X(Z)
1-X(Z)
ТРАНЗИСТОРНАЯ ГЕТЕРОСТРУКТУРА ТИПА Р-НЕМТ С ВАРИЗОННЫМ БАРЬЕРОМ AlGaAs

III
V
Полезная модель относится к полупроводниковым наногетероструктурам AB, используемым для изготовления СВЧ транзисторов и интегральных схем Х-диапазона.
III
V
Квантоворазмерные гетероструктуры AB представляют собой многослойные монокристаллические структуры, содержащие канал, обеспечивающий электронный транспорт в электрическом поле. Канал выполнен на основе полупроводниковых материалов с меньшей шириной запрещенной зоны по сравнению с широкозонными барьерными слоями. Гетеростурктуры с модулированным или дельта-легированием через широкозонные спейсерные слои обеспечивают одновременно высокие значения концентрации и подвижности электронов в канале. Электронные свойства гетероструктуры определяются конструкцией слоев, т.е. химическим составом и толщиной, концентрацией легирующей примеси, а также условиями изготовления гетероструктуры.
Важнейшие тенденции в эволюции СВЧ транзисторов - повышение граничной частоты усиления, снижение шумов, увеличение к.п.д., наноминиатюризация длины затвора - влекут за собой необходимость дальнейшей оптимизации гетероструктур, используемых в СВЧ электронике. Сюда входит не только выбор состава и толщины слоев, но и применение неоднородных слоев: вариации состава по толщине или использование нановставок и сверхрешеток создают дополнительные степени свободы для инженерии гетероструктур.
Наиболее широко используемой в промышленном производстве СВЧ транзисторов и монолитных интегральных схем (МИС) в диапазонах частот от ~10 ГГц до ~60 ГГц является псевдоморфная транзисторная гетероструктура с высокой подвижностью электронов Р-НЕМТ (англ. - pseudomorphic high electron mobility transistor), изготавливаемая методами молекулярно-лучевой (молекулярно-пучковой) эпитаксии, (англ. - molecular beam epitaxy) на подложке GaAs [1].
y
1-y
x
1-x
x
1-x
x
1-x
y
1-y
18
-3
Р-НЕМТ гетероструктура представляет собой буферный слой арсенида галлия толщиной от 100 до 1000 нм, выращенный на полуизолирующей подложке GaAs и предназначенный для сглаживания рельефа поверхности и предотвращения проникновения примесей подложки в активные слои. Далее располагается канал InGaAs с квазидвумерным электронным газом толщиной от 6 до 20 нм и содержанием InAs y=10÷30%. Выше расположен спейсерный слой, выполненный в виде широкозонного барьера AlGaAs с содержанием х=20÷30%, толщиной 2÷6 нм [2]. После него следует дельта-слой легирующей донорной примеси, например, кремния (Si). Дельта-слой кремния осаждается в отсутствие поступления атомов III-й группы на поверхность, а концентрация атомов Si подбирается исходя из функциональных особенностей применения гетероструктуры. Выше следует слой широкозонного материала AlGaAs с содержанием х=20÷30%, создающий барьер Шоттки, а на нем выращивается контактный слой n+GaAs, легированный донорной примесью с высокой концентрацией 1÷6×10 см, предназначенный для формирования омических контактов транзистора. Р-НЕМТ гетероструктура может иметь двустороннее дельта-легирование донорами, в этом случае широкозонные барьеры AlGaAs со спейсерным и донорным слоями расположены по обе стороны квантовой ямы/канала InGaAs [3].
y
1-y
x
1-x
x0
1-x0
+
Наиболее близкой к предлагаемой полезной модели является структура, приведенная в работе [4]. На фиг. 1 указаны следующие друг за другом слои этой структуры. На монокристаллической полуизолирующей подложке GaAs-1 выращивается последовательность слоев: буферный слой GaAs-2, квантовая яма/канал InGaAs-3, спейсерный слой AlGaAs-4, барьерный слой общего состава AlGaAs-6 с дельта-легированием донорной примесью - 5, а также контактный слой n-GaAs-7.
