Полупроводниковая наногетероструктура со ступенчатой квантовой ямой algaas/gaas/ingaas/gaas/algaas на подложке gaas с комбинированным легированием

Предлагаемая полезная модель относится к полупроводниковым наногетероструктурам, используемым для изготовления СВЧ транзисторов и монолитных интегральных схем С- и Х-диапазонов с большой выходной мощностью. Полупроводниковая наногетероструктура, включающая в себя монокристаллическую полуизолирующую подложку GaAs, буферный слой GaAs, слой Al_xGa_1-xAs, ступенчатую квантовую яму, барьерный слой Al_xGa_1-xAs и контактный слой GaAs, отличающаяся тем, что ступенчатая квантовая яма состоит из нескольких слоев: верхнего переходного слоя GaAs, в котором находятся два -слоя Si разделенные слоем GaAs, объемно-легированного слоя In_yGa_1-yAs и нижнего переходного слоя GaAs, в котором находятся два -слоя Si разделенные слоем GaAs. Использование полезной модели позволяет с одной стороны увеличить концентрацию двумерного электронного газа, а с другой - максимально уменьшить нежелательное рассеяние электронов на донорах. Две илл.

Предлагаемая полезная модель относится к полупроводниковым наногетероструктурам, используемым для изготовления СВЧ транзисторов и монолитных интегральных схем С- и Х-диапазонов с большой выходной мощностью.

В настоящее время в России складывается неблагоприятная ситуация в разработках мощных СВЧ транзисторов и монолитных интегральных схем С- и Х-диапазонов, которые по всем характеристикам (выходная мощность, к.п.д. и др.) уступают зарубежным аналогам, что делает невозможным создание высокоэффективных отечественных радиолокаторов, спутникового телевидения, многоканальных системах беспроводной связи. Одной из проблем создания отечественных приборов данного типа являются применение устаревших материалов с объемнолегированным арсенидом галлия. В поиске новых базовых материалов для твердотельной СВЧ электроники наиболее быстрым и экономически выгодным путем является максимальная адаптация возможностей развитых за рубежом материалов и технологий с хорошо разработанным процессингом. Такой устоявшейся технологией сейчас является РНЕМТ (pseudomorphic high electron mobility transistor) гетероструктурная технология.

Для создания мощных высокочастотных приборов широко используются РНЕМТ гетероструктуры с квантовой ямой (КЯ) In_yGa_1-yAs в качестве активного слоя [1]. Увеличение мощности транзистора требует одновременного увеличения максимального тока стока и сохранения высоких значений пробивного напряжения транзистора. Ток стока обеспечивается высокими значениями концентрации и дрейфовой скорости насыщения электронов. Значительное увеличение концентрации двумерного электронного газа может быть получено в РНЕМТ гетероструктурах с КЯ AlGaAs/InGaAs/AlGaAs при использовании двустороннего дельта-легирования кремнием через спейсерные слои. Типичный диапазон концентраций в таких структурах n_s=(2÷4)·10¹² см^-2 . Однако, чрезмерное увеличение легирования приводит к параллельной проводимости по донорным слоям и, как следствие, значительному снижению электронной подвижности. Для уменьшения негативного эффекта параллельного канала проводимости необходимо увеличить ширину запрещенной зоны в барьере Al_xGa_1-x As. Однако, при содержании AlAs выше 0.25 часть донорной примеси Si образует DX-центры - ловушки для электронов, что негативно сказывается на работе прибора, поэтому данный способ не всегда применим.

Дизайн слоев гетероструктуры для мощных транзисторов затрагивает несколько аспектов. Во-первых, на затвор мощных транзисторов прикладывается достаточно большая амплитуда напряжения и для уменьшения тока утечки затвор-канал необходим высокий энергетический барьер в широкозонном подзатворном слое. Во-вторых, в мощных транзисторах необходимо обеспечить большое пробивное напряжение между истоком и стоком, в особенности при закрывании канала. Для этой цели стараются избежать областей с пониженным потенциалом, за исключением области канала. Применение технологии дельта-легирования автоматически связано с созданием V-образной потенциальной ямы, образованной ионизированными донорами кремния. При этом через донорные состояния в барьере возникает туннельный всплеск тока утечки затвора, в том числе и при положительном смещении, поданном на затвор. К тому же, в случае легированного барьера возрастает встроенное поле между поверхностью гетероструктуры и КЯ, что приводит к увеличению туннельной прозрачности барьерного слоя и как следствие, уменьшению пробивного напряжения.

