ГЕТЕРОСТРУКТУРНЫЙ ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР

Полезная модель относится к электронной технике, а точнее - к полупроводниковой электронике и может быть использована для создания мощных высокочастотных полевых транзисторов.
x
1-x
Известен гетероструктурный полевой транзистор (см. заявка US 20040155260, МПК H01L 031/0336, опубликована 12.08.2004), содержащий полуизолирующую полупроводниковую подложку из карбида кремния SiC ориентации (0001) политипа 6Н из карбида кремния SiC, на которой последовательно выращена слоистая гетероструктура из полупроводников металлической полярности, включающая буферный слой из субслоев AlN и GaN и барьерный слой из InAlN, где 0<х<0,30, и металлические контакты к областям истока, стока и затвора.
Недостатком известного транзистора является то, что он не обеспечивает высокие пробойные напряжения.
x
x
Известен гетероструктурный полевой транзистор (см. заявка WO 200004587, МПК H01L 029/16/08, опубликована 27.01.2000), содержащий подложку из карбида кремния SiC, на которой последовательно выращена слоистая гетероструктура из полупроводников металлической полярности, включающая переходной слой AlN, буферный слой GaN, барьерный слой AlGaN, пассивирующий слой диэлектрика (SiN или SiO), и металлические контакты к областям истока, стока и затвора.
Недостатком известного транзистора является то, что он не обеспечивает высокие насыщенные токи, кроме того, пассивирующий слой нанесен ex-situ, что может дополнительно ухудшать свойства прибора.
Известен гетероструктурный полевой транзистор (см. заявка US 20120153301, МПК H01L 029/16, опубликована 21.06.2012), содержащий подложку из карбида кремния SiC, на которой последовательно выращена слоистая гетероструктура из полупроводников металлической полярности, включающая буферный слой GaN, барьерный слой AlGaN, пассивирующий слой диэлектрика (AlN-SiN), и металлические контакты к областям истока, стока и затвора, при этом омические контакты к областям истока и стока сформированы вжиганием.
Недостатком известного транзистора является то, что он не обеспечивает достаточно высокие насыщенные токи.
x
Известен гетероструктурный полевой транзистор (см. заявка US 20040155260, МПК H01L 031/0336, опубликована 12.08.2004), совпадающий с настоящим техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Гетероструктурный полевой транзистор-прототип включает полуизолирующую полупроводниковую подложку из карбида кремния SiC ориентации (0001) политипа 6Н, на которой последовательно выращена слоистая гетероструктура из полупроводников металлической полярности, включающая переходной слой AlN толщиной от 10 до 40 нм, буферный слой GaN толщиной от 1 до 3 мкм, барьерный слой InAlN (х=0,17) толщиной от 5 до 30 нм. В качестве металлизации использованы композиции Ti/Al/Ni/Au для контактов к стоку и истоку и Pt/Au для контакта к затвору.
Известный транзистор-прототип обеспечивает высокие насыщенные токи за счет использования барьерного слоя InAlN, но выдерживает недостаточно высокие пробойные напряжения, что не позволяет использовать высокие рабочие напряжения и обеспечить большой уровень коммутируемой мощности.
Задачей настоящего технического решения является создание гетероструктурного полевого транзистора, который бы имел высокое пробойное напряжение, что позволяло бы реализовать высокие рабочие напряжения, что в сочетании с достаточно большой величиной тока насыщения обеспечит большой уровень мощности.
x
1-x
3
4
Поставленная задача достигается тем, что гетероструктурный полевой транзистор содержит последовательно эпитаксиально выращенную на полуизолирующей полупроводниковой подложке из SiC ориентации (0001) слоистую гетероструктуру из полупроводников металлической полярности. Гетероструктура включает буферный слой из CaN и барьерный слой из InAlN, где х=0,12-0,16, и металлические контакты к областям истока, стока и затвора. Новым в гетероструктурном полевом транзисторе является то, что поверх барьерного слоя выращен диэлектрический слой из SiN толщиной 2-4 нм, а металлические контакты электрически соединены соответственно с областями истока и стока посредством отжига.
3
4
При этом диэлектрический слой из SiN осаждают непосредственно в процессе эпитаксиального роста гетероструктуры без ее охлаждения до комнатной температуры.
Барьерный слой может быть выполнен толщиной 9-18 нм.
Между подложкой и буферным слоем может быть выращен переходный слой из AlGaN толщиной 10-130 нм.
Между буферным слоем и барьерным слоем может быть выращен интерфейсный слой из AlN толщиной 0,5-1,0 нм.
3
4
Выбор параметров диэлектрического слоя из SiN обусловлен тем, что при толщине диэлектрического слоя менее 2 нм затруднено формирование устойчивого и воспроизводимого барьерного контакта к затвору, а при толщине более 4 нм затруднено формирование омических контактов к стоку и истоку транзистора. При содержании x индия в барьерном слое менее 12 мол. процентов происходит релаксация напряжений в данном слое за счет разницы постоянных кристаллических решеток GaN и InAlN, при содержании x индия в барьерном слое более 16 процентов может происходить возникновение трещин при охлаждении структуры за счет разницы коэффициентов температурного расширения. При снижении толщины барьерного слоя менее 9 нм происходит уменьшение концентрации носителей в канале структуры, а при увеличении толщины барьерного слоя более 18 нм может наблюдаться сильное ухудшение морфологии или даже образование второй фазы в слое InAlN.
