Полупроводниковая наногетероструктура in0.52al0.48as/inxga1-xas c составной активной областью in0.53ga0.47as/inas/in0.53ga0.47as/inas/in0.53ga0.47as c двумя вставками inas

Предлагаемая полезная модель относится к полупроводниковым НЕМТ (high electron mobility transistor) наногетероструктурам и может быть применена для создания СВЧ малошумящих транзисторов и монолитных интегральных схем с высокой рабочей частотой. Полупроводниковая наногетероструктура включает в себя монокристаллическую полуизолирующую подложку InP, буферный слой In_0.52Al_0.48 As, активный слой InGaAs, который состоит из комбинации решеточно-согласованных с подложкой слоев In_0.53Ga_0.47As, разделенных дополнительными слоями нелегированного InAs, расположенных симметрично относительно центра квантовой ямы In_0.53Ga_0.47 As/In_0.52Al_0.48As. Активная область, в которой формируется двумерный электронный газ, ограничена барьерами In_0.52Al_0.48As. В одном или двух из барьеров располагается дельта-слой атомов Si, расположенных на расстоянии от гетерограницы In_0.53Ga_0.47As/In _0.52Al_0.48As и являющихся донорами. Использование полезной модели позволит увеличить дрейфовую скорость насыщения электронов в канале НЕМТ за счет уменьшения эффективной массы электронов в составной квантовой яме, а также обеспечит более плавное распределение механической деформации в активном слое наногетероструктуры. 2 илл.

Предлагаемая полезная модель относится к полупроводниковым НЕМТ (high electron mobility transistor) наногетероструктурам и может быть применена в создании СВЧ малошумящих транзисторов и монолитных интегральных схем с высокой рабочей частотой.

В наногетероструктурах In_0.52Al_0.48 As/In_xGa_1-xAs/In_0.52Al_0.48 As (x=0.5÷0.8) на подложках InP двумерный электронный газ с высокой концентрацией n_s~2÷3×10¹² см^-2 обладает высокой подвижностью µ_e10000 см²/(В·с) и наиболее высокой дрейфовой скоростью насыщения электронов среди всех арсенидных наногетероструктур. Данные структуры активно применяются для создания СВЧ устройств миллиметрового и субмиллиметрового диапазона длин волн [1]. Решеточно-согласованные с подложкой InP наногетероструктуры с квантовыми ямами (КЯ) In _yAl_1-yAs/In_xGa_1-xAs/In _yAl_1-yAs образуются при условии x=0.53, y=0.52, а псевдоморфный рост данного слоя позволяет увеличить x до ~0.7÷0.8, в отличие от структур с КЯ AlGaAs/InGaAs на подложках GaAs, в которых обычно x<0.25. Увеличение содержания InAs x приводит к существенному повышению электронной подвижности µ _e и к увеличению дрейфовой скорости насыщения электронов в канале транзистора за счет уменьшения эффективной массы электронов m_e* и более жесткого их захвата в глубокой КЯ In _xGa_1-xAs. Однако, при возрастании x и сохранении изоморфного состава барьерных слоев In_yAl_1-y As (y=0.52) толщина напряженного слоя In_xGa_1-x As должна последовательно уменьшаться. Так, для приемлемой ширины КЯ ~ 16 нм превышение x>0.7 приводит к релаксации напряженного эпитаксиального слоя и резкому падению µ_e. Сильное рассогласование параметров решетки In_xGa_1-x As относительно In_0.52Al_0.4sAs приводит к возникающей упругой деформации в активном слое и не позволяет добиться желаемого увеличения µ_e.

Известно, что введение одного тонкого слоя InAs в КЯ InGaAs приводит к увеличению µ_e по сравнению со структурой, содержащей однородную КЯ [2]. С помощью оптимизации температуры роста эпитаксиальных слоев и ширины КЯ можно добиться увеличения подвижности вплоть до 25%. Таким образом, введение вставки InAs, с одной стороны, увеличивает µ_e за счет возрастающего энергетического зазора между подзонами размерного квантования и уменьшения m _e* в КЯ. С другой стороны, увеличение толщины слоя InAs еще более ограничено критическим значением порядка 4 нм (x=1), превышение которого приводит к ухудшению качества вставки и всей активной области из-за образования дислокаций несоответствия и прорастающих дислокаций Известны также примеры, когда активный слой наногетероструктуры состоит либо из множественных вставок InAs, которые образуют короткопериодные сверхрешетки (СР) InAs/GaAs, либо из напряженных СР InGaAs/GaAs, по свойствам напоминающие КЯ с усредненным составом. Однако, заметного эффекта увеличения подвижности электронов в подобных структурах добиться не удается.

