полупроводниковая гетероструктура полевого транзистора

Формула изобретения

1. Полупроводниковая гетероструктура полевого транзистора, включающая монокристаллическую подложку из AlN, темплетный слой AlN, канальный слой GaN и барьерный слой Al_x Ga_1-xN, отличающаяся тем, что между темплетным и канальным слоями расположены один над другим соответственно переходный слой Al_yGa_1-y N, буферный слой Al_zGa_1-z N, значение у на границе с темплетным слоем составляет 1, а на границе с буферным слоем равно значению z буферного слоя, при этом 0,3 х 0,5, a 0,1 z 0,5.

2. Полупроводниковая гетероструктура по п.1, отличающаяся тем, что буферный слой на границе с канальным слоем легирован Si на глубину 50-150Å.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к гетероструктурам полупроводниковых приборов, главным образом полевых транзисторов.

Создание оптоэлектронных и микроэлектронных приборов на основе полупроводниковых соединений группы А³ с азотом (нитриды А³) весьма актуально ввиду значительного расширения функциональных возможностей этих приборов. В частности, возникла возможность изготовления СВЧ-полевых транзисторов, мощность которых в несколько раз больше, чем мощность таких транзисторов, выполненных на основе традиционных материалов (арсениды А ³). Одновременно транзисторы на основе нитридов обладают уникальной термической стойкостью и могут работать в непрерывном режиме при температуре 300-500°С, что было абсолютно недоступно на традиционных приборах.

Однако существенной трудностью при промышленной реализации такого технического решения является склонность нитридных транзисторов к деградации, т.е. к быстрому изменению (ухудшению) характеристик прибора со временем. Эта деградация наблюдается во время работы прибора и, более того, зафиксировано ухудшение характеристик транзисторных полупроводниковых структур в отсутствие электрического тока. Показано, что подвижность и концентрация электронов в нитридной гетероструктуре произвольно меняются со временем, причем за несколько месяцев эти изменения достигают десятков процентов (S.Elhamri et al. Study of deleterious aging effects in GaN/AlGaN heterostructures. Journal of Applied Physics, vol.93, 2, pp.1079-1082, 15 January 2003).

В условиях, соответствующих рабочим, т.е. с протеканием тока под действием приложенного напряжения, нитридные транзисторы изменяют свои характеристики за несколько часов, что недопустимо для реального применения.

Известны полупроводниковые гетероструктуры на подложке из сапфира, в частности, см. J.P.Ibbetson. "Polarization effects, surface states and the source of electrous in AlGaN/GaN heterostructure filed-effekt transistors" Applied Physics Letters, vol.77, No.2, p.250, 2000, USA.

На сапфировой подложке размещен нуклеационный слой A1N, затем буферный слой GaN и барьерный слой AlGaN.

Эта гетероструктура требует осуществления компенсационного легирования магнием (или углеродом, железом и т.д.) буферного слоя для уменьшения утечек тока. Кроме того, в указанной гетероструктуре происходит растрескивание барьерного слоя даже при сравнительно небольших растягивающих напряжениях, поскольку константа кристаллической решетки сапфира значительно (на 17%) отличается от константы кристаллической решетки GaN. Наличие между подложкой и слоем GaN весьма тонкого нуклеационного слоя AlN практически не влияет на указанное выше рассогласование.

Кроме того, всем гетероструктурам на подложке из сапфира присущ плохой теплоотвод, что ограничивает возможности реализации высоких мощностных режимов работы приборов вследствие значительной тепловой деградации гетероструктуры.

Известны и другие гетероструктуры на подложке из сапфира, в частности гетероструктура полевого транзистора, RU 2222845 С1; гетероструктура последовательно включает подложку, изолирующий слой, выполненный из Al _yGa_1-yN, канальный слой и барьерный слой, выполненный из Al_zGa _1-zN, канальный слой выполнен из Al_x Ga_1-xN, где 0,12>х>0,03, при этом на границе канального и изолирующего слоев 1 y х+0,1, на границе канального и барьерного слоев 1 z x+0,1, a толщина канального слоя находится в пределах от 3 до 20 нм, причем х, у, z - молярные доли Al в составе соединения AlGaN.

Этой гетероструктуре свойственны недостатки полупроводниковых гетероструктур, связанные с подложкой из сапфира, хотя она обеспечивает лучшее электронное ограничение в сравнении с описанным выше аналогом.

В последнее время появился новый класс полупроводниковых гетероструктур, включающих монокристаллическую подложку из AlN. Рассогласование констант кристаллических решеток AlN и GaN составляет около 3%, что позволяет устранить ряд недостатков описанных выше аналогов, уменьшить плотность собственных дефектов, практически устранить растрескивание барьерного слоя.

