RU80069U1 - Гетероэпитаксиальная структура для полевых транзисторов - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к полупроводниковым приборам, а именно к эпитаксиальным структурам для полевых транзисторов. Гетероэпитаксиальная структура для полевых транзисторов содержит последовательно расположенные подложку, буферный слой, первый легированный донорной или акцепторной примесью и нелегированный слои широкозонного полупроводника, нелегированный слой узкозонного полупроводника, нелегированный и второй легированный слои широкозонного полупроводника. С обеих сторон узкозонного полупроводника в нелегированном слое выполнены третья и четвертая прослойки. Прослойки легированы иным типом примеси, нежели первый и второй легированные слои. Предпочтительно, чтобы второй слой был легирован однородно по объему, а остальные - модулирование. Целесообразно выполнение между вторым объемно-легированным и ближайшим к нему нелегированным слоями модулированно-легированного слоя, легированного той же примесью, что и второй. Модулированное легирование может быть выполнено в виде дельта-легирования. Предпочтительно, чтобы уровень легирования и толщины слоев подобраны так, что величина скачка энергии дна зоны проводимости на гетерогранице широкозонного полупроводника и узкозонного полупроводника равна от 0,8E_g до 1,2E_g, где E_g - ширина запрещенной зоны узкозонного полупроводника, но не превышает ширины запрещенной зоны широкозонного полупроводника. Полезная модель позволяет увеличить подвижность основных носителей заряда в канале и повысить надежность и эффективность мощных полевых транзисторов, в которых она используется. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

Description

Известна гетероэпитаксиальная структура для полевых транзисторов, содержащая подложку, буферный слой, легированные и нелегированные слои полупроводников (см. патент JP 8055979, Кл. H01L 29/812, опубл. 27.02.1996). Недостатком известного устройства является малая подвижность основных носителей заряда, и, как следствие, относительно невысокая эффективность работы, а также недостаточная надежность транзистора, изготовленного на основе такой структуры.

Известна гетероэпитаксиальная структура (ГЭС) для полевых транзисторов, содержащая последовательно расположенные подложку, буферный слой, первый легированный донорной или акцепторной примесью и нелегированный слои широкозонного полупроводника, слой узкозонного полупроводника, нелегированный и второй, легированный той же примесью, что и первый, слои широкозонного полупроводника (см. S.C.Wang, J.S.Liu, К.С.Hwang, W.Kong, D.W. Tu, P. Ho, L. Mohnkern, K.Nichols, and P.C.Chao "High Performance Fully Selective Double Recess InAlAs/InGaAs/InP HEMTs" IEEE Electron Device Letters, vol. 21, №7, July 2000. M. Kuzuhara, S. Tanaka "GaAs-based high-frequency and high-speed devices" JSAP International №7 January 2003).

После изготовления транзистора на основе известной ГЭС, слой узкозонного полупроводника, ширина запрещенной зоны которого меньше ширины запрещенной зоны широкозонного, выполняет функцию канала транзистора. В известной ГЭС легирование слоев структуры проводится

основной легирующей примесью только одного типа. Для получения электронной проводимости слоя канала, выполненного из узкозонного полупроводника, используется основная легирующая примесь донорного типа.

Суть известного способа модулированного легирования основной легирующей примесью заключается в том, что при выращивании ГЭС легирование проводится только слоев широкозонного полупроводника и только одним типом примеси. Также при модулированном легировании ГЭС для полевых транзисторов часть широкозонного полупроводника, примыкающего к гетерогранице, не легируется основной легирующей примесью (распределение N_D(x)). Нелегированный слой широкозонного полупроводника, примыкающий к гетерограницам, получил название «спейсер».

Как правило, легирование части слоя широкозонного полупроводника основной легирующей примесью одного типа (донорной для полевых транзисторов с электронным типом проводимости канала) проводится однородно по площади пластины. Легирование по толщине части слоя широкозонного полупроводника может быть как однородным, так и неоднородным. В частности, известны решения с использованием дельталегирования (δ легирование) основной легирующей примесью, комбинации однородного по толщине легирования и δ-легирования основной легирующей примесью.

При модулированном легировании часть подвижных носителей заряда (электронов) переходит из легированной области широкозонного полупроводника в узкозонный полупроводник. Этот переход приводит к обогащению канала полевого транзистора электронами.

