Наноразмерная структура с профилем легирования в виде нанонитей из атомов олова Российский патент 2018 года по МПК H01L29/00 B82Y99/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к полупроводниковым структурам группы А³В⁵. Такие структуры могут быть использованы для создания транзисторов с высокой подвижностью электронов с псевдоморфным каналом - РНЕМТ (Pseudomorphic High Electron Mobility Transistor), которые являются основой компонентной базы при изготовлении МИС (монолитных интегральных схем) СВЧ диапазона частот.

Уровень техники

Из предшествующего уровня техники известны наногетероструктуры с индием, в которых располагается рабочий канал с двумерным электронным газом с высокой подвижностью, формирующимся в тонком (от 10 нм до 20 нм) слое In_xGa_1-xAs на границе с более широкозонным материалом. Для мольной доли индия в канале от 0 до 0,2 можно эпитаксиально вырастить напряженный (псевдоморфный) монокристаллический бездефектный слой InGaAs толщиной меньше критической (~10 нм) на подложках GaAs. Широкозонным материалом в гетеропаре In_xGa_1-xAs/Al_yGa_1-yAs выступает Al_yGa_1-yAs с мольной долей алюминия от 0,2 до 0,25. Транзисторы с такой гетеропарой называются псевдоморфными (GaAs РНЕМТ). Типичное напряжение пробоя в таких транзисторах ~12 В, рабочие частоты достигают 30-40 ГГц [Wei-Kuo Huang, Yu-An Liu, Che-Ming Wang, Yue-Ming Hsin. Flip-Chip Assembled GaAs pHEMT Ka-Band Oscillator // IEEE Microwave and Wireless Components Letters. - 2007. - V. 17. - No. 1. - P. 67-69]. Частотные характеристики в таких структурах ограничены свойствами квантовой ямы InGaAs и для их увеличения требуется квантовая инженерия конструкции структуры или ее отдельных слоев.

Помимо РНЕМТ структур одним из новых типов материалов для полупроводниковой электроники являются различные структуры как с квантовой ямой InGaAs, так и без нее, с планарным расположением нанонитей, позволяющих получить новые оптические или электрофизические свойства электронного газа. Систему одномерных каналов (нанонитей) в объеме полупроводника можно получить различными способами: с помощью фото- или электронно-лучевой литографии и последующего травления; используя подготовленные заранее фасетированные поверхности полупроводника и последующий эпитаксиальный рост в образованных канавках; эпитаксиального выращивания вертикальных нанонитей (эта технология достаточно сложна и не относится к планарным); и применяя свойства вицинальных поверхностей, образующихся при разориентации подложки. Наиболее технологично удобным методом формирования нанонитей является использование вицинальных граней. Такая поверхность представляет собой ступени, разделенные террасами с точной кристаллографической ориентацией. При этом возможны различные варианты формирования нанонитей: высаживание атомов примеси таким образом, чтобы они образовывали на поверхности террасы полосы шириной меньше, чем ширина террасы; расположение атомов примеси вдоль краев вицинальных граней; планарное легирование поверхности примесью с последующим травлением коллимированным ионным пучком; получение при определенном угле падения неоднородного распределения примеси по поверхности при затенении краями террас части поверхности террасы и др. [Patent US 7569470 В2. Method of forming conducting nanowires / Sergio Fernandez-Ceballos, Giuseppe Manai, Igor Vasilievich Shvets. - Appl. No. 11/915518. - filling date: 26.05.2006; publication date 4.08.2009]. Проводимость в таких структурах осуществляется непосредственно по нанонитям, что существенно ограничивает подвижность электронов из-за рассеяния на ионизированных атомах. Для быстродействующих СВЧ приборов требуются структуры с квантовой ямой.

