ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРИБОР С БАРЬЕРОМ ШОТТКИ Российский патент 1998 года по МПК H01L29/872 

Изобретение относится к полупроводниковой электронике, в частности к приборам с барьером Шоттки (БШ) на фосфиде индия (InP).

Контакты металл-полупроводник (М-П) с БШ используются в детекторах и смесителях миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн и в качестве затворов в полевых транзисторах.

Основным достоинством диодов с БШ на InP является низкая высота барьера, что позволяет использовать эти диоды в смесителях с повышенной мощностью гетеродина и в качестве детекторов без постоянного смещения [1 - 3]. Однако производство таких приборов во многом ограничивается сложностью изготовления качественного контакта металл-фосфид индия с БШ.

В процессе формирования контакта М-П на InP поверхность рабочего слоя фосфида индия традиционно подвергается химической и температурной обработке. Характеристики же фосфидиндиевых контактов М-П критичны именно к обработке поверхности InP. Так, термическая обработка поверхности InP уже при сравнительно невысокой температуре (300^oC) приводит к изменению состояния поверхности, ее обеднению фосфором. Поэтому при изготовлении приборов на InP традиционно применяются только низкотемпературные процессы. В частности, при изготовлении фосфидиндиевых диодов нанесение на рабочий слой InP диэлектрических слоев SiO₂ осуществляется при температуре 250^oC, хотя высокотемпературный процесс пиролитического нанесения SiO₂, используемый в производстве арсенидогаллиевых приборов, отличается более высоким качеством и воспроизводимостью.

Возникает проблема, как избежать изменений свойств поверхности рабочего слоя InP, связанных с ее химической и термической обработкой в процессе изготовления приборов.

Как кажется авторам, наиболее удачным решением этой проблемы было бы выращивание на рабочем слое InP тонкого защитного эпитаксиального слоя полупроводника, более устойчивого к внешним воздействиям.

Подобное решение (использование тонкого подслоя полупроводника на рабочем слое), но для других целей (получение плоского дна вскрытого окна), известно для арсенидогаллиевых приборов с БШ [4] (прототип). Предложено использовать структуру со слоем Ga_1-xAl_xAs, выращенным на рабочем слое GaAs. В этом случае диэлектрическая пленка наносится на слой Ga_1-xAl_xAs. Контактное окно при этом вскрывается в диэлектрической пленке и слое Ga_1-xAl_xAs.

Можно предположить, что использование слоя Ga_1-xAl_xAs, нанесенного на поверхность рабочего слоя фосфида индия при создании InP приборов, также возможно (но уже в качестве защитного слоя), однако необходимо иметь в виду сложности разработки процесса эпитаксиального наращивания слоя Ga_1-xAl_xAs на поверхности фосфидиндиевых структур, а также то, что при создании гетероэпитаксиальной структуры InP - Ga_1-xAl_xAs механические напряжения в рабочем слое могут достигать значительных величин, что неизбежно скажется на качестве и надежности приборов.

Настоящим изобретением предлагается использовать для создания приборов с фосфидиндиевыми контактами с БШ конструкцию прибора, которая включает контакт металл-фосфид индия, сформированный в окне диэлектрика и защитного эпитаксиального слоя твердого раствора In_xGa_1-xAs (0≤x≤0,53).

В качестве подложки, на которой выращивается рабочий слой InP, может быть использован InP, GaAs или другой полупроводник. При использовании такой эпитаксиальной гетероструктуры в процессе обработки поверхности (в частности, перед нанесением диэлектрической пленки) рабочий слой InP непосредственно не подвергается химическому воздействию, что исключает возможность ухудшения поверхности InP. Кроме этого, появляется возможность нанесения диэлектрической пленки на поверхность гетероструктуры высокотемпературным пиролитическим способом, поскольку защитный слой твердого раствора не позволяет улетучиваться фосфору и, таким образом, препятствует термическому разложению поверхностного слоя InP. Окно для создания контакта металл - InP в этом случае вскрывается в слое диэлектрика и защитном слое твердого раствора In_xGa_1-xAs. Для того, чтобы исключить возможную утечку через контакт берьерообразующего металла с твердым раствором In_xGa_1-xAs, концентрация носителей заряда в In_xGa_1-xAs должна быть ниже, чем в рабочем слое InP.

