[1]Изобретение относится к электронной технике СВЧ, в частности к способам изготовления полупроводниковых гетероструктур, предназначенных, 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 полупроводниковых гетероструктур, представляющих собой последовательность слоев, активная область которых состоит из легированных широкозонных и нелегированных узкозонных слоев.
[5]Это обеспечивает существенное увеличение быстродействия таких полевых транзисторов (до 100 ГГц и более).
[6]Известен способ эпитаксиального выращивания слоев полупроводниковых соединений типа III-V, в том числе эпитаксиальных структур, плазмохимический, в котором с целью повышения качества и расширения функциональных возможностей в вакуумной камере, в которой поддерживается плазма при таких значениях плотности и давления, при которых частицы газов и металлов диффузно распространяются в плазменной области, испаряют по меньшей мере один металл, активируют частицы газа и металла, затем осуществляют реакции между парами металлов и высокоактивными газами неметаллических элементов, в результате которых на нагретой подложке, погруженной в плазму, выращивают слой полупроводникового соединения [1].
[7]Данный способ отличается высокой плотностью дефектов полупроводниковой гетероструктуры, обусловленной наличием в газовой фазе плазмы, приводящей к нарушению поверхности полупроводниковой гетероструктуры и соответственно низкому выходу годных.
[8]Известен способ изготовления полупроводниковой структуры молекулярно-лучевой эпитаксией, основанный на испарении напыляемых материалов из твердого состояния, включающий формирование легированного слоя путем резистивного нагрева электрическим током источника материала, легированного примесью, в котором с целью повышения качества полупроводниковых структур формирование легированного слоя полупроводниковой структуры осуществляют одновременным испарением основного нелегированного материала и основного материала, легированного примесью.
[9]При формировании легированного слоя полупроводниковой структуры поддерживают постоянной плотность потока основного материала путем подбора электрического тока, пропускаемого через источник этого материала, и электрического тока, пропускаемого через источник материала, легированного примесью.
[10]При уменьшении или увеличении тока через источник нелегированного материала соответственно увеличивают или уменьшают электрический ток через источник материала, легированного примесью [2] - прототип.
[11]Данный способ - молекулярно-лучевой эпитаксии по сравнению с первым аналогом (плазмохимическим способом) обеспечивает снижение плотности дефектов, обусловленных наличием плазмы.
[12]Однако данный способ в силу использования метода резистивного нагрева, приводящего к нестабильности во времени испарения напыляемых материалов, отличается низкой воспроизводимостью параметров и соответственно низким выходом годных.
[13]Техническим результатом изобретения является повышение выхода годных путем обеспечения воспроизводимости заданных функциональных свойств и характеристик слоев полупроводниковой гетероструктуры и повышение выходной мощности и выхода годных полевых транзисторов СВЧ.
[14]Указанный технический результат достигается заявленным способом изготовления полупроводниковой гетероструктуры для мощного полевого транзистора СВЧ, включающим расположение предварительно обработанной монокристаллической полуизолирующей подложки арсенида галлия на подложкодержатель в реакторе газофазной эпитаксии, запуск газа-носителя - водорода, нагрев подложкодержателя до рабочей температуры, запуск ростовых технологических газов и последующее наращивание в едином технологическом цикле последовательности слоев заданной полупроводниковой гетероструктуры, в котором каждый из последовательности слоев заданной полупроводниковой гетероструктуры наращивают при следующих технологических режимах -
[15]буферный слой GaAs при температуре (550-580)°C, потоке технологических газов, ммоль/с: арсина (1,11-1,13), триметилгаллия (0,065-0,067), в течение (560-1480) с,
[16]донорный слой n+-GaAs при температуре (605-615)°C, потоке технологических газов, ммоль/с: арсина (2,45-2,47), триметилгаллия (0,125-0,127), моносилана (0,004-0,006), в течение (5-7) с,
[17]спейсерный слой GaAs при температуре (605-615)°C, потоке технологических газов, ммоль/с: арсина (4,01-4,03), триметилгаллия (0,125-0,127), в течение (8-12) с,
[18]канальный слой InyGa1-yAs при температуре (605-615)°C, потоке технологических газов, ммоль/с: арсина (4,01-4,03), триметилгаллия (0,071-0,073), триметилиндия (0,047-0,049), в течение (16-24) с,
[19]спейсерный слой AlxGa1-xAs при температуре (620-630)°C, потоке технологических газов, ммоль/с: арсина (5,35-5,37), триметилгаллия (0,115-0,117), триметилалюминия (0,015-0,019), в течение (4-8) с,
[20]донорный слой n+-AlxGa1-xAs при температуре (620-630)°C, потоке технологических газов, ммоль/с: арсина (5,35-5,37), триметилгаллия (0,115-0,117), триметилалюминия (0,015-0,019), моносилана (0,010-0,014), в течение (7-13) с,
