МОДУЛИРОВАННО-ЛЕГИРОВАННЫЙ ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР
MODULATION-DOPED FIELD-EFFECT TRANSISTOR

Изобретение относится к электронной технике, а именно к полупроводниковым приборам, предназначенным для усиления СВЧ-электромагнитных колебаний.
III
V
Гетероструктурные полевые транзисторы с модулированным легированием (ПТМЛ, MODFET) на основе соединений полупроводниковых материалов групп AB в настоящее время являются самыми быстродействующими полевыми транзисторами, позволяя одновременно достигать наименьшие коэффициенты шума в ГГц-диапазоне частот. Высокое быстродействие достигается за счет эффекта увеличения дрейфовой скорости электронов, образующих двумерный электронный газ у интерфейса модулировано-легированной гетероструктуры (МЛГС).
Из “Уровня техники” известен полевой СВЧ транзистор, содержащий подложку, на которой сформирован буферный слой из широкозонного полупроводника, на котором расположен активный слой из узкозонного полупроводника с электродами истока, стока и затвора. Кроме того, активный слой под электродом затвора выполнен неравномерно-легированным. При этом концентрация легирующей примеси в направлении электрод истока-электрод стока монотонно возрастает от значения, соответствующего концентрации остаточных примесей, до значения, соответствующего концентрации примесей в буферном слое, а концентрация примесей в буферном слое на 4-5 порядков превышает концентрацию остаточных примесей в активном слое (см. А.С. СССР №1118245, опубл. 19.06.1995).
0.2
0.8
2
3
x
2
3
Недостатками известного устройства являются низкое значение СВЧ-мощности, низкое значение теплоотвода от активной части транзистора и наличие низкочастотных шумов. Кроме того, известен полевой транзистор на основе нитридов галлия и алюминия, структура которого последовательно включает: подложку, слой GaN, барьерный слой, выполненный из двух подслоев: AlGaN, на нем GaN. На структуре выполнены контакты: сток, исток и затвор с соответствующими промежутками между ними; далее выполнено диэлектрическое покрытие из MgO, ScO или SiN. Между контактами диэлектрическое покрытие находится на барьерном слое и служит для защиты открытых поверхностей барьерного слоя от внешних воздействий, см. В. Luo et al. The role of cleaning conditions and epitaxial layer structure on reliability of ScO and MgO passivation on AlGaN/GaN HEMTS, Solid-State Electronics, 46, pp.2185-2190, 2002.
Недостатками известного устройства являются низкая подвижность основных носителей зарядов, высокий уровень деградации, обусловленный низким значением теплоотвода от активной части транзистора.
Задачей настоящего изобретения является устранение всех вышеуказанных недостатков.
Технический результат заключается в снижении влияния DX центров на приборные характеристики, в увеличении подвижности основных носителей зарядов, в обеспечении минимальных утечек тока затвора, в повышении теплоотвода от пьедестала, в достижении наименьшего коэффициента шума в ГГц-диапазоне частот, а также в повышении эффективности и надежности мощных полевых транзисторов.
Технический результат обеспечивается тем, что модулированно-легированный полевой транзистор содержит фланец, пьедестал, гетероэпитаксиальную структуру, буферный слой, исток, затвор, сток и омические контакты. Пьедестал изготовлен из теплопроводящего слоя CVD поликристаллического алмаза. Поверх пьедестала размещен кристалл транзистора, содержащий последовательно размещенные базовую подложку из GaAs, буферные слои, гетероэпитаксиальную гетероструктуру на основе AlGaAs/GaAs, а на поверхности гетероэпитаксиальной структуры, между истоком, затвором и стоком, последовательно размещены слой диэлектрического покрытия и два барьерных слоя, выполненные из двуокиси гафния и оксида металла, при этом барьерные слои выполнены с суммарной толщиной 1,0-4,0 нм, кроме того, в области затвора барьерные слои размещены под затвором, непосредственно на эпитаксиальной структуре в виде градиентного слоя из GaAs n-типа проводимости.
