WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 10 Сверхвысокочастотные полевые транзисторы на основе нитридов III группы © С.Б. Александров, Д.А. Баранов, А.П. Кайдаш, Д.М. Красовицкий, М.В. Павленко, ¶ С.И. Петров, Ю.В. Погорельский, И.А. Соколов, М.В. Степанов, В.П. Чалый, Н.Б. Гладышева, А.А. Дорофеев, Ю.А. Матвеев, А.А. Чернявский ЗАО „Научное и технологическое оборудование“, 194156 Санкт-Петербург, Россия Государственное унитарное предприятие „Пульсар“, 105187 Москва, Россия (Получена 4 февраля 2004 г. Принята к печати 17 марта 2004 г.) Обсуждаются концепция конструирования и основные свойства экспериментальных двойных гетероструктур AlGaN / GaN / AlGaN с двумерным электронным каналом, полученных методом аммиачной молекулярнолучевой эпитаксии на подложках сапфира. Разработаны основы постростовой технологии полевых сверхвысокочастотных транзисторов на основе нитридов III группы, включающие в себя формирование меза-изоляции и цикл изготовления омических контактов и барьера Шоттки. Первые полевые транзисторы, изготовленные из указанных гетероструктур, имеют полный набор статических характеристик и демонстрируют работоспособность в режиме малых сверхвысокочастотных сигналов на частоте 8.15 ГГц.

1. Введение Oki Electric Industry Co., Ltd. сообщила об изготовлении HEMT с углубленным T -образным затвором [6], имеюНитриды III группы находят все более широкое прищего рекордную крутизну 500 мС / мм и fT = 126 ГГц.

менение в твердотельной электронике благодаря униВ данной статье представлены принятая в ЗАО „Накальному сочетанию физических характеристик (больучное и технологическое оборудование“ концепция коншие, по сравнению с другими соединениями AIIIBV, струирования транзисторных двойных гетероструктур значения ширины запрещенной зоны, высокая теплопро(ДГС) на основе нитридов III группы и основные свойводность, химическая и термическая устойчивость, наства экспериментальных образцов, полученных в рамках личие спонтанной и пьезо- поляризации и т. д.). Большие данной концепции методом молекулярно-лучевой эпизначения концентрации электронов в канале в сочетании таксии с использованием аммиака в качестве источнис высокими пробивными полями позволяют обеспечить ка азота. Также сообщается о первых полевых транплотность СВЧ (сверхвысокочастотной) мощности в зисторах, изготовленных из указанных гетероструктур полевых транзисторах на основе GaN в 5-10 раз на ФГУП НИИ „Пульсар“, имеющих полный набор больше, чем в приборах на основе GaAs, что делает статических характеристик и демонстрирующих работоэтот класс приборов перспективным для использования способность в режиме малых СВЧ сигналов.

в бортовых радиолокаторах с активной фазированной антенной-решеткой (АФАР) и в СВЧ усилителях общего 2. Выбор конструкции для полевых и специального назначения (системы радиоэлектронной борьбы, наземные и спутниковые системы телекоммуни- транзисторов на основе нитридов каций и связи). Основными технологиями выращивания III группы приборных нитридных гетероструктур являются эпитаксия из металлорганических соединений (МОСГФЭ) Наиболее распространенная конструкция гетероструки молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ). С начала туры AlGaN / GaN, широко используемая в мире для 90-х гг., когда были продемонстрированы первые так наизготовления СВЧ транзисторов типа HEMT, включает зываемые пьезотранзисторы PEFET (Piezo-Electric Field в себя относительно толстый (1-3мкм) буферный слой Effect Transistor) в системе GaAs / InGaAs / AlGaAs [1,2] GaN, прикрытый тонким (100-300 ) слоем Alx Ga1-xN и первые транзисторы типа HFET (Heterostructure Field (0.15 < x < 0.35). Благодаря большему, по сравнению Effect Transistor) и HEMT (High Electron Mobility с системой GaAs / AlGaAs, разрыву зон проводимости в Transistor) на основе гетеропереходов AlGaN / GaN [3,4], сочетании с эффектом пьезолегирования на гетерогразарубежными фирмами к настоящему времени достигнут нице GaN / AlGaN происходит образование двумерного значительный прогресс в области изготовления высоэлектронного газа (2ДЭГ) со слоевой концентрацией покочастотных мощных полевых транзисторов на основе рядка 1013 см-2 и подвижностью порядка 1000 см2/В · с.

GaN. В 2000 г. на подложке карбида кремния был изПрофиль дна зоны проводимости и распределение элекготовлен HFET, демонстрирующий выходную мощность тронной плотности в подобной структуре схематически 2.8 Вт / мм, fT = 43 ГГц, крутизну 300 мС / мм и напряжепоказаны на рис. 1, a. Указанная структура представние пробоя исток–сток 70 В [5]. Недавно японская фирма ляет собой базовую концепцию построения HEMT на ¶ E-mail: support@semiteq.ru основе нитридов III группы; на практике используют1276 С.Б. Александров, Д.А. Баранов, А.П. Кайдаш, Д.М. Красовицкий, М.В. Павленко, С.И. Петров...

