ПСЕВДОМОРФНЫЙ ГЕТЕРОСТРУКТУРНЫЙ МОДУЛИРОВАНО-ЛЕГИРОВАННЫЙ ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР

Полезная модель 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).
Недостатками известного устройства являются низкое значение СВЧ-мощности, низкое значение теплоотвода от активной части транзистора и наличие низкочастотных шумов.
0,2
0,8
2
3
x
2
3
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. B. 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 высокий уровень деградации, обусловленный низким значением теплоотвода от активной части транзистора.
Задачей настоящей полезной модели является устранение всех вышеуказанных недостатков.
Технический результат заключается в повышении теплоотвода от пьедестала и активной области транзистора, в обеспечении минимальных утечек тока затвора.
Технический результат обеспечивается тем, что псевдоморфный гетероструктурный модулировано-легированный полевой транзистор содержит фланец, пьедестал, гетероэпитаксиальную структуру, буферный слой, исток, затвор, сток и омические контакты. Пьедестал выполнен из теплопроводящего слоя CVD поликристаллического алмаза с имплантированным Ni и с отожженными приповерхностными слоями с двух сторон, поверх пьедестала расположена базовая подложка из полуизолирующего GaN, буферный слой, а на поверхности гетероэпитаксиальной структуры на основе нитридов. Между истоком, затвором и стоком, последовательно размещены дополнительные слои теплопроводящего поликристаллического алмаза, барьерный слой из двуокиси гафния и барьерный слой из 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 соответствии с частными случаями выполнения устройство имеет следующие особенности.
2
2
3
2
3
2
3
Барьерный слой может быть выполнен из ZrO, или из LaO, или из YO, или из AlO.
Пьедестал выполнен толщиной 150-170 мкм.
Сущность настоящей полезной модели поясняется следующими иллюстрациями:
фиг. 1 - отображает настоящее устройство;
фиг. 2 - отображает схематическое изображение энергетических зон у модулировано легированного гетероперехода n-AlGaN/GaN;
фиг. 3 - отображает взаимосвязь ширины запрещенной зоны и постоянной решетки;
фиг. 4 - приведены экспериментально измеренные зависимости температуры разогрева активной области СВЧ транзистора от времени.
фиг. 5 - приведены вольтамперные характеристики мощного транзистора СВЧ без дополнительных слоев на поверхности кристалла транзистора;
фиг. 6 - приведены вольтамперные характеристики мощного транзистора СВЧ с дополнительными слоями.
На иллюстрации отображены следующие конструктивные элементы:
1 - фланец;
2 - слой припоя из AuSi эвтектического состава;
3 - пьедестал из теплопроводящего слоя CVD поликристаллического алмаза с имплантированными Ni и отожженными приповерхностными слоями с двух сторон;
4 - подслой из AuSi;
5 - монокристаллический слой кремния;
6 - теплопроводящий слой CVD поликристаллического алмаза;
7 - слой монокристаллического кремния;
8 - буферный слой AlN или HfN;
9 - буферный слой из GaN;
10 - второй буферный слой из GaN;
x
1-x
11 - сверхрешетка из AlGaN/GaN;
12 - третий буферный слой;
x
1-x
13 - сильнолегированный слой n-AlGaN;
x
1-x
14 - спейсер из AlGaN;
15 - сглаживающий слой;
16 - канал InGan;
17 - сглаживающий слой;
x
1-x
18 - спейсер из AlGaN;
19 - сильнолегированный контактный слой;
20 - барьерный слой;
21 - барьерный слой n-GaN;
22 - градиентный слой;
23 - контактный слой;
24 - исток;
25 - затвор;
26 - сток;
27 - омические контакты;
28 - дополнительный теплопроводящий слой поликристаллического алмаза;
29 - дополнительный барьерный слой из двуокиси гафния;
30 - дополнительный барьерный слой из оксида металла.
Настоящее устройство производят следующим образом.
На фланце толщиной 1600 мкм размещен слой припоя состава AuSi 2 толщиной 25 мкм, затем в заготовленный в качестве пьедестала слой теплопроводящего CVD поликристаллического алмаза 3 толщиной ~150 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 припоя эвтектического состава из AuSi 4, толщиной 25 мкм. Затем на поверхности подслоя AuSi 4 последовательно размещают: базовую подложку 5, состоящую из монокристаллического кремния p-типа проводимости, ориентированного по плоскости (III), толщиной менее 20 мкм,
и теплопроводящий CVD поликристаллический слой алмаза 6, толщиной 150 мкм, слой монокристаллического кремния 7, толщиной 0,5-20 мкм, буферный слой из AlN 8 (по другому частному случаю выполнения из HfN), толщиной 0,1 мкм.
