CC BY
53
Доклады БГУИР
2015 № 7 (93)
УДК 621.382
КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ СЕНСОРНЫХ УСТРОЙСТВ НА ОСНОВЕ ШИРОКОЗОННЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ
ВС. ВОЛЧЁК, ДАО ДИНЬ ХА, И.Ю. ЛОВШЕНКО, В.Р. СТЕМПИЦКИЙ
Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники П. Бровки, 6, Минск, 220013, Беларусь
Поступила в редакцию 30 октября 2015
Разработка сенсорных систем и исследование новых конструкционых решений, материалов и технологий для их получения является актуальной задачей. Транзистор с высокой подвижностью электронов находит все большее применение в таких системах. Выполнено приборно-технологическое моделирование характеристик транзисторов с высокой подвижностью электронов, изготовленных на основе АЮа^ваМ с использованием различных материалов подложки. Исследовано влияние процентного содержания Al и Ga в соединении на характеристики рассматриваемого прибора.
Ключевые слова: сенсорная система, транзистор с высокой подвижностью электронов, нитрид галлия, приборно-технологическое моделирование.
Введение
В настоящее время успешно развиваются новые научные направления, связанные с созданием интегральных сенсорных устройств для различных отраслей экономики. В ряд важнейших вопросов, решаемых в рамках указанных научных направлений, входит задача разработки микро- и наноэлектронных устройств для сенсорного контроля широкого перечня физических, химических, а также биологических параметров [1, 2]. С учетом этого проблема создания и исследования сенсорных систем, а также материалов и технологий для их получения представляется весьма актуальной.
Основой чувствительных элементов датчиков является вещество (материал), которое воспринимает входную физическую величину. В нем с помощью определенного физического явления входная величина преобразуется в сигнал, поступающий в последующую измерительную цепь. Помимо чувствительного элемента в измерительную цепь могут входить усилители, делители, фильтры, модуляторы, а также иные устройства преобразования измерительного сигнала, так как нередко нужно произвести изменения размеров или характера физической величины, прежде чем подавать ее на вход датчика. Особенно остро стоит проблема создания простых малогабаритных и легко размещаемых на объекте исследования датчиков.
Постоянное усложнение технологии изготовления и областей использования сенсорных устройств требует усовершенствования их конструктивных параметров, применения новых материалов и типов приборов. Решение данного типа задач возможно только с применением современных средств приборно-технологического проектирования технологических процессов и приборных структур микроэлектроники. При этом важно обеспечить возможность моделирования не только технологии изготовления и электрических характеристик сенсора, но и исследовать термические, механические и другие эффекты, возникающие в процессе его эксплуатации.
Перспективные материалы для полупроводниковых датчиков
В качестве основного материала для сенсорных устройств в течение нескольких десятилетий использовался кремний. Этот материал до сих пор остается привлекательным, так как хорошо отработанная технология позволяет получать сверхчистые монокристаллы кремния
больших размеров. Новыми перспективными материалами с широким спектром практических применений являются нитриды металлов третьей группы, в частности нитрид галлия. Гетероструктуры GaN и его твердых растворов обладают физическими свойствами, которые обеспечивают электронным приборам на их основе оптические, мощностные и частотные характеристики, позволяющие применять их в разных областях полупроводниковой электроники. Высокая термическая, химическая и радиационная стойкость нитрида галлия позволяет использовать его для изготовления приборов, работающих при повышенных температурах и в неблагоприятных условиях. Высокая теплопроводность упрощает решение проблем охлаждения рабочей области, а сочетание высокой подвижности электронов и значительного поля пробоя делает его пригодным для изготовления мощных высокочастотных и высокотемпературных транзисторов. Прямой характер межзонных переходов, большая ширина запрещенной зоны, образование твердых растворов изоморфного замещения с нитридами алюминия и индия обуславливают возможность значительного расширения диапазона работы изготавливаемых на его основе устройств [3]. В таблице представлены основные свойства полупроводниковых материалов [4].
