ГЕТЕРОСТРУКТУРНЫЙ ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР InGaAIN/SiC

Изобретение относится к полупроводниковой электронике и может быть использовано для создания с мощных высокочастотных полевых транзисторов с повышенными эксплуатационными характеристиками.
3
5
В последние десятилетия в мире постоянно возрастал интерес к полевым транзисторам на основе широкозонных материалов, таких как карбид кремния и нитрид галлия и к гетероструктурным полевым транзисторам на основе соединений АВ, так как существующие транзисторы на основе кремния практически достигли предела своих характеристик. Новые типы гетероструктур, такие как структуры с двумерным электронным газом и новые типы полупроводниковых соединений с параметрами, превосходящими кремний позволяют достичь сочетания параметров (например рабочей частоты и удельной мощности), ранее невозможных для традиционных транзисторов на основе кремния. Это обуславливает возможность использования новых полупроводниковых структур для улучшения рабочих характеристик полевых транзисторов.
Значительное ограничение на свойства гетероструктурных транзисторов накладывают свойства полупроводниковых материалов, из которых выполнены элементы полупроводниковой структуры. В первую очередь, это относится к параметру кристаллической решетки. Наличие рассогласования материалов по параметру решетки и коэффициенту теплового расширения приводит к накапливанию упругих напряжений, которые будут релаксировать при достижении определенной толщины с образованием дефектов, и к существенному изгибу гетероструктуры, что может усложнять или даже делать невозможной пост-ростовую обработку и сильно ухудшать параметры и срок службы транзистора.
-1
Необходимость использования стандартизованных методик пост-ростовой обработки накладывает ограничения на кривизну поверхности созданной структуры. Так, например, стандарт SEMI М55 предъявляет требования к кривизне поверхности не более 30 км, что обеспечивает величину прогиба/коробления (bow/warp) не более 40 микрон для подложки диаметром 100 мм.
Таким образом, создание полевых тразисторов, имеющих заданные свойства и требуемую кривизну поверхности при комнатной температуре является важной задачей для реализации массового производства полевых транзисторов.
В гетероструктурных полевых транзисторах на основе соединений InGaAIN используется возникновение двумерного газа электронов, обладающих высокой подвижностью, на интерфейсе между слоями GaN и (Ga)AlN за счет разницы в ширинах запрещенной зоны, параметрах решетки и в пиро- и пьезоэлектрических константах. Большое значение величины разрыва зон проводимости в сочетании с большой эффективной массой электрона позволяет создать двумерный газ с высокой плотностью. Свойства двумерного электронного газа определяются дизайном узкой области около интерфейса GaN и (Ga)AlN толщиной обычно не превосходящей 30 нанометров. При росте на инородной подложке (например карбида кремния) обычно выращивается достаточно толстый (единицы микрон) буферный слой для снижения плотности дислокаций, которые могут негативно влиять на свойства двумерного электронного газа, и, соответственно, транзистора. К данному буферному слою предъявляется два требования - хорошее структурное совершенство и отсутствие проводимости.
Как правило, для эпитаксии гетероструктур AlInGaN используют монокристаллические подложки карбида кремния, полученные из монокристаллов выращенных методом сублимации, что обеспечивает хорошее кристаллическое совершенство и хорошую теплопроводность гетероструктур AlInGaN/SiC. Для эпитаксии чаще всего используют метод газофазной эпитаксии из металлорганических соединений (в зарубежной литературе именуется как метод MOVPE - metal-organic vapour phase epitaxy). В качестве источников компонентов при синтезе пленок нитридов III группы используются стандартные соединения - триметилгаллий, триметилалюминий, триметилиндий и аммиак. Эпитаксия проводится при достаточно высоких температурах - 1000-1100 градусов цельсия. Однако, по причине большой разницы в коэффициентах термического расширения решеток карбида кремния и нитридов III группы при охлаждении гетероструктур от температуры эпитаксии до комнатной температуры возникают существенные механические напряжения, которые негативно влияют на их свойства. В частности, возникающие механические напряжения приводят к сильному искривлению поверхности, что негативно влияет на свойства транзистора и срок его службы. Одним из подходов, применяемых при эпитаксии гетероструктур AlInGaN, является создание упругих напряжений в процессе роста, которые компенсируют возникающие при охлаждении до комнатной температуры.
