Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор 12
1.1. Введение 12
1.2. Особенности конструкции гетероструктур для мощных полевых
16 транзисторов на основе твердых растворов Al-Ga-N
1.2.1. Катастрофическое уменьшение тока стока мощных полевых транзисторов на основе гетероперехода (Al,Ga)N/GaN
1.2.3. Основные выводы по пункту 1.2 33
1.3. Особенности эпитаксиального роста гетероструктур системы твердых растворов Al-Ga-N
1.3.1. Особенности кристаллографического строения полупроводниковых материалов системы твердых растворов Al-Ga-In-N
1.3.2. Подложки для эпитаксиального роста слоев полупроводниковых соединений А' N
1.3.3. Основные методики эпитаксиального роста полупроводниковых слоев AmN
1.3.3.1. Молекулярно'лучевая эпитаксия (МЛЭ) 42
1.3.3.2. Газофазная эпитаксия из металлорганических соединений (МОСГФЭ)
1.3.3.3. Начальные стадии эпитаксиального роста AmN 45
1.3.4. Основные выводы по пункту 1.3 48
49
1.4. Технология формирования мощных полевых транзисторов на основе гетероструктуры AlGaN/GaN
49
53
1.4.1. Элементы конструкции мощного полевого транзистора на основе гетероструктуры AlGaN/GaN
1.4.2. Формирование омических и барьерных контактов к широкозонным полупроводниковым материалам группы AmN
1.4.2.1. Омические контакты к полупроводниковым материалам Л N
1.4.2.2. Барьерные контакты к А N 61
1.4.3. Плазмохимические технологии для материалов AIllN 63
1.4.3.1. Плазмохимическое травление межприборной изоляции
мощных полевых транзисторов на основе материалов 63 группы А1 N
1.4.3.2. Методы жидкостного травления AulN 66
1.4.3.3. Плазмохимическое осаждение диэлектриков для пассивации мощных полевых транзисторов на основе 67 (А1, Ga)N/GaN гетероструктуры
1.4.4. Основные выводы по пункту 1.4 70
Глава 2. Аппаратурные и методические особенности технологии создания мощного полевого транзистора на основе гетероструктуры (Al,Ga)N/GaN
2.1. Тестовый модуль для оценки электрофизических характеристик транзисторной гетероструктуры
2.1.1. Введение 71
2.1.2. Основные методы измерения параметров транзисторной гетероструктуры и элементов транзисторной топологии, 72 использованные в тестовом модуле
2.1.2.1. Метод Ван-дер-Пау для определения параметров носителей в тонких эпитаксиальных слоях
2.1.2.2. Вольт-фарадные измерения для определения профиля свободных носителей транзисторной гетероструктуры
2.1.2.3. Метод «длинной линии» для определения удельного сопротивления омических контактов
2.1.2.4. Тестовый транзистор для оценки удельных приборных параметров гетероструктуры
2.1.2.5. Прочие элементы тестового модуля для отработки и проведения технологических процессов
2.1.2.6. Сводная топология тестового модуля 90
2.2. Взрывная литография для создания омических и барьерных контактов к
93 транзисторной гетероструктуре
2.3. Описание технологаческих установок для полного цикла
технологических процессов создания мощного полевого транзистора на 96
основе гетероструктуры (Al,Ga)N/GaN
2.3.1. Установка для электронно-лучевого напыления материалов 96
2.3.2. Установка вжигания омических контактов 99
2.3.3. Установка плазмохимического травления 102
2.3.4. Другие технологические установки полного цикла 105
Глава 3. Гетероструктура на основе гетероперехода (AI,Ga)N/GaN для мощного полевого транзистора .
3.1. Теоретическая оценка конструкции гетероструктуры 107
3.1.1. Введение 107
3.1.2. Одинарные гетероструктуры (ОГС) 108
3.1.2.1. (Al,Ga)N/GaN структура с легированным (Al, Ga)N слоем 108
3.1.3.1. (Al/Ga)N/GaN структура с нелегированным (Al,Ga)N слоем
3.1.3. Двойная гетероструктура (ДГС) 112
3.1.3.1. Стандартная ДГС 112
3.1.3.1. Двойная гетероструктура с ЛШ вставкой 115
3.1.3.2. Двойная гетероструктура с градиентным (Al,Ga)N
118 лосем и АШ вставкой
3.1.4. Улучшенная транзисторная ДГС 121
3.1.5. Выводы по этапу моделирования зонных диаграмм 122
3.2, Исследование влияния параметров слоев на характеристики двойной гетероструктуры.
5 3.3. Исследование приборных характеристик транзисторной гетероструктуры 147
Глава 4. Технологические этапы создания топологии мощного полевого транзистора на основе гетероструктуры (Al,Ga)N/GaN
4.1. Исследование процесса формирования омических контактов стока и истока
4.2. Исследование плазмохимических процессов 152
4.3. Сводный маршрут изготовления элементов топологии полевого транзистора 156
Глава 5. Мощный полевой транзистора на основе ДГС AluGau/GaN/AlojaGawN
5.1. Мощные транзисторы и их применение 156
5.2. Основные принципы разработки мощных СВЧ усилителей на транзисторах
5.3. Выбор конструкции тестового мощного транзистора для извлечения его
удельных параметров.