Увеличение пробивного напряжения сток-исток в значительной степени зависит от компоновки топологии транзистора, расположения затвора относительно стока, продуманного рецесса верхних слоев гетероструктуры, использования нависающего затвора. Некоторое увеличение пробивного напряжения наблюдалось в так называемых обращенных гетероструктурах, где донорный слой располагался снизу от канала. Однако, с точки зрения фундаментальных свойств, связанных с конструкцией гетероструктуры, важно минимизировать эффект ударной ионизации, для чего приходится увеличивать энергию запрещенной зоны в наиболее узкозонной области гетероструктуры - канале. Так, в слое InGaAs содержание InAs обычно уменьшают до 10-15% по сравнению с РНЕМТ гетероструктурами. При этом для сохранения емкости КЯ необходимо увеличить высоту барьерного слоя. Также необходимо увеличивать чистоту и структурное совершенство барьера AlGaAs.

Одним из перспективных направлений создания мощных транзисторов СВЧ диапазона является использование структур типа DC HFET (Doped Channel Heterostructure Field Effect Transistor) с объемно легированной КЯ [2, 3]. Однородно легированный канал транзистора DC HFET позволяет создать высокую концентрацию электронов и как следствие, больший ток стока и большую выходную мощность. Данный тип транзисторов имеет высокую линейность (ВАХ, сток-затворная характеристика), так как нет паразитных проводимостей в слое AlGaAs по сравнению с РНЕМТ структурой на такой же КЯ. DC HFET структуры являются хорошим компромиссом между Р-НЕМТ и ПТШ технологией при создании транзисторов с большой канальной проводимостью (и естественно выходной мощностью) и высоким пробивным напряжением. Однако, существует ряд недостатков, связанных с использованием DC HFET. Во-первых, в данных структурах электронная подвижность значительно уменьшается по сравнению с РНЕМТ структурами из-за сильного кулоновского взаимодействия, так как ионизированные доноры находятся в той же пространственной области, что и электроны 2D-газа. Таким образом, в данном типе структур проявляется сильное рассеяние электронов, а значит, и сниженный КПД в связи с омическим разогревом канала. Другой негативный эффект - увеличение вероятности межподзонного рассеяния электронов между первой и второй подзонами размерного квантования для широких КЯ (свыше 15 нм). Кроме того, при увеличении ширины КЯ из-за эффекта размерного квантования возрастает вероятность ударной ионизации, что уменьшает пробивное напряжение транзистора.

Таким образом, перспективным направлением в разработке гетероструктур для мощных СВЧ транзисторов является работа по поиску новых дизайнов гетероструктур с продуманными для данного применения структурой КЯ, принципами легирования и конструкцией верхних слоев над КЯ.

Наиболее близкой к предлагаемой структуре и принятой в качестве прототипа настоящего изобретения является структура, описанная в [4] (фиг.1), имеющая монокристаллическую полуизолирующую подложку GaAs (1), на которой сформированы буферный слой GaAs (2), слой Al_xGa_1-xAs (3), квантовая яма (4), состоящая из слоев - In_yGa_1-yAs (5), дельта-слоя кремния (-Si) (6), In_yGa_1-yAs (7), барьерный слой Al_xGa_1-xAs (8) и контактный слой GaAs (9). Существенным недостатком данной структуры является максимально неоднородное расположение примеси в достаточно широкой КЯ, что приводит к появлению дополнительного изгиба дна ямы и уменьшает выгоду от несимметричного распределения доноров. Такая КЯ более чувствительна к изменению профиля дна при ее обеднении, что приводит к двуполюсной зависимости крутизны от тока стока. При этом в подобной структуре невозможно получить концентрацию электронов в КЯ более 5·10¹² см^-2 из-за эффекта самокомпенсации и амфотерного поведения донорных атомов кремния при высокой концентрации легирования.

Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, состоит в увеличении концентрации двумерного электронного газа, а также в максимальном уменьшении нежелательного рассеяния электронов на донорах за счет комбинированного легирования ступенчатой квантовой ямы AlGaAs/GaAs/InGaAs/GaAs/AlGaAs.

Указанный технический результат достигается тем, что в полупроводниковой наногетероструктуре, включающей в себя монокристаллическую полуизолирующую подложку GaAs (1), буферный слой GaAs (2), слой Al_x Ga_1-xAs (3), барьерный слой Al_xGa_1-x As (8), контактный слой GaAs (9), ступенчатая квантовая яма (4) состоит из верхнего переходного слоя GaAs (16, 20), в котором находятся два -слоя Si (17, 19) разделенные слоем GaAs (18) толщиной 0.5-3 нм, объемно-легированного слоя In_yGa_1-y As (15) и нижнего переходного слоя GaAs (10, 14), в котором находятся два -слоя Si (11, 13) разделенные слоем GaAs (12) толщиной 0.5-3 нм, при этом соотношение концентраций доноров в дельта-легированных слоях и в объеме слоя In_yGa_1-yAs составляет от 0.3 до 3.

