RU2650576C2

RU2650576C2 - Nanodimensional structure with alloying profile in form of nanowires from tin atoms

Info

Publication number: RU2650576C2
Application number: RU2016139392A
Authority: RU
Inventors: Александр Сергеевич Бугаев; Александр Эдуардович Ячменев; Дмитрий Сергеевич Пономарев; Рустам Анварович Хабибуллин; Сергей Анатольевич Гамкрелидзе; Петр Павлович Мальцев
Priority date: 2016-10-07
Filing date: 2016-10-07
Publication date: 2018-04-16
Also published as: RU2016139392A

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: nanodimensional structure with nanowires from tin atoms, embedded in a GaAs crystal, includes a single-crystal semi-insulating vicinal GaAs (100) substrate with misorientation angle of 0.3°÷0.4° in the direction of type <011>, a buffer undoped GaAs layer, a delta-alloyed tin layer, and a contact silicon-alloyed GaAs layer; an InGaAs channel layer, an AlGaAs spacer layer, and an AlGaAs barrier layer are additionally added, and two-dimensional electron gas located in InGaAs channel layer is modulated in form of quasi-one-dimensional channels.

EFFECT: ensuring the possibility of increasing the speed of microwave devices based on this structure.

1 cl

Description

Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

Изобретение относится к полупроводниковым структурам группы А³В⁵. Такие структуры могут быть использованы для создания транзисторов с высокой подвижностью электронов с псевдоморфным каналом - РНЕМТ (Pseudomorphic High Electron Mobility Transistor), которые являются основой компонентной базы при изготовлении МИС (монолитных интегральных схем) СВЧ диапазона частот.The invention relates to semiconductor structures of group A ³ B ⁵ . Such structures can be used to create transistors with high electron mobility with a pseudomorphic channel - RNEMT (Pseudomorphic High Electron Mobility Transistor), which are the basis of the component base in the manufacture of MIS (monolithic integrated circuits) microwave frequency range.

Уровень техникиState of the art

Из предшествующего уровня техники известны наногетероструктуры с индием, в которых располагается рабочий канал с двумерным электронным газом с высокой подвижностью, формирующимся в тонком (от 10 нм до 20 нм) слое In_xGa_1-xAs на границе с более широкозонным материалом. Для мольной доли индия в канале от 0 до 0,2 можно эпитаксиально вырастить напряженный (псевдоморфный) монокристаллический бездефектный слой InGaAs толщиной меньше критической (~10 нм) на подложках GaAs. Широкозонным материалом в гетеропаре In_xGa_1-xAs/Al_yGa_1-yAs выступает Al_yGa_1-yAs с мольной долей алюминия от 0,2 до 0,25. Транзисторы с такой гетеропарой называются псевдоморфными (GaAs РНЕМТ). Типичное напряжение пробоя в таких транзисторах ~12 В, рабочие частоты достигают 30-40 ГГц [Wei-Kuo Huang, Yu-An Liu, Che-Ming Wang, Yue-Ming Hsin. Flip-Chip Assembled GaAs pHEMT Ka-Band Oscillator // IEEE Microwave and Wireless Components Letters. - 2007. - V. 17. - No. 1. - P. 67-69]. Частотные характеристики в таких структурах ограничены свойствами квантовой ямы InGaAs и для их увеличения требуется квантовая инженерия конструкции структуры или ее отдельных слоев.Indium nanoheterostructures are known in the prior art, in which there is a working channel with a two-dimensional electron gas with high mobility, which is formed in a thin (from 10 nm to 20 nm) In _x Ga _1-x As layer at the interface with a wider bandgap material. For a molar fraction of indium in the channel from 0 to 0.2, it is possible to epitaxially grow a strained (pseudomorphic) single crystal defect-free InGaAs layer with a thickness less than critical (~ 10 nm) on GaAs substrates. The wide-gap material in the In _x Ga _1-x As / Al _y Ga _1-y As heterocouple is Al _y Ga _1-y As with a molar fraction of aluminum from 0.2 to 0.25. Transistors with such a heteropair are called pseudomorphic (GaAs PHEMT). Typical breakdown voltage in such transistors is ~ 12 V, operating frequencies reach 30-40 GHz [Wei-Kuo Huang, Yu-An Liu, Che-Ming Wang, Yue-Ming Hsin. Flip-Chip Assembled GaAs pHEMT Ka-Band Oscillator // IEEE Microwave and Wireless Components Letters. - 2007. - V. 17. - No. 1. - P. 67-69]. The frequency characteristics in such structures are limited by the properties of the InGaAs quantum well and to increase them, quantum engineering of the structure structure or its individual layers is required.

