ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРИБОР
SEMICONDUCTOR DEVICE

Изобретение относится к твердотельной электронике, а именно к полупроводниковым приборам, используемым для выпрямления, усиления генерирования или переключения электромагнитных колебаний, способным работать при повышенных температурах и уровнях мощности, а также для приема и генерирования света в видимом и ультрафиолетовом диапазоне длин волн.
В последние годы интенсивно разрабатываются оптоэлектронные приборы, у которых активная область выполнена из гетероэпитаксиальных пленок широкозонных полупроводников, выполненных из нитридов металлов III группы периодической таблицы элементов Д.И.Менделеева - GaN, AlN (далее - нитриды металлов III группы) и твердых растворов на их основе (GaAlN, InGaN) [Pearton S.J. et al. GaN-based diodes and transistors for chemical, gas, biological and pressure sensing//Journal of Physics: Condensed Matter, V.16 (29), pp.R961-R994, 2004].
2
3
Структуры, изготовленные на основе широкозонных полупроводников нитридов металлов III группы, в настоящее время преимущественно выращивают на АlO и SiC подложках. В последнее время для получения нитрид-галлиевых слоев и приборных структур используют кремниевые подложки [Н.Ishikawa et al. GaInN light emitting diodes with AlInN/GaN distributed Bragg reflector on Si//Phys.Stat.Sol. © V.5, N.6, pp.2086-2088, 2008]. Интерес к получению таких структур на кремниевой подложке обусловлен перспективами интеграции нитрид-галлиевой и кремниевой электроники, возможностью использования подложек больших (до 200 мм) размеров, их низкой стоимостью, хорошей электрической проводимостью, теплопроводностью, а также для получения многослойных гетерокомпозиций, которые в дальнейшем используются как подложки при эпитаксиальном росте структур на основе широкозонных III-нитридных полупроводников - так называемых "template". Однако большое различие постоянных решетки (17%) и коэффициентов термического расширения (33%) нитрида галлия и кремния являются причиной возникновения деформации гетероструктуры, приводящей к возникновению трещин и высокой плотности дефектов различной природы в эпитаксиальном слое нитрида галлия при непосредственном выращивании его на кремнии. Для подавления процесса возникновения трещин и снижения уровня деформации эпитаксиального слоя GaN формируют различные промежуточные слои, например нитрид кремния, диоксид кремния [Патент США №6610144, 2000], оксид алюминия [Патент США №7612361, 2009 г.], нитрид алюминия [B.S.Zhang, M.Wu, L.P.Liu et al., Reuction of tensile stress in GaN grown on Si(111) by inserting a low-temperature AlN interlayers Journal of Crystal Growth V.270, pp.316-321, 2004]. Наиболее используемой конструкцией полупроводникового прибора на кремневой подложке является гетероструктура, в которой на подложке изготавливают несколько тонких буферных слоев AlN/GaN [F.Schulze, A.Dadgar, J.Biasing, A.Diez and A.Krost, MOVPE grown InGaN/GaN LEDs on Si(0001) substrate. Appl.Phys.Letters, v.88, pp.121114-1-121114-3, 2006].
В последнее время для стабильности характеристик используют слой SiC в качестве буферного [Y.Cordier et al. AlGaN/GaN high electron mobility transistors grown on 3C-SiC/Si(111). Journal of Crystal Growth V.310, p.p.4417-4423, 2000], поскольку различие параметров решеток SiC и GaN существенно меньше (3%).
9
-2
Известны полупроводниковые приборы: светодиод, выращенный на 6-дюймовой в диаметре Si(111) подложке, содержащий несколько промежуточных нанометровых буферных слоев GaN/AlN [A.Dadgar, C.Hums, A,Diez, J.Blasing, A.Krost. Growth of blue GaN LED structures on 150-mm Si(111). Journal of Crystal Growth V.297, N 2, pp.279-282, 2006], полевой транзистор, выращенный на 2-дюймовой Si(111) подложке, содержащий слой GaAlN и несколько слоев GaN и AlN в качестве промежуточных [S.Yoshida et al. Investigation of buffer structures for the growth of a high quality AlGaN/GaN hetero-struture with a high power operation FET on Si substrate using MOCVD. Physica Status Solidi(a), V.203, N7, pp.1739-1743, 2006]. Недостатком такой конструкции приборов является высокая плотность дислокаций несоответствия (около 1.5×10 см) и, как следствие, быстрая деградация параметров приборов.