Предложенная в работе [3] инвертированная НЕМТ наногетероструктура, которая является аналогом, позволяет достичь высоких значений f_T=500 ГГц и f_max=550 ГГц. Однако, за счет использования сильно напряженного составного активного слоя In _0.53Ga_0.47As/In_0.7Ga_0.3 As/In_0.53Ga_0.47As это приводит к резкой деградации µ_e за счет увеличения шероховатости гетероинтерфейсов, а также к уменьшению слоевой концентрации носителей. Последнее, в свою очередь, приводит к возрастанию сопротивления истока транзистора.

Таким образом, для дальнейшего увеличения рабочей частоты НЕМТ необходимо изменять слоевую конструкцию КЯ с учетом ограничений, накладываемых механической деформацией слоев. Тем самым, необходимо соединить воедино преимущество как наногетероструктур с одиночной вставкой InAs, так и использовать активные слои на основе составных КЯ (СКЯ), неоднородных по составу, в том числе содержащих несколько наноразмерных гетеровставок различных полупроводников.

Наиболее близкой к предлагаемой нами структуре и принятой в качестве прототипа настоящей полезной модели является структура, описанная в [4] (фиг.1), состоящая из монокристаллической полуизолирующей подложки (100) InP (1), буферного слоя In_0.52Al_0.48As (2), активного слоя наногетероструктуры InGaAs (3), состоящего из последовательности эпитаксиальных слоев In_0.53Ga_0.47As (6), InAs (7) и In_0.53Ga_0.47As (8), а также контактного слоя In_0.53Ga_0.47As (5). Активная область In_0.53Ga_0.47As/InAs/In_0.53 Ga_0.47As, в которой формируется двумерный электронный газ, ограничена барьерами In_0.52Al_0.48As (4). В одном из барьеров располагается дельта-слой атомов Si, являющихся донорами. Существенным недостатком такого подхода является использование достаточно широкой вставки InAs (5 нм), приводящей к сильному рассеянию электронов двумерного газа на шероховатостях границы (вставка InAs)/(слой In_0.53 Ga_0.47As). Кроме того, использование достаточно широкой вставки ухудшает коротко-канальные эффекты и приводит к деградации электрофизических параметров. Таким образом, данная наногетероструктура не в силах обеспечить должного увеличения µ_e, и как следствие, невозможность получения большой дрейфовой скорости насыщения электронов в канале, тем самым, ограничивая рабочую полосу частот НЕМТ. Также данная структура должна иметь меньшую стойкость к перегреву, поскольку содержит значительные внутренние деформации активного слоя, которые могут перейти в релаксацию с генерацией дислокаций и ухудшить параметры транзистора (ток стока, коэффициент шума, крутизну).

Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, состоит в повышении дрейфовой скорости насыщения электронов в канале НЕМТ за счет уменьшения эффективной массы, а также в обеспечении более плавного распределения механической деформации в активном слое наногетероструктуры и большей стойкости к термическому перегреву.

Указанный технический результат достигается тем, что заявляемая полупроводниковая наногетероструктура включает в себя монокристаллическую полуизолирующую подложку InP, буферный слой In_0.52Al_0.48As, составной активный слой InGaAs, который состоит из комбинации решеточно-согласованных с подложкой слоев In_0.53Ga_0.47As, разделенных двумя дополнительными слоями нелегированного InAs толщиной от 1.2 до 3.6 нм, расположенных симметрично относительно гетерограниц In_0.53Ga_0.47As/In_0.52Al _0.48As. Активная область, в которой формируется двумерный электронный газ, ограничена барьерами In_0.52Al _0.48As. В одном или двух из барьеров In_0.52Al _0.48As располагается дельта-слой доноров, например, атомов Si. Поверх указанной структуры выращивается контактный слой In _0.53Ga_0.47As, легированный донорами.