Помимо РНЕМТ структур одним из новых типов материалов для полупроводниковой электроники являются различные структуры как с квантовой ямой InGaAs, так и без нее, с планарным расположением нанонитей, позволяющих получить новые оптические или электрофизические свойства электронного газа. Систему одномерных каналов (нанонитей) в объеме полупроводника можно получить различными способами: с помощью фото- или электронно-лучевой литографии и последующего травления; используя подготовленные заранее фасетированные поверхности полупроводника и последующий эпитаксиальный рост в образованных канавках; эпитаксиального выращивания вертикальных нанонитей (эта технология достаточно сложна и не относится к планарным); и применяя свойства вицинальных поверхностей, образующихся при разориентации подложки. Наиболее технологично удобным методом формирования нанонитей является использование вицинальных граней. Такая поверхность представляет собой ступени, разделенные террасами с точной кристаллографической ориентацией. При этом возможны различные варианты формирования нанонитей: высаживание атомов примеси таким образом, чтобы они образовывали на поверхности террасы полосы шириной меньше, чем ширина террасы; расположение атомов примеси вдоль краев вицинальных граней; планарное легирование поверхности примесью с последующим травлением коллимированным ионным пучком; получение при определенном угле падения неоднородного распределения примеси по поверхности при затенении краями террас части поверхности террасы и др. [Patent US 7569470 В2. Method of forming conducting nanowires / Sergio Fernandez-Ceballos, Giuseppe Manai, Igor Vasilievich Shvets. - Appl. No. 11/915518. - filling date: 26.05.2006; publication date 4.08.2009]. Проводимость в таких структурах осуществляется непосредственно по нанонитям, что существенно ограничивает подвижность электронов из-за рассеяния на ионизированных атомах. Для быстродействующих СВЧ приборов требуются структуры с квантовой ямой.In addition to RNEMT structures, one of the new types of materials for semiconductor electronics is various structures with and without an InGaAs quantum well, with a planar arrangement of nanowires, which make it possible to obtain new optical or electrophysical properties of an electron gas. The system of one-dimensional channels (nanowires) in the volume of a semiconductor can be obtained in various ways: using photo or electron beam lithography and subsequent etching; using prepared pre-faceted semiconductor surfaces and subsequent epitaxial growth in the formed grooves; epitaxial growth of vertical nanowires (this technology is quite complex and does not apply to planar); and applying the properties of vicinal surfaces resulting from misorientation of the substrate. The most technologically convenient method of forming nanowires is the use of vicinal faces. Such a surface consists of steps separated by terraces with an exact crystallographic orientation. In this case, various options for the formation of nanowires are possible: planting impurity atoms so that they form bands on the terrace surface that are less than the width of the terrace; the location of impurity atoms along the edges of vicinal faces; planar alloying of the surface with an impurity followed by etching by a collimated ion beam; obtaining at a certain angle of incidence an inhomogeneous distribution of impurities on the surface when shading with the edges of the terraces of part of the surface of the terrace, etc. [Patent US 7569470 B2. Method of forming conducting nanowires / Sergio Fernandez-Ceballos, Giuseppe Manai, Igor Vasilievich Shvets. - Appl. No. 11/915518. - filling date: 05.26.2006; publication date 4.08.2009]. Conductivity in such structures occurs directly on nanowires, which significantly limits the mobility of electrons due to scattering by ionized atoms. For high-speed microwave devices, quantum well structures are required.

