Мощный полевой транзистор на основе гетероструктуры (Al,Ga)N/GaN

1

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОЩНЫЙ ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР НА ОСНОВЕ ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ (Al,Ga)N/GaN

Специальность: 01.04.10 - Физика полупроводников

05.27.01 - Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

Александров Сергей Борисович

Санкт-Петербург - 2006

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете “ЛЭТИ” имени В.И. Ульянова (Ленина).

Научные руководители:

доктор физико-математических наук, профессор Пихтин А.Н.

кандидат физико-математических наук Погорельский Ю.В.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Селезнев Б.И.

кандидат физико-математических наук, профессор Цветов В.П.

Ведущая организация - Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы: Исследования широкозонных полупроводниковых материалов (Al-Ga-In-N, SiC, GaP, алмаз и т.п.) за последние пятнадцать лет достигли значительных результатов, уровень которых соответствует началу разработок технологий серийного производства мощных приборов микро- и наноэлектроники с использованием этих соединений. Применение широкозонных материалов в качестве активной среды полупроводникового прибора делает возможным использовать такой элемент в экстремальных, по сравнению с приборами на кремнии (Si) или арсениде галлия (GaAs), режимах и условиях (высокие напряжения, повышенные температуры и т.д.). Это особенно важно в связи с растущими потребностями миниатюризации электронных устройств, например, использование мощных полевых транзисторов в усилительных каскадах передающих СВЧ-систем может стать альтернативой вакуумным лампам, которые до сих пор применяются в радиопередающих устройствах военного и гражданского назначения.

Технология широкозонных нитридов галлия и алюминия (GaN и AlN) в настоящее время является одной из самых интенсивно разрабатываемых в области электронной техники экстремального и военного применения. Прогнозы развития нитридных технологий показывают, что наиболее перспективными для изготовления мощных приборов микро- и наноэлектроники являются гетероструктуры (Al,Ga)N/GaN. Электрофизические параметры подобных систем позволяют создавать приборы с удельной электрической мощностью более 10 Вт/мм, что значительно превышает предельные параметры устройств на основе гетероперехода (Al,Ga)As/GaAs.

По сравнению с маломощными приборами оптической микроэлектроники на основе твердых растворов Al-Ga-In-N, промышленная технология которых уже широко реализована, технологии мощных приборов, таких как мощные полевые транзисторы на основе гетероперехода (Al,Ga)N/GaN, к настоящему времени являются лабораторными или мелкосерийными. Это связано с тем, что технология мощных полевых транзисторов на основе A³N имеет ряд существенных проблем, включающих как сложности с получением материала с заданными свойствами, так и проблемы с конструированием самого прибора. Проблемы первой группы обусловлены особенностями кристаллической решетки A³N и отсутствием массивных монокристаллов нитридных соединений, что неизбежно приводит к трудностям эпитаксиального роста активных слоев A³N. Широкозонность материала является причиной второй группы проблем технологии мощных приборов на основе A³N. К этим проблемам относятся инертность материала к жидким травителям и трудности в создании омических контактов с низким значением удельного сопротивления.

В настоящей работе, посвященной исследованию возможных путей решения ряда актуальных проблем технологии полупроводниковых материалов системы твердых растворов Al-Ga-N, приведен анализ основных этапов создания мощного полевого транзистора. Разработанные элементы маршрута позволяют создавать прибор с плотностью тока более 1 А/мм и пробивным напряжением более 60 В и могут быть использованы по отдельности при создании других мощных приборов на основе рассматриваемых материалов. Поэтому полученные результаты могут представлять общий интерес для физики и техники полупроводников.

Целю работы является исследование электрофизических и приборных характеристик одинарных (Al,Ga)N/GaN и двойных (Al,Ga)N/GaN/(Al,Ga)N гетероструктур и разработка основных этапов технологии создания мощного полевого транзистора

Достижение поставленной цели обеспечивается решением следующих задач:

· исследование взаимовлияния слоев эпитаксиальной структуры на электрофизические параметры и стабильность приборных характеристик, определение базовой конструкции гетероструктуры с электрофизическими параметрами, пригодными для создания мощного полевого транзистора;

· исследование влияния основных этапов планарной технологии создания мощного полевого транзистора на его приборные характеристики;

· выбор материалов и их композиций для формирования омических и выпрямляющих контактов;

· выбор технологии травления межприборной изоляции гетероструктур (Al,Ga)N/GaN;

· создание методики оценки приборных и электрофизических параметров гетероструктур, а также влияния этапов постростовой обработки транзисторных нитридных гетероструктур;

· разработка конструкции, изготовление и испытание мощного полевого транзистора на основе гетероструктуры (Al,Ga)N/GaN.

