Гетероэпитаксиальная структура для полевых транзисторов
HETEROEPITAXIAL STRUCTURE FOR FIELD TRANSISTORS

Техническое решение относится к полупроводниковым приборам, а именно к многослойным эпитаксиальным структурам, выращенным на полупроводниковой подложке, и может быть использовано для разработки и изготовления полевого транзистора.
Известна гетероэпитаксиальная структура для полевых транзисторов (см. описание к патенту США №5621228 на изобретение, МПК: Н01L 31/0328), содержащая подложку, на которой выполнены слои, - расположенный на подложке сначала буферный слой, а затем канальный слой нелегированного полупроводника, на котором сформированы: слой полупроводника, являющийся источником электронов, содержащий, по крайней мере, один слой n-типа проводимости, слой нелегированного полупроводника с барьером Шоттки и верхний, наиболее удаленный от подложки, слой.
12
-2
18
-3
18
-3
18
-3
В структуре использована полуизолирующая подложка InP. Расположенный на подложке буферный слой выполнен из нелегированного InAlAs толщиной 200 нм. Канальный нелегированный слой полупроводника выполнен из InGaAs толщиной 40 нм. Слой полупроводника, являющийся источником электронов, содержащий, по крайней мере, один слой n-типа проводимости, выполнен в составе системы слоев: расположенного на канальном нелегированном слое полупроводника слоя нелегированного полупроводника InAlAs толщиной 3 нм, являющегося спейсером, прослойки, легированной Si со слоевой концентрацией 5×10 см, и слоя InAlAs n-типа проводимости с концентрацией донорной примеси 2×10 см толщиной 15 нм. Нелегированный слой полупроводника с барьером Шоттки выполнен из InAlAs толщиной 20 нм. Верхний, наиболее удаленный от подложки, слой выполнен в составе системы слоев: расположенного на слое полупроводника с барьером Шоттки слоя InAlAs n-типа проводимости с концентрацией примеси 5×10 см толщиной 20 нм, на котором расположены сначала слой нелегированного InGaAs толщиной 5 нм, а затем слой InGaAs n-типа проводимости с концентрацией примеси 5×10 см.
В описанной гетероэпитаксиальной структуре подвижность носителей заряда при комнатной температуре низка, что находит отражение в отсутствии эффективного решения технической проблемы - повышения проводимости канала.
Известна гетероэпитаксиальная структура для полевых транзисторов (см. описание к патенту РФ №80069 на полезную модель, МПК H01L 29/00), содержащая подложку, на которой выполнены слои, в составе которых сформирован канальный слой нелегированного узкозонного полупроводника, с обеих сторон которого и от которого в направлениях к подложке и от подложки, расположен сначала слой нелегированного широкозонного полупроводника, затем слой легированного широкозонного полупроводника донорной или акцепторной примесью, причем в каждом из слоев нелегированного широкозонного полупроводника, сформированы прослойки, легированные иным типом примеси, чем тип примеси в слое легированного широкозонного полупроводника.
В структуре на подложке расположен сначала буферный слой, а затем между буферным слоем и канальным слоем нелегированного узкозонного полупроводника выполнены слой нелегированного широкозонного полупроводника со сформированной в нем прослойкой, слой широкозонного полупроводника, легированный донорной или акцепторной примесью.
В структуре слой широкозонного полупроводника, легированный донорной или акцепторной примесью, который наиболее удален от подложки, легирован однородно по объему, а слой легированного широкозонного полупроводника донорной или акцепторной примесью, который наименее удален от подложки, и сформированные прослойки, легированные иным типом примеси, чем тип примеси в слое легированного широкозонного полупроводника, легированы модулированно.
В структуре между слоем легированного широкозонного полупроводника донорной или акцепторной примесью, который наиболее удален от подложки и легирован однородно по объему, и ближайшим слоем нелегированного широкозонного полупроводника, сформирован модулированно легированный слой, причем легированный той же самой примесью, которой легирован однородно по объему слой широкозонного полупроводника, наиболее удаленный от подложки.
В структуре модулированное легирование выполнено в форме δ-легирования.
В структуре толщины слоев и уровни их легирования выбраны с возможностью равенства величины скачка энергии дна зоны проводимости на гетерогранице широкозонного полупроводника и узкозонного полупроводника от 0,8 до 1,2Eg, где Eg - ширина запрещенной зоны узкозонного полупроводника, без превышения величины ширины запрещенной зоны широкозонного полупроводника.
Приведенной транзисторной гетероэпитаксиальной структурой не решена техническая проблема, связанная с эффективным повышением проводимости канала.
12
-2
12
-2
2
-1
-1
12
-2
12
-2
2
-1
-1
2
-1
-1
Описанная гетероструктура относится к типу структур, получивших название «гетероструктуры с донорно-акцепторным легированием». Они позволяют получить концентрацию носителей заряда двумерного газа - двумерного электронного газа (ДЭГ) до (4÷5)×10 см без появления паразитной параллельной проводимости по донорным слоям. Подавление параллельной проводимости обусловлено дополнительными потенциальными барьерами, полученными за счет сформированных в них акцепторных слоев. Недостатком известной структуры является то, что для обеспечения требуемой высоты дополнительных потенциальных барьеров от 0,8 до 1,2Eg, где Eg - ширина запрещенной зоны узкозонного полупроводника, концентрация атомов примеси в слоях с модулированным легированием в форме дельталегирования должна быть увеличена до (6÷8)×10 см, что приводит к снижению подвижности носителей заряда до величины 4500 смВс при комнатной температуре за счет увеличения рассеяния на ионизированных донорах (см. D.V. Gulyaev, К.S. Zhuravlev, А.К. Bakarov, A.I. Toropov, D. Yu. Protasov, А.К. Gutakovskii, В. Ya. Ber and D. Yu. Kazantsev, «Influence of the additional p+-doped layers on the properties of AlGaAs/InGaAs/AlGaAs heterostructures for high power SHF transistors», J. Phys. D:Appl. Phys., V. 49, 095108 (9pp), (2016)). Поэтому, несмотря на увеличение концентрации двумерного электронного газа (ДЭГ) в структурах с донорно-акцепторным легированием практически вдвое (с 2×10 см до 4×10 см) проводимость канала транзисторной гетероструктуры возрастает слабо из-за уменьшения подвижности ДЭГ от 7000 смВс до указанной выше величины 4500 смВс.
Известна гетероэпитаксиальная структура для полевых транзисторов (D.V. Gulyaev, К.S. Zhuravlev, А.К. Bakarov, A. I. Toropov, D. Yu. Protasov, А. К. Gutakovskii, В. Ya. Ber and D. Yu. Kazantsev, «Influence of the additional p+-doped layers on the properties of AlGaAs/InGaAs/AlGaAs heterostructures for high power SHF transistors», J. Phys. D:Appl. Phys., V. 49, 095108 (9pp), (2016)), выбранная в качестве ближайшего аналога, содержащая подложку, на которой выполнены слои, в составе которых сформирован канальный слой нелегированного узкозонного полупроводника, с обеих сторон которого и от которого в направлениях к подложке и от подложки, расположены сначала слой нелегированного широкозонного полупроводника, затем примыкающий к нему слой легированного широкозонного полупроводника, сформированный как дельта-слой в матрице полупроводника δ-легированием, примыкающий к последнему слой широкозонного полупроводника в составе двух нелегированных слоев, между которыми расположен легированный слой, причем легированный примесью, обеспечивающей иной тип проводимости по сравнению с проводимостью слоя легированного широкозонного полупроводника, сформированного как дельта-слой в матрице полупроводника δ-легированием.
