CC BY
155
УДК 621.382.323
Б.И.Селезнев, Л.М.Семенова
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК СТРУКТУР СВЧ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ
НА АРСЕНИДЕ ГАЛЛИЯ
Институт электронных и информационных систем НовГУ
Diagnostics results of kvantovo-dimensional heterostructures on gallium arsenide, using Hall and ellipsometric measurements techniques under level-by-level etching, are represented. Estimations of influence of both technology factors and type of initial epitaxial structures on the channels resistance of field-effect transistors with Schottky-barrier are carried out. Substantiated option of structures type for switching-type transistor manufacturing is represented.
Введение
На современном этапе развития радиоустройств СВЧ все большее применение находят передающие, приемные и приемопередающие активные фазированные антенные решетки (АФАР) [1]. Ключевым элементом АФАР являются приемопередающие модули (ППМ), обеспечивающие управление по амплитуде и фазе распределения сигнала в апертуре решетки. Требования идентичности ППМ обусловлены принципом работы АФАР, обеспечить же выполнение этих требований по электрическим параметрам проще при использовании в качестве функционально законченных блоков монолитных интегральных схем. Одним из основных элементов ППМ является устройство, обеспечивающее управление сигнала по амплитуде, — аттенюатор. На практике чаще всего используются аттенюаторы на основе p-i-n диодов или полевых транзисторов с барьером Шотки (ПТШ) [2].
В настоящее время широкое применение нашли аттенюаторы на ПТШ. Преимущества их перед аттенюаторами на p-i-n диодах состоят не только в технологической возможности интеграции на кристалле всей схемы, т. е. создания монолитной схемы, но и в отсутствии потребляемого тока в цепи управления.
Применение гетероструктур (структур переменного состава AlGaAs/GaAs или AlGaAs/InGaAs) с селективным легированием вместо структур на GaAs позволяет достичь повышения СВЧ параметров полевых транзисторов с барьером Шотки. Это является следствием реализации в такой структуре механизма локализации электронов в тонком слое полупроводника (так называемый двумерный электронный газ). Наноразмерность проводящего слоя и его вытеснение в нелегированный материал приводят к существенному возрастанию подвижности электронов и скорости их насыщения, что благоприятно сказывается на работе транзистора в сантиметровом и миллиметровом диапазонах длин волн [3]. Уровень развития эпитаксиального наращивания в России позволяет получать гетероструктуры с плотностью электронов в двумерном проводящем слое до 2-1012 см-2 (более 3 -1012 см-2 в случае «двусторонних» гетероструктур), которые могут служить исходным материалом для рНЕМТ (pseudomorphic high electron mobility transistor) с удельной плотностью тока 300 мА/мм.
Один из основных параметров, определяющих свойства аттенюатора, — потери при прохождении
сигнала через ПТШ, минимизация которых является довольно сложной и актуальной проблемой. Потери в ПТШ прежде всего связаны с конечным сопротивлением ключа: не равным нулю в открытом состоянии и не равным бесконечности в закрытом состоянии. Транзисторы, используемые в аттенюаторах в качестве ключей, должны иметь ток стока не больше 100 мкА при напряжении затвора 2,5-3 В.
В работе рассматриваются методики оценки качества исходных гетероструктур и рассматриваются возможности уменьшения сопротивления транзистора в открытом состоянии за счет использования современных гомо- и гетероэпитаксиальных структур на основе арсенида галлия.
Диагностика гетероструктур
В качестве тестовых структур, на которых опробованы методики диагностики, были использованы гетероэпитаксиальные структуры GaAs/GaAlAs/GaAs (так называемые НЕМТ-структуры) (рис.1).
Рис.1. Схематическое изображение гетероструктуры GaAs/GaAlAs/GaAs
Подвижность электронов и поверхностная концентрация — две ключевые характеристики гетероструктур, определяемые параметрами роста и составом слоев. Они связаны с характеристиками полевых транзисторов и являются мерой качества гетероструктур. Электрофизические параметры гетероструктур (поверхностное сопротивление Я$, поверхностная концентрация Пц, эффективная подвижность цЭФ) измерялись холлов-ским методом Ван-дер-Пау при температурах 77 К и 300 К. Форма образца выбиралась в виде квадрата 8x8 мм. Контакты наносились вплавлением олова по углам квадрата. Магнитная индукция составляла 0,39 Тл [4].
Измеряемая гетероструктура резко неоднородна по проводимости: верхний высокопроводя-щий п+-слой ваАє, далее п-слой ваАІАє и слой двумерного газа с высокой проводимостью при 77 К, сравнимой с проводимостью п+-слоя. Измеряемые начальные значения электрофизических параметров при комнатной температуре в основном соответствуют параметрам п+-слоя, а при 77 К являются эффективными. Поэтому для определения параметров двумерного газа необходимо прецизионно удалить шунтирующий слой.
Послойное удаление п+-ОаАє слоя проводилось анодным окислением с автоматическим контролем толщины анодного окисла по коэффициенту отражения лазерного излучения (X = 6328 А) в процессе окисления. В результате одного анодирования снимается слой толщиной Ах = 0,75-й?ок (<^ОК — толщина анодного окисла).
