DE10394190B4

DE10394190B4 - Feldeffekt-Transistor

Info

Publication number: DE10394190B4
Application number: DE10394190T
Authority: DE
Inventors: Viktor Petrovic Calyj; Jurij Vasil Evich Pogorelskij; Aleksej Nikolaevich Alekseev; Dmitrij Michailovich Krasovitskij; Igor Albertovich Sokolov
Original assignee: Alekseev Aleksej Nikolaevic; Krasovitskij Dmitrij Michailovic; Pogorelskij Jurij Vasil'evic; Sokolov Igor Albertovic
Current assignee: Alekseev Aleksej Nikolaevic; Krasovitskij Dmitrij Michailovic; Pogorelskij Jurij Vasil'evic; Sokolov Igor Albertovic
Priority date: 2003-04-01
Filing date: 2003-08-15
Publication date: 2010-02-11
Anticipated expiration: 2023-08-16
Also published as: RU2222845C1; WO2004088756A1; AU2003271248A1; DE10394190T5

Abstract

Feldeffekt-Transistor auf der Basis von Nitriden, Ga und Al, dessen Struktur nacheinander die folgenden Elemente einschließt: eine Grundplatte (1), eine Isolierschicht (2) aus Al_yGa_1-yN, eine Kanalschicht (3) und eine Grenzschicht (4) aus Al_zGa_1-zN, wobei die Dicke der Kanalschicht (3) im Bereich von 3 bis 20 Nanometer liegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalschicht (3) aus Al_xGa_1-xN ausgeführt worden ist, wobei 0,12 größer x und x größer 0,03, wobei der y-Wert an der Grenze der Kanalschicht (3) und der Isolierschicht (2) 1 größer oder gleich y und y größer oder gleich x + 0,1 beträgt und an der Grenze der Kanalschicht (3) und der Grenzschicht (4) 1 größer oder gleich z und z größer oder gleich x + 0,1 beträgt, und wobei x, y, z die Molaranteile von Al in Verbindung von AlGaN sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Halbleiterbauteile und kann in funktechnischen Einrichtungen, SHF-Anlagen u. a. angewandt werden.
Stand der Technik
Das Schaffen der optoelektronischen und Mikrowellenanlagen auf Basis der Halbleiterverbindungen der Gruppe AIII mit Stickstoff (Nitriden AIII) ist in Anbetracht der wesentlichen Vergrößerung der Funktionsfähigkeit dieser Bauteile sehr aktuell. Insbesondere entsteht die Möglichkeit der Herstellung von SHF-Feldeffekt-Transistoren mit einer mehrmals höheren Leistung, als die der Transistoren Leistung auf Basis der konventionalen Materialien (Arsenid AIII). Gleichzeitig haben die Transistoren auf Nitrid-Basis eine hervorragende Temperaturwechselbeständigkeit und können im Dauerbetrieb bei einer Temperatur von 300°C bis 500°C funktionieren. Dies ist mit den konventionellen Bauteilen überhaupt unmöglich.
Eine wesentliche Schwierigkeit der industriellen Ausführung dieser technischen Lösung ist aber die Verfalltendenz (Degradationstendenz) der Nitridtransistoren, d. h. die schnelle Änderung (Leistungsabfall) der Bauteilcharakteristiken über die Zeit. Diese Degradation sieht man beim Betreiben und zudem stellte man den Leistungsabfall der Transistorhalbleitstrukturen aus Strommangel fest. Es ist bewiesen, dass sich die Beweglichkeit und Konzentration von Elektronen in einer Nitridheterostruktur mit der Zeit willkürlich ändern, dabei erreichen diese Änderungen nach mehreren Monaten Dutzende von Prozenten (S. Elhamri et al, Study of deleterious aging effects in GaN/AlGaN heterostructures, Journal of Applied Physics, vol. 93, No 2, pp. 1079–1082, 15 January 2003).
Unter betriebsähnlichen Umständen, d. h. unter Bestromung bei Wirkung der Anlagespannung, ändern die Nitridtransistoren binnen mehrerer Stunden ihre Eigenschaften, was für eine reale Anwendung unzulässig ist.
Es gibt so genannte High Electron Mobility Transistoren. Ein solcher ist auch der Patentschrift US 6 064 082 A zu entnehmen. Dieser weist die Merkmale des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 auf. So geht aus der US 6 064 082 A ein HEMT (Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit) hervor, mit einer Grundplatte, einer undotierten Isolierschicht aus Al_yGa_1-yN, einer GaN Kanalschicht und einer undotierten Grenzschicht aus Al_zGa_1-ZN, wobei 0,15 > z > 0,06.