Наиболее близким по технической сущности к данному изобретению, принятый за прототип, является полупроводниковый прибор [J.Komiyama et al. MOVPE of AlN-free hexagonal GaN/cubic SiC/Si heterostructures for vertical devices. Journal of Crystal Growth V.311, pp.2840-2843, 2009]. Конструкция прототипа проиллюстрирована на Фиг.1 настоящей заявки. Прибор включает монокристаллическую подложку Si с ориентацией рабочей поверхности (111), расположенную на ней гетероэпитаксиальную слоистую структуру, состоящую из:
а) буферного подслоя 3С-SiC толщиной 1 мкм, позволяющего уменьшить различия значений параметров решеток с 17% между W-GaN и Si(111) до 3% между W-GaN и 3С-SiC;
б) слоя W-GaN толщиной 1 мкм, выращенного при низкой температуре (600°С) на буферном подслое 3С-SiC, наличие которого позволяет снизить уровень деформации полупроводникового прибора, вызванной различием параметров решеток нитрида галлия и кремниевой подложи.
Недостатки конструкции по прототипу вызваны тем, что подслой 3С-SiC имеет кубическую модификацию, а эпитаксиально выращенный следующий слой W-GaN имеет уже гексагональную модификацию. Это различие в модификациях гетерослоев является дополнительным стимулом для образования высокой плотности дислокаций в слое W-GaN и, как следствие, к малому сроку службы полупроводникового прибора, плохой воспроизводимости рабочих параметров и быстрой деградации характеристик прибора.
Задачей изобретения является расширение арсенала средств и создание нового полупроводникового прибора с улучшенными характеристиками, имеющего увеличенный срок службы. Достигаемый технический результат - согласование параметров решеток составляющих слоев и уменьшение дислокаций несоответствия в полупроводниковом приборе.
Технический результат достигается тем, что полупроводниковый прибор имеет в своем составе электроды, монокристаллическую кремниевую подложку с ориентацией рабочей поверхности (111), на которой расположена слоистая структура, в состав которой входит буферный слой карбида кремния кубической модификации, и слой широкозонного полупроводника гексагональной модификации, выполненный из нитрида металла третьей группы Периодической таблицы элементов Д.И.Менделеева. От прототипа прибор отличается тем, что дополнительно имеет слой карбида кремния гексагональной модификации, который расположен на упомянутом слое широкозонного полупроводника и эпитаксиально с ним сопряжен.
В качестве упомянутого нитрида металла может быть применен нитрид галлия (схематическое изображение полупроводникового прибора представлено на Фиг.2), или нитрид алюминия (схематическое изображение полупроводникового прибора представлено на Фиг.3).
Наилучший результат достигается, когда слой карбида кремния кубической модификации имеет толщину 50-200 нм и частично внедрен в сопрягающиеся с ним поверхностные слои кремниевой подложки, которые сформированы микропористыми.
Ниже приводится теоретическое обоснование достижения технического результата, основанное на описании физических процессов формирования слоев полупроводникового прибора.
Как известно, для полупроводников на основе SiC, GaN, AlN характерен политипизм, и они могут кристаллизоваться как в гексагональной, так и кубической модификации. Рост нитридов металлов III группы гексагональной модификации происходит на кремнии - «инородной» подложке и из-за большого несоответствия параметров решеток сопровождается формированием трехмерных островков на поверхности подложки.
Буферный подслой 3С-SiC, выращенный на Si(111), имеет кубическую модификацию, однако эпитаксиальный слой нитрида галлия имеет уже структуру гексагональной модификации. Из-за рассогласования постоянных решетки 3С-SiC и W-GaN и различия в кристаллической симметрии решеток (гексагональная и кубическая) такая структура при изготовлении формирует слой, состоящий из трехмерных островков, который имеет большое количество дислокаций. Рабочие характеристики полупроводникового подобного прибора нестабильны и быстро деградируют, поскольку активная область его изготовлена на дислокационном нитриде галлия. Для устранения этих явлений предлагается использовать слой GaN как буферный и выполнить еще один слой, но уже 4H-SiC гексагональной модификации. Предлагаемая конструкция 3C-SiC/W-GaN/4H-SiC существенно уменьшает наличие дислокаций несоответствия в полупроводниковом приборе, что проиллюстрировано Таблицей, в которой представлены параметры решетки а, с (300 К) (параметр α*-виртуальный параметр решетки кубической модификации, который соответствует оси а гексагональной решетки) и параметр жесткости для гетерослоев полупроводникового прибора.
