"Письма в журнал технической физики"
Издателям
Вышедшие номера
Полевые транзисторы на основе гетероструктур AlGaN/GaN, полученных методом аммиачной молекулярно-лучевой эпитаксии
Волков В.В.1, Иванова В.П.1, Кузьмичев Ю.С.1, Лермонтов С.А.1, Соловьев Ю.В.1, Баранов Д.А.1, Кайдаш А.П.1, Красовицкий Д.М.1, Павленко М.В.1, Петров С.И.1, Погорельский Ю.В.1, Соколов И.А.1, Соколов М.А.1, Степанов М.В.1, Чалый В.П.1
1ЗАО "Светлана
Поступила в редакцию: 18 ноября 2003 г.
Выставление онлайн: 19 апреля 2004 г.

Введение. Нитрид галлия и тройные соединения на его основе, обладающие уникальной совокупностью электрофизических свойств, стали за последнее десятилетие одной из наиболее перспективных систем полупроводниковых материалов. Наряду с высоким и в значительной мере реализованным потенциалом в области изготовления оптоэлектронных приборов ультрафиолетового и видимого диапазона нитриды III группы характеризуются большими разрывами зон на гетерограницах, выраженными поляризационными эффектами, большими значениями дрейфовой скорости электронов (1.5-3· 107 cm/s при электрическом поле порядка 100 kV/cm) и пробивных полей, сравнительно высокой теплопроводностью и др. Полученные мощностные характеристики экспериментальных нитридных СВЧ-приборов благодаря указанным свойствам базового материала существенно (иногда на порядок) превышают аналогичные характеристики GaAs- и SiC-приборов, причем особенно ярко упомянутые преимущества проявляются при повышенных рабочих температурах (вплоть до 400o C). Это открывает новые возможности для решения ряда специальных задач оборонной техники, с их высокими требованиями к характеристикам приборов и компонентов, а также для дальнейшего развития систем контроля воздушных сообщений, спутниковой теле- и радиокоммуникации, контроля окружающей среды и т. д. К настоящему времени в мире реализованы различные типы нитридных СВЧ-транзисторов (HEMT, MESFET и т.д.), в целом подтверждающие перспективность этого класса приборов [1-3]. Наиболее распространенными методами получения приборных нитридных гетероструктур являются газофазная эпитаксия из металлорганических соединений (МОГФЭ) и молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ). При этом основными требованиями к гетероструктурам для транзисторных приложений являются высокое структурное совершенство слоев AlGaN, GaN и их гетерограниц, а также высокое сопротивление буферного слоя, в совокупности обеспечивающие формирование проводящего канала (в т. ч. двумерного) со слоевой плотностью электронов порядка 1013 cm-2 и подвижностью более 1000 cm2/V · s. Основными стадиями процесса изготовления приборов явлются формирование межприборной изоляции, низкоомных омических контактов к истоку и стоку, а также устойчивого барьера Шоттки на затворе. В данной работе представлены экспериментальная технология изготовления и выходные статические характеристики HEMT-транзистора на основе гетероструктур AlGaN/GaN, выращенных на сапфировой подложке методом МЛЭ. Полученные результаты на текущий момент являются одними из первых в России и демонстрируют высокий потенциал дальнейших разработок данной тематики. [!tb] Схема транзисторной гетероструктуры. [!tb] ВАХ ПТШ на основе гетероструктуры AlGaN/GaN. Шаг смещения на затворе U=0.5 V. Экспериментальная часть. Транзисторные гетероструктуры AlGaN/GaN (рис. 1) были выращены на подложках сапфира (0001) на установке ЭПН-2, специализированной для МЛЭ нитридов III группы с использованием аммиака в качестве источника активного азота [4]. Основным отличием используемых нами гетероструктур [5] от наиболее распространенной конструкции HEMT является наличие относительно толстого буферного слоя AlGaN толщиной 0.6 mum, обеспечивающего высокие (свыше 150 V) пробивные напряжения нижней части гетероструктуры. Далее следует полуизолирующий слой GaN толщиной 500 Angstrem, прикрытый сверху модулированно-легированным слоем Al0.3Ga0.7N общей толщиной 200 Angstrem. Толщины спейсера, донорного и барьерного подслоев составляли 40, 80 и 80 Angstrem соответственно. Перед напылением омических контактов проводилась химическая обработка структуры в растворе соляной кислоты, перекисно-аммиачных растворах, с последующей промывкой и сушкой в парах ацетона. Омические контакты формировали взрывной фотолитографией. В качестве металлизации использовалась композиция Ti/Al общей толщиной 0.2 mum. После напыления омических контактов проводился