Наиболее близким по технической сущности и принятым за прототип является материал, описанный в [Patent RU 2520538 С1. Наноразмерная структура с квазиодномерными проводящими нитями олова в решетке GaAs / А.П. Сеничкин, А.С. Бугаев, А.Э. Ячменев, А.Н. Клочков. - Заявка 2012146629/28. - Дата подачи заявки 02.11.2012; Опубликовано 27.06.2014]. В этой работе описывается структура, выращенная методом молекулярно-лучевой эпитаксии на подложке GaAs, разориентированной на 0,3° относительно точной кристаллографической ориентации (100) в направлении <011>, и состоящая из буферного слоя GaAs толщиной 0,8 мкм, нелегированного GaAs толщиной 40 нм, внутри которого были сформированы цепочки из атомов олова со слоевой концентрацией 5×10¹² см^-2, встроенные в кристалл GaAs и контактного слоя толщиной 15 нм, легированного кремнием до уровня 4×10¹⁸ см^-3. В работе получены значения подвижности μ=1700 см²/В×с и концентрации электронов n=2,7×10¹² см^-2 при комнатной температуре. Было установлено, что коэффициент анизотропии сопротивления для слабых полей (в области линейной зависимости скорости дрейфа электронов от приложенного поля) равен приблизительно 2 при комнатной температуре и возрастает до 2,5 при температуре 77 К. Анизотропия сопротивления сохранялась и в сильных электрических полях, что подтверждает наличие квазиодномерного потенциального рельефа в изготовленной структуре. Недостатком предложенной в этой работе наноразмерной структуры является отсутствие квантовой ямы с высокой подвижностью электронов, что существенно ограничивает применение для изготовления быстродействующих СВЧ полупроводниковых приборов.

Раскрытие изобретения

Задачей предлагаемого изобретения является получение материала на основе InGaAs/AlGaAs РНЕМТ структуры с профилем дельта-легирования атомами олова в виде нанонитей, который мог бы заменить классическую РНЕМТ структуру, дельта-легированную кремнием. Для этого предлагаемый материал должен в области дельта-легированного слоя иметь систему нанонитей, образованных атомами олова, расположенными вдоль краев вицинальных террас и обладать свойствами, сравнимыми с аналогичными параметрами материала РНЕМТ InGaAs/AlGaAs, легированного атомами кремния. Конструкция и состав остальных слоев наноструктуры аналогичен классическим РНЕМТ структурам и включает в себя вицинальную подложку GaAs (100) с углом разориентации 0.3°÷0.4° в направлении типа <011>, буферный нелегированный слой GaAs, канальный слой InGaAs, дельта-легированный оловом слой, спейсерный и барьерный слой AlGaAs, контактный слой GaAs, легированный кремнием. Техническим результатом является получение новых свойств электронного газа в квантовой яме InGaAs, которые приводят к увеличению быстродействия СВЧ приборов на основе такой структуры.

Технический результат достигается за счет модуляции в виде квазиодномерных каналов двухмерного электронного газа в канальном слое InGaAs потенциалом ионизированных атомов доноров в дельта-легированном слое, расположенных в виде нанонитей вдоль краев вицинальных террас. Для создания нанонитей предлагается использовать особенности формирования поверхности вицинальных подложек монокристаллического GaAs с кристаллографической ориентацией поверхности, отклоненной на небольшой угол от исходной плоскости типа (100) в направлении типа <011>. Для таких подложек поверхность представляет собой ступени высотой в один монослой (для ориентации типа (100) один монослой равен половине постоянной решетки GaAs, то есть ~2,83 ) разделенные террасами с точной кристаллографической ориентацией типа (100). Ширина террас L или расстояние между ступенями L=2,83 /tg(α), где α - угол разориентации. Так, для угла разориентации α=0,3° ширина террасы L будет составлять ~500 . Такая ступенчатая поверхность характеризуется всплеском потенциальной энергии на краях ступеней для адсорбированных адатомов эпитаксиально наращиваемого вещества, например атомов Ga. Если средняя диффузионная длина адатома на поверхности превышает размер террас вицинальной грани, то эпитаксиальный рост пленки осуществляется за счет присоединения адатомов к краям ступеней без образования зародышевых островков на террасах. Таким образом, задавая нужный размер террас вицинальной подложки (т.е. угол разориентации), подбирая условия роста и точно дозируя количество адатомов вещества, попадающих на поверхность, можно сформировать на поверхности в том числе и нити, представляющие собой цепочки атомов, занявших вакантные связи на краях ступеней. При этом:

1) Наноструктура выращивается на подложке GaAs (100) с углом разориентации 0,3°÷0,4° в направлении <011>;

2) Дельта-легирование проводится атомами олова с концентрацией ~3×10¹³ см^-2, достаточной для формирования нанонитей с учетом реиспарения;

3) Выбираются оптимальные технологические условия, такие как последовательность и продолжительность прерываний роста, толщины слоев, температура подложки, концентрация легирования, соотношение потоков мышьяка к галлию для ключевых этапов при изготовлении, а именно: для формирования атомно-гладкой поверхности перед проведением дельта-легирования, для преимущественного расположения атомов олова вдоль краев террас во время дельта-легирования (то есть для формирования нанонитей) и для заращивания полученной конфигурации атомов олова, сохраняющего их расположение.

