WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 11 Гетероструктуры AlGaN/GaN с высокой подвижностью электронов, выращенные методом газофазной эпитаксии из металлорганических соединений © В.В. Лундин¶, Е.Е. Заварин, А.И. Бесюлькин, А.Г. Гладышев, А.В. Сахаров, М.Ф. Кокорев, Н.М. Шмидт, А.Ф. Цацульников, Н.Н. Леденцов, Ж.И. Алфёров, Р. Каканаков+ Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет им. В.И. Ульянова (Ленина), Санкт-Петербург, Россия + Институт прикладной физики Болгарской академии наук, Пловдив, Болгария (Получена 10 марта 2004 г. Принята к печати 16 марта 2004 г.) Исследованы особенности газофазной эпитаксии из металлорганических соединений гетероструктур AlGaN/GaN. Получены структуры с двумерным электронным газом с подвижностью 1290 см2/(В · с) и концентрацией в канале 1.2 · 1013 см-2 (при комнатной температуре). Рассмотрено влияние чистоты исходных компонентов на параметры полученных слоев и гетероструктур.

1. Введение 2. Эксперимент Исследованные в рамках данной работы структуВ последнее время полевые транзисторы с выры выращивались на подложках сапфира с ориентацисокой подвижностью носителей в канале (HEMT) ей (0001) методом газофазной эпитаксии разложением на основе модулированно-легированных гетероструктур металлорганических соединений (ГФЭ МОС) в модиAlGaN/GaN являются объектом многочисленных исслефицированной установке Epiquip VP 50-RP при понидований, проводимых в Японии, США и Европе [1–6].

женном давлении. Установка оснащена горизонтальным Большие значения ширины запрещенной зоны, разрыва кварцевым реактором с индуктивно нагреваемым графив зоне проводимости на гетерогранице AlGaN-GaN, товым подложкодержателем. В качестве газа-носителя напряжения пробоя и ряд других особенностей систеиспользовался водород, в качестве исходных компоненмы AIIIN позволяют рассчитывать на создание транзитов — аммиак, моносилан, триметилгаллий и триметилсторов с параметрами, превосходящими достижимые в алюминий. Все указанные соединения — отечественного структурах на основе AIIIBV. Сильные, порядка 106 В/см, производства. В экспериментах использовался аммиак встроенные пьезо- и пироэлектрические поля в гес различной, в соответствии с паспортными данными, тероструктурах AlGaN/GaN позволяют при правильно степенью чистоты — 99.999% (в дальнейшем — 5N) выбранной геометрии структуры увеличить изгиб зоны и 99.9999% (в дальнейшем — 6N). Температура роста проводимости на границе AlGaN/GaN и тем самым эпитаксиальных слоев составляла 1070C. Подробные поднять концентрацию носителей в канале. Однако детали процесса эпитаксиального роста исследованных данная особенность, в сочетании с рассогласованием структур были опубликованы ранее [8].

параметров кристаллической решетки, характерной для Выращенные гетероструктуры представляли собой системы AlN-GaN, затрудняет оптимизацию геометрии следующую последовательность слоев:

приборных структур.

нелегированный GaN толщиной 3 мкм, К настоящему времени транзисторы с высокой понелегированный Al0.25Ga0.75N толщиной d1, движностью носителей на основе GaN были продемонлегированный кремнием Al0.25Ga0.75N толщиной d2, стрированы рядом исследовательских центров. Проденелегированный GaN толщиной d3.

монстрированы приборы с рабочими частотами в десятТолщины слоев d1, d2, d3 и мольные потоки SiH4 для ки ГГц и мощностью более 100 Вт [7]. Эти приборы в исследованных структур представлены в таблице.

