CC BY
152
Смирнов Владимир Александрович
E-mail: sva@fep.tti.sfedu.ru.
Кафедра технологии микро- и наноэлектронной аппаратуры; к.т.н.; доцент.
Солодовник Максим Сергеевич
E-mail: solodovnikms@mail.ru.
Кафедра технологии микро- и наноэлектронной аппаратуры; аспирант.
Авилов Вадим Игоревич
E-mail: Avir89@yandex.ru.
Кафедра технологии микро- и наноэлектронной аппаратуры; магистрант.
Ageev Oleg Alexeevich
Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Autonomy Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”.
E-mail: ageev@fep.tti.sfedu.ru.
2, Shevchenko Street, Taganrog, 347928, Russia.
Phone: +78634371611.
The Department of Micro- and Nanoelecronics; Head the Department; Dr. of Eng. Sc., Professor.
Smirnov Vladimir Alexandrovich
E-mail: sva@fep.tti.sfedu.ru.
The Department of Micro- and Nanoelecronics; Cand. of Eng. Sc.; Associate Professor.
Solodovnik Maksim Sergeevich
E-mail: solodovnikms@mail.ru.
The Department of Micro- and Nanoelecronics; Postgraduate Student.
Avilov Vadim Igorevich
E-mail: Avir89@yandex.ru.
The Department of Micro- and Nanoelecronics; Undergraduate.
УДК 621.373.8.002
O.A. Агеев, Ю.Н. Варзарёв, A.B. Рукомойкин, M.C. Солодовник ПОЛУЧЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ HEMT-СТРУКТУР НА ОСНОВЕ GaAs
-
КОМПЛЕКСЕ НАНОФАБ НТК-9
Различные типы гетероструктур с селективным легированием на основе GaAs для создания приборов СВЧ-электроники были получены методом молекулярно-лучевой эпи-
,
НАНОФАБ НТК-9. HEMT-ст^ктуры оптимизированной конструкции имеют концентрацию 1,28-lQ12 см-3 и подвижность 5465 cm2/B-c. В структурах типа pHEMT подвижность носителей достигает 74QQ см2/В-с при концентрации 1,83-lQ12 см-3. HEMT-структуры всех типов имеют высокую однородность и воспроизводимость параметров.
Молекулярно-лучевая эпитаксия; GaAs; гетероструктуры; HEMT; pHEMT.
O.A. Ageev, Yu.N. Varzarev, A.V. Rukomoykin, M.S. Solodovnik
OBTAINING AND INVESTIGATION OF HEMT-STRUCTURE BASED ON GaAs FOR ULTRA HIGH FREQUENCY FIELD EFFECT TRANSISTORS AT NANOTECHNOLOGICAL SYSTEM NANOFAB NTF-9
Different types of heterostructures with selective doping based on GaAs for making microwave electronics was obtain by method molecular-beam epitaxy, integrated in consist ultrahigh-vacuum nanotechnological system NANOFAB NTF-9. HEMT structure of optimized construction
have concentration carrier 1,28-lQ12 cm 3 and mobility 5465 c^/V-s. In structures of type pHEMT carrier mobility achieve 74QQ cm2/V-s at concentration 1,83-1Q12 cm-3. All types HEMT structure have high homogeneity and reproducibility parameter.
Molecular-beam epitaxy; GaAs; heterostructures; HEMT; pHEMT.
Развитие средств телекоммуникаций и связи во многом стало возможным благодаря успехам в области проектирования и технологии приборов полупроводниковой электроники сверхвысоких частот. В результате научно-технического прогресса в этой сфере в течение последних двух десятилетий развились отрасли новых знаний и технологий, которые привели к появлению систем спутниковой и сотовой связи и телевидения, беспроводных сетей обмена данными, систем глобальной навигации и позиционирования, новых поколений средств радиолокации . . -, -коемких отраслей производства. Синтез и применение новых материалов, широкое использование и совершенствование прецизионных технологий формирования - , , контроля, проектирования и моделирования - всё это в совокупности привело к реализации приборов на основе гетеропереходов и сверхрешёток, теоретическая проработка которых была начата ещё в 60-х годах XX века. Концепция использо--
СВЧ-транзисторов, предложенная в 1969 г., была реализована на практике в 1980 г. созданием первого транзистора с высокой подвижностью электронов (high electron mobility transistor, HEMT) на основе AlGaAs/GaAs. Структура типа HEMT легла в основу элементной базы современной СВЧ-электроники, существенно потеснив традиционные приборные структуры [1, 2].
