[1]Изобретение относится к электронной технике СВЧ, в частности к полупроводниковым гетероструктурам для электронной техники, прежде всего для мощных полевых транзисторов СВЧ.
[2]Как известно, полупроводниковые структуры арсенида галлия (GaAs) до недавнего времени являлись основными полупроводниковыми структурами для полевых транзисторов СВЧ.
[3]Быстродействие таких полевых транзисторов с субмикронными длинами канала составляет 10-12 ГГц.
[4]Существенный прогресс в части повышения быстродействия обеспечило изобретение так называемых транзисторов с высокой электронной подвижностью (НЕМТ - High Electron Mobility Transistor), активная область которых состоит из легированного широкозонного и нелегированного узкозонного слоев полупроводниковой гетероструктуры.
[5]Это обеспечивает существенное увеличение быстродействия таких полевых транзисторов (до 100 ГГц и более).
[6]Известен полевой транзистор СВЧ (полевой транзистор) на полупроводниковой гетероструктуре, содержащий высокоомную подложку и, по меньшей мере, один слой широкозонного и один слой узкозонного полупроводниковых материалов с согласованными или несогласованными кристаллическими решетками, а также электроды истока, затвора и стока, расположенные на наружной поверхности полупроводникового материала, в котором с целью улучшения линейности характеристик полевого транзистора и уменьшения влияния флуктуации концентрации и подвижности носителей тока в канале полевого транзистора на параметры его эквивалентной схемы, а также снижения модуляционных шумов СВЧ-устройств на упомянутых транзисторах часть слоя полупроводникового материала, расположенная на расстоянии от электрода затвора, превышающем 30 нм, выполнена с концентрацией легирующей примеси, большей 3×1017 см-3, и поверхностной плотностью этой примеси, большей 1012 см-2, а средняя концентрация легирующей примеси между упомянутой частью слоя полупроводникового материала и электродом затвора не превышает 3×1017 см-3 [1].
[7]Известна полупроводниковая наногетероструктура InAlAs/InGaAs с метаморфным буферным слоем, включающая монокристаллическую полуизолирующую подложку GaAs, сверхрешетку AlGaAs/GaAs, буферный слой GaAs, метаморфный буферный слой InxAl1-xAs, инверсный слой InxAl1-xAs, залечивающий слой с однородным составом Inx4′Al1-x4′As, активную область InAlAs/InGaAs с высоким содержанием InAs (более 70%), согласованную по параметру решетки с залечивающим слоем, в которой с целью уменьшения плотности дислокаций (дефектов), проникающих в активную область, содержание InAs x по толщине в инверсном слое InxAl1-xAs плавно уменьшается от x4 до x4′, где x4-х4′=0,03÷0,08, содержание InAs x по толщине в метаморфном буферном слое увеличивается линейно от x1 до x4, где x1~0, x4≥0,75, внутрь метаморфного буферного слоя на равных расстояниях друг от друга и от его границ вводятся два инверсных слоя InxAl1-xAs с плавным уменьшением содержания InAs x по толщине на Δх=0,03÷0,06, за каждым из которых следует залечивающий слой с составом, совпадающим с финальным составом инверсного слоя, толщина метаморфного буферного слоя 1,0÷1,5 мкм [2].
[8]Недостатком полевого транзистора СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре как первого, так и второго аналогов является большой разброс электрических параметров полевых транзисторов по площади полупроводниковой гетероструктуры из-за неоднородности по толщине полупроводниковой гетероструктуры в области электрода затвора, неизбежно возникающей в процессе операции ее утонения в этой области.
[9]Известна полупроводниковая гетероструктура, которая содержит на монокристаллической полуизолирующей подложке арсенида галлия следующую прямую последовательность слоев:
[10]буферный слой - сверхрешетка GaAs/AlGaAs,
[11]канальный слой - InGaAs,
[12]спейсерный слой - AlGaAs,
[14]донорный слой - n-AlGaAs, легированный
[16]донорный слой - n-GaAs,
[18]контактный слой - n-GaAs [3, прототип].