настоящее время уже выходят из стадии лабораторных Выращенные структуры исследовались методом исследований и в ближайшее время можно ожидать вольт-фарадных характеристик с использованием ртутначала их массового производства. В то же время ного зонда. Подвижность и концентрация в данных многие особенности как эпитаксиального роста, так и физических процессов, происходящих в модулирован- образцах определялись с помощью холловских но-легированных гетероструктурах AlGaN/GaN, требу- измерений методом Ван-дер-Пау. Численное моделирование исследованных структур производилось путем ют тщательного изучения.

самосогласованного решения уравнений Пуассона и ¶ E-mail: lundin.vpegroup@mail.ioffe.ru Шредингера с учетом встроенных пьезо- и пироэлектриГетероструктуры AlGaN/GaN с высокой подвижностью электронов, выращенные методом... Геометрия структур AlGaN/GaN и результаты холловских измерений 300 K 77 K № NH3 d1, d2, d3, SiH4, структуры нм нм нм нмоль/мин µ, см2/(В · с) N2D, 1013 см-2 µ, см2/(В · с) N2D, 1013 см-1 6N 2.5 7.5 10 0.4 980 1.5 3460 1.2 6N 10 - 10 - 800 0.9 3050 0.3 6N 2.5 7.5 10 0.14 1209 1.1 5000 1.4 6N 5 15 10 0.4 990 2.1 2770 2.5 6N 12.5 7.5 10 0.4 900 1.9 3160 1.6 6N 2.5 7.5 10 0.3 1290 1.2 4800 1.7 5N 2.5 7.5 10 0.4 1060 1.5 4500 1.8 5N 10 - 10 - 660 1.6 3800 0.Примечание. Толщины слоев определены по результатам предварительных калибровок: d1 —Al0.25Ga0.75N, d2 —Al0.25Ga0.75N: Si, d3 —GaN.

ческих полей с последующим расчетом вольт-фарадных более чем в 1.5 раза при снижении температуры от характеристик (ВФХ) малосигнальным методом [8–10]. до 77 K. При этом разница в значениях концентрации и подвижности в структурах 2 и 8 не столь велика. Таким образом, данные результаты показывают, что исполь3. Результаты и обсуждение зование аммиака 5N приводит к увеличению фонового легирования в слое GaN, что согласуется с данными для Концентрации и подвижности электронов в выращеннелегированных слоев GaN, приведенных выше.

ных структурах приведены в таблице и представлены на Легирование AlGaN кремнием при использовании рис. 1 (в сравнении с опубликованными результатами аммиака 5N (структура 7) приводит к значительному других исследователей). Высокие значения подвижно(в 1.5 раза) увеличению концентрации носителей при сти, значительно превышающие значения подвижности T = 77 K по сравнению с нелегированной структурой 8.

носителей в эпитаксиальных слоях GaN, выращенных При этом при комнатной температуре наблюдается при тех же условиях, свидетельствуют о формировазначительное увеличение подвижности носителей при нии двумерного электронного канала на гетерогранице практически неизменном значении концентрации. ДанGaN-AlGaN.

ные результаты также подтверждают вывод о значительДля исследования влияния чистоты аммиака на элекном вкладе в измеряемую проводимость шунтирующей тронные свойства слоев (Al)GaN и модулированно-легипроводимости в слое GaN при комнатной температуре рованных гетероструктур AlGaN/GaN были проведены в структуре 8. Проведенные эксперименты позволяют исследования специально не легированных эпитаксиальных слоев GaN, выращенных с использованием аммиака марок 5N и 6N. Проведенные измерения показали, что концентрация Nd-Na в таких слоях составляет 1016 см-3 и 1014 см-3 соответственно. В нелегированных эпитаксиальных слоях AlGaN, выращенных с использованием аммиака марки 5N, фоновая концентрация Nd-Na не превышала уровня 5 · 1017 см-3.

