ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР Российский патент 2004 года по МПК H01L29/772 

Изобретение относится к полупроводниковым приборам и может быть использовано в радиотехнических, СВЧ-устройствах и т.д.

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 А³). Одновременно транзисторы на основе нитридов обладают уникальной термической стойкостью и могут работать в непрерывном режиме при температуре 300-500^oС, 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.

Известен полевой транзистор на основе нитридов галлия и алюминия, структура которого последовательно включает: подложку, слой GaN, барьерный слой, выполненный из двух подслоев: Al_0,2Ga_0,8N, на нем GaN; второй вариант барьерного слоя - А1_0,3Gа_0,7N, легированный Si, на нем нелегированный А1_0,3Gа_0,7N. На структуре выполнены контакты: сток, исток и затвор с соответствующими промежутками между ними; далее было выполнено диэлектрическое покрытие MgO, Sc₂O₃ или SiN_x. Между контактами диэлектрическое покрытие находится на барьерном слое и служит для защиты открытых поверхностей барьерного слоя от внешних воздействий, см. B. Luo et al. The role of cleaning conditions and epitaxial layer structure on reliability of Sc₂O₃ and MgO passivation on AlGaN/GaN HEMTS, Solid-State Electronics, 46, pp.2185-2190, 2002.

Транзисторы, содержащие слои MgO и Sc₂O₃, проявляют значительно меньшую деградацию, чем аналогичные приборы без защитных слоев.

Недостатком такого технического решения является то, что полученный благодаря защитным слоям уровень деградации остается достаточно высоким. Под нагрузкой (напряжение исток - сток 8 В, напряжение на затворе 1 В) через 13 часов ток сток - исток составил 90% от первоначального при защите структуры слоем MgO и 80% от первоначального при защите Sс₂O₃.

Для реальных применений характеристики транзистора должны меняться не более чем на 10% за тысячи часов работы или, для некоторых применений, за сотни часов, поэтому изменение тока сток - исток на 10% за 13 часов не обеспечивает возможности практического использования транзистора.

Известен также полевой транзистор на основе нитридов галлия и алюминия, структура которого последовательно включает: подложку, выполненную из SiC, изолирующий слой переменного состава толщиной 1 мкм, легирующий слой Al_0,09Ga_0,91N толщиной , легированный Si, канальный слой GaN толщиной , барьерный слой из трех подслоев: нелегированного Al_0,3Ga_0,7N толщиной , легированного Si Al_0,3Ga_0,7N толщиной , нелегированного Al_0,3Ga_0,7N толщиной , см. Narihiko Maeda et al. AlGaN/GaN Heterostructure Field - Effect Tronsistors with Back - Doping Design for High-Power Applicatios: High Current Density with High Transconductance Characteristics, Mat. Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 743, 1931-1936, 2003.

В отличие от технического решения, описанного в статье B. Luo, данная конструкция транзистора сложнее (содержит большее число слоев) и имеет лучшие характеристики. В частности, транзистор имеет весьма высокие значения усиления и плотности электрического тока. Указанное устройство принято за прототип настоящего изобретения. Однако ему свойственны серьезные недостатки, которые обусловлены следующими обстоятельствами. Проводящий слой двумерного электронного газа образован в данной конструкции за счет эффекта, связанного с существованием поляризационных зарядов на границе AlGaN/GaN. Данный эффект наблюдается в нитридах А³ и не характерен для полупроводников А³В⁵. Поскольку поляризационные заряды не устойчивы во времени, особенно в рабочем режиме прибора, характеристики двумерного электронного газа меняются со временем вместе с перезарядкой встроенных заряженных поверхностей. Это приводит к быстрой деградации полевого транзистора.

В основу настоящего изобретения положено решение задачи увеличения деградационной стойкости прибора.

Согласно изобретению эта задача решается за счет того, что в полевом транзисторе на основе нитридов Ga и Аl, структура которого 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_xGa_1-xN, где 0,12>х>0,03, при этом на границе канального и изолирующего слоев 1≥y≥x+0,1, на границе канального и барьерного слоев 1≥z≥x+0,1, а толщина канального слоя находится в пределах от 3 до 20 нм, причем х, у, z - молярные доли Аl в составе соединения AlGaN; изолирующий слой может быть выполнен из двух подслоев, при этом нижний, смежный с подложкой подслой имеет на границе с ней значение у в пределах от 0,5 до 0,7, на границе с верхним подслоем имеет значение y от 0,7 до 1, верхний подслой имеет на границе с нижним значение y от 0,7 до 1, которое монотонно уменьшается к границе с канальным слоем до значения у≤0,4; в барьерном и/или изолирующем слоях выполнен легирующий δ-слой кремния или кислорода; структура полевого транзистора дополнительно содержит защитный слой, расположенный поверх барьерного слоя, выполненный из AlGaON.

