ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ НАНОГЕТЕРОСТРУКТУРА InAlAs/InGaAs С МЕТАМОРФОРНЫМ БУФЕРОМ

Область техники
Предлагаемая полезная модель относится к полупроводниковым МНЕМТ (metamorphic high electron mobility transistor) наногетероструктурам, используемым для изготовления СВЧ транзисторов и монолитных интегральных схем с высокой рабочей частотой и большими пробивными напряжениями.
Уровень техники
T
max
e
В настоящее время на псевдоморфных НЕМТ (pseudomorphic high electron mobility transistor, PHEMT) наногетероструктурах InAlAs/InGaAs с высоким содержанием InAs (от 50% до 70%, а в отдельных слоях более 70%), выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии на подложках InP, получены самые быстродействующие СВЧ транзисторы с рекордно высокими значениями f=644 ГГц и f=681 ГГц [1]. Увеличение быстродействия СВЧ транзисторов на таких наногетероструктурах обусловлено уменьшением эффективной массы электронов при увеличении содержания InAs в активной области PHEMT структур и соответствующим увеличением подвижности µ и дрейфовой скорости насыщения электронов. Но относительно высокая стоимость подложек InP по сравнению с GaAs и их меньшая технологичность, в основном вызванная хрупкостью, привели к поиску альтернативных методов получения наногетероструктур с высоким (более 70%) содержанием InAs в активной области на основе использования подложек GaAs.
x
1-x
x
1-x
Самым удачным и приемлемым оказался метод использования так называемого метаморфного буфера InAlAs. Выращенные с применением этого метода наногетероструктуры называются МНЕМТ (metamorphic high electron mobility transistor) структуры. Суть метода заключается в выращивании между подложкой и активной областью относительно толстого (обычно 1-2 мкм) переходного слоя (метаморфного буфера) с постепенно изменяющимся по толщине химическим составом (а именно: содержание InAs x в тройном твердом растворе InAlAs увеличивается по мере роста метаморфного буфера), а следовательно, и параметром решетки. Таким образом, метаморфный буфер согласует параметр решетки подложки с параметром решетки активной области. Метаморфная технология позволяет получить «виртуальную» подложку с требуемым параметром решетки, непосредственно на которой уже выращиваются активные слои требуемого состава.
x
1-x
Рост идеального метаморфного буфера должен сопровождаться постепенной релаксацией механических напряжений, неизбежно возникающих из-за несоответствия параметров решетки нижележащего и вышележащего слоев. Однако, как показала практика, метаморфный буфер релаксирует не полностью и в его верхней части остаются механические напряжения, оказывающие воздействие на растущие выше активные слои. Для избежания этого метаморфный буфер завершают так называемым инверсным слоем, когда после достижения максимального содержания InAs в тройном твердом растворе InAlAs на вершине метаморфного буфера содержание InAs снижается, либо плавно, либо скачком. Описанный технологический прием позволяет ликвидировать механические напряжения к концу инверсного слоя и получить ненапряженную «виртуальную» подложку для последующего роста активных слоев. При этом механические напряжения, остающиеся в верхней части метаморфного буфера, не могут передаваться в вышележащие слои и релаксировать с образованием дислокаций.
x
1-x
1-y
y
x
1-x
x
1-x
x
1-x
Известны гетероструктуры с метаморфным буфером с высоким содержанием InAs в активной области, в частности, наногетероструктура на подложке GaAs для FET транзисторов [2]. Наногетероструктура последовательно включает в себя обычный буферный слой из GaAs, метаморфный буфер сложного состава AlGaAsSb и активную область, которая может состоять из InAlAs, InGaAs либо InAsP. При этом с толщиной метаморфного буфера значение y меняется от 0 до 1, а x≈0.5. Недостатком этой наногетероструктуры является необходимость использования дополнительного молекулярного источника Sb помимо традиционных источников Al, Ga, In. Кроме того, не предприняты меры по уменьшению механических напряжений и плотности дислокаций во время роста метаморфного буфера.
