ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ МЕТАМОРФНАЯ НАНОГЕТЕРОСТРУКТУРА InAlAs/InGaAs

Область техники
Предлагаемая полезная модель относится к полупроводниковым МНЕМТ (metamorphic high electron mobility transistor) наногетероструктурам, используемым для изготовления СВЧ транзисторов и монолитных интегральных схем с высокой рабочей частотой и большими пробивными напряжениями.
Уровень техники
0.52
0.48
0.53
0.47
В настоящее время PHEMT (pseudomorphic high electron mobility transistor) наногетероструктуры типа InAlAs/InGaAs, т.е. с высоким содержанием InAs в активной области, выращенные на подложках InP, позволяют изготовить самые быстродействующие СВЧ транзисторы [1] ([1] lain Thayne, Khaled Elgaid, David Moran, Xin Cao, Euan Boyd, Helen McLelland, Martin Holland, Stephen Thoms, Colin Stanley. "50 nm metamorphic GaAs and InP HEMTs". Thin Solid Films 515, 4373-4377 (2007).). Это возможно благодаря уменьшению эффективной массы электронов при увеличении содержания InAs в активной области МНЕМТ или PHEMT структур, что влечет за собой соответствующее увеличение подвижности и дрейфовой скорости насыщения электронов.
Но из-за высокой стоимости подложек InP и их меньшей технологичности, вызванной в основном их хрупкостью, а также малого пробивного напряжения в СВЧ транзисторах, изготовленных на структурах на основе InP, поиск и разработка новых наногетероструктур с высоким содержанием InAs в активной области, выращенных на подложках GaAs, является актуальной задачей.
x
1-x
x
1-x
Самым удачным и приемлемым оказался метод использования так называемого метаморфного буфера (ММБ) InAlAs. Выращенные с применением этого метода наногетероструктуры называются МНЕМТ (metamorphioc high electron mobility transistor). Суть метода заключается в выращивании между подложкой и активной областью относительно толстого (обычно 1÷2 мкм) переходного слоя (метаморфного буфера) с постепенно изменяющимся по толщине химическим составом (а именно: содержание InAs x в тройном твердом растворе InAlAs увеличивается по мере роста ММБ), а следовательно, и параметром решетки. Таким образом, ММБ согласует параметр решетки подложки с параметром решетки активной области. Метаморфная технология позволяет получить «виртуальную» подложку с требуемым параметром решетки, непосредственно на которой уже выращиваются активные слои требуемого состава.
Рост идеального ММБ должен сопровождаться постепенной релаксацией механических напряжений, неизбежно возникающих из-за несоответствия параметров решетки нижележащего и вышележащего слоев. Однако, как показала практика, полностью избавиться от механических напряжений и дислокации, как правило, не удается. Поэтому предлагается ряд способов уменьшения дефектности ММБ.
x
1-x
В статье [2] ([2] S.Mendach, C.M. Hu, Ch. Heyn, S.Schnull, H.P.Oepen, R.Anton, W.Hansen. "Strain relaxation in high-mobility InAs inserted-channel heterostructures with metamorphic buffer". Physica E 13, 1204-1207 (2002).) описана принятая в качестве аналога наногетероструктура, где активная область выращивается на метаморфном буфере со ступенчатым изменением мольной доли InAs (10% на каждые 100 нм). Сам ММБ растет на монокристаллической полуизолирующей подложке GaAs. В данном случае, как и в большинстве НЕМТ и РНЕМТ наногетероструктур, непосредственно на подложке до начала роста ММБ формируется короткопериодная сверхрешетка AlAs/GaAs (или AlGaAs/GaAs), которая играет двоякую роль. Во-первых, как видно из [2], она улучшает электрофизические параметры гетероструктуры, а во-вторых, препятствует сегрегации ненамеренной фоновой примеси из подложки в активные области наногетероструктуры во время ее эпитаксиального роста.
Существенным недостатком данного устройства является то, что не удается предотвратить выход дислокации и других дефектов в активную область наногетероструктуры, что приводит к ухудшению таких электрофизических параметров, как подвижность и концентрация носителей. А это в свою очередь ограничивает рабочую полосу частот, пробивное напряжение и другие характеристики СВЧ транзисторов и больших интегральных схем, созданных на данной наногетероструктуре.
x
1-x
x
1-x
x
1-x
1
4
1
4
x
1-x
4
4
4
4
x4
1-x4'
Наиболее близкой к предлагаемой структуре и принятой в качестве прототипа является структура, описанная в [3] ([3] S.Bollaert, Y.Cordier, M.Zaknoune, H.Happy, V.Hoel, S.Lepilliet, D.Theron, A.Cappy. "The indium content in metamorphic InAlAs/InGaAs HEMT on GaAs substrate: a new structure parameter". Solid-State Electronics 44 (2000), p.1021-1027.) (фиг.1), включающая монокристаллическую полуизолирующую подложку GaAs (1), на которой сформирован метаморфный буфер (2) InAlAs с линейным увеличением содержания InAs x по толщине (x=x→x, где x=0, а x=0.60), инверсный слой InAlAs (3) со скачкообразным уменьшением содержания InAs x по толщине (х=x→x', где x=0.60, x'=0.50), залечивающий слой с однородным составом In'AlAs (4) и активную область InALAs/hiGaAs с высоким содержанием InAs (50%) (5), согласованную по параметру решетки с залечивающим слоем.
