БИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР НА ОСНОВЕ ГЕТЕРОЭПИТАКСИЛЬНЫХ СТРУКТУР

Настоящая полезная модель относится к области полупроводниковой микроэлектроники, а именно к конструкции биполярных транзисторов, которые могут быть использованы в аналоговых СВЧ схемах, цифровых, а также в аналого-цифровых преобразователях, в области связи, радарах, для электронного оборудования для военных целей и т.п.
Развитие радиолокационной, связной и навигационной аппаратуры требует создания полупроводниковых приборов и монолитных интегральных схем, обеспечивающих повышение энергетических параметров современных передающих устройств.
III
V
Наиболее широко применяемым в настоящее время материалом для создания активных элементов приемных и передающих устройств сантиметрового диапазона длин волн является GaAs, GaN и некоторые другие двойные, тройные и четверные полупроводниковые соединения АВ.
17
-3
3
-3
7
7
8
Применение арсенида галлия при создании биполярных и полевых транзисторов обусловлено главным его преимуществом: высокой подвижностью электронов в слабых электрических полях и высокой дрейфовой скоростью в сильных. При температуре 3000 К подвижность электронов (при концентрации доноров ≈10 см) в арсениде галлия (4-5)·10 см, скорость насыщения в сильном электрическом поле в GaAs 2·10 см/с.Кроме того максимальное удельное сопротивление нелегированного или компенсированного арсенида галлия очень высоко 10-10 Ом-см. Такие большие значения удельного сопротивления в арсениде галлия дают возможность создавать полуизолирующие слои, разделяющие отдельные приборы или активные области непосредственно на подложке с высоким удельным сопротивлением.
Наиболее отработанной на сегодня является технология получения арсенид галлиевых структур на подложках полуизолирующего GaAs.
Для их изготовления наибольшее распространение получили две группы методов - газофазная эпитаксия (в первую очередь, МОС-гидридный метод) и эпитаксия из молекулярных пучков (МПЭ).
17
-3
12
-2
17
-3
Из уровня техники известен полевой транзистор на гетероструктуре, содержащий высокоомную подложку и по крайней мере один слой широкозонного и один слой ускозонного полупроводниковых материалов с согласованными или несогласованными кристаллическими решетками, а также исток, затвор и сток, расположенные на наружной поверхности полупроводникового материала. Часть слоя полупроводникового материала, расположенная на расстоянии от затвора, превышающем 30 нм, выполнена с концентрацией легирующей примеси большей 3*10 см и поверхностной плотностью этой примеси большей 10 см, а средняя концентрация легирующей примеси между упомянутой частью слоя полупроводникового материала и затвором не превышает 3*10 см (см. патент РФ №2093924, опубл. 20.10.1997).
Недостатком известного устройства являются его низкие рабочие характеристики, негативно влияющие на его надежное и стабильное функционирование.
Кроме того, из уровня техники известен квантовый интерференционный полевой транзистор, содержащий подложку из арсенида галлия с кристаллографической ориентацией (001) с последовательно расположенными на ней каналами в виде слоев арсенида галлия n-типа проводимости с барьерным слоем GaAlAs между ними и сформированные на подложке контакты стока, истока и затвора. Барьерный слой выполнен в виде совокупности кластеров, образующих в кристаллографических направлениях (110) и (001) регулярную структуру, имеющую толщину 200-300 Å, а каналы ориентированы вдоль кристаллографического направления (110) (см. патент РФ №1549419, опубл. 10.07.1996).
Недостатками известного устройства являются его низкие технические характеристики, обусловленными низкой эффективностью работы эмиттера и коллектора, высоким значением времени пролета носителей и не достаточно высокими значениями предельной частоты.
Задачей настоящей полезной модели является устранение вышеуказанных недостатков.
