ГЕТЕРОСТРУКТУРНЫЙ ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР НА ОСНОВЕ НИТРИДА ГАЛЛИЯ С УЛУЧШЕННОЙ СТАБИЛИЗАЦИЕЙ ВОЛЬТ-АМПЕРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ

3
5
Полезная модель относится к области радиотехники и электроники. В частности, к высокочастотным полевым транзисторам на основе широкозонных полупроводников группы AB. Полезная модель может быть использована в СВЧ транзисторах для усилителей мощности в устройствах различного функционального назначения.
Технический результат состоит в уменьшении гистерезиса тока стока полевого транзистора на основе гетероструктур типа AlGaN/GaN/AlGaN с каналом в слое GaN.
3
5
3
4
Известно, что период кристаллической решетки разных широкозонных полупроводников нитридной группы типа AB различается от 3% до 20% [1]. При этом невозможно вырастить резкие изоморфные гетеропереходы для полевых транзисторов с высокой подвижностью носителей. Используемые в микроэлектронике псевдоморфные гетеропереходы характеризуются повышенной плотностью дефектов структуры, которые проявляются как ловушки электронов с большим временем релаксации. Изменения их зарядовых состояний приводят к изменению вольт-амперных характеристик транзисторов, что изменяет и высокочастотные параметры электронных устройств. В транзисторных структурах с двумя гетеропереходами наибольшее влияние на изменение вольт-амперных характеристик оказывают ловушки на границе полупроводника (AlGaN) с пассивирующим диэлектриком (SiN) и на границе верхнего широкозонного слоя (AlGaN) с узкозонным слоем (GaN).
Стабилизация зарядов электронных ловушек достигается легированием гетероперехода ионами фтора или путем введения в структуру транзистора дополнительного электрода, размещенного над каналом и изолированного от поверхности полупроводника диэлектрическим пассивирующим слоем, [2-3]. При подаче на дополнительный электрод положительного напряжения (10-30 В) в структуре транзистора увеличивается напряженность вертикальной составляющей электрического поля, что стабилизирует зарядовые состояния ловушек на верхнем гетеропереходе и на границе пассивирующего слоя с барьерным полупроводниковым слоем. Нестабильность вольт-амперных характеристик значительно снижается, однако, не исчезает совсем. Проводящий слой двумерного электронного газа в канале транзистора экранирует нижний гетеропереход и зарядовые состояния его электронных ловушек зависят от напряжения сток-исток и от ударной ионизации в канале транзистора.
Наиболее близким по технической сущности к предполагаемой полезной модели является техническое решение, описанное в статье [4]. В этой работе описана конструкция гетероструктурного полевого транзистора, имеющего дополнительный электрод размещенный на пассивирующем диэлектрике в промежутке между затвором и стоком. Недостатком этого технического решения является то, что допллнительный электрод стабилизирует зарядовые состояни “ловушек” только одного верхнего гетероперехода.
Задачей предлагаемой полезной модели является стабилизация выходных вольт-амперных характеристик гетероструктурного полевого транзистора на основе нитридных полупроводников с двумя гетеропереходами, ограничивающими сверху и снизу узкозонный слой канала с двумерным электронным газом, структура AlGaN/GaN/AlGaN.
Это достигается тем, что в структуру гетероструктурного полевого транзистора на основе нитрида галлия с улучшенной стабилизацией вольт-амперных характеристик, включающий подложку из карбида кремния, затравочный слой на основе InGaN, буферный слой на основе AlGaN, активный слой из нитрида галлия, барьерный слой на основе AlGaN, слой пассивации на основе нитрида кремния, электроды управления сток, затвор, исток, первый дополнительный электрод, размещенный на диэлектрическом слое пассивации над затвором и каналом, на который подается положительное напряжение относительно истока транзистора, введен второй дополнительный электрод, контактирующий с нижним буферным слоем на основе AlGaN.
Нестабильность плотности заряда двумерного электронного газа в канале транзистора и тока стока определяются изменением зарядовых состояний электронных ловушек в верхнем и нижнем гетеропереходах. Стабилизация зарядовых состояний электронных ловушек в верхнем гетеропереходе достигается введением первого дополнительного электрода, имеющего положительное смещение относительно истока и размещенного на диэлектрическом слое над затвором и каналом транзистора. Стабилизация зарядовых состояний электронных ловушек в нижнем гетеропереходе достигается введением второго дополнительного электрода, также имеющего положительное смещение относительно истока, и окружающего транзистор со всех сторон, контактирующего с широкозонным буферным слоем, размещенным ниже канала полевого транзистора с двумя гетероперходами.
Сопротивление гетероструктуры от второго дополнительного электрода до нижнего гетероперехода не должно превышать сопротивление изоляции транзистора.
Величина постоянного напряжения на первом и втором дополнительных электродах может быть одинакова.
Для снижения сопротивления буферного слоя гетероструктуры от второго дополнительного электрода до нижнего гетероперехода полевой транзистор может быть выполнен в форме набора параллельно соединенных одинаковых секций, каждая из которых имеют первый и второй дополнительные электроды.
На фиг. 1 представлено сечение гетероструктуры высокочастотного полевого транзистора на основе нитрида галлия с улучшенной стабилизацией вольт-амперных характеристик, в соответствии с предлагаемой полезной моделью, где используются следующие обозначения:
1. Исток
3
4
2. Пассивирующий слой (SiN)
3. Затвор
4. Первый дополнительный электрод
5. Барьерный слой AlGaN
6. Сток
7. Омический контакт
8. Активный слой GaN
9. Второй дополнительный электрод
10. Нелегированный буферный слой AlGaN
11. Затравочный слой
12.Подложка SiC
Согласно предлагаемой полезной модели, задача решается за счет введения в гетероструктуру второго дополнительного положительно смещенного электрода, контактирующего с широкозонным буферным слоем и создающего в нижнем гетеропереходе постоянное электрическое поле, препятствующее изменению зарядовых состояний электронных ловушек, связанных со структурными дефектами в гетеропереходе. Второй дополнительный электрод, подключенный к положительному источнику напряжения, определяет потенциал буферного слоя, который в прототипе не был определен и формировался токами утечки и емкостными импульсными помехами от окружающих элементов. Изменения потенциала буферного слоя стимулировали изменения зарядовых состояний электронных ловушек в нижнем гетеропереходе. Смещение потенциала буферного слоя больше среднего уровня напряжения помех фактически стабилизирует среднюю величину заряда электронных ловушек в гетеропереходе. Соответственно, стабилизируются и выходные вольт-амперные характеристики полевых транзисторов.
Реализуемость полезной модели подтверждается результатами измерений тестовых структур, изготовленных на одной пластине с гетероструктурными полевыми транзисторами.
Источники информации
1. Hadis Morkos “Handbook of Nitride Semiconductors and Devices Vol. 1: Materials Properties”, Physics and Growth, Wiley-VCY, 2008
2. Патент США №20070114569, 2007
3. Lin S., Chen В., Lin Y., Hsieh Т., et. al. “GaN MIS HEMTs with Nitrogen Passivation for Power Device Applications” IEEE Electron Devices Letters V. 35, 2015, P. 1001-1003
4. Yu G., Cai Y, Wang Y, Dong Z., et. al. “Demonstartion of Dowble Gate AlGaN/GaN HEMT with Improved Dynamic Performances” IEEE Electron Devices Letters V. 34, 2013, P. 747 - прототип