Псевдоморфный гетероструктурный модулировано-легированный полевой транзистор

Полезная модель относится к электронной технике. Псевдоморфный гетероструктурный модулировано-легированный полевой транзистор содержит фланец, пьедестал, гетероэпитаксиальную структуру, буферный слой, исток, затвор, сток и омические контакты. Пьедестал выполнен из теплопроводящего слоя CVD поликристаллического алмаза с имплантированным Ni и с отожженными приповерхностными слоями с двух сторон, поверх пьедестала расположена базовая подложка из полуизолирующего GaN, буферный слой, а на поверхности гетероэпитаксиальной структуры на основе нитридов. Между истоком, затвором и стоком, последовательно размещены дополнительные слои теплопроводящего поликристаллического алмаза, барьерный слой из двуокиси гафния и барьерный слой из оксида металла. При этом, барьерные слои выполнены с суммарной толщиной 1,0-4,0 нм. Кроме того, в области затвора барьерные слои размещены под затвором, непосредственно на эпитаксиальной структуре. Технический результат заключается в повышении теплоотвода от пьедестала и активной области транзистора, в обеспечении минимальных утечек тока затвора. 5 з.п. ф-лы, 2 табл., 6 илл.

Полезная модель относится к электронной технике, а именно к полупроводниковым приборам, предназначенным для усиления СВЧ-электромагнитных колебаний.

Гетероструктурные полевые транзисторы с модулированным легированием (ПТМЛ, MODFET) на основе соединений полупроводниковых материалов групп A ^IIIB^V в настоящее время являются самыми быстродействующими полевыми транзисторами, позволяя одновременно достигать наименьшие коэффициенты шума в ГГц-диапазоне частот. Высокое быстродействие достигается за счет эффекта увеличения дрейфовой скорости электронов, образующих двумерный электронный газ у интерфейса модулировано легированной гетероструктуры (МЛГС).

Из "Уровня техники" известен полевой СВЧ-транзистор, содержащий подложку, на которой сформирован буферный слой из широкозонного полупроводника, на котором расположен активный слой из узкозонного полупроводника с электродами истока, стока и затвора. Кроме того, активный слой под электродом затвора выполнен неравномерно-легированным. При этом концентрация легирующей примеси в направлении электрод истока-электрод стока монотонно возрастает от значения соответствующего концентрации остаточных примесей до значения соответствующего концентрации примесей в буферном слое, а концентрация примесей в буферном слое на 4-5 порядков превышает концентрацию остаточных примесей в активном слое (см. А.С. СССР 1118245, опубл. 19.06.1995).

Недостатками известного устройства являются низкое значение СВЧ-мощности, низкое значение теплоотвода от активной части транзистора и наличие низкочастотных шумов.

Кроме того, известен полевой транзистор на основе нитридов галлия и алюминия, структура которого последовательно включает: подложку, слой GaN, барьерный слой, выполненный из двух подслоев: Al_0,2Ga_0,8 N, на нем GaN. На структуре выполнены контакты: сток, исток и затвор с соответствующими промежутками между ними; далее выполнено диэлектрическое покрытие из MgO, Sc₂O₃ или SiN_x. Между контактами диэлектрическое покрытие находится на барьерном слое и служит для защиты открытых поверхностей барьерного слоя от внешних воздействий, см. B. Luo et al. The role of cleaning conditions and epitaxial layer structure on reliability of Sc₂O₃ and MgO passivation on AlGaN/GaN HEMTS, Solid-State Electronics, 46, pp. 2185-2190, 2002.

Недостатками известного устройства являются высокий уровень деградации, обусловленный низким значением теплоотвода от активной части транзистора.

Задачей настоящей полезной модели является устранение всех вышеуказанных недостатков.

Технический результат заключается в повышении теплоотвода от пьедестала и активной области транзистора, в обеспечении минимальных утечек тока затвора.

Технический результат обеспечивается тем, что псевдоморфный гетероструктурный модулировано-легированный полевой транзистор содержит фланец, пьедестал, гетероэпитаксиальную структуру, буферный слой, исток, затвор, сток и омические контакты. Пьедестал выполнен из теплопроводящего слоя CVD поликристаллического алмаза с имплантированным Ni и с отожженными приповерхностными слоями с двух сторон, поверх пьедестала расположена базовая подложка из полуизолирующего GaN, буферный слой, а на поверхности гетероэпитаксиальной структуры на основе нитридов. Между истоком, затвором и стоком, последовательно размещены дополнительные слои теплопроводящего поликристаллического алмаза, барьерный слой из двуокиси гафния и барьерный слой из оксида металла. При этом, барьерные слои выполнены с суммарной толщиной 1,0-4,0 нм. Кроме того, в области затвора барьерные слои размещены под затвором, непосредственно на эпитаксиальной структуре.