Технический результат заключается в улучшении технических характеристик настоящего устройства, включающих повышение значения предельной частоты, повышение эффективности работы эмиттера и коллектора и уменьшение значения времени пролета носителей.
y
l-y
y
1.-y
x
l-x
y
l-y
x
l-x
19
-3
19
-3
17
-3
17
-3
Технический результат обеспечивается тем, что биполярный транзистор на основе гетероэпитаксильных структур содержит омические контакты, подложку из арсенида галлия с кристаллографической ориентацией (001) с последовательно расположенными на ней слоями, включающими слои коллектора и эмиттера. На подложке последовательно размещены буферный слой из нелегированного GaAs, субколлекторный слой из сильнолегированного GaAs n-типа проводимости, коллектор из GaAs n-типа проводимости, база из InGaAs, поверх которой размещен дополнительный промежуточный слой из InGaAs р-типа проводимости, эмиттер, содержащий два слоя из AlGaAs n-типа проводимости, контактные слои. При этом слои базы, промежуточного слоя и эмиттера выполнены с изменяющимся составом раствора и изменяющейся концентрацией легирующей примеси. Изменение состава раствора InGaAs вдоль базы и промежуточного слоя обеспечивается при значении у около 0,22 в области, прилегающей к области коллектора, до значения у около 0,01-0,02 в области, прилегающей к области эмиттера, а изменение концентрации легирующей примеси вдоль базы и промежуточного слоя обеспечивается от 0,7*10 см в области, прилегающей к коллектору, до 2*10 см в области, прилегающей к эмиттеру. Кроме того, изменение состава раствора AlGaAs вдоль эмиттера обеспечивается при значении х около 0,22 в области, прилегающей к промежуточному слою, до значения х около 0,25 в области, прилегающей к контактному слою, а изменение концентрации легирующей примеси вдоль эмиттера обеспечивается от 5*10 см в области, прилегающей к промежуточному слою, до 8*10 см в области, прилегающей к контактному слою.
Сущность настоящей полезной модели поясняется иллюстрацией, на которой отображено настоящее устройство.
На иллюстрации отображены следующие конструктивные элементы:
1 - подложка из GaAs с кристаллографической ориентацией (001);
2 - буферный слой из нелегированного GaAs;
3 - субколлекторный слой из сильнолегированного кремнием GaAs;
4 - коллектор из GaAs;
5 - база;
6 - промежуточный слой;
7 - 1-й слой эмиттера;
8 - 2-й слой эмиттера;
9 - первый контактный слой;
10 - второй контактный слой;
11 - третий контактный слой;
12 - четвертый контактный слой;
13 - омические контакты;
14 - омические контакты;
15 - омические контакты.
18
-3
16
-3
19
-3
19
-3
y
l-y
y
l-y
Устройство включает подложку 1 из полуизолирующего GaAs с кристаллографической ориентацией (001), толщиной 450 мкм, на которой последовательно расположены следующие слои: буферный слой 2 из нелегированного GaAs толщиной 200 нм, субколлекторный слой 3 из GaAs n+- типа проводимости, толщиной 600 нм и с концентрацией легирующей примеси 3·10 см, легированный Si; коллектор 4 из GaAs n-типа проводимости, толщиной 700 нм и концентрацией лигирующей примеси 2·10 см, легированный Si; тонкая база 5 из InGaAs р+-типа проводимости. При этом значение у в твердом растворе InGaAs вдоль базы 5, в области, прилегающей к коллектору 4, составляет около 0,22. Это значение изменяется до величины 0,04-0,05 в области, прилегающее к промежуточному слою 6, толщина базы 5 составляет 80 нм. Содержание легирующей примеси (например, бериллия) в области базы 5, прилегающей к коллектору 4, достигает значения 0,7·10 см. Это значение увеличивается и достигает значения около 1,5·10см в области, прилегающей к области промежуточного слоя 6.