Заявителем не выявлены источники, содержащие информацию о технических решениях, идентичных настоящему изобретению, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "новизна".

В отличие от известной конструкции, где двумерный электронный газ образуется за счет встроенных поверхностных зарядов, заявленное техническое решение обеспечивает устойчивость проводящего двумерного канала к возникающим по мере работы прибора изменениям встроенных зарядов. Данные изменения могут возникать как за счет внешних химических воздействий окружающей атмосферы, так и за счет флуктуационного дефектообразования со временем, причем оба эти процесса существенно активируются в режиме работы прибора; проводящий слой двумерного электронного газа образуется за счет примененного в конструкции слоя Al_xGa_1-xN, причем величина запрещенной зоны в прилегающих с двух сторон слоях превышает ширину зоны в данном слое; толщина этого слоя обеспечивает размерное квантование электронных состояний. Существенно, что материал этого слоя должен содержать не менее 0,03 молярной доли Аl, что обеспечивает особо высокую деградационную стойкость прибора.

Следует также отметить, что реализация дополнительных признаков (п.п.2-4 формулы изобретения) обеспечивает большее увеличение деградационной стойкости прибора в режиме непрерывного действия; ввиду увеличения электрического сопротивления нижней части гетероструктуры между подложкой и канальным слоем существует возможность использования не только изолирующих, но и проводящих подложек из карбида кремния, стоимость которых в несколько раз ниже, чем изолирующих, что может заметно понизить стоимость приборов.

Заявителем не выявлены какие-либо источники информации о влиянии указанных выше отличительных признаков изобретения на достигаемый технический результат. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявленного технического решения критерию "изобретательский уровень".

Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображены:
на фиг. 1 - схема эпитаксиальной полупроводниковой структуры полевого транзистора по п.1 формулы изобретения;
на фиг.2 - то же, по п.2 формулы изобретения;
на фиг.3 - то же, по п.3 формулы изобретения;
на фиг.4 - то же, по п.4 формулы изобретения.

Полевой транзистор на основе Ga и А1 в конкретном исполнении, соответствующем п.1 формулы изобретения, имеет структуру, которая включает последовательно: подложку 1, выполненную в конкретном примере из сапфира; изолирующий слой 2 из Al_yGa_1-yN, в конкретном примере y=0,5, толщина слоя 1 мкм; канальный слой 3, выполненный из Al_xGa_1-xN, где 0,12>х>0,03, толщина канального слоя от 3 до 20 нм, в конкретном примере х=0,04, толщина слоя 14 нм; барьерный слой 4 из Al_zGa_1-zN, в конкретном примере z=0,3, толщина слоя 20 нм; х, y, z - молярные доли Аl в составе соединения AlGaN; на границе канального и изолирующего слоев 1≥y≥х+0,1; на границе канального и барьерного слоев 1≥z≥x+0,1.

Согласно варианту по п.2 формулы изобретения изолирующий слой выполнен из двух подслоев: нижний, смежный с подложкой подслой 5 может иметь на границе с ней значение y в пределах от 0,5 до 0,7, а на границе с верхним подслоем 6 имеет значение y от 0,7 до 1; верхний подслой имеет на границе с нижним подслоем значение y от 0,7 до 1, которое монотонно уменьшается к границе с канальным слоем до значения y≤0,4.

Согласно варианту по п.3 формулы изобретения в барьерном и/или изолирующем слоях может быть выполнен легирующий δ-слой кремния или кислорода. В конкретном примере один легирующий δ-слой 7 выполнен в верхнем изолирующем подслое изолирующего слоя, а другой легирующий δ-слой 8 выполнен в барьерном слое.

Согласно варианту по п.4 формулы изобретения структура полевого транзистора дополнительно содержит защитный слой, расположенный поверх барьерного слоя, выполненный из AlGaON.

При выполнении полевого транзистора с использованием всех признаков, приведенных во всех пунктах формулы изобретения, он имеет в конкретном примере структуру, включающую подложку 1, выполненную из сапфира; нижний подслой 5 изолирующего слоя на границе с подложкой имеет значение y=0,5, на границе с верхним подслоем 6 имеет значение y=0,7; толщина нижнего подслоя составляет 0,7 мкм; верхний подслой на границе с нижним подслоем имеет значение y= 0,7, а на границе с канальным слоем значение y=0,3; толщина верхнего подслоя равна 0,4 мкм; в верхнем подслое выполнен легирующий δ-слой 7 кремния со слоевой концентрацией 1•10¹³ см^-2; δ-слой 7 расположен на глубине 5 нм под границей изолирующего слоя с канальным; канальный слой 3 выполнен с х=0,04, толщина слоя составляет 14 нм; в барьерном слое 4 z=0,3, толщина слоя составляет 20 нм; в барьерном слое выполнен легирующий δ-слой 8 кремния со слоевой концентрацией 1•10¹³ см^-2; δ-слой 8 расположен на глубине 10 нм под верхней границей барьерного слоя; защитный слой 9 AlGaON имеет толщину 8 нм, в этом слое отношение мольных концентраций Аl и Ga составляет 1:1, а отношение мольных долей кислорода и азота составляет 1:4.