В соответствии с частными случаями выполнения транзистор имеет следующие конструктивные особенности.
3
2
3
Диэлектрическое покрытие может быть выполнено из SiO, или из нитрида кремния, или из MgO, или из ScO.
2
2
3
2
3
Второй барьерный слой может быть выполнен из ZrO, или из LaO, или из YO.
Сущность настоящего изобретения поясняется следующими иллюстрациями:
фиг.1 отображает кристалл транзистора;
фиг.2 - схематическое изображение энергетических зон у модулированно-легированного гетероперехода n-AlGaAs/GaAs;
1-X
фиг.3 отображает зависимость доли DX-центров в общем числе введенных доноров от уровня легирования слоя AlXGaAs:Si в МЛГС AlGaAs/GaAs;
фиг.4 приведены вольтамперные характеристики мощного транзистора СВЧ без дополнительных слоев на поверхности кристалла транзистора;
фиг.5 приведены вольтамперные характеристики мощного транзистора СВЧ с дополнительными слоями.
На фиг.1 отображены следующие конструктивные элементы:
1 - базовая подложка из полуизолирующего GaAs;
2 - первый буферный слой;
3 - второй буферный слой из GaAs;
X
1-X
4 - сверхрешетка из AlGaAs/GaAs;
5 - третий буферный слой;
X
1-X
6 - сильнолегированный n-AlGaAs;
X
1-X
7 - спейсер AlGaAs;
8 - сглаживающий слой;
9 - канал GaAs;
10 - сглаживающий слой;
X
1-X
11 - спейсер AlGaAs;
12 - сильнолегированный слой n-типа;
13 - барьерный слой;
14 - барьерный слой n-GaAs;
15 - градиентный слой;
16 - контактный слой;
17 - исток;
18 - затвор;
19 - сток;
20 - омические контакты;
2
3
4
21 - диэлектрическое покрытие SiO/SiN толщиной 1,6 мкм (соответственно 1,5 мкм и 0,1 мкм);
22 - дополнительный барьерный слой из двуокиси гафния;
23 - дополнительный барьерный слой из двуокиси металла.
Кристалл транзистора крепят на подслой из AuGe, который размещают на пьедестале из теплопроводящего слоя CVD полиалмаза, подвергнутого отжигу после имплантации Ni в его приповерхностные слои. На другой стороне пьедестала размещают слой припоя AuSn. Затем вся структура размещается на фланец.
СВЧ транзистор разработан на основе эпитаксиальной гетероструктуры AlGaAs/GaAs. Конструкция гетероструктуры приведена в таблице №1, а в таблице №2 представлены основные электрофизические параметры гетеростуктур.
Таблица 1
Слой транзисторной гетероструктуры, Назначение
Состав x, y
Толщина
Уровень легирования см-3
базовая подложка из полуизолирующего GaAs
625±25 мкм
первый буферный слой
200 нм
Нелегированный
второй буферный слой из GaAs
200 нм
Нелегированный
сверхрешетка из Al<sub>X</sub>Ga<sub>1-X</sub>As/GaAs
0,22/0,00
(2 нм/2 нм)×10
Нелегированный
третий буферный слой
0,22
100 нм
Нелегированный
сильнолегированный n-Al<sub>X</sub>Ga<sub>1-X</sub>As
0,22
4,5 нм
3×10<sup>18</sup>
спейсер Al<sub>X</sub>Ga<sub>1-X</sub>As
0,22
2 нм
Нелегированный
сглаживающий слой
3 нм
Нелегированный
канал GaAs
0,16-0,18
12 нм
Нелегированный
сглаживающий слой
1,5 нм
Нелегированный
спейсер Al<sub>X</sub>Ga<sub>1-X</sub>As
0,22
2 нм
Нелегированный
сильнолегированный слой n-типа
0,22
16 нм
3×10<sup>18</sup>
барьерный слой n-типа
0,22
13 нм
5×10<sup>16</sup>
барьерный слой n-GaAs
15 нм
5×10<sup>16</sup>
градиентный слой n-типа
20 нм
5×10<sup>16</sup>-4×10<sup>18</sup>
контактный слой n-типа
50 нм
4×10<sup>18</sup>
В таблице №2 представлены основные электрофизические параметры гетеростуктур.