x
1-x
1
4
1
4
x4'
1-x4'
Наиболее близкой к предлагаемой наногетероструктуре и принятой в качестве прототипа настоящей полезной модели является наногетероструктура, описанная в работе [3] (фиг.1). Данная наногетероструктура включает монокристаллическую полуизолирующую подложку GaAs (1), сверхрешетку AlGaAs/GaAs (2), буферный слой GaAs (3), ступенчатый (step-graded) метаморфный буфер (4) InAlAs с увеличением содержания InAs x по толщине (x=x→x, где x=0.15, а x=0.80) с двумя разными градиентами изменения содержания InAs, завершающийся инверсным слоем (5) с резким падением содержания InAs x на Δx=0.08, залечивающий слой с однородным составом InAlAs (6), и активную область (7) с высоким содержанием InAs (72%), согласованную по параметру решетки с залечивающим слоем.
Активная область (7) представляет собой квантовую яму InGaAs, ограниченную барьерами InAlAs, в которой формируется двумерный электронный газ. Сверхрешетка (2) здесь традиционная и широко применяемая в гетероструктурах, ее роль заключается в предотвращении сегрегации фоновых примесей из подложки в последующие эпитаксиальные слои.
x
1-x
Недостатком описанной структуры является возникновение дислокаций, образующихся при релаксации областей сжатия в метаморфном буфере. Всегда возникают дислокации несоответствия (misfit dislocations), которые распространяются параллельно плоскости роста и выходят на боковые грани наногетероструктуры. Но также возникают прорастающие дислокации (threading dislocations), которые образуются в результате изгибания дислокаций несоответствия, если какой-либо дефект блокирует их скольжение параллельно плоскости роста, и распространяются перпендикулярно плоскости роста в вышележащие слои, доходя до активной области наногетероструктуры. По этой причине возникновение прорастающих дислокаций сильно увеличивает рассеяние электронов в канале и, следовательно, ухудшает приборные параметры. Скольжение дислокаций может быть блокировано областями фазового расслоения, которое происходит особенно активно в метаморфном буфере InAlAs с большим перепадом состава и большим финальным значением x [4]. В связи с этим возникает необходимость разработки особой технологии роста метаморфного буфера для наногетероструктур InAlAs/InGaAs на подложке GaAs с высоким содержанием InAs в активной области (более 70%).
Раскрытие полезной модели
Задачей, решаемой настоящей полезной моделью, является увеличение рабочей частоты СВЧ транзисторов, изготовленных на основе наногетероструктур с высоким содержанием InAs в активной области, выращенных на подложках GaAs. Техническим результатом, позволяющим выполнить поставленную задачу, является уменьшение плотности дислокаций, проникающих в активную область наногетероструктуры.
x
1-x
1
4
1
4
x
1-x
4
4
4
4
x4'
1-x4'
Технический результат достигается за счет того, что в полупроводниковой метаморфной наногетероструктуре InAlAs/InGaAs (фиг.2), включающей монокристаллическую полуизолирующую подложку GaAs (1), сверхрешетку AlGaAs/GaAs (2), буферный слой GaAs (3), метаморфный буфер InAlAs (4) толщиной 1.0÷1.5 мкм с линейным увеличением содержания InAs х по толщине от x до x, где x~0, x≥0.75, инверсный слой InAlAs (5) с плавным уменьшением содержания InAs x по толщине от x до x', где x-x'=0.03÷0.08, залечивающий слой с однородным составом InAlAs (6), активную область InAlAs/InGaAs (7) с высоким содержанием InAs (более 70%), согласованную по параметру решетки с залечивающим слоем, внутрь метаморфного буфера (4) на равных расстояниях друг от друга и от границ буфера вводятся два инверсных слоя (9 и 12) с плавным уменьшением содержания InAs x по толщине на Δx=0.03÷0.06, за каждым из которых следует залечивающий слой (10 и 13) с составом, совпадающим с финальным составом инверсного слоя.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлена схема поперечного сечения полупроводниковой метаморфной наногетероструктуры, выбранной в качестве прототипа заявляемой полезной модели. Указаны следующие друг за другом слои и их состав.
На фиг.2 представлена схема поперечного сечения полупроводниковой метаморфной наногетероструктуры, демонстрирующая суть заявляемой полезной модели. Указаны следующие друг за другом слои и их состав.