Bekannt sind weitere Feldeffekt-Transistoren auf Basis von Galliumnitrid und Aluminiumnitrid, dessen Struktur nacheinander die folgenden Elemente umfassen: eine Grundplatte, eine Schicht aus GaN, eine Grenzschicht aus 2 Unterschichten: Al_0,2Ga_0,8N, darauf GaN, die zweite Ausführung der Grenzschicht – Al_0,3Ga_0,7N, legiert mit Si, darauf unlegiertes Al_0,3Ga_0,7N. Auf der Struktur sind die Kontakte ausgeführt: Drain, Source und Gate mit entsprechenden Abständen, weiterhin die dielektrische Hülle, 10 nm MgO, Sc₂O₃ oder SiN_x. Zwischen den Kontakten befindet sich die dielektrische Hülle auf der Grenzschicht und dient dem Schutz der geöffneten Oberflächen der Grenzschicht vor Einflussgrößen, siehe B. Luo et al, The role of cleaning conditions and epitaxial layer structure an reliability of Sc₂O₃ and MgO passivation an AlGaN/GaN HEMTS, Solid-State Electronics, 46, pp. 2185–2190, 2002.
Die Transistoren mit Schichten aus MgO und Sc₂O₃ zeigen weit weniger Degradation, als analoge Bauteile ohne Schutzschicht.
Diese technische Lösung ist deswegen mangelhaft, da der durch die Schutzschichten gewonnene Degradationsgrad immer hoch bleibt. Unter Belastung (Spannung Source-Drain 8 Volt, Gate-Spannung 1 Volt) nach 13 Stunden beträgt der Strom Drain-Source 90% des Primären beim Schutz der Struktur mit der Schicht aus MgO und 80% des Primären beim Schutz der Struktur mit der Schicht aus Sc₂O₃.
Für reale Anwendungen müssen die Eigenschaften des Transistors nicht mehr als 10% Stromänderung für tausende Arbeitsstunden oder für manche Anwendungen für hunderte Stunden betragen, deshalb sichert die Stromänderung Drain-Quelle um 10% für 13 Stunden keine Möglichkeit der praktischen Anwendung von Transistoren.
Es gibt so genannte Feldeffekt-Transistoren auf Basis von Galliumnitrid und Aluminiumnitrid, ihre Struktur schließt nacheinander die folgenden Elemente ein: eine Grundplatte aus SiC, eine Isolierschicht des Wechselbestands mit der Dicke von 1 Mikrometer, eine Legierungsschicht aus Al_0,09Ga_0,91N mit der Dicke von 10 nm, legiertes Si, eine Kanalschicht aus GaN mit der Dicke von 25 nm, eine Grenzschicht aus drei Unterschichten: nicht legiertes Al_0,3Ga_0,7N mit der Dicke von 3 nm, legiertes Si Al_0,3Ga_0,7N mit der Dicke von 5 nm, nicht legiertes Al_0,3Ga_0,7N mit der Dicke von 4 nm, siehe Narihiko Maeda et al, AlGaN/GaN Heterostructure Field-Effect Transistors with Back-Doping Design for High-Power Applications: High Current Density with High Transconductance Characteristics, Mat. Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 743, 1931–1936, 2003.
Diese technische Lösung liegt dieser Erfindung zugrunde. Im Unterschied zur technischen Lösung, beschrieben im Artikel von B. Luo, enthält diese Transistorkonstruktion mehr Schichten und besitzt bessere Eigenschaften. Insbesondere weist der erfindungsgemäße Transistor wesentlich höhere Werte der Verstärkung auf und kann mit höheren Stromstärken betrieben werden. Dieses Bauteil wurde zwar als Vorbild dieser Erfindung verwendet, aber es zeigt auch wesentliche Mangel, bedingt durch die unten bezeichneten Umständen. Die Leitwertschicht des Zweidimensionalen Elektronengases wird in dieser Konstruktion durch den Effekt, verbunden mit dem Vorhandsein der Polarisationsladungen an der Grenze AlGaN/GaN, gebildet. Dieser Effekt besteht in Nitriden AIII und ist für die Halbleiter AIII BV nicht kennzeichnend, denn die Polarisationsladungen sind über die Zeit nicht stabil. Besonders im Betriebszustand des Bauteils, ändern sich die Eigenschaften des Zweidimensionalen Elektronengases mit der Zeit bei der Umladung der geladenen Einbauoberflächen. Dies führt zu schneller Degradation des Feldeffekt-Transistors.