Полезная модель иллюстрируется следующими чертежами:

На фиг.1 представлена схема полупроводниковой наногетероструктуры, выбранной в качестве прототипа настоящей полезной модели. Указаны следующие друг за другом слои.

На фиг.2 представлена схема полупроводниковой наногетероструктуры, демонстрирующая суть настоящей полезной модели.

Полупроводниковая наногетероструктура (фиг.2) включает монокристаллическую полуизолирующую подложку (100) InP (1), на которой сформирован буферный слой In_0.52Al_0.48As (2) и составной активный слой InGaAs (3), состоящий из трех слоев In_0.53Ga _0.47As (6, 8, 10), разделенных двумя наноразмерными вставками InAs толщиной от 1.2 до 3.6 нм (7 и 9), расположенных симметрично относительно гетерограниц In_0.53Ga_0.47As/In _0.52Al_0.48As. Активная область, в которой формируется двумерный электронный газ, ограничена барьерами In_0.52 Al_0.48As (4). В одном или двух барьерах In_0.52 Al_0.48As располагается дельта-слой атомов Si, являющихся донорами. Расстояние между вставками (7, 9) в предлагаемой структуре составляет от 2 до 5 нм. Суммарная толщина составного активного слоя составляет от 14 до 26 нм. Поверх указанной структуры выращивается контактный слой In_0.53Ga_0.47As (5), легированный донорами.

Во-первых, в отличие от структуры с одной вставкой InAs в КЯ, предлагаемая наногетероструктура обеспечивает увеличение дрейфовой скорости насыщения электронов в канале транзистора за счет уменьшения эффективной массы в составном активном слое In_0.53Ga_0.47As/InAs/In_0.53Ga _0.47As/InAs/In_0.53Ga_0.47As, а во-вторых, не приводит к сильному напряжению в растущем эпитаксиальном слое InGaAs за счет разделения двух вставок InAs слоем In_0.53 Ga_0.47As, не вызывающем нарастание деформации, в отличие от сильно напряженных СКЯ с повышенным содержанием индия.

Заявителем не выявлены какие-либо технические решения, идентичные заявленному, что позволяет сделать вывод о соответствии полезной модели критерию «новизна». В частности, авторам неизвестно использование введения двух наноразмерных вставок InAs внутрь активного слоя с целью уменьшения m_e* для увеличения дрейфовой скорости насыщения электронов (и как следствие, увеличения быстродействия СВЧ устройства).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

[1] D.-H. Kim and J. A. del Alamo. 30-nm InAs PHEMTs With f_T=644 GHz and f _max=681 GHz. IEEE electron device letters. V. 31. . 8. P. 806 (2010).

[2] DE 19620889 A1 "Semiconductor FET with indium arsenide channel layer".

[3] T.W. Kim, D.-H. Kim and J. A. del Alamo. 30 nm In_0.7 Ga_0.3As inverted-type HEMTs with reduced gate leakage current for logic applications. IEEE International Electron Devices Meeting. Baltimore, MD. P. 483 (2009).

[4] M. Sexl, G, Bhm, D. Xu et al. MBE growth of double-sided doped InAlAs/InGaAs HEMTs with an InAs layer inserted in the channel. Journ. Cryst. Growt. V. 175/176. P. 915 (1997).

Полупроводниковая наногетероструктура, включающая в себя монокристаллическую полуизолирующую подложку InP (1), буферный слой In_0.52 Al_0.48As (2), активный слой наногетероструктуры InGaAs (3), ограниченный барьерами In_0.52Al_0.48 As (4), в одном из которых располагается дельта-слой атомов Si, являющихся донорами, и контактный слой In_0.53Ga _0.47As (5), отличающаяся тем, что активный слой InGaAs (3) состоит из комбинации решеточно-согласованных с подложкой слоев In_0.53Ga_0.47As (6, 8, 10), разделенных дополнительными нанослоями нелегированного InAs (7, 9) и расположенных симметрично относительно центра квантовой ямы In_0.53 Ga_0.47As/In_0.52Al_0.48As.