В соответствии с частными случаями выполнения устройство имеет следующие особенности.

Барьерный слой может быть выполнен из ZrO₂ , или из La₂O₃, или из Y₂O ₃, или из Al₂O₃.

Пьедестал выполнен толщиной 150-170 мкм.

Сущность настоящей полезной модели поясняется следующими иллюстрациями:

фиг. 1 - отображает настоящее устройство;

фиг. 2 - отображает схематическое изображение энергетических зон у модулировано легированного гетероперехода n-AlGaN/GaN;

фиг. 3 - отображает взаимосвязь ширины запрещенной зоны и постоянной решетки;

фиг. 4 - приведены экспериментально измеренные зависимости температуры разогрева активной области СВЧ транзистора от времени.

фиг. 5 - приведены вольтамперные характеристики мощного транзистора СВЧ без дополнительных слоев на поверхности кристалла транзистора;

фиг. 6 - приведены вольтамперные характеристики мощного транзистора СВЧ с дополнительными слоями.

На иллюстрации отображены следующие конструктивные элементы:

1 - фланец;

2 - слой припоя из AuSi эвтектического состава;

3 - пьедестал из теплопроводящего слоя CVD поликристаллического алмаза с имплантированными Ni и отожженными приповерхностными слоями с двух сторон;

4 - подслой из AuSi;

5 - монокристаллический слой кремния;

6 - теплопроводящий слой CVD поликристаллического алмаза;

7 - слой монокристаллического кремния;

8 - буферный слой AlN или HfN;

9 - буферный слой из GaN;

10 - второй буферный слой из GaN;

11 - сверхрешетка из Al_xGa _1-xN/GaN;

12 - третий буферный слой;

13 - сильнолегированный слой n-Al_xGa _1-xN;

14 - спейсер из Al_xGa _1-xN;

15 - сглаживающий слой;

16 - канал InGan;

17 - сглаживающий слой;

18 - спейсер из Al_xGa_1-xN;

19 - сильнолегированный контактный слой;

20 - барьерный слой;

21 - барьерный слой n-GaN;

22 - градиентный слой;

23 - контактный слой;

24 - исток;

25 - затвор;

26 - сток;

27 - омические контакты;

28 - дополнительный теплопроводящий слой поликристаллического алмаза;

29 - дополнительный барьерный слой из двуокиси гафния;

30 - дополнительный барьерный слой из оксида металла.

Настоящее устройство производят следующим образом.

На фланце толщиной 1600 мкм размещен слой припоя состава AuSi 2 толщиной 25 мкм, затем в заготовленный в качестве пьедестала слой теплопроводящего CVD поликристаллического алмаза 3 толщиной ~150 мкм, в обе приповерхностные области которого, предварительно, способом имплантации введен никель и проведен отжиг. Затем после размещения на поверхности теплопроводящего слоя CVD поликристаллического алмаза размещают подслой припоя эвтектического состава из AuSi 4, толщиной 25 мкм. Затем на поверхности подслоя AuSi 4 последовательно размещают: базовую подложку 5, состоящую из монокристаллического кремния p-типа проводимости, ориентированного по плоскости (III), толщиной менее 20 мкм,

и теплопроводящий CVD поликристаллический слой алмаза 6, толщиной 150 мкм, слой монокристаллического кремния 7, толщиной 0,5-20 мкм, буферный слой из AlN 8 (по другому частному случаю выполнения из HfN), толщиной 0,1 мкм.

После размещения слоя CVD поликристаллического алмаза 6, базовая подложка 5 утоняется методами мокрого и сухого травления до толщины 10 мкм.