Научная новизна представляемых в работе результатов заключается в следующем:

1. Теоретически промоделирована и экспериментально исследована конструкция двойной гетероструктуры Al_хGa_1-хN/GaN/Al_yGa_1-yN для мощного полевого транзистора. Определено, что при х = 0.30-0.35 и y = 0.10-0.15 свободные электроны полностью локализованы в слое GaN. Подобная конструкция гетероструктуры обеспечивает устойчивую управляемость каналом полевого транзистора.

2. Экспериментально получена зависимость подвижности свободных электронов в слое GaN двойной гетероструктуры (Al,Ga)N/GaN/(Al,Ga)N от толщины слоя. На основе полученной зависимости сделан вывод о возможности изготовления мощного полевого транзистора со сверхтонким каналом - 5 нм, что позволит улучшить управляемость каналом и дополнительно усилить электронное ограничение при сохранении подвижности и концентрации носителей, соответствующих требуемым плотностям тока мощного полевого транзистора.

3. Обнаружено увеличение пробивного напряжения между соседними транзисторами до 150 В и практически полное исчезновение паразитных токов утечки между стоком и истоком полевого транзистора в режиме отсечки при использовании двойной гетероструктуры Al_хGa_1-xN/GaN/Al_yGa_1-yN (х = 0.30-0.35 и y = 0.10-0.15), выращенной с использованием в конструкции буфера сверхрешеток, а так же градиента по составу в нижнем (Al,Ga)N. Этот факт делает подобные двойные гетероструктуры более предпочтительными, чем традиционные гетероструктуры (Al,Ga)N/GaN, для создания мощных полевых транзисторов.

4. В результате систематических исследований влияния параметров технологических этапов на свойства контактных систем к слоям нелегированного (Al,Ga)N предложен и технически реализован вариант нанесения/обработки омического контакта, обладающего приемлемым соотношением контактного сопротивления и шероховатости поверхности (0.3 ОмЧмм для легированного (Al,Ga)N, шероховатость не более 800 А).

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Традиционно используемые для создания мощных полевых транзисторов одинарные гетероструктура (Al,Ga)N/GaN наряду с лучшими электрофизическими параметрами обладают существенным недостатком - отсутствием ограничения свободных электронов со стороны буферных слоев. Это приводит к захвату части электронов из канала мощного полевого транзистора на ловушках буферного слоя. Двойная гетероструктура Al_хGa_1-xN/GaN/Al_yGa_1-yN (x = 0.30-0.35 и y = 0.10-0.15) обеспечивает надежное ограничение электронов канала транзистора и необходимые для создания мощного полевого транзистора электрофизические параметры: подвижность - 1000-1400, концентрация носителей в канале 1.2-2Ч10¹³ см^-2.

2. Зависимость подвижности свободных электронов в слое GaN двойной гетероструктуры (Al,Ga)N/GaN/(Al,Ga)N от толщины слоя имеет минимум при толщине канала 20±5 нм, что объясняется релаксацией GaN на решетке (Al,Ga)N.

3. Использование в конструкции гетероструктуры многослойных буферных слоев со сверхрешетками, а так же градиента по составу в нижнем (Al,Ga)N, позволяет значительно (вплоть до исчезновения) снизить паразитные токи утечки между стоком и истоком полевого транзистора на основе двойной гетероструктуры Al_хGa_1-xN/GaN/Al_yGa_1-yN (x = 0.30-0.35 и y = 0.10-0.15), выращенной методом аммиачной МПЭ на подложке сапфира [0001]. Это позволяет уменьшить глубину травления межприборной изоляции соседних транзисторов до значения 0.18-0.20 мкм при толщине слоя GaN 0.1 мкм.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

1. Разработана конструкция двойной гетероструктуры Al_хGa_1-xN/GaN/Al_yGa_1-yN (X=0.10-0.15 и Y=0.30-0.35), позволяющая создать мощный полевой транзистор

2. Разработана и технически реализована конструкция мощного полевого транзистора на основе ДГС (Al,Ga)N/GaN/(Al,Ga)N со следующими характеристиками: ток стока 400 мА, пробивное напряжение исток/сток 80 В, крутизна ВАХ 200 мСм/мм при длине затвора 0.3 мкм и ширине затвора 480 мкм.

3. Разработана технология формирования многослойных систем контактной металлизации к нелегированным слоям нитрида галлия, обладающих приемлемым соотношением контактное сопротивление/шероховатость поверхности.