Модулированное легирование приводит к увеличению подвижности носителей заряда в канале из-за устранения их рассеяния на основной легирующей примеси в узкозонном полупроводнике, поскольку слой узкозонного полупроводника не легируется. Также подвижность

увеличивается из-за существенного снижения вероятности рассеяния на пространственных флуктуациях потенциала основной легирующей примеси в легированном слое широкозонного полупроводника (флуктуации потенциала быстро уменьшаются при удалении от легированных областей в сторону слоя узкозонного полупроводника).

Недостатком известного устройства является следующее.

Многие гетеропереходы на основе соединений А₃В₅, например, Al_xGa_1-xAs-GaAs, отличаются сравнительно малой величиной φ_b величиной скачка энергии дна зоны проводимости на гетерогранице между широкозонным и узкозонным полупроводниками. Характерная величина φ_b для таких гетеропереходов составляет 0.2-0.4 эВ, что недостаточно для локализации электронного газа в слое канала транзистора при условии сильного термополевого разогрева электронов, который имеет место в канале полевого транзистора, изготовленного на основе таких ГЭС.

Энергия, приобретаемая электронами в слое канала полевого транзистора в результате термо-полевого разогрева, может значительно превысить величину φ_b и даже оказаться равной величине энергии запрещенной зоны в узкозонном полупроводнике E_g. Например, для гетероперехода Al_xGa_1-xAs-GaAs, величина Е_g2 в GaAs равна 1.42 эВ, а величина φ_b при х=0.3 примерно равна 0.33 эВ.

Использование различных вариантов модулированного легирования одним типом основной легирующей примеси не позволяет увеличить φ_b настолько, чтобы была обеспечена локализация основных носителей заряда в слое канала транзистора при сильном термо-полевом разогреве электронов. Потеря локализации основных носителей заряда (например, что характерно для большинства практических приложений, электронов) в слое канала транзистора приводит к тому, что электроны приобретают возможность рассеяния на потенциале основной легирующей примеси в легированном широкозонном слое и на дефектах в буферном слое ГЭС. Таким образом, при

достаточно сильном термо-полевом разогреве электронного газа, характерном для работы полевого транзистора, теряются преимущества, заложенные в основу принципа модулированного легирования.

Совокупность эффектов рассеяния основных носителей заряда на потенциалах основных легирующих примесей и дефектов приводит к значительному уменьшению подвижности основных носителей заряда, что является основным недостатком известного решения.

Задачей полезной модели является устранение указанного недостатка. Технический результат достигается в увеличении подвижности основных зарядов в гетероструктуры, а также в увеличении эффективности и надежности мощных полевых транзисторов на ее основе. Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что гетероэпитаксиальная структура для полевых транзисторов содержит последовательно расположенные подложку, буферный слой, первый легированный донорной или акцепторной примесью и нелегированный слои широкозонного полупроводника, нелегированный слой узкозонного полупроводника, нелегированный и второй, легированный той же примесью, что и первый, слои широкозонного полупроводника, при этом с обеих сторон узкозонного полупроводника, образующего канал транзистора, в нелегированном слое выполнены третья и четвертая прослойки, легированные иным типом примеси, нежели первый и второй легированные слои. Предпочтительно, чтобы второй слой был легирован однородно по объему, а остальные - модулирование. Целесообразно выращивание между вторым объемно-легированным и ближайшим к нему нелегированным слоями модулированно-легированного слоя, легированного той же примесью, что и второй. Модулированное легирование может быть выполнено в виде дельта-легирования. Предпочтительно, чтобы уровень легирования и толщины слоев были подобраны так, чтобы величина скачка энергии дна зоны проводимости на гетерогранице широкозонного

полупроводника и узкозонного полупроводника была равна от 0,8 E_g до 1,2 E_g, где E_g - ширина запрещенной зоны узкозонного полупроводника, но не превышала ширины запрещенной зоны широкозонного полупроводника.

На фиг.1 приведены основные элементы конструкции известной двойной ГЭС и возможный профиль легирования основной легирующей донорной примесью N_D(x).

На фиг.2 показана зонная диаграмма известной двойной ГЭС вблизи одного гетероперехода.

На фиг.3 приведены основные элементы конструкции предлагаемой двойной ГЭС с дополнительными слоями.

На фиг.4 показана зонная диаграмма полупроводников, составляющих предлагаемую структуру, до образования гетеропереходов.

На фиг.5 - то же после образования гетеропереходов.