Erfindungsbeschreibung.
Dieser Erfindung liegt die Aufgabe einer Erhöhung der Degradationsfestigkeit des Bauteils zugrunde.
Laut Erfindung wird diese Aufgabe durch einen Feldeffekt-Transistor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, auf der Basis von Nitriden, Ga und Al, dessen Struktur nacheinander die folgenden Elementen einschließt: eine Grundplatte, eine Isolierschicht aus Al_yGa_1-yN, eine Kanalschicht und eine Grenzschicht aus Al_zGa_1-zN, wobei die Dicke der Kanalschicht im Bereich von 3 bis 20 Nanometer liegt, wobei die Kanalschicht aus Al_xGa_1-xN ausgeführt worden ist, und wobei 0,12 größer x und x größer 0,03, wobei der y-Wert an der Grenze der Kanalschicht und der Isolierschicht 1 größer oder gleich y und y größer oder gleich x + 0,1 beträgt und an der Grenze der Kanalschicht und der Grenzschicht 1 größer oder gleich z und z größer oder gleich x + 0,1 beträgt, und wobei x, y, z die Molaranteile von Al in Verbindung von AlGaN sind.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung kann die Isolierschicht aus zwei Unterschichten ausgeführt worden sein, wobei die an die Grundplatte angrenzende untere Unterschicht an dieser Grenze den y-Wert im Bereich von 0,5 bis 0,7 hat, an der Grenze mit der oberen Unterschicht den y-Wert im Bereich von 0,7 bis 1 hat, die obere Unterschicht an der Grenze mit der unteren Unterschicht den y-Wert in einem Bereich von 0,7 bis 1 hat, wobei sich der y-Wert stabil zur Grenze mit der Kanalschicht bis zum y-Wert kleiner oder gleich 0,4 vermindert.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in der Grenzschicht und/oder Isolierschicht eine legierende δ-Schicht aus Silizium oder Sauerstoff ausgeführt worden ist.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Feldeffekt-Transistors ist zudem vorgesehen, dass seine Struktur eine zusätzliche Schutzschicht aus AlGaON über der Grenzschicht enthält.
Im Unterschied zu bekannten Konstruktionen, wo sich das zweidimensionale Elektronengas wegen der Einbauoberflächeladungen bildet, sichert die beantragte technische Lösung die Standfestigkeit des leitenden zweidimensionales Elektronengas-Kanal gegen die im Betriebslauf entstehenden Änderungen der eingebauten Ladungen. Diese Änderungen können sich sowohl durch äußere chemische Einwirkung der Umwelt, als auch durch die Schwankungsdefektbildung mit der Zeit bilden. Dabei werden beide Vorgänge des Arbeitsablaufs des Bauteils wesentlich aktiviert. Die leitende Schicht des zweidimensionalen Elektronengases bildet sich wegen der in der Konstruktion angewandten Schicht aus Al_xGa_1-xN. Dabei überschreitet die Größe der verbotenen Zonen in den von beiden Seiten angrenzenden Schichten die Dicke der Zone in dieser Schicht. Die Dicke dieser Schicht sichert die dimensionale Quantelung der elektronischen Zustände. Es ist maßgeblich, dass das Material dieser Schicht mindestens 0,03 des Molaranteils von Al enthalten soll, was die besonders hohe Degradationsstandfestigkeit des Bauteils sichern soll.
Man muss auch darauf hinweisen, dass die Ausführung der zusätzlichen Merkmale (Ziff. 2–4 – Patentansprüche) eine zusätzliche Erhöhung der Degradationsfestigkeit des Bauteils im ständigen Betriebszustand sichert. Im Zusammenhang mit der Erhöhung der elektrischen Resistenz des unteren Teils der Heterostruktur zwischen der Grundplatte und der Kanalschicht, entsteht die Möglichkeit der Anwendung sowohl isolierender als auch leitender Grundplatten aus Siliziumkarbid, deren Wert ein Vielfaches geringer als der der isolierenden Grundplatten ist. Das kann die Bauteilkosten wesentlich vermindern.