[19]Наличие в полупроводниковой гетероструктуре прототипа стоп-слоев из n-InGaP и AlAs позволяет устранить недостаток аналогов и обеспечивает в процессе изготовления полевого транзистора относительно однородное утонение толщины полупроводниковой гетероструктуры в области электрода затвора полевого транзистора и, как следствие, увеличение выхода годных.
[20]Однако данная полупроводниковая гетероструктура в силу несовершенства структуры и характеристик ее слоев не обеспечивает получение мощных полевых транзисторов СВЧ.
[21]Техническим результатом изобретения является повышение выхода годных полупроводниковых гетероструктур путем снижения плотности дефектов, повышение выходной мощности и выхода годных полевых транзисторов СВЧ, расширение диапазона рабочих частот.
[22]Указанный технический результат достигается заявленной полупроводниковой гетероструктурой для мощного полевого транзистора СВЧ, содержащей на монокристаллической полуизолирующей подложке арсенида галлия заданную последовательность слоев каждый с заданными функциональными свойствами и характеристиками.
[23]Полупроводниковая гетероструктура выполнена в виде прямой последовательности следующих слоев:
[24]буферный слой - GaAs, толщиной (150-400) нм,
[25]донорный слой - GaAs, толщиной (2-3) нм, легированный кремнием с концентрацией (6-8)×1018 см-3,
[26]спейсерный слой - GaAs, толщиной (2-5) нм,
[27]канальный слой - InyGa1-yAs, толщиной (8-12) нм, с содержанием химических элементов при у, равном (0,21-0,28),
[28]спейсерный слой - AlxGa1-xAs, толщиной (2-5) нм, с содержанием химических элементов при x, равном (0,20-0,24),
[29]донорный слой - AlxGa1-xAs, толщиной (3-6) нм, легированный кремнием с концентрацией (5-8)×1018 см-3, с содержанием химических элементов при х, равном (0,20-0,24),
[30]барьерный слой - AlxGa1-xAs, толщиной (10-30) нм, с содержанием химических элементов при x, равном (0,20-0,24),
[31]стоп-слой - InyGa1-yP, толщиной (2-4) нм, с содержанием химических элементов при у, равном (0,48-0,51),
[32]барьерный слой - AlxGa1-xAs, толщиной 10-20 нм, с содержанием химических элементов при x, равном (0,20-0,24),
[33]градиентный слой AlxGa1-xAs, толщиной (8-12) нм, легированный кремнием с концентрацией (3-5)×1018 см-3, с содержанием химических элементов при х, равном (0,20-0,24), с линейным изменением х до ноля по толщине слоя со стороны полуизолирующей подложки арсенида галлия,
[34]контактный слой - GaAs из двух частей - нижней, толщиной (30-50) нм, легированной кремнием с концентрацией (3-5)×1018 см-3, верхней, толщиной (10-20) нм, легированной кремнием с концентрацией (8-10)×1018 см-3, причем количественный состав упомянутых полупроводниковых слоев выражен в мольных долях.
[35]Заданными характеристиками слоев полупроводниковой структуры являются последовательность расположения слоев, толщина, состав - качественный и количественный, концентрация легирующей примеси.
[36]Раскрытие сущности изобретения
[37]Совокупность существенных признаков заявленной полупроводниковой гетероструктуры, а именно:
[38]совокупность заявленных функциональных слоев и последовательность их расположения в полупроводниковой гетероструктуре, равно как
[39]совокупность характеристик каждого из слоев полупроводниковой гетероструктуры (толщины слоя, состава - качественного и количественного, концентрации легирующей примеси) обеспечит, а именно:
[40]Наличие буферного слоя GaAs является барьером для проникновения примесей из подложки в полупроводниковую гетероструктуру и тем самым обеспечит:
[41]во-первых, снижение плотности дефектов,
[42]во-вторых, снижение токов утечки в полевом транзисторе и, как следствие, повышение его выходной мощности.
[43]Выполнение канального слоя InyGa1-yAs в совокупности с другими слоями полупроводниковой гетероструктуры, которые выполнены из одного материала с полупроводниковой подложкой из арсенида галлия (GaAs), обеспечивает высокую работоспособность и максимальное снижение механических напряжений полупроводниковой гетероструктуры и тем самым снижение плотности дефектов и, как следствие, повышение выхода годных полупроводниковых гетероструктур.