4. Проведена модернизация комплекса технологического оборудования, позволяющего провести необходимые операции для создания мощного полевого транзистора на основе двойной гетероструктуры (Al,Ga)N/GaN/(Al,Ga)N

5. Разработана и технически реализована конструкция тестового модуля для измерения основных электрофизических (подвижность носителей, концентрация и профиль концентрации носителей) и приборных характеристик (плотность тока, пробойное напряжение, токи утечки) транзисторных гетероструктур

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, семинарах и школах:

1. Третьей Всероссийской конференции “Нитриды галлия, индия и алюминия- структуры и приборы” (Москва, 2004)

2. Четвертой Всероссийской конференции “Нитриды галлия, индия и алюминия- структуры и приборы” (Санкт-Петербург, 2005)

3. 14-м международном симпозиуме “Nanostructures: physics and technology” (Санкт-Петербург, 2006)

4. Ежегодных школах студентов и молодых специалистов СПбГЭТУ (ЛЭТИ) в 2001-2004 годах ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (2005-2006гг.).

Достоверность и обоснованность научных положений и выводов подтверждается:

· самим фактом реализации мощного полевого транзистора, по своим характеристикам, не уступающего лучшим мировым аналогам;

· использованием современных методик анализа и новейших образцов технологического оборудования;

· соответствием результатов анализа данных, полученных в работе, с имеющимися в литературе (когда такое сравнение возможно);

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 статей.

Структура и объем диссертации: Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 135 наименований. Основная часть работы изложена на 106 страницах машинописного текста. Работа содержит 48 рисунков и 18 таблиц.

полевой транзистор гетероструктура

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определены цель и задачи исследований, сформулированы научная новизна, практическая значимость полученных результатов и научные положения, выносимые на защиту.

Первая глава носит обзорный характер и в ней обобщены и систематизированы литературные данные, касающиеся гетероструктур на основе твердых растворов Al-Ga-N, а так же мощных полевых транзисторов на их основе.

Исследования в области технологии широкозонных полупроводниковых соединений A^IIIB^V ведутся наиболее интенсивно последние пятнадцать лет. Гетеротранзисторы с высокой подвижностью электронов (HEMT) на основе гетероперехода (Al,Ga)N/GaN являются одним из объектов исследования. К настоящему времени существует ряд серьезных проблем технологии нитридных HEMT, которые требуют глубокого исследования. Самой главной проблемой является резкое падение тока стока I_d при работе транзистора на больших уровнях входного сигнала. На основе анализа литературных данных показано, что наиболее вероятным механизмом возникновения эффекта коллапса тока является захват носителей на долговременных ловушках в буферных слоях. Сделан вывод о необходимости использования двойных гетероструктур (ДГС) для борьбы с данным эффектом. Приводятся сравнительные данные электрофизических параметров и приборных характеристик полевых транзисторов на основе одинарных гетероструктур (ОГС) и двойных гетероструктур. Отмечается факт отсутствия в литературе сведений о ДГС (Al,Ga)N/GaN/(Al,Ga)N, выращенной на сапфировой подложке (на момент начала настоящей работы).

Далее обсуждаются основные этапы технологии эпитаксиального роста слоев полупроводниковых материалов A³N. Согласно литературным данным в настоящее время существуют два основных конкурирующих метода эпитаксиального роста A³N: молекулярно пучковая эпитаксия (МПЭ) и газофазная эпитаксия из металлорганических соединений (МОС ГФЭ). В обеих методах основной проблемой является отсутствие для нитридов собственных подложек, поэтому проблема роста буферных слоев стоит наиболее остро. Сделан вывод о возможности роста ДГС с заданными слоями методом МПЭ, использующим в качестве источника азота инжектор аммиака.

В заключении литобзора представлено современное состояние технологии приборных элементов мощных полевых транзисторов на основе материалов A³N. Основное внимание уделено технологиям формирования омических контактов, плазмохимическому травлению межприборной изоляции (меза), формированию затворных контактов. Приводятся основные результаты для данных технологических этапов. Обосновывается актуальность исследования влияния технологических этапов на приборные характеристики мощных полевых транзисторов.

На основании обобщения результатов приведенного анализа и выводов формулируется цель и задачи диссертационной работы.

Вторая глава посвящена описанию методологии исследования гетероструктур и объяснению выбора определенных технологических приемов для отработки основных этапов создания мощного полевого транзистора.

В начале главы указывается на необходимость разработки топологии специализированного тестового модуля для взаимосвязанного исследования как электрофизических параметров гетероструктуры, так и параметров элементов транзистора. Таким образом, выбираются следующие методики оценки интересующих параметров:

· метод Ван-дер-Пау для измерения проводимости и постоянной Холла эпитаксиальных слоев гетероструктуры, что позволяет рассчитать значения подвижности и концентрации носителей в гетероструктуре;

· метод измерения вольт-фарадных характеристик для исследования профиля распределения свободных носителей по толщине гетероструктуры;

· метод длинной линии для оценки удельного сопротивления омических контактов.