Кроме того, между подложкой и выполненным в направлении к подложке слоем широкозонного полупроводника в составе двух нелегированных слоев, между которыми расположен легированный слой, со стороны подложки выполнен буферный слой, а со стороны слоя широкозонного полупроводника - сверхрешетка.
Кроме того, со стороны выполненного в направлении от подложки слоя широкозонного полупроводника в составе двух нелегированных слоев, между которыми расположен легированный слой, выполнены два дополнительных слоя нелегированного широкозонного полупроводника и один дополнительный слой легированного широкозонного полупроводника.
В структуре в качестве подложки использована полуизолирующая подложка GaAs, которая снабжена буферным слоем из нелегированного GaAs толщиной около 400 нм. Сверхрешетка выполнена в составе пар слоев AlGaAs/GaAs, соответственно, с толщиной 5 нм/6 нм.
у
1-у
В структуре канальный слой нелегированного узкозонного полупроводника выполнен из InGaAs с у=0,165 толщиной 12 нм.
x
1-x
x
1-x
Выполненный в направлении от подложки слой нелегированного широкозонного полупроводника между канальным слоем нелегированного узкозонного полупроводника и слоем легированного широкозонного полупроводника, сформированным как дельта-слой в матрице полупроводника δ-легированием, выполнен в составе ближайшего по отношению к канальному слою узкозонного полупроводника слоя GaAs толщиной 1,5 нм, являющегося сглаживающим слоем, и слоя AlGaAs с х=0,25 толщиной 3 нм, являющегося спейсером. Выполненный в направлении к подложке слой нелегированного широкозонного полупроводника между канальным слоем нелегированного узкозонного полупроводника и слоем легированного широкозонного полупроводника выполнен в составе ближайшего по отношению к канальному слою узкозонного полупроводника слоя GaAs толщиной 3 нм, являющегося сглаживающим слоем, и слоя AlGaAs с х=0,25 толщиной 3 нм, являющегося спейсером.
12
-2
12
-2
Примыкающий к слою нелегированного широкозонного полупроводника слой легированного широкозонного полупроводника, выполненный в направлении от подложки, сформированный как дельта-слой в матрице полупроводника δ-легированием, сформирован толщиной 3 нм в GaAs-матрице с осуществлением легирования донорной примесью Si со слоевой концентрацией 7,25×10 см. Примыкающий к слою нелегированного широкозонного полупроводника слой легированного широкозонного полупроводника, выполненный в направлении к подложке, сформированный как дельта-слой в матрице полупроводника δ-легированием, сформирован в GaAs-матрице с осуществлением легирования донорной примесью Si со слоевой концентрацией 8×10 см.
x
1-x
x
1-x
x
1-x
+
18
-3
Выполненный в направлении от подложки слой широкозонного полупроводника в составе двух нелегированных слоев, между которыми расположен легированный слой, причем легированный примесью, обеспечивающей иной тип проводимости по сравнению с проводимостью слоя легированного широкозонного проводника, сформированного как дельта-слой в матрице полупроводника δ-легированием, выполнен в составе слоев, являющихся барьерными слоями: слоя AlGaAs с х=0,25 толщиной 7 нм, примыкающего к легированному слою широкозонного полупроводника; слоя AlGaAs с х=0,25 толщиной 6 нм; расположенного между ними слоя р- AlGaAs с х=0,25 толщиной 8 нм, легированного акцепторной примесью Be с уровнем 5×10 см.
x
1-x
x
1-x
x
1-x
+
18
-3
Выполненный в направлении к подложке слой широкозонного полупроводника в составе двух нелегированных слоев, между которыми расположен легированный слой, причем легированный примесью, обеспечивающей иной тип проводимости по сравнению с проводимостью слоя легированного широкозонного проводника, сформированного как дельта-слой в матрице полупроводника δ-легированием, выполнен в составе слоев, являющихся барьерными слоями: слоя AlGaAs с х=0,25 толщиной 5 нм, примыкающего к легированному слою широкозонного полупроводника; слоя AlGaAs с х=0,25 толщиной 100 нм; расположенного между ними слоя р- AlGaAs с х=0,25 толщиной 15 нм, легированного акцепторной примесью Be с уровнем 4×10 см.
x
1-x
+
18
-3
Со стороны выполненного в направлении от подложки слоя широкозонного полупроводника в составе двух нелегированных слоев, между которыми расположен легированный слой, выполнены два дополнительных слоя нелегированного широкозонного полупроводника - сначала слой, являющийся стоп-слоем, из AlGaAs с х, равным 0,86-0,9, толщиной 3 нм, затем слой, являющийся барьерным слоем, из GaAs толщиной 27 нм - и один слой легированного широкозонного полупроводника, являющийся контактным слоем, из n GaAs, легированного донорной примесью с уровнем 4×10 см, толщиной 52 нм.
Приведенной гетероэпитаксиальной структурой, выбранной в качестве ближайшего аналога, не решена техническая проблема, связанная с эффективным повышением проводимости канала.
+
x
1-x
В отношении приведенной гетероэпитаксиальной структуры были проведены исследования структурных, транспортных и оптических свойств. Было установлено, что использование барьерных слоев р- AlGaAs позволять значительно увеличить концентрацию двумерного газа носителей заряда канального слоя (в частности, двумерного электронного газа - ДЭГ), избежать появления паразитной параллельной проводимости по слоям AlGaAs. Однако, с другой стороны, было выявлено отсутствие существенного увеличения подвижности ДЭГ. Причина - увеличение рессеивания носителей заряда ионами кремния при повышении уровня легирования в дельта-слоях, что предпринимается с целью обеспечения необходимой для практического использования структуры концентрации ДЭГ.
Предлагаемой гетероэпитаксиальной структурой для полевых транзисторов обеспечивается более эффективное решение существующей технической проблемы - повышения проводимости канала транзисторной гетероэпитаксиальной структуры за счет достигаемого технического результата.
12
-2
Техническим результатом является повышение подвижности в двумерном газе носителей заряда, в отсутствии падения концентрации, при сохранении концентрации носителей заряда двумерного газа на уровне 4×10 см.
Технический результат достигается гетероэпитаксиальной структурой для полевых транзисторов, содержащей подложку, на которой выполнены слои, в составе которых сформирован канальный слой нелегированного узкозонного полупроводника, с обеих сторон которого и от которого в направлениях к подложке и от подложки, расположены сначала слой нелегированного широкозонного полупроводника, затем слой легированного широкозонного полупроводника, сформированный как дельта-слой в матрице полупроводника δ-легированием, после которого расположен слой широкозонного полупроводника в составе двух нелегированных слоев, между которыми расположен легированный слой, причем легированный примесью, обеспечивающей иной тип проводимости по сравнению с проводимостью слоя легированного широкозонного проводника, сформированного как дельта-слой в матрице полупроводника δ-легированием, причем в составе слоев с обеих сторон канального слоя в направлениях к подложке и от подложки выполнен парный слой легированного широкозонного полупроводника, сформированный как дельта-слой в матрице полупроводника δ-легированием, и расположенный между парами слоев легированного широкозонного полупроводника, сформированных как дельта-слои в матрице полупроводника δ-легированием, разделяющий барьерный слой нелегированного широкозонного полупроводника, при этом в одной паре дельта-слой, наименее удаленный от канального слоя, выполненный в направлении к подложке, легирован со слоевой концентрацией примеси, равной половиной величине концентрации двумерного газа носителей заряда, образующегося при переходе в канальный слой носителей заряда с примеси дельта-слоя, а дельта-слой, наиболее удаленный от канального слоя, выполненный в направлении к подложке, легирован со слоевой концентрацией примеси, равной по величине произведению величин толщины и концентрации примеси расположенного между двух нелегированных слоев легированного слоя примесью, обеспечивающей иной тип проводимости по сравнению с проводимостью слоя легированного широкозонного проводника, сформированного как дельта-слой в матрице полупроводника δ-легированием, которые сформированы в составе слоя широкозонного полупроводника, расположенного в направлении к подложке, в другой паре дельта-слой, наименее удаленный от канального слоя, выполненный в направлении от подложки, легирован со слоевой концентрацией примеси, равной половиной величине концентрации двумерного газа носителей заряда, образующегося при переходе в канальный слой носителей заряда с примеси дельта-слоя, а дельта-слой, наиболее удаленный от канального слоя, выполненный в направлении от подложки, легирован со слоевой концентрацией примеси, равной по величине произведению величин толщины и концентрации примеси расположенного между двух нелегированных слоев легированного слоя примесью, обеспечивающей иной тип проводимости по сравнению с проводимостью слоя легированного широкозонного проводника, сформированного как дельта-слой в матрице полупроводника δ-легированием, которые сформированы в составе слоя широкозонного полупроводника, расположенного в направлении от подложки.