После размещения слоя CVD поликристаллического алмаза 6, базовая подложка 5 утоняется методами мокрого и сухого травления до толщины 10 мкм.
x
1-x
x
1-x
x
1-x
x
1-x
x
1-x
x
1-x
x
1-x
Поверх буферного слоя 8 размещена эпитаксиальная структура на основе широкозонных III-нитридов в виде слоев 5-23, состоящих из нелегированного буферного слоя GaN 9, толщиной 200 нм, нелегированного второго буферного слоя GaN 10, толщиной 200 нм, нелегированной сверхрешетки из AlGaN/GaN 11, третьего нелегированного буферного слоя 12, толщиной 100 нм, сильнолегированного слоя твердого раствора AlGaN 13, толщиной 4,5 нм, нелегированного слоя AlGaN спейсер 14, толщиной 2 нм, сглаживающего слоя 15, толщиной 3 нм, слоя нелегированного твердого раствора InGaN - канал 16, толщиной 12 нм, нелегированного сглаживающего слоя 17, толщиной 1,5 нм, второго слоя из AlGaN - спейсер 18, выполненного из нелегированного твердого раствора AlGaN, толщиной 2 нм, сильнолегированного слоя 19 из AlGaN, толщиной 16 нм, барьерного слоя 20 из твердого раствора AlGaN, толщиной 13 нм, барьерного слоя 21 из GaN, толщиной 15 нм, градиентного слоя 22, толщиной 20 нм, и контактного слоя 23 из сильнолегированного GaN, толщиной 50 нм.
Затем на участках для создания истока затвора и стока частично удаляют контактный слой 19 и градиентный слой 18, на этих участках формируют исток 24, затвор 25, сток 26 и омические контакты 27.
Кроме того, устройство снабжают дополнительными слоями, размещенными между истоком 24, затвором 25 и стоком 26. Дополнительные слои
2
2
3
2
3
2
3
выполняют в виде теплопроводящего CVD поликристаллического алмаза 28, барьерного слоя из двуокиси гафния 29, и дополнительного барьерного слоя из оксида металла 30, в качестве которого может быть использован ZrO, или из LaO, или из YO, или из AlO. При этом слои из двуокиси гафния 29 и оксида металла 30 имеют общую толщину 1,0-4,0 нм. В области затвора 25 дополнительные барьерные слои размещены под затвором 25, непосредственно на эпитаксиальной структуре в виде слоя 23 из твердого раствора GaN n-типа проводимости.
Между слоем монокристаллического кремния 7 и буферным слоем GaN 9 располагается переходная область которая служит для уменьшения рассогласования параметров решетки инородной подложки и растущих на ней эпитаксиальных слоев нитрида галлия (и далее- всей гетероструктуры). Слой из InGaN 16 предназначен для образования в его приповерхностном слое проводящего канала (двумерного электронного газа (ДЭГ) с высокой подвижностью носителей заряда), возникающего за счет разрыва зон и поляризационных эффектов при образовании гетероперехода InGaN/GaN. Основным требованием к этому слою является структурное совершенство, достаточное для обеспечения высокой подвижности электронов, и высокого сопротивления. Поэтому канальный слой не легируется, а в ряде случаев используются специальные приемы для обеспечения необходимого высокого удельного сопротивления.
В настоящем устройстве обеспечивается оптимизация отвода тепла из активной области кристалла и в целом из транзистора и минимизация утечек тока затвора. Это обеспечивается с помощью использования теплопроводящего поликристаллического слоев алмаза (3, 6, 28) и дополнительных барьерных слоев из двуокиси гафния 29 и оксида металла 30, которые позволяют минимизировать утечки тока и увеличить значение напряжения пробоя.
На фигурах 5, 6 приведены вольт-амперные характеристики: фиг. 5 - без слоя изолирующего поликристаллического алмаза, на поверхности кристалла СВЧ транзистора, между истоком, затвором и стоком и дополнительных барьерных слоев под затвором; 6) - со слоями изолирующего поликристаллического алмаза на поверхности кристалла транзистора, между истоком, затвором и стоком, а также дополнительными слоями (масками) из двуокиси гафния и оксида металла под затвором транзистора и поверх изолирующего поликристаллического алмаза.