x
1-x
x
1-x
x
1-x
y
1-y
x
1-x
Такая Р-НЕМТ гетероструктура с односторонним дельта-легированием имеет однородный барьерный слой AlGaAs толщиной 10÷30 нм с содержанием x(AlAs)=20÷30%. Химический состав AlAs(x) в слое AlGaAs выбирается из следующих соображений - увеличение х, с одной стороны, приводит к увеличению глубины квантовой ямы (канала) AlGaAs/InGaAs/GaAs, с другой стороны, при х>25% в легированном донорами кремния слое AlGaAs часть электронов захватывается на DX-центры (ловушки) и перестает давать вклад в проводимость канала. Таким образом, неглубокая квантовая яма Р-НЕМТ гетероструктуры приводит к эффекту просачивания электронов в область широкозонного барьера AlGaAs при сильном легировании, вследствие чего значительно ухудшается проводимость канала за счет дополнительного рассеяния в широкозонных слоях. Также в транзисторах на основе Р-НЕМТ гетероструктур наблюдается термополевой разогрев электронов при приложении напряжения на затвор, что приводит к поперечному транспорту горячих электронов через слои гетероструктуры [5]. Это влечет за собой значительное снижение удельной выходной мощности транзисторов [6]. Подавить данные негативные эффекты возможно за счет более эффективной локализации электронов в квантовой яме и уменьшения пространственного переноса горячих электронов при сохранении высокой электронной плотности и проводимости.
Влияние встроенного электрического поля на электронные транспортные свойства гетероструктур особенно важно при уменьшении толщины барьерного слоя, поскольку приближение квантовой ямы к поверхности увеличивает управляемость СВЧ транзистора и, как следствие, частоту его работы и крутизну. Возникающее при этом сильное встроенное электрическое поле связано как с поверхностным потенциалом, так и с высокой концентрацией двумерного электронного газа в квантовой яме.
Значительное уменьшение толщины барьерного слоя может приводить к эффекту лавинного пробоя электронов через барьер, обусловленное как туннельной проницаемостью тонкого барьера, так и сильным встроенным электрическим полем (до ~0,5 МВ/см). Кроме того, поверхностные состояния могут выступать как дополнительный рассеивающий механизм при протекании тока вдоль квантовой ямы. Негативный эффект туннелирования можно частично устранить, например, за счет введения биполярного легирования примесью различных типов [7]. Однако это предполагает значительное увеличение концентрации донорной примеси, что в свою очередь может приводить к явлению параллельной проводимости электронов через широкозонный барьерный слой, а также к значительному снижению подвижности электронов за счет дополнительного рассеяния на ионизированных донорных примесях.
Заявителем не выявлены какие-либо технические решения, идентичные заявленному, что позволяет сделать вывод о соответствии полезной модели критерию «новизна».
x(z)
1-x(z)
Техническим результатом полезной модели является увеличение выходной мощности СВЧ транзисторов Шоттки, изготовленных на основе наногетероструктур, выращенных на подложках GaAs. Технический результат достигается путем разработки оптимальной конструкции наногетероструктуры, которая позволит увеличить эффективную ширину квантовой ямы за счет увеличения эффективной высоты барьера при сохранении высокой проводимости канала. Такая конструкция наногетероструктуры позволяет снизить паразитный эффект поперечного транспорта электронов через слои гетероструктуры за счет использования барьерного слоя AlGaAs с переменным профилем состава. Таким образом, применение полезной модели приводит к значительному уменьшению токов утечки полевого транзистора Шоттки, связанных с поперечным транспортом горячих электронов.
y
1-y
x
1-x
x
1-x
x(z)
1-x(z)
1
0
2
0
0
+
+
Технический результат достигается тем, что в Р-НЕМТ гетероструктуре включающей в себя монокристаллическую полуизолирующую подложку GaAs, буферный слой GaAs, квантовую яму/канал InGaAs, спейсерный слой AlGaAs, дельта-слой доноров, барьерный слой AlGaAs, контактный слой n-GaAs, содержание мольной доли х(Al) в барьерном слое AlGaAs изменяется по линейному закону от x=х+0.05÷0.2 в области примыкания квантовой ямы, до x=х-0.05÷0.2 в области примыкания к контактному слою n-GaAs, где x - мольная доля алюминия в исходной структуре с однородным составом равная 20÷30%. Такая конструкция приводит к увеличению эффективной высоты барьера AlGaAs со стороны поверхности без увеличения его толщины и, тем самым, к увеличению эффективной глубины квантовой ямы. Использование варизонного барьера сильно влияет на уровни энергии размерного квантования и профили электронных волновых функций, приводя к увеличению энергии электронных подзон и вытеснению электронной плотности из области широкозонного барьера AlGaAs. При этом двумерный газ становится более локализован относительно центра квантовой ямы, уменьшается его рассеяние на ионизированных донорах в широкозонном барьере и поперечный токоперенос между слоями гетероструктуры. Таким образом, изменение профиля состава барьерного слоя позволяет, не изменяя технологию выращивания гетероструктуры, влиять на электронные транспортные свойства двумерного электронного газа.