В структуре в качестве подложки использована полуизолирующая подложка GaAs.
В структуре между подложкой и выполненным в направлении к подложке, наименее удаленным от подложки, слоем широкозонного полупроводника в составе двух нелегированных слоев, между которыми расположен легированный слой, со стороны подложки выполнен буферный слой, а со стороны слоя широкозонного полупроводника - сверхрешетка.
В структуре буферный слой выполнен из нелегированного GaAs толщиной около 400 нм, а сверхрешетка выполнена в составе двенадцати пар слоев AlGaAs/GaAs, соответственно, с толщиной около 6 нм/5 нм.
у
1-у
В структуре канальный слой нелегированного узкозонного полупроводника выполнен из InGaAs с у=0,165 толщиной около 14 нм.
у
1-у
В структуре в отношении каждой из сторон канального слоя нелегированного узкозонного полупроводника из InGaAs с у=0,165, наиболее удаленной и наименее удаленной от подложки, сформирована примыкающая содержащая полтора периода сверхрешетка - широкозонный полупроводник/узкозонный полупроводник.
В структуре примыкающая содержащая полтора периода сверхрешетка - широкозонный полупроводник/узкозонный полупроводник - выполнена в составе слоев AlAs/GaAs/AlAs, соответственно, толщиной около 0,8 нм/1,5 нм/0,8 нм.
x
1-x
x
1-x
В структуре слой нелегированного широкозонного полупроводника, расположенный по направлению к подложке, наименее удаленный от подложки, сформирован в составе ближайшего к канальному слою нелегированного узкозонного полупроводника сглаживающего слоя GaAs толщиной около 3 нм и примыкающего к сглаживающему слою спейсера - слоя AlGaAs с х=0,25 толщиной около 3 нм, а слой нелегированного широкозонного полупроводника, расположенный по направлению от подложки, наиболее удаленный от подложки, сформирован в составе ближайшего к канальному слою нелегированного узкозонного полупроводника сглаживающего слоя GaAs толщиной около 1,5 нм и примыкающего к сглаживающему слою спейсера - слоя AlGaAs c х=0,25 толщиной около 3 нм.
x
1-x
x
1-x
В структуре разделяющий барьерный слой нелегированного широкозонного полупроводника, выполненный в направлении к подложке, наименее удаленный от подложки, сформирован из AlGaAs с х=0,25 толщиной около 2 нм, разделяющий барьерный слой нелегированного широкозонного полупроводника, выполненный в направлении от подложки, наиболее удаленный от подложки, сформирован из AlGaAs c х=0,25 толщиной около 7 нм.
12
-2
В структуре дельта-слой, наименее удаленный от канального слоя, выполненный в направлении к подложке, который легирован со слоевой концентрацией примеси, равной половиной величине концентрации двумерного газа носителей заряда, образующегося при переходе в канальный слой носителей заряда с примеси дельта-слоя, сформирован в матрице GaAs, между стенками матрицы из нелегированного GaAs толщиной около 0,5 нм, δ-легированием донорной примесью Si со слоевой концентрацией 2×10 см.
12
-2
В структуре дельта-слой, наиболее удаленный от канального слоя, выполненный в направлении к подложке, который легирован со слоевой концентрацией примеси, равной по величине произведению величин толщины и концентрации примеси расположенного между двух нелегированных слоев легированного слоя примесью, обеспечивающей иной тип проводимости по сравнению с проводимостью слоя легированного широкозонного проводника, сформированного как дельта-слой в матрице полупроводника δ-легированием, которые сформированы в составе слоя широкозонного полупроводника, расположенного в направлении к подложке, сформирован в матрице GaAs, между стенками матрицы из нелегированного GaAs толщиной около 0,5 нм, δ-легированием донорной примесью Si со слоевой концентрацией 6×10 см.
12
-2
В структуре дельта-слой, наименее удаленный от канального слоя, выполненный в направлении от подложки, который легирован со слоевой концентрацией примеси, равной половиной величине концентрации двумерного газа носителей заряда, образующегося при переходе в канальный слой носителей заряда с примеси дельта-слоя, сформирован в матрице GaAs, между стенками матрицы из нелегированного GaAs толщиной около 0,5 нм, δ-легированием донорной примесью Si со слоевой концентрацией 2×10 см.
12
-2
В структуре дельта-слой, наиболее удаленный от канального слоя, выполненный в направлении от подложки, который легирован со слоевой концентрацией примеси, равной по величине произведению величин толщины и концентрации примеси расположенного между двух нелегированных слоев легированного слоя примесью, обеспечивающей иной тип проводимости по сравнению с проводимостью слоя легированного широкозонного проводника, сформированного как дельта-слой в матрице полупроводника δ-легированием, которые сформированы в составе слоя широкозонного полупроводника, расположенного в направлении от подложки, сформирован в матрице GaAs, между стенками матрицы из нелегированного GaAs толщиной около 0,5 нм, δ-легированием донорной примесью Si со слоевой концентрацией 4×10 см.
В структуре в отношении каждой из сторон дельта-слоя, наиболее удаленной и наименее удаленной от канального слоя, сформирована примыкающая содержащая полтора периода сверхрешетка - широкозонный полупроводник/узкозонный полупроводник.
В структуре примыкающая содержащая полтора периода сверхрешетка - широкозонный полупроводник/узкозонный полупроводник - выполнена в составе слоев AlAs/GaAs/AlAs, соответственно, толщиной около 0,8 нм/1,5 нм/0,8 нм.
x
1-x
x
1-x
x
1-x
x
1-x
+
18
-3
+
18
-3
В структуре слой широкозонного полупроводника в составе двух нелегированных слоев, между которыми расположен легированный слой, причем легированный примесью, обеспечивающей иной тип проводимости по сравнению с проводимостью слоя легированного широкозонного проводника, сформированного как дельта-слой в матрице полупроводника δ-легированием, расположенный по направлению к подложке, наименее удаленный от подложки, сформирован функционально как барьер из барьерных нелегированных слоев AlGaAs с х=0,25 с наименее удаленным от подложки слоем толщиной около 100 нм и с наиболее удаленным от подложки слоем толщиной около 5 нм, между которыми расположен слой р - AlGaAs с х=0,25, легированный акцепторной примесью Be с концентрацией 4×10 см, толщиной около 15 нм, являющийся потенциальным барьером, а слой широкозонного полупроводника в составе двух нелегированных слоев, между которыми расположен легированный слой, причем легированный примесью, обеспечивающей иной тип проводимости по сравнению с проводимостью слоя легированного широкозонного проводника, сформированного как дельта-слой в матрице полупроводника δ-легированием, расположенный по направлению от подложки, наиболее удаленный от подложки, сформирован функционально как барьер из барьерных нелегированных слоев AlGaAs с х=0,25 с наименее удаленным от подложки слоем толщиной около 7 нм и с наиболее удаленным от подложки слоем толщиной около 6 нм, между которыми расположен слой р - AlGaAs с х=0,25, легированный акцепторной примесью Be с концентрацией 5×10 см, толщиной около 8 нм, являющийся потенциальным барьером.
x
1-x
+
18
-3
В структуре на поверхности, наиболее удаленной от подложки, выполненного в направлении от подложки слоя широкозонного полупроводника в составе двух нелегированных слоев, между которыми расположен легированный слой, сформированы два дополнительных слоя нелегированного широкозонного полупроводника - сначала слой, являющийся стоп-слоем, из AlGaAs с х, равным 0,86-0,9, толщиной около 3 нм, затем слой, являющийся дополнительным барьерным слоем, из GaAs толщиной около 27 нм - и один дополнительный слой легированного широкозонного полупроводника, являющийся контактным слоем, из n GaAs, легированного донорной примесью с уровнем 4×10 см, толщиной около 52 нм.