Для всех перечисленных методик был создан тестовый модуль с общей площадью 6000х6000 мкм, что для образцов с диаметром подложки 2'' не является катастрофической потерей полезной площади, к тому же тестовый модуль может быть расположен в любой области подложки, а так же размножен по поверхности, для определения однородности параметров.

Большую площадь тестового модуля занимает датчик Холла, имеющий согласно методу Ван-дер-Пау топологию - «клеверный лист». Сбоку от датчика Холла расположены шесть групп датчиков, общая площадь группы 500х450 мкм. Каждая группа состоит из одного датчика для вольт-фарадных измерений, одного датчика метода длинной линии, одного датчика для оценки сопротивления межприборной изоляции (меза), трех тестовых транзистора. Датчик оценки сопротивления межприборной изоляции представляет собой два омических контакта, находящихся друг напротив друга на расстоянии 3 мкм, между контактами вытравливаются активные слои, дальнейшие измерения паразитных токов утечки проводятся путем подачи напряжения на эти контакты. Тестовый транзистор имеет следующие топологические размеры: ширина транзистора - 20 мкм, длина затвора - 1 мкм, расстояние исток-сток - 5 мкм, расстояние затвор-сток - 3 мкм. Такие значения размеров топологии транзистора выбраны исходя из относительной простоты их получения методами оптической фотолитографии.

Во второй и третей частях главы описываются технологии, применяемые для отработки элементов конструкции транзистора, а так же их аппаратное обеспечение. В качестве основного метода создания омических и барьерных контактов выбирается электронно-лучевое напыление металлов на фоторезистивную маску с заранее созданной топологией при помощи оптической литографии. Для проведения процесса фотолитографии использовалась установка MJB-3 фирмы SUSS. Для обеспечения создания топологических элементов конструкции транзистора и тестового модуля с заданными размерами в качестве маски используется двухслойная композиция фоторезистов с разными чувствительностями к засветке, благодаря этому возможно создание обратного профиля фоторезистивной маски для облегчения операции удаления фоторезиста - «взрыв».

В качестве метода стимуляции образования омического контакта выбирается взрывное вжигание. На момент начала работ по теме диссертации не существовало лабораторной или промышленной установки термической обработки, обладающей требуемой динамикой и параметрами - 1000^о С за 15-20 секунд. Поэтому макет установки вжигания был полностью разработан и создан. Для проведения процессов травления межприборной изоляции и нанесения диэлектрика были выбраны методы реактивно-ионного траления и плазмостимулированного осаждения. Плазменные процессы проводились на специально созданном лабораторном оборудовании ЗАО «Светлана-Рост», в ходе выполнения работы оборудование модернизировалось для обеспечения требуемых результатов.

Третья глава посвящена выбору и отработке конструкции гетероструктуры.

В начале проводится математическое моделирование традиционно-используемых одинарных (ОГС) и двойных (ДГС) гетероструктур (Al,Ga)N/GaN и (Al,Ga)N/GaN/(Al,Ga)N. При анализе использовалось самосогласованное решение уравнений Пуассона и Шредингера. На границе структуры использовались условия, соответствующие контакту Шоттки с высотой потенциального барьера 1.5 В. В глубине структуры использовались условия электронейтральности, учитывающие фоновый уровень ее легирования.

Первоначально анализировались две гетероструктуры (Al,Ga)N/GaN с легированием (Al,Ga)N и без легирования. Общий вид модельных структур соответствует: GaN(3000 нм, N_d=1Ч10¹⁶ см^-3)/Al_xGa_1-xN (3 нм, N_d=1Ч10¹⁶ см^-3)/Al_xGa_1-xN (17 нм, N_d=1Ч10¹⁹ см^-3[Si])/ Al_xGa_1-xN (5 нм, N_d=1Ч10¹⁶ см^-3). Расчеты проводились для мольной доли алюминия х=0.15, 0.25, 0.35, 0.5 и 1.0. Высота барьера Шоттки предполагалась равной 1.5 В и не зависящей от мольной доли алюминия. Из анализа были сделаны следующие выводы.

· Носители локализуются вблизи границы интерфейса (Al,Ga)N/GaN в области узкозонного материала, причем вблизи контакта Шоттки в (Al,Ga)N слое электроны практически отсутствуют, что должно создавать трудности для формирования омических контактов стока и истока.