Наиболее близким по технической сущности и принятым за прототип является материал, описанный в [Patent RU 2520538 С1. Наноразмерная структура с квазиодномерными проводящими нитями олова в решетке GaAs / А.П. Сеничкин, А.С. Бугаев, А.Э. Ячменев, А.Н. Клочков. - Заявка 2012146629/28. - Дата подачи заявки 02.11.2012; Опубликовано 27.06.2014]. В этой работе описывается структура, выращенная методом молекулярно-лучевой эпитаксии на подложке GaAs, разориентированной на 0,3° относительно точной кристаллографической ориентации (100) в направлении <011>, и состоящая из буферного слоя GaAs толщиной 0,8 мкм, нелегированного GaAs толщиной 40 нм, внутри которого были сформированы цепочки из атомов олова со слоевой концентрацией 5×10¹² см^-2, встроенные в кристалл GaAs и контактного слоя толщиной 15 нм, легированного кремнием до уровня 4×10¹⁸ см^-3. В работе получены значения подвижности μ=1700 см²/В×с и концентрации электронов n=2,7×10¹² см^-2 при комнатной температуре. Было установлено, что коэффициент анизотропии сопротивления для слабых полей (в области линейной зависимости скорости дрейфа электронов от приложенного поля) равен приблизительно 2 при комнатной температуре и возрастает до 2,5 при температуре 77 К. Анизотропия сопротивления сохранялась и в сильных электрических полях, что подтверждает наличие квазиодномерного потенциального рельефа в изготовленной структуре. Недостатком предложенной в этой работе наноразмерной структуры является отсутствие квантовой ямы с высокой подвижностью электронов, что существенно ограничивает применение для изготовления быстродействующих СВЧ полупроводниковых приборов. The closest in technical essence and adopted for the prototype is the material described in [Patent RU 2520538 C1. Nanoscale structure with quasi-one-dimensional conducting tin filaments in a GaAs lattice / A.P. Senichkin, A.S. Bugaev, A.E. Yachmenev, A.N. Shreds. - Application 2012146629/28. - Date of application submission 02.11.2012; Published 06/27/2014]. This work describes a structure grown by molecular beam epitaxy on a GaAs substrate misoriented by 0.3 ° relative to the (100) crystallographic orientation in the <011> direction, and consisting of a 0.8 μm thick GaAs buffer layer, undoped GaAs thickness 40 nm, inside which chains of tin atoms with a layer concentration of 5 × 10 ¹² cm ^{-2 were formed} , embedded in a GaAs crystal and a 15 nm thick contact layer doped with silicon to a level of 4 × 10 ¹⁸ cm ^-3 . In the work, mobility values μ = 1700 cm ² / V × s and electron concentration n = 2.7 × 10 ¹² cm ^-2 at room temperature were obtained. It was found that the coefficient of resistance anisotropy for weak fields (in the region of the linear dependence of the electron drift velocity on the applied field) is approximately 2 at room temperature and increases to 2.5 at a temperature of 77 K. The anisotropy of resistance also remained in strong electric fields, which confirms the presence of a quasi-one-dimensional potential relief in the fabricated structure. The disadvantage of the nanoscale structure proposed in this work is the absence of a quantum well with high electron mobility, which significantly limits the use for manufacturing high-speed microwave semiconductor devices.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Задачей предлагаемого изобретения является получение материала на основе InGaAs/AlGaAs РНЕМТ структуры с профилем дельта-легирования атомами олова в виде нанонитей, который мог бы заменить классическую РНЕМТ структуру, дельта-легированную кремнием. Для этого предлагаемый материал должен в области дельта-легированного слоя иметь систему нанонитей, образованных атомами олова, расположенными вдоль краев вицинальных террас и обладать свойствами, сравнимыми с аналогичными параметрами материала РНЕМТ InGaAs/AlGaAs, легированного атомами кремния. Конструкция и состав остальных слоев наноструктуры аналогичен классическим РНЕМТ структурам и включает в себя вицинальную подложку GaAs (100) с углом разориентации 0.3°÷0.4° в направлении типа <011>, буферный нелегированный слой GaAs, канальный слой InGaAs, дельта-легированный оловом слой, спейсерный и барьерный слой AlGaAs, контактный слой GaAs, легированный кремнием. Техническим результатом является получение новых свойств электронного газа в квантовой яме InGaAs, которые приводят к увеличению быстродействия СВЧ приборов на основе такой структуры.The objective of the invention is to obtain a material based on InGaAs / AlGaAs RNEMT structures with a delta doping profile of tin atoms in the form of nanowires, which could replace the classical RNEMT structure, delta-doped with silicon. To do this, the proposed material should have a system of nanowires formed by tin atoms along the edges of the vicinal terraces in the region of the delta-doped layer and have properties comparable with similar parameters of the PHEMT InGaAs / AlGaAs material doped with silicon atoms. The design and composition of the remaining layers of the nanostructure is similar to the classical RHEMT structures and includes a GaAs (100) vicinal substrate with a misorientation angle of 0.3 ° –0.4 ° in the <011> direction, an undoped GaAs buffer layer, an InGaAs channel layer, a delta doped tin layer, AlGaAs spacer and barrier layer; GaAs contact layer doped with silicon. The technical result is to obtain new properties of the electron gas in the InGaAs quantum well, which lead to an increase in the speed of microwave devices based on such a structure.