[44]Расположение двух донорных широкозонных слоев GaAs, легированных кремнием (Si), по обе стороны канального узкозонного слоя - InyGa1-yAs, и при этом разнесение их посредством нелегированных широкозонных спейсерных слоев GaAs и AlxGa1-xAs обеспечивает разделение в пространстве основных носителей (электронов) и легирующей примеси кремния и тем самым обеспечивает:
[45]во-первых, максимально высокую концентрацию электронов в канале полевого транзистора и
[46]во-вторых, максимально возможную скорость их пролета и тем самым минимально достижимое время переключения полевого транзистора и, как следствие, повышение верхней границы частотного диапазона и соответственно расширение диапазона рабочих частот полевого транзистора СВЧ.
[47]Наличие в полупроводниковой гетероструктуре двух барьерных слоев обеспечивает, а именно:
[48]барьерного слоя AlxGa1-xAs толщиной (10-30) нм в совокупности со стоп-слоем InyGa1-yP - формирование диэлектрического слоя в области электрода затвора с оптимальными значениями толщины и пробивного напряжения и тем самым заданный диапазон рабочих напряжений на электроде затвора полевого транзистора и
[49]барьерного слоя AlxGa1-xAs толщиной (10-20) нм - исключение проникновения легирующей примеси атомов кремния в упомянутые барьерный слой и стоп-слой и тем самым уменьшение токов утечки электрода затвора полевого транзистора.
[50]И, как следствие того и другого, повышение выходной мощности полевого транзистора СВЧ.
[51]Более того, наличие стоп-слоя InyGa1-yP обеспечивает:
[52]во-первых, практически полное согласование его кристаллической решетки со всеми слоями, имеющими состав AlxGa1-xAs, и тем самым значительное снижение механических напряжений в полупроводниковой гетероструктуре и, как следствие, снижение плотности дефектов в ней,
[53]во-вторых, максимально точное заданное значение толщины полупроводниковой гетероструктуры и снижение ее разброса в области электрода затвора полевого транзистора и, как следствие, повышение его выходной мощности.
[54]И, как следствие первого и второго, повышение выхода годных полевых транзисторов СВЧ.
[55]Наличие градиентного слоя AlxGa1-xAs обеспечивает минимизацию механических напряжений и тем самым снижение плотности дефектов в полупроводниковой гетероструктуре и, как следствие, повышение выхода годных.
[56]Наличие контактного слоя GaAs из двух частей обеспечивает низкое контактное сопротивление с металлизационным покрытием электродов истока и стока полевого транзистора и, как следствие, повышение его выходной мощности.
[57]Выполнение буферного слоя GaAs толщиной как менее 150 нм, так и более 400 нм нежелательно, в первом случае из-за повышения уровня фонового легирования выше расположенных слоев полупроводниковой гетероструктуры, что приводит к повышению токов утечки электрода затвора полевого транзистора и соответственно снижению выходной мощности, во-втором - из-за повышения плотности дефектов полупроводниковой гетероструктуры.
[58]Выполнение донорного слоя GaAs:
[59]а) толщиной менее 2 нм недопустимо из-за диффузионного размытия профиля распределения легирующей примеси кремния и соответственно невозможности получения заданной концентрации легирования, а более 3 нм из-за увеличения плотности дефектов полупроводниковой гетероструктуры и соответственно снижения выхода годных,
[60]б) легированного кремнием с концентрацией как менее 6×1018 см-3, так и более 8×1018 см-3 не желательно, в первом случае из-за снижения концентрации электронов в канале полевого транзистора и соответственно снижения выходной мощности, во втором - из-за увеличения плотности дефектов полупроводниковой гетероструктуры и соответственно снижения выхода годных.
[61]Выполнение спейсерного слоя GaAs толщиной как менее 2 нм, так и более 5 нм не желательно, в первом случае из-за снижения подвижности электронов в канале полевого транзистора и соответственно снижения верхней границы частотного диапазона и сужения диапазона рабочих частот полевого транзистора, во втором - из-за снижения концентрации электронов в канале полевого транзистора и соответственно снижения выходной мощности.