[21]барьерный слой AlxGa-1-xAs при температуре (620-630)°C, потоке технологических газов, ммоль/с: арсина (5,35-5,37), триметилгаллия (0,115-0,117), триметилалюминия (0,015-0,019), в течение (7-30) с,
[22]стоп-слой InzGa1-zP при температуре (620-630)°C, потоке технологических газов, ммоль/с: триметилгаллия (0,052-0,054), триметилиндия (0,077-0,081), фосфина (17,8-18,0), в течение (10-13) с,
[23]барьерный слой AlxGa1-xAs при температуре (620-63 0)°C, потоке технологических газов, ммоль/с: арсина (5,35-5,37), триметилгаллия (0,115-0,117), триметилалюминия (0,015-0,019), в течение (42-78) с,
[24]градиентный слой n+-AlxGa1-xAs при температуре (620-630)°C, потоке технологических газов, ммоль/с: арсина (5,35-5,37), триметилгаллия (0,115-0,117), монотонном, линейном уменьшении триметилалюминия от (0,015-0,019) до ноля, моносилана (0,004-0,006), в течение (18-26) с,
[25]контактный слой n+-GaAs из двух частей - нижней и верхней при температуре (620-630)°C, потоке технологических газов, ммоль/с: арсина (5,35-5,37), триметилгаллия (0,115-0,117), моносилана нижней части - (0,004-0,006), верхней - (0,009-0,011), в течение - нижней части (112-188) с, верхней - (38-74) с,
[26]причем в соответствующем упомянутом слое содержание химических элементов x, y, z определяются неравенствами 0,2≤x≤0,24, 0,2≤у≤0,28, 0,48≤z≤0,51 соответственно,
[27]наращивание проводят при потоке газа-носителя - водорода, ммоль/с (10,2-12,20).
[28]Раскрытие сущности изобретения.
[29]Совокупность существенных признаков заявленного способа изготовления полупроводниковой гетероструктуры, а именно совокупность указанных технологических режимов при наращивании каждого из последовательности полупроводниковых слоев заданной полупроводниковой гетероструктуры, в совокупности с собственно последовательностью их наращивания обеспечивает:
[30]во-первых, заданные функциональные свойства и характеристики - толщину слоев, состав - качественный и количественный, концентрацию легирующей примеси заданной полупроводниковой гетероструктуры,
[31]во-вторых, снижение плотности дефектов в буферном GaAs, канальном InyGa1-yAs, стоп-слое - InzGa1-zP, градиентном AlxGa1-xAs слоях, при этом в каждом из указанных слоев в силу различных причинно-следственных связей и, как следствие этого, - повышение выхода годных.
[32]в-третьих, снижение токов утечки в полевом транзисторе СВЧ благодаря наращиванию указанным образом буферного GaAs, барьерного AlxGa1-xAs слоев полупроводниковой гетероструктуры и, как следствие, - повышение выходной мощности.
[33]Указанные диапазоны температуры и потоков технологических газов для роста слоев полупроводниковой гетероструктуры являются оптимальными для обеспечения
[34]а) низкой плотности дефектов,
[35]б) резкого профиля легирования полупроводниковой гетероструктуры,
[36]в) заданного элементного состава химического соединения слоев полупроводниковой гетероструктуры.
[37]Указанные диапазоны времени роста слоев полупроводниковой гетероструктуры являются оптимальными для обеспечения заданных толщин слоев полупроводниковой гетероструктуры.
[38]Указанные диапазоны содержания химических элементов x, y, z обеспечивают минимальные механические напряжения в каждом из соответствующих слоев и тем самым снижение плотности дефектов и, как следствие, - повышение выхода годных полупроводниковых гетероструктур и выхода годных полевых транзисторов СВЧ.
[39]Наращивание каждого из указанных слоев полупроводниковой гетероструктуры при температуре роста как ниже, так и выше указанного диапазона температур недопустимо, в первом случае - из-за увеличения плотности дефектов, во втором - из-за диффузионного размытия профиля легирования.
[40]Наращивание каждого из указанных слоев полупроводниковой гетероструктуры при значениях потоков технологических газов как ниже, так и выше указанного их диапазона недопустимо из-за увеличения плотности дефектов и отклонения от заданного элементного состава.
[41]Наращивание каждого из указанных слоев полупроводниковой гетероструктуры при нарушении указанных значений временного диапазона недопустимо из-за не обеспечения заданных толщин слоев полупроводниковой гетероструктуры.
[42]Наращивание каждого из указанных слоев полупроводниковой гетероструктуры при выходе в них содержания химических элементов за указанные пределы не допустимо из-за резкого увеличения механических напряжений.
[43]Итак, совокупность существенных признаков заявленного способа изготовления полупроводниковой гетероструктуры для мощного полевого транзистора СВЧ в полной мере обеспечит указанный технический результат - снижение плотности дефектов и повышение выхода годных полупроводниковой гетероструктуры, повышение выходной мощности, полевого транзистора СВЧ и выхода его годных.
[44]Примеры конкретной реализации заявленного способа изготовления полупроводниковой гетероструктуры для мощного полевого транзистора СВЧ.
