ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ ТРАНЗИСТОРНАЯ НАНОГЕТЕРОСТРУКТУРА НА ПОДЛОЖКЕ GaAs С МОДИФИЦИРОВАННЫМ СТОП-СЛОЕМ AlGaAs Российский патент 2016 года по МПК H01L29/737 B82B1/00 

Область техники

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано для изготовления монолитных интегральных схем, оперирующих в сантиметровом и миллиметровом диапазоне длин волн.

Уровень техники

Для того чтобы вытравить рецессы (углубления) в гетероструктурах для дальнейшего формирования в них электродов, используют стоп-слой - эпитаксиальный слой в составе гетероструктуры, скорость травления которого определенным травителем значительно (в 100-1000 раз) меньше скорости травления вышележащих слоев, отличающихся от стоп-слоя химическим составом. Особенно важным встает вопрос подбора стоп-слоя при разработке конструкции гетероструктур для полевых транзисторов, так как современные транзисторные гетероструктуры имеют активные слои с толщинами до монослоя и точность глубины травления становится одним из ключевых параметров при технологии изготовления затвора.

В транзисторных гетероструктурах на подложке GaAs для формирования подзатворного рецесса необходимо стравить контактный слой n⁺-GaAs. Для этой цели используют фосфорсодержащие стоп-слои AlGaP [1], InAlP [1], InGaP [2, 3, 4]. Наличие фосфора в стоп-слое позволяет применять жидкостное травление, а наличие алюминия - сухое травление [1]. Недостатком таких стоп-слоев является необходимость наличия источника фосфора в установке эпитаксии, в то время как все остальные слои гетероструктуры выращиваются только на основе твердых растворов (In, Ga, Al) As без использования фосфора.

Также используются стоп-слои AlAs [5, 6, 7, 8]. Их выращивание не требует наличия дополнительного источника в эпитаксиальных установках. При использовании определенных травителей они обладают значительно большей селективностью, чем стоп-слои AlGaAs: так, при использовании травителя C₆H₈O₇:H₂O:H₂O₂ скорости травления Al_xGa_1-xAs и GaAs относятся как 1:100 при х=0.3 и 1:1400 при х=1 [7]. Недостатки стоп-слоев AlAs следующие: во-первых, сильная окисляемость AlAs [9]; во-вторых, более шероховатая поверхность слоя AlAs по сравнению со слоем GaAs, так как скорость миграции атомов Ga по поверхности растущего слоя значительно больше, чем скорость миграции атомов А1 [10]; в-третьих, стоп-слой AlAs, располагающийся между омическими контактами и каналом, ухудшает свойства омических контактов, а также изменяет зонную структуру транзисторной гетероструктуры.

Также используются стоп-слои Al_xGa_1-xAs с х≥0.3 [11, 12, 13, 14]. Они имеют следующие недостатки. В транзисторных гетероструктурах на подложках GaAs донорными атомами Si легируются слои Al_xGa_1-xAs с мольной долей алюминия x≤0.23. При x>0.23 самым низким энергетическим состоянием для донорных атомов Si являются DX-центры, которые становятся стабильными при захвате двух электронов. Негативное влияние DX-центров на работу полевых транзисторов проявляется в уменьшении пробивного напряжения, коллапсе вольт-амперной характеристики, уменьшении рабочих токов. Также введение отдельных стоп-слоев Al_0.30Ga_0.70As усложняет технологию роста гетероструктур методом молекулярно-лучевой эпитаксии, так как после выращивания слоя Al_0.23Ga_0.77As необходимо прервать процесс эпитаксиального роста для прецизионного увеличения потока Аl, чтобы вырастить стоп-слой Al_0.30Ga_0.70As. Кроме того, выращивание стоп-слоя Al_0.30Ga_0.70As увеличивает расстояние между квантовой ямой In_yGa_1-yAs и затвором, что ухудшает управляемость транзистора.

Наиболее близкой к предлагаемой гетероструктуре и принятой в качестве прототипа настоящего изобретения является транзисторная гетероструктура, описанная в патенте [15]. В ней предусмотрено наличие двух тонких стоп-слоев Al_xGa_1-xAs, используемых для двойного травления рецессов для затворного и омических контактов. В прототипе используются однородные стоп-слои Al_xGa_1-xAs с постоянным содержанием алюминия. При x=0.23 недостатком прототипа является относительно невысокая селективность жидкостных травителей на гетерогранице GaAs/Al_0.23Ga_0.77As, что, как следствие, может приводить к неконтролируемому увеличению глубины травления. Кроме того, технология молекулярно-лучевой эпитаксии позволяет выращивать полупроводниковые слои с точностью состава до 2% [16], что усложняет рост стоп-слоя Al_xGa_1-xAs с х=0.23. При х>0.23 к недостаткам прототипа можно отнести увеличение сопротивления омических контактов, негативное влияние DX-центров на параметры транзисторов. Также введение дополнительного слоя, которым является стоп-слой, увеличивает расстояние между каналом и затвором транзистора, что ухудшает управляемость транзистора.