Сущность технического решения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми чертежами.
На Фиг. 1 схематически представлена гетероэпитаксиальная структура AlGaAs/InGaAs/AlGaAs с канальным слоем нелегированного узкозонного полупроводника, с обеих сторон которого и от которого в направлениях к подложке и от подложки, расположены слои широкозонного полупроводника (ШП), где: 1 - подложка; 2 - канальный слой; 3 и 4 - слой нелегированного ШП; 5, 6, 7, 8 - слой легированного ШП, сформированный как дельта-слой в матрице полупроводника δ-легированием; 9 и 10 - слой ШП в составе двух нелегированных слоев, между которыми расположен легированный слой; 11 и 12 - сглаживающий слой; 13 и 14 - спейсер; 15 и 16 - стенка матрицы; 17 и 18 - дельта-слой; 19 и 20 - стенка матрицы; 21 и 22 - разделяющий барьерный слой; 23 и 24 - стенка матрицы; 25 и 26 - дельта-слой; 27 и 28 - стенка матрицы; 29 и 30 - барьерный слой; 31 и 32 - потенциальный барьер; 33 и 34 - барьерный слой; 35 - сверхрешетка; 36 - стоп-слой; 37 - буферный слой; 38 - контактный слой.
На Фиг. 2 представлена иллюстрация влияния выполнения парных разделенных модулированно легированных в форме дельта-легирования слоев (дельта-слоев) на подвижность двумерного электронного газа (ДЭГ), выражающееся в устранении ограничения рассеяния на ионизированных донорах, в зависимости от размера дельта-слоя.
На Фиг. 3 показано относительное изменение магнитосопротивления в тестовых гетероэпитаксиальных структурах AlGaAs/InGaAs/AlGaAs: А - с выполнением слоя широкозонного полупроводника в составе двух нелегированных слоев, являющихся барьерными слоями, без расположенного между ними слоя, легированного акцепторной примесью, являющегося потенциальным барьером; В - с выполнением слоя широкозонного полупроводника в составе двух нелегированных слоев, являющихся барьерными слоями, между которыми расположен слой, легированный акцепторной примесью, являющийся потенциальным барьером; С - с выполнением слоя широкозонного полупроводника в составе двух нелегированных слоев, являющихся барьерными слоями, между которым выполнен слой, легированный акцепторной примесью, являющийся потенциальным барьером, а также с выполнением разделяющего барьерного слоя с разделением им на 2 нм пар дельта-слоев.
На Фиг. 4 приведена Таблица концентрации и подвижности ДЭГ при температурах 300 К и 77 К в тестовых гетероэпитаксиальных структурах AlGaAs/InGaAs/AlGaAs: с выполнением слоя широкозонного полупроводника (ШП) в составе двух нелегированных слоев - барьерных слоев, без расположенного между ними слоя, легированного акцепторной примесью, являющегося потенциальным барьером; с выполнением слоя широкозонного полупроводника (ШП) в составе двух нелегированных слоев - барьерных слоев, между которыми расположен слой, легированный акцепторной примесью, - потенциальный барьер; с выполнением слоя широкозонного полупроводника (ШП) в составе двух нелегированных слоев, между которым выполнен слой, легированного акцепторной примесью, а также с выполнением разделяющего барьерного слоя с разделением им на 2 нм пар дельта-слоев.
Достижение указанного технического результата в целях решения указанной технической проблемы обеспечивается следующим образом.
В гетероэпитаксиальной структуре для полевых транзисторов, содержащей выполненную на подложке 1 последовательность слоев, в которой с обеих сторон канального слоя 2 нелегированного узкозонного полупроводника, от него в направлениях к подложке 1 и от подложки 1, расположены сначала слой 3 (в направлении к подложке 1) и 4 (в направлении от подложки 1) нелегированного широкозонного полупроводника, затем слой 5 (в направлении к подложке 1) и 6 (в направлении от подложки 1), слой 7 (в направлении к подложке 1) и 8 (в направлении от подложки 1) легированного широкозонного полупроводника, сформированный как дельта-слой в матрице полупроводника δ-легированием, далее - слой 9 (в направлении к подложке 1) и 10 (в направлении от подложки 1) широкозонного полупроводника в составе двух нелегированных слоев (барьерных слоев), между которыми расположен легированный слой (потенциальный барьер) (см. Фиг. 1). Последний легирован примесью, обеспечивающей иной тип проводимости по сравнению с проводимостью слоя 5 и 6 легированного широкозонного проводника, сформированного как дельта-слой в матрице полупроводника δ-легированием. Кроме того, в структуре выполнен разделяющий барьерный слой 21 (в направлении к подложке 1) и 22 (в направлении от подложки 1) нелегированного широкозонного полупроводника, посредством которых, соответственно, дельта-слои 17 и 25 пары, наименее удаленной от подложки 1, соответственно, слоев 5 и 7 легированного широкозонного полупроводника, сформированных как дельта-слои в матрице полупроводника δ-легированием, и дельта-слои 18 и 26 пары, наиболее удаленной от подложки 1, соответственно, слоев 6 и 8 легированного широкозонного полупроводника, сформированных как дельта-слои в матрице полупроводника δ-легированием, сформированы с разделением друг относительно друга. Парные дельта-слои 17 и 25 разделены друг относительно друга разделяющим барьерным слоем 21, парные дельта-слои 18 и 26 разделены друг относительно друга разделяющим барьерным слоем 22.
В результате, в структуре вместо двух дельта-слоев, как выполнено в приведенном ближайшем аналоге, имеется четыре дельта-слоя, два из них наиболее удалены от канального слоя, а два слоя наименее удалены от канального слоя, причем в отношении каждой пары, состоящей из наименее и наиболее удаленного дельта-слоя от канального слоя, имеется разделяющий дельта-слои барьерный слой.
Дельта-слои 17, 18, 25, 26 легированы следующим образом.
Дельта-слой 17, наименее удаленный от канального слоя 2, выполненный в направлении к подложке 1, легирован со слоевой концентрацией примеси, равной половиной величине концентрации двумерного газа носителей заряда, образующегося при переходе в канальный слой носителей заряда с примеси дельта-слоя 17.
Дельта-слой 25, наиболее удаленный от канального слоя 2, выполненный в направлении к подложке 1, легирован со слоевой концентрацией примеси, равной по величине произведению величин толщины и концентрации примеси расположенного между двух нелегированных слоев (барьерных слоев 29 и 33) легированного слоя (потенциального барьера 31) примесью, обеспечивающей иной тип проводимости по сравнению с проводимостью слоя 7 легированного широкозонного проводника, сформированного как дельта-слой в матрице полупроводника δ-легированием, которые сформированы в составе слоя 9 широкозонного полупроводника, расположенного в направлении к подложке 1.
