ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ НАНОГЕТЕРОСТРУКТУРА INALGAAS/INALAS/INAS МЕТАМОРФНОГО БУФЕРНОГО СЛОЯ НА ПОДЛОЖКЕ АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ

Полезная модель относится к полупроводниковым наногетероструктурам InAlAs/InGaAs/GaAs с высокой подвижностью электронов типа МНЕМТ (metamorphic high electron mobility transistor), используемым для изготовления СВЧ транзисторов и монолитных интегральных схем миллиметрового диапазона длин волн.
В области диапазонов частот от единиц до сотен гигагерц и мощностей от милливатт до сотен ватт используются разнообразные полупроводниковые технологии и материалы. Основные типы транзисторов в этой области - это традиционные полевые и биполярные приборы, полевые транзисторы с затвором Шоттки (MESFET), полевые транзисторы с гетеропереходом (НЕМТ, РНЕМТ, МНЕМТ), а также биполярные транзисторы с гетеропереходом (НВТ).
Арсенид галлия в настоящее время один из основных материалов для производства СВЧ-приборов. Это первый освоенный промышленностью материал из группы полупроводников АЗВ5, с которыми и сегодня связаны многие перспективы СВЧ-электроники. На фоне этой доминирующей сегодня технологии развиваются направления, которые, возможно, будут играть важнейшую роль в СВЧ-электронике завтра. Прежде всего, речь идет о фосфиде индия и твердых растворах на его основе [Y. Sato, T. Kita, S. Gozu, S. Yamada /Large spontaneous spin splitting in gate-controlled two-dimensional electron gases at normal http://Ino.75Gao.25As/Ino.75Alo.25As heterojunctions // J. Appl. Phys., 89, 8017 (2001)]. Базовыми элементами для реализации монолитных интегральных схем миллиметрового диапазона в настоящее время являются гетероструктурные полевые транзисторы в системе материалов AlInAs/InGaAs, выращиваемые на подложках InP, которые существенно превосходят хорошо освоенные в производстве псевдоморфные AlGaAs/InGaAs НЕМТ транзисторы по максимальным рабочим частотам и минимальному уровню шумов.
В настоящее время МИС СВЧ на основе AlInAs/InGaAs/InP НЕМТ-транзисторов достаточно широко производятся и применяются в США, Японии и Франции. В частности, о создании PНЕМТ с InGaAs/InAlAs/InP-структурой на 100-мм пластинах по 0,1-мкм технологии одной из первых объявила компания Northrop Grumman Space Technology (США). Эта технология - результат совершенствования уже освоенного компанией процесса изготовления PНЕМТ на 75-мм пластинах, на базе которого производятся серийные МИС. В транзисторах, создаваемых в рамках данного процесса,
2
концентрация индия в InGaAs-канальном слое составляет 60%, подвижность носителей в канале достигает 10000 см/В·с при плотности электронов в канале ~3,5·10 см-2 [F. Capotondi, G. Biasiol, I. Vobornik, L. Sorba, F. Giazotto, A. Cavallini, B. Fraboni/Two-dimensional electron gas formation in undoped http://InO.75GaO.25As/ http://InO.75A10.25As quantum wells/ J. Vac. Sci. Technol. В 22, 702 (2004)]. При этом крутизна транзистора - примерно 800 мСм/мм, плотность тока - 540 мА/мм, граничная частота - более 190 ГГц. На базе РНЕМТ с такой структурой компанией создан ряд МИС, в частности - малошумящий двухкаскадный балансный усилитель Ка-диапазона с коэффициентом усиления свыше 17 дБ и уровнем шумов менее 2,4 дБ в диапазоне 27-39 ГГц.
Развитие технологии InGaAs/InAlAs/InP НЕМТ в Японии позволило компании Fujitsu Laboratories Ltd продемонстрировать в июне 2008 г прототип системы беспроводной передачи данных с пропускной способностью 10 Гбит/с, работающей в диапазоне частот 70-100 ГГц.
12
-
2
Преимуществом гетероструктур на подложках InP, по сравнению с гетероструктурами InGaAs /AlGaAs выращиваемыми на подложках GaAs, является возможность использовать слои с более высоким содержанием индия (типичная мольная доля 0.5 в случае подложки InP, против 0.2 в случае подложки GaAs). Вследствие этого, больший разрыв зоны проводимости на гетерогранице канал/барьер, а также меньшая эффективная масса электронов, в модулированно-легированных гетероструктурах, что позволяет получать более высокую плотность (>2·10 см2) и большую подвижность (>10 000 см/В·с) электронов в двумерном газе, образующемся вблизи гетерограницы.