168
5.4. Технология изготовления транзистора для извлечения его удельных параметров
5.5. Удельные параметры мощного полевого транзистора 169
Заключение 171
Список цитируемой литературы
- Катастрофическое уменьшение тока стока мощных полевых транзисторов на основе гетероперехода (Al,Ga)N/GaN
- Основные методы измерения параметров транзисторной гетероструктуры и элементов транзисторной топологии, 72 использованные в тестовом модуле
- Двойная гетероструктура (ДГС)
- Исследование плазмохимических процессов
Введение к работе
Актуальность темы: Исследования широкозонных полупроводниковых материалов (Al-Ga-In-N, SiC, GaP, алмаз и т.п.) за последние пятнадцать лет достигли значительных результатов, уровень которых соответствует началу разработок технологий серийного производства мощных приборов микро- и наноэлектроники с использованием этих соединений. Применение широкозонных материалов в качестве активной среды полупроводникового прибора делает возможным использовать такой элемент в экстремальных, по сравнению с приборами на кремнии (Si) или арсениде галлия (GaAs), режимах и условиях (высокие напряжения, повышенные температуры и т.д.). Это особенно важно в связи с растущими потребностями миниатюризации электронных устройств, например, использование мощных полевых транзисторов в усилительных каскадах передающих СВЧ-систем может стать альтернативой вакуумным лампам, которые до сих пор применяются в радиопередающих устройствах военного и гражданского назначения.
Технология широкозонных нитридов галлия и алюминия (GaN и A1N) в настоящее время является одной из самых интенсивно разрабатываемых в области электронной техники экстремального и военного применения. Прогнозы развития нитридных технологий показывают, что наиболее перспективными для изготовления мощных приборов микро- и наноэлектроники являются гетероструктуры (Al,Ga)N/GaN. Электрофизические параметры подобных систем позволяют создавать приборы с удельной электрической мощностью более 10 Вт/мм, что значительно превышает предельные параметры устройств на основе гетероперехода (Al,Ga)As/GaAs.
По сравнению с маломощными приборами оптической микроэлектроники на основе твердых растворов Al-Ga-In-N, промышленная технология которых уже широко реализована, технологии мощных приборов, таких как мощные полевые транзисторы на основе гетероперехода (Al,Ga)N/GaN, к настоящему времени являются лабораторными или мелкосерийными. Это связано с тем, что технология мощных полевых транзисторов на основе A3N имеет ряд существенных проблем, включающих как сложности с получением материала с заданными свойствами, так
7 и проблемы с конструированием самого прибора. Проблемы первой группы обусловлены особенностями кристаллической решетки A3N и отсутствием массивных монокристаллов нитридных соединений, что неизбежно приводит к трудностям эпитаксиального роста активных слоев A3N. Широкозопность материала является причиной второй группы проблем технологии мощных приборов на основе А N. К этим проблемам относятся инертность материала к жидким травителям и трудности в создании омических контактов с низким значением удельного сопротивления.
В настоящей работе, посвященной исследованию возможных путей решения ряда актуальных проблем технологии полупроводниковых материалов системы твердых растворов АІ-Ga-N, приведен анализ основных этапов создания мощного полевого транзистора. Разработанные элементы маршрута позволяют создавать прибор с плотностью тока более 1 А/мм и пробивным напряжением более 60 В и могут быть использованы по отдельности при создании других мощных приборов на основе рассматриваемых материалов. Поэтому полученные результаты могут представлять общий интерес для физики и техники полупроводников.
Целю работы является исследование электрофизических и приборных характеристик одинарных (Al,Ga)N/GaN и двойных (Al,Ga)N/GaN/(Al,Ga)N гетероструктур и разработка основных этапов технологии создания мощного полевого транзистора
Достижение поставленной цели обеспечивается решением следующих задач:
исследование взаимовлияния слоев эпитаксиалыгой структуры на электрофизические параметры и стабильность приборных характеристик, определение базовой конструкции гетероструктуры с электрофизическими параметрами, пригодными для создания мощного полевого транзистора;
исследование влияния основных этапов пленарной технологии создания мощного полевого транзистора на его приборные характеристики;
выбор материалов и их композиций для формирования омических и выпрямляющих контактов;
выбор технологии травления межприборной изоляции гетероструктур (Al,Ga)N/GaN;
создание методики оценки приборных и электрофизических параметров гетероструктур, а также влияния этапов постростовой обработки транзисторных нитридных гетероструктур;
разработка конструкции, изготовление и испытание мощного полевого транзистора на основе гетероструктуры (Al,Ga)N/GaN.
