Биполярный транзистор на основе гетероэпитаксильных структур

Настоящая полезная модель относится к области полупроводниковой микроэлектроники. Биполярный транзистор на основе гетероэпитаксильных структур содержит омические контакты, подложку из арсенида галлия с кристаллографической ориентацией (001) с последовательно расположенными на ней слоями, включающими слои коллектора и эмиттера. На подложке последовательно размещены буферный слой из нелегированного GaAs, субколлекторный слой из сильнолегированного GaAs n-типа проводимости, коллектор из GaAs n-типа проводимости, база из In_y Ga_l-yAs, поверх которой размещен дополнительный промежуточный слой из In_yGa_l-yAs р-типа проводимости, эмиттер, содержащий два слоя из Al_xGa_l-x As n-типа проводимости, контактные слои. При этом слои базы, промежуточного слоя и эмиттера выполнены с изменяющимся составом раствора и изменяющейся концентрацией легирующей примеси. Технический результат заключается в улучшении технических характеристик настоящего устройства, включающих повышение значения предельной частоты, повышение эффективности работы эмиттера и коллектора и уменьшение значения времени пролета носителей. 1 илл.

Настоящая полезная модель относится к области полупроводниковой микроэлектроники, а именно к конструкции биполярных транзисторов, которые могут быть использованы в аналоговых СВЧ схемах, цифровых, а также в аналого-цифровых преобразователях, в области связи, радарах, для электронного оборудования для военных целей и т.п.

Развитие радиолокационной, связной и навигационной аппаратуры требует создания полупроводниковых приборов и монолитных интегральных схем, обеспечивающих повышение энергетических параметров современных передающих устройств.

Наиболее широко применяемым в настоящее время материалом для создания активных элементов приемных и передающих устройств сантиметрового диапазона длин волн является GaAs, GaN и некоторые другие двойные, тройные и четверные полупроводниковые соединения А^IIIВ ^V.

Применение арсенида галлия при создании биполярных и полевых транзисторов обусловлено главным его преимуществом: высокой подвижностью электронов в слабых электрических полях и высокой дрейфовой скоростью в сильных. При температуре 3000 К подвижность электронов (при концентрации доноров 10¹⁷ см^-3) в арсениде галлия (4-5)·10 ³ см^-3, скорость насыщения в сильном электрическом поле в GaAs 2·10⁷ см/с.Кроме того максимальное удельное сопротивление нелегированного или компенсированного арсенида галлия очень высоко 10⁷-10⁸ Ом-см. Такие большие значения удельного сопротивления в арсениде галлия дают возможность создавать полуизолирующие слои, разделяющие отдельные приборы или активные области непосредственно на подложке с высоким удельным сопротивлением.

Наиболее отработанной на сегодня является технология получения арсенид галлиевых структур на подложках полуизолирующего GaAs.

Для их изготовления наибольшее распространение получили две группы методов - газофазная эпитаксия (в первую очередь, МОС-гидридный метод) и эпитаксия из молекулярных пучков (МПЭ).

Из уровня техники известен полевой транзистор на гетероструктуре, содержащий высокоомную подложку и по крайней мере один слой широкозонного и один слой ускозонного полупроводниковых материалов с согласованными или несогласованными кристаллическими решетками, а также исток, затвор и сток, расположенные на наружной поверхности полупроводникового материала. Часть слоя полупроводникового материала, расположенная на расстоянии от затвора, превышающем 30 нм, выполнена с концентрацией легирующей примеси большей 3*10¹⁷ см^-3 и поверхностной плотностью этой примеси большей 10¹² см^-2, а средняя концентрация легирующей примеси между упомянутой частью слоя полупроводникового материала и затвором не превышает 3*10¹⁷ см^-3 (см. патент РФ 2093924, опубл. 20.10.1997).

Недостатком известного устройства являются его низкие рабочие характеристики, негативно влияющие на его надежное и стабильное функционирование.

Кроме того, из уровня техники известен квантовый интерференционный полевой транзистор, содержащий подложку из арсенида галлия с кристаллографической ориентацией (001) с последовательно расположенными на ней каналами в виде слоев арсенида галлия n-типа проводимости с барьерным слоем GaAlAs между ними и сформированные на подложке контакты стока, истока и затвора. Барьерный слой выполнен в виде совокупности кластеров, образующих в кристаллографических направлениях (110) и (001) регулярную структуру, имеющую толщину 200-300 Å, а каналы ориентированы вдоль кристаллографического направления (110) (см. патент РФ 1549419, опубл. 10.07.1996).

Недостатками известного устройства являются его низкие технические характеристики, обусловленными низкой эффективностью работы эмиттера и коллектора, высоким значением времени пролета носителей и не достаточно высокими значениями предельной частоты.