Переход п+-ваАє — п-ваАІАє фиксировался по следующим наблюдениям: появление цветности; несмачиваемость поверхности ваАІАє в отличие от ваАє, п8 (300 К) = п8 (77 К).
В табл.1 приведены результаты измерений электрофизических характеристик для двух состояний образцов: начальные значения и после удаления шунтирующего п+-слоя ваАє.
Исследование сопротивления канала транзистора
Были исследованы транзисторы, изготовленные на гетероэпитаксиальных структурах АІОаАє/ІпОаАє/ОаАє, и транзисторы, изготовленные на эпитаксиальных структурах арсенида галлия (поперечный разрез и топология исследуемых транзисторов приведены на рис.2 и 5). Проведен сравнительный анализ сопротивлений канала транзисторов.
Сопротивление ПТШ Яуг , Ом рассчитывается на начальном участке ВАХ транзистора, характеризующегося линейной зависимостью тока стока (1С) от напряжения сток-исток (иси). Выходное сопротивление ПТШ, при отсутствии управления на затворе, складывается из двух сопротивлений:
Куг = Як + кок , где Як — сопротивление канала ПТШ в открытом состоянии, Ом; Кок — сопротивление омических контактов ПТШ (стока и истока), Ом. Для уменьшения сопротивления ПТШ необходимо уменьшать обе составляющие его сопротивления при сохранении высокочастотных свойств транзистора.
Сопротивление канала определяется следующими параметрами транзистора [5].
Таблица 1
Электрофизические параметры гетероструктур ваАБ/ваА^/ваАБ (начальные) и двумерного газа (после снятия шунтирующего слоя)
Номер Т К Начальные значения После снятия шунтирующего слоя
образца К* Ом/П %, см 2 см2/В-с Кж, Ом/П %, см 2 см2/В-с
300 124 2-1013 2570 868 1,2-1012 5800
1 77 60 6,3 -1012 16800 128 1,1-1012 44100
300 137 1,7-1013 2700 978 1,1-1012 5680
2 77 63 5,5-1012 2400 132 1-1012 48400
300 — — — 1000 0,8-1012 7738
3 77 — — 86 1,2-1012 61000
300 103 3,7-1013 2000 1500 0,7-1012 6500
77 — — 52000 146 0,8-1012 54000
377 — 2-1013 — 1300 0,63-1012 5100
5 77 — — — 170 0,6-1012 41000
Из табл.1 следует, что средние параметры двумерного электронного газа при 77 К составляют: п8~ 1Т012см-2, ~ 50000 см2/В-с.
Контроль толщины стравливаемого слоя ва^А^АБ и оценка состава (величины х) проводились с помощью эллипсометрических измерений при послойном травлении. Для этого применялся лазерный эллипсометр (X = 6328 А) [4].
Сравнение с теоретической номограммой дает х = 0,25, толщину слоя АЮаАБ — 40 нм. Переход п+-ОаАБ-ОаА1АБ характеризуется равенством концентраций п8 (300 К) = п8 (77 К) = 0,63-1012 см 2, что дает концентрацию носителей заряда в слое ваА1АБ п = 1,6-1017 см-3.
1. Конструкция транзистора, а именно ширина затвора (№З) и длина канала (£К). Минимальная длина канала ПТШ ограничивается технологией изготовления и составляет 3 мкм. Выбор максимальной ширины затвора ПТШ ограничивается рабочим частотным диапазоном.
2. Исходный материал. Сопротивление канала определяется характеристиками исходного материала (подвижностью д и концентрацией носителей заряда п) и практически не может быть увеличено в процессе изготовления транзистора.
Для исследования влияния ширины затвора на сопротивление Як по групповому комплекту шаблонов были изготовлены транзисторные структуры с различной шириной затвора (150, 300 и 600 мкм).
Затвор
Исток
Контактный слой
Барьерный спой^
Сток
Кп=5-1018см3)
Уп-ЭаА5 (п=5-1016см^
Слой п- АІ^а, ,х А5~ТГ=0,24, п - 5 -1016см~:
Слой пГ-А^а^АБ (х=0,24, п=2,5 -Ю^см"
Спейсер (і- АІ-ра^Ав)
Канал і- ІіуЗа,./^ (у=0.16-0.17)
2-ой буферный слой (п<1-1015см )
=Сверхрешетка(20 периодов)!
1-ый буферный слой (п<1-1015см )
Подложка
а)
ДЭГ
Рис.2. Транзистор, изготовленный на pHEMT-структуре: а) поперечный разрез; б) схематическое изображение топологии
Транзисторы изготавливались на структурах типа рНЕМТ (рис.2) на основе АІОаАє/ІпОаАє/ОаАє, отличительной особенностью которых является наличие двумерного электронного газа (ДЭГ) в активном слое, характеризующегося высокой подвижностью носителей заряда порядка 6500 см2/В-с и их высокой концентрацией порядка 1,2-2-Ш12 см-2. Учитывая высокие значения произведения п-д, можно предполагать, что сопротивление канала транзисторов должно быть меньшим по сравнению с транзисторами, изготовленными на других типах эпитаксиальных структур.
