WO2008060184A1 - Semiconductor heterostructure for a field-effect transistor - Google Patents

Abstract

The invention relates to heterostructures used for semiconductor devices, mainly for field-effect transistors. The aim of the invention is to increase the conductivity of the channel layer of a semiconductor heterostructure and, thereby to increase working currents and power of the field-effect transistors. The inventive semiconductor heterostructure for a field-effect transistor comprises a monocrystalline substrate (1) made of AlN, a template layer (2) made of AlN, a channel layer (5) made of GaN and a barrier layer (6) made of AlxGa1-xN. Said heterostructure also comprises transition (3) and a buffer (4) layers which aremade of AlyGa1-yN and AlzGa1-zN, respectively, and are disposed one above the other between the template (2) and channel (5) layers, wherein the y value on the boundary with the template layer (2) is equal to 1 and on the boundary with the buffer layer (4) is equal to the value z thereof, 0.3≤x≤0.5 and 0.1≤z≤0.5. In the inventive heterostructure, the buffer layer (4) can be doped with Si on the boundary with the channel layer (5) at a depth ranging from 50 to 150 Å.

Description

Translated fromRussian

Полупроводниковая гетероструктура полевого транзистора Semiconductor heterostructure of a field effect transistor

Область техникиTechnical field

Изобретение относится к гетероструктурам полупроводниковых приборов, главным образом, полевых транзисторов.The invention relates to heterostructures of semiconductor devices, mainly field-effect transistors.

Предшествующий уровень техникиState of the art

Создание оптоэлектронных и микроэлектронных приборов на основе полупроводниковых соединений группы А³ с азотомCreation of optoelectronic and microelectronic devices based on semiconductor compounds of group A³ with nitrogen

(нитриды А³) весьма актуально ввиду значительного расширения функциональных возможностей этих приборов. В частности, возникла возможность изготовления СВЧ-полевых транзисторов, мощность которых в несколько раз больше, чем мощность таких транзисторов, выполненных на основе традиционных материалов(nitrides A³ ) is very important in view of the significant expansion of the functionality of these devices. In particular, it became possible to manufacture microwave field-effect transistors, the power of which is several times greater than the power of such transistors, made on the basis of traditional materials

(арсениды А³). Одновременно транзисторы на основе нитридов обладают уникальной термической стойкостью и могут работать в непрерывном режиме при температуре 300-50O⁰C₅ что было абсолютно недоступно на традиционных приборах.(arsenides A³ ). At the same time, nitride-based transistors have unique thermal stability and can operate in continuous operation at a temperature of 300-50O⁰ C₅ which was completely unavailable on traditional devices.

Однако существенной трудностью при промышленной реализации такого технического решения является склонность нитридных транзисторов к деградации, т. е. к быстрому изменению (ухудшению) характеристик прибора со временем. Эта деградация наблюдается во время работы прибора и, более того, зафиксировано ухудшение характеристик транзисторных полупроводниковых структур в отсутствие электрического тока. Показано, что подвижность и концентрация электронов в нитридной гетероструктуре произвольно меняются со временем, причем за несколько месяцев эти изменения достигают десятков процентов (S. Еlhаmri еt аl. Studу оf dеlеtеriоus aging effects in GaN/ AlGaN hеtеrоstruсturеs. Jоurпаl оf Аррliеd Рhуsiсs, vоl. 93, 2, рр.1079-1082, 15 Jапuаrу 2003).However, a significant difficulty in the industrial implementation of such a technical solution is the tendency of nitride transistors to degrade, i.e., to rapidly change (worsen) the characteristics of the device over time. This degradation is observed during operation of the device and, moreover, a deterioration in the characteristics of transistor semiconductor structures in the absence of an electric current is recorded. It was shown that the mobility and concentration of electrons in the nitride heterostructure arbitrarily change with time, and over several months these changes reach tens of percent (S. Elhamri et al. Stud оf deléterious aging effects in GaN / AlGaN hеterostruсturеs. , 2, pp. 1079-1082, 15 Japan 2003).

