Разработка технологии изготовления наногетероструктур gaas/ingaas/algaas методом молекулярно-лучевой эпитаксии на нанотехнологическом комплексе НАНОФАБ НТК-9

Разработка технологии изготовления наногетероструктур gaas/ingaas/ algaas методом молекулярно-лучевой эпитаксии на нанотехнологическом комплексе Нанофаб Нтк-9

А.В. Рукомойкин, М.С.Солодовник, О.А Агеев

Технологический институт Южного федерального университета в г. Таганроге.

Современный уровень развития электроники нуждается в интегральных микросхемах с рабочими частотами выше 220 ГГц. Такие приборы находят все большее применение в таких системах, как бортовые РЛС, противоударные РЛС, базовые станции связи, системы сотовой связи, системы местной беспроводной связи, системы беспроводного доступа в глобальные сети, спутниковая связь и цифровое телерадиовещание. Такие частоты достижимы в транзисторах с высокой подвижностью электронов HEMT, pHEMT и mHEMT, в которых, при низком уровне шумов, наблюдаются рекордные значения подвижности и концентрации электронов в канале с двумерным электронным газом, образованным на границе гетероперехода между узкозонным и широкозонным полупроводником. Такие структуры могут быть реализованы только с использованием технологии молекулярно-лучевой эпитаксии.

Все типы транзисторов с высокой подвижностью электронов являются сложными гетеросистемами,

состоящими из слоев различных материалов, число которых может достигать нескольких десятков, а толщина варьироваться от единиц нанометров до нескольких микрометров. В таких системах неизбежно образование остаточных упругих механических напряжений, обусловленных рассогласованием материалов по параметру кристаллической решетки. Величина и характер распределения этих напряжений в пленках могут оказывать значительное влияние на зонную диаграмму структуры и как следствие на электрофизические характеристики приборов, что обуславливает необходимость их учета при проектировании многослойных гетероструктур.

рНЕМТ и mHEMT - технологии на основе напряженных гетероструктур AlGaAs/InGaAs/GaAs с квантовой ямой являются наиболее перспективной для приборов и интегральных схем СВЧ-диапазона, однако получение таких структур ограничено рассогласованием постоянных кристаллических решеток данных полупроводниковых систем. Чтобы избежать разрастания дислокации несоответствия и получения бездислокационных упруго напряженных структур необходимо знать критическую толщину напряженного слоя. В ходе математического моделирования и расчетов были построены зависимости критической толщины от степени рассогласования кристаллических решеток InxGa1-xAs/GaAs в зависимости от содержания индия (рис. 1). Знание критической толщины позволяет широко варьировать

разрывами зон на границе гетероперехода и при этом обеспечить необходимую резкость гетерограниц без дефектов.

100

О.1 -------------------------------------------------------

О 10 100

Содержание Ь,%

Рис. 1. Зависимость критической толщины от содержания индия.

В напряженных структурах наблюдается изменение ширины запрещенной зоны, в следствии сжатия или растяжения кристаллической решетки. Величину этих изменений необходимо учитывать при расчете выходных характеристик полученных транзисторов. На рисунке 2 представлены результаты оценки влияния упругого напряжения на изменение краев запрещенной и валентной зон. Результаты оценки можно использовать при дальнейших расчетах.

Рис. 2. Схема влияния напряжения на изменение края зоны проводимости и края валентной зоны, а также расщепление валентной зоны на подзоны тяжелых и легких дырок

В данной работе для получения наногетероструктур использовалась установка молекулярно-лучевой эпитаксии БТЕ-35 (рис.3.), входящая в состав многофункционального сверхвысоковакуумного нанотехнологического комплекса НАНОФАБ НТК-9, которая позволяет выращивать

наногетероструктуры GaAs и твердых растворов на его основе различной степени сложности с гетерограницами атомарной резкости. Необходимые значения резкости и шероховатости гетерограниц достигаются благодаря низкой скорости роста, (порядка одного атомного слоя в секунду) и

непосредственному контролю параметров получаемых

структур во время роста при помощи методов дифракции быстрых электронов на отражение и пирометрии.

Рис. 3. Модуль STE-35 нанотехнологического комплекса НАНОФАБ НТК-9.

Система БТЕ-35 представляет собой современную технологическую платформу для прецизионного выращивания эпитаксиальных слоев на подложках диаметром 2”, 3”, и 4” (100 мм). Система выполнена по прогрессивной вертикальной схеме построения ростовой камеры, наиболее часто на сегодня применяемой ведущими мировыми производителями данного оборудования. Во время транспортировки из шлюза и в процессе роста подложки в держателе располагаются

горизонтально ростовой поверхностью вниз, что резко уменьшает неконтролируемые загрязнения. Криопанели увеличенной площади предназначены для эффективной откачки летучей компоненты V-й группы, их дизайн минимизирует вероятность попадания продуктов роста с криопанели в источники материалов.

Для роста структур использовались подложки VGF диаметром 50,8 мм со следующими параметрами: толщина подложки - 350 мкм; ориентации - (100); удельное

сопротивление - 2,7 108 Омсм; подвижность носителей - 4520 см2/(Вс).

Для контроля электрофизических параметров полученных структур (подвижности и концентрации носителей, удельного сопротивления в активной области) использовался прибор Hall Effect Measurement System HMS-3000 (постоянное магнитное поле индукцией 0.59 Тл). Параметры микрорельефа поверхности определялись методом контактной атомносиловой микроскопии на сверхвысоковакуумном СЗМ-модуле, входящим в состав нанотехнологического комплекса НАНОФАБ НТК-9. Также был выполнен разрез полученных структур фокусированным ионными пучками и получены изображения структур в растровой электронной микроскопии на сканирующем электронном микроскопе Nova Nanolab 600.

