Полупроводниковая метаморфная наногетероструктура inalas/ingaas

Полезная модель относится к полупроводниковым МНЕМТ (metamorphic high electron mobility transistor) наногетероструктурам, используемым для изготовления СВЧ транзисторов и монолитных интегральных схем с высокой рабочей частотой и большими пробивными напряжениями. Задачей, решаемой настоящей полезной моделью, является увеличение рабочей частоты СВЧ транзисторов, изготовленных на основе наногетероструктур с высоким содержанием InAs в активной области, выращенных на подложках GaAs. Техническим результатом, позволяющим выполнить поставленную задачу, является уменьшение плотности дислокации, проникших в активную область наногетероструктуры. Технический результат достигается за счет того, что в полупроводниковой метаморфной наногетероструктуре, включающей монокристаллическую полуизолирующую подложку GaAs (1), сверхрешетку Al_0.4Ga_0.6 As/GaAs (2), метаморфный буфер In_xAl_1-x As (3) с линейным увеличением содержания InAs x по толщине (x=x ₁x₄, где x₁~0, x₄0.75), инверсный слой In_xAl_1-xAs (4) с плавным либо скачкообразным уменьшением содержания InAs x по толщине (x=x₄x₄', где x₄'-x₄ =0.05÷0.1), залечивающий слой с однородным составом In _x4'Al_1-x4'As (5), активную область InAlAs/InGaAs (6) с высоким содержанием InAs (более 70%), согласованную по параметру решетки с залечивающим слоем, внутрь метаморфного буфера (3) вводятся две механически напряженных сверхрешетки In(x ₂+x)Al_1-(x2+x)As/In_(x2-x)Ga_1-(x2-x)As и In_(x3+x)Al_1-(x3+x)As/In_(x3-x)Ga_1-(x3-x)As, симметрично рассогласованные на х=0.05÷0.10 относительно текущего состава метаморфного буфера в данных точках, которые делят метаморфный буфер на три части, в каждой из которых содержание InAs x по толщине увеличивается соответственно от x₁ до x₃, от x₂ до x₃ и от x₃ до x₄, где 0.4<x ₂<0.6, а 0.6<x₃<0.75.

Область техники

Предлагаемая полезная модель относится к полупроводниковым МНЕМТ (metamorphic high electron mobility transistor) наногетероструктурам, используемым для изготовления СВЧ транзисторов и монолитных интегральных схем с высокой рабочей частотой и большими пробивными напряжениями.

Уровень техники

В настоящее время PHEMT (pseudomorphic high electron mobility transistor) наногетероструктуры типа In_0.52Al_0.48As/In_0.53Ga _0.47As, т.е. с высоким содержанием InAs в активной области, выращенные на подложках InP, позволяют изготовить самые быстродействующие СВЧ транзисторы [1] ([1] lain Thayne, Khaled Elgaid, David Moran, Xin Cao, Euan Boyd, Helen McLelland, Martin Holland, Stephen Thoms, Colin Stanley. "50 nm metamorphic GaAs and InP HEMTs". Thin Solid Films 515, 4373-4377 (2007).). Это возможно благодаря уменьшению эффективной массы электронов при увеличении содержания InAs в активной области МНЕМТ или PHEMT структур, что влечет за собой соответствующее увеличение подвижности и дрейфовой скорости насыщения электронов.

Но из-за высокой стоимости подложек InP и их меньшей технологичности, вызванной в основном их хрупкостью, а также малого пробивного напряжения в СВЧ транзисторах, изготовленных на структурах на основе InP, поиск и разработка новых наногетероструктур с высоким содержанием InAs в активной области, выращенных на подложках GaAs, является актуальной задачей.

Самым удачным и приемлемым оказался метод использования так называемого метаморфного буфера (ММБ) In_xAl _1-xAs. Выращенные с применением этого метода наногетероструктуры называются МНЕМТ (metamorphioc high electron mobility transistor). Суть метода заключается в выращивании между подложкой и активной областью относительно толстого (обычно 1÷2 мкм) переходного слоя (метаморфного буфера) с постепенно изменяющимся по толщине химическим составом (а именно: содержание InAs x в тройном твердом растворе In_xAl_1-xAs увеличивается по мере роста ММБ), а следовательно, и параметром решетки. Таким образом, ММБ согласует параметр решетки подложки с параметром решетки активной области. Метаморфная технология позволяет получить «виртуальную» подложку с требуемым параметром решетки, непосредственно на которой уже выращиваются активные слои требуемого состава.