x
1-x
2
0
0
2
1
0
Граничные точки диапазона мольной доли х(Al) барьерного слоя AlGaAs выбираются из следующих соображений: мольная доля х=х-0.05÷0.2 - должна быть больше или равна нулю при всех величинах х, т.к. минимальное значение х=0 соответствует составу GaAs, мольная доля x=х+0.05÷0.2 - должна принимать значения от 0.25 до 0.5, т.е. находится в актуальном диапазоне для Р-НЕМТ гетероструктур. При значении мольной доли выше 0.5 наблюдается значительное рассеяние электронного газа на DX центрах, что приводит к снижению удельной выходной мощности СВЧ транзистора Шоттки.
x(z)
1-x(z)
y
1-y
x0
1-x0
0
x(z)
1-x(z)
1
0
2
0
+
На фиг. 2 представлен пример конкретной реализации транзисторной наногетероструктуры, демонстрирующий суть настоящей полезной модели. Р-НЕМТ транзисторная гетероструктура с переменным профилем состава барьерного слоя AlGaAs, выращивается методом молекулярно-лучевой эпитаксии при температуре роста слоев в диапазоне 580÷620°С. Она состоит из монокристаллической полуизолирующей подложки GaAs-1, далее следует буферный слой GaAs-2, квантовая яма/канал InGaAs с мольной долей у(In)=0.1÷0.3 - 3, спейсерный слой AlGaAs с мольной долей х(Al)=0.2÷0.3 - 4, дельта-слой доноров, кремния δ-Si - 5, барьерный слой AlGaAs с мольной долей х(Al), меняющейся от x=х+0.05÷0.2 до х=х-0.05÷0.2 от начала к концу роста слоя - 6 и контактный слой n-GaAs-7.
x(z)
1-x(z)
Для подтверждения заявленного эффекта были рассчитаны зависимости туннельного тока утечки транзистора от напряжения на затворе (фиг. 3). Для расчета были выбраны следующие параметры барьера AlGaAs: ширина 23 нм, а также:
0
1) х=0.28 - мольная доля алюминия в барьере постоянного состава
2
2
2) х=0.38, х=0.18 - мольная доля на границе квантовой ямы и на границе контактного слоя соответственно, в промежутке меняется по линейному закону.
Туннельный ток был рассчитан в относительных единицах с использованием метода ВКБ (Вентцеля-Крамерса-Бриллюэна) для напряжения на затворе в пределах -0.7÷0.5 В. Диапазон напряжений был выбран как характерный при работе Р-НЕМТ транзистора с барьером Шоттки. Результаты расчета показали, что ток утечки через варизонный барьер уменьшается по сравнению с барьером постоянного состава в 1.5 раза на 0.5 В и в 2.5 раза на -0.7 В.
Таким образом, применение данной полезной модели приводит к значительному уменьшению токов утечки при приложении напряжения на затвор и, как следствие, увеличению удельной выходной мощности СВЧ транзисторов Шоттки, изготовленных на ее основе.
Список используемых источников
1. W. Chang, S.-H. Oh, Н. Kim. А 60 GHz Medium Power Amplifier for Radio-over-Fiber System // ETRI journal, 2007, 29 (5), pp. 673-675.
2. G.B. Galiev, I.S. Vasilevskii, E.A. Klimov, V.G. Mokerov, A.A. Cherechukin. The effect of spacer-layer growth temperature on mobility in a two-dimensional electron gas in PHEMT structures // Semiconductors, 2006, 40 (12), pp. 1445-1449.
3. A.Yu Egorov., A.G. Gladyshev, E.V. Nikitina, D.V. Denisov, N.K. Polyakov, E.V. Pirogov, A.A. Gorbazevich. Double pulse doped InGaAs/AlGaAs/GaAs pseudomorphic high-electron-mobility transistor heterostructures // Semiconductors, 2010, 44 (7), pp. 919-923.
y(z)
1-y(z)
4. A.H. Виниченко, И.С. Васильевский, M.H. Стриханов, Н.И. Каргин, В.П. Гладков, М.М. Грехов. Технология и электронные свойства Р-НЕМТ AlGaAs/InGaAs/GaAs квантовых ям с переменным профилем состава // Физика и техника полупроводников, 2014, том 48, вып. 9, стр. 1258-1264.
5. А.В. Климова, В.М. Лукашин, А.Б. Пашковский. Поперечный пространственный перенос в полевых транзисторах на гетероструктурах с селективным легированием и границы применимости квазигидрадинамических моделей // Физика и техника полупроводников, 2009, том 43, вып. 1, стр. 113-118.
6. L.J. Kushner. Estimating power amplifier large signal gain // Microwave journal, 1990, pp. 87-102.
7. В.М. Лукашин, А.Б. Пашковский, К.С.Журавлев, А.И. Торопов, В.Г. Лапин, А.Б. Соколов. Уменьшение роли поперечного пространственного переноса электронов и рост выходной мощности гетероструктурных полевых транзисторов // Письма в ЖТФ, 2012, том 38, вып. 17, стр. 84-89.