На чертежах и в тексте приняты следующие обозначения:

E_c, E_ν, F - соответственно, положения дна зоны проводимости, потолка валентной зоны и уровня Ферми в широкозонном и узкозонном полупроводниках после образования гетероперехода;

φ_b, - величина скачка между положениями дна зоны проводимости на гетерогранице широкозонного и узкозонного полупроводников;

Е_g2 - ширина запрещенной зоны в узкозонном полупроводнике;

E_g1 - ширина запрещенной зоны в широкозонном полупроводнике;

α - ширина приповерхностного объемнолегированного слоя.

Общие элементы структур обозначены следующими позициями:

1 - широкозонный полупроводник;

2 - узкозонный полупроводник;

3 - гетерограницы;

4 - поверхность структуры.

Гетероэпитаксиальная структура для полевых транзисторов согласно полезной модели содержит следующие последовательно расположенные слои: подложка, буферный слой, донорный δ (дельта) - слой (5) с уровнем легирования δN_D5, нелегированный слой (6), прослойка из акцепторного δ-слоя (7) с уровнем легирования δN_A7, нелегированный спейсер, нелегированный слой канала, нелегированный спейсер, прослойка из акцепторного δ-слоя (8) с уровнем легирования δN_A8, нелегированный слой (9), донорный δ-слой (10) с уровнем легирования δN_D10 и объемно легированный донорами слой (11) с уровнем легирования N_D11.

ГЭС изготавливают следующим образом.

1. В процессе выращивания ГЭС формируют слои широкозонных полупроводников (1) модулировано легированных основными легирующими примесями донорного и акцепторного типов.

2. Проводят избыточное легирование совокупности слоев, изготовленных из широкозонных полупроводников (1) тем типом основной легирующей примеси, которая необходима для получения нужного типа проводимости слоя канала.

3. Профиль модулированного легирования слоев широкозонных полупроводников (1) примесями донорного и акцепторного типов выбирается таким, чтобы потенциальный рельеф, формируемый зарядами этих примесей, обеспечивал величину скачка энергии дна зоны проводимости на гетерогранице (3) между широкозонным (1) и узкозонным (2) полупроводниками близкой или равной по величине ширине запрещенной зоны в узкозонном полупроводнике (2) - φ_b=(0,8÷1,2)·Е_g2.

4. Для получения электронного типа проводимости слоя канала и величины скачка энергии дна зоны проводимости на каждой гетерогранице (3) между широкозонным (1) и узкозонным (2) полупроводниками близкой или равной по величине ширине запрещенной зоны в узкозонном (2)

полупроводнике, в слое широкозонного (1) полупроводника, сформированном на буферном слое, формируются следующие дополнительные слои:

- слой широкозонного полупроводника легированный донорами (5),

- слой нелегированного широкозонного полупроводника (6),

- прослойка широкозонного полупроводника легированная акцепторами (7),

- полезно, чтобы слой (5) был дельта-легирован донорами,

- полезно, чтобы прослойка (7) была дельта-легирована акцепторами

5. Для получения электронного типа проводимости слоя канала и величины скачка (разрыва) энергии дна зоны проводимости на каждой гетерогранице между широкозонным и узкозонным полупроводниками близкой или равной по величине ширине запрещенной зоны в узкозонном полупроводнике, в слое широкозонного полупроводника, сформированном на слое, изготовленном из нелегированного узкозонного полупроводника, формируются следующие дополнительные слои:

- прослойка широкозонного полупроводника легированная акцепторами (8),

- слой нелегированного широкозонного полупроводника (9),

- слой широкозонного полупроводника легированный донорами (10),

- слой широкозонного полупроводника легированный донорами (11),

- полезно, чтобы прослойка (8) был дельта-легирована акцепторами,

- полезно, чтобы слой (10) был дельта-легирован донорами,

- полезно, чтобы слой (11) был объемно-легирован донорами.

6. При электронном типе проводимости слоя канала полезно, чтобы количество доноров в слое (11), отнесенное к площади структуры, не превышало плотности отрицательно заряженных поверхностных состояний на поверхности (4) слоя (11).

7. При электронном типе проводимости слоя канала полезно, чтобы уровень легирования акцепторами прослойки (7) и толщина слоя (6) были

подобраны так, чтобы φ_b1 - величина скачка энергии дна зоны проводимости на гетерогранице 3а между широкозонным и узкозонным полупроводниками была близкой по величине к ширине запрещенной зоны в узкозонном полупроводнике Е_g2, но меньше ширины запрещенной зоны в широкозонном полупроводнике Е_g1.