Рост идеального ММБ должен сопровождаться постепенной релаксацией механических напряжений, неизбежно возникающих из-за несоответствия параметров решетки нижележащего и вышележащего слоев. Однако, как показала практика, полностью избавиться от механических напряжений и дислокации, как правило, не удается. Поэтому предлагается ряд способов уменьшения дефектности ММБ.

В статье [2] ([2] S.Mendach, C.M. Hu, Ch. Heyn, S.Schnull, H.P.Oepen, R.Anton, W.Hansen. "Strain relaxation in high-mobility InAs inserted-channel heterostructures with metamorphic buffer". Physica E 13, 1204-1207 (2002).) описана принятая в качестве аналога наногетероструктура, где активная область выращивается на метаморфном буфере со ступенчатым изменением мольной доли InAs (10% на каждые 100 нм). Сам ММБ растет на монокристаллической полуизолирующей подложке GaAs. В данном случае, как и в большинстве НЕМТ и РНЕМТ наногетероструктур, непосредственно на подложке до начала роста ММБ формируется короткопериодная сверхрешетка AlAs/GaAs (или Al_xGa_1-xAs/GaAs), которая играет двоякую роль. Во-первых, как видно из [2], она улучшает электрофизические параметры гетероструктуры, а во-вторых, препятствует сегрегации ненамеренной фоновой примеси из подложки в активные области наногетероструктуры во время ее эпитаксиального роста.

Существенным недостатком данного устройства является то, что не удается предотвратить выход дислокации и других дефектов в активную область наногетероструктуры, что приводит к ухудшению таких электрофизических параметров, как подвижность и концентрация носителей. А это в свою очередь ограничивает рабочую полосу частот, пробивное напряжение и другие характеристики СВЧ транзисторов и больших интегральных схем, созданных на данной наногетероструктуре.

Наиболее близкой к предлагаемой структуре и принятой в качестве прототипа является структура, описанная в [3] ([3] S.Bollaert, Y.Cordier, M.Zaknoune, H.Happy, V.Hoel, S.Lepilliet, D.Theron, A.Cappy. "The indium content in metamorphic In_xAl_1-xAs/In_x Ga_1-xAs HEMT on GaAs substrate: a new structure parameter". Solid-State Electronics 44 (2000), p.1021-1027.) (фиг.1), включающая монокристаллическую полуизолирующую подложку GaAs (1), на которой сформирован метаморфный буфер (2) In_xAl_1-x As с линейным увеличением содержания InAs x по толщине (x=x ₁x₄, где x₁=0, а x₄=0.60), инверсный слой In_xAl_1-xAs (3) со скачкообразным уменьшением содержания InAs x по толщине (х=x₄x₄', где x₄=0.60, x₄ '=0.50), залечивающий слой с однородным составом In_x4 'Al_1-x4'As (4) и активную область InALAs/hiGaAs с высоким содержанием InAs (50%) (5), согласованную по параметру решетки с залечивающим слоем.

Активная область представляет собой квантовую яму InGaAs, ограниченную барьерами InAlAs, в которой формируется двумерный электронный газ. В одном из барьеров располагается дельта-слой атомов Si, являющихся донорами. Существенным недостатком данной структуры является то, что накопившиеся напряжения и образовавшиеся дислокации выходят на поверхность метаморфного буфера, на которой формируется активная область наногетероструктуры, ответственная за СВЧ характеристики и СВЧ параметры приборов, изготовленных на данной наногетероструктуре. Это влечет за собой относительно низкую подвижность электронов в канале, которая в результате ограничивает рабочую полосу частот СВЧ транзистора, созданного на данной структуре.

Раскрытие полезной модели

Задачей, решаемой настоящей полезной моделью, является увеличение рабочей частоты СВЧ транзисторов, изготовленных на основе наногетероструктур с высоким содержанием InAs в активной области, выращенных на подложках GaAs. Техническим результатом, позволяющим выполнить поставленную задачу, является уменьшение плотности дислокации, проникших в активную область наногетероструктуры.