HEMT-
технологией производства прибора. Однако важнейшие электрофизические параметры транзистора - подвижность и концентрация носителей - задаются непосредственно конструкцией самой гетероструктуры, а также технологическим про. HEMT (pHEMT),
где материалом канала служит раствор InGaAs, обеспечило дальнейшее улучшение параметров транзистора.
HEMT-
структур является актуальной задачей. Целью данной работы является получение
- HEMT
pHEMT на нанотехнологическом комплексе НАНОФАБ НТК-9.
Экспериментальные образцы согласованных и напряженных гетероструктур с селективным легированием выращивались в модульной системе молекулярнолучевой эпитаксии STE-35, входящей в состав ростового кластера многофункционального сверхвысоковакуумного нанотехнологического комплекса НАНОФАБ НТК-9 [3].
Для роста структур использовались пластины полуизолирующего GaAs (100),
. 50 -
350 5000 2,
удельное сопротивление 2,7-108 Ом-см и подвижность носителей 4520 cm2/B-c. Контроль температуры и управление источниками осуществлялись автоматически с точностью до ±0,5 °С. Потоки ростовых компонент третьей группы (Ga, In, Al) калибровались перед началом осаждения каждой экспериментальной структуры по данным системы наблюдения дифракции отраженных быстрых электронов ( ).
картинам ДОБЭ и составляла 1 монослой в секунду (или 1 мкм/ч). Соотношение эффективных потоков ростовых компонент третьей и пятой групп выдерживалось на уровне 1:4.
Предростовая подготовка пластин заключалась в удалении пассивирующего слоя окисла путем отжига непосредственно в ростовой камере при температуре 580 X. Управление температурой подложки осуществлялось с помощью пирометрической системы контроля. После сгона окисла на всех образцах проводился эпитаксиальный рост буферного слоя, препятствующего прорастанию дислокаций исходной подложки в активные слои гетероструктуры, путем осаждения 800 нм нелегированного ОаЛ8. Затем проводился рост экспериментальных структур.
С целью оптимизации условий роста и контроля качества осаждаемого материала первоначально был выращен образец № 1, представляющий собой гомоэпи-таксиальный слой нелегированного ОаЛ8 толщиной 12 мкм.
Для калибровки легирующей компоненты были выращены образцы № 2-7, состоящие из осажденного поверх буфера слоя эпитаксиального легированного кремнием ОаЛ8, концентрация примеси в котором изменялась от образца к образцу. Толщина легированного слоя изменялась от 0,5 до 2 мкм. Ростовой процесс проводился при температуре 580 Т. Наблюдение на поверхности картины сверхструктуры (2x4) свидетельствовало о послойном характере роста и атомарной гладкости формируемых плёнок.
На следующем этапе ростовых экспериментов были получены согласованные гетероструктуры ЛЮаЛ8/ОаЛ8, являющиеся основой для формирования НЕМТ-транзисторов. Для этого поверх буферного слоя сначала осаждался спей-сер-слой нелегированного тройного соединения ЛЮаЛ8 толщиной 2 нм. Толщина слоя выбиралась исходя из того, чтобы, с одной стороны, снизить рассеяние формирующегося у гетерограницы ЛЮаЛ8ЮаЛ8 слоя двумерного электронного газа на ионизированных атомах примеси вышележащего донорного слоя, с другой сто, -циальный барьер слоя нелегированного широкозонного материала. Мольная доля
0,22.
Данное значение является оптимальным, позволяя выдержать в допустимых пределах величину потенциального барьера на гетерогранице и концентрацию БХ-центров, формирующих в ЛЮаЛ8 глубокие ловушки. Затем выращивался донор-ный слой ЛЮаЛ8 толщиной 35 нм, легированный кремнием. Сверху осаждалось 10 нм нелегированного ЛЮаЛ8. Завершалось формирование структуры нанесением слоя высоколегированного ОаЛ8 толщиной 10 нм с концентрацией кремния 4-1018 см"3. Прикрывающий слой ОаЛ8 служит для улучшения омичности формируемых впоследствие контактов и защиты Л1-содержащих слоёв от окисления в атмосфере воздуха. Кроме того, наличие на поверхности легированного слоя ОаЛ8 улучшает электрофизические свойства всей гетероструктуры, дополнительно экранируя флуктуации потенциала путём заполнения поверхностных состояний свободными носителями [4].