Раскрытие изобретения

Задачей предлагаемого изобретения является точный контроль глубины травления при рецессе затворного контакта полевого транзистора с помощью введения стоп-слоя, который не должен оказывать негативное влияние на параметры полевого транзистора.

Техническим результатом, позволяющим выполнить поставленную задачу, является создание конструкции транзисторной гетероструктуры (см. фиг. 1) с модифицированным стоп-слоем Al_xGa_1-xAs (7), который должен обладать высокой селективностью для жидкостных травителей при стравливании контактного слоя n⁺-GaAs (8) для формирования рецесса затворного контакта полевого транзистора, а также минимизировать образование дефектов, которые будут являться ловушками для электронов проводимости. Под стоп-слоем подразумевается полупроводниковый слой в составе гетероструктуры, скорость травления которого определенным травителем значительно меньше скорости травления вышележащих слоев, отличающихся от стоп-слоя химическим составом. Негативное влияние стоп-слоя на параметры транзистора проявляется в уменьшении пробивного напряжения и рабочих токов, ухудшении управляемости транзистора и увеличении сопротивление омических контактов.

Зависимость мольной доли алюминия х от толщины гетероструктуры h в области модифицированного стоп-слоя представлен на фиг. 2. Штриховая линия на фиг. 2 соответствует традиционному стоп-слою, сплошная линия соответствует модифицированному стоп-слою. По сравнению с традиционным стоп-слоем однородного состава Al_xGa_1-xAs, описанным в прототипе, модифицированный стоп-слой Al_x(h)Ga_1-x(h)As обладает градиентом химического состава, причем мольная доля алюминия увеличивается от х=0.23 до х₀=0.26÷0.30 на толщине h₂-h₁=1÷10 нм.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 изображена схема полупроводниковой транзисторной гетероструктуры с модифицированным стоп-слоем на подложке GaAs, относящейся к настоящему изобретению.

На фиг. 2 изображен профиль мольной доли алюминия х в барьерном слое Al_0.23Ga_0.77As (6) и модифицированном стоп-слое Al_xGa_1-xAs (7) транзисторной гетероструктуры на подложке GaAs. Штриховая линия соответствует традиционному стоп-слою, сплошная линия соответствует модифицированному стоп-слою, х₀=0.26÷0.30.

Осуществление изобретения

Рост слоев транзисторной гетероструктуры осуществляется методом молекулярно-лучевой эпитаксии. После проведение модулированного легирования (объемное легирование или дельта-легирование) слоя Al_0.23Ga_0.77As (5), выращивается барьерный слой Al_0.23Ga_0.77As (6) толщиной 2÷5 нм, с учетом длины диффузии и сегрегации донорных атомов к поверхности гетероструктуры. Следующим слоем является модифицированный стоп-слой Al_xGa_1-xAs (7) с градиентом химического состава в направлении роста. Начальное содержание алюминия в данном слое составляет х=0.23, а содержание алюминия в конце роста слоя х₀=0.26÷0.30, что определяется требованиями точности глубины рецесса при выбранном травителе. Верхним слоем транзисторной гетероструктуры является объемно легированный контактный слой n⁺-GaAs (8).

Источники информации

[1] Patent US 7538365 В2. Field effect transistor and phosphorus etch stop layer / Matthew Francis O′Keefe, Michael Charles Clausen, Richard Alun Davies, Robert Grey; Filtronic PLC. - Appl. No. 11/153785; filling date 15.06.2005; publication date 26.05.2009.

[2] Patent US 8288260 B1. Field effect transistor with dual etch-stop layers for improved power, performance and reproducibility/Allen W. Hanson; M/A-COM Technology Solutions Holdings, Inc. - Appl. N13/173015; filling date 30.06.2011; publication date 16.10.2012.

[3] Patent US 6307221 B1. In_xGa_1-xP etch stop layer for double recess pseudomorphic high electron mobility transistor structures / David Danzilio; The Whitaker Corporation. - Appl. No. 09/195478; filling date 18.11.1998; publication date 23.18.2001.

[4] Патент 2463685 РФ. Интегральный полевой транзистор с размерным квантованием энергии / Воробьев А.А., Галдецкий А.В., Лапин В.Г.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное унитарное предприятие «Научно-производственное предприятие «Исток» (ФГУП НПП «Исток»). - №2011123071/28; заявл. 07.06.11; опубл. 10.10.12, Бюл. №28.