8. При электронном типе проводимости слоя канала полезно, чтобы уровень легирования акцепторами прослойки (8) и толщина слоя (9) были подобраны так, чтобы φ_b2 - величина скачка энергии дна зоны проводимости на гетерогранице 3б между узкозонным и широкозонным полупроводниками была близкой по величине к ширине запрещенной зоны в узкозонном полупроводнике Е_g2, но меньше ширины запрещенной зоны в широкозонном полупроводнике Е_g1.

9. Полезно, чтобы толщина слоя узкозонного полупроводника была достаточно малой для возникновения размерно-квантового эффекта в потенциальной яме, образованной в узкозонном полупроводнике скачками потенциалов гетерограниц 3а и 3б.

Принцип достижения преимущества предлагаемой ГЭС.

Достижение преимущества предлагаемой двойной ГЭС поясняется с помощью фиг.3-5. На чертежах не показаны слои, необходимые для формирования омических контактов полевого транзистора, поскольку эти слои не влияют на формирование потенциального рельефа гетеропереходов.

При построении зонной диаграммы (см. фиг.4) учитывалось, что величина скачков энергий дна зоны проводимости на гетерограницах Δχ₁ и Δχ₂, между широкозонным и узкозонным полупроводниками при условии локальной электронейтральности контактирующих полупроводников определяется только разностью величин электроотрицательностей контактирующих полупроводников. Формирование в широкозонных полупроводниках встроенного потенциального рельефа, путем проведения

модулированного легирования донорной и акцепторной примесью, позволяет существенно изменить величину скачка энергии дна зоны проводимости на каждой гетерогранице между широкозонным и узкозонным полупроводниками. В результате сложения встроенного потенциального рельефа, образованного зарядами основных легирующих примесей, с потенциальным рельефом зонной диаграммы локально электронейтральных широкозонных полупроводников, в них формируется такой потенциальный рельеф, который позволяет получить на гетерограницах вместо величин Δχ₁ и Δχ₂ большие (по сравнению с Δχ₁ и Δχ₂) величины скачков энергий дна зон проводимости, равные φ_b1 и φ_b2.

Заряды слоев (5), (7) и (8), (10) формируют в нелегированных слоях (6) и (9) электрические поля. Варьируя толщину нелегированных слоев (6) и (9) можно сформировать такие величины перепадов потенциала на слоях (6) и (9), которые позволяют получить достаточно высокие потенциальные барьеры φ_b1 и φ_b2, (см. фиг.4, 5) для электронов, находящихся в слое канала, который образован узкозонным полупроводником. Толщина нелегированных слоев (6) и (9) и толщина спейсеров выбираются достаточно большой для подавления эффекта туннелирования электронов из слоя узкозонного полупроводника в слои широкозонного полупроводника.

При пренебрежимо малой концентрации основных носителей заряда в слоях широкозонных полупроводников величины перепада потенциала на слоях (6) и (9) пропорциональны толщинам этих слоев. Таким образом, технологически задаваемые величины зарядов слоев (5), (7) и (8), (10) вместе с величинами толщины слоев (6) и (9) составляют набор независимых параметров, изменения которых позволяют изменять в нужную сторону высоту потенциальных барьеров φ_b1 и φ_b2.

В предлагаемом решении толщины слоев (6) и (9) вместе с величиной плотности акцепторов в δ-легированных прослойках (7) и (8) при заданных величинах плотности доноров в δ-легированных слоях (5) и (10)

подбираются так, чтобы высоты потенциальных барьеров φ_b1 и φ_b2 удовлетворяли условию [1], что позволяет обеспечить преимущество предлагаемой двойной ГЭС:

Выполнение неравенства, входящего в условие [1], необходимо для предотвращения присутствия в ГЭС недопустимо большой концентрации неосновных носителей заряда (дырок для ГЭС, в которой обеспечивается электронная проводимость слоя канала). При этом допустимо присутствие в структуре фоновой легирующей примеси либо акцепторного, либо донорного типа, величина объемной концентрации которой примерно равна 1·10¹⁴-1·10¹⁵ см^-3.

Выполнение приблизительного равенства Е_b2≅φ_b1 и φ_b2, входящего в условие [1], необходимо для сохранения локализации основных носителей заряда в слое канала структуры при условии их сильного термо-полевого разогрева. При выполнении условия [1] практически все основные носители заряда остаются локализованными в слое канала в том случае, если энергия A£, приобретаемая ими от электрического поля и в результате теплового разогрева, удовлетворяет условию [2]:

В условии [2]: k - постоянная Больцмана, Т - температура.