Таблица 2
Температура, К
Слоевая концентрация носителей заряда в канале не менее, см<sup>-2</sup>
Подвижность носителей заряда в канале не менее, см<sup>2</sup>/(В*с)
77
3,0×10<sup>12</sup>
1,3*10<sup>4</sup>
300
3,0×10<sup>12</sup>
5,0*10<sup>3</sup>
В таблице №3 приведены основные электрические параметры транзисторов.
Таблица 3
Наименование параметра, единица измерения
Режим измерения
Результат измерения
Выходная мощность Р<sub>ВЫХ</sub>, Вт, не менее
f=4 ГГц,
15
Р<sub>ВХ</sub>≤1,6 Вт
Коэффициент усиления по мощности К<sub>ур</sub>, дБ, не менее
f=4 ГГц,
9
Р<sub>ВХ</sub>≤1,6 Вт
Коэффициент, усиления по мощности в линейной области амплитудной характеристики. К<sub>УР. Л</sub>, дБ, не менее
f=4 ГГц
10
Коэффициент полезного действия, η%, %, не менее
f=4 ГГц, Р<sub>ВХ</sub>≤1,6 Вт
20
Ток утечки затвора I<sub>З</sub>. <sub>УТ</sub>, мА, не более
U<sub>ЗИ</sub>=-3 В
0,4
Изготовление многослойных наногетероструктур твердых растворов AlGaAs/GaAs осуществлялась молекулярно-пучковой эпитаксией.
Настоящее устройство производят следующим образом.
X
1-X
X
1-X
x
1-X
x
1-X
X
1-X
2
2
3
2
2
3
2
3
-3
На фланце толщиной 1600 мкм размещают слой припоя состава AuSn толщиной 25 мкм, затем в заготовленный в качестве пьедестала слой теплопроводящего CVD поликристаллического алмаза толщиной ~150-170 мкм, в обе приповерхностные области которого, предварительно, способом имплантации введен никель и проведен отжиг. Затем после размещения на поверхности теплопроводящего слоя CVD поликристаллического алмаза размещают подслой из AuGe с содержанием Ge до 12%, толщиной ~25 мкм. Затем на поверхности подслоя AuGe устанавливают кристалл транзистора (фиг.1). Кристалл транзистора содержит последовательно размещенные базовую подложку 1, состоящую из полуизолирующего GaAs, толщиной 625 мкм, первый нелегированный буферный слой 2, толщиной 200 нм, второй нелегированный буферный слой 3 из GaAs, толщиной 200 нм, сверхрешетку 4 AlGaiAs/GaAs нелегированный, толщиной (2 нм/2 нм)*10, третий нелегированный буферный слой 5, толщиной 100 нм, сильнолегированный слой 6 AlGaAs n-типа, концентрацией 3*10 см, толщиной 4,5 нм, спейсер 7 AlGaAs, нелегированный, толщиной 2 нм, нелегированный сглаживающий слой 8, толщиной 3 нм, канал 9 из GaAs, нелегированный, толщиной 12 нм, нелегированный сглаживающий слой 10, толщиной 15 нм, спейсер 11 AlGaAs, нелегированный, толщиной 2 нм, сильнолегированный слой 12 из AlGaAs, толщиной 16 нм, барьерный слой 13, толщиной 13 нм, барьерный слой 14 из GaAs n-типа, толщиной 15 нм, градиентный слой 15 из GaAs n-типа, толщиной 20 нм, низкоомный локальный контактный слой 16 n-типа, толщиной 50 нм, исток 17, затвор 18, сток 19, омические контакты 20. Кроме того, устройство снабжают дополнительными слоями, размещенными между истоком 17, затвором 18 и стоком 19. Дополнительные слои выполнены в виде диэлектрического покрытия (например, из SiO/Si3N4, толщиной 1,6 мкм) 21, дополнительными барьерными слоями из двуокиси гафния 22 и из оксида металла 23, в качестве которого могут быть использованы AlO, или ZrO, или LaO, или YO. При этом барьерные слои 22 и 23 выполнены с суммарной толщиной около 4,0 нм. В области затвора 18 барьерные слои 22 и 23 размещены под затвором 18, непосредственно на эпитаксиальной структуре в виде градиентного слоя 15 из GaAs n-типа проводимости.