Задачей настоящей полезной модели является устранение вышеуказанных недостатков.

Технический результат заключается в улучшении технических характеристик настоящего устройства, включающих повышение значения предельной частоты, повышение эффективности работы эмиттера и коллектора и уменьшение значения времени пролета носителей.

Технический результат обеспечивается тем, что биполярный транзистор на основе гетероэпитаксильных структур содержит омические контакты, подложку из арсенида галлия с кристаллографической ориентацией (001) с последовательно расположенными на ней слоями, включающими слои коллектора и эмиттера. На подложке последовательно размещены буферный слой из нелегированного GaAs, субколлекторный слой из сильнолегированного GaAs n-типа проводимости, коллектор из GaAs n-типа проводимости, база из In_yGa_l-y As, поверх которой размещен дополнительный промежуточный слой из In_yGa_1.-yAs р-типа проводимости, эмиттер, содержащий два слоя из Al_xGa_l-xAs n-типа проводимости, контактные слои. При этом слои базы, промежуточного слоя и эмиттера выполнены с изменяющимся составом раствора и изменяющейся концентрацией легирующей примеси. Изменение состава раствора In_yGa_l-yAs вдоль базы и промежуточного слоя обеспечивается при значении у около 0,22 в области, прилегающей к области коллектора, до значения у около 0,01-0,02 в области, прилегающей к области эмиттера, а изменение концентрации легирующей примеси вдоль базы и промежуточного слоя обеспечивается от 0,7*10 ¹⁹ см^-3 в области, прилегающей к коллектору, до 2*10¹⁹ см^-3 в области, прилегающей к эмиттеру. Кроме того, изменение состава раствора Al_x Ga_l-xAs вдоль эмиттера обеспечивается при значении х около 0,22 в области, прилегающей к промежуточному слою, до значения х около 0,25 в области, прилегающей к контактному слою, а изменение концентрации легирующей примеси вдоль эмиттера обеспечивается от 5*10¹⁷ см^-3 в области, прилегающей к промежуточному слою, до 8*10¹⁷ см^-3 в области, прилегающей к контактному слою.

Сущность настоящей полезной модели поясняется иллюстрацией, на которой отображено настоящее устройство.

На иллюстрации отображены следующие конструктивные элементы:

1 - подложка из GaAs с кристаллографической ориентацией (001);

2 - буферный слой из нелегированного GaAs;

3 - субколлекторный слой из сильнолегированного кремнием GaAs;

4 - коллектор из GaAs;

5 - база;

6 - промежуточный слой;

7 - 1-й слой эмиттера;

8 - 2-й слой эмиттера;

9 - первый контактный слой;

10 - второй контактный слой;

11 - третий контактный слой;

12 - четвертый контактный слой;

13 - омические контакты;

14 - омические контакты;

15 - омические контакты.

Устройство включает подложку 1 из полуизолирующего GaAs с кристаллографической ориентацией (001), толщиной 450 мкм, на которой последовательно расположены следующие слои: буферный слой 2 из нелегированного GaAs толщиной 200 нм, субколлекторный слой 3 из GaAs n+- типа проводимости, толщиной 600 нм и с концентрацией легирующей примеси 3·10 ¹⁸ см^-3, легированный Si; коллектор 4 из GaAs n-типа проводимости, толщиной 700 нм и концентрацией лигирующей примеси 2·10¹⁶ см^-3, легированный Si; тонкая база 5 из In_yGa_l-yAs р+-типа проводимости. При этом значение у в твердом растворе In_y Ga_l-yAs вдоль базы 5, в области, прилегающей к коллектору 4, составляет около 0,22. Это значение изменяется до величины 0,04-0,05 в области, прилегающее к промежуточному слою 6, толщина базы 5 составляет 80 нм. Содержание легирующей примеси (например, бериллия) в области базы 5, прилегающей к коллектору 4, достигает значения 0,7·10¹⁹ см^-3. Это значение увеличивается и достигает значения около 1,5·10¹⁹ см^-3 в области, прилегающей к области промежуточного слоя 6.