Рис. 1. Транзисторная структура: a — с одним гетеропереходом, b — с двумя гетеропереходами.

ся ее различные модификации, например модулирован- тельные меры для обеспечения нужного сопротивления ное легирование слоя AlGaN (спейсер–донорный слой– буферного слоя.

барьерный слой) для увеличения концентрации электро- Существует несколько подходов к созданию высонов в канале и уменьшения сопротивления омических коомного буферного слоя в транзисторной структуре.

контактов. Во-первых, это поиск и оптимизация условий роста Одним из наиболее серьезных требований ко всем ти- нелегированного GaN; в частности, показано, что сопропам подобных гетероструктур является низкая, не более тивление слоев в зависимости от изменения отношения 1015 см-3, концентрация носителей в буферном слое, потоков V / III групп, процедуры отжига зародышевого необходимая для обеспечения межприборной изоляции слоя, температуры и скорости роста эпитаксиального и получения полной отсечки тока стока. слоя может меняться на несколько порядков [13]. Однако Существует несколько причин, по которым выполне- столь существенное изменение проводимости GaN, как ние этого требования путем выращивания нелегирован- правило, связано с изменением прочих его свойств, в ного GaN (даже высокого кристаллического качества) частности структурного совершенства, морфологии посопряжено со значительными трудностями. Во-первых, верхности и т. п., что вызывает определенные трудности зародышевые слои, используемые на начальных стади- при совмещении разных режимов роста слоев в рамках ях роста нитридов на рассогласованных по параметру одной приборной гетероструктуры. Довольно распрорешетки подложки (Al2O3, SiC, Si), могут образовывать странено компенсирующее легирование GaN различныобласти с дефектной проводимостью вблизи интерфей- ми примесями [14–16]. Сопротивление буферного слоя в сов буферного и зародышевого слоев [7]. Во-вторых, в этих случаях, как правило, достаточно для предотвращеряде работ сообщается о диффузии донорных примесей ния утечек и пробоев. В то же время указанная методика в GaN из подложки (в частности, кислорода [8–10] и содержит в себе опасность диффузии введенных примекремния [11,12]), что может привести к образованию сей в область канала транзистора, причем этот эффект в приборе каналов шунтирующей проводимости. Кроме может усиливаться высокими рабочими температурами того, наличие спонтанной и пьезополяризации приводит (около 300-400C) нитридных приборов. Кроме того, к образованию наведенных как положительных, так и возможно использование в качестве буферного слоя отрицательных зарядов вблизи дефектов, границ бло- более широкозонного материала, в частности и твердых ков мозаичной структуры, на гетероинтерфейсах, что растворов AlxGa1-xN вплоть до чистого нитрида алюмив свою очередь может привести к усилению утечек ния, являющегося прекрасным диэлектриком с шириной по вертикальным каналам, вплоть до пробоя через запрещенной зоны 6.2 эВ.

буферный слой. Указанные обстоятельства в совокупно- Последняя из указанных концепций, качественно отсти являются причиной того, что в реальных прибор- личаясь от перечисленных выше, подразумевает собой ных гетероструктурах, работающих при высоких (более переход к двойным гетероструктурам, с присущими это50 В) напряжениях, необходимы специальные, дополни- му классу приборов дополнительными преимуществами.

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. Сверхвысокочастотные полевые транзисторы на основе нитридов III группы Использование двойной гетероструктуры в первую оче- Основным отличием используемых нами гетероредь приводит к эффекту лучшей локализации носителей структур [21] от наиболее распространенной конструкв канале (вплоть до перехода к квантовым ямам) по ции HEMT является наличие относительно толстого сравнению со структурой с одним гетеропереходом, (0.6-1.0мкм) буферного слоя, состоящего из слоев что приводит к получению необходимой отсечки тока твердых растворов Alx Ga1-xN (x > 0.5), обеспечивастока. Во-вторых, в отличие от структуры, показанной на рис. 1, a и имеющей растянутый напряженный слой AlGaN на толстом релаксированном GaN, в структуре, показанной на рис. 1, b, верхние слои будут сжаты. Это должно стать благоприятным фактором в преодолении проблемы релаксации верхнего барьерного слоя через образование микротрещин и связанным с этим ухудшением параметров канала с 2ДЭГ, нередко наблюдаемых в традиционных нитридных гетероструктурах [17].

Кроме того, использование двойной гетероструктуры предоставляет широкие возможности для управления механическими напряжениями в такой структуре, а как следствие, и эффектом пьезолегирования, за счет варьирования процента содержания алюминия в нижнем барьере и толщины канального слоя нитрида галлия.

В-третьих, введение широкозонного материала в нижнюю часть гетероструктуры дает возможность осуществить дополнительное легирование канала, тем самым увеличивая плотность носителей в нем без опасения ухудшить затворные характеристики транзистора [18].