отжиг в среде N2 при температуре 830oC в течение 50 s и контроль электрофизических параметров контактов методом длинной линии. Электрическая изоляция между элементами на пластине осуществлялась с помощью ионно-плазменного травления на глубину 0.3 mum с использованием реагента-травителя SiCl4. Формирование затвора проводили методом взрывной фотолитографии, в качестве металлизации использовали Ni/Au толщиной 0.15 mum, длина затвора составляла 1 mum. Результаты и обсуждение. По результатам холловских измерений гетероструктуры имеют слоевую концентрацию электронов в канале порядка 1· 1013 cm-2 и подвижность в канале mu=400-600 cm2/V· s при комнатной температуре. В азоте подвижность изменялась до 1000-2000 cm2/V· s при сохранении концентрации основных носителей, наблюдаемой при комнатной температуре, что свидетельствует об образовании двумерного электронного газа на границе AlGaN/GaN. По данным атомно-силовой микроскопии транзисторные гетероструктуры имеют шероховатость 0.9-3.3 nm. Кристаллическое совершенство материала оценивалось рентгеновской дифрактометрией. Для тестового образца нитрида галлия толщиной 1 mum, выращенного в условиях роста транзисторной гетероструктуры, полуширины рентгенодифракционных кривых Theta- и Theta-2Theta-сканирования для симметричного брегговского отражения составили 276'' и 55''. Общее количество дефектов во всех структурах специально не оценивалось, но составляет не менее 5· 109 cm-2. После формирования на гетероструктурах приборной топологии сопротивление омических контактов исток-сток составило 2.5-3 Omega· mm, а удельное контактное сопротивление rhoc=(6-8)· 10-6 Omega· cm2. Токи утечки через буфер после травления меза-изоляции были пренебрежимо малы и составили I=2-3 nA на 50 V (проверка осуществлялась на свету и в темноте). Коэффициент неидеальности затвор-исток составил 1.18 V, а пробивное напряжение исток-затвор >25 V, высота барьера Шоттки определялась по C-V измерениям и составила 0.93-1.02 eV. На рис. 2 представлены статические выходные ВАХ HEMT-транзистора, сформированного на гетероструктуре AlGaN/GaN, показанной на рис. 1. Приборы демонстрируют устойчивые насыщение и управляемость, при этом напряжение отсечки составляет 4 V, крутизна равна 65-80 mS/mm, ток насыщения 165-180 mA/mm, напряжение пробоя исток-сток 50 V. Основными недостатками полученных приборов являются сравнительно невысокие значения рабочих токов и крутизны, по-видимому, связанные с относительно высоким проходным сопротивлением прибора и величиной подвижности в канале соответственно. Полученные характеристики могут быть улучшены путем дальнейшего совершенствования технологии роста гетероструктуры, в первую очередь, за счет улучшения структурного качества материала как всей структуры, так и материала канала. Кроме того, улучшение характеристик возможно за счет уменьшения шероховатости гетерограниц и оптимизации легирования верхнего слоя AlGaN, а также путем дополнительной отработки технологии формирования приборной топологии, в частности режимов вжигания омических контактов и перехода на затворы меньшей длины. Таким образом, в рамках данной работы экспериментально апробирована технология изготовления полевого транзистора с барьером Шоттки (БШ) на основе эпитаксиальных структур AlGaN/GaN. Выходные статические характеристики HEMT-транзисторов с барьером Шоттки позволяет в будущем рассчитывать на успешное использование предложенной технологии изготовления транзисторных гетероструктур AlGaN/GaN, выращенных методом МЛЭ на сапфире для реализации различных типов HEMT-транзисторов.
  1. Behtash R., Tobler H., Neuburger M. et al. // Electronics Letter. 2003. V. 39. N 7. P. 626--629
  2. Shen L., Heikman S., Moran B. et al. // IEEE Transactions on Electron Devices. 2001. V. 48. N 3. P. 586--590
  3. Wu Y.-F., Kapolnek D., Ibbetson J.P., Parikh P. et al. // IEEE Electron Device Letters. 2001. V. 22. P. 457--459
  4. Алексеев А.В., Волков А.Н., Красовицкий Д.М. и др. // Изв. вузов. Материалы электрон. техники. 2001. N 1. С. 32--37
  5. Полевой транзистор. Заявка на Патент N 2003109501/28(010201). Приоритет от 01.04.03. Решение о выдаче от 28.08.03

Подсчитывается количество просмотров абстрактов ("html" на диаграммах) и полных версий статей ("pdf"). Просмотры с одинаковых IP-адресов засчитываются, если происходят с интервалом не менее 2-х часов.

Дата начала обработки статистических данных - 27 января 2016 г.