Такое значительное изменение фоновой концентрации в слоях (Al)GaN приводит к тому, что в нелегированных структурах AlGaN/GaN влияние чистоты аммиака на концентрацию носителей при комнатной температуре весьма значительно. Как следует из данных, полученных при измерении эффекта Холла, использование аммиака 5N вместо 6N приводит к двухкратному увеличению концентрации носителей в канале и к значительному падению подвижности при комнатной температуре (таблица, см. структуры 2 и 8). Снижение температуры измерений до 77 K практически не влияет на концентрацию носителей как в нелегированной структуре, выращенной с использованием аммиака 6N, так и на концентРис. 1. Подвижность носителей в зависимости от их конценрацию носителей в легированных структурах. Однако трации в структурах с двумерным электронным газом. Сравнеконцентрация носителей в нелегированной структуре, ние результатов, полученных в данной работе, с результатами, выращенной с использованием аммиака 5N, снижается опубликованными другими авторами.

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 1366 В.В. Лундин, Е.Е. Заварин, А.И. Бесюлькин, А.Г. Гладышев, А.В. Сахаров, М.Ф. Кокорев...

представлены на рис. 2. Эффект размерного квантования оказывает влияние на форму ВФХ в области запирания канала. Результаты определения параметров структуры на основе моделирования структуры 2 демонстрируют высокую чувствительность метода ВФХ к изменению толщин слоев. В предположении эффективной высоты барьера = 0.5 эВ определенные толщины слоев имеB ют значения: d1 = 14.3нм и d3 = 12.7 нм, что несколько отличается от значений, заданных при росте структуры (d1 = d3 = 10.0нм). Расчетное значение концентрации двумерных электронов в канале составляет 5 · 1012 см-2.

4. Заключение Таким образом, нами были выращены и исследованы Рис. 2. Экспериментальные и расчетные вольт-фарадные гетероструктуры AlGaN/GaN с высокой подвижностью характеристики для структуры 2 (см. таблицу).

носителей в канале. Сравнение полученных результатов с опубликованными данными показывает, что параметры структур находятся на уровне лучших мировых резульзаключить, что при использовании аммиака 5N контроль татов. Показано также, что свойства таких структур в концентрации носителей с помощью легирования станозначительной степени зависят как от дизайна структуры, вится практически невозможным.

так и от чистоты используемых компонентов (аммиака).

Следует отметить, что с использованием аммиака 5N Работа выполнена при поддержке программы научранее нами успешно выращивались различные типы ного сотрудничества между Российской и Болгарской светоизлучающих структур InGaN/GaN/AlGaN [11], в академиями наук по теме № 57 „Новые гетероструктутом числе, с p-n-переходами. Таким образом, структуры ры на основе AlGaN/GaN для высокомощной, высокоAlGaN/GaN с двумерным электронным газом являются температурной и высокочастотной микроэлектроники“, более чувствительными к чистоте используемого аммиагрантов „NATO за мир“ (SfP-972614), РФФИ (№ 01-02ка, чем светоизлучающие структуры.

18011, № 03-02-16657, № 01-02-17646) и грантами ПреРассмотрение значений концентрации носителей тока зидента Российской Федерации для поддержки молодых и их подвижности в зависимости от параметров струкроссийских ученых и научных школ.

туры показало, что концентрация носителей в канале зависит не только от уровня легирования и толщины легированного слоя, но и от толщины барьерного нелегированного слоя AlGaN (структуры 1, 5). Увеличение Список литературы толщины нелегированного слоя AlGaN приводит к рос[1] M. Marso, P. Javorka, A. Alam, M. Wolter, H. Hartdegen, ту концентрации носителей и снижению подвижности A. Fox, M. Heuken, P. Kordos, H. Luth. Phys. Status в канале. Такое поведение может быть обусловлено Solidi (A), 188 (1), 199 (2001).

различными причинами: ионизацией фоновых донорных [2] N. Zhang, B. Moran, S.P. DenBaars, U.K. Mishra, X.W. Wang, примесей в слое AlGaN либо увеличением эффективной T.P. Ma. Phys. Status Solidi (A), 188 (1), 213 (2001).