· Использование легирования в области широкозонного полупроводника - (Al,Ga)N слабо сказывается на поведении уровней размерного квантования в яме, находящихся ниже уровня Ферми. Это отражается на небольшом различие в слоевой концентрации носителей в канале транзистора - в 1.5 раза больше для легированного полупроводника.

· Моделированием ОГС определена мольная доля алюминия в слое Al_xGa_1-xN, при которой возможно получение низкого сопротивления омических контактов для стока и истока транзистора - x=0.35±5.

· Структура с легированием требует большего напряжения запирания для полного перекрытия канала транзистора (потенциал на затворе - контакте Шоттки) - примерно 7 В.

Очевидно, что использование легированной ОГС более предпочтительно для мощного полевого транзистора так как возможно уменьшение удельного контактного сопротивления, а также повышение носителей в канале - увеличение плотности тока. Однако, легированная ОГС хуже управляется.

На втором этапе теоретического анализа моделировалась ДГС. Изначально модельная структура бралась следующего вида (ДГС1): Al_0.5Ga_0.5N (500 нм, N_d=1Ч10¹⁶ см^-3)/ GaN (100 нм, N_d=1Ч10¹⁶ см^-3)/ Al_0.35Ga_0.65N (25 нм, N_d=1Ч10¹⁶ см^-3). Рассчитанное распределение носителей по толщине такой структуры указывает наличие канала для дырок на нижней гетерогранице (Al,Ga)N/GaN. При напряжении смещения менее -2.5 В концентрация электронов канале близка к нулю.

Дальнейшее моделирование было направлено на определение конструкции нижних слоев ДГС для уменьшения влияния паразитного дырочного канала и удержания электронов. Проанализирована гетероструктура со слем AlN между GaN и нижним (Al,Ga)N (ДГС2): Al_0.5Ga_0.5N (500 нм, N_d=1Ч10¹⁶ см^-3)/ AlN (25 нм, N_d=1Ч10¹⁶ см^-3)/ GaN (х нм, N_d=1Ч10¹⁶ см^-3)/ Al_0.35Ga_0.65N (25 нм, N_d=1Ч10¹⁶ см^-3), х=50 и 150 нм. В результате электроны, согласно расчету, остаются в канале до больших значений обратного смещения. Увеличение толщины GaN благоприятно сказывается на концентрации носителей в канале, однако концентрация дырок в паразитном канале не уменьшается, причем возникает потенциальная яма на переходе Al_0.5Ga_0.5N/AlN, приводящая к возникновению дополнительного электронного канала.

Следующим шагом было введение слоев различного состава и толщины между AlN и GaN для подавления паразитного дырочного канала. Для борьбы с шунтирующими каналами носителей в буферных слоях было предложено отказаться от слоев Al_xGa_1-xN до AlN вставки. Результаты моделирования показали, что наилучшие результаты достигаются при использовании слоя Al_0.15Ga_0.85N между AlN и GaN, в этом случае дырки локализуются только на удаленной гетерогранице AlN/Al_0.15Ga_0.85N при увеличении концентрации носителей в канале транзистора.

После проведенных модельных расчетов была предложена базовая модель гетероструктуры для мощного полевого транзистора (таблица 1).

Таблица 1. Модель базовой ДГС для мощного полевого транзистора.

Проведенный математический анализ базовой ДГС показал локализацию электронного газа на гетерогранице GaN/Al_0.35Ga_0.65N, а дырочного газа на гетерогранице AlN/Al_0.15Ga_0.85N. Увеличение обратного смещения приводит к полному исчезновению носителей в канале при -5 В, что говорит об управляемости разрабатываемого транзистора. Рассчитанная концентрация носителей в канале составляет 0.6Ч10¹³ см^-2, что может быть увеличено за счет легирования верхних слоев.

В качестве основной методики эпитаксиального роста слоев A³N выбрана молекулярно пучковая эпитаксия (МПЭ) с инжектором аммиака. Обоснование выбора дано в соответствующей части литобзора. Гетероструктуры выращивались в ЗАО «Светлана-Рост» на специализированной установке МПЭ роста кристаллов A³N - ЭПН-3. Установка обладает увеличенным, по сравнению с оборудованием данного класса, диапазоном изменения параметров процесса таких как: максимальная температура подложки - до 1100^о С, соотношение потоков материалов групп III/V до 1000, скорости роста эпитаксиальных слоев до 3 мкм/час. В качестве подложек для роста эпитаксиальных слоев был выбран сапфир [0001]. Выбор сапфира обусловлен коммерческой пригодностью данного материала для отработки основных этапов технологии, а так же для создания экспериментальных образцов мощных полевых транзисторов.