Реализация признаков зависимых пунктов (2, 3, 4) обеспечивает дополнительное повышение деградационной стойкости транзистора.

Были изготовлены и испытаны два варианта полевого транзистора. В первом варианте были изготовлены 4 транзистора в соответствии с п.1 формулы изобретения, которые прошли деградационный тест в режиме постоянного электрического тока сток - исток при напряжениях исток - сток 7 В, смещение затвора 0,5 В, в течение 48 часов. Все транзисторы продемонстрировали уменьшение тока менее чем на 10%. Во втором варианте были изготовлены 14 транзисторов в соответствии со всеми пунктами формулы изобретения, транзисторы были подвергнуты деградационному тесту в режиме постоянного электрического тока, при этом напряжение исток - сток 9 В, смещение на затворе 1 В, в течение 240 часов. 8 транзисторов продемонстрировали изменение величины электрического тока менее чем на 7%, а 6 транзисторов - менее чем на 10%.

Вся структура, включая защитный слой, была в обоих вариантах выращена в едином процессе молекулярно-лучевой эпитаксии; контакт к базе выполнен поверх защитного слоя, а контакты сток и исток выполнены на предварительно протравленные области поверхности, глубина травления 10±2 нм.

Приведенные выше примеры подтверждают весьма малую скорость деградации транзисторов. Благодаря этому существенно увеличивается срок службы приборов.

Изобретение может быть реализовано как в заводских, так и в лабораторных условиях с использованием известных материалов и оборудования, обычно применяемого при изготовлении полупроводниковых приборов. Это подтверждает соответствие заявленного изобретения критерию "промышленная применимость".

Использование: в радиотехнических, СВЧ-устройствах и т.д. Структура полевого транзистора на основе нитридов Ga и Аl 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_xGa_1-xN, где 0,12>х>0,03, при этом на границе канального и изолирующего слоев 1≥y≥x+0,1, на границе канального и барьерного слоев 1≥z≥x+0,1, а толщина канального слоя находится в пределах от 3 до 20 нм, причем х, у, z - молярные доли Аl в составе соединения AlGaN. Изолирующий слой может быть выполнен из двух подслоев, при этом нижний, смежный с подложкой подслой имеет на границе с ней значение у в пределах от 0,5 до 0,7, на границе с верхним подслоем имеет значение у от 0,7 до 1, верхний подслой имеет на границе с нижним значение у от 0,7 до 1, которое монотонно уменьшается к границе с канальным слоем до значения у≤0,4. В барьерном и/или изолирующем слоях может быть выполнен легирующий δ-слой кремния или кислорода. Структура полевого транзистора может дополнительно содержать защитный слой, расположенный поверх барьерного слоя, выполненный из AlGaON. Техническим результатом изобретения является увеличение деградационной стойкости прибора. 3 з. п.ф-лы, 4 ил.

1. Полевой транзистор на основе нитридов Ga и Al, структура которого последовательно включает подложку, изолирующий слой, выполненный из Al_yGa_1-yN, канальный слой и барьерный слой, выполненный из Al_zGa_1-zN, отличающийся тем, что канальный слой выполнен из Al_xGa_1-хN, где 0,12>x>0,03, при этом на границе канального и изолирующего слоев 1≥y≥x+0,1, на границе канального и барьерного слоев 1≥z≥x+0,1, а толщина канального слоя находится в пределах от 3 до 20 нм, причем х, у, z – молярные доли Al в составе соединения AlGaN.2. Полевой транзистор по п.1, отличающийся тем, что изолирующий слой выполнен из двух подслоев, при этом нижний, смежный с подложкой подслой имеет на границе с ней значение у в пределах от 0,5 до 0,7, на границе с верхним подслоем имеет значение у от 0,7 до 1, верхний подслой имеет на границе с нижним значение у от 0,7 до 1, которое монотонно уменьшается к границе с канальным слоем до значения у≥0,4.3. Полевой транзистор по п.1 или 2, отличающийся тем, что в барьерном и/или изолирующем слоях выполнен легирующий δ-слой кремния или кислорода.4. Полевой транзистор по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что его структура дополнительно содержит защитный слой, расположенный поверх барьерного слоя, выполненный из AlGaON.