Электронные свойства полупроводниковых материалов
Свойство Ед. Материал
Si GaAs InP 3C-SiC 4H-SiC 6H-SiC GaN Алмаз
Ширина запрещенной зоны, Eg эВ 1,12 1,42 1,34 2,4 3,26 3 3,39 5,47
Подвижность электронов, 1п см2/(В-с) 1500 8500 4600 1000 950 500 2000 2800
Подвижность дырок, 1р см2/(В-с) 600 400 150 40 120 80 200 2100
Скорость дрейфа электронов при насыщении, vsatx107 см/с 1,0 2,1 2,3 2,5 2,0 2,0 2,7 1,5...2
Критическое электрическое поле, Ec МВ/см 0,025 0,4 0,5 2,0 2,2 2,5 5,0 20
Коэффициент теплопроводности, К В/смК 1,5 0,55 0,7 3...4 3.4 3.4 1,3 24
Диэлектрическая проницаемость, 8 - 11,68 12,8 12,5 9,7 10 10 9,5 5,7
C FoM - 1 8,5 21 - 250 - 660 75000
* 3C, 4H, 6H - предлагаемые кристаллические структуры SiC материалов.
Для комплексного учета возможностей полупроводникового материала были предложены специальные критерии качества - «figure of merit», которые рассчитывались исходя из основных физико-химических параметров полупроводника. Для силовых полупроводниковых приборов основным таким критерием является C FoM (англ. Combined Figure of Merit) - коэффициент качества материала по отношению к кремнию для мощности и частоты. Как видно из таблицы, лучшими значениями C FoM обладают алмаз, нитрид галлия и карбид кремния. Несмотря на последние успехи [3], основными препятствиями на пути широкого внедрения приборов силовой электроники на основе алмаза являются проблемы получение высококачественного исходного материала и эпитаксиальных пленок, их высокая стоимость, сложность и дороговизна технологических процессов осаждения.
Исследуемая структура
На сегодняшний день известно множество конструкций различных сенсорных устройств на основе GaN [5-8]. Большинство из них в своей основе построены на базе транзистора с высокой подвижностью электронов (ТВПЭ, англ. HEMT). В таком транзисторе для формирования проводящего канала используется контакт двух полупроводниковых материалов с различной шириной запрещенной зоны. Этот класс приборов очень перспективен для использования в химических и биологических сенсорах, обладающих высокой чувствительностью и позволяющих проводить анализ в режиме реального времени.
Для создания гетероперехода подбирается комбинация материалов с близкими по соответствующим значениям параметрами кристаллической решетки и коэффициентом термического расширения. Распространенной парой полупроводников, удовлетворяющей данным требованиям, являются GaAs и AlGaAs, а также GaN и AlGaN (рис. 1, а).
Основным элементом AlGaN/GaN-ТВПЭ является область двумерного электронного газа (ДЭГ, англ. 2DEG), которая формируется между барьерным слоем AlxGa1-*N и нелегированным канальным слоем GaN. Ширина запрещенной зоны у AlxGa1-xN выше, чем у
GaN, что приводит к расположению границы зоны проводимости GaN в области гетероперехода ниже уровня Ферми - образуется потенциальная яма (рис. 1, б). Так как в монокристаллическом нелегированном GaN отсутствуют центры рассеяния, подвижность электронов проводимости в нем оказывается очень высокой - на уровне до 2000 см2/(В с) при комнатной температуре. Таким образом, в канальном слое GaN непосредственно под гетеропереходом формируется чрезвычайно тонкий слой с высокой плотностью и подвижностью свободных электронов.
а б
Рис. 1. Типичная структура GaN ТВПЭ (а) и потенциальная яма в области гетероперехода (б)
Верхняя часть барьерного слоя образует с металлом затвора барьер Шоттки, который управляет проводимостью канала. Для минимизации влияния поверхностных состояний на транзистор поверх барьерного слоя осаждается пассивирующий слой, например, Si3N4.
Канальный слой выращивается на толстой высокоомной подложке. Основное назначение этого слоя - электрическая изоляция активных структур на кристалле друг от друга. В качестве подложки вместо GaN часто используют другие материалы. Так, эпитаксиальные структуры GaN на подложках из сапфира, SiC, Si (111) выращиваются методами осаждения из парогазовой фазы металлоорганических соединений, молекулярно-лучевой эпитаксии и хлоридно-гидридной эпитаксии. Несмотря на впечатляющие результаты, достигнутые к настоящему времени, технология формирования исходных эпитаксиальных структур AlGaN/GaN на подложках сапфира, SiC и Si (111) методами гетероэпитаксии еще далека от совершенства [9]. Структуры имеют большую плотность дефектов (106-109 см-2).