Путем изменения концентрации атомов олова можно регулировать коэффициент анизотропии k_а тока насыщения, определяемый как отношение тока насыщения вольт-амперной характеристики в направлении протекания тока параллельно нанонитям к току насыщения при протекании тока в направлении, перпендикулярном нанонитям, и тем самым влиять на быстродействие прибора и плотность тока.

Осуществление изобретения

Согласно изобретению был выращен следующий образец наноразмерной структуры типа РНЕМТ с профилем легирования в виде нанонитей из атомов олова. На вицинальной подложке с углом разориентации 0,3° и шириной террасы 500 методом молекулярно-лучевой эпитаксии были выращены буферный слой GaAs толщиной 0,8 мкм, канальный слой In_0,2Ga_0,8As толщиной 12 нм, спейсерный слой Al_0.24Ga_0.76As толщиной 4 нм, дельта-легированный оловом слой с концентрацией 1,5×10¹³ см^-2, барьерный слой Al_0.24Ga_0.76As толщиной 33 нм и контактный слой GaAs, легированный кремнием с концентрацией 4×10¹⁸ см^-3. Для формирования потенциального рельефа были подобраны специальные условия, включающие в себя формирование атомно-гладкой поверхности перед дельта-легированием при температуре подложки T_s=620°С, проведение операции дельта-легирования при оптимальной T_s=610°С, обеспечивающей максимальную сегрегационную способность атомов олова и заращивание атомов олова при пониженной до 500°С температуре для сохранения конфигурации расположения атомов олова.

Получены значения холловской подвижности μ=5530 см²/В×с и концентрация n=2×10¹² см^-2. Коэффициент анизотропии тока насыщения составляет ~2,5 при температуре 300 К. На основе полученной РНЕМТ структуры изготовлены тестовые полевые транзисторы с длиной затвора Lg=150 нм специальной топологии для протекания тока в ортогональных направлениях, результаты СВЧ измерений которых показали следующие значения: для направления протекания тока параллельно нанонитям максимальная частота усиления по мощности F_max=150 ГГц и коэффициент усиления MSG на частоте 10 ГГц равен 17,7 дБ, для направления протекания тока перпендикулярно нанонитям F_max=117 ГГц и MSG=15,5 дБ. Высокие значения СВЧ параметров для параллельного направления, а также анизотропия значений при протекании тока в ортогональных направлениях обусловлены формированием нанонитей из атомов олова в дельта-слое, эффективно модулирующих электронный газ в квантовой яме.

Использование: для создания РНЕМТ транзисторов. Сущность изобретения заключается в том, что наноразмерная структура с нанонитями из атомов олова, встроенными в кристалл GaAs включает монокристаллическую полуизолирующую вицинальную подложку GaAs (100) с углом разориентации 0.3°÷0.4° в направлении типа <011>, буферный нелегированный слой GaAs, дельта-легированный оловом слой и контактный легированный кремнием слой GaAs, дополнительно добавлен канальный слой InGaAs, спейсерный слой AlGaAs и барьерный слой AlGaAs, а двухмерный электронный газ, находящийся в канальном слое InGaAs, модулирован в виде квазиодномерных каналов. Технический результат: обеспечение возможности увеличения быстродействия СВЧ приборов на основе такой структуры.

Наноразмерная структура с нанонитями из атомов олова, встроенными в кристалл GaAs, включающая монокристаллическую полуизолирующую вицинальную подложку GaAs (100) с углом разориентации 0.3°÷0.4° в направлении типа <011>, буферный нелегированный слой GaAs, дельта-легированный оловом слой и контактный легированный кремнием слой GaAs, отличающаяся тем, что добавлен канальный слой InGaAs, спейсерный слой AlGaAs и барьерный слой AlGaAs, а двухмерный электронный газ, находящийся в канальном слое InGaAs, модулирован в виде квазиодномерных каналов.