Kurze Beschreibung der Figuren
Das Wesen der Erfindung wird mit den Darstellungen in den 1 bis 4 verdeutlicht. Es zeigen
1: ein Schema der Halbleiterepitaxialstruktur des erfindungsgemäßen Feldeffekt-Transistors;
2: ein Schema einer bevorzugten Halbleiterepitaxialstruktur des erfindungsgemäßen Feldeffekt-Transistors;
3: ein Schema einer weiteren bevorzugten Halbleiterepitaxialstruktur des erfindungsgemäßen Feldeffekt-Transistors und
4: ein Schema einer weiteren bevorzugten Halbleiterepitaxialstruktur des erfindungsgemäßen Feldeffekt-Transistors.
1 zeigt einen Feldeffekt-Transistor auf Basis von Ga und Al in einer konkreten Ausführung, entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 1. Dieser weist eine Struktur auf, die nacheinander die folgenden Elemente enthält: eine Grundplatte 1, ausgeführt in diesem Beispiel aus Saphir, eine Isolierschicht 2 aus Al_yGa_1-yN, ausgeführt in diesem Beispiel mit dem y-Wert von 0,5, mit einer Schichtdicke von 1 Mikrometer, eine Kanalschicht 3 aus Al_xGa_1-xN, dabei beträgt 0,12 > x > 0,03 und die Kanalschichtdicke 3 bis 20 Nanometer, in diesem Beispiel mit dem x-Wert von 0,04 und einer Schichtdicke von 14 Nanometer, die Grenzschicht 4 aus Al_zGa_1-zN, in diesem Beispiel mit dem z-Wert von 0,3 und einer Schichtdicke von 20 Nanometer, wobei x, y, z die Molaranteile von Al in der Verbindung AlGaN sind. An der Grenze der Kanal- und Isolierschichten gilt –1 ≥ y ≥ x + 0,1 und an der Grenze der Kanal- und Schutzschichten gilt –1 ≥ z ≥ x + 0,1.
In 2 ist die Isolierschicht aus zwei Unterschichten 5; 6 ausgeführt. Die untere Unterschicht 5, an der Grundplatte angrenzend, kann den y-Wert an der Grenze im Bereich von 0,5 bis 0,7, an der Grenze mit oberen Unterschicht 6 den y-Wert im Bereich von 0,7 bis 1 haben. Die obere Unterschicht hat an der Grenze mit der Unteren den y-Wert von 0,7 bis 1, die sich stabil zur Grenze mit der Kanalschicht bis zum y-Wert ≤ 0,4 vermindert.
Bevorzugt kann die Grenzschicht und/oder Isolierschicht eine legierende δ-Schicht 7; 8 aus Silizium oder Sauerstoff aufweisen. In 3 ist eine legierende δ-Schicht 7 in der oberen Schicht der Isolierschicht, und eine andere legierende δ-Schicht 8 in der Grenzschicht ausgeführt.
In 4 enthält die Transistorstruktur eine zusätzliche Schutzschicht aus AlGaON über der Grenzschicht.
Diese Ausführung, unter Einbeziehung aller in den Ansprüchen offenbarten Merkmale, ist der Feldeffekt-Transistors wie folgt strukturiert:
Der Transistor umfasst die Grundplatte 1 aus Saphir, die untere Unterschicht 5 der Isolierschicht mit dem y-Wert von 0,5 an der Grenze zur Grundplatte und mit dem y-Wert von 0,7 an der Grenze zur oberen Unterschicht 6. Die Dicke der unteren Unterschicht beträgt 0,7 Mikrometer. Die obere Unterschicht weist einen y-Wert von 0,7 an der Grenze zur unteren Unterschicht und einen y-Wert von 0,3 an der Grenze zur Kanalschicht auf. Die Dicke der oberen Unterschicht 6 beträgt 0,4 Mikrometer. In der oberen Untersicht 6 wird die legierende δ-Schicht 7 aus Silizium mit einer Schichtkonzentration von 1·10¹³ cm^–2 ausgeführt. Die δ-Schicht 7 befindet sich 5 Nanometer tief unter der Grenze der Isolier- und Kanalschichten. Die Kanalschicht 3 wird mit x = 0,04 ausgeführt. Die Dicke der Schicht beträgt 14 Nanometer. In der Grenzschicht 4 beträgt z = 0,3 und die Schichtdicke 20 Nanometer. In der Grenzschicht wird die legierende δ-Schicht 8 aus Silizium mit einer Schichtkonzentration von 1·10¹³ cm^–2 ausgeführt. Die δ-Schicht 8 befindet sich 10 Nanometer tief unter der oberen Grenze der Grenzschicht. Die Schutzschicht 9 aus AlGaON ist 8 Nanometer dick. In dieser Schicht beträgt das Verhältnis der Molarkonzentrationen von Al und Ga 1:1 und das Verhältnis der Molaranteile von Sauerstoff und Stickstoff-1:4.
