ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ ТРАНЗИСТОРНАЯ ГЕТЕРОСТРУКТУРА НА ПОДЛОЖКЕ GAAS

III
V
Полезная модель относится к полупроводниковым наногетероструктурам AB, используемым для изготовления СВЧ транзисторов и интегральных схем Х- и К-диапазонов.
Гетероструктуры А3В5 в последние два десятилетия стали доминирующим базовым материалом для изготовления приборов сверхвысокочастотной электроники и оптоэлектроники. Несмотря на то, что основные гетеросистемы А3В5, такие как AlGaInAs, используются уже более 30 лет, развитие подходов к инженерии конструкций гетероструктур и технологий их создания продолжается и сегодня. Важнейшие тенденции в эволюции СВЧ транзисторов - повышение граничной частоты усиления, снижение шумов, увеличение КПД, наноминиатюризация длины затвора - влекут за собой необходимость дальнейшей оптимизации гетероструктур, используемых в сверхвысокочастотной (СВЧ) электронике.
Наиболее широко используемой в промышленном производстве СВЧ транзисторов и монолитных интегральных схем (МИС) в диапазонах частот от ~10 ГГц до ~60 ГГц является псевдоморфная транзисторная гетероструктура с высокой подвижностью электронов Р-НЕМТ (англ. - pseudomorphic high electron mobility transistor), изготавливаемая методами молекулярно-лучевой (молекулярно-пучковой) эпитаксии, (англ. - molecular beam epitaxy) на подложке GaAs.
y
1-y
x
1-x
Из актуальных проблем, ограничивающих применение Р-НЕМТ, можно отметить невысокое пробивное напряжение и ограниченную концентрацию электронов в квантовой яме (КЯ), связанную с невысокой глубиной КЯ. В свою очередь, глубина КЯ определяется разрывом зоны проводимости узкозонного слоя InGaAs относительно широкозонного барьера AlGaAs.
y
1-y
x
1-x
x
1-x
x
1-x
x
1-x
x
1-x
+
Наиболее близкой к предлагаемой полезной модели является полупроводниковая наногетероструктура, изображенная на фиг. 1 [1], на которой указаны следующие друг за другом слои. На монокристаллической полуизолирующей подложке GaAs - 1 эпитаксиально выращивается последовательность слоев: буферный слой GaAs - 2, квантовая яма/канал InGaAs - 3, спейсерный слой AlGaAs - 4, барьерный слой общего состава AlGaAs - 6 с дельта-легированием донорной примесью - 5, а также контактный слой n-GaAs - 7. Такая Р-НЕМТ гетероструктура с односторонним дельта-легированием имеет однородный барьерный слой AlGaAs толщиной 10÷30 нм с содержанием x(AlAs)=20÷30%. Недостатком таких структур является их неглубокая квантовая яма. Глубина квантовой ямы, определяемая мольной долей х AlAs в слое AlGaAs, ограничена тем, что при х>25% в легированном донорами кремния слое AlGaAs часть электронов захватывается на DX-центры (ловушки) и перестает давать вклад в проводимость канала [2]. Таким образом, неглубокая квантовая яма Р-НЕМТ гетероструктуры приводит к эффекту просачивания электронов в область широкозонного барьера AlGaAs при сильном легировании, вследствие чего значительно ухудшается проводимость канала за счет дополнительного рассеяния в широкозонных слоях. Это накладывает ограничения на граничную частоту усиления по току и выходную мощность транзистора на основе таких структур.
y
1-y
y
1-y
y
1-y
Подавить данный негативный эффект возможно за счет более эффективной локализации электронов в квантовой яме при сохранении высокой электронной плотности и проводимости. Увеличение глубины КЯ за счет увеличения содержания InAs в канале InGaAs также невозможно выше определенных значений (обычно - 25% InAs), так как слой InGaAs имеет механическую деформацию, ограниченную критической толщиной слоя, при превышении которой электронные транспортные свойства резко ухудшаются из-за неупругой релаксации канала с образованием дислокаций несоответствия. Механическое напряжение дополнительно приводит к увеличению энергии запрещенной зоны в псевдоморфно напряженном слое InGaAs, а значит, к уменьшению глубины КЯ.
Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в увеличении граничной частоты усиления по току за счет увеличения дрейфовой скорости насыщения электронов, а также увеличении удельной выходной мощности транзистора на основе таких гетероструктур за счет увеличения электронной плотности и пробивного напряжения транзистора.
y
1-y
x
1-x
x
1-x
x
1-x
x
1-x
x
1-x
y
1-y
x
1-x
y
1-y
+
Технический результат достигается тем, что полупроводниковая транзисторная гетероструктура на подложке GaAs, включающая в себя последовательно слои подложки GaAs, буферный слой, квантовую яму/канал InGaAs, спейсерный слой, дельта-слой доноров, барьерный слой и контактный слой, при этом буферный слой состоит из линейного метаморфного буфера InAlAs с градиентом мольной доли InAs от х=0 до х=0.22÷0.32, инверсной ступени InAlAs с градиентом от х=0.22÷0.32 до х=0.20÷0.30 и залечивающего слоя InAlAs с мольной долей InAs х=0.20÷0.30, кроме того, спейсерный слой состоит из InAlAs с мольной долей InAs х=0.20÷0.30, барьерный слой состоит из InAlAs с мольной долей InAs х=0.20÷0.30, а контактный слой состоит из n-InGaAs с мольной долей InAs у=0.10÷0.30. Мольные доли InAs х и у выбирается исходя из того, что получившиеся сплавы InAlAs и InGaAs должны быть решеточно-согласованы друг с другом.
x
1-x
В такой структуре, во-первых, канал является ненапряженным относительно барьерных слоев, так как содержание InAs в барьерах и КЯ совпадает, таким образом, снижения эффективной глубины вследствие механической деформации слоя канала не происходит. Во-вторых, так как материал барьера М-НЕМТ имеет состав InAlAs, барьер содержит ~ 80% AlAs, это обеспечивает значительно больший разрыв запрещенной зоны и глубину КЯ в зоне проводимости для Г-электронов в канале.
x
1-x
x
1-x
x
1-x
y
1-y
x
1-x
x
1-x
y
1-y
x
1-x
+
М-НЕМТ гетероструктура, выращенная на подложке GaAs, с толстым (100÷1500) нм линейным (х:0→0.22÷0.32) метаморфным буферным слоем InAlAs, содержит инверсную ступень InAlAs (х:0.22÷0.32→0.20÷0.30), нерелаксированный ММБ, называемый также залечивающим слоем, InAlAs, толщиной (100÷1000) нм, квантовую яму/канал InGaAs, спейсерный слой InAlAs, дельта-слой доноров, барьерный слой InAlAs, контактный слой n-InGaAs, над дельта слоем доноров кремния располагается барьерный слой InAlAs.
Такая конструкция приводит к увеличению эффективной высоты барьеров InAlAs как со стороны поверхности, так и со стороны подложки, без увеличения их физической толщины и, тем самым, к увеличению эффективной глубины квантовой ямы. Использование М-НЕМТ гетероструктуры сильно влияет на уровни энергии размерного квантования и профили электронных волновых функций, приводя к увеличению энергии электронных подзон и вытеснению электронной плотности из области широкозонного барьера. При этом двумерный газ становится более локализован относительно центра квантовой ямы, уменьшается его рассеяние на ионизированных донорах в широкозонном барьере и шероховатостях гетерограниц. Таким образом, использование М-НЕМТ гетероструктуры позволяет достичь увеличения граничной частоты усиления по току за счет увеличения дрейфовой скорости насыщения электронов, а также увеличения удельной выходной мощности транзистора на основе таких гетероструктур за счет увеличения электронной плотности и пробивного напряжения транзистора.