Температура подложки в процессе эпитаксии не менялась и составляла 580 Т. С целью оптимизации конструкции гетероструктуры была выращена серия образцов
. НЕМТ-
приведена на рис. 1,а.
В завершении ростовой серии были выращены образцы напряженных псевдо-морфных структур ЛЮаЛ8/1иОаЛ8/ОаЛ8, предназначенных для изготовления рНЕМТ-^анзисторов. Для этого после осаждения буферного слоя ОаЛ8 при температуре 580 °С температура подложки понижалась до 420 °С и выращивался слой 1п-ОаЛ8 толщиной 12 нм с содержанием индия 0,22 для избежания термической десорбции атомов индия, приводящей к нарушению состава тройного соединения. Со-
держание индия должно удовлетворять требованиям к величине разрыва зон на ге, ,
канала - с другой. Существенное различие параметров решетки 1пЛ8 и ОаЛ8 (порядка 7 %) приводит к возникновению деформаций сжатия, ограничивающих толщину
- -
Блексли [5].
N+ GaAs cap layer (100 A, N=4E+18) undoped AlxGa^xAs spacer (100 A, x=0,22)
N-AlxGa^xAs donor layer (350 A, x=0,22, N=1E+19)
undoped AlxGaj-xAs spacer (20 A, x=0,22)
undoped GaAs buffer (8000 A)
SI GaAs substrate (350 mkm)
a
Puc. 1. Схема экспериментально полученных структур HEMT (a), pHEMT (б)
Затем температура подложки повышалась до 580 °С и формировалась осталь-. AlGaAs
3,6 AlGaAs 20 , -
ванный кремнием до концентрации 3-1018 см"3. Затем осаждалось 15 нм барьерного
AlGaAs. GaAs, -
го кремнием до 4-1018 см-3, толщиной 8 нм. Мольная доля алюминия во всех слоях
0,22. . 1, .
Контроль поверхности всех полученных образцов осуществлялся методом растровой электронной микроскопии (РЭМ) на приборе Nova NanoLab 600. Отсутствие видимых дефектов и неровностей на картине РЭМ свидетельствует о высоком совершенстве эпитаксиальных слоев. Кроме того, был выполнен разрез структуры фокусированными ионными пучками, РЭМ-изображение которого приведено . 2, .
В дополнение к РЭМ анализ поверхности проводился методом контактной атомно-силовой микроскопий (ACM) на сверхвысоковакуумном модуле сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ) кластера локальных технологий комплекса НАНОФАБ НТК-9. Характерная АСМ-картина поверхности полученной
. 2, . 1
5,9 , - 3,48 , -
- 0,7 . ( 2-7) -
ных (образцы № 8-14) структур разброс высот по поверхности скана размером 50x50 мкм не превысил 1,7 нм.
0,76 , -
неквадратичного отклонения - 0,16 нм. Резкое различие степени развитости рельефов образца №1 и остальных структур обусловлено значительной толщиной эпитаксиального слоя в первом случае. Существенное увеличение толщины плёнки при непрерывном осаждении материала приводит не только к нарушениям процессов послойного роста, но и к генерации различных типов дефектов кристалли-, -
: 1270 -2 -
разца № 1 и 300-340 см-2 для образцов № 2-7.