ширины двумерного электронного канала, что приводит [3] G. Simin, A. Tarakji, X. Hu, A. Koudymov, J. Yang, к распространению волновой функции электронов в M. Asif Khan, M.S. Shur, R. Gaska. Phys. Status Solidi (A), слой GaN и, соответственно, к возрастанию рассеяния 188 (1), 219 (2001).

на фоновых примесях. При оптимальных параметрах [4] N. Maeda, T. Saitoh, K. Tusubaki, N. Kobayashi. Phys. Status структуры (толщины d1-d3, уровень легирования) для Solidi (A), 188 (1), 223 (2001).

образца 3 были получены значения подвижности, рав- [5] Y. Liu, J.A. Bardwell, S.P. McAlister, H. Tang, J.B. Webb, T.W. MacElwee. Phys. Status Solidi (A), 188 (1), 233 (2001).

ные 5000 см2/(В · с) при T = 77 K.

[6] B. Shen, T. Someya, Y. Arakawa. Appl. Phys. Lett., 76 (19), Очевидно, что окончательная оптимизация транзис2746 (2001).

торной структуры возможна только на основании ис[7] www.compoundsemiconductor.net/articles/news/7/12/12/1.

следований готовых приборов. На основе выращенных [8] W.V. Lundin, A.V. Sakharov, A.F. Tsatsul’nikov, E.E. Zavarin, структур были изготовлены прототипы транзисторов, A.I. Besulkin, M.F. Kokorev, R.N. Kutt, V.Yu. Davydov, показавшие возможность управления вольт-амперными V.V. Tretyakov, D.V. Pakhnin, A.S. Usikov. Phys. Status характеристиками исток-сток путем изменения напряSolidi (A), 188 (2), 885 (2001).

жения на затворе. Экспериментальная и расчетные (без [9] M.F. Kokorev, N.A. Maleev. Semicond. Sci. Technol., 15 (3), и с учетом эффекта размерного квантования) ВФХ 301 (2000).

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. Гетероструктуры AlGaN/GaN с высокой подвижностью электронов, выращенные методом... [10] M.F. Kokorev, N.A. Maleev, D.V. Pakhnin, A.E. Zhukov, V.M. Ustinov. Proc. 9th Int. Symp. „Nanostructures: Physics and Technology“, ed. by Zh. Alferov, L. Esaki (St. Petersburg, Russia, June 18-22, 2001) p. 230.

[11] A.S. Usikov, W.V. Lundin, B.V. Pushnyi, N.M. Shmidt, V.Yu. Davidov, A.V. Sakharov, T.V. Shubina, A.A. Toropov, N.N. Faleev, M. Shcheglov, A.F. Tsatsul’nikov. Proc. 7th Int.

Conf. on Silicon Carbide, III nitrides and Related Materials-97 (Stockholm, Sweden, September 1997) pt 2, p. 1393.

Редактор Т.А. Полянская High electron mobility AlGaN/GaN heterostructures grown by metalorganic chemical vapour deposition W.V. Lundin, E.E. Zavarin, A.I. Besulkin, A.G. Gladishev, A.V. Sakharov, M.F. Kokorev, N.M. Shmidt, A.F. Tsatsul’nikov, N.N. Ledentsov, Zh. I. Alferov, R. Kakanakov+ Ioffe Physicotechnical Institute, Russian Academy of Sciences, 194021 St. Petersburg, Russia V.I. Ul’yanov (Lenin) St. Petersburg State Electrotechnical University, St. Petersburg, Russia + Institute of Applied Physics, Bulgarian Academy of Sciences, Plovdiv, Bulgaria

Abstract

Peculiarities of AlGaN/GaN heterostructures MOCVD growth were investigated using precusors with different purity. Structures with 2D-electron gas have shown the mobility of 1290 cm2/(V · s) and the channel concentration of 1.2 · 1013 cm-2 at room temperature. The influence of the precusors purity on structure properties is also studied.




© 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.