Изначально проводилось измерение характеристик гетероструктур с конструкцией согласно Таблице 1 и сравнение с характеристиками ОГС (Al,Ga)N/GaN. Базовая ДГС продемонстрировала значительно меньшую подвижность свободных электронов по сравнению с ОГС - 700-800 см²/ВЧс и 1000-1500 см²/ВЧс соответственно. Концентрации свободных носителей соответствовали расчетным данным и находились на уровне 1.0-1.2 Ч10¹³ см^-2 для ДГС с нелегированным слоем верхнего (Al,Ga)N. Измерения профиля распределения свободных носителей по толщине гетероструктуры с помощью вольт-фарадных характеристик показали наличие пика концентрации носителей на толщине 25-26 нм, что соответствует расчетным данным глубины залегания квантовой ямы с ДЭГ. Однако измерения ВАХ тестовых транзисторов в сочетании с измерениями паразитных утечек указали на недостаточную изоляцию нижних буферных слоев токи утечки составляют 1-2 мА на 50 В.

В ходе измерений характеристик гетероструктур с различными конструкциями буферных слоев была выбрана ДГС с многослойным буфером, использующим сверхрешетки и градиентные слои. В таблице 2 сведены обобщенные данные по отработке конструкции буфера ДГС.

Был проведен анализ влияния конструкции и уровня легирования верхних слоев ДГС на электрофизические параметры гетероструктуры. На основе результатов верхний слой определен как Al_0,33Ga_0.77N легированный кремнием с объемной концентрацией 5Ч10¹⁸ см^-3. Выбор толщин слоев (AlN вставка, спейсер, легированный слой, прикрышка) определен после измерений электрофизических параметров выращенных гетероструктур - AlN(1 нм)/ Al_0,33Ga_0.77N(20 нм)/Al_0,33Ga_0.77N<Si>(100 нм)/ Al_0,33Ga_0.77N(120 нм).

Для увеличения подвижности в канале транзистора на основе базовой ДГС проводились эксперименты по увеличению толщины слоя GaN. Экспериментально установлен факт незначительного увеличения подвижности носителей (до значений 1500 см²/Вс при концентрации 1.5-1.7Ч10¹⁷ см^-3) от толщины канала для значений 100-200 нм. Однако, согласно литературным данным, при значительном увеличении толщины канального GaN возможно проявления эффекта коллапса тока даже для ДГС структур. Помимо этого для полного перекрытия канала такой толщины потребуется большее отрицательное смещение. Увеличение подвижности носителей в канале GaN связано с улучшением кристаллической структуры GaN, что подтверждается данными АСМ. Более тонкий GaN не полностью восстановлен после релаксации на решетке (Al,Ga)N, поэтому было выдвинуто предположение о наличие критической толщины GaN соответствующей началу релаксации. В результате измерения подвижности и концентрации носителей в канале с помощью метода Ван-дер-Пау установлена экспериментальная зависимость подвижности от толщины канала GaN. Из которой можно установить критическую толщину GaN при которой наступает релаксация напряжений в структуре (решетки GaN на решетке (Al,Ga)N). Наименьшие значения подвижности соответствую толщине GaN около 20 нм, что, по видимому соответствует полностью отрелаксированному материалу. При значениях толщины канала менее 10 нм подвижность носителей соответствует значениям 1000 см²/ВЧс при концентрации 1.5-1.7Ч10¹⁷ см^-3, падение концентрации носителей связано с уменьшением плотности состояний в тонкой квантовой яме. Согласно исследованиям, можно сделать вывод: для создания полевого транзистора на основе ДГС (Al,Ga)N/GaN/(Al,Ga)N можно уменьшить толщину канала (GaN) до размеров, соизмеримых с квантовыми - квантовая яма. Это, в свою очередь, должно увеличить управляемость транзистора (увеличит крутизну характеристики) при сохранении плотности тока.

Таблица 2. Сводные результаты по отработке конструкции буферных слоев ДГС.

Четвертая глава посвящена исследованиям влияния этапов постростовых технологий на приборные параметры мощного полевого транзистора.

На первом этапе отработки постростовых технологий исследовался процесс создания омических контактов к слаболегированным слоям (Al,Ga)N. Были опробованы системы металлизации, использующие алюминий в качестве контакт-образующего металла.

В работе отражено влияние очистки поверхности (Al,Ga)N перед напылением, сделан вывод, что наиболее повторяемый качественный результат дает последовательность плазмохимического травления поверхности гетероструктуры в кислороде в течении 1 минуты вместе с последующей обработкой поверхности в 10% водном растворе аммиака. После нанесения контакты вжигались при температуре около 900^о С.