Технология модулированного легирования, впервые примененная в сверхрешетках GaAs/AlGaAs:Si ограничивает область введения примесей широкозонным материалом (AlGaAs), в то время, как граничащий с ним узкозонный материал (GaAs) остается нелегированным. Донорный уровень в AlGaAs лежит значительно выше дна зоны проводимости GaAs, что приводит к переносу части электронов в узкозонный материал. Создавшееся встроенное поле прекращает этот процесс, а также приводит к сильному изгибу зон. В результате у гетерограницы образуется квазитреугольная потенциальная яма, локализующая электроны (фиг.3)
2
2
2
Подвижности в МЛГС ограничиваются в основном рассеянием на фононах при высоких (≥150 K) температурах и на кулоновском потенциале ионизованных доноров в широкозонном барьере при низких (≤100 К) температурах. Уменьшить влияние последнего из указанных факторов позволяет введение нелегированного слоя AlGaAs - спейсера, между областью легирования и каналом. Благодаря дальнейшему разделению электронов и доноров подвижность еще более возрастает. В настоящее время достигнуты подвижности более 100000 см/Bc при 77 К и более 1000000 см/Вс при температуре жидкого гелия. При комнатной температуре типичные значения составляют 6000-8000 см/Вс.
В настоящее время НЕМТ позволяют получить наименьший коэффициент шума при наибольшем сопутствующем коэффициенте усиления, а также наибольшую выходную мощности и максимальный кпд, в см и мм диапазонах длин волн по сравнению с другими типами СВЧ транзисторов (на основе арсенида галлия или кремния). Превосходные приборные характеристики достигаются в первую очередь благодаря особой конструкции полупроводниковой транзисторной гетероструктуры, которая содержит набор сверхтонких полупроводниковых слоев с определенным составом и профилем легирования.
Для создания полевых транзисторов с высокой подвижностью электронов, могут быть применены только эпитаксиальные технологии, позволяющие управлять профилями легирования и состава, контролировать рост слоев толщиной менее 10 нм, получать резкие и бездефектные гетерограницы. Всем этим требованиям удовлетворяет молекулярно-пучковая эпитаксия (МПЭ).
МПЭ, в соответствии со своими специфическими чертами, позволяет решать следующие важнейшие задачи: 1) получение кристаллических пленок высокой чистоты - за счет сверхвысокого вакуума и чистоты исходных материалов; 2) получение резких профилей состава и легирования - вследствие малого времени срабатывания заслонок (<< времени роста одного монослоя) и относительно низких температур роста, препятствующих диффузии; 3) получение сверхтонких слоев контролируемой толщины как результат точного управления потоками при типичных скоростях роста.
Важное преимущество МПЭ по сравнению с другими эпитаксиальными технологиями - возможность использования разнообразных методов контроля непосредственно в процессе выращивания, и прежде всего дифракции быстрых электронов на отражение. Анализ наблюдаемых картин дифракции позволяет судить о состоянии поверхности эпитаксиального слоя непосредственно во время роста. Обнаруженное явление осцилляции интенсивности зеркально отраженного пучка электронов, связанное с периодическим изменением шероховатости поверхности при послойном росте, позволяет надежно определять как скорости роста, так и состав соединений.