x
1-x
x
1-x
x
1-x
x
1-x
y
1-y
x
1-x
x
1-x
y
1-y
+
На фиг. 2 представлен пример конкретной реализации полупроводниковой транзисторной наногетероструктуры, демонстрирующий суть настоящей полезной модели. М-НЕМТ транзисторная гетероструктура с линейным метаморфным буфером InAlAs (х:0→0.22÷0.32), выращивается методом молекулярно-лучевой эпитаксии при температуре роста слоев в диапазоне 410÷620°С. Она состоит из монокристаллической полуизолирующей подложки GaAs - 1, далее следует буферный слой - 2, состоящий из метаморфного буфера InAlAs с линейным перепадом состава (х:0→0.22÷0.32) - 8, инверсной ступени InAlAs с линейным перепадом состава (х:0.22÷0.32→0.20÷0.30) - 9, и нерелаксированного буферного слоя InAlAs (х:0.20÷0.30) - 10. Далее следует квантовая яма/канал InGaAs с мольной долей у(In)=0.1÷0.3 - 3, спейсерный слой InAlAs с мольной долей х(In)=0.2÷0.3 - 4, дельта-слой доноров, кремния δ-Si - 5, барьерный слой InAlAs с мольной долей х(In)=0.2÷0.3 - 6 и контактный слой n-InGaAs с мольной долей у(In)=0.1÷0.3 - 7.
0.22
0.78
0.22
0.78
0.22
0.78
0.22
0.78
g
Для подтверждения заявленного эффекта при помощи решения самосогласованной системы уравнений Шрёдингера и Пуассона были построены зонные диаграммы для прототипа Р-НЕМТ гетероструктуры AlGaAs/InGaAs и предлагаемой полезной модели транзисторной гетероструктуры типа М-НЕМТ с низким содержанием InAs и метаморфным буфером InAlAs/InGaAs, представленные на фиг. 3, рассчитанные с помощью программного пакета nextnano. Видно, что волновая функция электронов основного состояния для М-НЕМТ локализована ближе к центру КЯ, по сравнению с прототипом. При этом расчетное значение разрывов зон ΔE, характеризующее глубину КЯ для МНЕМТ в 2 раза выше, чем для РНЕМТ.
Кроме того при помощи эффекта Холла в геометрии Ван-дер Пау измерены электронные транспортные свойства экспериментальных М-НЕМТ и Р-НЕМТ гетероструктур с химически вытравленным контактным слоем, результаты приведены в табл. 1.
Из табл. 1 видно, что по сравнению с образцом Р-НЕМТ в гетероструктуре типа М-НЕМТ наблюдается увеличение подвижности электронов 4% при комнатной температуре и 11% при Т=77 K при сохранении электронной плотности, что обусловлено уменьшением рассеяния электронов в канале на шероховатостях гетерограниц и ионизированной примеси в области дельта-слоя за счет более высокого барьера и более глубокой КЯ.
Таким образом, применение данной полезной модели приводит к значительному увеличению глубины КЯ по сравнению с Р-НЕМТ гетероструктурой и увеличению электронной подвижности за счет снижения рассеяния на шероховатостях гетерограниц и уменьшения рассеяния на ионизированной примеси доноров Si, вследствие снижения туннелирования электронов Г-зоны из области канала в спейсер, что в конечном счете приводит к увеличению граничной частоты усиления по току за счет увеличения дрейфовой скорости насыщения электронов, а также увеличению удельной выходной мощности транзистора на основе таких гетероструктур за счет увеличения электронной плотности и пробивного напряжения транзистора.
Список используемых источников
1. Lee Ross, R. Pseudomorphic HEMT Technology and Applications / R. Lee Ross, Stefan P. Svensson, Paolo Lugli. - Dordrecht: Kluwer Academic Publishes, 1996.
x
1-x
2. E.F. Schubert and K. Ploog. Shallow and deep donors in direct-gap n-type AlGaAs:Si grown by molecular-beam epitaxy // Phys. Rev. B. vol. 30 (12), pp. 7021-7029(1984).