Диод Ганна на основе нитевидных нанокристаллов нитрида галлия Российский патент 2020 года по МПК H01L47/02 B82B3/00 

Изобретение относится к области микро- и нанотехнологии, в частности, к активным элементам на основе полупроводниковых нитридных соединений, а именно к генераторам сверхвысокочастотного (СВЧ) излучения, выполненным в геометрии диода Ганна, на основе нитевидных нанокристаллов (ННК).

Диод Ганна - это полупроводниковый прибор, представляющий из себя генератор СВЧ тока, основанный на эффекте Ганна, проявляющимся в некоторых полупроводниках. На текущий момент массовое производство приборов осуществляется с использованием полупроводниковых материалов GaAs и InP, которые характеризуются ограничением по рабочей частоте вблизи 100 ГГц и 170 ГГц [1], соответственно, что связано с полупроводниковыми свойствами данных материалов. В самой простой геометрии, диод Ганна имеет трехслойную "сендвич" структуру, представляющую собой слаболегированный активный слой полупроводникового материала с n-типом легирования (n), заключенный между двумя слоями-эмиттерами, обладающими высокой концентрацией легирующей примеси (n+), необходимыми для эмиссии электронов в активную область и формирования омического контакта с подводящим металлическим СВЧ трактом.

Нитрид галлия (GaN) является перспективным материалом для современной науки и технологии, что обусловлено его свойствами: GaN является широкозонным полупроводником, обладающим высокой химической стабильностью, а также высокими значениями насыщения скорости электронов и критической напряженности поля, при котором происходит насыщение скорости, что дает возможность его использования в качестве материала активной области диода Ганна, способного работать на частотах единиц ТГц.

Технология создания диодов Ганна на основе GaN ННК в геометрии легирования n⁺-n-n⁺ заключается в эпитаксиальном росте GaN ННК на поверхности кремниевой подложки с ориентацией (111) с добавлением легирующей примеси кремния (Si) для формирования требуемых уровней и профилей легирования.

Известен способ создания диода Ганна (CN 105514176) на основе выращенной на подложке GaN полупроводниковой планарной структуры GaN(n+)/GaN(n)/AlGaN(n)/GaN(n+), сформированной путем, первоначально, травления меза-структуры, ограничивающей рабочую площадь диода Ганна, и последующей пассивацией боковых стенок структуры с помощью плазмо-химического осаждения SiNx. Недостатком данного метода является использование в качестве ростовой поверхности дорогостоящей подложки нитрида галлия, а также проведение дополнительных операций травления и пассивации.

Известны способы создания диода Ганна (CN 104681721, CN 104009157, CN 104022220) на основе выращенной на подложке SiC полупроводниковой планарной структуры GaN(n+)/GaN(n)/AlGaN(n)/GaN(n+)/AlN(n)/SiC, сформированной путем, первоначально, травления меза-структуры, ограничивающей рабочую площадь диода Ганна, и последующей пассивацией боковых стенок структуры с помощью плазмо-химического осаждения SiNx. Недостатком данного метода является использование в качестве ростовой поверхности рассогласованной по параметру решетки с GaN подложки SiC, что приводит к образованию дислокаций в активных слоях GaN и, как следствие, ухудшению рабочих характеристик прибора. Кроме того, требуется проведение дополнительных операций травления и пассивации боковой стенки меза-структуры.

Наиболее близкий способ создания диода Ганна на основе GaN (CN 101478006) заключается в росте n⁺-n-n⁺ "сэндвич" структуры на подложке SiC через толстый буферный слой GaN, уменьшающий плотность дислокаций с проведением последующей процедуры плазмохимического травления для формирования меза-структуры, ограничивающей рабочую площадь диода Ганна. Недостатком данного метода также является использование подложки SiC, рассогласованной по параметру решетки с GaN, что приводит к образованию дислокаций в активных слоях GaN и требует формирование толстого буферного слоя для их устранения, что влечет к повышенному расходу ростового материала и увеличению стоимости прибора. Кроме того, требуется проведение дополнительной операции травления меза-структуры.

Задачей настоящего изобретения является создание диода Ганна на основе массива GaN ННК высокого кристаллического совершенства в геометрии n⁺-n-n⁺ "сэндвич" структуры на кремниевой подложке (1). Преимуществом использования ННК вместо объемных слоев GaN является высокое кристаллическое качество материала ННК, что связано с быстрой релаксацией упругой энергии в процессе роста ННК на рассогласованной по параметру решетки подложке. Таким образом, использование ННК позволяет получить активный материал с меньшим количеством дефектов и, как следствие, лучшими скоростными параметрами. Рост ННК осуществляется с использованием метода молекулярно-пучковой эпитаксии. Для формирования n и n⁺ участков ННК в процессе роста нанокристаллов вводится примесь кремния в нужном количестве. Схематическое изображение структуры с указанием номеров блоков представлено на Фиг. 1. После процесса роста проводится заполнение пространства между ННК (2) диэлектрическим полимером (3), который наносится методом центрифугирования на поверхность выращенного образца. Для вскрытия верхней (эмиттерной) части ННК (2в) и последующего формирования верхнего омического контакта верхняя часть полимера удаляется с помощью метода травления в кислородной плазме. После этого, на верхнюю часть элемента методом термического напыления в вакууме наносится слой металлизации для формирования омического контакта (4) к ННК.

