транзистор сформированный на ГЭС SiN/AlN/GaN является нормально-закрытым.
Использование в мощных нитрид-галлиевых нормально-закрытых транзисторах и интегральных схемах, построенных с их использованием, такой гетероструктуры со сверхтонким барьерным слоем позволяет упростить технологический цикл создания полевого транзистора с высокой подвижностью электронов, снизить требуемые для этого материальные затраты, повысить надежность и эффективность мощных полевых транзисторов, в которых используется гетероструктура.
Охранный документ, в случае осуществления правовой охраны объекта, будет независимым от других охранных документов.