[5] Patent US 5175740. Semiconductor laser and method of fabricating same / Boris S. Elman, Wayne F. Sharfin; GTE Laboratories Inc. - Appl. N734827; filling date 24.07.1991; publication date 19.12.1992.

[6] Patent US 8610173 B2. Enhancement/depletion PHEMT device / Alessandro Chini, Claudio Lanzieri; Selex Sistemi Integrati S.p.A. - Appl. N13/561860; filling date 30.07.2012; publication date 17.12.2013.

[7] Patent US 2010/0218819 A1. Semiconductor optoelectronic devices and methods for making semiconductor optoelectronic devices / Corrie Farmer, Colin Stanley; The University Court of the University of Glasgow. - Appl. N12/681390; filling date 06.10.2008; publication date 02.09.2010.

[8] Patent US 7678629 Bl. Method for fabricating a recessed ohmic contact for a PHEMT structure / Jerod F. Mason, Dylan C. Bartle; Skyworks Solutions, Inc. - Appl. N11/827001; filling date 09.07.2007; publication date 16.03.2010.

[9] Kent D. Choquette, К.M. Geib, H.C. Chui, В.E. Hammons, H.Q. Hou, T.J. Drummond, Robert Hull. Selective oxidation of buried AlGaAs versus AlAs layers//Appl. Phys. Lett. - 1996.-Vol. 69. - P. 1385-1387.

[10] W.P. Hong, J. Singh, P.K. Bhattacharya. Interface roughness scattering in normal and inverted http://Ino.53Gao.47As-Ino.52Alo.48As modulation-doped. IEEE Electron Device Letters, vol. EDL-7, no. 8, 1986.

[11] Patent US 6110393. Epoxy bond and stop etch fabrication method / Jerry A. Simmons, Mark V. Weckwerth, Wes E. Baca; Sandia Corporation. - Appl. N09/066091; filling date 23.04.1998; publication date 29.08.2000.

[12] Patent US 5420066. Method for producing semiconductor laser device using etch stop layer / Akibiro Shima, Takeshi Miura, Tomoko Kadowaki, Norio Hayafuji; Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha. - Appl. N267211; filling date 06.07.1994; publication date 30.05.1995.

[13] Patent US 5357535. Semiconductor laser including an aluminium-rich AlGaAs etch stopping layer / Akibiro Shima, Takeshi Miura, Tomoko Kadowaki, Norio Hayafuji; Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha. - Appl. N1547; filling date 06.01.1993; publication date 18.10.1994.

[14] J.K. Abrokwah et al. High-performance self-aligned p+/n GaAs epitaxial JFET′s incorporating AlGaAs etch-stop layer // IEEE Transactions on Electron Devices. - 1990. - Vol. 37, N6. - P. 1529.

[15] European Patent 0892441 B1. Method for manufacturing a field effect transistor with recessed gate / Junko Morikawa; NEC Electronics Corporation. - Appl. No. 98110701.4; priority date 11.06.1997; filing date 10.06.1998; publication date 26.11.2008, Bulletin 2008/48.

[16] L.H. Robins, J.T. Armstrong, R.B. Marinenko, A.J. Paul, J.G. Pellegrino. High-accuracy determination of the dependence of the photoluminescence emission energy on alloy composition in Al_xGa_1-xAs films // Journal of Applied Physics. - 2003. - Vol. 93, N7. - P. 3747-3759.

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано для изготовления монолитных интегральных схем, оперирующих в сантиметровом и миллиметровом диапазоне длин волн. Согласно изобретению предложена полупроводниковая транзисторная гетероструктура на подложке GaAs с модифицированным стоп-слоем Al_xGa_1-xAs. Модифицированный стоп-слой Al_xGa_1-xAs выращивается с градиентом мольной доли алюминия от х=0.23 до х₀=0.26÷0.30 и с толщиной 1÷10 нм. Изобретение обеспечивает точный контроль глубины травления с помощью введения стоп-слоя, который не должен оказывать негативное влияние на параметры полевого транзистора, при этом негативное влияние выражается в уменьшении пробивного напряжения и рабочих токов, ухудшении управляемости транзистора, увеличении сопротивление омических контактов. 2 ил.

Полупроводниковая транзисторная гетероструктура на подложке GaAs с модифицированным стоп-слоем Al_xGa_1-xAs, отличающаяся тем, что модифицированный стоп-слой Al_xGa_1-xAs выращивается с градиентом мольной доли алюминия от x=0.23 до x₀=0.26÷0.30 и с толщиной 1÷10 нм.