N+ GaAs cap (83 А, п=4Е+18)
undoped AlxGai.xAs barrier (150 А, х=0,22)
N-AlxGa-i_xAs donor layer (208 A, x=0,22, n=3E+18)
undoped AlxGa^xAs spacer (36 A, x=0,22) undoped lnxGai.xAs channel (120 A, x=0,22)
undoped GaAs buffer (8000 A)
SI GaAs substrate (350 mkm)
б
Рис. 2. РЭМ-изображениеразреза (а) и АСМ-изображение поверхности (б)
НЕМТ- структуры
Анализ электрофизических характеристик выращенных структур проводился на приборе Ееор1а НМ8-3000. На первом этапе измерялось удельное сопротивление образца по методу ван дер Пау. Затем по методу Холла определялась концентрация носителей в исследуемой структуре. На основании полученных данных определялась подвижность носителей заряда. Измерения проводились при токе 1 мА в магнитном поле с индукцией 0,59 Тл на образцах размером 1x1 см. Омические контакты формировались вжиганием сплава 1п (95 %)-8п (5 %).
В образце № 1 подвижность носителей составила 473,7 см2/В*с при концентрации фоновой примеси 1,23*1014 см-3. Удельное сопротивление структуры составило 2,5 кОм*см. Полученные результаты позволяют говорить о высокой степени чистоты осаждаемого материала, достаточной для изготовления приборных струк-. 2-7 -
вижности основных носителей и удельного сопротивления слоев ОаЛ8 от концен-
, . 3, , . -
ные данные позволяют дать хорошую оценку структурного совершенства полученных эпитаксиальных слоев.
1000 —I ■ ■ ■ I 11--------1---1—■ ■ ■ I ■. I-----1-.—I ■ I ■ • ■ I I I I I I------р----р 1—.......... .............1-р 1—.......
1Е17 1Е18 1Е19 1Е17 1Е18 1Е19
Концентрация, см-3 Концентрация, см-3
а б
Рис. 3. Влияние концентрации примеси на подвижность носителей (а) и сопротивление структур (б)
Результаты холловских измерений параметров ИБМТ-структур представлены в табл. 1. На основании полученных численных данных были построены зависимости концентрации ДЭГ от степени легирования донорного слоя (рис. 4,а) и подвижности носителей ДЭГ от их концентрации в канале (рис. 4,6).
1
Результаты измерений параметров НЕМТ-структур
№ образца Концентрация примеси, см"3 Концентрация ДЭГ, см-3 Подвижность ДЭГ, см2/В-с
8 51017 2,52-1010 3259
9 71017 2,23-1011 5477
10 11018 6,75-1011 5626
11 1,3-1018 9,11-1011 5676
12 1,4-1018 1,28-1012 5465
Как следует из представленных на рис. 4,а данных, с возрастанием концентрации легирующей примеси концентрация носителей в слое ДЭГ сначала растёт , . -лено заполнением электронами свободных состояний в потенциальной яме на гетерогранице ЛЮаЛ8ЮаЛ8. Дальнейшее увеличение степени легирования структуры может привести к появлению параллельной проводимости по вышележащему донорному слою, что отрицательно скажется на ключевых характери.
. 4, -
менно с увеличением концентрации носителей в потенциальной яме связан с возрастанием степени локализации волновой функции электронов слоя двумерного газа по мере заполнения ими первой энергетической подзоны, что снижает рассеяние на ионизованных примесях донорного слоя. Однако рост характеристики наблюдается до некоторого значения концентрации ДЭГ, после которого начинается , -зоны [1].
6Е17 8Е17 1Е18 1.2Е18 1.4Е18
Концентрация примеси, см-3
а
1Е11
Концентрация ДЭГ, см-2 б
Рис. 4. Результаты измерений электрофизических параметров НЕИТ-структур
методом Холла
В табл. 2 представлены результаты измерений методом Холла параметров оптимизированных рНБМТ-структур при комнатной температуре (300 К) и температуре жидкого азота (77 К). Близость значений подвижности и концентрации к максимально возможным для данного сочетания выбора материалов и конструк-
ции гетероструктуры свидетельствуют о высоком кристаллическом совершенстве транзисторных структур и оптимальных режимах их формирования.
Таблица 2
Результаты измерений параметров рНЕМТ-структур
№ образца 300 К 77 К
Концентрация ДЭГ, см-3 Подвижность ДЭГ, см2/В-с Концентрация ДЭГ, см-3 Подвижность ДЭГ, см2/В-с
26 (рНЕМТ) 1.80-1012 7 198 1.75-1012 20670
27 (рНЕМТ) 1.83-1012 7 395 1.88-1012 21 040
Контроль распределения параметров выращенных HEMT- и рНЕМТ-струк-тур по поверхности пластин проводился методом бесконтактного измерения слоевого сопротивления на установке LEI 1510 (Lehighton Electronics). Используемая в приборе методика является неразрушающим методом контроля, что позволяет получать картину распределения сопротивления гетероструктуры по всей площади пластины без нарушения её целостности. Г истограмма распределения сопротивления приведена на рис. 5.