Технологический результат заключается в улучшении кристаллического качества активной области и упрощении технологии создания диода Ганна за счет выращивания полупроводниковой структуры в виде ННК, которые, согласно работам [2, 3], обладают высоким кристаллическим совершенством. При этом, рост ННК может быть осуществлен на кремниевой подложке, что требует существенно меньших экономических затрат при производстве ввиду низкой стоимости кремниевых подложек в сравнении с подложками GaN, а также, хорошо отработанной технологией работы с кремнием, в частности, формированием омического контакта.

Поставленная задача решается тем, что, во-первых, в отличие от способа-прототипа, рабочая область диода Ганна формируется из GaN ННК, во-вторых, формирование диода Ганна идет на поверхности кремниевой подложки.

Краткое описание чертежей

На Фиг. 1 - Схематичное изображение рабочей области диода Ганна, выполненного на основе GaN ННК.

На Фиг. 2 - Расчетные кривые зависимости частоты генерации от толщины активной области (n) по материалам статьи [4].

На Фиг. 3 - СЭМ изображение синтезированных GaN ННК, имеющих n⁺-n-n⁺ "сэндвич" структуру.

Пример

Кремниевая подложка очищается от органических и неорганических загрязнений в органических растворителях и путем кипячения в неорганических кислотах. Затем, помещается в установку эпитаксии и проходит процедуру предварительного отжига при температуре 300 градусов цельсия в течение 4 часов. Для удаления слоя естественного оксида и проведения процесса роста GaN ННК, подложка помещается в свервысоковакуумную ростовую секцию установки эпитаксии и обрабатывается при температуре 920-1000 градусов цельсия.

Для роста GaN ННК, подложка экспонируется под потоком галлия в присутствии потока атомарного азота. Рост материала в виде ННК осуществляется путем выбора параметров роста: ростовыми потоками и температурой подложки. Для формирования n⁺-n-n⁺ "сэндвич" структуры на подложку в процессе роста подается поток атомарного кремния, различный для n⁺ и n слоев. Для генератора, работающего на частоте 1 ТГц, толщина n-слоя должна составлять 200 нм и уровень легирования 2⋅10¹⁸ см^-3. Для генератора, работающего на частоте 0.1 ТГц, толщина n-слоя должна составлять 2000 нм и уровень легирования лежать в диапазоне 2⋅10¹⁷ см^-3 - 2⋅10¹⁸ см^-3. На Фиг. 2 [4] показана связь частоты генерации на разных гармониках в диоде Ганна на основе GaN и длины активной области диода (n). Толщина n⁺ эмиттерных слоев определяется из условий согласования с СВЧ трактом и может составлять величину 100 нм и более. Уровень легирования n⁺ слоев должен быть более 5⋅10¹⁸ см^-3.

Синтезированные описанным способом наноструктуры были исследованы методами сканирующей электронной микроскопии (Фиг. 3) и фотолюминесценции при низких температурах. Анализ полученных данных позволяет сделать вывод о том, что выращенные структуры обладают высоким кристаллическим совершенством и могут быть использованы для изготовления диода Ганна.

Список литературы

[1] Miles R., Harrison P., Lippens D. (ed.). Terahertz sources and systems. - Springer Science & Business Media, 2001. - T. 27.

[2] Bolshakov A.D. et al. Dopant-stimulated growth of GaN nanotube-like nanostructures on Si (111) by molecular beam epitaxy // Beilstein journal of nanotechnology. - 2018. - T. 9. - №. 1. - C. 146-154.

[3] Fedorov V.V. et al. Droplet epitaxy mediated growth of GaN nanostructures on Si (111) via plasma-assisted molecular beam epitaxy // CrystEngComm. - 2018. - T. 20. - №. 24. - C. 3370-3380.

[4] Mozharov A.M. et al. Modeling the semiconductor devices with negative differential resistance based on nitride nanowires // Journal of Physics: Conference Series. - IOP Publishing, 2017. - T. 917. - №. 8. - C. 082017.

Использование: для создания генераторов сверхвысокочастотного (СВЧ) излучения, выполненных в геометрии диода Ганна. Сущность изобретения заключается в том, что способ создания диода Ганна на основе гетероструктуры нитрида галлия (GaN) с заданным профилем легирования, синтезированной на полупроводниковой подложке, при этом активная область прибора формируется в виде массива нитевидных нанокристаллов (ННК). Технический результат: обеспечение возможности повышения предельной частоты работы прибора. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ создания диода Ганна на основе гетероструктуры нитрида галлия (GaN) с заданным профилем легирования, синтезированной на полупроводниковой подложке, отличающийся тем, что активная область прибора формируется в виде массива нитевидных нанокристаллов (ННК).

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для формирования активной области прибора используется метод эпитаксии.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала ростовой подложки используется кремний.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве примесного элемента для создания n⁺–n–n⁺ профиля легирования в GaN ННК используется кремний.