В условиях, соответствующих рабочим, т. е. с протеканием тока под действием приложенного напряжения, нитридные транзисторы изменяют свои характеристики за несколько часов, что недопустимо для реального применения. Известны полупроводниковые гетероструктуры на подложке из сапфира, в частности, см. J.Р.Ibbеtsоп. "Роlаrizаtiоп еffесts, surfасе stаtеs апd thе sоurсе оf еlесtrоus iп АlGаN/GаN hеtеrоstruсturе filеd- еffеkt trапsistоrs" Аррliеd Рhуsiсs Lеttеrs, vol.77, No.2, р. 250, 2000, USA. На сапфировой подложке размещен нуклеационный слой AlN, затем буферный слой GaN и барьерный слой AlGaN. Эта гетероструктура требует осуществления компенсационного легирования магнием (или углеродом, железом и т.д.) буферного слоя для уменьшения утечек тока. Кроме того, в указанной гетероструктуре происходит растрескивание барьерного слоя даже при сравнительно небольших растягивающих напряжениях, поскольку константа кристаллической решетки сапфира значительно (на 17%) отличается от константы кристаллической решетки GaN. Наличие между подложкой и слоем GaN весьма тонкого нуклеационного слоя AlN, практически не влияет на указанное выше рассогласование.Under conditions corresponding to working conditions, i.e., with current flowing under the action of an applied voltage, nitride transistors change their characteristics in a few hours, which is unacceptable for real use. Semiconductor heterostructures on a sapphire substrate are known, in particular, see J.P. Ibbetsop. "Rolarizati Effects, surfase stats apd thе source оf electrоus ip AlGаN / Гаn heterotructure filеdеffеkt trapsistors" Arrliеd Rhusiсs Letters, 2, vol. 7. 250, 2000, USA. An AlN nucleation layer is placed on the sapphire substrate, then a GaN buffer layer and an AlGaN barrier layer. This heterostructure requires compensating doping of the buffer layer with magnesium (or carbon, iron, etc.) to reduce current leakage. In addition, in the indicated heterostructure, cracking of the barrier layer occurs even at relatively low tensile stresses, since the crystal lattice constant of sapphire differs significantly (by 17%) from the crystal lattice constant of GaN. The presence of a very thin AlN nucleation layer between the substrate and the GaN layer practically does not affect the aforementioned mismatch.

Кроме того, всем гетероструктурам на подложке из сапфира присущ плохой теплоотвод, что ограничивает возможности реализации высоких мощностных режимов работы приборов вследствие значительной тепловой деградации гетероструктуры. Известны и другие гетероструктуры на подложке из сапфира, в частности, гетероструктура полевого транзистора, RU 2222845 Cl; гетероструктура последовательно включает подложку, изолирующий слой, выполненный из Al_yGa_1-yN, канальный слой и барьерный слой, выполненный из Al_zGai_-zN, канальный слой выполнен из Al_xGa] __XN, где 0,12>x>0,03, при этом на границе канального и изолирующего слоев l≥y≥x+0,1, на границе канального и барьерного слоев l>z>x+0,l, а толщина канального слоя находится в пределах от 3 до 20 нм, причем х, у, z - молярные доли Al в составе соединения AlGaN. Этой гетероструктуре свойственны недостатки полупроводниковых гетероструктур, связанные с подложкой из сапфира, хотя она обеспечивает лучшее электронное ограничение в сравнении с описанным выше аналогом.In addition, poor heatsink is inherent to all heterostructures on a sapphire substrate, which limits the possibility of realizing high power modes of operation of devices due to significant thermal degradation of the heterostructure. Other heterostructures on a sapphire substrate are known, in particular, a heterostructure of a field effect transistor, RU 2222845 Cl; the heterostructure consistently includes a substrate, an insulating layer made of Al_y Ga_1-y N, a channel layer and a barrier layer made of Al_z Gai_-z N, the channel layer is made of Al_x Ga] __X N, where 0.12>x> 0.03, while on the border of the channel and insulating layers l≥y≥x + 0.1, on the border of the channel and barrier layers l>z> x + 0, l, and the thickness of the channel layer is in the range from 3 to 20 nm, with x, y, z being the molar fractions of Al in the composition of the AlGaN compound. This heterostructure is characterized by the disadvantages of semiconductor heterostructures associated with a substrate of sapphire, although it provides the best electronic restriction in comparison with the analogue described above.