Научная новизна представляемых в работе результатов заключается в следующем:
Теоретически промоделирована и экспериментально исследована конструкция двойной гетероструктуры AlxGai. xN/GaN/AlyGa|.jN для мощного полевого транзистора. Определено, что при х = 0.30-0.35 и у = 0.10-0.15 свободные электроны полностью локализованы в слое GaN. Подобная конструкция гетероструктуры обеспечивает устойчивую управляемость каналом полевого транзистора.
Экспериментально получена зависимость подвижности свободных электронов в слое GaN двойной гетероструктуры (Al,Ga)N/GaN/(Al,Ga)N от толщины слоя. На основе полученной зависимости сделан вывод о возможности изготовления мощного полевого транзистора со сверхтонким каналом - 5 нм, что позволит улучшить управляемость каналом и дополнительно усилить электронное ограничение при сохранении подвижности и концентрации носителей, соответствующих требуемым плотностям тока мощного полевого транзистора.
Обнаружено увеличение пробивного напряжения между соседними транзисторами до 150 В и практически полное исчезновение паразитных токов утечки между стоком и истоком полевого транзистора в режиме отсечки при использовании двойной гетероструктуры AlxGai. xN/GaN/AlyGa,.yN (х = 0.30-0.35 и у = 0.10-0.15), выращенной с использованием в конструкции буфера сверхрешеток, а так же градиента по составу в нижнем (Al,Ga)N. Этот факт делает подобные двойные гетероструктуры более предпочтительными, чем традиционные гетероструктуры (Al,Ga)N/GaN, для создания мощных полевых транзисторов.
9 4. В результате систематических исследований влияния параметров технологических этапов на свойства контактных систем к слоям нелегированного (Al,Ga)N предложен и технически реализован вариант нанесения/обработки омического контакта, обладающего приемлемым соотношением контактного сопротивления и шероховатости поверхности (0.3 Ом*мм для легированного (Al,Ga)N, шероховатость не более 800 А). Научные положения, выносимые на защиту:
1. Традиционно используемые для создания мощных полевых
транзисторов одинарные гетероструктура (Al,Ga)N/GaN наряду с
лучшими электрофизическими параметрами обладают существенным
недостатком - отсутствием ограничения свободных электронов со
стороны буферных слоев. Это приводит к захвату части электронов из
канала мощного полевого транзистора на ловушках буферного слоя.
Двойная гетероструктура AlxGai.xN/GaN/AljGaj.yN (х = 0.30-0.35 и у =
0.10-0,15) обеспечивает надежное ограничение электронов канала
транзистора и необходимые для создания мощного полевого транзистора
электрофизические параметры: подвижность - 1000-1400см /В с, концентрация носителей в канале 1.2-2*10 см".
Зависимость подвижности свободных электронов в слое GaN двойной гетероструктуры (Al,Ga)N/GaN/(Al,Ga)N от толщины слоя имеет минимум при толщине канала 20±5 нм, что объясняется релаксацией GaN на решетке (Al,Ga)N.
Использование в конструкции гетероструктуры многослойных буферных слоев со сверхрешетками, а так же градиента по составу в нижнем (Al,Ga)N, позволяет значительно (вплоть до исчезновения) снизить паразитные токи утечки между стоком и истоком полевого транзистора на основе двойной гетероструктуры AlxGai.xN/GaN/AlyGai.yN (х = 0.30-0.35 и у = 0.10-0.15), выращенной методом аммиачной МПЭ на подложке сапфира [0001]. Это позволяет уменьшить глубину травления межприборной изоляции соседних транзисторов до значения 0.18-0.20 мкм при толщине слоя GaN 0.1 мкм.
10 Практическая значимость работы состоит в следующем:
Разработана конструкция двойной гетероструктуры AIxGai. xN/GaN/AlyGa|.yN (Х=0.10-0.15 и Y=0.30-0.35), позволяющая создать мощный полевой транзистор
Разработана и технически реализована конструкция мощного полевого транзистора на основе ДГС (Al,Ga)N/GaN/(Al,Ga)N со следующими характеристиками: ток стока 400 мА, пробивное напряжение исток/сток 80 В, крутизна ВАХ 200 мСм/мм при длине затвора 0.3 мкм и ширине затвора 480 мкм.
Разработана технология формирования многослойных систем контактной металлизации к нелегированным слоям нитрида галлия, обладающих приемлемым соотношением контактное сопротивление/шероховатость поверхности.
Проведена модернизация комплекса технологического оборудования, позволяющего провести необходимые операции для создания мощного полевого транзистора на основе двойной гетероструктуры (Al,Ga)N/GaN/(Al,Ga)N
Разработана и технически реализована конструкция тестового модуля для измерения основных электрофизических (подвижность носителей, концентрация и профиль концентрации носителей) и приборных характеристик (плотность тока, пробойное напряжение, токи утечки) транзисторных гетероструктур
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работыдокладывались и обсуждались на следующих конференциях, семинарах и школах:
Третьей Всероссийской конференции "Нитриды галлия, индия и алюминия- структуры и приборы" (Москва, 2004)
Четвертой Всероссийской конференции "Нитриды галлия, индия и алюминия- структуры и приборы" (Санкт-Петербург, 2005)
14-м международном симпозиуме "Nanostructures: physics and technology" (Санкт-Петербург, 2006)
Ежегодных школах студентов и молодых специалистов СПбГЭТУ (ЛЭТИ) в 2001-2004 годах
ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (2005-2006гг.).