Известен гетероструктурный полевой транзистор InGaAlN/SiC (см. заявка US 2009016984, МПК H01L 21/00, опубликована 02.07.2009), содержащий подложку SiC и 3 слоя различного полупроводникового материала, причем второй слой подбирается по толщине и свойствам таким, чтобы обеспечить минимальную плотность дефектов в верхнем (третьем) слое и увеличить его критическую толщину.
Недостатком известного транзистора является то, что она обеспечивает низкую плотность дефектов, но не обеспечивает контроль кривизны поверхности выращенной многослойной гетероструктуры.
Известен гетероструктурный полевой транзистор InGaAlN/SiC (см. заявка US 20080220555, МПК H01L 21/00, опубликована 11.09.2008), содержащий подложку SiC и несколько слоев нитридных полупроводников AlGaN с возможным градиентом состава, при этом суммарная толщина первого и второго слоя составляют не менее 0,5 микрона. Подбором толщин и составов слоев обеспечивается снижение среднего уровня упругих напряжений в многослойной структуре и обеспечивается возможность выращивания относительно толстых слоев.
-1
Недостатком известного транзистора является то, что он не обеспечивает создание многослойной гетероструктуры для полевого транзистора с заданными ствойствами, а именно с кривизной поверхности менее 30 км, и полуизолиующими свойствами буферного слоя.
Известен гетероструктурный полевой транзистор InGaAlN/SiC (см. заявка US 20060226412, МПК H01L 31/072, опубликована 12.10.2006), содержащий подложку SiC и полуизолирующин слой GaN толщиной не менее 4 микрон, обеспечивающий высокие пробойные напряжения.
Недостатком известного транзистора является то, что хотя он обеспечивает полуизолиующие свойства буферного слоя и может быть использован для дальнейшего изготовления транзистора, он не обеспечивает минимальную кривизну поверхности при комнатной температуре.
Наиболее близким к настоящему техническому решению по совокупности существенных признаков является гетероструктурный полевой транзистор InGaAlN/SiC с компенсацией упругих напряжений (см. заявка US 20040012015, МПК H01L 21/20, опубликована 22.01.2004, US Pat 6841001) принятый за прототип. Гетероструктурный полевой транзистор InCaAlN/SiC - прототип включает подложку SiC, буферный слой, слой, отличающийся по параметру рашетки, слой, согласованный по параметру решетки и приборные слои. При этом в качестве подложки может быть использован SiC политипов 4Н, 6Н, 15R или 3С, первый слой представляет собой (Al)GaN, второй слой также представляет собой (Al)GaN, то есть может быть использована последовательность слоев GaN/AlGaN/SiC. В транзисторе - прототипе важную роль играет то, что толщина и параметры решетки слоев подбираются так, чтобы обеспечить отсутствие образования трещин при эпитаксии и охлаждении структуры, в частности рассогласование параметров решетки между слоями не превышает 1%.
Недостатком известного транзистора является то, что он не обеспечивает минимальную кривизну поверхности при комнатной температуре.
-1
Задачей настоящего решения является создание гетероструктурного полевого транзистора InGaAlN/SiC с такой последовательностью слоев, которая бы обеспечивала изолирующие свойства буферного слоя, не ухудшение качества приборной последовательности слоев и кривизну поверхности при комнатной температуре менее 30 км (по модулю). Выполнение поставленных условий обеспечит создание транзистора с требуемыми параметрами и долговечностью.
Поставленная задача достигается тем, что гетероструктурный полевой транзистор InGaAlN/SiC включает в себя полуизолурующую полупроводниковую подложку SiC ориентации (0001) политипа 6Н или 4Н толщиной 360-380 микрон, переходной слой AlxGal-xN, буферный слой GaN, слой AlN, слой AlyGal-yN и металлические контакты к областям истока, стока и затвора. При этом содержание алюминия в переходном слое х находится в пределах 45-55 мол. процентов, толщина переходного слоя находится в пределах 90-110 нанометров, толщина буферного слоя находится в пределах 1500-1700 нанометров, толщина слоя AlN составляет 0,5-1 нанометр, толщина и состав у слоя AlGaN составляет 22-27 нанометров и 22-27 мол. процентов, соответственно.