Номер точки Номер точки
а б
Рис. 5. Гистограмма распределения слоевого сопротивления по пластине для структур НЕМТ (а), рНЕМТ (б)
Среднее значение слоевого сопротивления для оптимизированных НЕМТ-структур составило 901,2 Ом/П, для рНЕМТ - 174,3 Ом/П. Максимальный разброс сопротивления по пластине для структур обоих типов составил 0,5 %.
,
-9 -
типа НЕМТ и рНЕМТ на пластинах ОаЛ8 (100) диаметром 50 мм. Оптимизация процессов изготовления и конструкции гетероструктур позволила получить НЕМТ-структуры с подвижностью носителей 5465 см2/В-с при концентрации ДЭГ 1,28-1012 см-3 по данным измерений Холла. Также получены рНЕМТ-структуры с подвижностью 7400 см2/В-с при концентрации носителей 1,83-1012 см-3. Разброс сопротивления структур по пластине не превысил 0,5 %, что говорит о высокой степени однородности и качества эпитаксиального материала. Результаты данной работы могут быть использованы при разработке конструкции и технологии изго-НЕМТ- -
миллиметрового диапазонов дли волн.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Шур М. Современные приборы на основе арсенида галлия: Пер. с англ. - М.: Мир, 1991.
- 632 с.
2. . ., . ., . . .
НЕМТ-гетероструктуры InGaAs/AlGaAs/GaAs с импульсным легированием // Физика и техника полупроводников. - 2010. - № 7 (44). - С. 950-954.
3. . ., . . - -
стемной техники // Известия ЮФУ. Технические науки. - 2008. - № 12 (89). - С. 165-175.
4. Василевский КС, Галиев ГБ., Климов КА. и др. Электрофизические и структурные
свойства двусторонне S-легировванных PHEMT-гетероструктур на основе AlGaAs/InGaAs/AlGaAs // . - 2008. - 9 (42).
- С. 1102-1109.
5. Ayers John E. Heteroepitaxy of semiconductors: theory, growth and characterization - Taylor & Francis Group, 2007. - 447 p.
Статью рекомендовал к опубликованию д.т.н. А.С. Кужаров.
Агеев Олег Алексеевич
Технологический институт федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в г. Таганроге.
E-mail: ageev@fep.tti.sfedu.ru.
347928, . , . , 2.
.: 88634371611.
Кафедра технологии микро- и наноэлектронной аппаратуры; заведующий кафедрой; д.т.н; профессор.
Варзарёв Юрий Николаевич
E-mail: yu_varzarev@fep.tti.sfedu.ru.
Кафедра технологии микро- и наноэлектронной аппаратуры; доцент.
Рукомойкин Андрей Васильевич
E-mail: Andru.Rukomoykin@gmail.com.
Кафедра технологии микро- и наноэлектронной аппаратуры; аспирант.
Солодовник Максим Сергеевич
E-mail: solodovnikms@mail.mK)
Кафедра технологии микро- и наноэлектронной аппаратуры; аспирант.
Ageev Oleg Alexeevich
Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Autonomy Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”.
E-mail: ageev@fep.tti.sfedu.ru.
2, Shevchenko Street, Taganrog, 347928, Russia.
Phone: +78634371611.
The Department of Micro- and Nanoelecronics; Head the Department; Dr. of Eng. Sc., Professor.
Varzarev Yuri Nikolaevich
E-mail: yu_varzarev@fep.tti.sfedu.ru.
The Department of Micro- and Nanoelecronics; Associate Professor.
Rukomoykin Andrey Vasil’evich
E-mail: Andru.Rukomoykin@gmail.com.
The Department of Micro- and Nanoelecronics; Postgraduate Student.
Solodovnik Maxim Sergeevich
E-mail: solodovnikms@mail.ru.
The Department of Micro- and Nanoelectronics; Postgraduate Student.