Достоверность и обоснованность научных положений и выводов подтверждается:
самим фактом реализации мощного полевого транзистора, по своим характеристикам, не уступающего лучшим мировым аналогам;
использованием современных методик анализа и новейших образцов технологического оборудования;
соответствием результатов анализа данных, полученных в работе, с имеющимися в литературе (когда такое сравнение возможно);
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 статей. Список работ приведен в конце диссератции.
Катастрофическое уменьшение тока стока мощных полевых транзисторов на основе гетероперехода (Al,Ga)N/GaN
Подтверждением этому явились результаты экспериментов рассматриваемой работы [21]. Авторами отмечено, что транзисторы, полученные на основе гетероструктур, выращенных методом МОС ГФЭ на сапфире, обладают более выраженным эффектом коллапса тока по сравнению с транзисторами на МЛЭ структурах с 4H-SiC. В статическом режиме в работе [21] коллапс наблюдался после длительного стресса транзистора - подачи большого отрицательного смещения на затвор. В результате падение тока, по сравнению с первоначальными измерениями составляло около 50%, причем данный эффект сохранялся длительное время (около суток). Авторы связали данный эффект с наличием ловушек захвата вблизи канала, указывалось на тот факт, что данные ловушки активируются в основном после приложения отрицательного смещения на затворе. Основываясь на измерениях спектра фотоионизации [22] было установлено два типа ловушек - структурные дефекты в буферном слое и углерод. Исходя из измерений был сделан вывод, что менее выраженный эффект коллапса тока в МЛЭ транзисторах обязан отсутствием углерода в технологии МЛЭ по сравнению с МОС ГФЭ. Однако, не смотря на сделанные выводы о структурном влиянии, в качестве возможного технологического способа борьбы с эффектом коллапса авторами выбрана пассивация транзистора слоем S13N4. Исчезновение статического коллапса тока после пассивации поверхности S13N4, выращенным методом PECVD, объясняется авторами наличием атомарного водорода в атмосфере реактора. Водород, по мнению исследователей, диффундирует с поверхности вглубь структуры и нейтрализует рассмотренные типы дефектов. Необходимо отметить, что авторы наносили диэлектрик на транзисторы, после того как был проведен стресс структуры, последующие измерения ВАХ проводились без стресса. При этом авторами не учитывалось, что технология плазмостимулированного осаждения Sl Hn подразумевает нагрев поверхности до 350С, а так же в спектре излучения плазмы присутствует ультрафиолетовая составляющая с достаточной интенсивностью излучения для высвобождения носителей с ловушек.
В настоящее время ряд исследователей указывает на то, что в эффекте коллапса тока основную роль играют структурные дефекты в нижней части канала и в буферных слоях. С точки зрения технологии можно определить два возможных пути решения проблемы. Первым видится улучшение качества структур, однако, кристаллическая структура твердых растворов Al-Ga-N не позволяет легко добиться этой цели. Другим путем решения проблемы может стать усовершенствованная конструкция гетероструктуры, позволяющая изолировать ловушки внутри структуры от канала. Такой конструкцией может стать двойная гетероструктура - ДГС. Одними из первых подобную конструкцию предложили авторы [23]. Авторами полностью перенесли решение проблемы коллапса из области пассивации поверхности в область конструкции гетероструктуры. Опираясь на опытные данные, свидетельствующие об улучшении характеристик приборов на основе двойных гетероструктур (ДГС) по сравнению с приборами на основе одиночных структур, было предложено использовать в качестве канала вставку (In,Ga)N. В статье не указывается ни толщина слоя, ни мольная концентрация индия, однако транзисторы на основе выращенных методом МЛЭ двойных гетероструктур (Al,Ga)N/(In,Ga)N/GaN продемонстрировали значительное снижение эффекта коллапса тока. Оставшееся снижение тока стока связывалось авторами [23] с поверхностными ловушками, так как транзисторы не проходили пассивацию.