Активная область представляет собой квантовую яму InGaAs, ограниченную барьерами InAlAs, в которой формируется двумерный электронный газ. В одном из барьеров располагается дельта-слой атомов Si, являющихся донорами. Существенным недостатком данной структуры является то, что накопившиеся напряжения и образовавшиеся дислокации выходят на поверхность метаморфного буфера, на которой формируется активная область наногетероструктуры, ответственная за СВЧ характеристики и СВЧ параметры приборов, изготовленных на данной наногетероструктуре. Это влечет за собой относительно низкую подвижность электронов в канале, которая в результате ограничивает рабочую полосу частот СВЧ транзистора, созданного на данной структуре.
Раскрытие полезной модели
Задачей, решаемой настоящей полезной моделью, является увеличение рабочей частоты СВЧ транзисторов, изготовленных на основе наногетероструктур с высоким содержанием InAs в активной области, выращенных на подложках GaAs. Техническим результатом, позволяющим выполнить поставленную задачу, является уменьшение плотности дислокации, проникших в активную область наногетероструктуры.
0.4
0.6
x
1-x
1
4
1
4
x
1-x
4
4
4
4
x4'
1-x4'
(x2+Δx)
1-(x2+Δx)
(x2-Δx)
1-(x2-Δx)
(x3+Δx)
1-(x3+Δx)
(x3-Δx)
1-(x3-Δx)
1
2
2
3
3
4
2
3
Технический результат достигается за счет того, что в полупроводниковой метаморфной наногетероструктуре (фиг.2), включающей монокристаллическую полуизолирующую подложку GaAs (1), сверхрешетку AlGaAs/GaAs (2), метаморфный буфер InAlAs (3) с линейным увеличением содержания InAs x по толщине (x=x→x, где x~0, x≥0.75), инверсный слой InAlAs (4) с плавным либо скачкообразным уменьшением содержания InAs x по толщине (x=x→x', где x'-x=0.05÷0.1), залечивающий слой с однородным составом InAlAs (5), активную область InAlAs/InGaAs (6) с высоким содержанием InAs (более 70%), согласованную по параметру решетки с залечивающим слоем, внутрь метаморфного буфера (3) вводятся две механически напряженных сверхрешетки In+Al+As/InGaAs и InAlAs/InGaAs, симметрично рассогласованные на Δх=0.05÷0.10 относительно текущего состава метаморфного буфера в данных точках, которые делят метаморфный буфер на три части, в каждой из которых содержание InAs x по толщине увеличивается соответственно от x до x, от x до x и от x до x, где 0.4<x<0.6, а 0.6<x<0.75.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлена схема полупроводниковой метаморфной наногетероструктуры в поперечном разрезе (вид сбоку), выбранной в качестве прототипа заявляемой полезной модели. Указаны следующие друг за другом слои и их состав.
На фиг.2 представлена схема полупроводниковой метаморфной наногетероструктуры в поперечном разрезе (вид сбоку), демонстрирующая суть заявляемой полезной модели.
На фиг.3 представлена схема полупроводниковой метаморфной наногетероструктуры в поперечном разрезе (вид сбоку), выращенной согласно заявляемой полезной модели.
Осуществление полезной модели
Устройство согласно заявляемой полезной модели работает следующим образом:
0.4
0.6
4
1
4
(x2+Δx)
1-(x2+Δx)
(x2-Δx)
1-(x2-Δx)
(x3+Δx)
1-(x3+Δx)
(x3-Δx)
1-(x3-Δx)
x
1-x
1
2
2
3
3
4
0.4
0.6
x
1-x
Как показано на фиг.2, непосредственно на монокристаллической полуизолирующей подложке GaAs (1) формируется сверхрешетка AlGaAs/GaAs (2), препятствующая сегрегации ненамеренной фоновой примеси из подложки в активные области наногетероструктуры во время ее эпитаксиального роста. Выше формируется метаморфный буфер (3) с линейным увеличением содержания InAs x по толщине (x=x→x, где x~0, а x≥0.75). Линейное изменение x от 0 до 0.75 изменяет параметр решетки и согласует его с параметром решетки активной области. Внутрь ММБ (3) вводятся две механически напряженных сверхрешетки InAlAs/InGaAs (8) и InAlAs/InGaAs (10), симметрично рассогласованные на Δх=0.05÷0.10 относительно текущего состава метаморфного буфера в данных точках. Метаморфный буфер при этом оказывается разделен на три части (7, 9, 11), каждая из которых представляет собой слой InAlAs с линейно возрастающим по толщине содержанием InAs x, где x=x→x (7), x=x→х (9), x=x→x (11). Сверхрешетки, введенные в ММБ, отличаются как по составу, так и по назначению от сверхрешетки AlGaAs/GaAs, расположенной непосредственно на подложке. Слои этих сверхрешеток симметрично рассогласованы относительно состава ММБ при данной толщине, что приводит к образованию короткопериодных полей упругой деформации и отсутствию более дальнодействующего поля упругой деформации. Короткопериодные деформационные поля приводят к изгибанию прорастающих в активную область дислокации, а также препятствуют фазовому расслоению тройного твердого раствора InAlAs при больших значениях х.