Вольтамперные характеристики для транзисторов, изготовленных на рНЕМТ-структуре, представлены на рис.3.
Значения сопротивления ПТШ, представленные на рис.4, имеют одинаковую составляющую — сопротивление омических контактов Кок, которое
равно 2-3 Ом, и его вклад не изменяет характера зависимости.
Для исследования возможности получения ключевых транзисторов с малым сопротивлением канала на эпитаксиальных структурах типа САГ-6БК (структура арсенида галлия марки 6БК) были изготовлены транзисторы четырех типов по различной технологии (рис.5), отличающейся в первую очередь уровнем начального тока стока в открытом состоянии, когда напряжение затвор-исток иЗИ = 0. Измерены вольт-амперные характеристики транзисторов, (типовую
ВАХ см. на рис.6), а результаты расчета КК на единичную ширину затвора ШЗ, равную 1 мм (КК1), представлены в табл.2. Ток стока насыщения 1с нас определяется по резкому снижению приращения тока при увеличению напряжения сток-исток, а иси нас — напряжение насыщения; КК — сопротивление канала транзистора на линейном участке ВАХ.
иСИ!в
Рис.3. Усредненные ВАХ ПТШ с разной шириной затвора Мз: 1 — 150 мкм, 2 — 300 мкм, 3 — 600 мкм
Ширина затвора, мкм
Рис.4. Зависимость сопротивления ПТШ в открытом состоянии от ширины затвора
Рис.5. Транзистор, изготовленный на эпитаксиальной структуре типа САГ-6БК: а) поперечный разрез; б) схематическое изображение топологии
электронов в активной области канала также являются предельными), но и сечением канала, поскольку канал в данном случае является объемным.
Как и ожидалось, наименьшим значением КК обладают транзисторы с большим начальным током. Транзисторы на эпитаксиальных структурах типа САГ-6БК, изготовленные по различной технологии, отличаются в первую очередь уровнем начального тока стока в открытом состоянии (иЗИ = 0). Таким образом, для транзистора на структуре типа САГ-6БК, характеризующегося максимальным начальным уровнем тока стока для выбранной ширины затвора (табл.2), значение КК составляет ~ 1,7 Ом/мм, что превосходит достигнутые значения КК на более дорогих структурах типа рНЕМТ.
иВ
'СИ
Рис.6. Типовая ВАХ транзисторов на структуре САГ-6БК
Таблица 2
Выходное сопротивление ПТШ на эпитаксиальной структуре САГ-6БК в открытом состоянии
Тип К 1с на^ мА иси на^ В Кк, Ом КК1, Ом
I 50 20 1,0 33,65 1,68
II 100 26 0,8 26,64 2,66
III 150 22 1,0 35,24 5,29
IV 225 52 0,8 13,53 3,04
Обсуждение полученных результатов
Для ПТШ, изготовленных на структурах типа рНЕМТ, значение сопротивления КК для разной ширины затвора воспроизводимо и соответствует уровню и 3 Ом/мм. Дальнейшее уменьшение КК представляется достаточно проблематичным, так как сопротивление канала определяется характеристиками двумерного электронного газа — произведением п-д, увеличение концентрации носителей заряда приводит к уменьшению их подвижности.
Для структур типа САГ-6БК сопротивление канала определяется не только характеристиками исходного материала (концентрация и подвижность
Заключение
Для диагностики квантово-размерных гетероструктур ОаАє/ОаАІАє/ОаАє были использованы методики на основе холловских и эллипсометрических измерений при послойном травлении. Данные методики могут быть использованы и для диагностики гетеро-эпитаксиальных структур АЮаАє/ІпОаАє/ОаАє.
На гетероэпитаксиальных и эпитаксиальных структурах на основе арсенида галлия изготовлены транзисторы и проведен сравнительный анализ сопротивлений канала транзисторов, изготовленных на разных типах структур.
Для СВЧ полевых транзисторов с барьером Шотки, изготовленных на гетероструктуре рНЕМТ, сопротивление канала в открытом состоянии при разной ширине затвора воспроизводимо и составляет около 3 Ом/мм.
Эпитаксиальные структуры типа САГ-6БК более предпочтительны для изготовления ключевых транзисторов, поскольку недороги и позволяют получать значения КК менее 2 Ом/мм.
1. Вендик О.Г. // Соросовский образовательный журнал. 1997. №2. С.115-120.
2. Твердотельные устройства СВЧ в технике связи / Л.Г.Гасанов, А.А.Липатов, В.В.Марков, Н.А.Могильчен-ко. М.: Радио и связь, 1988. 288 с., ил.
3. Устинов В.М. и др. // Микроэлектроника. 1994. Т.23. №4. С. 13-18.
4. Seleznev B.I. // Third Testing and Computer Simulation in Science and Engineering. St. Petersburg, Russia, June 7-11. 1999. Vol.4064. Р.308-315.
5. Селезнев Б.И. // Петербургская электроника. 2005. Вып.3(44). С.4-12.