Задание величин δN_D5, и δN_D10, т.е. плотностей доноров в δ-легированных слоях (5) и (10), проводится исходя из величины N_e - необходимой для практического применения плотности электронов в слое канала ГЭС. Величины δN_D5, и δN_D10, определяются исходя из условия электрической нейтральности ГЭС (3) при учете неравенства [4]:

В выражениях [3] и [4] N_e - необходимая для практического применения плотность электронов в слое канала ГЭС (2), N_S - плотность заряженных поверхностных состояний структуры на поверхности (4) слоя (11).

В настоящее время технология δ-легирования позволяет получать достаточно большую, для выполнения требований практических приложений, величину максимальной плотности доноров и акцепторов в δ-легированных слоях. В частности, достижима величина максимальной плотности доноров, примерно равная 2·10¹³ см^-2, и величина максимальной плотности акцепторов, примерно равная 8·10¹² см^-2, при сохранении приемлемого совершенства кристаллической решетки, что позволяет получать необходимые достаточно большие величины N_e.

Требование выполнения неравенства [4] приводится для того, чтобы в объемнолегированном донорами слое широкозонного полупроводника не было электронейтральной области с электронной проводимостью, которая является дополнительным (паразитным) каналом.

Поскольку в предлагаемой двойной ГЭС предполагается выполнение неравенства [4], наполнение слоя канала электронами происходит в результате перехода электронов, локализованных вблизи слоев (5) и (10), в слой канала структуры, сформированный из узкозонного полупроводника.

При оптимизации толщины объемнолегированного донорами слоя широкозонного полупроводника согласно неравенству [4] применительно к полевым транзисторам с барьером Шоттки, проводится учет того, что величина плотности заряженных поверхностных состояний структуры, N_S как правило, не совпадает с величиной плотности заряженных состояний барьера Шоттки. В этом случае в неравенство [4] вместо величины N_S подставляется величина плотности заряженных состояний барьера Шоттки.

При избыточно сильном δ-легировании донорами слоев (5) и (10) может возникнуть нежелательная ситуация, когда не все электроны, локализованные вблизи слоев (5) и (10), перейдут в слой канала структуры. В

этом случае вблизи слоев (5) и (10) тоже образуются дополнительные (паразитные) каналы. Требование отсутствия дополнительных (паразитных) каналов ограничивает величины δN_D5 и δN_D10 сверху.

При формировании встроенного потенциального рельефа в структуре часть электронов из всех электронов донорной примеси переходит на энергетические уровни акцепторов прослоек (7) и (8), формируя их отрицательное зарядовое состояние. На фиг.5 показан случай, когда в слоях широкозонных полупроводников подвижных носителей заряда пренебрежимо мало, отсутствуют паразитные каналы. В этом случае обеспечивается зависимость формируемого в широкозонных слоях ГЭС потенциального рельефа, только от профиля легирования широкозонных полупроводников основными легирующими примесями донорного и акцепторного типов.

Использование в мощных полевых транзисторах такой гетероструктуры позволяет повысить их надежность и эффективность за счет увеличения подвижности основных носителей заряда в канале.

Claims (5)

1. Гетероэпитаксиальная структура для полевых транзисторов, содержащая последовательно расположенные подложку, буферный слой, первый легированный донорной или акцепторной примесью и нелегированный слои широкозонного полупроводника, нелегированный слой узкозонного полупроводника, нелегированный и второй, легированный той же примесью, что и первый, слои широкозонного полупроводника, отличающаяся тем, что с обеих сторон узкозонного полупроводника, образующего канал транзистора, в нелегированном слое выполнены третья и четвертая прослойки, легированные иным типом примеси, нежели первый и второй легированные слои.

2. Гетероэпитаксиальная структура по п.1, отличающаяся тем, что второй слой легирован однородно по объему, а остальные - модулированием.

3. Гетероэпитаксиальная структура по п.2, отличающаяся тем, что между вторым объемно-легированным и ближайшим к нему нелегированным слоями выращен модулированно-легированный слой, легированный той же примесью, что и второй.

4. Гетероэпитаксиальная структура по п.2 или 3, отличающаяся тем, что модулированное легирование выполнено в виде дельта-легирования.

5. Гетероэпитаксиальная структура по п.1, отличающаяся тем, что уровень легирования и толщины слоев подобраны так, что величина скачка энергии дна зоны проводимости на гетерогранице широкозонного полупроводника и узкозонного полупроводника равна от 0,8 до 1,2E_g, где E_g - ширина запрещенной зоны узкозонного полупроводника, но не превышает ширины запрещенной зоны широкозонного полупроводника.