Результаты
Моделирование приборной структуры ТВПЭ на основе GaN, а также расчет электрических характеристик прибора осуществлялось в программном комплексе компании Silvaco [10]. Сформированная транзисторная структура на основе гетероперехода АЮаКЮаК представлена на рис. 2. Структура состоит из толстого (1,475 мкм) нелегированного слоя GaN, который играет роль подложки, тонкого (25 нм) барьерного слоя А1о,зОао^ и пассивирующего слоя ^N4. Длина области ДЭГ составляет 9 мкм.
На рис. 3, а представлена зависимость тока стока 1 от напряжения на затворе из (сток-затворная характеристика) при напряжении на стоке ис = 1 В. На рис. 3, б представлена зависимость тока стока 1 от напряжения на стоке ис (сток-стоковая характеристика) при напряжении на затворе из = 1 В.
Для анализируемой приборной структуры пороговое напряжение ипор составило -6,4 В, ток стока при отсутствии напряжения на затворе - 0,3 мА (при ис = 1 В).
Рис. 2. Сформированная транзисторная структура на основе гетероперехода AlGaN/GaN
Проведено исследование влияния на электрические характеристики прибора материала подложки. В качестве материалов подложки использовались кремний Si с ориентацией (111) и карбид кремния SiC. Для частичной компенсации несоответствия решеток Si и GaN осуществляется осаждение промежуточного слоя AlN толщиной 20 нм. Толщина моделируемой области кремниевой и сапфировой подложки составляла 13 мкм.
I 1 I I ' I ' I ' I ' I ' I I
-К -7 -ft -5 -4 -.1 -2 -I 0 Напряжение mi 'затворе £/» Ei
а
(1 : 4 6 X 1(1 14
Напряжение нд стоке Е/т В
б
Рис. 3. Сток-затворная (а) и сток-стоковая (б) характеристики GaN ТВПЭ
На рис. 4 представлены сток-затворные и сток-стоковые характеристики для трех вариантов подложки. Результаты моделирования показывают, что при использовании
в качестве материала подложки сапфира AhOз электрические характеристики транзистора отклоняются не более чем на 3,9 %. Так, пороговое напряжение С/пор остается практически одинаковым (иШр = -6,57 В для AhOз-подложки, £Люр = -6,53 В для GaN-подложки). Отклонение тока стока 1 становится ощутимым только при значениях напряжения на стоке ис больше 6 В (1с = 1,54 мА для AhOз-подложки, 1с = 1,48 мА для GaN-подложки при ис = 16 В).
В то же время при использовании кремниевой подложки значение порогового напряжения снижается по модулю на 2,76 % (Цпор = -6,53 В для GaN-подложки, С/пор = -6,35 В для Si-подложки), а также наблюдается уменьшение величины тока стока 1с на 0,1 мА (напряжение на стоке ис = 10 В), что составляет 7 % от значения величины тока стока 1с для структуры с подложкой из нитрида галлия (1с = 1,43 мА для GaN-подложки, 1с = 1,33 мА для кремниевой подложки при напряжении на стоке ис = 10 В и затворе из = 1 В).
Напряжение на стока I
б
Рис. 4. Сток-затворная (а) и сток-стоковая (б) характеристики GaN ТВПЭ, сформированного на различных подложках
Значительный интерес представляет изучение влияния относительного содержания А1 и Ga в соединении AlGaN на электрические характеристики прибора.
Изменяя содержание алюминия в кристаллической решетке AlxGal-xN в широком диапазоне составов (0 < х < 1), можно управлять основным фундаментальным параметром твердых растворов - шириной запрещенной зоны Eg в диапазоне от от 3,4 эВ ^аЭД до 6,2 эВ (ЛЩ
На рис. 5 показаны сток-затворные и сток-стоковые характеристики транзистора при различных относительных составах соединения АЮа№ Из зависимостей тока стока 1с
от напряжения на затворе из, представленных на рис. 5, а, видно, что уменьшение процентного содержания А1 и увеличение Ga в соединении AlGaN приводит к существенному сдвигу порогового напряжения в положительном направлении. Так, при уменьшении процентного содержания А1 в соединении А1*Оа1^ до значения х = 0,27, величина порогового напряжения Цдор по модулю уменьшается на 12,56 % (Цдор = -6,53 В для содержания А1 х = 0,3, Цдор = -5,71 В для х = 0,27). При дальнейшем уменьшении величины процентного содержания
А1 до значения х = 0,25 величина Цдор = -5,17 В, что составляет 9,46 %.