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 GaAs (1), на которой сформированы буферный слой GaAs (2), слой Al_xGa_1-xAs (3), ступенчатая квантовая яма (4), барьерный слой Al_xGa_1-x As (8) и контактный слой GaAs (9). В предложенной наногетероструктуре применяется комбинированное легирование кремнием: в верхнем переходном слое (ПС 2) (16, 20) находятся два -слоя Si (17, 19) разделенные слоем GaAs (18) толщиной 0.5-3 нм, в нижнем ПС 1 (10, 14) находятся два -слоя Si (11, 13) разделенные слоем GaAs (12) толщиной 0.5-3 нм, в центральной области КЯ In_yGa_1-y As (15) применяется объемное легирование. Соотношение концентраций дельта-легирования к объемному легированию составляет от 0.3 до 3. Толщина ступенчатой КЯ составляет 18 нм. Мольные доли компонент в тройных соединениях Al_xGa_1-xAs и In _yGa_1-yAs равняются x=0.38 и y=0.15. Все слои выращены методом молекулярно-лучевой эпитаксии.

Таким образом, предлагаемая наногетероструктура с комбинированно легированным каналом, сочетает в себе принципы DC HFET с однородно легированной КЯ и РНЕМТ с двусторонним дельта-легированием. Размещение доноров не в одном, а в двух дельта-слоях в каждом ПС связано с уменьшением риска амфотерного поведения кремния при большой степени легирования. ПС GaAs выполняют несколько функций. Во-первых, они предотвращают образование DX-центров из-за диффузии атомов примеси в широкозонный барьер AlGaAs (8). Во-вторых, они образуют промежуточный барьер в КЯ, повышая энергию электронов в области дельта-слоя. При применении комбинированного легирования в предлагаемой наногетероструктуре отсутствуют области с пониженным потенциалом, за исключением области КЯ, что увеличивает пробивное напряжение транзистора сделанного на базе данной наногетероструктры. Переходные слои GaAs хорошо легируется и имеет большое пороговое значение концентрации электронов, что позволяет создавать большую концентрацию электронов в КЯ. Объемное легирование центральной области КЯ позволяет компенсировать изгиб дна КЯ. Кроме того, в данном случае максимально уменьшается нежелательное рассеяние электронов на донорах за счет уменьшения пространственного перекрытия доноров в дельта-слоях и электронной плотности в структуре.

Заявителем не выявлены какие-либо технические решения, идентичные заявленному, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию «новизна». В частности, авторам неизвестно использование ступенчатых квантовых ям AlGaAs/GaAs/InGaAs/GaAs/AlGaAs с комбинированным легированием.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

[1]A.Yu Egorov., A.G. Gladyshev, E.V. Nikitina, D.V. Denisov, N.K. Polyakov, E.V. Pirogov, A.A. Gorbazevich. "Double pulse doped InGaAs/AlGaAs/GaAs pseudomorphic high-electron-mobility transistor heterostructures". Semiconductors. 44 (7), 2010, p.919-923

[2] W-C Liu, K-H Yu, R-C Liu, K-W Lin, K-P Lin, C-H Yen, C-C Cheng and K-B Thei. "Investigation of temperature-dependent characteristics of an n⁺ - InGaAs/n-GaAs composite doped channel HFET". IEEE Trans. Electron Devices, 48 (12), 2001, p.2677-2682

[3] US005701020A "Pseudomorphic step-doped-channel field-effect transistor"

[4] M. Nawaz, J. M. Miranda, P. Sakalas, S. M. Wang, Q. X. Zhao, M. Willander and H. Zirath. "Design, processing and characterization of delta-doped channel AlGaAs/InGaAs/GaAs HFETs" Semicond. Sci. Technol, 15, 2000, p.728-735.

Полупроводниковая наногетероструктура, включающая в себя монокристаллическую полуизолирующую подложку GaAs (1), буферный слой GaAs (2), слой Al_xGa_1-xAs (3), ступенчатую квантовую яму (4), барьерный слой Al_xGa_1-xAs (8) и контактный слой GaAs (9), отличающаяся тем, что ступенчатая квантовая яма (4) состоит из нескольких слоев: верхнего переходного слоя GaAs (16, 20), в котором находятся два -слоя Si (17, 19) разделенные слоем GaAs (18) толщиной 0,5-3 нм, объемно-легированного слоя In_yGa_1-y As (15) и нижнего переходного слоя GaAs (10, 14), в котором находятся два -слоя Si (11, 13) разделенные слоем GaAs (12) толщиной 0,5-3 нм, при этом соотношение концентраций доноров в дельта-легированных слоях и в объеме слоя In_yGa_1-yAs составляет от 0,3 до 3.