Серьезным подтверждением влияния структурных дефектов в нижних слоях ГС на эффект коллапса тока стала теоретическая работа [24]. Авторы детально осмыслили всю накопленную информацию по проблеме и промоделировали эффект снижения тока стока для типичного гетероструктурного полевого транзистора (AI,Ga)N/GaN. В работе указано, что значение подвижности электронов в двухмерном состоянии (2D) значительно больше, чем в трехмерном состоянии (3D), причем, разность значений возрастает с уменьшением температуры. Используя значения подвижностей для 2D и 3D состояний носителей, авторы [24] рассчитали кривые зависимости тока стока от напряжения на стоке по модели AIM-Spice [25]. Результаты указывают на то, что ток стока снижается при проявлении коллапса точно до значений 3D состояния. Иными словами, снижение тока обусловлено выбросом носителей из квантовой ямы вглубь канального GaN, где носители проявляют 3D свойства с соответствующим уменьшением подвижности, и как следствие плотности тока стока. Данный механизм является специфическим именно для транзисторов на основе гетероструктуры (AI,Ga)N/GaN вследствие относительно невысокого значения барьера для электронов со стороны GaN (около 0,35 еВ [24]). Для гетероструктуры (Al,Ga)As/GaAs высота барьера для носителей со стороны GaAs почти в два раза больше, поэтому для СЛПТ основным источником нестабильности работы служат утечки по затвору.
Рассмотренные механизмы коллапса тока стока мощного полевого транзистора на основе гетероперехода (Al,Ga)N/GaN позволяют сделать вывод о необходимости введения в конструкцию гетероструктуры слоев, препятствующих переходу носителей из области канала под затвором в буферный слой. Такие слои будут играть роль электронного ограничителя. Сравним электрофизические параметры традиционных транзисторных гетероструктур и гетероструктур с электронным ограничением.
С точки зрения теории работы гетеропереходного полевого транзистора основными в гетероструктуре являются два слоя: верхний слой широкозонного материала - (AI,Ga)N ((Al,Ga)As) и, предыдущий слой - GaN (GaAs). Чаще всего именно слой узкозонного полупроводника называют каналом полевого транзистора. Вследствие разности работ выхода электронов из широкозонного и узкозошюго полупроводников вблизи металлургической границы гетероперехода возникает квантовая яма для носителей заряда. Энергетические уровни носителей заряда в яме квантованы, таким образом принято говорить о двумерной природе электронов в яме, а совокупность электронов называть двумерным электронным газом (ДЭГ). Эффект квантования движения электронов в яме хорошо известен применительно к инверсионным слоям в кремнии, но более детально был изучен на гетероструктурах (Al,Ga)As/GaAs вследствие усиления из-за меньшей эффективной массы электронов в GaAs.
Основные методы измерения параметров транзисторной гетероструктуры и элементов транзисторной топологии, 72 использованные в тестовом модуле
Подложки кремния с ориентацией поверхности (111) являются пригодными для роста гексагонального AIUN. Хотя кремний значительно различается в основных параметрах (см. таблица 1.3.2.) с GaN, возможность роста нитридных кристаллов на нем чрезвычайно интересна с производственной точки зрения, так как технология кремния сейчас является одной из наиболее разработанных и успешных полупроводниковых технологий. Для транзисторных гетероструктур (Al,Ga)N/GaN на кремнии (111) диапазон изменения параметров двумерного газа: от - подвижность -1500 см /Вс при концентрации носителей - 6x10 см [50], до - подвижность - 700-1480 см2/Вс при концентрации носителей - 1.25х1013 см"2 [51, 55]; это является достаточно хорошим результатом для приборных промышленных гетероструктур. Массового использования кремния в качестве подложек для эпитаксиальных слоев А1 не происходит вследствие сложности технологий роста релаксированных пленок и температурных обработок на последующих этапах (формирование омических контактов, травление). Иногда для избежания растрескивания гетероструктуры перед эпитаксиальным ростом на поверхности кремния создается вытравленная сетка квадратов с площадью 100x100 мкм на глубину 1-1,5 мкм. [57]. Представленные выше результаты носят характер лабораторных достижений.
Подложки сапфира и карбида кремния остаются в настоящее время наиболее массовыми, прежде всего из-за относительной простоты изготовления подложек большого диаметра. Согласно таблице 1.3.2. наилучшее согласование по параметрам с гексагональным GaN имеет карбид кремния модификации 6H-SiC. Стоит так же отметить наилучшее значение теплопроводности 6H-SiC среди указанных материалов, что является весьма ценным для мощной микроэлектроники.
Главным недостатком подложек карбида кремния является их стоимость, что может быть серьезным сдерживающим фактором для небольших исследовательских лабораторий (в том числе и в России). Поэтому, чаще всего для эпитаксиального роста транзисторных гетероструктур применяются подложки из сапфира с ростовой с-шюскостью (0001). Несоответствие параметров решеток GaN и (0001) AI2O3 равняется 13.9%, а расхождение температурных коэффициентов расширения равно
При эпитаксиальном росте большая часть рассогласования (12%) компенсируется дислокациями, ограниченными вблизи интерфейса. Сформированная пленка GaN на (0001) AI2O3 в среднем имеет плотность дислокаций не более 10 см , однако плотность дислокации в слое GaN на 6H-SiC имеет схожее значение - ЮМО9 cm 2, что связано с одинаковыми механизмами релаксации напряжений [52].