Таблица 1
Слои в последовательности расположения на подложке
Модификация
Жесткость, GPa
Параметр решетки, (а)
4H-SiC
гексагональная
33
a=3,07, с=10,053
W-GaN
гексагональная
12
a=3,189, с=5,185
(Альтернатива W-A1N)
гексагональная
14
a=3,1114, с=4,9792
3C-SiC(111)
кубик
33
a=4,3589 (a*=3,082)
Si(111)
кубик
9
a =5,4309
(подложка)
(a*=3,840)
Из Таблицы видно (анализируется на примере W-GaN, но все сказанное ниже справедливо и для W-A1N), что конструкция полупроводникового прибора состоит из чередующихся слоев 4H-SiC/W-GaN/3С-SiC/Si(111), в котором слои карбида кремния испытывают состояние растяжения, а слой W-GaN - состояние сжатия, однако сопротивляемость сжатию или растяжению (параметр жесткости) карбида кремния в несколько раз выше, чем нитрида галлия, и снятие упругих напряжений из-за различия параметров а решеток будет происходить, в основном, путем пластической релаксации напряжений в слое нитрида галлия. Заявленное в п.2 формулы техническое решение (Фиг.2) - чередование слоев 3C-SiC/W-GaN/4H-SiC - внешне схоже с чередованием буферных слоев AlN/GaN/AlN/ в конструкции, описанной в приведенном выше аналоге [Y.Cordier et al. AlGaN/GaN high electron mobility transistors grown on 3C-SiC/Si(111). Journal of Crystal Growth V.310, pp.4417-4423, 2000]. Однако в заявляемой конструкции комбинация слоев 3C-SiC/W-GaN/4H-SiC основана на других физических принципах. В конструкции аналога материалы W-GaN и W-AlN имеют, во-первых, практически одинаковую величину жесткости, и, следовательно, здесь снижение уровня дислокаций достигается путем чередования тонких, практически островковых, слоев, во-вторых, W-AlN-диэлектрик, и такая конструкция препятствуют проведению тока от кремниевой подложки к активной области полупроводникового прибора. В нашем случае конструкция чередующихся слоев выполнена из проводящих материалов (SiC, W-GaN), а снижение уровня дефектов в активной области полупроводникового прибора осуществляется за счет существенного различия величин жесткости слоев W-GaN и SiC.
Альтернативная конструкция (см. Фиг.3 - прибор с односторонним расположением омических контактов) с W-AlN слоем обеспечивает такое же снижение уровня дефектов, как и конструкция с W-GaN слоем, поскольку жесткости материалов W-AlN и W-GaN близки. Однако она, как и в случае аналогов, хорошо не проводит электрический ток от кремниевой подложки и поэтому предназначена для устройств с протеканием тока в пределах активной области прибора (например, полевой транзистор). В конструкции прототипа (см. Фиг.1) ток проходит через все слои, однако наиболее "мягкий" полупроводник не зажат между двумя "жестким" полупроводниками, и, поэтому, возникшие дислокации в слое GaN не имеют барьера, препятствующего их проникновению в активную область полупроводникового прибора.
Таким образом, конструкция заявляемого полупроводникового прибора выполнена из слоев полупроводников с разными параметрами жесткости материала, причем наиболее мягкий материал находится между жесткими слоями. Это приводит к тому, что, во-первых, снижается уровень дислокаций в активной области полупроводникового прибора, а во-вторых, конструкция с двумя жесткими слоями и мягким слоем нитрида галлии между ними позволяет ограничить генерацию дефектов зоной буферного нитрида галлия в процессе эксплуатации при существенном изменении температуры в приборе.
Для того, чтобы лучше продемонстрировать отличительные особенности изобретения, в качестве примеров, не имеющих какого-либо ограничительного характера, ниже описаны предпочтительные варианты реализации заявляемого прибора.
Примеры иллюстрируются чертежами, на которых представлено:
Фиг.3 - Схематическое изображение полупроводникового прибора по пункту 3 формулы.
Фиг.4. - Схематическое изображение полупроводникового прибора - диода Шоттки.
Фиг.5 - Схематическое изображение полупроводникового прибора - светодиода.
Фиг.6 - Схематическое изображение полупроводникового прибора - полевого транзистора.
Приведенные ниже примеры описывают наилучшую, по мнению авторов, конструкцию, в которой слой карбида кремния кубической модификации имеет толщину 50-200 нм и частично внедрен в сопрягающиеся с ним поверхностные слои кремниевой подложки, сформированные микропористыми. Такая конструкция может быть получена, например, по технологии твердотельной реакции монокристаллической подложки кремния с газом, содержащим оксид углерода или монооксид углерода. Использование этой технологии приводит к образованию вакансий и пор в кремнии на границе между кремнием и образующимся карбидом кремния. Эти поры и обеспечивают существенную релаксацию упругих напряжений, вызванную несоответствием решеток Si и SiC. Карбид кремния частично внедрен в приповерхностную область кремниевой подложки с образованием пор, в связи с этим его упругая деформация из-за различия параметров решетки незначительна. Слой 3С-SiC представляет собой тонкую, легко сжимаемую пластину, расположенную на кремниевой подложке подобно мосту на сваях.
