Полупроводниковая гетероструктура полевого транзистора

Изобретение относится к гетероструктурам полупроводниковых приборов, главным образом полевых транзисторов. Полупроводниковая гетероструктура полевого транзистора, включающая монокристаллическую подложку из AlN, темплетный слой AlN, канальный слой GaN и барьерный слой AlxGa1-xN, между темплетным и канальным слоями расположены один над другим, соответственно, переходный слой AlyGa1-yN, буферный слой AlzGa1-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, a 0,1≤z≤0,5. В полупроводниковой гетероструктуре буферный слой на границе с канальным слоем может быть легирован Si на глубину 50-150Å. Изобретение обеспечивает увеличение проводимости канального слоя полупроводниковой гетероструктуры и, следовательно, увеличение рабочих токов и мощности полевых транзисторов. 1 з.п. ф-лы, 1 ил, 1 табл.

 

Изобретение относится к гетероструктурам полупроводниковых приборов, главным образом полевых транзисторов.

Создание оптоэлектронных и микроэлектронных приборов на основе полупроводниковых соединений группы А3 с азотом (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 (арсениды А3). Одновременно транзисторы на основе нитридов обладают уникальной термической стойкостью и могут работать в непрерывном режиме при температуре 300-500°С, что было абсолютно недоступно на традиционных приборах.

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.Elhamri et al. Study of deleterious aging effects in GaN/AlGaN heterostructures. Journal of Applied Physics, vol.93, 2, pp.1079-1082, 15 January 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.P.Ibbetson. "Polarization effects, surface states and the source of electrous in AlGaN/GaN heterostructure filed-effekt transistors" Applied Physics Letters, vol.77, No.2, p.250, 2000, USA.

На сапфировой подложке размещен нуклеационный слой A1N, 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.

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 С1; гетероструктура последовательно включает подложку, изолирующий слой, выполненный из AlyGa1-yN, канальный слой и барьерный слой, выполненный из AlzGa1-zN, канальный слой выполнен из AlxGa1-xN, где 0,12>х>0,03, при этом на границе канального и изолирующего слоев 1≥y≥х+0,1, на границе канального и барьерного слоев 1≥z≥x+0,1, a 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.

В последнее время появился новый класс полупроводниковых гетероструктур, включающих монокристаллическую подложку из AlN. Рассогласование констант кристаллических решеток AlN и GaN составляет около 3%, что позволяет устранить ряд недостатков описанных выше аналогов, уменьшить плотность собственных дефектов, практически устранить растрескивание барьерного слоя.

В частности, известна полупроводниковая гетероструктура полевого транзистора, включающая монокристаллическую подложку из AlN, эпитаксиальный темплетный слой AlN, канальный слой GaN и барьерный слой AlxGa1-xN, см. X.Hu atal, transistors Applied Physics Letters, "AlGaN/GaN heterostructure filed-effekt on single-crystal bulk AlN" vol.82, N8, 2003, P.P.1299-1301, American Insitute of Physics, USA. Данное техническое решение принято в качестве прототипа настоящего изобретения.

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.

Задачей настоящего изобретения является увеличение проводимости канального слоя полупроводниковой гетероструктуры и, следовательно, увеличение рабочих токов и мощности полевых транзисторов.

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 AlxGa1-xN, между темплетным и канальным слоями расположены один над другим, соответственно, переходный слой AlyGa1-yN, буферный слой AlzCa1-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≤х≤0,5, а 0,1≤z≤0,5; в полупроводниковой гетероструктуре буферный слой на границе с канальным слоем может быть легирован Si на глубину 50-150 Å.

Заявителем не выявлены какие-либо технические решения, идентичные заявленному, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию "новизна".

Благодаря реализации отличительных признаков изобретения обеспечивается 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".

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображена схема полупроводниковой гетероструктуры полевого транзистора.

Монокристаллическая подложка 1 выполнена из нитрида алюминия и имеет толщину 500 мкм, кристаллографическая ориентация (0001). На подложке 1 находится темплетный слой 2 AlN толщиной, в конкретном примере, 2100 Å. Выше расположен переходный слой 3 AlyGa1-yN толщиной 1400 Å. 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 0,1≤z≤0,5. Толщина буферного слоя 4 в данном примере составляет 4200 Å, значение z равно 0,3. Канальный слой GaN имеет толщину 1400 Å. Буферный слой 4 на границе с канальным слоем легирован Si на глубину 100 Å с концентрацией 1×1019 см-3. Барьерный слой 6 имеет толщину 250 Å, значение х постоянно по всему барьерному слою и составляет 0,3≤х≤0,5. В конкретном примере х=0,4. Все полупроводниковые слои выращены методом молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ).

Изготовлены и испытаны два варианта гетероструктуры. Первый вариант соответствует п.1 формулы изобретения, во втором варианте буферный слой на границе с канальным слоем легирован Si. Характеристики обоих вариантов гетероструктур приведены в таблице.