Настоящая полезная модель поясняется чертежом, где представлено схематичное изображение поперечного сечения настоящего гетероструктурного полевого транзистора.
x
1-x
3
4
На чертеже обозначены: 1 - полуизолирующая полупроводниковая подложка из SiC ориентации (0001), например, политипа 6Н или 4Н; 2 - эпитаксиально выращенная слоистая гетероструктура из полупроводников металлической полярности; 3 - переходный слой из AlGaN толщиной 10-130 нм; 4 - буферный слой из CaN; 5 - интерфейсный слой из AlN толщиной 0,5-1,0 нм; 6 - барьерный слой из InAlN, где x=0,12-0,16 толщиной 9-18 нм; 7 - диэлектрический слой из SiN толщиной 2-4 нм; 8 - металлический контакт к истоку, 9 - металлический контакт к затвору, 10 - металлический контакт к стоку; 11 - проводящая область между металлическим контактом 8 и областью истока, 12 - проводящая область между металлическим контактом 10 и областью стока.
3
4
3
4
Настоящий гетероструктурный полевой транзистор изготавливают с использованием оптической и электронной литографии для формирования контактов 8, 10, 9 соответственно к областям истока, стока и затвора. При изготовлении транзистора не производят удаление слоя диэлектрика в подконтактных областях, омические контакты 10, 8 соответственно к стоку и истоку формируют вжиганием с формированием проводящих областей 11 и 12 под областями истока и стока. Так как вся свободная поверхность оказывается закрыта пассивирующим слоем SiN, существенно увеличивается напряжение пробоя, связанное с поверхностными состояниями на поверхности полупроводника. Оптимальная толщина SiN позволяет обеспечить сочетание высоких пробойных напряжений и низкого контактного сопротивления.
3
4
Настоящий гетероструктурный полевой транзистор относится к нормально открытым (т.е. обеспечивает протекание тока сток-исток при нулевом смещении на затворе) и функционирует следующим образом: при подаче напряжения между контактами 8 и 10 возникает ток, протекающий в области двумерного электронного газа, расположенного преимущественно в области интерфейса между буферным слоем 4 и интерфейсным слоем 5, при этом величина насыщенного тока зависит от концентрации носителей в двумерном газе и определяется составом барьерного слоя 6 и напряжением на металлическом контакте 9 к затвору. При приложении обратного смещения к контакту 9 концентрация носителей в двумерном газе уменьшается, что снижает насыщенный ток. Таким образом, осуществляется управление током сток-исток путем подачи напряжения на контакт 9. Для достижения больших токов необходимо подавать высокие напряжения, однако при этом возможно возникновение паразитных утечек (а при более высоких напряжениях - пробоя) по поверхности барьерного слоя 6, что связано с наличием поверхностных состояний на свободной поверхности полупроводника. Использование пассивирующего диэлектрического слоя из SiN позволяет существенно снизить величину утечек и поднять напряжение пробоя и, соответственно, рабочее напряжение транзистора, что в сочетании с высокими насыщенными токами сток-исток позволяет обеспечить большой уровень коммутируемой мощности.
x
1-x
3
4
dss
br
13
-2
Пример 1. На подложке из SiC ориентации (0001) политипа 6Н была эпитаксиально выращена слоистая гетероструктура из полупроводников металлической полярности, содержанная буферный слой из CaN, барьерный слой из InAlN, где x=0,145 толщиной 12 нм и диэлектрический слой из SiN толщиной 2,1 нм, обладающая концентрацией носителей в канале 2,88⋅10 см при комнатной температуре, на основе которой методами постростовой обработки на стандартизованном оборудовании был создан полевой транзистор с шириной затвора 1 микрон и длиной затвора 90 микрон, расстоянием сток-исток 6 микрон, контакт к затвору был выполнен из Ni/Au, омические контакты к стоку и истоку были выполнены из Ti/Al/Ni/Au и подвергнуты термическому отжигу при 850°С. Транзистор обладал следующими параметрами: насыщенный ток I=l,55 А/мм, напряжение пробоя U=70 В.
x
1-x
3
4
dss
br
13
-2
Пример 2. На подложке из SiC ориентации (0001) политипа 4Н была эпитаксиально выращена слоистая гетероструктура из полупроводников металлической полярности, содержанная переходный слой из AlGaN толщиной 110 нм, буферный слой из CaN, интерфейсный слой из AlN толщиной 0,75 нм барьерный слой из InAlN, где х=0,14 толщиной 15 нм и диэлектрический слой из SiN толщиной 3,7 нм, обладающая концентрацией носителей в канале 3,05⋅10 см при комнатной температуре, на основе которой методами постростовой обработки на стандартизованном оборудовании был создан полевой транзистор с шириной затвора 1 микрон и длиной затвора 90 микрон, расстоянием сток-исток 6 микрон, контакт к затвору был выполнен из Ni/Au, омические контакты к стоку и истоку были выполнены из Ti/Al/Ni/Au и подвергнуты термическому отжигу при 850°С. Транзистор обладал следующими параметрами: насыщенный ток I=1,6 А/мм, напряжение пробоя U=80 В.
Достигнутое напряжение пробоя в 80 В позволило использовать стандартное рабочее напряжение транзистора 28 В и получить удельную мощность более 4 Вт/мм.