Дельта-слой 18, наименее удаленный от канального слоя 2, выполненный в направлении от подложки 1, легирован со слоевой концентрацией примеси, равной половиной величине концентрации двумерного газа носителей заряда, образующегося при переходе в канальный слой 2 носителей заряда с примеси дельта-слоя 18.
Дельта-слой 26, наиболее удаленный от канального слоя 2, выполненный в направлении от подложки 1, легирован со слоевой концентрацией примеси, равной по величине произведению величин толщины и концентрации примеси расположенного между двух нелегированных слоев (барьерных слоев 30 и 34) легированного слоя (потенциального барьера 32) примесью, обеспечивающей иной тип проводимости по сравнению с проводимостью слоя 8 легированного широкозонного проводника, сформированного как дельта-слой в матрице полупроводника δ-легированием, которые сформированы в составе слоя 10 широкозонного полупроводника, расположенного в направлении от подложки 1.
В результате выполнения дополнительных слоев, использования приведенной архитектуры расположения слоев и указанной концентрации легирующей примеси в дельта-слоях происходит следующее. Большая часть атомов примеси при разделении пар дельта-слоев разделяющим барьерным слоем оказывается удаленной на некоторое расстояние от канального слоя. Носители заряда (в частности, электроны) с атомов примеси наиболее удаленных от канального слоя 2 дельта-слоев 25 и 26 переходят в слои (потенциальные барьеры 33 и 34) широкозонного полупроводника, легированные иным, чем дельта-слои, типом примеси. Это приводит к образованию дополнительных потенциальных барьеров. Носители заряда (в частности, электроны) с атомов примеси в ближних к канальному слою 2 дельта-слоев 17 и 18 переходят в канальный слой 2 гетероструктуры, формируя тем самым двумерный газ носителей заряда (в частности, двумерный электронный газ). Разделение посредством разделяющего барьерного слоя 21, 22, соответственно, в парах дельта-слоев 17 и 25, 18 и 26, приводит к увеличению эффективной толщины, соответственно, спейсера 13 и 14 в составе, соответственно, слоя 3 и 4 нелегированного широкозонного полупроводника (выполняющего функции сглаживающего слоя и спейсера), и, следовательно, к улучшению подвижности носителей заряда двумерного газа в канальном слое 2, препятствуя рассеянию носителей заряда на ионизированной примеси. При этом концентрация носителей заряда в двумерном газе не уменьшается, так как она определяется положением ближних к канальному слою 2 гетероструктуры дельта-слоев 17 и 18, каждый из которых принадлежит своей паре дельта-слоев - наименее удаленной от подложки 1 и наиболее удаленной от подложки 1, и концентрацией ионизированных атомов примеси в них. В то же время, легирование дельта-слоев 17 и 18 осуществляют с уровнем, который меньше, чем в неразделенных одинарных дельта-слоях структуры, выбранной в качестве ближайшего аналога, причем уровень легирования обоих ближайших к канальному слою 2 дельта-слоев 17 и 18 выбирают с учетом получения от них требуемой концентрации носителей заряда двумерного газа в канальном слое 2. Тем самым также устраняется влияние вклада рассеяния носителей заряда на ионизированной легирующей примеси в подвижность и достигается требуемое значение концентрации носителей заряда в канальном слое 2. В совокупности приведенные факторы расположения парных дельта-слоев и легирования их обеспечивают улучшение подвижности носителей заряда двумерного газа в канальном слое 2.
+
Проведена оценка влияния разделения с формированием пар дельта-слоев на подвижность носителей заряда двумерного газа для конкретных структур с донорно-акцепторным легированием, в частности, с легированием дельта-слоев 17, 18, 25, 26 донорной примесью Si, и, как следствие, формированием в канальном слое 2 двумерного электронного газа (ДЭГ), с выполнением слоя 9 и 10 широкозонного полупроводника в составе двух нелегированных слоев (соответственно, барьерных слоев 29 и 33 и барьерных слоев 30 и 34), между которыми расположен легированный слой (соответственно, потенциальный барьер 31 и 32), причем легированный примесью, обеспечивающей иной тип проводимости по сравнению с проводимостью слоя 5 и 6 легированного широкозонного проводника, сформированного как дельта-слой в матрице полупроводника δ-легированием, с легированием промежуточного слоя (потенциальный барьер 31 и 32) акцепторной примесью Be. При этом выполнен теоретический расчет с использованием известной модели (см. D.V. Gulyaev, К.S. Zhuravlev, А.К. Bakarov, А.I. Toropov, D. Yu. Protasov, А.К. Gutakovskii, В. Ya. Ber and D. Yu. Kazantsev, «Influence of the additional p-doped layers on the properties of AlGaAs/InGaAs/AlGaAs heterostructures for high power SHF transistors», J. Phys. D:Appl. Phys., V. 49, 095108 (9pp), (2016)). Рассчитывалось влияние только рассеяния на ионизированных донорах всех дельта-слоев в приближении двух заполненных подзон размерного квантования, рассматривалось как внутриподзонное, так и межподзонное рассеяние. Профиль распределения атомов кремния в дельта-слоях при расчете принимался гауссовым, его дисперсия менялась от 0,25 нм до 4,0 нм. Рассчитанная зависимость подвижности ДЭГ от величины разделения дельта-слоев и величины дисперсии (близкой к полуширине профиля распределения атомов легирующей примеси на полувысоте) приведена на Фиг. 2.
2
-1
-1
2
-1
-1
Как видно из Фиг. 2, подвижность ДЭГ увеличивается от величины 11230 смBс, соответствующей отсутствию разделяющих барьерных слоев в структуре (нулевое разделение) до величины 16600 смВс, соответствующей наличию разделяющих барьерных слоев в структуре, в частности для двухнанометрового разделения, при дисперсии дельта-слоя 3,4 нм.
Кроме того, проведена экспериментальная проверка влияния разделения дельта-слоев на подвижность и концентрацию ДЭГ. В этих целях выращена серия гетероструктур AlGaAs/InGaAs/AlGaAs: с выполнением слоя 9 и 10 широкозонного полупроводника в составе лишь двух нелегированных слоев (соответственно, барьерных слоев 29, 33 и барьерных слоев 30, 34), с отсутствием между ними слоя, легированного акцепторной примесью (потенциального барьера 31 и 32); с выполнением слоя 9 и 10 широкозонного полупроводника в составе двух нелегированных слоев (соответственно, барьерных слоев 29, 33 и барьерных слоев 30, 34), между которыми выполнен слой, легированный акцепторной примесью (соответственно, потенциальный барьер 31 и 32); с выполнением слоя 9 и 10 широкозонного полупроводника в составе двух нелегированных слоев (соответственно, барьерных слоев 29, 33 и барьерных слоев 30, 34), между которыми выполнен слой, легированный акцепторной примесью (соответственно, потенциальный барьер 31 и 32), а также с выполнением разделяющих барьерных слоев 21 и 22 с разделением ими на 2 нм и формированием пар, соответственно, дельта-слоев 17 и 25 и дельта-слоев 18 и 26. В отношении двух последних тестовых структур для уменьшения ширины дельта-слоев, которая увеличивается при росте гетероструктур вследствие процесса диффузии при повышенной ростовой температуре и процесса сегрегации, когда атомы примеси перемещаются по направлению роста вместе с ростовой поверхностью, канальный слой 2 нелегированного узкозонного полупроводника - InGaAs снабжен с обеих сторон, со стороны, ориентированной к подложке 1, и со стороны, ориентированной от подложки 1, сверхрешеткой, содержащей слои AlAs/GaAs/AlAs, каждый из которых выполнен из двух монослоев (около 0,5 нм) соответствующего ему материала полупроводника.
