ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ НИТРИДГАЛЛИЕВЫЙ УСИЛИТЕЛЬНЫЙ ТРАНЗИСТОР Российский патент 2024 года по МПК H01L29/778 

Настоящее изобретение относится к мощным высокочастотным полевым транзисторам на основе нитрида галлия.

Нитрид галлиевая технология обладает большим потенциалом в СВЧ электронике. В настоящее время на основе Al(Ga)N/GaN гетероструктур созданы дискретные n-канальные транзисторы с высокой подвижностью электронов (НЕМТ) с напряжениями пробоя до 1 кВ, которые могут заменять кремниевую элементную базу в схемах преобразования электроэнергии, повышая эффективность и увеличивая плотность мощности. Типовая конструкция подобных транзисторов описана в известном патенте США [1]. Она включает в себя подложку, буферный слой, слой непреднамеренно легированного GaN (канальный слой), барьерный слой Al_xGa_1-xN, расположенные на барьерном слое контакты истока, стока и затвора. Приборные слои выращиваются с помощью эпитаксии.

Для высокочастотных усилителей мощности требуется масштабирование транзистора до малой длины канала с сохранением высокой эффективности добавленной мощности (РАЕ) и высокой выходной мощности. При этом для смягчения эффектов короткого канала должна уменьшаться толщина барьерного слоя. Показано, что эффекты короткого канала начинают доминировать в частотной характеристике, когда отношение длины затвора к толщине барьерного слоя меньше 15 [2]. Однако, уменьшение толщины барьерного слоя имеет негативный эффект - увеличение токов утечки в затвор. Во время нормальной работы на контакты истока и стока прикладывается смещение, и ток течет между контактами, в основном через область двумерного электронного газа в канальном слое. В транзисторах, имеющих тонкий барьерный слой, вместо этого ток может начать течь из истока в затвор. Для подавления утечек в затвор барьерный слой может изготавливаться из нескольких слоев различных материалов.

В патенте США описывается конструкция транзистора с барьерным слоем, состоящим из двух подслоев [3]. Первый барьерный подслой, расположенный на канальном слое GaN, состоит из AlN и может иметь толщину до 4 нм. Второй барьерный подслой, расположенный на первом, состоит из Al_xGa_1-xN и может иметь толщину 10-50 нм. Мольная доля алюминия может изменяться в пределах 15-45%, т.е. 0,15≤x≤0,45. Первый барьерный подслой может быть во время роста легирован железом до концентрации 10¹⁷ см^-3. При этом во втором подслое распределение железа будет иметь диффузионный вид, уменьшается по мере удаления от первого подслоя. Легирование железом применяется для компенсации фоновых донорных примесей.

В патенте США представлена конструкция транзистора, с барьерным слоем, состоящим из двух подслоев AlGaN [4]. Первый подслой состоит из собственного Al_0,15Ga_0,85N, второй подслой - из Al_0,3Ga_0,7N n-типа. В качестве донорной примеси используется германий, а не кремний. Высокая концентрация кремния делает поверхность легированного слоя шероховатой. Германий свободен от этого недостатка и позволяет выращивать слои с концентрацией примеси до 3⋅10²⁰ см^-3 и гладкой морфологией. Таким образом, относительно тонкий легированный подслой может использоваться как дополнительный источник носителей заряда для канала в дополнение к носителям заряда, формируемым спонтанной и пьезоэлектрической поляризацией.

Похожая конструкция барьерного слоя из легированного и нелегированного подслоев Al_0,2Ga_0,8N показана в патенте США [5].