Подвижность в GaN выращенном на сапфире и карбиде схожа и примерно равна 1000 см2/Вс и хорошо коррелирует с плотностью дислокаций. Отмечается более высокая подвижность двумерного газа при росте на 6H-SiC по сравнению с А Оз, это связывают с большим различием в параметрах материалов в случае сапфира [52]. Достигаемая подвижность в двумерном газе, наблюдаемая на (Al,Ga)N/AlN/GaN НЕМТ структурах на обеих подложках, лежит в диапазоне 1500-2200 см2/Вс [54,56].
Одним из недостатков подложек карбида кремния и сапфира, помимо несоответствия основных параметров, является возможность загрязнения пленок нитридов компонентами материала подложки во время роста и при высокой температуре работы мощного прибора, что может обусловить как деградацию нижних слоев структуры, так и прибора в целом [61]. Так же необходимо отметить, что сапфир как худший материал для теплоотвода требует операции утоньшения до толщин порядка 10-30 мкм. Это накладывает определенные трудности на маршрут планарной технологии изготовления мощного полевого транзистора.
Для роста эпитаксиальных пленок бинарных нитридов чаще всего используются с-плоскости сапфира (0001). С точки зрения соответствия решеток и кристаллической симметрии сапфир с ориентацией (1010) (m-плоскость) оказывается наиболее приемлемым для роста GaN. Однако с-ось пленки GaN, выращенной на (1010)-сапфировой подложке, имеет ненулевой наклон относительно с-оси сапфира. Это обстоятельство может быть причиной образования двойников в растущем слое и является основным недостатком плоскости (1010) по сравнению с плоскостью (0001).
При формировании соответствия решеток в процессе роста пленки GaN на (0001)-сапфире большая доля (11.8 %) несоответствия компенсируется дислокациями, ограниченными вблизи интерфейса. Релаксационный процесс приводит к получению пленок GaN на (0001)А12О3 с плотностью дислокаций - 1010 см 2. Появление дислокаций вызывает снижение остаточных напряжений от - 2.1 % вблизи интерфейса до - 0.2 % у поверхности пленки GaN толщиной 1 мкм. Рост нитрида галлия на (ОООІ)-сапфире можно представить следующим образом [70]. На начальных стадиях роста, когда образуются первые монослои, идет образование дислокаций несоответствия. Этот процесс начинается до того, как вся подложка покрывается GaN. Дислокации возникают у границ островков и затем начинают скользить под островками. Появление островков и связанной с ними шероховатой поверхности на начальной стадии роста наблюдается в большинстве сильно рассогласованных гетероструктур. Это приводит к трехмерному островковому росту и получению пленок, состоящих из мозаичных колончатых зерен. Типичные размеры зерен составляют величины от нескольких сотен ангстрем до нескольких микрометров. Граничные дислокации приводят к релаксации большей части несоответствия и незначительным напряжениям -2.1 %. Эти остаточные напряжения сопоставимы с решеточным несоответствием между 6H-SiC и GaN, что объясняет причину того, почему прямой рост GaN на обеих подложках приводит к сопоставимым плотностям дислокаций ( 1010 см-2).
Для улучшения качества пленок нитридов металлов III группы, осажденных на (ОООІ)-сапфире и пригодных для приборных приложений, необходимо такое изменение процессов роста пленки, которое исключало бы рост колончатых островков и вторичный рост зерен. Существует несколько приемов указанных изменений, в том числе поверхностное азотирование сапфира и использование буферных слоев, которые будут рассмотрены далее.
Двойная гетероструктура (ДГС)
Контролируемое травление слоев нитридной транзисторной гетероструктуры является важным технологическим этапом. Основной элемент топологии мощного полевого транзистора, получаемы при травлении - межприборная изоляция (меза). Меза отделяет соседние приборы в гибридной интегральной схеме. Контактные площадки затвора, стока и истока так же наносятся на вытравленную поверхность мезы. Процесс травления слоев гетероструктуры должен быть воспроизводимым и контролируемым и не воздействовать на материал фоторезистивной маски, для сохранения размеров топологии.
Большие значения ширины запрещенной зоны (см. выше) и энергии связи (таблица 1.4,4.) делают нитридные материалы системы Al-In-Ga-N инертными к большинству применяемых в полупроводниковой промышленности жидких травителей. Поэтому все реализованные к настоящему времени методики травления слоев нитридных гетероструктур основаны на дополнительной активации процесса: травление в плазме, травление с участием высокоэнергетических электронов, травление при световой стимуляции. Часто разделяют методики травления на «сухие» и «мокрые». К «сухим» методикам травления относятся процессы, использующие реакции, протекающие в плазме реагента. В настоящее время широко применяются следующие методики плазменного травления нитридных слоев: реактивно-ионное травление (РИТ), травление в индуктивно связанной плазме (ИСП), объединение РИТ и ИСП. Основное отличие РИТ от ИСП заключается в большей плотности плазмы в процессе ИСП, однако конструкция источников плазмы для ИСП процесса намного сложнее и дороже.