Формирование в структуре разделенных дельта-слоев 17 и 25 и дельта-слоев 18 и 26 не обуславливает появления заметной паразитной проводимости по дельта-слоям, легированных донорной примесью. Отсутствие паразитной проводимости контролировалось путем измерения магнитополевых зависимостей магнитосопротивления на вышеприведенных тестовых структурах, в том числе с составом слоев, отраженным на Фиг. 1. Относительное изменение магнитосопротивления при увеличении магнитного поля (см. Фиг. 3) подтверждает отсутствие возникновения заметной паразитной проводимости.
12
-2
В вышеприведенных тестовых структурах концентрация ДЭГ превышает величину 10 см (см. Фиг. 4, Таблица). В связи с этим ДЭГ заведомо является вырожденным. Как известно (Е.В. Кучис, «Гальваномагнитные эффекты и методы их исследования», М.: Радио и связь, 1990. - 264 с.), для вырожденного электронного газа с одним типом носителей заряда магнитосопротивление отсутствует. Следовательно, в отношении тестовых структур со слоем 9 и 10 широкозонного полупроводника в составе лишь двух барьерных слоев, без акцепторного слоя между ними - потенциального барьера, для которых относительное изменение магнитопроводимости составляет более 12%, присутствует более одного типа носителей заряда, то есть существует параллельный канал проводимости. Для структур с акцепторными слоями - потенциальными барьерами 31 и 32 в составе слоя 9 и 10 широкозонного полупроводника проводимость такого канала пренебрежимо мала.
Значения концентрации и подвижности ДЭГ, определенные из магнитополевых зависимостей эффекта Холла и магнитосопротивления, приведены в таблице для всех вышеуказанных типов тестовых структур (см. Фиг. 4).
12
-2
2
-1
-1
11
-2
Канал параллельной проводимости, возникновение которого происходило в отношении тестовых структур AlGaAs/InGaAs/AlGaAs с выполнением слоя 9 и 10 широкозонного полупроводника в составе лишь двух нелегированных слоев (соответственно, барьерных слоев 29, 33 и барьерных слоев 30, 34), с отсутствием между ними слоя, легированного акцепторной примесью (потенциального барьера 31 и 32), имеет следующие параметры: концентрация 2×10 см и подвижность 1700 смВс. В тестовых структурах AlGaAs/InGaAs/AlGaAs с выполнением слоя 9 и 10 широкозонного полупроводника в составе двух нелегированных слоев (соответственно, барьерных слоев 29, 33 и барьерных слоев 30, 34), между которыми выполнен слой, легированного акцепторной примесью (соответственно, потенциальный барьер 31 и 32), то есть, с акцепторными слоями, но без парных дельта-слоев и разделяющих слоев, параллельная проводимость практически отсутствует: концентрация электронов в параллельном канале менее 1×10 см. Как видно из таблицы (Фиг. 4), подвижность ДЭГ для этих структур примерно вдвое меньше, чем для рассмотренных предыдущих структур. В случае же парных дельта-слоев и разделяющих их барьерных слоев в структурах AlGaAs/InGaAs/AlGaAs - с выполнением слоя 9 и 10 широкозонного полупроводника в составе двух нелегированных слоев (соответственно, барьерных слоев 29, 33 и барьерных слоев 30, 34), между которыми выполнен слой, легированного акцепторной примесью (соответственно, потенциальный барьер 31 и 32), а также с выполнением разделяющих барьерных слоев 21 и 22 и формированием пар, соответственно, дельта-слоев 17 и 25 и дельта-слоев 18 и 26 - подвижность практически достигает значений, характерных для гетероструктур с выполнением слоя 9 и 10 широкозонного полупроводника в составе лишь двух нелегированных слоев (соответственно, барьерных слоев 29, 33 и барьерных слоев 30, 34), с отсутствием между ними слоя, легированного акцепторной примесью (потенциального барьера 31 и 32), но при существенно большей концентрации носителей заряда, а следовательно, и проводимости (см. Фиг. 4, Таблица). Таким образом, и теоретические расчеты, и экспериментальные результаты показывают, что формирование пар дельта-слоев с разделением их барьерными слоями позволяет достигать высоких значений концентрации и подвижности в транзисторных гетероэпитаксиальных структурах.
Предлагаемая гетероэпитаксиальная структура для полевых транзисторов содержит (см. Фиг. 1): подложку 1, канальный слой 2 нелегированного узкозонного полупроводника, слой 3 и 4 нелегированного широкозонного полупроводника, слой 5, 6, 7, 8 легированного широкозонного полупроводника, сформированный как дельта-слой в матрице полупроводника δ-легированием, слой 9 и 10 широкозонного полупроводника в составе двух нелегированных слоев, между которыми расположен легированный слой, разделяющий барьерный слой 21 и 22 нелегированного широкозонного полупроводника.
Указанные слои выполнены на подложке 1 и расположены следующим образом.
С обеих сторон канального слоя 2 нелегированного узкозонного полупроводника, от канального слоя 2 нелегированного узкозонного полупроводника в направлениях к подложке 1 и от подложки 1, расположены сначала слой, соответственно, 3 и 4 нелегированного широкозонного полупроводника, затем слой, соответственно, 5 и 6 легированного широкозонного полупроводника, сформированный как дельта-слой в матрице полупроводника δ-легированием, затем разделяющий барьерный слой, соответственно, 21 и 22 нелегированного широкозонного полупроводника, затем слой, соответственно, 7 и 8 легированного широкозонного полупроводника, сформированный как дельта-слой в матрице полупроводника δ-легированием, после которого расположен слой, соответственно, 9 и 10 широкозонного полупроводника в составе двух нелегированных слоев, между которыми расположен легированный слой.
Легирование в структуре выполнено следующим образом.
В слое, соответственно, 9 и 10 широкозонного полупроводника в составе двух нелегированных слоев, между которыми расположен легированный слой, последний легирован примесью, обеспечивающей иной тип проводимости по сравнению с проводимостью слоя 5, 6, 7, 8 легированного широкозонного проводника, сформированного как дельта-слой в матрице полупроводника δ-легированием.
В одной паре дельта-слой 17, наименее удаленный от канального слоя 2, выполненный в направлении к подложке 1, легирован со слоевой концентрацией примеси, равной половиной величине концентрации двумерного газа носителей заряда, образующегося при переходе в канальный слой 2 носителей заряда с примеси дельта-слоя 17. В этой же паре дельта-слой 25, наиболее удаленный от канального слоя, выполненный в направлении к подложке 1, легирован со слоевой концентрацией примеси, равной по величине произведению величин толщины и концентрации примеси расположенного между двух нелегированных слоев (барьерных слоев 29 и 33) легированного слоя (потенциального барьера 31) примесью, обеспечивающей иной тип проводимости по сравнению с проводимостью слоя 7 легированного широкозонного проводника, сформированного как дельта-слой в матрице полупроводника δ-легированием, которые сформированы в составе слоя 9 широкозонного полупроводника, расположенного в направлении к подложке 1.
В другой паре дельта-слой 18, наименее удаленный от канального слоя 2, выполненный в направлении от подложки 1, легирован со слоевой концентрацией примеси, равной половиной величине концентрации двумерного газа носителей заряда, образующегося при переходе в канальный слой 2 носителей заряда с примеси дельта-слоя 18. В этой же паре дельта-слой 26, наиболее удаленный от канального слоя 2, выполненный в направлении от подложки 1, легирован со слоевой концентрацией примеси, равной по величине произведению величин толщины и концентрации примеси расположенного между двух нелегированных слоев (барьерных слоев 30 и 34) легированного слоя (потенциального барьера 32) примесью, обеспечивающей иной тип проводимости по сравнению с проводимостью слоя 8 легированного широкозонного проводника, сформированного как дельта-слой в матрице полупроводника δ-легированием, которые сформированы в составе слоя 10 широкозонного полупроводника, расположенного в направлении от подложки 1.
