Preview

Российские нанотехнологии

Расширенный поиск

Гетероструктуры на основе нитрида галлия на подложках кремния для мощных СВЧ-транзисторов

https://doi.org/10.21517/1992-7223-2019-7-8-77-80

Полный текст:

Аннотация

Предложен и реализован уникальный метод формирования гетероструктур на основе нитрида галлия на подложках кремния при пониженных температурах роста (менее 950°С). Сформированная гетероструктура обладает атомарно-гладкой поверхностью со средней квадратичной шероховатостью 0.45 нм и высоким кристаллическим качеством. Среднее слоевое сопротивление канала двумерного электронного газа составило 415 Ом/квадрат при концентрации электронов 1.65 · 1013 см–2 и подвижности 920 см2 /В · с. Максимальная величина тока насыщения стока для транзисторов с шириной затвора 1.2 мм составила 930 мА/мм, что соответствует лучшим мировым результатам для нитрид-галлиевых транзисторов на подложках кремния.

ВВЕДЕНИЕ

Разработка технологии создания транзисторов с высокой подвижностью электронов на основе нитрида галлия открывает большие возможно­сти для развития современной микроэлектрони­ки. Устройства, созданные на основе нитридных гетероструктур, обеспечивают высокие значения как выходной мощности, так и рабочих частот [1, 2]. Использование кремния в качестве материала подложки является наиболее перспективным вви­ду коммерческой доступности подложек большо­го диаметра, возможности интеграции устройств на основе нитрида галлия с кремниевыми и пере­вода современных кремниевых фабрик на техно­логию “GaN на Si” [3, 4]. Однако из-за большо­го рассогласования постоянных решеток (17%) и коэффициентов термического расширения (56%) кремния и нитрида галлия синтез ненапряженных высококачественных слоев GaN представляет со­бой сложную задачу. Активная реакция между Ga и Si делает невозможным проведение роста нитри­да галлия непосредственно на подложке из-за об­разования капель расплава на поверхности и про­водящего канала в кремнии [5, 6].

Наиболее развитым подходом для подавления реакции между Ga и Si является использование нитрида алюминия в качестве зародышевого слоя перед ростом слоев, содержащих галлий [7, 8]. Од­нако полярные свойства нитрида алюминия могут приводить к формированию инверсного канала в кремнии, концентрация носителей в котором за­висит от толщины формируемого слоя [9]. В то же время уменьшение толщины зародышевого слоя приводит к усилению взаимной диффузии атомов кремния и галлия между подложкой и структурой при последующем росте буферных слоев, что в ко­нечном итоге ухудшает частотные характеристики транзисторов [10]. Особенно сильно этот эффект проявляется при росте на высоких температурах. Для снижения перечисленных эффектов предло­жен уникальный подход к формированию гетеро­структур при пониженных температурах роста (ме­нее 950°С).

В данной работе представлены последние до­стижения НИЦ “Курчатовский институт” в об­ласти синтеза гетероструктур на основе нитрида галлия на подложках кремния с использованием предложенного подхода и создания транзисторов с высокой подвижностью электронов на их основе.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Гетероструктура на основе нитрида галлия вы­ращена методом газофазной эпитаксии из метал- лорганических соединений на установке AIXTRON 2600 G3 с планетарным реактором. Была исполь­зована подложка монокристаллического кремния Si(111) диаметром 2 дюйма и толщиной 500 мкм для обеспечения меньшей кривизны структуры после остывания. В качестве прекурсоров ис­пользованы триметилалюминий (TMAl) и триме- тилгаллий (TMGa) с чистотой 99.999+%. В каче­стве источника азота использован аммиак (NH3) с чистотой 99.9999%. Перед ростом подложка от­жигалась в атмосфере водорода в течение 1 мин при температуре 950°С. Рост начинался с предва­рительной подачи TMAl [11]. Буферный слой AlN формировался в две стадии и состоял из низко­температурного (30 нм, 795°С, 5 кПа) и высоко­температурного (20 нм, 925°С, 5 кПа) слоев. Затем были выращены три слоя AlGaN с толщинами 270, 350 и 350 нм и процентным содержанием Al 80, 50 и 30% соответственно (925°С, 5 кПа). Каналь­ный слой GaN (1.35 мкм, 930°С, 10 кПа) формиро­вали с включением низкотемпературной вставки AlN (10 нм, 800°С) для накопления дополнитель­ных сжимающих напряжений [12]. Барьерный слой AlN был выращен толщиной 4.5 нм. In-situ- контроль температуры подложки и толщин слоев проводили при помощи системы Laytec Epi TT на длине волны λ = 880 нм.