[62]Выполнение канального слоя InyGa1-yAs:
[63]а) толщиной менее 8 нм и более 12 нм, равно как и
[64]б) с содержанием химических элементов при у как менее 0,21, так и более 0,28 не желательно, в первых случаях (а, б) из-за снижения подвижности электронов в канале полевого транзистора и соответственно снижения верхней границы частотного диапазона и сужения диапазона рабочих частот полевого транзистора, во вторых - из-за возникновения значительных механических напряжений в полупроводниковой гетероструктуре и соответственно роста плотности дефектов и соответственно снижения выхода годных.
[65]Выполнение спейсерного слоя AlxGa1-xAs:
[66]а) толщиной как менее 2 нм, так и более 5 нм не желательно, в первом случае из-за снижения подвижности электронов в канале полевого транзистора и соответственно снижения верхней границы частотного диапазона и сужения диапазона рабочих частот полевого транзистора, во втором - из-за увеличения плотности дефектов полупроводниковой гетероструктуры и снижения концентрации электронов в канале полевого транзистора и соответственно снижения выхода годных полупроводниковых гетероструктур и снижения выходной мощности полевого транзистора СВЧ,
[67]б) с содержанием химических элементов при x как менее 0,20, так и более 0,24 не желательно, в первом случае из-за снижения концентрации электронов в канале полевого транзистора и соответственно снижения выходной мощности, во втором - из-за возникновения значительных механических напряжений в полупроводниковой гетероструктуре и соответственно роста плотности дефектов и соответственно снижения выхода годных.
[68]Выполнение донорного слоя AlxGa1-xAs:
[69]а) толщиной как менее 3 нм, так и более 6 нм недопустимо, в первом случае из-за диффузионного размытия профиля распределения легирующей примеси кремния и соответственно невозможности воспроизводимого управления легированием донорного слоя, во втором - из-за увеличения толщины области под электродом затвора полевого транзистора и соответственно снижения выходной мощности,
[70]б) легированного кремнием с концентрацией как менее 5×1018 см-3, так и более 8×1018 см-3 не желательно, в первом случае из-за снижения концентрации электронов в канале полевого транзистора и соответственно снижения выходной мощности, во втором - из-за увеличения плотности дефектов полупроводниковой гетероструктуры и соответственно снижения выхода годных,
[71]в) с содержанием химических элементов при x как мене 0,20, так и более 0,24 не желательно, в первом случае из-за снижения концентрации электронов в канале полевого транзистора и соответственно снижения выходной мощности, во втором - из-за возникновения значительных механических напряжений в полупроводниковой гетероструктуре и соответственно роста плотности дефектов и соответственно снижения выхода годных.
[72]Выполнение барьерного слоя AlxGa1-xAs:
[73]а) толщиной как менее 10 нм, так и более 30 нм, недопустимо, в первом случае из-за вероятности короткого замыкания электрод затвора - канал полевого транзистора, во втором - из-за увеличения толщины области под электродом затвора и соответственно снижения его выходной мощности,
[74]б) с содержанием химических элементов при x как менее 0,20, так и более 0,24 не желательно из-за возникновения значительных механических напряжений в полупроводниковой гетероструктуре и соответственно роста плотности дефектов и соответственно снижения выхода годных.
[75]Выполнение стоп-слоя InyGa1-yP:
[76]а) толщиной как менее 2 нм, так и более 4 нм недопустимо, в первом случае из-за его функциональной неэффективности, во втором - из-за увеличения плотности дефектов в полупроводниковой гетероструктуре и увеличения толщины области под электродом затвора полевого транзистора и соответственно снижения выхода годных и выходной мощности,
[77]б) с содержанием химических элементов при у как менее 0,48, так и более 0,51, не желательно из-за возникновения значительных механических напряжений в полупроводниковой гетероструктуре и соответственно роста плотности дефектов и соответственно снижения выхода годных.
[78]Выполнение барьерного слоя AlxGa1-xAs:
[79]а) толщиной как менее 10 нм, так и более 20 нм недопустимо, в первом случае из-за его функциональной неэффективности, во втором - из-за увеличения плотности дефектов полупроводниковой гетероструктуры и соответственно снижения выхода годных,
[80]б) с содержанием химических элементов при x как менее 0,20, так и более 0,24 не желательно из-за возникновения значительных механических напряжений в полупроводниковой гетероструктуре и соответственно роста плотности дефектов и соответственно снижения выхода годных.