Выбор твердого раствора In_xGa_1-xAs в качестве защитного слоя обусловлен следующим. Постоянная решетки In_xGa_1-xAs, близка к постоянной решетки InP, а при x = 0,53 практически совпадает с ней. Поэтому слой In_xGa_1-xAs с x = 0,53, выращенный на гомоэпитаксиальных структурах фосфида индия (рабочий слой InP выращен на подложке InP), не приводит к появлению механических напряжений в рабочем слое InP. При использовании гетероэпитаксиальных структур фосфида индия (рабочий слой InP выращен на подложке другого полупроводника, например GaAs, который в настоящее время используется для создания гетероэпитаксиальных структур фосфида индия достаточно успешно), отличающихся повышенным уровнем механических напряжений в рабочем слое InP (из-за разности решеток InP и подложки) слой In_xGa_1-xAs с x близким к нулю создает механические напряжения в рабочем слое InP, по знаку противоположные уже существующим механическим напряжениям, в результате чего суммарная величина механических напряжений в слое InP снижается.

Кроме того, при 0≤x≤0,05 ширина запрещенной зоны в твердом растворе In_xGa_1-xAs и высота БШ на этом материале больше, чем ширина запрещенной зоны в фосфиде индия и высота БШ на InP. Это обеспечивает защиту контакта М-П с защитным слоем In_xGa_1-xAs от преждевременного электрического пробоя по периферии контакта (эффект "охранного кольца").

Невыпрямляющий (омический) контакт может быть сформирован на подложке (например, при изготовлении корпусных приборов) или на защитном слое твердого раствора In_xG_1-xAs (при изготовлении бескорпусных диодов с балочными выводами).

Ниже суть изобретения поясняется примером его осуществления со ссылками на прилагаемый чертеж, на котором показана структура диода с БШ на InP, предлагаемой конструкции.

На рабочем слое InP с n = 8•10¹⁶ см^-3 гетероэпитаксиальной структуры (1) фосфида индия, изготовленной на арсенидогаллиевой подложке n⁺-типа с n⁺ = 2•10¹⁸ см^-3, выращен эпитаксиальный слой (2) In_xGa_1-xAs n-типа толщиной 0,15 мкм с x = 0,16 и n = 4•10¹⁶ см^-3. Пиролитическим способом при температуре 360^oC на поверхность In_xGa_1-xAs нанесен слой диэлектрика SiO₂ (3). В пленке SiO₂ и слое In_xGa_1-xAs плазмохимическим и химическим жидкостным травлением, соответственно, вытравлено окно к рабочему слою InP и сформирован контакт металл-фосфид индия (4) с помощью электрохимического осаждения родия (Rh). Сформированы расширительный контакт (5), состоящий из напыленных слоев титана и золота, невыпрямляющий (омический) переход (6). Кристаллы напаивались в металлокерамический корпус, к расширенному контакту приваривались выводы из золотой проволоки.

Для сравнения были изготовлены диоды, гетероэпитаксиальные структуры фосфида индия (рабочий слой InP также выращен на подложке GaAs), которые не имели защитного слоя In_xGa_1-xAs. Слой SiO₂ при этом наносился пиролитическим способом при температуре 250^oC. При использовании же двуокиси кремния, нанесенной пиролитическим способом при температуре 360^oC, годных приборов получать не удавалось.

Диоды с защитным покрытием In_xGa_1-xAs выдерживали обратный ток до 1000 мкА. Диоды без защитного слоя In_xGa_1-xAs выдерживали обратный ток не более 300 мкА.

Использование: полупроводниковая электроника. Сущность изобретения: полупроводниковый прибор с барьером Шоттки на фосфиде индия, содержит контакт металл-фосфид индия, сформированный в окне диэлектрика и защитного эпитаксиального слоя твердого раствора In_xGa_1-x As (0≤x≤0,53), нанесенного в процессе эпитаксиального роста на рабочий слой InP. 1 ил.

Полупроводниковый прибор с барьером Шоттки, содержащий гетероэпитаксиальную структуру, состоящую из полупроводниковой подложки, рабочего и защитного эпитаксиальных слоев, омический контакт и контакт с барьером Шоттки к рабочему эпитаксиальному слою, сформированный в окне диэлектрика и защитного эпитаксиального слоя, отличающийся тем, что рабочий эпитаксиальный слой выполнен из фосфида индия, а защитный эпитаксиальный слой из твердого раствора In_xGa_1 - xAs, где x 0 - 0,53.