Промежуточный слой 6 выполнен из твердого раствора In_yGa_l-yAs. Значение у в области, прилегающей к области базы 5, равно 0,04-0,05. Это значение уменьшается и достигает величины 0,01-0,02 в области, прилегающей к первому слою эмиттера 7. Содержание легирующей примеси (например, бериллия) в области промежуточного слоя, прилегающей к базе 5, достигает значения 1,5·10¹⁹ см^-3. Оно плавно увеличивается и достигает значения 2,0·10¹⁹ см ^-3 в области, прилегающей к первому слою эмиттера 7. Первый слой 7 широкозонного эмиттера выполнен из Al_xGa _l-xAs. Значение х вдоль первого слоя эмиттера изменяется от 0,22 в области промежуточного слоя 6 до 0,24 в области прилегающем ко второму слою эмиттера 8. Концентрация примеси изменяется от 5·10¹⁷ см^-3 в области, прилегающей к промежуточному слою 6, до 7·10¹⁷ см^-3 в области, прилегающей ко второму слою эмиттера 8, выполненного из Al_xGa_l-xAs. Значение х в области, прилегающей к первому слою эмиттера 7, составляет 0,24 и изменяется вдоль второго слоя эмиттера 8 до значения 0,25 в области, прилегающей к области первого контактного слоя 9. Концентрация легирующей примеси составляет 7·10¹⁷ см^-3 в области, прилегающей к первому слою эмиттера 7, и изменяется до величины 8·10¹⁷ см^-3 в области, прилегающей к области первого контактного слоя 9.

Первый контактный слой 9 выполнен из Al_xGa_l-xAs n+- типа проводимости. Значение х изменяется от 0,25 до 0,05. Концентрация легирующей примеси составляет 4·10¹⁸ см^-3 , легирован Si. Второй контактный слой 10 выполнен из GaAs n+- типа проводимости. Концентрация легирующей примеси составляет 4·10¹⁸ см^-3, легирован Si. Третий контактный слой 11 выполнен из In_yGa_l-y As, n+- типа проводимости. Значение у меняется от 0,05 до значения 0,5, концентрация легирующей примеси 10¹⁹ см^-3 , легирован Si. Четвертый контактный слой 12 выполнен из In _yGa_l-yAs n+- типа проводимости. Значение у составляет 0,5, концентрация легирующей примеси 2·10¹⁹ см ^-3, легирован Si. Устройство снабжено омическими контактами 13 и 15 к коллектору и эмиттеру, сформированными методом «взрыва» из сплава (AuGe/Ni/Au) с последующим скоростным высокотемпературным отжигом. Омический контакт 14 к базе 5 выполнен из сплава (NiAu) и изготовлен с помощью технологии фотолитографии и вакуумного напыления металлов.

Настоящее устройство осуществляют следующим образом.

На подложке из полуизолирующего GaAs 1 с кристаллографиической ориентацией (001), толщиной 450 мкм, методом, например, газовой эпитаксии из металлоорганических соединений наращивают последовательно слои. Первоначально наращивают буферный слой 2 из нелегированного GaAs толщиной 200 нм, поверх буферного слоя последовательно наращивают субколлекторный слой 3 из GaAs n+-типа, толщиной 600 нм, концентрацией легирующей примеси 3·10¹⁸ см^-3 (легирующая примесь Si), высокоомный коллектор 4 из GaAs n-типа, толщиной 700 нм с концентрацией легирующей примеси 2·10¹⁶ см ^-3 (легирующая примесь Si). Затем методом газовой эпитаксии из металлоорганических соединений - МОС-гидридной эпитаксии (МОСГЭ) при температуре 800°С и давлении не менее 65 мм. рт.ст. наращивают тонкую базу 5 из In_yGa_l-yAs р+-типа. Значением у вдоль базы от коллектора 4 к промежуточному слою 6 изменяется от 0,22 до 0,01. Содержание примеси (например, бериллия) в области базы 5, прилегающей к области коллектора 4, составляет 0,7·10¹⁹ см^-3, плавно увеличивается и достигает уровня 1,5·10¹⁹ см ^-3 в области, прилегающей к промежуточному слою 6 из In _yGa_l-yAs. Значение у в области, прилегающей к области базы 5, равно 0,04. Это значение уменьшается и достигает величины 0,01 в области, прилегающей к первому слою эмиттера 7. Содержание легирующей примеси (например, бериллия) в области промежуточного слоя, прилегающей к базе 5, достигает значения 1,5·10¹⁹ см^-3. Оно плавно увеличивается и достигает значения 2,0·10¹⁹ см^-3 в области, прилегающей к первому слою эмиттера 7 из Al_x Ga_l-xAs n-типа.