Технический результат достигается за счет модуляции в виде квазиодномерных каналов двухмерного электронного газа в канальном слое InGaAs потенциалом ионизированных атомов доноров в дельта-легированном слое, расположенных в виде нанонитей вдоль краев вицинальных террас. Для создания нанонитей предлагается использовать особенности формирования поверхности вицинальных подложек монокристаллического GaAs с кристаллографической ориентацией поверхности, отклоненной на небольшой угол от исходной плоскости типа (100) в направлении типа <011>. Для таких подложек поверхность представляет собой ступени высотой в один монослой (для ориентации типа (100) один монослой равен половине постоянной решетки GaAs, то есть ~2,83

) разделенные террасами с точной кристаллографической ориентацией типа (100). Ширина террас L или расстояние между ступенями L=2,83

/tg(α), где α - угол разориентации. Так, для угла разориентации α=0,3° ширина террасы L будет составлять ~500

. Такая ступенчатая поверхность характеризуется всплеском потенциальной энергии на краях ступеней для адсорбированных адатомов эпитаксиально наращиваемого вещества, например атомов Ga. Если средняя диффузионная длина адатома на поверхности превышает размер террас вицинальной грани, то эпитаксиальный рост пленки осуществляется за счет присоединения адатомов к краям ступеней без образования зародышевых островков на террасах. Таким образом, задавая нужный размер террас вицинальной подложки (т.е. угол разориентации), подбирая условия роста и точно дозируя количество адатомов вещества, попадающих на поверхность, можно сформировать на поверхности в том числе и нити, представляющие собой цепочки атомов, занявших вакантные связи на краях ступеней. При этом:The technical result is achieved by modulating in the form of quasi-one-dimensional channels a two-dimensional electron gas in the InGaAs channel layer with the potential of ionized donor atoms in the delta-doped layer located in the form of nanowires along the edges of vicinal terraces. To create nanowires, it is proposed to use the surface formation features of vicinal substrates of single-crystal GaAs with a crystallographic surface orientation deviated by a small angle from the initial plane of type (100) in the direction of type <011>. For such substrates, the surface is steps one monolayer high (for orientation of the (100) type, one monolayer is equal to half the GaAs lattice constant, i.e., ~ 2.83