[46]На монокристаллической полуизолирующей подложке арсенида галлия GaAs-S-INS-EPD1000-T62(76,2)M/LE-AV-LM Hitachi Gable толщиной 650 мкм посредством метода газофазной эпитаксии на установке (AIX 2400 G3) в едином технологическом цикле выращивают прямую последовательность слоев заявленной полупроводниковой гетероструктуры -
[47]буферный слой GaAs при температуре 565°C, потоке технологических газов, ммоль/с: арсина 1,12, триметилгаллия 0,066, в течение 1200 с,
[48]донорный слой n+-GaAs при температуре 610°C, потоке технологических газов, ммоль/с: арсина 2,46, триметилгалли 0,126, моносилана 0,005, в течение 6 с,
[49]спейсерный слой GaAs при температуре 610°C, потоке технологических газов, ммоль/с: арсина 4,02, триметилгаллия 0,126, в течение 10 с,
[50]канальный слой InyGa1-yAs при температуре 610°C, потоке технологических газов, ммоль/с: арсина 4,02, триметилгаллия 0,072, триметилиндия 0,048, в течение 20 с, при у, равном 0,24,
[51]спейсерный слой AlxGa1-xAs при температуре 625°C, потоке технологических газов, ммоль/с: арсина 5,36, триметилгаллия 0,116, триметилалюминия 0,017, в течение 6 с, при x, равном 0,22,
[52]донорный слой n+-AlxGa1-xAs при температуре 625°C, потоке технологических газов, ммоль/с: арсина 5,36, триметилгаллия 0,116, триметилалюминия 0,017, моносилана 0,012, в течение 10 с, при х, равном 0,22,
[53]барьерный слой AlxGa1-xAs при температуре 625°C, потоке технологических газов, ммоль/с: арсина 5,36, триметилгаллия 0,116, триметилалюминия 0,017, в течение 18 с, при x, равном 0,22,
[54]стоп-слой InzGai-zP при температуре 625°C, потоке технологических газов, ммоль/с: триметилгаллия 0,053, триметилиндия 0,079, фосфина 17,9, в течение 11 с, при z, равном 0,49,
[55]барьерный слой AlxGa1-xAs при температуре 625°C, потоке технологических газов, ммоль/с: арсина 5,36, триметилгаллия 0,116, триметилалюминия 0,017, в течение 60 с, при x, равном 0,22,
[56]градиентный слой n+-AlxGa1-xAs при температуре 625°C, потоке технологических газов, ммоль/с: арсина 5,36, триметилгаллия 0,116, монотонном, линейном уменьшении триметилалюминия от 0,017 до ноля, моносилана 0,005, в течение 22 с, при x, равном 0,22,
[57]контактный слой n+-GaAs из двух частей - нижней и верхней при температуре 625°C, потоке технологических газов, ммоль/с: арсина 5,36, триметилгаллия 0,116, моносилана нижней части - 0,005, верхней - 0,010, в течение - нижней части 150 с, верхней - 56 с,
[58]причем для всех упомянутых слоев при потоке газа-носителя - водорода, ммоль/с, 11,2.
[60]Изготовлены образцы заявленной полупроводниковой гетероструктуры аналогично примеру 1, но при других параметрах технологических режимов наращивания слоев полупроводниковой гетероструктуры, согласно формуле изобретения (примеры 2-3) и за ее пределами (примеры 4-5).
[61]На изготовленных образцах полупроводниковой гетероструктуры была измерена плотность дефектов размером 0,2-1,6 мкм и 1,6-63,0 мкм на установке Surfscan 6220 согласно технологической карте КРПГ.57802.00046.
[62]Изготовленные образцы полупроводниковой гетероструктуры были использованы для изготовления мощных полевых транзисторов СВЧ.
[63]На изготовленных образцах мощных полевых транзисторов СВЧ была измерена выходная мощность на рабочей частоте 10 ГГц.
[64]Данные сведены в таблицы 1-5, в каждой из которых отражены данные технологического режима соответственно примеру конкретной реализации заявленного способа изготовления полупроводниковой гетероструктуры.
[65]Как видно из таблицы:
[66]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)
[67]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),
[68]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.
[69]2. Мощные полевые транзисторы СВЧ, изготовленные 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).
[70]Данные относительно выхода годных прототипа отсутствуют.
[71]Таким образом, способ изготовления заявленной полупроводниковой гетероструктуры для полевых транзисторов СВЧ обеспечит по сравнению с прототипом снижение плотности дефектов примерно в (6-23) и (7-43) раза в обеих группах размеров дефектов соответственно.
[72]Выходная мощность полевых транзисторов составляет 1,2 Вт/мм, что на сегодня является хорошим результатом.
[74]1. Патент РФ №2462786, МПК H01L 21/205, приоритет 28.02.2006, опубл. 27.09.2012 г.
[75]2. Патент РФ №2473148, МПК H01L 21/205, приоритет 07.07.2011 г., опубл. 20.01.2013 г. - прототип.
[76]
[77]
[78]
[79]
[80]