В предлагаемой гетероэпитаксиальной структуре для полевых транзисторов, охарактеризованной совокупностью признаков, необходимой и достаточной в целях достижения указанного технического результата, приведенные слои предназначены для выполнения следующих функций.
Канальный слой 2 нелегированного узкозонного полупроводника при изготовлении транзистора на основе данной структуры выполняет функцию канала. Каждый из слоев 3 и 4 нелегированного широкозонного полупроводника выполняет функцию сглаживающего слоя и спейсера. Слои 5 и 6 легированного широкозонного полупроводника, сформированные как дельта-слои в матрице полупроводника δ-легированием, являются поставщиками носителей заряда в канальный слой 2, при ионизации легирующей примеси носители заряда переходят в канальный слой 2. Слои 7 и 8 легированного широкозонного полупроводника, сформированные как дельта-слои в матрице полупроводника δ-легированием, являются поставщиками носителей заряда, соответственно, в слои 9 и 10 в составе двух нелегированных слоев, между которыми расположен легированный слой, при ионизации легирующей примеси носители заряда переходят в указанные слои. Наличие разделяющих барьерных слоев 21 и 22 задает порядок переходов носителей заряда с ионизированной примеси слоев легированного широкозонного полупроводника, сформированных как дельта-слои в матрице полупроводника δ-легированием.
Предлагаемая гетероэпитаксиальная структура для полевых транзисторов характеризуется следующими особенностями ее выполнения.
В качестве подложки 1 использована полуизолирующая подложка GaAs.
у
1-у
В структуре канальный слой 2 нелегированного узкозонного полупроводника выполнен, в частности, из InGaAs с у=0,165 толщиной около 14 нм. В отношении каждой из сторон канального слоя 2 нелегированного узкозонного полупроводника, наиболее удаленной и наименее удаленной от подложки 1, сформирована примыкающая содержащая полтора периода сверхрешетка - широкозонный полупроводник/узкозонный полупроводник (на Фиг. 1 не показана). Указанная полуторнопериодная сверхрешетка выполнена, в частности, в составе слоев AlAs/GaAs/AlAs, соответственно, толщиной около 0,8 нм/1,5 нм/0,8 нм. Предназначена для препятствованию увеличению ширины дельта-слоев, при росте гетероструктур вследствие процесса диффузии при повышенной ростовой температуре и процесса сегрегации, когда атомы примеси перемещаются по направлению роста вместе с ростовой поверхностью.
x
1-x
x
1-x
Слой 3 нелегированного широкозонного полупроводника, расположенный по направлению к подложке 1, наименее удаленный от подложки 1, сформирован в составе ближайшего к канальному слою 2 нелегированного узкозонного полупроводника сглаживающего слоя 11, в частности, GaAs толщиной около 3 нм и примыкающего к сглаживающему слою 11 спейсера 13 - в частности, слоя AlGaAs с х=0,25 толщиной около 3 нм. Слой 4 нелегированного широкозонного полупроводника, расположенный по направлению от подложки 1, наиболее удаленный от подложки 1, сформирован в составе ближайшего к канальному слою 2 нелегированного узкозонного полупроводника сглаживающего слоя 12, в частности, GaAs толщиной около 1,5 нм и примыкающего к сглаживающему слою 12 спейсера 14 - в частности, слоя AlGaAs с х=0,25 толщиной около 3 нм.
12
-2
12
-2
В структуре дельта-слой 17, наименее удаленный от канального слоя 2, выполненный в направлении к подложке 1, легированный со слоевой концентрацией примеси, равной половиной величине концентрации двумерного газа носителей заряда, образующегося при переходе в канальный слой 2 носителей заряда с примеси дельта-слоя 17, сформирован в матрице GaAs. Дельта-слой 17 сформирован между стенками матрицы 15 и 19 из нелегированного GaAs толщиной около 0,5 нм δ-легированием донорной примесью Si со слоевой концентрацией 2×10 см. В этой же паре дельта-слой 25, наиболее удаленный от канального слоя 2, выполненный в направлении к подложке 1, легированный со слоевой концентрацией примеси, равной по величине произведению величин толщины и концентрации примеси расположенного между двух нелегированных слоев легированного слоя примесью, обеспечивающей иной тип проводимости по сравнению с проводимостью слоя 7 легированного широкозонного проводника, сформированного как дельта-слой 25 в матрице полупроводника δ-легированием, которые сформированы в составе слоя 9 широкозонного полупроводника, расположенного в направлении к подложке 1, сформирован в матрице GaAs. Дельта-слой 25 сформирован между стенками матрицы 23 и 27 из нелегированного GaAs толщиной около 0,5 нм δ-легированием донорной примесью Si со слоевой концентрацией 6×10 см.
12
-2
12
-2
В другой паре дельта-слой 18, наименее удаленный от канального слоя 2, выполненный в направлении от подложки 1, легированный со слоевой концентрацией примеси, равной половиной величине концентрации двумерного газа носителей заряда, образующегося при переходе в канальный слой 2 носителей заряда с примеси дельта-слоя 18, сформирован в матрице GaAs. Дельта-слой 18 сформирован между стенками матрицы 16 и 20 из нелегированного GaAs толщиной около 0,5 нм δ-легированием донорной примесью Si со слоевой концентрацией 2×10 см. В этой же паре дельта-слой 26, наиболее удаленный от канального слоя 2, выполненный в направлении от подложки 1, легированный со слоевой концентрацией примеси, равной по величине произведению величин толщины и концентрации примеси расположенного между двух нелегированных слоев легированного слоя примесью, обеспечивающей иной тип проводимости по сравнению с проводимостью слоя 8 легированного широкозонного проводника, сформированного как дельта-слой 26 в матрице полупроводника δ-легированием, которые сформированы в составе слоя 10 широкозонного полупроводника, расположенного в направлении от подложки 1, сформирован в матрице GaAs. Дельта слой 26 сформирован между стенками матрицы 24 и 28 из нелегированного GaAs толщиной около 0,5 нм δ-легированием донорной примесью Si со слоевой концентрацией 4×10 см.
В отношении приведенных дельта-слоев 17 и 25, 18 и 26 в структуре выполнены дополнительные элементы, осуществляющие вспомогательные функции. В отношении каждой из сторон дельта-слоя 17 и 25, 18 и 26, наиболее удаленной и наименее удаленной от канального слоя 2, сформирована примыкающая содержащая полтора периода сверхрешетка - широкозонный полупроводник/узкозонный полупроводник (на Фиг. 1 не показана). Указанная сверхрешетка - широкозонный полупроводник/узкозонный полупроводник - выполнена, в частности, в составе слоев AlAs/GaAs/AlAs, соответственно, толщиной около 0,8 нм/1,5 нм/0,8 нм. Назначение данных дополнительных элементов - предотвращение изменения профиля легирования примесью, так называемого «расплывания» примесей из дельта-слоя, в результате процессов диффузии и сегрегации.
x
1-х
x
1-x
Разделяющий барьерный слой 21 нелегированного широкозонного полупроводника, выполненный в направлении к подложке 1, наименее удаленный от подложки 1, сформирован, в частности, из AlGaAs с х=0,25 толщиной около 2 нм. Разделяющий барьерный слой 22 нелегированного широкозонного полупроводника, выполненный в направлении от подложки 1, наиболее удаленный от подложки 1, сформирован, в частности, из AlGaAs с х=0,25 толщиной около 7 нм.