В последнее время появился новый класс полупроводниковых гетероструктур, включающих монокристаллическую подложку из AlN. Рассогласование констант кристаллических решеток AlN иRecently, a new class of semiconductor heterostructures has appeared, including a single-crystal AlN substrate. Mismatch of the lattice constants AlN and

GaN составляет около 3%, что позволяет устранить ряд недостатков описанных выше аналогов, уменьшить плотность собственных дефектов, практически, устранить растрескивание барьерного слоя.GaN is about 3%, which eliminates a number of drawbacks of the analogues described above, reduces the density of intrinsic defects, and virtually eliminates cracking of the barrier layer.

В частности, известна полупроводниковая гетероструктура полевого транзистора, включающая монокристаллическую подложку из AlN, эпитаксиальный темплетный слой AlN, канальный слой GaN и барьерный слой Al_xGa₁ __XN, см. X. Hu аtаl, trапsistоrs Аррliеd Рhуsiсs Lеttеrs, "АlGаN/GаN hеtеrоstruсturе filеd- еffеkt on siпglе-сrуstаl bulk AlN" vоl. 82, N8, 2003, Р.Р. 1299-1301, Аmеriсап Iпsitutе оf Рhуsiсs, USA (копия ссылки прилагается). Данное техническое решение принято в качестве прототипа настоящего изобретения.In particular, a semiconductor heterostructure of a field-effect transistor is known, including a single-crystal substrate of AlN, an epitaxial template layer of AlN, a channel layer of GaN, and a barrier layer of Al_x Ga₁ __X N, see X. Hu atal, Trisistors Arsel Letsters, heterostruktur filed effekt on sipgl-crustal bulk AlN "vol. 82, N8, 2003, R.P. 1299-1301, AMERICAP IPSITO OF PHYSICS, USA (a copy of the link is attached). This technical solution is made as a prototype of the present invention.

Недостатком прототипа является следующее обстоятельство. При выращивании канального слоя GaN непосредственно на темплетном слое AlN на первой стадии этого процесса при малой толщине канального слоя возникают значительные сжимающие напряжения канального слоя. При продолжении наращивания канального слоя при определенной критической его толщине происходит релаксация канального слоя с образованием большого количества дефектов, что недопустимо. Ограничение толщины слоя GaN существенно ограничивает проводимость канального слоя и, соответственно, ограничивает рабочие токи и мощность прибора. Раскрытие изобретенияThe disadvantage of the prototype is the following circumstance. When the GaN channel layer is grown directly on the AlN template layer in the first stage of this process, at a small channel layer thickness, significant compressive stresses of the channel layer arise. With continued growth of the channel layer at a certain critical thickness, the channel layer relaxes with the formation of a large number of defects, which is unacceptable. Limiting the thickness of the GaN layer significantly limits the conductivity of the channel layer and, accordingly, limits the operating currents and power of the device. Disclosure of invention

Задачей настоящего изобретения является увеличение проводимости канального слоя полупроводниковой гетероструктуры и, следовательно, увеличение рабочих токов и мощности полевых транзисторов.The objective of the present invention is to increase the conductivity of the channel layer of a semiconductor heterostructure and, therefore, increase the operating currents and power of field-effect transistors.