Качественная зависимость шероховатости поверхности GaN после травления при различных плотностях и энергиях плазмы представлена в работе [108]. Увеличение энергии плазмы ведет к ухудшению морфологии поверхности за счет бомбардировки ионами с высокими энергиями, однако увеличение плотности плазмы ведет к локальным ускорениям химических реакций на поверхности полупроводника. Так как GaN является достаточно дефектным материалом (см. выше), на поверхности всегда присутствуют выходы дислокаций, которые являются центрами канализации процессов травления. Поэтому для сохранения приемлемой шероховатости поверхности при увеличении скорости процесса, необходимо одинаково изменять как химическую, так и физическую составляющие процесса травления.
Скорости травления становятся важными, когда происходит удаление больших толщин материала (более 1 мкм), в правильно разработанной ДГС слои с высоким удельным сопротивлением могут находиться уже на глубине 100-300 нм. Большинство производимых в настоящее время плазмостойких фоторезистов обеспечивают уверенное сохранение размеров в течении 10-15 минут, соответственно скорость травления в плазме должна составлять 10-30 нм/минуту. Поэтому методика РИТ с невысокими плотностями плазмы и низкими энергиями ионов способна обеспечить требования процесса.
В таблице 1.4.5. предложены сводные данные по травлению полупроводниковых соединений системы твердых растворов Al-Ga-In-N методиками ИСП и РИТ. Влияние добавок (Аг, Нг) в галоген содержащую плазму на скорость травления в настоящее время не определено однозначно. Можно утверждать, что добавки аргона увеличивают скорость травления за счет бомбардировки поверхности, а водород оказывается каталитическое действие на многоэтапные химические реакции, происходящие в плазме реактора.
В заключении, стоит отметить факт отсутствия в литературных данных серьезных исследований химических реакций, протекающих в плазме и четкого понимания у технологов кинетики процессов плазмохимического травления. Совершенно отсутствуют данные по влиянию динамики газовой среды внутри ректора - скоростей откачки реагентов и продуктов реакции, температурах плазмы, скоростей подачи компонентов и т.п. Эти параметры составляют определенное поле для исследований.
Методы плазмохимического травления (РИТ, ИСП и др.) требуют дорогого наукоемкого оборудования, а так же токсичных сверхчистых газов. Жидкостные методы требуют только специально оборудованных помещений и жидких травителей, стоимость которых значительно меньше стоимости газа, а хранение склянок с реактивами проще хранения баллонов с агрессивными газами, содержащими галоген. Поэтому в настоящее время продолжаются поиски технологий жидкого травления материалов системы Al-Ga-In-N.
Сложность жидкого травления помимо инертности материалов AIUN заключается в том, что большинство травителей, способных реагировать с нитридами содержат щелочь, являющейся растворителем для известных в настоящее время фоторезистов. Поэтому в технологии мощных полевых транзисторов жидкостное травление использую в основном для определения плотности дислокаций выращенной гетероструктуры. В местах выхода дислокаций на поверхность травитель образует лунки, подсчитав которые можно определить плотность дефектов. Это может быть дешевой методикой определения качества материала.
Все используемые в настоящее время методики жидкого травления основаны на использовании в качестве стимуляции реакций травления свет ультрафиолетовой части спектра. Так в работе [114] рассматривается травление n-GaN различными жидкими травителями с содержанием щелочи при облучении светом ртутной лампы с электрической мощностью 450 Вт на расстоянии 15 см от образца. Травление проводилось через титановую маску. В зависимости от типа травителя (КОН или NaOH) скорость травления достигал 100 нм/мин. Авторами [115] использован He-Cd лазер для фотовозбуждения. Скорость травления GaN в КОН так же составила 100 нм/мин. Интересным является факт обнаружения селективности жидкостного фотостимулированного травления в системе GaN/AIN [115]. Развитие селективного травления нитридных кристаллов может быть чрезвычайно важным для операции заглубления затворов мощных полевых транзисторов для увеличения крутизны характеристики.
Исследование плазмохимических процессов
Теоретическое моделирование проводилось с помощью программного обеспечения фирмы Softlmpact (Санкт-Петербург). Предоставленная программа представляет собой эффективную с точки зрения оперативности расчетов модель, разработанную для транзисторных гетероструктур на основе нитридов III группы и применимую для ширины затвора более 0.3 мкм. Модель учитывает всю необходимую специфику нитридных полупроводников, включая спонтанную и пьезополяризацшо, а также учитывает как электронную, так и дырочную подсистемы, что важно для анализа двойных гетероструктур. Возможен учет распределенного поляризационного легирования в структурах с градиентом состава. Базовая модель включает в себя следующие блоки:
Блок расчета зонной диаграммы транзисторной структуры в подзатворной области. Позволяет рассчитывать зонные диаграммы в одномерном приближении при различных смещениях в предположении малости тока утечки через затвор. Возможен расчет, как в квазиклассическом приближении, так и с учетом квантовых эффектов. Предполагается, что затвор сформирован в виде контакта Шоттки, нанесенного на поверхности транзисторной гетероструктуры.