Среди соединений A3B5, система материалов GaAs/AlGaAs долгое время оставалась единственной хорошо изученной и практически применяемой. В первую очередь, это связано с возможностью достижения согласования с подложкой GaAs во всем диапазоне составов.
-3
SP
В МЛГС на основе системы n-AlGaAs/GaAs увеличение значений плотности и подвижности электронов в канале достигается оптимальным выбором независимых параметров структуры: концентрации легирующей примеси в материале барьера - 1÷3×10 см, толщины нелегированного спейсера - W≈2-3 нм и мольной доли AlAs в барьере - свыше 0,35.
Увеличение значений плотности и подвижности электронов в канале достигается выбором независимых параметров структуры:
18
-3
18
-3
- концентрации легирующей примеси в материале барьера, со значением 1÷3×10 см, обусловленный ограниченной самокомпенсацией атомов донорной примеси, начиная с уровня ~5×10 см, и увеличением тока утечки затвора, из-за образования параллельной проводимости по легированному слою;
SP
12
-2
- толщины нелегированного спейсера с оптимальным значением W≈3 нм, позволяющая получать подвижность ~6000 см/Вс при концентрациях около 1-2×10см при комнатной температуре;
- мольной доли AlAs в барьере, с величиной скачка энергии дна зоны проводимости на гетерогранице, равной от 0,6 эВ до 1,2 эВ, что достигается выбором модулированно-легирующей примеси и толщины слоев.
18
-3
18
-3
Уровень легирования не может быть слишком высоким. С одной стороны, он ограничен самокомпенсацией атомов донорной примеси (кремния), которая начинает сказывать при уровнях легирования ~5×10 см, а с другой, - увеличением тока утечки затвора из-за образования параллельной проводимости по легированному слою. Типичные значения составляют 1÷2×10 см. По этой причине для мощных СВЧ транзисторов применяются структуры с двусторонним легированием, т.е. в структуру вводится нижний (со стороны подложки) легированный слой. Это позволяет увеличить концентрацию электронов в канале в несколько раз без существенного уменьшения подвижности носителей. Другим способом увеличения концентрации носителей является использование многоканальных структур.
0.3
0.7
SP
2
12
-2
Введение спейсера уменьшает плотность носителей в канале, т.к. уменьшается емкость конденсатора, которым служит обедненный слой AlGaAs, без соответствующего вклада в объемный заряд. В то же время, подвижность электронов растет, как результат большего разделения электронов и доноров. В приборных структурах AlGaAs/GaAs оптимум достигается при W≈3 нм, позволяя получать подвижность ~6000 см/Вс при концентрациях около 1×10 см при комнатной температуре.
Примеси n-типа, введенные в AlGaAs, создают два типа доноров: обычные мелкие, с энергией ионизации ~7 мэВ, и глубокие электронные ловушки, так называемые DX центры. DX центр при низких температурах обладает очень малым сечением захвата, что позволяет освобожденным с него электронам (например, освещением белым светом) длительное время оставаться свободными, давая вклад в проводимость. Это явление получило название эффекта устойчивой фотопроводимости (УФП). Поскольку УФП связан с опустошением DX центров, их концентрацию можно найти как разность между концентрацией носителей, измеренной при 77 К после освещения и в темноте. Эта зависимость представлена на фиг.2. Видно, что при составах x>0.3 DX центры преобладают, тогда как при x<0.2 имеет место противоположная ситуация. Доля DX центров в общем числе доноров не зависит от условий выращивания, а определяется составом, а в переходной области также и легированием.
X
1-X
Исходя из указанной величины разрыва зоны проводимости на гетерогранице AlGaAs/GaAs и особенности легирования AlGaAs примесями кремния, связанной с образованием DX-центров, при изготовлении транзисторных структур в качестве барьеров обычно используют слои AlGaAs, где значение x находится в пределах 0.2-0.3.