Однако подложки InP, по сравнению с GaAs, обладают существенными недостатками: меньший размер коммерчески доступных пластин, высокая хрупкость и значительно более высокая стоимость. Высокая стоимость подложки существенно повышает себестоимость изготовления транзисторных структур. Более высокая хрупкость InP затрудняет производство приборов на их основе и снижает выход годных приборов по причине раскалывания пластин в ходе их обработки. В связи с этим актуальной задачей является разработка альтернативного гетероструктурам на фосфиде индия подхода -создание так называемых метаморфных гетероструктур на подложках GaAs (фиг.1), приборные характеристики которых не уступали бы характеристикам гетероструктур на подложках InP.
Значительное различие постоянных решетки InP и GaAs (около 3,5%) приводит к невозможности прямого эпитаксиального выращивания совершенных приборных структур на подложках GaAs, постоянная решетки, которых совпадала бы с постоянной решетки или даже превышала бы постоянную решетки InP, так как в этом случае
0.35
0.65
релаксация возникающих упругих напряжений сопровождается формированием дислокаций несоответствия, проникающих на всю толщину эпитаксиального слоя и резким ухудшением всех электрофизических параметров структуры [S. Gozu, К. Tsuboki, M. Hayashi, С.L. Hong, S. Yamada// J. Cryst. Growth 201, 749 (1999); M. Matloubian et al., "http://Gao.47bio.53 As/InP HEMTs with novel GaP Sb Schottky Layers Grown by MOVPE." Device Research Conference Charlottesville, Virginia, 32-33 (1998)]. Использование специфических конструкций и технологических режимов выращивания переходного слоя позволяет перейти от постоянной решетки GaAs к постоянной решетки InP [Naoki Наrа, Naoya Okamoto, Kenji Imanishi, Tsuyoshi Takahashi, and Kozo MakiyamaImprovement in Reliability of InP-Based HEMTs by Suppressing Impact IonizationElectronics and Communications in Japan, Part 2, Vol.90, No. 5, 2007; K. Hetzer, W.E. Hoke, P.J. Lemonias, J.J. Mosca. /High indium metamorphic HEMT on a GaAs substrate/ J.Vac.Sci. Technol. - 1999. - В 17 (3) 1131; M. Zaknoune, В. Bonte, С. Gaquiere. [Text] / IEEE Electron Device Lett. - 1998. - 9 (9), 345; Guanwu Wang, Youngkai Chen, William J.Scha. [Text] / IEEE Trans. Electron Devices. - 1988. - 35(7), 818; M. Behet, K.Van der Zanden, G.Borghs. [Text] / http://Appl.Phys.Lett. - 1998. - 73, 2760; T. Mishima, K. Higuchi, M. Mori. [Text] / J. Crystal Growth. - 1995. - 150]. Использование оптимальных температур осаждения переходного слоя и других параметров эпитаксиального процесса, позволяет «удержать» большинство дислокаций в пределах переходного слоя и предотвратить их распространение в слои транзисторной структуры, получать гладкие интерфейсы, с шероховатостью на уроне 1 нм, что снижает рассеяния на шероховатостях гетерограницы и способствует повышению подвижности носителей заряда двумерного электронного газа.
Обычно, в качестве переходного слоя используется слой твердого раствора AlInAs, содержание индия в котором, как правило, линейно или ступенчато изменяется от 10 до 52-60% [Патент РФ RU 111352; Патент РФ RU 111353]. При определенных условиях сеть дислокаций не распространяется в направлении роста и не проникает в активные слои структуры, а «замыкается» внутри этого переходного слоя. Далее на поверхности переходного метаморфного буферного слоя выращивается транзисторная наногетероструктура. Базовая конструкция транзисторной гетероструктуры с высокой подвижностью электронов на поверхности переходного метаморфного буферного слоя, обычно, не отличается от конструкции транзисторной гетероструктуры выращиваемой непосредственно на поверхности подложки InP, в случае если параметр кристаллической решетки завершающей части буферного слоя близок к параметру кристаллической решетки InP. С другой стороны, использование переходного метаморфного буферного
слоя позволяет выходить, в завершающей части буферного слоя, на параметр кристаллической решетки меньший или больший чем параметр кристаллической решетки InP. Это открывает возможности использования конструкций транзисторных гетероструктур с большой или меньшей мольной долей InAs в InGaAs-канальном слое и в InAlAs-барьерном слое, в зависимости от поставленных задач. Другими словами, при эпитаксии транзисторных гетероструктур на поверхности метаморфного буфера снимается требование обязательного решеточного согласования всех слоев гетероструктуры с параметром кристаллической решетки InP, требуемый параметр кристаллической решетки в этом случае задается метаморфным буферным слоем. Использовании идентичных скоростей выращивания бинарных соединений при эпитаксии твердых растворов InGaAs и InAlAs в завершающей части буферного слоя и в транзисторной гетероструктуре позволяет получать автоматическое согласование параметров кристаллических решеток.