y
l-y
x
l-x
x
l-x
19
-3
19
-3
17
-3
17
-3
17
-3
17
-3
Промежуточный слой 6 выполнен из твердого раствора InGaAs. Значение у в области, прилегающей к области базы 5, равно 0,04-0,05. Это значение уменьшается и достигает величины 0,01-0,02 в области, прилегающей к первому слою эмиттера 7. Содержание легирующей примеси (например, бериллия) в области промежуточного слоя, прилегающей к базе 5, достигает значения 1,5·10 см. Оно плавно увеличивается и достигает значения 2,0·10 см в области, прилегающей к первому слою эмиттера 7. Первый слой 7 широкозонного эмиттера выполнен из AlGaAs. Значение х вдоль первого слоя эмиттера изменяется от 0,22 в области промежуточного слоя 6 до 0,24 в области прилегающем ко второму слою эмиттера 8. Концентрация примеси изменяется от 5·10 см в области, прилегающей к промежуточному слою 6, до 7·10 см в области, прилегающей ко второму слою эмиттера 8, выполненного из AlGaAs. Значение х в области, прилегающей к первому слою эмиттера 7, составляет 0,24 и изменяется вдоль второго слоя эмиттера 8 до значения 0,25 в области, прилегающей к области первого контактного слоя 9. Концентрация легирующей примеси составляет 7·10 см в области, прилегающей к первому слою эмиттера 7, и изменяется до величины 8·10 см в области, прилегающей к области первого контактного слоя 9.
x
l-x
y
l-y
y
l-y
18
-3
18
-3
19
-3
19
-3
Первый контактный слой 9 выполнен из AlGaAs n+- типа проводимости. Значение х изменяется от 0,25 до 0,05. Концентрация легирующей примеси составляет 4·10 см, легирован Si. Второй контактный слой 10 выполнен из GaAs n+- типа проводимости. Концентрация легирующей примеси составляет 4·10 см, легирован Si. Третий контактный слой 11 выполнен из InGaAs, n+- типа проводимости. Значение у меняется от 0,05 до значения 0,5, концентрация легирующей примеси 10 см, легирован Si. Четвертый контактный слой 12 выполнен из InGaAs n+- типа проводимости. Значение у составляет 0,5, концентрация легирующей примеси 2·10 см, легирован Si. Устройство снабжено омическими контактами 13 и 15 к коллектору и эмиттеру, сформированными методом «взрыва» из сплава (AuGe/Ni/Au) с последующим скоростным высокотемпературным отжигом. Омический контакт 14 к базе 5 выполнен из сплава (NiAu) и изготовлен с помощью технологии фотолитографии и вакуумного напыления металлов.
Настоящее устройство осуществляют следующим образом.
18
-3
16
-3
19
-3
19
-3
19
-3
19
-3
y
l-y
y
l-y
x
l-x
На подложке из полуизолирующего GaAs 1 с кристаллографиической ориентацией (001), толщиной 450 мкм, методом, например, газовой эпитаксии из металлоорганических соединений наращивают последовательно слои. Первоначально наращивают буферный слой 2 из нелегированного GaAs толщиной 200 нм, поверх буферного слоя последовательно наращивают субколлекторный слой 3 из GaAs n+-типа, толщиной 600 нм, концентрацией легирующей примеси 3·10 см (легирующая примесь Si), высокоомный коллектор 4 из GaAs n-типа, толщиной 700 нм с концентрацией легирующей примеси 2·10 см (легирующая примесь Si). Затем методом газовой эпитаксии из металлоорганических соединений - МОС-гидридной эпитаксии (МОСГЭ) при температуре 800°С и давлении не менее 65 мм. рт.ст. наращивают тонкую базу 5 из InGaAs р+-типа. Значением у вдоль базы от коллектора 4 к промежуточному слою 6 изменяется от 0,22 до 0,01. Содержание примеси (например, бериллия) в области базы 5, прилегающей к области коллектора 4, составляет 0,7·10 см, плавно увеличивается и достигает уровня 1,5·10 см в области, прилегающей к промежуточному слою 6 из InGaAs. Значение у в области, прилегающей к области базы 5, равно 0,04. Это значение уменьшается и достигает величины 0,01 в области, прилегающей к первому слою эмиттера 7. Содержание легирующей примеси (например, бериллия) в области промежуточного слоя, прилегающей к базе 5, достигает значения 1,5·10 см. Оно плавно увеличивается и достигает значения 2,0·10 см в области, прилегающей к первому слою эмиттера 7 из AlGaAs n-типа.