Характеристики сформированных пленок ис­следовали методом рентгеноструктурного анали­за (РСА) на установке SmartLab (Rigaku). Контроль морфологии осуществляли методом атомно-сило­вой микроскопии (АСМ) с использованием ми­кроскопа Ntegra Prima (NT-MDT).

Электрофизические характеристики двумерно­го электронного газа исследовали методом длинной линии на зондовой станции Cascade PM5 (Cascade Microtech) с помощью двухканального источника- измерителя 2636B (Keithley) и методом Ван-дер- Пау на установке Hall system 9700A (Lake Shore Cryotronics).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Выбор архитектуры буферных слоев является одним из ключевых моментов формирования ни­тридных гетероструктур на подложках кремния из-за сильного рассогласования коэффициентов термического расширения и параметров решетки пленки и подложки. Буферные слои должны обе­спечить не только эффективное накопление сжи­мающих напряжений в процессе роста пленки, но и формирование слоев высокого кристалличе­ского качества, что осложняется при предлагаемом росте на пониженных температурах низкой под­вижностью адатомов на поверхности.

Экспериментально подобранная архитектура слоев приведена на рис. 1. Ее использование по­зволило получить гетероструктуру высокого ка­чества без трещин в пленке с рабочей площадью, составляющей 90% от общей площади пластины. Кривизна структуры после остывания составила 46 км-1, что позволяет провести последующий технологический процесс создания транзисто­ров. Полные ширины кривых качания на полувысоте для отражений (0002) и (10 12) пленки GaN составили 0.215° и 0.46° соответственно. Рассчитанные значения с использованием дан­ных РСА [13] плотности винтовых и краевых дислокаций составили 1.2 · 109 и 1.48 · 1010 см-2 со­ответственно.

 

Рис. 1. Архитектура сформированной гетерострук­туры.

 

Морфология поверхности сформированной ге­тероструктуры представлена на рис. 2. Как видно из АСМ-изображения, структура обладает атомар­но-гладкой поверхностью с характерным ступен­чатым рельефом. Среднеквадратичная шерохова­тость поверхности для скана 1 х 1 мкм составила 0.45 нм. Отметим, что дислокации расположены на границе ступенек.

 

Рис. 2. АСМ-изображение поверхности гетеро­структуры.

 

Слоевое сопротивление гетероструктуры, из­меренное методом длинной линии, составило 400 Ом/квадрат для края пластины и 425 Ом/квадрат для центра. Измерения методом Ван-дер-Пау дали среднее значение слоевого сопротивления 415 Ом/квадрат, что совпадает с измерениями для метода длинной линии. Отметим, что изме­рения проводили для гетероструктуры с пассива­цией SiNx толщиной 3 нм, введенной для защиты тонкого барьерного слоя от прямого взаимодей­ствия с воздухом. При этом концентрация элек­тронов в двумерном электронном газе составила 1.65 · 1013 см-2 при подвижности 920 см2/В · с. 

Таким образом, несмотря на рост при пони­женных температурах, сформированная гетеро­структура обладает гладким рельефом и доста­точно высоким кристаллическим качеством для структуры, выращенной на кремнии, что обе­спечивает получение двумерного газа с низким слоевым сопротивлением на уровне мировых зна­чений [14-16].

На гетероструктурах были сформированы те­стовые транзисторы с длиной и шириной затво­ра 0.25 мкм и 1.2 мм соответственно. Омические контакты к двумерному электронному газу фор­мировали путем доращивания сильнолегирован­ного кремнием GaN (на уровне 1019—1020 см-3) в вытравленных окнах методом молекулярно-лу­чевой эпитаксии. Вольт-амперная характеристика транзистора приведена на рис. 3. Максимальная величина тока насыщения стока при нулевом на­пряжении на затворе составила 930 мА/мм. Сни­жение тока стока по мере увеличения напряжения сток-исток обусловлено наличием электронных ловушек на поверхности гетероструктуры, что из­вестно как эффект коллапса тока [17].