Пример 1
Полупроводниковый прибор - 4H-SiC диод Шоттки (Фиг.4) включает полупроводниковую подложку n-Si(111), слой карбида кремния кубической модификации, который имеет толщину 50-200 нм и частично внедрен в сопрягающиеся с ним сформированные микропористыми поверхностные слои кремниевой подложки, слой W-GaN гексагональной модификации толщиной 0.1-1 мкм, слой 4H-SiC гексагональной модификации толщиной 1-10 мкм. Прибор имеет слой золота толщиной 100-500 нм и омические контакты - со стороны подложки и барьерного контакта.
Конструкция полупроводникового устройства - диода Шоттки на основе гексагональной модификации 4H-SiC позволяет осуществить преимущества данного прибора, которые определяются гексагональной модификацией карбида кремния (это более высокая подвижность, чем у 3С-SiC) в сочетании с преимуществами кремниевой подложки (большие размеры площади, низкая стоимость, более высокая теплопроводность, чем у сапфировой подложки).
Пример 2
Полупроводниковый прибор - светодиодная структура (Фиг.5) включает полупроводниковую подложку n-Si(111), слой карбида кремния кубической модификации, который имеет толщину 50-200 нм и частично внедрен в сопрягающиеся с ним поверхностные слои кремниевой подложки, слой GaN гексагональной модификации толщиной 0.1-1 мкм, слой 4H-SiC гексагональной модификации толщиной 1-10 мкм и активную область - слой W-AlGaN 1-4 мкм, слой W-GaN толщиной 0.3-1 мкм, слой W-AlGaN р-типа проводимости, толщиной около 1 мкм. Прибор имеет два омических контакта - один со стороны подложки Si(111), второй - со стороны приповерхностного слоя W-AlGaN. Конструкция полупроводникового светодиода позволяет, во-первых, осуществить протекание тока от Si подложки к активной области прибора, во-вторых, обеспечить отвод тепла через кремниевую подложку толщиной ~ 500 мкм, и, наконец, в-третьих, защитный жесткий слой 4H-SiC осуществляет блокирование дислокаций, возникающих при зарождении слоя гексагональной модификации нитрида галлия на слое карбида кремния кубической модификации. Отличительной особенностью данной конструкции является то, что здесь в качестве блокиратора дислокаций выступает существенно более жесткий слой - 4H-SiC, чем нитрид галлия W-GaN, однако он имеет ту же модификацию и сравнительно небольшое различие в параметрах постоянных решетки (3%), что препятствует возникновению новых дислокаций.
Пример 3
Полупроводниковый прибор - полевой транзистор (Фиг.6) включает полуизолирующую (i-тип) полупроводниковую подложку i-Si(111), слой карбида кремния кубической модификации, который имеет толщину 50-200 нм, и частично внедрен в поверхностные слои кремниевой подложки, слой W-GaN гексагональной модификации толщиной 0.1-1 мкм, слой 4H-SiC гексагональной модификации толщиной 1-2 мкм, активную область - слой W-GaN толщиной 0.3-1 мкм, слой W-AlGaN р-типа проводимости, толщиной около 0.1-0.5 мкм. Прибор имеет два омических контакта и затворный контакт (З) со стороны приповерхностного слоя W-AlGaN. Конструкция полевого транзистора позволяет, во-первых, осуществить протекание тока в пределах активной области прибора, во-вторых, обеспечить отвод тепла через кремниевую подложку толщиной ~ 500 мкм, и, наконец, в-третьих, защитный жесткий слой 4H-SiC позволяет осуществить блокирование дислокаций, возникших при зарождении слоя гексагональной модификации нитрида галлия на слое карбида кремния кубической модификации.
Таким образом, введение, согласно данному изобретению, дополнительного слоя карбида кремния гексагональной модификации, который расположен на слое широкозонного полупроводника гексагональной модификации и эпитаксиально с ним сопряжен, позволяет:
- во-первых, снизить уровень дислокаций в активной области полупроводникового прибора,
- во-вторых, получить конструкцию с двумя жесткими слоями карбида кремния и мягким слоем нитрида галлия между ними. В процессе эксплуатации при существенном изменении температуры в приборе такая конструкция из трех слоев ограничивает генерацию дефектов слоем нитрида галлия.
Применение слоя карбида кремния кубической модификации толщиной 50-200 нм, который частично внедрен в сопрягающиеся с ним поверхностные слои кремниевой подложки, сформированные микропористыми, позволяет дополнительно снизить уровень упругой деформации в приборе за счет снижения жесткости приповерхностного слоя кремния.