) separated by terraces with precise crystallographic orientation of type (100). The width of the terraces L or the distance between the steps L = 2.83

/ tg (α), where α is the disorientation angle. So, for the disorientation angle α = 0.3 °, the width of the terrace L will be ~ 500

. Such a stepped surface is characterized by a burst of potential energy at the edges of the steps for the adsorbed adatoms of an epitaxially growing substance, for example, Ga atoms. If the average diffusion length of the adatom on the surface exceeds the size of the terraces of the vicinal face, then the epitaxial growth of the film occurs due to the attachment of adatoms to the edges of the steps without the formation of germinal islands on the terraces. Thus, by setting the desired size of the terraces of the vicinal substrate (i.e., the misorientation angle), selecting growth conditions and accurately dosing the number of adatoms of the substance falling onto the surface, it is possible to form on the surface, as well, strands representing chains of atoms that occupied vacant bonds at the edges of the steps. Wherein:

1) Наноструктура выращивается на подложке GaAs (100) с углом разориентации 0,3°÷0,4° в направлении <011>;1) The nanostructure is grown on a GaAs (100) substrate with a misorientation angle of 0.3 ° ÷ 0.4 ° in the direction <011>;

2) Дельта-легирование проводится атомами олова с концентрацией ~3×10¹³ см^-2, достаточной для формирования нанонитей с учетом реиспарения;2) Delta-doping is carried out by tin atoms with a concentration of ~ 3 × 10 ¹³ cm ^-2 , sufficient for the formation of nanowires taking into account re-evaporation;

3) Выбираются оптимальные технологические условия, такие как последовательность и продолжительность прерываний роста, толщины слоев, температура подложки, концентрация легирования, соотношение потоков мышьяка к галлию для ключевых этапов при изготовлении, а именно: для формирования атомно-гладкой поверхности перед проведением дельта-легирования, для преимущественного расположения атомов олова вдоль краев террас во время дельта-легирования (то есть для формирования нанонитей) и для заращивания полученной конфигурации атомов олова, сохраняющего их расположение.3) Optimum technological conditions are selected, such as the sequence and duration of growth interruptions, layer thicknesses, substrate temperature, doping concentration, arsenic to gallium flux ratio for key manufacturing steps, namely: to form an atomically smooth surface before delta doping, for the preferential arrangement of tin atoms along the edges of terraces during delta doping (that is, for the formation of nanowires) and for overgrowing the obtained configuration of tin atoms, with storing their location.

Путем изменения концентрации атомов олова можно регулировать коэффициент анизотропии k_а тока насыщения, определяемый как отношение тока насыщения вольт-амперной характеристики в направлении протекания тока параллельно нанонитям к току насыщения при протекании тока в направлении, перпендикулярном нанонитям, и тем самым влиять на быстродействие прибора и плотность тока.By changing the concentration of tin atoms can be adjusted anisotropy factor k _and the saturation current, defined as the ratio of the saturation current of the current-voltage characteristics in the current flow direction in parallel nanowires to the saturation current when the current flows in a direction perpendicular to the nanowire, and thus affect the performance of the device and the density current.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

Согласно изобретению был выращен следующий образец наноразмерной структуры типа РНЕМТ с профилем легирования в виде нанонитей из атомов олова. На вицинальной подложке с углом разориентации 0,3° и шириной террасы 500