порогового напряжения £/Шр принимает значение
1 I 1 I 1 г
4 (I а 10 12 1-1 Напряжет 1С нд стокс О'с В
б
Рис. 5. Сток-затворная (а) и сток-стоковая (б) характеристики GaN ТВПЭ при различных относительных составах соединения AlGaN
При этом ток стока 1 снижается при уменьшении содержания А1 (в дипазоне 0,25 < х < 0,3). Так при напряжении на затворе затворе из = 1 В и стоке ис = 10 В ток стока 1 при процентном содержании А1 х = 0,27 равен 1с = 1,07 мА, что составляет 25,17 % от значения при содержании А1х = 0,3 (1с = 1,43 мА). При дальнейшем уменьшении содержания А1 (х = 0,25) ток стока 1с уменьшается на 19,6 % (1с = 0,86 мА).
Заключение
Выполнено приборно-технологическое моделирование характеристик транзисторов с высокой подвижностью электронов, изготовленных на основе A1GaN/GaN с использованием различных материалов подложки. Результаты моделирования показывают, что при
использовании в качестве материала подложки сапфира AI2O3, электрические характеристики транзистора отклоняются не более чем на 3,9 % (при значениях напряжения на стоке Ц > 6 В). Использование кремниевой подложки приводит к снижению по модулю значения порогового напряжения на 2,76 % (со значения Цпор = -6,53 В для GaN-подложки до Цор = -6,35 В для Si-подложки), а также к уменьшению величины тока стока I на 0,1 мА (напряжение на стоке Ц = 10 В), что составляет 7 %.
Исследовано влияние процентного содержания Al и Ga в соединении AlxGax-1N. Уменьшение процентного содержания Al и увеличение Ga в соединении AlxGax-1N приводит к существенному сдвигу порогового напряжения в положительном направлении (20,8 % при изменении содержания Al от х = 0,3 до х = 0,25). При этом ток стока 1с снижается на 39,9 % (1с = 1,43 мА при x = 0,3 и 1с = 0,86 мА при x = 0,25) при напряжении на затворе Ц = 1 В и стоке Ц = 10 В.
Исследования выполняются при финансовой поддержке государственных программ научных исследований «Информатика и космос» (задание 1.06) и «Электроника и фотоника» (задание 1.1.16).
CONSTRUCTION AND TECHNOLOGICAL CHARACTERISTICSOF WIDE BANDGAP SEMICONDUCTORS SENSORS
VS. VOLCHEK, DAO DINH HA, I.Yu. LOVSHENKO, V.R. STEMPITSKY
Abstract
The development and research of new constructive solutions, materials and technologies for sensor systems production is an actual problem. The transistor with high electron mobility (HEMT) is increasingly being used in such systems. The device-technological simulation of the characteristics of HEMT, based on AlGaN / GaN using different substrate materials has implemented. The influence of the percentage of Al and Ga in combination Al*Ga*-1N on the characteristics of considered unit has studied.
Список литературы
1. Наука за рубежом. Ежемесячное обозрение. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: www.issras.ru/global_science_review. - Дата доступа: 30.10.2015.
2. Мейджера Дж. К. М. Интеллектуальные сенсорные системы. М., 2011.
3. Васильев А., Данилин В., Жукова Т. // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. 2007. №4. С. 68-76.
4. Колотун О. // CHIP NEWS Украина. 2013. № 2 (122). С. 2-6.
5. Nariaki Ikeda, Jiang Li, Sadahiro Kato u.a. // Furukawa Review. 2006. № 29. P. 1-6.
6. Jeong-Sun Moon, Nicholas Prokopuk, Kyung-Ah Son. GaN-based sensor nodes for in situ detection of gase / Patent US 7,403,113 B2.
7. Vitushinsky R. Electrochemical sensor comprising a 2-dimensional electron gas layer (2DEG) and method for electrochemical sensing using such electrochemical sensor / Patent EP 2 479 563 B1.
8. VinodKumar Khanna // Frontiers in Sensors (FS). 2013. N3
9. Taking S., MacFarlane D., Wasige E. // Hindawi Publishing Corporation Active and Passive Electronic Components Volume. 2011. Article ID 821305.
10. Victory Process User's Manual User's Manual. Device simulation software [Электронный ресурс]. -Режим доступа: victoryprocess_users.pdf. - Дата доступа: 30.10.2015.te materials.