Были получены эпитаксиальные структуры со следующими значениями параметров активного слоя: подвижности - 5180 см /(В с); концентрации электронов -5.661018 см-3; удельного сопротивления - 810-4 Омсм (рис. 4).

Был выращен пустой образец для определения остаточного фона в ростовой камере. Концентрация остаточной примеси

12 3

составила 7.15*10 см- и это соответствует мировым стандартам чистоты камеры роста установок молекулярнолучевой эпитаксии.

Рис. 4. Значения электрофизических параметров полученных слоев, измеренных на приборе Hall Effect Measurement System HMS-3000.

Средняя шероховатость поверхности определялась без контакта образца с атмосферой, путем прямой передачи образца из камеры роста в камеру СЗМ. Измерение

морфологии показало, что оптимальная толщина для бездефектного роста составляет 2 мкм, средняя шероховатость поверхности составила 0.76 нм (рис. 5). При дальнейшем росте поверхность становится более развитой, из-за разрастания дислокаций (рис. 6). Плотность дефектов на поверхности полученных структур составляла не более 300 см-2, что достаточно для проведения дальнейших технологических операций по созданию арсенидгаллиевых интегральных схем.

Рис. 5. Топология поверхности выращенной структуры, полученная методом СЗМ (площадь скана 35*35 мкм, шероховатость 0,76 нм).

Рис. 6. Топология поверхности выращенной структуры (площадь скана 50*50 мкм, шероховатость 3,48 нм).

На установке STE-35 были также были выращены приборные структуры: MESFET

Таблица 1

Схема выращенной MESFET структуры

Эпитаксиальный слой Толщина Степень легирования

n+-GaAs (контактный слой) 0,15 мкм 6*1018

n-GaAs (канал транзистора) 0,2 мкм 3*1017

i-GaAs (буферный слой) 0,8 мкм 14 2*10 или менее

i-GaAs подложка 400-500 мкм полуизолятор

Таблица 2

Схема выращенной HEMT структуры

Эпитаксиальный слой Толщина Степень легирования

n+-GaAs (контактный слой) 0,15 мкм 2*1018

n-AlGaAs (донорный слой) 100нм 1*1018

i-AlGaAs (спейсерный слой) 2.5нм 14 2*10 или менее

i-GaAs (канал транзистора) 20нм 14 2*10 или менее

i-GaAs (буферный слой) 0,8 мкм 2*1014 или менее

i-GaAs подложка 400-500 мкм полуизолятор

Таблица 2

Схема выращенного резонансно-туннельного диода

Эпитаксиальный слой Толщина Степень легирования

n+-GaAs (контактный слой) 20 нм 1*1018

n-AlGaAs (донорный слой) 2.5 нм 2*1016

Сверхрешетка i-GaAs 4 нм 2*1014 или менее

ї-АІАб 1.4 нм 14 2*10 или менее

i-GaAs 4.5 нм 14 2*10 или менее

1-А1Аэ 1.4 нм 14 2*10 или менее

i-GaAs 4 нм 2*10 или менее

n-AlGaAs (донорный слой) 2.5 нм 2*1016

n+-GaAs (контактный слой) 20 нм 1*1018

i-GaAs (буферный слой) 0,5 мкм 14 2*10 или менее

400-500 мкм

i-GaAs подложка полуизолятор

Также была разработана технология и получены

структуры HEMT-транзисторов на гетеропереходе GaAs-AlxGa1.xAs с содержание алюминия х=0,22. Данное содержание алюминия в HEMT структурах является оптимальным, так как обеспечивает достаточный разрыв зоны проводимости в области гетероперехода, и не происходит переход алюминий содержащего раствора от прямозонного к непрямозонному полупроводнику.

Были получены HEMT-структуры (таблица 2) со

следующими электрофизическими параметрами носителей в

12 2

двумерном электронном газе: концентрация - 1,02*10 см- ; подвижность - 5626 см /В*с. Данные значения

электрофизических параметров соответствуют мировым

аналогам HEMT-транзисторов и являются достаточными для создания приборных структур СВЧ диапазона с рабочими частотами порядка 40-50 ГГц.

Для контроля толщины областей и резкости гетерограницы был сделан срез структуры фокусированными ионными пучками и получено изображение растровой

электронной микроскопии (рис. 7) на РЭМ Nova Nanolab 600. На РЭМ изображении виден переход от более светлого GaAs к более темному AlGaAs, переход четкий, что свидетельствует о хорошей резкости гетероинтерфейса полученной структуры.

Рис. 7. РЭМ-изображение разреза НЕМТ-структуры

На установке STE-35 были получены структуры с объемной степенью легирования от 2*1017 до 5*1018 см-3, а также были получены НЕМТ-структуры с двумерным электронным газом на границе GaAs-AlGaAs. Наличие двумерного электронного газа контролировалось эффектом Холла. Выращенные НЕМТ-транзисторы обладают

концентрацией электронов в двумерном электронном газе

12 -2 2 1,02* 10 см- и подвижностью до 5626 см/В*с. Полученные

результаты открывают широкие возможности применения

выращенных эпитаксиальных наногетероструктур в

сверхбыстродействующих интегральных схемах и позволяют

решить фундаментальные проблемы перехода современной

техники на СВЧ-диапазон, как в военных целях, так и

повседневной жизни каждого человека.