Die Ausführungen der 2, 3 und 4 sichern eine zusätzliche Erhöhung der Degradationsfestigkeit des Transistors.
Zwei Ausführungen des erfindungsgemäßen Feldeffekt-Transistors wurden angefertigt und geprüft. In einem ersten Versuch wurden 4 Transistoren entsprechend 1 getestet. Diese Transistoren wurden auf Degradation im Laufe des elektrischen Gleichstroms Drain-Source bei einer Spannung Source-Drain von 7 Volt und einer Gateverschiebung von 0,5 Volt, binnen 48 Stunden untersucht. Alle Transistoren zeigten eine Stromverminderung um weniger als 10%. In einem zweiten Versuch wurden 14 Transistoren entsprechend 4 getestet. Diese Transistoren wurden auf Degradation im Laufe des Gleichstroms, bei einer Spannung Source-Drain von 9 Volt und einer Gateverschiebung von 1 Volt, binnen 240 Stunden untersucht. 8 Transistoren zeigten eine Änderung der Größe des elektrischen Stroms um weniger als 7%, und 6 Transistoren um weniger als 10%.
Die ganze Struktur, darunter die Schutzschicht, wurde in beiden Varianten in dem einheitlichen Vorgang der Molekularstrahlenepitaxie gebildet. Der Basiskontakt wurde über die Schutzschicht ausgeführt. Die Kontakte Drain-Source und Source wurden auf die bereits Beizbereiche der Oberfläche, Beiztiefe 10 ± 2 Nanometer, ausgeführt.
Die oben bezeichneten Beispiele bestätigen die sehr niedrige Geschwindigkeit der Transistordegradation. In diesem Zusammenhang erhöht sich die Gebrauchsdauer des Bauteils wesentlich.
Industrielle Anwendbarkeit
Diese Erfindung kann sowohl unter Werks- als auch unter Laborumständen, bei Anwendung der bekannten Materialien und Ausrüstungen, die üblicherweise bei der Herstellung der Halbleiterbauteile Verwendung finden, hergestellt werden. Dies bestätigt die Übereinstimmung der beantragten Erfindung mit dem Kriterium «industrielle Anwendbarkeit».

Claims

Feldeffekt-Transistor auf der Basis von Nitriden, Ga und Al, dessen Struktur nacheinander die folgenden Elemente einschließt: eine Grundplatte (1), eine Isolierschicht (2) aus Al_yGa_1-yN, eine Kanalschicht (3) und eine Grenzschicht (4) aus Al_zGa_1-zN, wobei die Dicke der Kanalschicht (3) im Bereich von 3 bis 20 Nanometer liegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalschicht (3) aus Al_xGa_1-xN ausgeführt worden ist, wobei 0,12 größer x und x größer 0,03, wobei der y-Wert an der Grenze der Kanalschicht (3) und der Isolierschicht (2) 1 größer oder gleich y und y größer oder gleich x + 0,1 beträgt und an der Grenze der Kanalschicht (3) und der Grenzschicht (4) 1 größer oder gleich z und z größer oder gleich x + 0,1 beträgt, und wobei x, y, z die Molaranteile von Al in Verbindung von AlGaN sind.
Feldeffekt-Transistor nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierschicht (2) aus zwei Unterschichten (5; 6) ausgeführt worden ist, wobei die an die Grundplatte (1) angrenzende untere Unterschicht (5) an dieser Grenze den y-Wert im Bereich von 0,5 bis 0,7 hat, an der Grenze mit der oberen Unterschicht (6) den y-Wert im Bereich von 0,7 bis 1 hat, die obere Unterschicht (6) an der Grenze mit der unteren Unterschicht (5) den y-Wert in einem Bereich von 0,7 bis 1 hat, wobei sich der y-Wert stabil zur Grenze mit der Kanalschicht (3) bis zum y-Wert kleiner oder gleich 0,4 vermindert.
Feldeffekt-Transistor nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Grenzschicht (4) und/oder Isolierschicht (2) eine legierende δ-Schicht (7; 8) aus Silizium oder Sauerstoff ausgeführt worden ist.
Feldeffekt-Transistor nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass seine Struktur eine zusätzliche Schutzschicht (9) aus AlGaON über der Grenzschicht (4) enthält.