Технический результат достигается за счет того, что в полупроводниковой метаморфной наногетероструктуре (фиг.2), включающей монокристаллическую полуизолирующую подложку GaAs (1), сверхрешетку Al_0.4Ga_0.6As/GaAs (2), метаморфный буфер In_xAl_1-xAs (3) с линейным увеличением содержания InAs x по толщине (x=x₁x₄, где x₁~0, x₄0.75), инверсный слой In_xAl_1-xAs (4) с плавным либо скачкообразным уменьшением содержания InAs x по толщине (x=x₄x₄', где x₄'-x₄ =0.05÷0.1), залечивающий слой с однородным составом In _x4'Al_1-x4'As (5), активную область InAlAs/InGaAs (6) с высоким содержанием InAs (более 70%), согласованную по параметру решетки с залечивающим слоем, внутрь метаморфного буфера (3) вводятся две механически напряженных сверхрешетки In _(x2+x)+Al_1-(x2+x)+As/In_(x2-x)Ga_1-(x2-x)As и In_(x3+x)Al_1-(x3+x)As/In_(x3-x)Ga_1-(x3-x)As, симметрично рассогласованные на х=0.05÷0.10 относительно текущего состава метаморфного буфера в данных точках, которые делят метаморфный буфер на три части, в каждой из которых содержание InAs x по толщине увеличивается соответственно от x₁ до x₂, от x₂ до x₃ и от x₃ до x₄, где 0.4<x ₂<0.6, а 0.6<x₃<0.75.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 представлена схема полупроводниковой метаморфной наногетероструктуры в поперечном разрезе (вид сбоку), выбранной в качестве прототипа заявляемой полезной модели. Указаны следующие друг за другом слои и их состав.

На фиг.2 представлена схема полупроводниковой метаморфной наногетероструктуры в поперечном разрезе (вид сбоку), демонстрирующая суть заявляемой полезной модели.

На фиг.3 представлена схема полупроводниковой метаморфной наногетероструктуры в поперечном разрезе (вид сбоку), выращенной согласно заявляемой полезной модели.

Осуществление полезной модели

Устройство согласно заявляемой полезной модели работает следующим образом:

Как показано на фиг.2, непосредственно на монокристаллической полуизолирующей подложке GaAs (1) формируется сверхрешетка Al_0.4Ga_0.6As/GaAs (2), препятствующая сегрегации ненамеренной фоновой примеси из подложки в активные области наногетероструктуры во время ее эпитаксиального роста. Выше формируется метаморфный буфер (3) с линейным увеличением содержания InAs x по толщине (x=xx₄, где x₁~0, а x₄0.75). Линейное изменение x от 0 до 0.75 изменяет параметр решетки и согласует его с параметром решетки активной области. Внутрь ММБ (3) вводятся две механически напряженных сверхрешетки In_(x2+x)Al_1-(x2+x)As/In_(x2-x)Ga_1-(x2-x)As (8) и In_(x3+x)Al_1-(x3+x)As/In_(x3-x)Ga_1-(x3-x)As (10), симметрично рассогласованные на х=0.05÷0.10 относительно текущего состава метаморфного буфера в данных точках. Метаморфный буфер при этом оказывается разделен на три части (7, 9, 11), каждая из которых представляет собой слой In_xAl_1-xAs с линейно возрастающим по толщине содержанием InAs x, где x=x₁x₂ (7), x=x₂х₃ (9), x=x₃x₄ (11). Сверхрешетки, введенные в ММБ, отличаются как по составу, так и по назначению от сверхрешетки Al_0.4 Ga_0.6As/GaAs, расположенной непосредственно на подложке. Слои этих сверхрешеток симметрично рассогласованы относительно состава ММБ при данной толщине, что приводит к образованию короткопериодных полей упругой деформации и отсутствию более дальнодействующего поля упругой деформации. Короткопериодные деформационные поля приводят к изгибанию прорастающих в активную область дислокации, а также препятствуют фазовому расслоению тройного твердого раствора In_xAl_1-xAs при больших значениях х.

В каждой сверхрешетке слои InGaAs обладают пониженным содержанием InAs относительно текущего состава метаморфного буфера, а слои InAlAs - повышенным содержанием InAs. Это сделано для того, чтобы не создать в сверхрешетках дополнительные квантовые ямы для электронов и не получить параллельную проводимость по сверхрешеткам.

Над ММБ (3) формируется инверсный слой (4), в котором содержание InAs x плавно изменяется от x ₄ до x₄', причем перепад содержания InAs составляет 0.05÷0.10. Инверсный слой (4) позволяет ликвидировать механические напряжения, оставшиеся в ММБ (3), и получить ненапряженную «виртуальную» подложку для последующего роста залечивающего слоя (5) и активной области (6).

За инверсным слоем (4) следует залечивающий слой с однородным составом In _x4'Al_1-x4'As (5), над которым находится активная область (6), согласованная по параметру решетки с залечивающим слоем. Содержание InAs в слоях активной области составляет более 70%.

Все описанные слои за исключением -слоя кремния являются нелегированными.