Новым в многослойной структуре является сочетание толщин и составов переходного и буферного слоя, обеспечивающее предварительное накопление упругих напряжений в процессе эпитаксии и создающий кривизну поверхности структуры, которая компенсирует изгиб, возникающий за счет разницы в коэффициентах теплового расширения подложки и полупроводниковых слоев при охлаждении структуры от температуры эпитаксии до комнатной температуры.
-1
-1
Выбор параметров переходного и буферного слоя обусловлен тем, что при содержании алюминия в переходном слое х менее 45 мол. процентов или его толщины более 110 нм релаксация напряжений в выращиваемом на нем буферном слое GaN происходит слишком быстро и не удается создать изгиб структуры по величине равный возникающему при охлаждении. При содержании алюминия в переходном слое х более 55 мол. процентов или его толщины менее 90 нм могут наблюдаться образование трещин в буферном слое GaN. При толщине буферного слоя GaN менее 1500 нм итогавая кривизна поверхности структуры оказывается менее -30 км а при толщине более 1700 нм более 30 км, что находится вне пределов стандарта SEMI М55 на подложки SiC и структуры на их основе.
Настоящая полезная модель поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 представлено схематичное изображение поперечного сечения гетероструктурного полевого НЕМТ транзистора на основе гетероструктуры InGaAlN/SiC.
x
1-x
y
1-y
На чертеже обозначены: 1 - подложка SiC (политипа 6Н или 4Н, толщина 360-380 микрон); 2 - переходной слой AlGaN (содержание алюминия 45-55 процентов, толщина 90-110 нанометров); 3 - буферный слоя GaN (толщина 1500-1700 нм); 4 - слой A1N (толщина 0,5-1 нм); 5 - слой AlGaN (содержание алюминия 22-27 мол. процентов, толщина 22-27 нм); 6 - металлический контакт к истоку; 7 - металлический контакт к затвору; 8 - металлический контакт к стоку.
на фиг. 2 представлено изменение кривизны поверхности при росте гетероструктуры InGaAlN/SiC с толщиной и составом переходного слоя AlGaN 100 нм и 50 мол. процентов, соответственно, и толщиной буферного слоя GaN 1570 нм.
Настоящий гетероструктурный полевой транзистор изготавливают с использованием оптической и электронной литографии для формирования контактов 6, 8, 7 соответственно к областям истока, стока и затвора. Важным фактором, обуславливающим преимущество настоящего гетероструктурного полевого транзистора InGaAlN/SiC является возможность проводить его пост-ростовую обработку на стандартизованном оборудовании, так как его геометрические параметры кривизны поверхности укладываются в стандарт полупроводниковой промышленности, что обеспечивается сочетанием толщин и составов преходного 2 и буферного слоя 3.
x
1-x
y
1-y
В основе предлагаемого изобретения лежит оригинальный метод формирования полупроводниковой многослойной гетероструктуры из решеточно-несогласованных материалов в которой происходит накопление и частичная релаксация упругих напряжений в процессе эпитаксиального роста и охлаждения. Использование рассогласованных по параметру решетки слоев (Al)GaN позволяет создать при эпитаксии изгиб, компенсирующий возникающий за счет разницы в коэффициентах теплового расширения подложки и полупроводниковых слоев при охлаждении структуры от температуры эпитаксии до комнатной температуры. Данный процесс проиллюстрирован на фиг. 2, где показано измеренное in-situ изменение кривизны поверхности при росте гетероструктуры InGaAlN/SiC. Выделены следующие стадии процесса: нагрев 1, рост переходного слоя AlGaN 2, рост буферного слоя GaN 3, рост слоя AlN 4, рост слоя AlGaN 5, охлаждение 6.
-1
Пример. На подложке SiC диаметром 76,2 мм толщиной 368 микрон политипа 4Н была эпитаксиально выращена полупроводниковая структура InGaAlN с толщиной и составом переходного слоя 100 нм и 50 мол. процентов, соответственно, толщиной буферного слоя 1570 нм, толщиной слоя AlN 1 нм, толщиной и составом, барьерного слоя AlGaN 25 нм и 25 мол. процентов, обладающая кривизной поверхности 12 км при комнатной температуре на основе которой методами пост-ростовой обработки на стандартизованном оборудовании был создан полевой транзистор с шириной затвора 0,2 микрона и плотностью мощности 5,5 Вт/мм.