2
12
2
Наилучшие значения подвижности для метаморфных транзисторных наногетероструктур AlInAs/InGaAs 9900, 10000 и 12400 см/Вхс при концентрациях индия в InGaAs-канальном слое 0.54, 0.56 и 0.60, соответственно. При этом плотность электронов в двумерном газе может достигать величин >3·10 см.
Однако, практическая реализация метаморфных гетероструктур на GaAs, транспортные и структурные характеристики, которых не уступали бы характеристикам гетероструктур на InP, затруднена не полным подавлением прорастания дислокаций в активные слои структуры и возникновением микрорельефа поверхности и требует проведения тщательной оптимизации процесса синтеза таких гетероструктур методом молекулярно-пучковой эпитаксии и их конструкции.
Задачей, решаемой настоящей полезной моделью является создание метаморфных гетероструктур с высокой подвижностью электронов на подложках GaAs, приборные характеристики которых не уступали бы характеристикам наногетероструктур на подложках InP по максимальным значениям подвижности и концентрации электронов в канале.
Техническим результатом, позволяющим выполнить поставленную задачу, является уменьшение плотности дислокаций в активной области наногетероструктуры и уменьшение шероховатости поверхности и гетерограниц наногетероструктуры, что снижает рассеяние носителей заряда на шероховатостях гетерограницы и способствует повышению подвижности носителей заряда двумерного электронного газа.
1-x-y
y
x
1-x-y
y
x
1-x-y
y
x
1-y
y
1-y
y
1-x-y
y
x
1-y
y
Технический результат достигается за счет того, что в полупроводниковой наногетероструктуре InAlGaAs/InAlAs/InAs метаморфного буферного слоя на подложке арсенида галлия, включающей в себя стартовый слой четверного твердого раствора InAlGaAs, слой InAlGaAs, три многослойные механически напряженные сверхрешетки InAlGaAs/InAlAs с различной средней мольной долей арсенида индия и параметром кристаллической решетки и завершающий метаморфный слой тройного твердого раствора InAlAs, три последовательно расположенные сверхрешетки представляют собой чередующиеся слои InAlGaAs/InAlAs, в соотношении толщин слоев четверного и тройного твердых растворов 2 к 1, 1 к 1 и 1 к 2 соответственно, ступенчато увеличивают параметр кристаллической решетки в промежуточном диапазоне от стартового до завершающего слоев гетероструктуры, и подавляют прорастание дислокаций несоответствия в верхние слои гетероструктуры и развитие микрорельефа поверхности гетероструктуры, а сверхтонкие слои InAs помещены в начале каждого ступенчатого увеличения постоянной кристаллической решетки гетероструктуры и обеспечивают раннее формирование сети дислокаций несоответствия и их эффективное "залечивание" по мере выращивания гетероструктуры.
На фиг.1 представлена базовая схема поперечного сечения полупроводниковой метаморфной наногетероструктуры, выбранной в качестве прототипа заявляемой полезной модели. Указаны следующие друг за другом слои и их состав.
На фиг.2 представлена детализированная схема поперечного сечения наногетероструктуры метаморфного буферного слоя специальной оригинальной конструкции, демонстрирующая суть заявляемой полезной модели. Указаны следующие друг за другом слои и их состав.
1-x-y
y
x
1-x-y
y
x
1-x-y
y
x
1-y
y
1-y
y
1-x-y
y
x
1-y
y
Полупроводниковая наногетероструктура метаморфного буферного слоя (3, фиг.1) выращена методом молекулярно-пучковой или газовой эпитаксии после выращивания на поверхности арсенида галлия с кристалографической ориентацией (100) буферного эпитаксиального слоя арсенида галлия с типичной толщиной 150±50 нм или более и состоит из стартового слоя четверного твердого раствора InAlGaAs, сверхтонкого слоя InAs, слоя InAlGaAs, сверхтонкого слоя InAs, три многослойные механически напряженные сверхрешетки InAlGaAs/InAlAs с различной средней мольной долей арсенида индия и параметром кристаллической решетки и завершающий метаморфный слой тройного твердого раствора InAlAs, три сверхрешетки представляют собой чередующиеся слои InAlGaAs/InAlAs, в соотношении
толщин слоя четверного и тройного твердых растворов 2 к 1, 1 к 1 и 1 к 2 соответственно, ступенчато увеличивают параметр кристаллической решетки в промежуточном диапазоне от стартового до завершающего слоев гетероструктуры, подавляют прорастание дислокаций несоответствия в верхние слои гетероструктуры и развитие микрорельефа поверхности гетероструктуры, а сверхтонкие слои InAs помещены в начале каждого ступенчатого увеличения постоянной кристаллической решетки гетероструктуры, обеспечивают раннее формирование сети дислокаций несоответствия и их эффективное "залечивание" по мере выращивания гетероструктуры.