[81]Выполнение градиентного слоя AlxGa1-xAs,
[82]а) толщиной как менее 8 нм, так и более 12 нм недопустимо из-за резкого увеличения плотности дефектов полупроводниковой гетеростркутуры и соответственно снижения выхода годных,
[83]б) легированного кремнием с концентрацией как менее 3×1018 см-3, так и более 5×1018 см-3, равно как и нижней части контактного слоя недопустимо, в первом случае из-за увеличения паразитных сопротивлений и снижения выходной мощности, во втором - из-за увеличения плотности дефектов полупроводниковой гетероструктуры и соответственно снижения выхода годных,
[84]в) с содержанием химических элементов при x как менее 0,20, так и более 0,24 не желательно из-за возникновения значительных механических напряжений в полупроводниковой гетероструктуре и соответственно роста плотности дефектов и соответственно снижения выхода годных.
[85]Выполнение контактного слоя GaAs из двух частей -
[86]нижней - толщиной менее 30 нм, недопустимо из-за функциональной неэффективности, а более 50 нм - из-за увеличения плотности дефектов полупроводниковой гетероструктуры и соответственно снижения выхода годных,
[87]верхней - толщиной менее 10 нм и концентрацией кремния менее 8×1018 см-3, равно как толщиной более 20 нм и концентрацией более 10×1018 см-3, недопустимо, в первом случае из-за увеличения контактного сопротивления с металлизационным контактным покрытием полевого транзистора и соответственно увеличения его паразитных сопротивлений и соответственно снижения выходной мощности, во втором - из-за увеличения плотности дефектов полупроводниковой гетероструктуры и соответственно снижения выхода годных.
[88]Итак, совокупность существенных признаков заявленной полупроводниковой гетероструктуры для мощного полевого транзистора СВЧ в полной мере обеспечит указанный технический результат - повышение выхода годных полупроводниковой гетероструктуры путем снижения плотности дефектов, повышение выходной мощности, расширение диапазона рабочих частот полевого транзистора СВЧ и повышение его выхода годных.
[89]Изобретение поясняется чертежом.
[90]На фиг. 1 дана топология структуры заявленной полупроводниковой гетероструктуры для мощного полевого транзистора СВЧ, где:
[91]монокристаллическая полуизолирующая подложка арсенида галлия - 1,
[92]буферный слой GaAs - 2,
[93]донорный слой GaAs - 3,
[94]спейсерный слой GaAs - 4,
[95]канальный слой InyGa1-yAs - 5,
[96]спейсерный слой AlxGa1-xAs - 6,
[97]донорный слой AlxGa1-xAs - 7,
[98]барьерный слой AlxGa1-xAs - 8,
[99]стоп-слой InyGa1-yP - 9,
[100]барьерный слой AlxGa1-xAs - 10
[101]градиентный слой AlxGa1-xAs - 11,
[102]контактный слой GaAs - 12 из двух частей.
[103]Примеры конкретного выполнения заявленной полупроводниковой гетероструктуры для мощного полевого транзистора СВЧ
[105]На монокристаллической полуизолирующей подложке арсенида галлия 1 GaAs-S-INS-EPD1000-T62(76,2)M/LE-AV-LM Hitachi Gable толщиной 650 мкм посредством газофазной эпитаксии на установке (AIX 2400 G3) в едином технологическом цикле выращивают прямую последовательность слоев заявленной полупроводниковой гетероструктуры:
[106]буферный слой GaAs, толщиной 275 нм,
[107]донорный слой GaAs, толщиной 2,5 нм, легированный кремнием, с концентрацией 7×1018 см-3,
[108]спейсерный слой GaAs, толщиной 3,5 нм,
[109]канальный слой InyGa1-yAs, толщиной 10 нм, с содержанием химических элементов при y, равном 0,245,
[110]спейсерный слой AlxGa1-xAs, толщиной 3,5 нм, с содержанием химических элементов при x, равном 0,22,
[111]донорный слой AlxGa1-xAs, толщиной 4,5 нм, легированный кремнием с концентрацией 6,5×1018 см-3, с содержанием химических элементов при x, равном 0,22,
[112]барьерный слой AlxGa1-xAs, толщиной 20 нм, с содержанием химических элементов при x, равном 0,22,
[113]стоп-слой InyGa1-yP, толщиной 3 нм, с содержанием химических элементов при y, равном 0,495,
[114]барьерный слой AlxGa1-xAs, толщиной 15 нм, с содержанием химических элементов при x, равном 0,22,
[115]градиентный слой AlxGa1-xAs, толщиной 10 нм, легированный кремнием с концентрацией 4×1018 см-3, с содержанием химических элементов при x, равном 0,22,
[116]контактный слой GaAs из двух частей, нижней - толщиной 40 нм, легированной кремнием с концентрацией 4×1018 см-3, верхней - толщиной 15 нм, легированной кремнием с концентрацией 9×1018 см-3.