Согласно изобретению эта задача решается за счет того, что в полупроводниковой гетероструктуре полевого транзистора, включающей монокристаллическую подложку из AlN, темплетный слой AlN, канальный слой GaN и барьерный слой Al_xGa_{1 -X}N, между темплетным и канальным слоями расположены один над другим, соответственно, переходный слой Al_yGaμ_yN, буферный слой Al_zGai_-zN, значение у на границе с темплетным слоем составляет 1, а на границе с буферным слоем равно значению z буферного слоя, при этом 0,3 < x < 0,5, а 0,l < z < 0,5; в полупроводниковой гетероструктуре буферный слой на границе с канальным слоем может быть легирован Si на глубину 50— 15θA.According to the invention, this problem is solved due to the fact that in a semiconductor heterostructure of a field-effect transistor including a single crystal AlN substrate, an AlN template layer, a GaN channel layer and an Al_x Ga_{1 -X} N barrier layer, are located one above the other between the template and channel layers, accordingly, the transition layer is Al_y Gaμ_y N, the buffer layer is Al_z Gai_-z N, the value of y at the boundary with the template layer is 1, and at the boundary with the buffer layer it is equal to the value z of the buffer layer, with 0.3 <x <0 5, a 0, l <z <0.5; In a semiconductor heterostructure, the buffer layer at the interface with the channel layer can be doped with Si to a depth of 50–15θA.

Заявителем не выявлены какие-либо технические решения, идентичные заявленному, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию «нoвизнa» (N).The applicant has not identified any technical solutions identical to the claimed one, which allows us to conclude that the invention meets the criterion of "novelty" (N).

Созданная в соответствии с заявленными признаками конструкция полупроводниковой гетероструктуры полевого транзистора обеспечивает возможность выращивания канального слоя заданной толщины в соответствии с требуемыми рабочими токами и установленной мощностью прибора; это обусловлено тем, что обеспечивается высокая проводимость канального слоя GaN вследствие предотвращения образования снижающих подвижность электронов дефектов при увеличении его толщины выше критического значения. Кроме того, наличие легированного Si верхнего подслоя буферного слоя обеспечивает дополнительное увеличение проводимости канального слоя за счет увеличения концентрации в нем электронов. Указанные обстоятельства позволяют, по мнению заявителя, сделать вывод о соответствии заявленного технического решения критерию "изобретательский уровень" (IS).The semiconductor heterostructure of the field-effect transistor created in accordance with the claimed features makes it possible to grow a channel layer of a given thickness in accordance with the required operating currents and the installed power of the device; this is due to the fact that high conductivity of the channel layer of GaN is ensured due to the prevention of the formation of reducing mobility electron defects with an increase in its thickness above a critical value. In addition, the presence of doped Si in the upper sublayer of the buffer layer provides an additional increase in the conductivity of the channel layer by increasing the concentration of electrons in it. These circumstances allow, according to the applicant, to conclude that the claimed technical solution meets the criterion of "inventive step" (IS).

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

В дальнейшем изобретение поясняется подробным описанием примеров его осуществления со ссылкой на чертеж, на котором представлена схема полупроводниковой гетероструктуры полевого транзистора.The invention is further explained in the detailed description of examples of its implementation with reference to the drawing, which shows a diagram of a semiconductor heterostructure of a field effect transistor.

Лучший вариант осуществления изобретенияThe best embodiment of the invention

Монокристаллическая подложка 1 выполнена из нитрида алюминия и имеет толщину 500 мкм, кристаллографическая ориентация (0001). На подложке 1 находится темплетный слой 2The single crystal substrate 1 is made of aluminum nitride and has a thickness of 500 μm, crystallographic orientation (0001). On the substrate 1 is a template layer 2

AlN толщиной, в конкретном примере, 2100 А. Выше расположен переходный слой 3 Al_yGai_-yN толщиной 1400 А. Значение у изменяется по толщине переходного слоя от 1 на границе с темплетным слоем до значения z буферного слоя 4. Значение z постоянно по всему буферному слою и составляет 0,l < z < 0,5.AlN thickness, in a specific example, 2100 A. Above is the transition layer 3 Al_y Gai_-y N with a thickness of 1400 A. The value of y varies in thickness of the transition layer from 1 at the border with the template layer to the z value of the buffer layer 4. The z value is constantly the entire buffer layer and is 0, l <z <0.5.