 

Рис. 3. Вольт-амперная характеристика транзистора с шириной затвора 1.2 мм. Шаг по напряжению за­твора — 2 В.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Предложен уникальный метод формирования гетероструктур на основе нитрида галлия на под­ложках кремния при пониженных температурах ро­ста (менее 950°С). Сформированная гетероструктура обладает атомарно-гладкой поверхностью со сред­ней квадратичной шероховатостью 0.45 нм и высо­ким кристаллическим качеством. Среднее слоевое сопротивление канала двумерного электронного газа составило 415 Ом/квадрат при концентрации электронов 1.65 · 1013 см-2 и подвижности 920 см2/В · с. На гетероструктуре были сформированы тесто­вые транзисторы с длиной затвора 0.25 мкм и ши­риной 1.2 мм. Максимальная величина тока насы­щения стока составила 930 мА/мм. Таким образом, успешная реализация подхода к формированию гетероструктур при пониженных температурах ро­ста позволила создать гетероструктуры приборного качества. Статические характеристики созданных транзисторов соответствуют мировым результатам для гетероструктур на подложках кремния. Изуче­ние влияния применения нового подхода на частот­ные характеристики транзисторов является предме­том дальнейших исследований.

Об авторах

И. С. Езубченко
Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”, Москва
Россия

123182, Москва, пл. Академика Курчатова, д. 1



М. Я. Черных
Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”
Россия
123182, Москва, пл. Академика Курчатова, д. 1


А. А. Андреев
Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”
Россия
123182, Москва, пл. Академика Курчатова, д. 1


Ю. В. Грищенко
Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”
Россия
123182, Москва, пл. Академика Курчатова, д. 1


И. А. Черных
Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”
Россия
123182, Москва, пл. Академика Курчатова, д. 1


М. Л. Занавескин
Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”
Россия
123182, Москва, пл. Академика Курчатова, д. 1


Список литературы

1. Ueda T. // Japanese Journal of Applied Physics. 2019. V. 58. P. SC0804.

2. Selvaraj S.L., Suzue T., Egawa T. // IEEE Electron Device Lett. 2009. V. 30. № 6. P. 587.

3. Zhu D., Wallis D.J., Humphreys C.J. // Rep. Prog. Phys. 2013. V. 76. P. 106501.

4. Baliga B.J. // Semicond. Sci. Technol. 2013. V. 28. № 7. P. 074011.

5. Wang K., Xing Y., Han J. et al. // Journal of Alloys and Compounds. 2016. V. 671. P. 435.

6. Kukushkin S.A., Mizerov A.M., Osipov A.V. et al. // Thin Solid Films. 2018. V. 646. P. 158.

7. Semond F., Cordier Y., Grandjean N. et al. // Phys. Status Solidi. A. 2001. V. 188. № 2. P. 501.

8. Feng Y., Wei H., Yang S. et al. // Sci. Rep. 2014. V. 4. P. 6416.

9. Chandrasekar H., Bhat K.N., Rangarajan M. et al. // Sci. Rep. 2017. V. 7. P. 15749.

10. Li M., Wang Y., Wong K.M., Lau K.M. // Chin. Phys. B. 2014. V. 23. № 3. P. 038403.

11. Chernykh M.Y., Ezubchenko I.S., Mayboroda I.O., Zanaveskin M.L. // Journal of Crystal Growth. 2019. V. 507. P. 200.

12. Lin P., Tien C., Wang T. et al. // Crystal. 2017. V. 7. P. 134.

13. Corekci S., Ozturk M.K., Yu H. et al. // Физика и техника полупроводников. 2013. Т. 47. Вып. 6. С. 810.

14. Borga M., Meneghini M., Stoff els S. et al. // Microelectronics Reliability. 2018. V. 88–90. P. 584.

15. Quay R., Schwantuschke D., Ture E. et al. // Phys. Status Solidi. A. 2018. V. 215. P. 1700655.

16. Wośko M., Szymański T., Paszkiewicz B. et al. // Journal of Materials Science: Materials in Electronics. 2019. V. 30. P. 4111.

17. Rawal D., Sharma S., Kapoor S. et al. // Solid State Electronics Letters. 2019. V. 1. P. 30.


Просмотров: 34


ISSN 1992-7223 (Print)