Введение внутрь метаморфного буфера симметрично рассогласованных сверхрешеток позволяет достигнуть технического результата - уменьшить плотность прорастающих дислокации.

Создание в соответствии с заявленными признаками и конструкцией ММБ наногетероструктур обеспечивает возможность выращивания структур с высоким содержанием InAs в активной области и с высокими значениями подвижности.

Согласно заявляемой полезной модели нами был получен следующий образец полупроводниковой метаморфной наногетероструктуры InAlAs/InGaAs (фиг.3).

Монокристаллическая полуизолирующая подложка (1) выполнена из GaAs с кристаллографической ориентацией (100). На ней находится пятипериодная сверхрешетка Al_0.4 Ga_0.6As/GaAs (2), толщины слоев Al_0.4Ga _0.6As и GaAs составляют 24 Å и 14 Å соответственно. Выше сформирован метаморфный буфер In_xAl_1-x As (3), значение x изменяется от 0.06 в начале метаморфного буфера до 0.75 в его конце, толщина метаморфного буфера в данном примере составляет 1.2 мкм. Внутрь метаморфного буфера на 0.54 и 0.90 его толщины при текущих составах In_0.49Al_0.51 As и In_0.73Al_0.27As вставлены две механически напряженные сверхрешетки In_0.39Ga_0.61As/In _0.53Al_0.47As (8) и In_0.62Ga_0.38 As/In_0.77Al_0.23As (10), каждая по 5 периодов, в первой сверхрешетке слои InGaAs и InAlAs имели толщины 32 Å и 36 Å, а во второй - 34 Å и 56 Å соответственно.

Метаморфный буфер при этом оказывается разделен на три части (7, 9, 11), каждая из которых представляет собой слой InAl_1-xAs с линейно возрастающим по толщине содержанием InAs x. За метаморфным буфером (3) расположен инверсный слой (4) In_xAl_1-xAs, значение x изменяется от 0.75 в начале инверсного слоя до 0.70 в его конце на толщине 40 нм. За инверсным слоем следует залечивающий слой In_0.70 Al_0.30As (5) толщиной 0.16 мкм. Полупроводниковая наногетероструктура завершается активной областью (6), состоящей из канала In_0.76Ga_0.24As толщиной 164 Å, спейсера In_0.70Al_0.30As толщиной 64 Å, -слоя кремния с концентрацией 1.7·10¹² см^-2, барьера In_0.70Al_0.30As толщиной 219 Å и защитного слоя In_0.76Ga _0.24As толщиной 73 Å. Все полупроводниковые слои выращены методом молекулярно-лучевой эпитаксии.

Получены значения подвижности электронов 12000 см²/(В·с) при комнатной температуре и 41000 см²/(В·с) при Т=77 К; относительная погрешность составляет 10%. Эти значения выше, чем наилучшие из продемонстрированных в статье [3]: 9570 см²/(В·с) и 35000 см²/(В·с) соответственно.

Полупроводниковая метаморфная наногетероструктура InAlAs/InGaAs, включающая монокристаллическую полуизолирующую подложку GaAs, метаморфный буфер In_xAl_1-xAs с линейным увеличением содержания InAs x по толщине (x=x₁x₄, где x₁~0), инверсный слой In _xAl_1-xAs с уменьшением содержания InAs x по толщине (x=x₄x₄', где x₄'-x₄ =0,05÷0,10), залечивающий слой с однородным составом In _x4'Al_1-x4'As и активную область InAlAs/InGaAs с высоким содержанием InAs, согласованную по параметру решетки с залечивающим слоем, отличающаяся тем, что на монокристаллической полуизолирующей подложке GaAs ниже метаморфного буфера формируется сверхрешетка Al_0,4Ga_0,6As/GaAs, уменьшение содержания InAs x по толщине в инверсном слое может быть либо скачкообразным, либо плавным, внутрь метаморфного буфера вводятся две механически напряженных сверхрешетки In_(x2+x)Al_1-(x2+x)As/In_(x2-x)Ga_1-(x2-x)As и

In_(x3+x)Al_1-(x3+x)As/In_(x3-x)Ga_1-(x3-x)As, симметрично рассогласованные на x=0,05÷0,10 относительно текущего состава метаморфного буфера в данных точках, которые делят метаморфный буфер на три части, в каждой из которых содержание InAs x по толщине увеличивается соответственно от x₁ до x₂, от x₂ до x₃ и от x₃ до x₄, где 0,4<x ₂<0,6, а 0,6<x₃<0,75, а содержание InAs x в активной области более 70% (x_4'0,7, x₄0,75).