Основная часть главы посвящена отработки параметров вжигания в сочетании с толщинами и составом слоев металлизации для достижения наилучшего соотношения шероховатости поверхности металлизации и удельного сопротивления контактов после вжигания. После ряда экспериментов приемлемыми были признаны режимы вжигания 800+20^о С в течении 60 секунд для пластин диаметром 51 мм. Наиболее устойчивой к параметрам вжигания оказалась система металлов Ti(30нм)/Al(150нм)/Ni(40нм)/Au(50нм). Полученные результаты сопротивления - 0.3±0.03 ОмЧмм при шероховатости 500±20 нм.

Важнейший технологический процесс - травление межприборной изоляции (мезы) - осуществлялся в установке УПХТ с использованием методики РИТ (реактивно-ионное травление) в плазме CCl₄. В результате исследования процессов травления был установлен факт увеличения скорости травления широкозонных слоев (Al,Ga)N/GaN при увеличении наводимого смещения на подложке или уменьшении давления в реакторе установки. Резкое увеличение скорости травления до значений 60-80 нм/мин приводило к увеличению шероховатости поверхности травленного (Al,Ga)N/GaN и растравливанию фоторезистивной маски. На основе результатов сделан вывод о превалирующей роли физического распыления ионами при травлении широкозонных полупроводников (Al,Ga)N/GaN методом РИТ. Резкое увеличение шероховатости поверхности плохо согласуется с последующими технологическими операциями по созданию мощного полевого транзистора. Поэтому были проведены эксперименты, в ходе которых установлены режимы плазмохимического травления эпитаксиальных слоев (Al,Ga)N/GaN: скорость травления - 30±5 нм/мин, шероховатость поверхности - 20±2 нм.

В качестве барьерных контактов использовалась система Ni(50нм)/Au(4000нм) с величиной барьера Шоттки около 1.1 эВ.

В заключении главы представлена топология базового транзистора с шириной затвора - 180 мкм, длинной затвора 1 мкм, расстоянием сток-исток - 3 мкм.

В пятой главе приводятся основные результаты измерений приборных характеристик созданных мощных полевых транзисторов.

Измерения квазистатических ВАХ созданных мощных полевых транзисторов производились на лабораторном стенде с использованием характериографа Л2-56 и зондовой установки ЭМ6030. Были измерены транзисторы из различных технологических партий. Частота измеряющих импульсов характериографа Л2-56 равна 100 Гц, что сказывается на саморазогреве транзистора на сапфировой подложке 400 мкм, поэтому измерения открытого транзистора проводились до значений напряжения сток-исток - 20±1 В.

В начале главы отмечено влияние пассивации поверхности созданного полевого транзистора. Пассивация проводилась на лабораторном оборудовании ЗАО «Научное и технологическое оборудование»» с использованием технологии плазмостимулированного осаждения Si₃N₄. В ходе сравнения ВАХ транзисторов до и после пассивации установлен факт увеличения тока стока на 10% и исчезновение петлей гистерезиса квазистатических ВАХ мощного транзистора при больших токах стока.

Для измерения квазистатических ВАХ использовалась топология мощного транзистора с длинной затвора 1 мкм и шириной затвора 20 мкм. Измерения ВАХ продемонстрировали следующие результаты:

· ток стока - I_с = 1.0±0.1 А/мм;

· напряжение перекрытия - U_t=-7±0.2 В;

· крутизна характеристики - g=200±20 мСм/мм;

· максимальное напряжение - U_м=40 В;

· напряжение пробоя при напряжении на затворе -5В - U_пр =80 В.

Типичная квазистатическая ВАХ транзистора представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. ВАХ мощного полевого транзистора на основе двойной гетероструктуры (Al,Ga)N/GaN/(Al,Ga)N

Предложенная и исследованная в настоящей работе ДГС была применена в совместной работе ЗАО «Светлана-Рост» и ФГУП «Исток» по разработке мощного СВЧ транзистора с длинной затвора 0,25 мкм, шириной 480 мкм и рабочей частотой 6 ГГц. Для создания такого транзистора применялся метод электронной литографии в ФГУП «Исток». Так же при изготовлении чипа транзистора использовалась технология «воздушных мостиков» для электрического соединения нескольких секций транзистора. Итоговые параметры разработанного мощного СВЧ полевого транзистора:

· крутизна характеристики 200 мСм/мм;

· плотность тока стока 800 мА/мм;

· полная мощность при работе на сигнале 6 ГГц 600 мВт;

· усиление 10 дБ;

· удельная мощность 1.25 Вт/мм;

· рабочее напряжение 10 В;

· КПД 25%.