17
-3
17
-3
17
-3
17
-3
18
-3
18
-3
19
-3
19
-3
x
l-x
x
l-x
y
l-y
y
l-y
Значением х вдоль первого слоя эмиттера 7 изменяется от 0,22 в области, прилегающей к промежуточному слою 6, до 0,24 в области, прилегающей ко второму слою эмиттера 8. Концентрация легирующей примеси изменяется от 5·10 см в области, прилегающей к промежуточному слою, до 7*10 см в области, прилегающей ко второму слою эмиттера 8. Первый слой эмиттера 7 легирован кремнием. Далее наносят второй слой эмиттера 8, выполненный из AlGaAs n-типа. Значением х изменяется вдоль второго слоя эмиттера: в области, прилегающей к первому слою эмиттера 7 достигает значения 0,24, а затем плавно увеличивается до 0,25 в области, прилегающей к первому контактному слою 9. Концентрация примеси изменяется с увеличением от 7*10 см в области, прилегающей к первому слою эмиттера 7, до величины 8*10 см. Слой легирован Si. Затем осуществляют нанесение контактных слоев. При этом первый контактный слой 9 выполнен из AlGaAs n+- типа проводимости. Значение х изменяется от 0,25 до 0,05 вдоль слоя. Концентрация легирующей примеси составляет 4·10 см, легирован Si. Второй контактный слой 10 выполнен из GaAs n+- типа проводимости. Концентрация легирующей примеси составляет 4·10 см, легирован Si. Третий контактный слой 11 выполнен из InGaAs, n+- типа проводимости. Значение у меняется вдоль слоя от 0,05 до значения 0,5, концентрация легирующей примеси 10 см, легирован Si. Четвертый контактный слой 12 выполнен из InGaAs n+- типа проводимости. Значение у составляет 0,5, концентрация легирующей примеси 2·10 см, легирован Si.
Первый и второй слои эмиттера 7, 8 а также контактные слои 9-12 наращивают методом газовой эпитаксии из металлоорганических соединений - МОС-гидридной эпитаксии (МОСГЭ) при температуре 700°С и давлении не менее 60 мм. рт.ст. Омические контакты 13 и 15 к коллектору и к эмиттеру формируют методом «взрыва» из сплава (AuGe/Ni/Au) с последующим скоростным высокотемпературным отжигом. Омический контакт 14 к базе выполняют из сплава (NiAu) с помощью технологий фотолитографии и вакуумного напыления металлов. Технологический процесс создания низкоомных омических контактов чрезвычайно чувствителен к режимам (температуре и времени) вжигания металлизации омического контакта и толщинам слоев металлизации.
Кристалл транзистора, полученный после утонения, полировки и алмазного скрайбирования пластины, монтируют в металло-керамический корпус.
Разработанная конструкция ГБТ позволила реализовать высокую эффективность эмиттера, снизить время пролета неосновных носителей в базе и при этом сохранить уровень легирования активной базы превосходящим уровень легирования эмиттера.
За счет высокого уровня легирования сопротивление базы уменьшено, и появляется возможность уменьшения ширины базы для снижения пролетного времени.
За счет относительно низкого уровня легирования эмиттера существенно снизилось значение емкости эмиттера.
Значение емкости коллектор-база снижено за счет радиационной компенсации проводимости пассивной области базы.
Выявлена перспективность эффекта баллистического переноса носителей в базе и коллекторном переходе, определяемые конструкцией гетероперехода и структурой эпитаксиальной пленки.