В каждой сверхрешетке слои InGaAs обладают пониженным содержанием InAs относительно текущего состава метаморфного буфера, а слои InAlAs - повышенным содержанием InAs. Это сделано для того, чтобы не создать в сверхрешетках дополнительные квантовые ямы для электронов и не получить параллельную проводимость по сверхрешеткам.
4
4
Над ММБ (3) формируется инверсный слой (4), в котором содержание InAs x плавно изменяется от x до x', причем перепад содержания InAs составляет 0.05÷0.10. Инверсный слой (4) позволяет ликвидировать механические напряжения, оставшиеся в ММБ (3), и получить ненапряженную «виртуальную» подложку для последующего роста залечивающего слоя (5) и активной области (6).
x4'
1-x4'
За инверсным слоем (4) следует залечивающий слой с однородным составом InAlAs (5), над которым находится активная область (6), согласованная по параметру решетки с залечивающим слоем. Содержание InAs в слоях активной области составляет более 70%.
Все описанные слои за исключением δ-слоя кремния являются нелегированными.
Введение внутрь метаморфного буфера симметрично рассогласованных сверхрешеток позволяет достигнуть технического результата - уменьшить плотность прорастающих дислокации.
Создание в соответствии с заявленными признаками и конструкцией ММБ наногетероструктур обеспечивает возможность выращивания структур с высоким содержанием InAs в активной области и с высокими значениями подвижности.
Согласно заявляемой полезной модели нами был получен следующий образец полупроводниковой метаморфной наногетероструктуры InAlAs/InGaAs (фиг.3).
0.4
0.6
0.4
0.6
x
1-x
0.49
0.51
0.73
0.27
0.39
0.61
0.53
0.47
0.62
0.38
0.77
0.23
Монокристаллическая полуизолирующая подложка (1) выполнена из GaAs с кристаллографической ориентацией (100). На ней находится пятипериодная сверхрешетка AlGaAs/GaAs (2), толщины слоев AlGaAs и GaAs составляют 24 Å и 14 Å соответственно. Выше сформирован метаморфный буфер InAlAs (3), значение x изменяется от 0.06 в начале метаморфного буфера до 0.75 в его конце, толщина метаморфного буфера в данном примере составляет 1.2 мкм. Внутрь метаморфного буфера на 0.54 и 0.90 его толщины при текущих составах InAlAs и InAlAs вставлены две механически напряженные сверхрешетки InGaAs/InAlAs (8) и InGaAs/InAlAs (10), каждая по 5 периодов, в первой сверхрешетке слои InGaAs и InAlAs имели толщины 32 Å и 36 Å, а во второй - 34 Å и 56 Å соответственно.
1-x
x
1-x
0.70
0.30
0.76
0.24
0.70
0.30
0.70
0.30
0.76
0.24
12
-2
Метаморфный буфер при этом оказывается разделен на три части (7, 9, 11), каждая из которых представляет собой слой InAlAs с линейно возрастающим по толщине содержанием InAs x. За метаморфным буфером (3) расположен инверсный слой (4) InAlAs, значение x изменяется от 0.75 в начале инверсного слоя до 0.70 в его конце на толщине 40 нм. За инверсным слоем следует залечивающий слой InAlAs (5) толщиной 0.16 мкм. Полупроводниковая наногетероструктура завершается активной областью (6), состоящей из канала InGaAs толщиной 164 Å, спейсера InAlAs толщиной 64 Å, δ-слоя кремния с концентрацией 1.7·10 см, барьера InAlAs толщиной 219 Å и защитного слоя InGaAs толщиной 73 Å. Все полупроводниковые слои выращены методом молекулярно-лучевой эпитаксии.
2
2
2
2
Получены значения подвижности электронов 12000 см/(В·с) при комнатной температуре и 41000 см/(В·с) при Т=77 К; относительная погрешность составляет 10%. Эти значения выше, чем наилучшие из продемонстрированных в статье [3]: 9570 см/(В·с) и 35000 см/(В·с) соответственно.