C
Плотность электронов, при прочих равных условиях, тем больше, чем выше величина разрыва зоны проводимости на гетерогранице (ΔE). Для системы AlGaAs/GaAs последняя достигает максимума при значениях x, соответствующих области перехода от прямой к непрямой зоне (х~0.43).
C
C
Повышение плотности достигается за счет возрастания величины разрыва зоны проводимости на гетерогранице (ΔE) в результате увеличения мольной доли AlAs свыше ≈0.3÷0.35 в широкозонном твердом растворе AlGaAs. Однако при увеличении мольной доли AlAs свыше ≈0.3÷0.35 возрастание разрыва ΔE будет подавлено большей глубиной залегания донорного уровня в AlGaAs.
C
С целью исключения подавления возрастания величина разрыва зоны проводимости на гетерогранице (ΔE) большей глубиной залегания донорного уровня в широкозонном твердом растворе AlGaAs, при увеличении мольной доли AlAs свыше 0,3-0,35 в качестве легирующей примеси в твердом растворе AlGaAs изначально используется примесь с уменьшенным значением донорного уровня.
Таким образом улучшение параметров является оптимизация деталей предложенной конструкции СВЧ полевого транзистора в виде:
- использования дополнительного буферного слоя в виде короткопериодной сверхрешетки AlGaAs/GaAs, позволяющего существенно снизить плотность ростовых дефектов и улучшить электрическую изоляцию между каналом транзистора и подложкой;
- относительно малая суммарная толщина буферных слоев GaAs, позволяющая улучшить ограничение носителей в канале короткозатворного транзистора;
- наличия дополнительного тонкого слоя нелегированного GaAs между каналом и AlGaAs спейсером, улучшающего структурное качество границы раздела (сглаживающий слой);
- наличия дополнительного подзатворного слоя n-GaAs, обеспечивающего формирование барьера Шоттки на химически более стабильном по сравнению с AlGaAs материале;
- относительно большая толщина сильно легированного градиентного и контактного слоев n+GaAs, толщиной соответственно 20 нм и 50 нм, выбранные с учетом характерной толщины сплавного слоя при формировании омических контактов истока и стока.
Преимуществами настоящего устройства являются:
X
1-X
1) снижение плотности ростовых дефектов и улучшение электрической изоляции между каналом транзистора и подложкой за счет выполнения дополнительного буферного слоя в виде короткопериодной сверхрешетки AlGaAs/GaAs;
2) улучшение ограничения носителей в канале короткозатворного транзистора;
3) обеспечение оптимизации отвода тепла из гетероструктуры кристалла транзистора и минимизации утечек тока затвора;
4) отсутствие трудоемких операций при изготовлении;
5) увеличение пробивного напряжения транзистора;
6) увеличение плотности и подвижности носителей заряда;
7) практически отсутствие «коллапса» тока.
На фигурах 4 и 5 приведены вольт-амперные характеристики: фиг.4 - без слоя изолирующего теплопроводящего слоя (например поликристаллического алмаза), на пьедестале СВЧ транзистора, под подложкой гетероструктуры и дополнительных барьерных слоев под затвором; 5) - со слоями изолирующего теплопроводящего слоя (например, поликристаллического алмаза) на пьедестале кристалла транзистора, а также дополнительными слоями из двуокиси гафния и оксида алюминия под затвором транзистора и поверх изолирующего, диэлектрического покрытия.
Размещение пьедестала из теплопроводящего слоя CVD поликристаллического алмаза, и одновременно размещение под затвором барьерных слоев двуокиси гафния и оксида алюминия, уменьшают тепловое сопротивление и токи утечки транзисторной структуры и благодаря этому повышает величину пробивного напряжения, что обеспечивает повышение эффективности предложенного изобретения.
Все вышеперечисленные преимущества позволяют создавать твердотельные СВЧ-блоки и модули с улучшенными параметрами, предназначенные для антенных фазированных решеток и других радиоэлектронных систем.