Размещение слоя изолирующего поликристаллического алмаза на поверхности кристалла СВЧ транзистора, между истоком, затвором и стоком, уменьшает тепловое сопротивление транзисторной структуры более, чем в 1.5 раза, и благодаря наличию на поверхности кристалла транзистора слоя теплопроводящего поликристаллического алмаза одновременно с барьерными слоями двуокиси гафния и оксида металла, размещенных под затвором, повышает величину пробивного напряжения более 20-30%, что обеспечивает повышение эффективности предложенного устройства.
В ходе осуществления полезной модели разработана конструкция эпитаксиальной гетероструктуры типа AlGaN/InGaN/GaN, с двухсторонним легированием, предназначенная для создания на ее основе СВЧ транзистора работоспособного в диапазоне частот вплоть до 30 ГГц. Конструкция гетероструктуры приведена в таблице №1, а в таблице №2 представлены основные электрофизические параметры гетероструктуры:
Таблица 1.
Слой транзисторной гетероструктуры, Назначение
Значение x
Толщина
Уровень легирования Nsi, см-3
Монокристаллический слой
Менее 20 мкм
Слой CVD полиалмаза
150-179 мкм
Монокристаллический слой
0,5-20 мкм
Буферный слой AlN или
0,1 мкм
1-ый буферный слой GaN
200 нм
Нелегированный
2-ой буферный слой GaN
200 нм
Нелегированный
Сверхрешетка Al<sub>x</sub>Ga<sub>1-x</sub>N/GaN
0.22/0.0
(2нм/2 нм)×10
Нелегированный
3-ий буферный слой
0.22
100 нм
Нелегированный
Сильно легир-ный n-Al<sub>x</sub>Ga<sub>1-</sub>
0.22
4,5 нм
5-7×1019
Спейсер Al<sub>x</sub>Ga<sub>1-x</sub>N
0.22
2 нм
Нелегированный
Сглаживающий слой GaN
3 нм
Нелегированный
Канал InGaN
12 нм
Нелегированный
Сглаживающий слой GaN
1,5 нм
Нелегированный
Спейсер Al<sub>x</sub>Ga<sub>1-x</sub>N
0.22
2 нм
Нелегированный
Сильно легированный n-
0.22
16 нм
5-7×1019
Барьерный слой n-Al<sub>x</sub>Ga<sub>1-x</sub>N
0.22
13 нм
3-5×1017
Барьерный слой n-GaN
15 нм
3-5×1017
Градиентный слой n-GaN
20 нм
5×1016-7×1019
Контактный слой n-GaN
50 нм
7×1019
Таблица 2.
Температура измерения, °K
Слоевая концентрация носителей заряда в канале не менее, см<sup>-2</sup>
Подвижность носителей заряда в канале не менее, см<sup>2</sup>/(B×c)
77
6.9×10<sup>12</sup>
2200
300
8.9×10<sup>12</sup>
1400
Для создания многослойных наногетероструктур твердых растворов AlGaN/InGaN/GaN, разработка и изготовление осуществлялась методом молекулярно-пучковой эпитаксии.
Основным достоинством метода МПЭ является возможность выращивания многослойных гетероструктур полупроводниковых соединений с чрезвычайно резкими профилями элементного состава и легирования. Важным параметром выращиваемых гетероструктур является шероховатость интерфейсов (границ раздела) слоев.
Метод МПЭ обеспечивает точность создания многослойной полупроводниковой гетероструктуры с точностью не хуже 1% с точки зрения толщин слоев, их периодичности, элементного состава и легирования.
Преимуществами предложенного 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 AlGaN/GaN;
2) улучшение ограничения носителей в канале короткозатворного транзистора;
3) обеспечение оптимизации отвода тепла из активной области кристалла, из полевого транзистора в целом и минимизации утечек;
4) отсутствие трудоемких операций при изготовлении;
5) отсутствие опасности возникновения «коллапса тока»;
6) уменьшение теплового сопротивления транзисторной структуры более, чем в 1.5 раза,
7) увеличение пробивного напряжения транзистора до 30%;
8) повышение надежности и эффективности устройства.
Все вышеперечисленные преимущества позволяют создавать твердотельные СВЧ-блоки и модули с улучшенными параметрами,
предназначенные для антенных фазированных решеток и других радиоэлектронных систем.