Толщина буферного слоя 4 в данном примере составляет 4200 А, значение z равно 0,3. Канальный слой 5 GaN имеет толщину 1400 А. Буферный слой 4 на границе с канальным слоем легирован Si на глубину 100 А с концентрацией l xlθ¹⁹cм^"3.The thickness of the buffer layer 4 in this example is 4200 A, the value of z is 0.3. The channel layer 5 GaN has a thickness of 1400 A. The buffer layer 4 at the interface with the channel layer is doped with Si to a depth of 100 A with a concentration of l xlθ¹⁹ cm^"3 .

Барьерный слой 6 имеет толщину 250 А, значение х постоянно по всему барьерному слою и составляет 0,3 < x < 0,5. В конкретном примере x=0,4. Все полупроводниковые слои выращены методом молекулярно-пучковой эпитаксии (МГТЭ).The barrier layer 6 has a thickness of 250 A, the value of x is constant throughout the barrier layer and is 0.3 <x <0.5. In a specific example, x = 0.4. All semiconductor layers are grown by molecular beam epitaxy (MHTE).

Изготовлены и испытаны два варианта гетероструктуры.Two versions of the heterostructure were fabricated and tested.

Первый вариант соответствует п.l формулы изобретения, во втором варианте буферный слой на границе с канальным слоем легирован Si. Характеристики обоих вариантов гетероструктур приведены в таблице 1.The first embodiment corresponds to claim 1 of the claims, in the second embodiment, the buffer layer at the interface with the channel layer is Si doped. The characteristics of both variants of the heterostructures are shown in table 1.

Испытания показали значительное улучшение параметров гетероструктур в сравнении с прототипом. Полученные гетероструктуры являются основой полевых транзисторов высокой мощности.Tests showed a significant improvement in the parameters of heterostructures in comparison with the prototype. The resulting heterostructures are the basis of high power field effect transistors.

Промышленная применимостьIndustrial applicability

• Изобретение может быть реализовано как в заводских, так и в лабораторных условиях с использованием установок МПЭ. Это подтверждает его соответствие критерию "промышленная применимость" (IA). Таблица 1• The invention can be implemented both in the factory and in the laboratory using MPE plants. This confirms its compliance with the criterion of "industrial applicability" (IA). Table 1

Характеристики вариантов гетероструктур

Characteristics of heterostructure options

Claims

Translated fromRussian

Формула изобретения Claim1. Полупроводниковая гетероструктура полевого транзистора, включающая монокристаллическую подложку из AlN, темплетный слой AlN, канальный слой GaN и барьерный слой Al_xGai_-xN, отличающаяся тем, что между темплетным и канальным слоями расположены один над другим, соответственно, переходный слой Аl_уGаj.уN, буферный слой Al_zGai_-2N, значение у на границе с темплетным слоем составляет 1, а на границе с буферным слоем равно значению z буферного слоя, при этом 0,3<x<0,5, а 0,l≤z<0,5.1. A semiconductor heterostructure of a field-effect transistor, including a single-crystal substrate of AlN, a template layer AlN, a channel layer GaN and a barrier layer Al_x Gai_-x N, characterized in that between the template and channel layers are located one above the other, respectively, the transition layer Al_у Gay.uN, buffer layer Al_z Gai_-2 N, the value of y at the border with the template layer is 1, and at the border with the buffer layer it is equal to the z value of the buffer layer, with 0.3 <x <0.5, and 0, l≤z <0.5.2. Полупроводниковая гетероструктура по п.l, о т л и ч аю щ ая с я тем, что буферный слой на границе с канальным слоем легирован Si на глубину 50-15θA.2. A semiconductor heterostructure according to claim 1, which is related to the fact that the buffer layer at the interface with the channel layer is doped with Si to a depth of 50-15θA.