Более того, легирование может быть полностью перенесено в нижнюю часть структуры, что позволило бы уменьшить толщину подзатворного слоя AlGaN с целью увеличения усиления прибора.

Указанные выше преимущества успешно использованы в других системах AIIIBV, в частности AlGaAs / GaAs [19]. В то же время в нитридной системе необходимо учитывать влияние сильных поляризационных эффектов, которые существенно искажают зонную диаграмму (или профиль потенциала, задаваемый изменением состава). Отдельного исследования требует контроль механических напряжений в структуре, состоящей из рассогласованных (между собой и с подложкой) слоев. Несмотря на указанные трудности, далее представлены экспериментальные результаты, демонстрирующие перспективность выбранного направления.

3. Экспериментальная часть Гетероструктуры AlGaN / GaN (табл. 1) были выращены на подложках сапфира (0001) на установке МЛЭ ЭПН-2, специализированной для выращивания слоев нитридов III группы, в которой в качестве источника активного азота используется аммиак, а в качестве источника компонент III группы и легирующих примесей — стандартные эффузионные ячейки [20]. Отличительной конструктивной особенностью данного оборудования является расширенный, по сравнению с традиционными Рис. 2. Статические вольт-амперные характеристики трансистемами МЛЭ, диапазон технологических параметзисторов: a — типа PEFET, Ug, В: 1 — -0.2, 2 — -0.4, ров, в первую очередь отношения потоков V / III групп 3 — -0.6. b — типа HFET, Ug, В: 1 — -3.0, 2 — -3.5, (1-1000) и температуры подложки (до 1050C). 3 — -4.0, 4 — -4.5, 5 — -5.0, 6 — -5.5, 7 — -6.0.

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 1278 С.Б. Александров, Д.А. Баранов, А.П. Кайдаш, Д.М. Красовицкий, М.В. Павленко, С.И. Петров...

Таблица 1. Характеристики исходных гетероструктур и типы изготавливаемых приборов Тип Холловская подвижность Холловская концентрация Конструкция структуры транзистора 300 K, см2/В · c 300 K, см-2 (сверху вниз) PEFET 360 9 · 1012 250 Al0.2Ga0.8N 500 GaN Буфер Al0.6Ga0.4N / AlN HFET 340 2 · 1013 80 Al0.3Ga0.7N 100 A3 · 1019 см-3 Al0.3Ga0.7N Si 40 Al0.3Ga0.7N 350 GaN Буфер Al0.6Ga0.4N / AlN Примечание. Нелегированный слой.

ющего высокие значения (свыше 200 В) пробивных свойства нижней части гетероструктуры обеспечивают напряжений межприборной изоляции. Далее следует выраженное насыщение характеристик и полную отсечнамеренно не легированный слой GaN (350-500 ), ку тока стока. Вместе с тем низкие токи исток–сток прикрытый сверху слоем Al0.3Ga0.7N, не легированным в PEFET не согласуются со значениями, ожидаемыми (PEFET) или модулированно легированным Si (HFET).

исходя из измеренной холловской концентрации. Это, По результатам измерений эффекта Холла, при 77 K по-видимому, связано с недостаточной отработанностью наблюдается увеличение подвижности носителей до процедуры вжигания омических контактов применитель800-1500 см2/В · c, при сохранении их слоевой кон- но к гетероструктуре с сильными встроенными полями, центрации, наблюдаемой при комнатной температуи как следствие, уменьшением концентрации носителей, ре, что является признаком образования двумернообразующихся в результате пьезоэффекта на границе го электронного газа на гетерогранице AlGaN / GaN.

AlGaN / GaN. Транзисторы типа HFET с модулированно По данным атомно-силовой микроскопии, транзисторлегированным тройным раствором Al0.3Ga0.7N делают ные гетероструктуры имеют шероховатость поверхности структуру более устойчивой к воздействиям, стабилизи0.9-3.3нм (RMS по площади 5 5мкм). Для тестового руя концентрацию в канале, однако легирование тройнообразца GaN толщиной 1 мкм, выращенного в условиго раствора ухудшает напряжения пробоя затвора. Для ях роста транзисторной гетероструктуры, полуширины согласования требований, предъявляемых к гетерострукрентгенодифракционных кривых - и -2-сканирования турам и технологии создания контактной металлизации, для симметричного брэгговского отражения составитребуется дополнительная оптимизация.

ли 276 и 55. Общее количество дефектов на всех Одной из проблем, возникших при отработке техструктурах специально не оценивалось, но составляет, нологии изготовления данных транзисторов, является по косвенным данным, не менее 5 · 109 см-2. Для уверазделение пластин на отдельные кристаллы. Технололичения однородности слоев и уменьшения плотности гии резки, применяемые при изготовлении других полудефектов конструкция гетероструктур и технология их проводниковых приборов, приводят к появлению недовыращивания находятся в стадии оптимизации, результаты которой будут опубликованы дополнительно.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.