Фиг.3 поясняет принцип изменения состава метаморфного буфера, предлагаемого в заявляемой полезной модели.
Осуществление полезной модели
x
1-x
1
4
1
4
4
4
4
4
x4'
1-x4'
Полупроводниковая наногетероструктура с метаморфным буфером состоит из монокристаллической полуизолирующей подложки GaAs (1), сверхрешетки AlGaAs/GaAs (2), служащей для предотвращения сегрегации фоновых примесей из подложки в последующие эпитаксиальные слои, буферного слоя GaAs (3), метаморфного буфера (4) InAlAs с линейным увеличением содержания InAs x по толщине от x до x, где x~0, x≥0.75, инверсного слоя (5) с плавным уменьшением содержания InAs x по толщине от x до x', где x-x'=0.03÷0.08, служащего для ликвидации накопившихся к концу метаморфного буфера механических напряжений, залечивающего слоя (6) с однородным составом InAlAs, служащего для уменьшения остаточных механических напряжений и для сглаживания рельефа поверхности, и активной области (7) с высоким содержанием InAs (более 70%), согласованной по параметру решетки с залечивающим слоем. Активная область представляет собой квантовую яму InGaAs, ограниченную барьерами InAlAs, в которой формируется двумерный электронный газ. В одном из барьеров располагается дельта-слой атомов Si, являющихся донорами.
x
1-x
2
2
2
2
3
3
3
3
x2'
1-x2'
x3'
1-x3'
x
1-x
x
1-x
Внутрь метаморфного буфера (4) введены два дополнительных инверсных слоя (9 и 12), расположенных на равных расстояниях друг от друга и от границ метаморфного буфера. Инверсные слои состоят из InAlAs, в котором x плавно уменьшается по толщине от x до x', где x-x'=0.03÷0.06 (9) и от x до x', где x-x'=0.03÷0.06 (12). После каждого инверсного слоя выращивается залечивающий слой с постоянным составом, совпадающим с финальным составом инверсного слоя: залечивающий слой InAlAs (10) после инверсного слоя (9) и залечивающий слой InAlAs (13) после инверсного слоя (12) соответственно. Таким образом, состав и параметр решетки тройного раствора InAlAs в метаморфном буфере везде изменяются непрерывно, без скачков (фиг.3). Метаморфный буфер при этом оказывается разделен на три части (8, 11, 14), каждая из которых представляет собой слой InAlAs с линейно увеличивающимся по толщине содержанием InAs x.
Технический результат достигается за счет того, что каждый инверсный слой предотвращает релаксацию части метаморфного буфера, лежащей ниже него, а вся система инверсных слоев предотвращает релаксацию всего метаморфного буфера и, следовательно, предотвращает образование дислокаций. Кроме того, инверсные слои, создавая локальные поля механической деформации, препятствуют прорастанию дислокаций в вышележащие слои, заставляя их изгибаться вбок. А снижение плотности дислокаций обуславливает более высокую подвижность носителей и, как следствие, расширяет рабочую полосу частот СВЧ транзистора.
Все описанные слои, за исключением δ-слоя кремния, являются нелегированными. Все слои выращены методом молекулярно-лучевой эпитаксии.
T
max
[1] Dae-Hyun Kim and Jesus A. del Alamo. 30-nm InAs PHEMTs with f=644 GHz and f=681 GHz. IEEE Electron Device Letters, vol.31, №8, August 2010, p.806-808.
[2] EP 0840942 B1 "GaAs substrate with compositionally graded AlGaAsSb buffer for fabrication of high-indium FETs".
[3] F. Capotondi, G. Biasiol, D. Ercolani, V. Grillo, E. Carlino, F. Romanato, L. Sorba. "Strain induced effects on the transport properties of metamorphic InAlAs/InGaAs quantum wells". Thin Solid Films 484, 400-407 (2005).
[4] Nathaniel J. Quitoriano and Eugene A. Fitzgerald. "Relaxed, high-quality InP on GaAs by using InGaAs and InGaP graded buffers to avoid phase separation". J. Appl. Physics, vol.102, p.033511.