В патенте США, выбранном нами за прототип, рассмотрена конструкция барьерного слоя из двух нелегированных подслоев Al_yGa_1-yN и Al_xGa_1-xN. Слой Al_yGa_1-yN выращивается на канальном слое GaN и содержит большую мольную долю алюминия по сравнению с выращенным на нем слое Al_xGa_1-xN [6]. Предпочтительные мольные доли алюминия в подслоях - у→1, 0,1≤x≤0,5. Подслой Al_yGa_1-yN с высокой мольной долей алюминия уменьшает рассеяние носителей заряда в канале. Его толщина должна быть 20-50 Å. При меньших толщинах возникают большие утечки в затвор. Если слой толще, в устройстве могут возникнуть проблемы с изготовлением омических контактов на поверхности барьерного слоя. Толщина слоя Al_xGa_1-xN должна находиться в диапазоне от 100 до 1000 Å и зависит от мольной доли алюминия х. В примере, приведенном в патенте, слой имеет толщину 300 Å при х ≈ 0,33. Если барьерный слой слишком тонкий (менее 100 Å), то не формируется необходимая для работы транзистора концентрация двумерного электронного газа. Основной недостаток изобретения - работа в режиме истощения в усилительном каскаде. Типичное значение напряжения отсечки находится в диапазоне от -4 до -2 вольт. В результате для работы транзистора необходимо двухполярное питание - положительное и отрицательное. Если этого не сделать, в схеме усиления произойдет саморазргрев и катастрофический отказ.

Задача настоящего изобретения - обеспечение использования однополярного положительного питания транзисторов в схемах усиления за счет уменьшения суммарной толщины барьера и, как следствие, уменьшения плотности электронов в канале транзистора.

В предлагаемой конструкции транзистора, включающей подложку и расположенные на ней последовательно буферный слой, канальный слой GaN, первый барьерный подслой Al_yGa_1-yN, второй барьерный подслой Al_xGa_1-xN, пространственно разделенные электроды истока, затвора и стока, толщина первого барьерного подслоя равна 1-2 нм, толщина второго барьерного подслоя равна 1-6 нм, мольная доля алюминия во втором барьерном подслое может изменяться от 50 до 100%.

Второй барьерный подслой с высоким содержанием алюминия эффективно подавляет токи утечки в затвор. Однако, при большой мольной доле А1 одного утонения барьерного слоя недостаточно для достижения целевых напряжений отсечки, так как в квантовой яме на гетероинтерфейсе большая концентрация электронов. Дополнительное локальное обеднение носителями заряда части барьерных слоев и области двумерного электронного газа происходит при формировании металлического барьерного контакта затвора. Понижение концентрации носителей заряда в двумерном электронном газе под затвором приводит к увеличению напряжения отсечки.

Первый барьерный подслой Al_yGa_1-yN с высокой мольной долей алюминия увеличивает подвижность электронов в канале транзистора из-за уменьшения рассеяния на неоднородностях гетероперехода Al_yGa_1-yN/GaN. При его изготовлении необходимо, чтобы у→1. Минимально возможная толщина сплошного монокристаллического слоя Al(Ga)N, который можно вырастить с помощью современных эпитаксиальных технологий с учетом технологического разброса параметров, равна 1-2 нм.

Эпитаксиально выращенные слои AlGaN на поверхности канального слоя GaN обладают растягивающей деформацией до 2,44% и испытывают упругие напряжения. Существует критическая суммарная толщина слоев, при достижении которой происходит релаксация и высвобождение энергии деформации в виде трещин вдоль гексагональных плоскостей. Для слоев с мольной долей алюминия больше 50% критическая толщина равна 7-9 нм [7]. Образование гексагональных трещин на поверхности AlGaN/GaN гетероструктуры с толщиной AlGaN слоя больше критической наблюдалось экспериментально при сканировании с помощью атомно-силового микроскопа. Их появление делает невозможным изготовление транзистора. Таким образом, второй барьерный подслой Al_xGa_1-xN может иметь толщину 1-6 нм.

На фиг. 1 представлен высокочастотный нитридгаллиевый усилительный транзистор, где

1 - подложка, 2 - буферный слой, 3 - слой нелегированного GaN (канальный слой), 4 - первый барьерный подслой Al_yGa_1-yN, 5 - второй барьерный подслой Al_xGa_1-xN, 6 - пассивирующий диэлектрик, 7 - контакт к истоку, 8 - контакт к затвору, 9 - контакт к стоку.