В заключении приведены основные выводы работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана и внедрена конструкция двойной транзисторной гетероструктуры (Al,Ga)N/GaN/(Al,Ga)N. Установлена возможность уменьшения толщины канала GaN до значения 5 нм при сохранении подвижности на уровне 1000 см²/ВЧс при концентрации 1,0-1,2 Ч10¹³ см^-2. Продемонстрировано снижение паразитных утечек по буферу гетероструктуры при использовании конструкции многослойного буфера с использованием сверхрешеток. Оценены параметры верхних слоев: мольная доля алюминия - х=0.33, концентрация примеси - 1.5 Ч10¹⁸ см^-3.

2. Установлены режимы формирования омических контактов к слаболегированным слоям (Al,Ga)N на основе системы металлизации Ti/Al/Ni/Au. Определено соотношение толщин слоев металлов. Экспериментально установлены температурные и временные режимы температурной обработки омических контактов для достижения наилучшего соотношения низкого омического сопротивления и шероховатости поверхности контакта после вжигания.

3. Установлен факт исчезновения гистерезиса ветвей статической ВАХ планарного полевого транзистора после нанесения защитного покрытия на основе диэлектрической пленки Si3N4.

4. Разработана и внедрена технология создания мощного полевого транзистора на основе двойной гетероструктуры (Al,Ga)N/GaN с параметрами: плотность тока 1 А/мм, пробивное напряжение 80 В, крутизна характеристики 200 мС/мм.

5. Разработана и внедрена технология создания тестового модуля, позволяющего оперативно определить основные приборные характеристики и электрофизические параметры нитридных транзисторных гетероструктур с сохранением большей полезной площади поверхности образца.

6. Разработана и внедрена конструкция технологических установки взрывного вжигания слоев металлизации. Так же модернизированы установки плазмохимического травления нитридных слоев в плазме CCl₄ и плазмохимического осаждения диэлектриков Si₃N₄

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. С.Б. Александров, А.Н. Алексеев, Д.М. Демидов, А.Л. Дудин, Н.И. Кацавец, И.В. Коган, Ю.В. Погорельский, А.Л. Тер-Мартиросян, Э.Г. Соколов, В.П. Чалый, А.П. Шкурко. Мощные низкопороговые лазерные диоды (л=0.94 мкм) на основе In_0.1Ga_0.9As/AlGaAs/GaAs гетероструктур, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Письма в журнал технической физики. - 2002. - Т. 28. - Вып. 16. - С. 71-78

2. 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. Сверхвысокочастотные транзисторы на основе нитридов III группы. Физика и техника полупроводников. - 2004. - Т. 38. - Вып. 10. - С. 1275-1279

3. А.Н. Алексеев, С.Б. Александров, А.Э. Бырназ, Л.Э. Великовский, И.Э. Великовский, Д.М. Красовицкий, М.В. Павленко, С.И. Петров, Ю.В. Погорельский, И.А. Соколов, М.А. Соколов, М.В. Степанов, А.Г. Ткаченко, А.П. Шкурко, В.П. Чалый. Многослойные гетероструктуры AlN/(Al,Ga)N/GaN/(Al,Ga)N для мощных полевых транзисторов, полученные аммиачной молекулярно-лучевой эпитаксией. Письма в журнал технической физики. - 2005. - Т.31, - Вып. 20, - С. 19-27

4. А.Н. Алексеев, С.Б. Александров, А.Э. Бырназ, Л.Э. Великовский, И.Э. Великовский, А.В. Веретёха, Д.М. Красовицкий, М.В. Павленко, С.И. Петров, M.Ю. Погорельский, Ю.В. Погорельский, И.А. Соколов, М.А. Соколов, М.В. Степанов, А.Г. Ткаченко, А.П. Шкурко, В.П. Чалый. Многослойные гетероструктуры AlN/(Al,Ga)N/GaN/(Al,Ga)N с квантовыми ямами для мощных полевых транзисторов, полученные аммиачной молекулярно-лучевой эпитаксией. Письма в журнал технической физики. - 2006. -Т. 32, - Вып. 22, -С. 6-14.

5. С.Б. Александров, А.Н. Алексеев, А.Э. Бырназ, Л.Э. Великовский, И.Э. Великовский, А.В. Веретёха, Д.М. Красовицкий, М.В. Павленко, С.И. Петров, M.Ю. Погорельский, Ю.В. Погорельский, И.А. Соколов, М.А. Соколов, М.В. Степанов, А.Г. Ткаченко, А.П. Шкурко, В.П. Чалый. Многослойные AlN/(Al,Ga)N/GaN/(Al,Ga)N гетероструктуры с каналом на основе квантовой ямы для мощных полевых транзисторов. Наноструктуры: Физика и Технология, - 2006. - С. 246.

Размещено на Allbest.ru