Значением х вдоль первого слоя эмиттера 7 изменяется от 0,22 в области, прилегающей к промежуточному слою 6, до 0,24 в области, прилегающей ко второму слою эмиттера 8. Концентрация легирующей примеси изменяется от 5·10 ¹⁷ см^-3 в области, прилегающей к промежуточному слою, до 7*10¹⁷ см^-3 в области, прилегающей ко второму слою эмиттера 8. Первый слой эмиттера 7 легирован кремнием. Далее наносят второй слой эмиттера 8, выполненный из Al_xGa_l-xAs n-типа. Значением х изменяется вдоль второго слоя эмиттера: в области, прилегающей к первому слою эмиттера 7 достигает значения 0,24, а затем плавно увеличивается до 0,25 в области, прилегающей к первому контактному слою 9. Концентрация примеси изменяется с увеличением от 7*10¹⁷ см^-3 в области, прилегающей к первому слою эмиттера 7, до величины 8*10¹⁷ см^-3. Слой легирован Si. Затем осуществляют нанесение контактных слоев. При этом первый контактный слой 9 выполнен из Al_xGa_l-xAs n+- типа проводимости. Значение х изменяется от 0,25 до 0,05 вдоль слоя. Концентрация легирующей примеси составляет 4·10 ¹⁸ см^-3, легирован Si. Второй контактный слой 10 выполнен из GaAs n+- типа проводимости. Концентрация легирующей примеси составляет 4·10¹⁸ см^-3, легирован Si. Третий контактный слой 11 выполнен из In_yGa _l-yAs, n+- типа проводимости. Значение у меняется вдоль слоя от 0,05 до значения 0,5, концентрация легирующей примеси 10¹⁹ см^-3, легирован Si. Четвертый контактный слой 12 выполнен из In_yGa_l-yAs n+- типа проводимости. Значение у составляет 0,5, концентрация легирующей примеси 2·10¹⁹ см^-3, легирован Si.

Первый и второй слои эмиттера 7, 8 а также контактные слои 9-12 наращивают методом газовой эпитаксии из металлоорганических соединений - МОС-гидридной эпитаксии (МОСГЭ) при температуре 700°С и давлении не менее 60 мм. рт.ст. Омические контакты 13 и 15 к коллектору и к эмиттеру формируют методом «взрыва» из сплава (AuGe/Ni/Au) с последующим скоростным высокотемпературным отжигом. Омический контакт 14 к базе выполняют из сплава (NiAu) с помощью технологий фотолитографии и вакуумного напыления металлов. Технологический процесс создания низкоомных омических контактов чрезвычайно чувствителен к режимам (температуре и времени) вжигания металлизации омического контакта и толщинам слоев металлизации.

Кристалл транзистора, полученный после утонения, полировки и алмазного скрайбирования пластины, монтируют в металло-керамический корпус.

Разработанная конструкция ГБТ позволила реализовать высокую эффективность эмиттера, снизить время пролета неосновных носителей в базе и при этом сохранить уровень легирования активной базы превосходящим уровень легирования эмиттера.

За счет высокого уровня легирования сопротивление базы уменьшено, и появляется возможность уменьшения ширины базы для снижения пролетного времени.

За счет относительно низкого уровня легирования эмиттера существенно снизилось значение емкости эмиттера.

Значение емкости коллектор-база снижено за счет радиационной компенсации проводимости пассивной области базы.

Выявлена перспективность эффекта баллистического переноса носителей в базе и коллекторном переходе, определяемые конструкцией гетероперехода и структурой эпитаксиальной пленки.

Биполярный транзистор на основе гетероэпитаксильных структур, содержащий омические контакты, подложку из арсенида галлия с кристаллографической ориентацией (001) с последовательно расположенными на ней слоями, включающими слои коллектора и эмиттера, отличающийся тем, что на подложке последовательно размещены буферный слой из нелегированного GaAs, субколлекторный слой из сильнолегированного GaAs n-типа проводимости, коллектор из GaAs n-типа проводимости, база из In_yGa_l-yAs, поверх которой размещен дополнительный промежуточный слой из In_yGa_l-y As р-типа проводимости, эмиттер, содержащий два слоя из Al _xGa_l-xAs n-типа проводимости, контактные слои, при этом слои базы, промежуточного слоя и эмиттера выполнены с изменяющимся составом раствора и изменяющейся концентрацией легирующей примеси, при этом изменение состава раствора In _yGa_l-yAs вдоль базы и промежуточного слоя обеспечивается при значении у около 0,22 в области, прилегающей к области коллектора, до значения у около 0,01-0,02 в области, прилегающей к области эмиттера, а изменение концентрации легирующей примеси вдоль базы и промежуточного слоя обеспечивается от 0,710¹⁹ см^-3 в области, прилегающей к коллектору, до 210¹⁹ см^-3 в области, прилегающей к эмиттеру, кроме того, изменение состава раствора Al_x Ga_l-xAs вдоль эмиттера обеспечивается при значении х около 0,22 в области, прилегающей к промежуточному слою, до значения х около 0,25 в области, прилегающей к контактному слою, а изменение концентрации легирующей примеси вдоль эмиттера обеспечивается от 510¹⁷ см^-3 в области, прилегающей к промежуточному слою, до 810¹⁷ см^-3 в области, прилегающей к контактному слою.