В частности, известна полупроводниковая гетероструктура полевого транзистора, включающая монокристаллическую подложку из AlN, эпитаксиальный темплетный слой AlN, канальный слой GaN и барьерный слой Al_xGa _1-xN, см. X.Hu atal, transistors Applied Physics Letters, "AlGaN/GaN heterostructure filed-effekt on single-crystal bulk AlN" vol.82, N8, 2003, P.P.1299-1301, American Insitute of Physics, USA. Данное техническое решение принято в качестве прототипа настоящего изобретения.

Недостатком прототипа является следующее обстоятельство. При выращивании канального слоя GaN непосредственно на темплетном слое AlN на первой стадии этого процесса при малой толщине канального слоя возникают значительные сжимающие напряжения канального слоя. При продолжении наращивания канального слоя при определенной критической его толщине происходит релаксация канального слоя с образованием большого количества дефектов, что недопустимо. Ограничение толщины слоя GaN существенно ограничивает проводимость канального слоя и, соответственно, ограничивает рабочие токи и мощность прибора.

Задачей настоящего изобретения является увеличение проводимости канального слоя полупроводниковой гетероструктуры и, следовательно, увеличение рабочих токов и мощности полевых транзисторов.

Согласно изобретению эта задача решается за счет того, что в полупроводниковой гетероструктуре полевого транзистора, включающей монокристаллическую подложку из AlN, темплетный слой AlN, канальный слой GaN и барьерный слой Al_xGa_1-xN, между темплетным и канальным слоями расположены один над другим, соответственно, переходный слой Al_yGa_1-y N, буферный слой Al_zCa_1-z N, значение у на границе с темплетным слоем составляет 1, а на границе с буферным слоем равно значению z буферного слоя, при этом 0,3 х 0,5, а 0,1 z 0,5; в полупроводниковой гетероструктуре буферный слой на границе с канальным слоем может быть легирован Si на глубину 50-150 Å.

Заявителем не выявлены какие-либо технические решения, идентичные заявленному, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию "новизна".

Благодаря реализации отличительных признаков изобретения обеспечивается возможность выращивания канального слоя заданной толщины в соответствии с требуемыми рабочими токами и установленной мощностью прибора; это обусловлено тем, что обеспечивается высокая проводимость канального слоя GaN вследствие предотвращения образования снижающих подвижность электронов дефектов при увеличении его толщины выше критического значения. Кроме того, наличие легированного Si верхнего подслоя буферного слоя обеспечивает дополнительное увеличение проводимости канального слоя за счет увеличения концентрации в нем электронов. Указанные обстоятельства позволяют, по мнению заявителя, сделать вывод о соответствии заявленного технического решения критерию "изобретательский уровень".

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображена схема полупроводниковой гетероструктуры полевого транзистора.

Монокристаллическая подложка 1 выполнена из нитрида алюминия и имеет толщину 500 мкм, кристаллографическая ориентация (0001). На подложке 1 находится темплетный слой 2 AlN толщиной, в конкретном примере, 2100 Å. Выше расположен переходный слой 3 Al _yGa_1-yN толщиной 1400 Å. Значение у изменяется по толщине переходного слоя от 1 на границе с темплетным слоем до значения z буферного слоя 4. Значение z постоянно по всему буферному слою и составляет 0,1 z 0,5. Толщина буферного слоя 4 в данном примере составляет 4200 Å, значение z равно 0,3. Канальный слой GaN имеет толщину 1400 Å. Буферный слой 4 на границе с канальным слоем легирован Si на глубину 100 Å с концентрацией 1×10 ¹⁹ см^-3. Барьерный слой 6 имеет толщину 250 Å, значение х постоянно по всему барьерному слою и составляет 0,3 х 0,5. В конкретном примере х=0,4. Все полупроводниковые слои выращены методом молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ).

Изготовлены и испытаны два варианта гетероструктуры. Первый вариант соответствует п.1 формулы изобретения, во втором варианте буферный слой на границе с канальным слоем легирован Si. Характеристики обоих вариантов гетероструктур приведены в таблице.

Испытания показали значительное улучшение параметров гетероструктур в сравнении с прототипом. Полученные гетероструктуры являются основой полевых транзисторов высокой мощности.

Изобретение может быть реализовано как в заводских, так и в лабораторных условиях с использованием установок МПЭ. Это подтверждает его соответствие критерию "промышленная применимость".

Хар-ка гетерос-ры	Концентрация электронов ДЭГ, см-2	Подвижность электронов ДЭГ, см2/В·с	Проводимость канала, Ом-1	Плотность тока насыщения транзистора, А/мм
Вариант гетерос-ры
1. Гетероструктура по п.1 ф-лы изобретения	1,6·10 13	1200	0,003072	0,8÷1,0
2. Гетероструктура по п.2 ф-лы изобретения	2,5·1013	850	0,0034	0,9÷1,2
3. Прототип	1,0·10 13	1100	0,00176	0,4