На фиг. 2 представлено сравнение проходных вольт-амперных характеристик (зависимость тока стока I_D от напряжения затвор-исток V_GS) транзистора-прототипа и транзистора с предложенной конструкцией, где

10 - проходная характеристика транзистора-прототипа, 11 - проходная характеристика транзистора предложенной конструкции.

Достижение технического результата было подтверждено изготовлением тестовых GaN транзисторов на кремниевой подложке. Приборная структура выращивалась методом газофазной эпитаксии (MOCVD). Качество поверхности приборной структуры контролировалось методом рассеяния лазерного излучения. Низкоомные омические контакты истока 7 и стока 9 изготавливались с помощью последовательного напыления слоев титана, алюминия, никеля и золота. Затвор 8 формировался электронно-лучевым испарением и осаждением металлизации Ni-Al-Ti по маске фоторезиста с последующим «взрывом» (lift-off). Геометрические параметры затвора контролировались с помощью сканирующего электронного микроскопа. Верхняя поверхность образца пассивировалась посредством осаждения нитрида кремния методом PECVD. Толщина слоя Si₃N₄ составляла 100 нм. Электрическая изоляция транзистора выполнялась с помощью реактивного ионного травления (RIE) мезы. В процессе травления использовался BCl₃ с добавкой О₂ и Не.

Измерения вольт-амперных характеристик проводились на измерительном стенде на основе векторного анализатора цепей Keysight PNA-X N5244B и импульсных источников подачи питания Amcad АМ3200 под управлением программной среды управления измерениями Amcad IVCAD. Во время измерений напряжение сток-исток поддерживалось равным 5 В.

Из представленного графика видно, что результатом изменения конструкции стало увеличение напряжения отсечки с -2,2 В до -0,2. В результате транзистор может работать с однополярным положительным питанием в схеме усиления. Это показывает выполнение задачи изобретения и достижение технического результата. Также следует отметить, что уменьшение толщины второго барьерного подслоя, по сравнению с прототипом, увеличило крутизну передаточной характеристики.

Ток утечки в затвор был измерен по методике ГОСТ 20398.6 и равен ~10^-6 А, что много меньше тока насыщения открытого транзистора. Это доказывает эффективность использования барьерного подслоя Al_xGa_1-xN с мольной долей алюминия более 50% для изоляции электрода затвора от канала.

Источники информации

1. Патент США № US 5192987

2. G.Н. Jessen et al., Short-Channel Effect Limitations on High-Frequency Operation of AlGaN/GaN HEMTs for T-Gate Devices // IEEE Transactions on Electron Devices. 2007. Vol. 54, No. 10. P. 2589-2597

3. Патент США № US 7388236

4. Патент США № US 9640650

5. Патент США № US 7745850

6. Патент США № US 6849882 - прототип

7. S.R. Lee et al., In situ measurements of the critical thickness for strain relaxation in AlGaN/GaN heterostractures // Appl. Phys. Lett. 2004. Vol.85, No 25. P. 6164-6166.

Использование: для однополярного положительного питания транзисторов в схемах усиления. Сущность изобретения заключается в том, что в предлагаемой конструкции транзистора, включающей подложку и расположенные на ней последовательно буферный слой, канальный слой GaN, первый барьерный подслой Al_yGa_1-yN, второй барьерный подслой Al_xGa_1-xN, пространственно разделенные электроды истока, затвора и стока, мольная доля алюминия во втором барьерном подслое больше 50%, толщина первого барьерного подслоя равна 1-2 нм, толщина второго барьерного подслоя - 1-6 нм. Технический результат: обеспечение возможности уменьшения плотности электронов в канале транзистора. 2 ил.

Высокочастотный нитридгаллиевый усилительный транзистор, содержащий подложку и последовательно расположенные на ней буферный слой, канальный слой GaN, первый барьерный подслой Al_yGa_1-yN, второй барьерный подслой Al_xGa_1-xN, пространственно разделенные электроды истока, затвора и стока, отличающийся тем, что толщина первого барьерного подслоя равна 1-2 нм, толщина второго барьерного подслоя равна 1-6 нм, мольная доля алюминия во втором барьерном подслое от 50 до 100%.