методом молекулярно-лучевой эпитаксии были выращены буферный слой GaAs толщиной 0,8 мкм, канальный слой In_0,2Ga_0,8As толщиной 12 нм, спейсерный слой Al_0.24Ga_0.76As толщиной 4 нм, дельта-легированный оловом слой с концентрацией 1,5×10¹³ см^-2, барьерный слой Al_0.24Ga_0.76As толщиной 33 нм и контактный слой GaAs, легированный кремнием с концентрацией 4×10¹⁸ см^-3. Для формирования потенциального рельефа были подобраны специальные условия, включающие в себя формирование атомно-гладкой поверхности перед дельта-легированием при температуре подложки T_s=620°С, проведение операции дельта-легирования при оптимальной T_s=610°С, обеспечивающей максимальную сегрегационную способность атомов олова и заращивание атомов олова при пониженной до 500°С температуре для сохранения конфигурации расположения атомов олова.According to the invention, the following sample of a nanoscale structure of the PHEMT type with a doping profile in the form of nanowires of tin atoms was grown. On a vicinal substrate with a misorientation angle of 0.3 ° and a terrace width of 500

By molecular beam epitaxy, a GaAs buffer layer 0.8 μm thick, a 12 _0.2 nm thick In _0.2 Ga _0.8 As channel layer, an Al _0.24 Ga _0.76 As spacer layer 4 nm thick, and a delta-doped tin layer with a concentration of 1 were grown , 5 × 10 ¹³ cm ^–2 , a 33 nm thick Al _0.24 Ga _0.76 As barrier layer and a GaAs contact layer doped with silicon with a concentration of 4 × 10 ¹⁸ cm ^–3 . For the formation of the potential relief, special conditions were selected, including the formation of an atomically smooth surface before delta doping at a substrate temperature T _s = 620 ° C, the operation of delta doping at optimal T _s = 610 ° C, providing maximum segregation ability of atoms tin and the overgrowth of tin atoms at a temperature reduced to 500 ° C to maintain the configuration of the arrangement of tin atoms.

Получены значения холловской подвижности μ=5530 см²/В×с и концентрация n=2×10¹² см^-2. Коэффициент анизотропии тока насыщения составляет ~2,5 при температуре 300 К. На основе полученной РНЕМТ структуры изготовлены тестовые полевые транзисторы с длиной затвора Lg=150 нм специальной топологии для протекания тока в ортогональных направлениях, результаты СВЧ измерений которых показали следующие значения: для направления протекания тока параллельно нанонитям максимальная частота усиления по мощности F_max=150 ГГц и коэффициент усиления MSG на частоте 10 ГГц равен 17,7 дБ, для направления протекания тока перпендикулярно нанонитям F_max=117 ГГц и MSG=15,5 дБ. Высокие значения СВЧ параметров для параллельного направления, а также анизотропия значений при протекании тока в ортогональных направлениях обусловлены формированием нанонитей из атомов олова в дельта-слое, эффективно модулирующих электронный газ в квантовой яме.The values of Hall mobility μ = 5530 cm ² / V × s and the concentration n = 2 × 10 ¹² cm ^-2 were obtained. The anisotropy coefficient of the saturation current is ~ 2.5 at a temperature of 300 K. Based on the obtained RNEMT structure, test field effect transistors with a gate length Lg = 150 nm of a special topology for current flow in orthogonal directions were manufactured, the microwave measurements of which showed the following values: for the direction of flow current parallel to nanowires, the maximum power frequency gain F _max = 150 GHz and MSG gain at 10 GHz is 17.7 dB, for the direction of current flow perpendicular to nanowires F _max = 117 G Hz and MSG = 15.5 dB. High values of the microwave parameters for the parallel direction, as well as the anisotropy of the values when the current flows in the orthogonal directions, are caused by the formation of nanowires from tin atoms in the delta layer, which effectively modulate the electron gas in a quantum well.

Claims

Nanoscale structure with tin nanowires embedded in a GaAs crystal, including a single-crystal semi-insulating vicinal GaAs (100) substrate with a misorientation angle of 0.3 ° ÷ 0.4 ° in the <011> direction, an unalloyed GaAs buffer layer, a delta-doped tin layer, and a contact doped silicon GaAs layer, characterized in that an InGaAs channel layer, an AlGaAs spacer layer and an AlGaAs barrier layer are added, and a two-dimensional electron gas located in the InGaAs channel layer is modulated in the form of quasi-one-dimensional channels.