Поверх буферного слоя 8 размещена эпитаксиальная структура на основе широкозонных III-нитридов в виде слоев 5-23, состоящих из нелегированного буферного слоя GaN 9, толщиной 200 нм, нелегированного второго буферного слоя GaN 10, толщиной 200 нм, нелегированной сверхрешетки из Al_xGa_1-x N/GaN 11, третьего нелегированного буферного слоя 12, толщиной 100 нм, сильнолегированного слоя твердого раствора Al_x Ga_1-xN 13, толщиной 4,5 нм, нелегированного слоя Al _xGa_1-xN спейсер 14, толщиной 2 нм, сглаживающего слоя 15, толщиной 3 нм, слоя нелегированного твердого раствора InGaN - канал 16, толщиной 12 нм, нелегированного сглаживающего слоя 17, толщиной 1,5 нм, второго слоя из Al_xGa _1-xN - спейсер 18, выполненного из нелегированного твердого раствора Al_xGa_1-xN, толщиной 2 нм, сильнолегированного слоя 19 из Al_xGa_1-xN, толщиной 16 нм, барьерного слоя 20 из твердого раствора Al_xGa_1-xN, толщиной 13 нм, барьерного слоя 21 из GaN, толщиной 15 нм, градиентного слоя 22, толщиной 20 нм, и контактного слоя 23 из сильнолегированного GaN, толщиной 50 нм.

Затем на участках для создания истока затвора и стока частично удаляют контактный слой 19 и градиентный слой 18, на этих участках формируют исток 24, затвор 25, сток 26 и омические контакты 27.

Кроме того, устройство снабжают дополнительными слоями, размещенными между истоком 24, затвором 25 и стоком 26. Дополнительные слои

выполняют в виде теплопроводящего CVD поликристаллического алмаза 28, барьерного слоя из двуокиси гафния 29, и дополнительного барьерного слоя из оксида металла 30, в качестве которого может быть использован ZrO₂, или из La₂O ₃, или из Y₂O₃, или из Al₂ O₃. При этом слои из двуокиси гафния 29 и оксида металла 30 имеют общую толщину 1,0-4,0 нм. В области затвора 25 дополнительные барьерные слои размещены под затвором 25, непосредственно на эпитаксиальной структуре в виде слоя 23 из твердого раствора GaN n-типа проводимости.

Между слоем монокристаллического кремния 7 и буферным слоем GaN 9 располагается переходная область которая служит для уменьшения рассогласования параметров решетки инородной подложки и растущих на ней эпитаксиальных слоев нитрида галлия (и далее- всей гетероструктуры). Слой из InGaN 16 предназначен для образования в его приповерхностном слое проводящего канала (двумерного электронного газа (ДЭГ) с высокой подвижностью носителей заряда), возникающего за счет разрыва зон и поляризационных эффектов при образовании гетероперехода InGaN/GaN. Основным требованием к этому слою является структурное совершенство, достаточное для обеспечения высокой подвижности электронов, и высокого сопротивления. Поэтому канальный слой не легируется, а в ряде случаев используются специальные приемы для обеспечения необходимого высокого удельного сопротивления.

В настоящем устройстве обеспечивается оптимизация отвода тепла из активной области кристалла и в целом из транзистора и минимизация утечек тока затвора. Это обеспечивается с помощью использования теплопроводящего поликристаллического слоев алмаза (3, 6, 28) и дополнительных барьерных слоев из двуокиси гафния 29 и оксида металла 30, которые позволяют минимизировать утечки тока и увеличить значение напряжения пробоя.

На фигурах 5, 6 приведены вольт-амперные характеристики: фиг. 5 - без слоя изолирующего поликристаллического алмаза, на поверхности кристалла СВЧ транзистора, между истоком, затвором и стоком и дополнительных барьерных слоев под затвором; 6) - со слоями изолирующего поликристаллического алмаза на поверхности кристалла транзистора, между истоком, затвором и стоком, а также дополнительными слоями (масками) из двуокиси гафния и оксида металла под затвором транзистора и поверх изолирующего поликристаллического алмаза.

Размещение слоя изолирующего поликристаллического алмаза на поверхности кристалла СВЧ транзистора, между истоком, затвором и стоком, уменьшает тепловое сопротивление транзисторной структуры более, чем в 1.5 раза, и благодаря наличию на поверхности кристалла транзистора слоя теплопроводящего поликристаллического алмаза одновременно с барьерными слоями двуокиси гафния и оксида металла, размещенных под затвором, повышает величину пробивного напряжения более 20-30%, что обеспечивает повышение эффективности предложенного устройства.