[118]Изготовлены образцы заявленной полупроводниковой гетероструктуры аналогично примеру 1, но при других характеристиках слоев (количественном составе, толщине и концентрации легирования кремнием), как согласно формуле изобретения (примеры 2-3), так и за ее пределами (примеры 4-5).
[119]Пример 6 соответствует образцу прототипа.
[120]На изготовленных образцах полупроводниковой гетероструктуры была измерена плотность дефектов с размером 0,2-1,6 мкм и 1,6-63,0 мкм на установке Surfscan 6220 согласно технологической карте КРПГ.57802.00046.
[121]Изготовленные образцы полупроводниковой гетероструктуры были использованы для изготовления мощных полевых транзисторов СВЧ.
[122]На изготовленных образцах мощных полевых транзисторов СВЧ была измерена выходная мощность на рабочей частоте 10 ГГц.
[123]Данные сведены в таблицу.
[124]Как видно из таблицы:
[125]1. Образцы полупроводниковой гетероструктуры, изготовленные согласно заявленной формуле изобретения, имеют плотность дефектов от 1,51 см-2 до 5,58 см-2 размером дефектов (0,2-1,6) мкм и от 1,07 см-2 до 6,44 см-2 размером дефектов (1,6-63,0) мкм (примеры 1-3)
[126]в отличие от образцов, изготовленных за пределами, указанными в формуле изобретения, плотность дефектов которых составляет от 95,6 см-2 до 577,0 см-2 размером дефектов (0,2-1,6) мкм и от 116,0 см-2 до 992,0 см-2 размером дефектов (1,6-63,0) мкм (примеры 4-5),
[127]плотность дефектов образца прототипа - 35,5 см-2 размером дефектов (0,2-1,6) мкм и 46,7 см-2 размером дефектов (1,6-63,0) мкм.
[128]2. Мощные полевые транзисторы СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре, изготовленной согласно заявленной формуле изобретения, имеют выходную мощность порядка 1,2 Вт/мм (примеры 1-3) в отличие от образцов - за пределами, указанными в формуле изобретения, выходная мощность которых порядка 0,8 и 0,3 Вт/мм (примеры 4-5 соответственно).
[129]Данные относительно выходной мощности прототипа отсутствуют.
[130]Таким образом, заявленная полупроводниковая гетероструктура для полевых транзисторов СВЧ обеспечит по сравнению с прототипом
[131]во-первых, повышение выхода годных полупроводниковых гетероструктур путем снижения плотности дефектов примерно в (6-23) и (7-43) раза в обеих группах размеров дефектов соответственно,
[132]во-вторых, повышение выходной мощности полевых транзисторов СВЧ примерно до 1,2 Вт/мм, что на сегодня является хорошим результатом.
[133]Источники информации
[134]1. Патент РФ №2093924, МПК H01L 29/772, приоритет 10.03.1993 г., опубл. 20.10.1997 г.
[135]2. Патент РФ №2474924, МПК H01L 29/737, В82В 1/00, приоритет 08.08.2011 г., опубл. 10.02.2013 г.
[136]3. Патент США 2005/0263789 А1, МПК H01L 31/0328, кл. 257/194, опубл. 01.12.2005 г., - прототип.
[137]
[138]