В отношении толщины разделяющего барьерного слоя 21 и 22 следует отметить, что его толщина должна быть как можно меньше. Заметный выигрыш в подвижности носителей заряда имеет место при толщине более 1 нм, а при толщине 2 нм разница в величинах подвижности в структуре, являющейся ближайшим аналогом, и в предлагаемой структуре существенна. При увеличении толщины свыше 2 нм подвижность носителей заряда двумерного газа еще более улучшается. Однако при этом возникает ограничение другого характера, обусловленное требованием к рабочей частоте транзистора. Структура будет менее пригодной при более толстых разделяющих барьерных слоях для изготовления транзисторов в связи с тем, что предельная частота (которая должна быть по возможности более высокой) работы транзистора обратно пропорциональна расстоянию от поверхности до канального слоя гетероструктуры.
x
1-x
x
1-x
x
1-x
x
1-x
+
18
-3
+
18
-3
Слой 9 широкозонного полупроводника в составе двух нелегированных слоев, между которыми расположен легированный слой, причем легированный примесью, обеспечивающей иной тип проводимости по сравнению с проводимостью слоя легированного широкозонного проводника, сформированного как дельта-слой в матрице полупроводника δ-легированием, расположенный по направлению к подложке 1, наименее удаленный от подложки 1, сформирован функционально как барьер. Слой 9 выполнен из барьерных нелегированных слоев - барьерных слоев 29 и 33, в частности, AlGaAs с x=0,25 с наименее удаленным от подложки 1 слоем 33 толщиной около 100 нм и с наиболее удаленным от подложки слоем 29 толщиной около 5 нм, между которыми расположен слой - потенциальный барьер 31, в частности, р- AlGaAs с х=0,25, легированный акцепторной примесью Be с концентрацией 4×10 см, толщиной около 15 нм. Другой слой 10 широкозонного полупроводника в составе двух нелегированных слоев, между которыми расположен легированный слой, причем легированный примесью, обеспечивающей иной тип проводимости по сравнению с проводимостью слоя легированного широкозонного проводника, сформированного как дельта-слой в матрице полупроводника δ-легированием, расположенный по направлению от подложки 1, наиболее удаленный от подложки 1, сформирован функционально как барьер. Слой 10 выполнен в составе барьерных нелегированных слоев - барьерных слоев 30 и 34, в частности, AlGaAs с х=0,25 с наименее удаленным от подложки слоем 30 толщиной около 7 нм и с наиболее удаленным от подложки слоем 34 толщиной около 6 нм, между которыми расположен слой - потенциальный барьер 32, в частности, р - AlGaAs с х=0,25, легированный акцепторной примесью Be с концентрацией 5×10 см, толщиной около 8 нм.
В структуре имеются также следующие вспомогательные конструктивные элементы.
Между подложкой 1 и выполненным в направлении к подложке 1, наименее удаленным от подложки 1, слоем 9 широкозонного полупроводника в составе двух нелегированных слоев, между которыми расположен легированный слой, со стороны подложки 1 выполнен буферный слой 37, а со стороны слоя 9 широкозонного полупроводника - сверхрешетка 35. Буферный слой 37 выполнен из нелегированного GaAs толщиной около 400 нм. Как правило, при выращивании гетероэпитаксиальных структур, первым слоем на подложке является буферный слой, необходимый в целях получения высокого структурного совершенства формируемых гетероэпитаксиальных структур. Сверхрешетка 35 выполнена в составе двенадцати пар слоев AlGaAs/GaAs, соответственно, с толщиной около 6 нм/5 нм. Сверхрешетка 35 предназначена, во-первых, для снижения плотности прорастающих дислокаций и, во-вторых, для уменьшения диффузии неконтролируемых атомов примеси из подложки 1 в выращиваемую эпитаксиально гетероструктуру. Таким образом, формирование сверхрешетки - дополнительная мера к выращиванию буферного слоя в целях получения высококачественных структур.
х
1-x
+
18
-3
В структуре на поверхности, наиболее удаленной от подложки 1, выполненного в направлении от подложки 1 слоя 10 широкозонного полупроводника в составе двух нелегированных слоев, между которыми расположен легированный слой, сформированы два дополнительных слоя нелегированного широкозонного полупроводника. Сначала сформирован слой, являющийся стоп-слоем 36. В частности, стоп-слой 36 выполнен из AlGaAs с х, равным 0,86-0,9, толщиной около 3 нм. Затем сформирован двухслойный слой, содержащий слой, являющийся дополнительным барьерным слоем (на Фиг. 1 не показан) и контактный слой 38. Дополнительный барьерный слой выполнен, в частности, из GaAs толщиной около 27 нм. На нем сформирован второй слой легированного широкозонного полупроводника, являющийся контактным слоем 38. Контактный слой 38 выполнен, в частности, из n GaAs, легированного донорной примесью с уровнем 4×10 см, толщиной около 52 нм. Приведенные слои необходимы при изготовлении транзистора. В частности, стоп-слой 36 предназначен для остановки травления контактного слоя 38 в области формирования управляющего затвора в виде барьера Шоттки.
Предлагаемая гетероэпитаксиальная структура для полевых транзисторов используется для изготовления pHEMT (pseudomorphic high electron mobility transistor), DpHEMT (double channel pseudomorphic high electron mobility transistor) транзисторов с высокой удельной выходной мощностью - СВЧ мощностью, в которых важно обеспечить максимальную проводимость канального слоя на участке насыщения выходных ВАХ. Предлагаемая структура оптимизирована в целях устранения механизма, ограничивающего мощность, базирующегося на поперечном пространственном переносе носителей заряда (электронов) из канального слоя 2 нелегированного узкозонного полупроводника InGaAs, который возникает в результате разогрева электронов при приложении электрического поля в продольном направлении. Перенос обеспечивает заполнение электронами слоев широкозонного полупроводника AlGaAs вблизи донорной примеси и снижает подвижность электронов, а глубина потенциальной ямы канального слоя 2, составляющая около 0,3 эВ, является недостаточной для локализации электронов в канальном слое 2. С другой стороны, предлагаемая структура оптимизирована в отношении используемых уровней легирования слоев широкозонного полупроводника, при повышении которых с целью улучшения характеристик структуры, потенциальная яма канального слоя 2 оказывается полностью заполненной электронами, что инициирует параллельное заполнение слоев широкозонного полупроводника AlGaAs вблизи донорной примеси. Как следствие, подвижность носителей заряда - электронов падает, что приводит к снижению проводимости канального слоя 2 и падению выходной мощности.
Предлагаемая структура функционирует следующим образом.
Разработанные меры в виде формирования дополнительных слоев и использовании уровней легирования слоев широкозонного полупроводника - дельта-слоев, усиливают локализацию носителей заряда в канальном слое 2, что сразу же дает выигрыш в подвижности. Каждый дельта-слой 17, 18, 25, 26, в отличие от ближайшего аналога, выполняет единственную, отведенную только ему, функцию. Дельта-слои 17 и 18 обеспечивают поставку электронов в канальный слой 2. Уровень их легирования выбран с учетом того, чтобы препятствовать переполнению потенциальной ямы канального слоя 2. Дельта-слои 25 и 26 обеспечивают поставку электронов в слои 9 и 10 широкозонного полупроводника - к их слоям - потенциальным барьерам 31 и 32, легированным, в частности, акцепторной примесью, и их локализацию на примесных атомах с формированием дополнительных локализующих барьеров. Причем уровень легирования дельта-слоев 25 и 26 согласован с уровнем легирования слоев 9 и 10 широкозонного полупроводника, являющихся потенциальными барьерами 31 и 32. Таким образом, все электроны, поставляемые в слои 9 и 10 широкозонного полупроводника, участвуют в формировании дополнительных локализующих барьеров.