В ходе осуществления полезной модели разработана конструкция эпитаксиальной гетероструктуры типа AlGaN/InGaN/GaN, с двухсторонним легированием, предназначенная для создания на ее основе СВЧ транзистора работоспособного в диапазоне частот вплоть до 30 ГГц. Конструкция гетероструктуры приведена в таблице 1, а в таблице 2 представлены основные электрофизические параметры гетероструктуры:

Таблица 1.
Слой транзисторной гетероструктуры, Назначение		Значение x	Толщина		Уровень легирования Nsi, см-3
Монокристаллический слой			Менее 20 мкм
Слой CVD полиалмаза			150-179 мкм
Монокристаллический слой			0,5-20 мкм
Буферный слой AlN или			0,1 мкм
1-ый буферный слой GaN			200 нм		Нелегированный
2-ой буферный слой GaN			200 нм		Нелегированный
Сверхрешетка AlxGa1-xN/GaN		0.22/0.0	(2нм/2 нм)×10		Нелегированный
3-ий буферный слой		0.22	100 нм		Нелегированный
Сильно легир-ный n-AlxGa1-		0.22	4,5 нм		5-7×1019
Спейсер AlxGa1-xN		0.22	2 нм		Нелегированный
Сглаживающий слой GaN			3 нм		Нелегированный
Канал InGaN			12 нм		Нелегированный
Сглаживающий слой GaN			1,5 нм		Нелегированный
Спейсер AlxGa1-xN		0.22	2 нм		Нелегированный
Сильно легированный n-		0.22	16 нм		5-7×1019
Барьерный слой n-AlxGa1-xN		0.22	13 нм		3-5×1017
Барьерный слой n-GaN			15 нм		3-5×1017
Градиентный слой n-GaN			20 нм		5×1016-7×1019
Контактный слой n-GaN			50 нм		7×1019
Таблица 2.
Температура измерения, °K	Слоевая концентрация носителей заряда в канале не менее, см-2			Подвижность носителей заряда в канале не менее, см2 /(B×c)
77	6.9×1012			2200
300	8.9×1012			1400

Для создания многослойных наногетероструктур твердых растворов AlGaN/InGaN/GaN, разработка и изготовление осуществлялась методом молекулярно-пучковой эпитаксии.

Основным достоинством метода МПЭ является возможность выращивания многослойных гетероструктур полупроводниковых соединений с чрезвычайно резкими профилями элементного состава и легирования. Важным параметром выращиваемых гетероструктур является шероховатость интерфейсов (границ раздела) слоев.

Метод МПЭ обеспечивает точность создания многослойной полупроводниковой гетероструктуры с точностью не хуже 1% с точки зрения толщин слоев, их периодичности, элементного состава и легирования.

Преимуществами предложенного устройства являются:

1) снижение плотности ростовых дефектов и улучшение электрической изоляции между каналом транзистора и подложкой за счет выполнения дополнительного буферного слоя в виде короткопериодной сверхрешетки Al_xGa_1-xN/GaN;

2) улучшение ограничения носителей в канале короткозатворного транзистора;

3) обеспечение оптимизации отвода тепла из активной области кристалла, из полевого транзистора в целом и минимизации утечек;

4) отсутствие трудоемких операций при изготовлении;

5) отсутствие опасности возникновения «коллапса тока»;

6) уменьшение теплового сопротивления транзисторной структуры более, чем в 1.5 раза,

7) увеличение пробивного напряжения транзистора до 30%;

8) повышение надежности и эффективности устройства.

Все вышеперечисленные преимущества позволяют создавать твердотельные СВЧ-блоки и модули с улучшенными параметрами,

предназначенные для антенных фазированных решеток и других радиоэлектронных систем.

1. Псевдоморфный гетероструктурный модулировано-легированный полевой транзистор, содержащий фланец, пьедестал, гетероэпитаксиальную структуру, буферный слой, исток, затвор, сток и омические контакты, отличающийся тем, что пьедестал выполнен из теплопроводящего слоя CVD поликристаллического алмаза с имплантированным Ni и с отожженными приповерхностными слоями с двух сторон, поверх пьедестала расположена базовая подложка из полуизолирующего GaN, буферный слой, а на поверхности гетероэпитаксиальной структуры на основе нитридов, между истоком, затвором и стоком, последовательно размещены дополнительные слои теплопроводящего поликристаллического алмаза, барьерный слой из двуокиси гафния и барьерный слой из оксида металла, при этом барьерные слои выполнены с суммарной толщиной 1,0-4,0 нм, кроме того, в области затвора барьерные слои размещены под затвором, непосредственно на эпитаксиальной структуре.

2. Транзистор по п. 1, отличающийся тем, что барьерный слой выполнен из ZrO₂.

3. Транзистор по п. 1, отличающийся тем, что барьерный слой выполнен из La ₂O₃.

4. Транзистор по п. 1, отличающийся тем, что барьерный слой выполнен из Y₂O₃ .

5. Транзистор по п. 1, отличающийся тем, что барьерный слой выполнен из Al₂O₃.

6. Транзистор по п. 1, отличающийся тем, что пьедестал выполнен толщиной 150-170 мкм.