Равенство мольных долей тройных твердых растворов InAlAs, InGaAs обеспечивает решеточное согласование тройных твердых растворов InAlAs, InGaAs и завершающего слоя наногетероструктуры метаморфного буфера, при последующем выращивании на нем транзисторной наногетероструктуры.
1-y
y
x1
y
1-x1-y
0.520
0.480
0.352
0.324
0.324
Обозначим значение скорости выращивания соединения InAs символом А. Используемые типичные значения А для выращивания метаморфных транзисторных наногетероструктур находятся в диапазоне 0.1±0.05 нм/сек. Значения скорости роста AlAs и GaAs выбираются практически равными, обозначим их В. Используемые типичные значения В для выращивания метаморфных транзисторных наногетероструктур также находятся в диапазоне 0.1±0.05 нм/сек. Мольная доля Al, у, в тройном твердом растворе InAlAs равна отношению В/(А+В), а мольная доля In, 1-y, равна отношению А/(А+В). Мольная доля Al, y, в четверном твердом растворе InAlGaAs равна отношению В/(А+2В), мольная доля Ga, x, имеет такое же значение В/(А+2В), а мольная доля In, (1-х-у), равна отношению А/(А+2В). Соотношения значений А и В выбирают исходя из поставленной задачи по дальнейшему выращиванию на метаморфном буферном слое транзисторной наногетероструктуры. Характерные для метаморфных транзисторных наногетероструктур отношение А/(А+В) варьируется в достаточно широком диапазоне, 0.3-0.6. Если после формирования наногетероструктуры метаморфного слоя на поверхности арсенида галлия планируется выращивание транзисторной гетероструктуры согласованной по параметру решетки с фосфидом индия, то отношение А/(А+В) выбирается равным 0.520, тогда наногетероструктура состоит из слоев InAlAs и InAlGaAs.
Характерные толщины слоев наногетероструктуры метаморфного буферного слоя (фиг.2):
1-x-y
y
x
- стартовый слой, формируемый из четверного твердого раствора InAlGaAs - 20±5 нм (5, фиг.2);
- сверхтонкий слой бинарного соединения InAs - 0.30±0.03 нм (6, фиг.2);
1-x-y
y
x
- слой, формируемый из четверного твердого раствора InAlGaAs - 200±10 нм (7, фиг.2);
- сверхтонкий слой бинарного соединения InAs- 0.30±0.03 нм (8, фиг.2);
1-x-y
y
x
1-y
y
- промежуточный слой №1, формируемый последовательным выращиванием 10 или более пар чередующихся слоев InAlGaAs/InAlAs, так называемая сверхрешетка №1, при соотношении толщин слоя четверного и тройного твердых растворов 2 к 1, соответственно, при характерных толщинах слоев 20±1 нм и 10±0.5 нм (9, фиг.2);
- сверхтонкий слой бинарного соединения InAs - 0.30±0.03 нм (10, фиг. 2);
1-x-y
y
x
1-y
y
- промежуточный слой №2, формируемый последовательным выращиванием 15 пар или более чередующихся слоев InAlGaAs/InAlAs, так называемая сверхрешетка №2, при соотношении толщин слоя четверного и тройного твердых растворов 1 к 1, соответственно, при характерных толщинах слоев 10±0.5 нм (11, фиг.2);
- сверхтонкий слой бинарного соединения InAs - 0.30±0.03 нм (12, фиг. 2);
1-x-y
y
x
1-y
y
- промежуточный слой №3, формируемый последовательным выращиванием 10 пар или более чередующихся слоев InAlGaAs/InAlAs, так называемая сверхрешетка №3, при соотношении толщин слоя четверного и тройного твердых растворов 1 к 2, соответственно, при характерных толщинах слоев 10±0.5 нм и 20±1 нм (13, фиг.2);
- сверхтонкий слой бинарного соединения InAs - 0.3±0.03 нм (14, фиг.2);
x1
y
- завершающий слой, формируемый из тройного твердого раствора InAlAs, с характерной толщиной 1000 нм или более (15, фиг.2).
Постоянная кристаллической решетки по мере выращивания наногетероструктуры ступенчато увеличивается и достигает своего максимального значения при выращивании завершающего слоя.
Полученная наногетероструктура InAlGaAs/InAlAs метаморфного буферного слоя обеспечивает возможность дальнейшего выращивания метаморфных наногетероструктур транзисторов с высокой подвижностью электронов на подложках GaAs, приборные характеристики которых не уступают характеристикам наногетероструктур на подложках InP по максимальным значениям подвижности и концентрации электронов в канале, а транзисторы на их основе - по максимальным рабочим частотам и минимальному уровню шумов.