Блок расчета зонной диаграммы транзисторной структуры в межэлектродной области. Включает в себя модель поверхностных состояний, с заполнением, зависящим от положения уровня Ферми и варьируемой плотностью поверхностных состояний, учитывающую возможную пассивацию поверхности при нанесении па нее диэлектрических покрытий. Позволяет рассчитывать зонные диаграммы в одномерном приближении при различных смещениях.
Блок расчета статических характеристик транзистора. Расчет транзисторных характеристик производится в приближении плавного канала, изотермичное и в предположении об идеальности омических контактов стока и истока. Учитывается зависимость подвижности/дрейфовой скорости носителей от поля в рамках общепринятых аппроксимаций. Позволяет получить вольтамперные и переходные характеристики прибора, а также рассчитать крутизну в зависимости от напряжений, приложенных к истоку и затвору.
Основным было моделирование зонной диаграммы гетсроструктуры (Блок Л) различных конструкций гетсроструктур (Al,Ga)N/GaN и ее изменений в зависимости от приложенного внешнего смещения. При анализе использовалось самосогласованное решение уравнений Пуассона и Шредингера в предположении малости тока утечки. На границе структуры использовались условия, соответствующие контакту Шоттки с заданной высотой барьера в 1.5 В. В глубине структуры использовались условия электронейтралыюсти, учитывающие фоновый уровень ее легирования.
Такая (Al,Ga)N/GaN структура содержит (Al,Ga)N слой с двумя спейсорами - на границе между (AI,Ga)N и активным GaN слоем, а также на границе (AI,Ga)N слоя и контактом Шоттки. Последний спейсор вводится для уменьшения тока утечки через контакт Шоттки. Базовая структура, принятая для анализа, содержит нелегированный слой GaN толщиной —3000 им (Л = 1 х1016 см ), нелегировапный AlxGai.xN спейсор толщиной 3 им (Л = 1х10,6см ), легированный кремнием AlxGai_xN слой {Nd = Iх 10 см") толщиной 17 им и нелегированный AlxGai.xN спейсор толщиной 5 нм {Nd= 1x10 6 см"). Состав твердого раствора варьировался: х = 0.15, 0.25, 0.35, 0.5. Рисунок 3.1.2. (a) - уровни размерного квантования в зависимости от состава (Al,Ga)N при нулевом смещении, (б) - слоевая концентрация в (Al,Ga)N/GaN легированной структуре как функция состава. классических более сглаженными пиками концентрации электронов и большими их концентрациями в потенциальных барьерах.
Видно, что, начиная с состава х = 0.5, вблизи (Al,Ga)N/GaN интерфейса в (Al,Ga)N слое возникает обедненная носителями область, которая может негативно сказаться на омичности контактов истока и стока. Следует также отметить, что концентрация электронов в (Al,Ga)N слое (3-4) 10 см" заметно отличается от концентрации доноров Nd= Iх 10 см" из-за частичігои ионизации последних. Электрическое поле в структуре имеет максимум на (Al,Ga)N/GaN интерфейсе и увеличивается от -0.15 до -12 МВ/см при изменении состава твердого раствора от 0.15 до 1.0.
Квантовых ямы, возникшие вблизи (AI,Ga)N/GaN интерфейса, имеют обычно -15-25 уровней квантования. Интерес представляют уровни, лежащие ниже уровня Ферми в структуре. Эволюция энергетических уровней с составом (Al,Ga)N показана на рисунке 3.1.2.а. Как видно, при дг 0.35 появляется вторая подзона размерного квантования, наличие которой может влиять на подвижность двумерного электронного газа.
Слоевая концентрация 20-электронов в зависимости от состава показана на рисунке 3.1.2.6. Из рисунка 3.1.1 видно, что из всех электронов в структуре выделить 20-электроны, захваченные квантовой ямой достаточно проблематично из-за обмена их с носителями в (Al,Ga)N слое. Поэтому для подсчета слоевой концентрации 2D-элсктронов учитывались только носители в GaN слое за вычетом их фоновой концентрации.
Из рисунка 3.1.2.6. видно, что расчетная слоевая концентрация 20-электронов практически совпадает с плотностью поверхностного заряда на (Al,Ga)N/GaN интерфейсе. Зависимость слоевой концентрации от состава можно аппроксимировать выражением Wj/Ю -ух , где у = 6Л . По экспериментальным данным других работ, выполненных на сходных гетероструктурах: у 4.5 [129], у 5.2 [130]. Возможной причиной расхождения расчета с экспериментом является частичная релаксация напряжений в (Al,Ga)N слое. Полная релаксация приводит к плотности поляризационного заряда на (Al,Ga)N/GaN интерфейсе, показанной на рисунке 3.1.2. штриховой линией.