Испытания показали значительное улучшение параметров гетероструктур в сравнении с прототипом. Полученные гетероструктуры являются основой полевых транзисторов высокой мощности.

Изобретение может быть реализовано как в заводских, так и в лабораторных условиях с использованием установок МПЭ. Это подтверждает его соответствие критерию "промышленная применимость".

Хар-ка гетерос-ры Концентрация электронов ДЭГ, см-2Подвижность электронов ДЭГ, см2/В·сПроводимость канала, Ом-1Плотность тока насыщения транзистора, А/мм
Вариант гетерос-ры
1. Гетероструктура по п.1 ф-лы изобретения1,6·101312000,0030720,8÷1,0
2. Гетероструктура по п.2 ф-лы изобретения2,5·10138500,00340,9÷1,2
3. Прототип1,0·101311000,001760,4

1. Полупроводниковая гетероструктура полевого транзистора, включающая монокристаллическую подложку из AlN, темплетный слой AlN, канальный слой GaN и барьерный слой AlxGa1-xN, отличающаяся тем, что между темплетным и канальным слоями расположены один над другим соответственно переходный слой AlyGa1-yN, буферный слой AlzGa1-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≤х≤0,5, a 0,1≤z≤0,5.

2. Полупроводниковая гетероструктура по п.1, отличающаяся тем, что буферный слой на границе с канальным слоем легирован Si на глубину 50-150Å.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к полупроводниковым приборам и может быть использовано в радиотехнических, СВЧ-устройствах и т.д. .

Изобретение относится к электронной технике, а именно к полевым транзисторам на гетероструктурах с селективным легированием (ПТ ГСЛ). .

Изобретение относится к электронной технике, преимущественно к производству МДП СБИС. .

Изобретение относится к аналоговой технике и может быть использовано в МДП-усилительных и коммутационных устройствах, предназначенных для функционирования при криогенных температурах.

Изобретение относится к электронной технике, в частности к конструкции полевых транзисторов. .

Изобретение относится к силовым вертикальным транзисторам, содержащим МОП-структуру, изготавливаемую с применением двойной диффузии, имеющим электроды истока (эмиттера) и затвора на одной поверхности подложки, а электрод стока (коллектора) - на противоположной поверхности подложки

Изобретение относится к области твердотельной электроники и может использоваться при создании устройств, предназначенных для усиления, генерирования и преобразования ВЧ- и СВЧ-колебаний

Изобретение относится к области полупроводниковой техники. Полупроводниковый прибор включает утоненную подложку из монокристаллического кремния р-типа проводимости, ориентированного по плоскости (111), с выполненным на ней буферным слоем из AlN, поверх которого выполнена теплопроводящая подложка в виде осажденного слоя поликристаллического алмаза толщиной, равной по меньшей мере 0,1 мм, на другой стороне подложки выполнена эпитаксиальная структура полупроводникового прибора на основе широкозонных III-нитридов, исток из AlGaN, затвор, сток из AlGaN, омические контакты к истоку и стоку, припой в виде слоя, включающего AuSn, медный пьедестал и фланец. При этом между истоком, затвором и стоком выполнен слой изолирующего поликристаллического алмаза. Изобретение обеспечивает повышение надежности полупроводникового прибора и увеличение срока его службы, а также позволяет упростить изготовление прибора с высоким значением теплоотвода от активной части. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к области полупроводниковой электроники. В предлагаемом приборе объединены три полевых транзистора в единую вертикальную структуру с каналами n- и p-типами проводимости, между которыми образуется электрический переход, при этом исток p-канала расположен напротив стока n-канала, а сток p-канала - напротив истока n-канала. Истоки каналов соединены между собой с помощью проводника и дополнительной области с n+-типом проводимости, на которой сформирован исток n-канала, а стоки каналов имеют отдельные выводы. В приборе может быть один затвор (трехэлектродный прибор - вариант 1) или два затвора (четырехэлектродный прибор - вариант 2), расположенных на другой (второй) боковой стороне каналов. Ток в каналах проходит в одном направлении и создает на переходе обратное напряжение, которое запирает каналы. Прибор может содержать более одной единичной структуры, при этом затворы являются общими для соседних структур. Изобретение позволяет уменьшить размеры, повысить быстродействие и увеличить ток и выходную мощность прибора. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано в качестве активных элементов СВЧ-устройств различного назначения. Мощный транзистор СВЧ с многослойной эпитаксиальной структурой содержит базовую подложку из кремния, теплопроводящий поликристаллический слой алмаза, эпитаксиальную структуру на основе широкозонных III-нитридов, буферный слой, исток, затвор, сток и омические контакты. Слой теплопроводящего поликристаллического алмаза имеет толщину 0,1-0,15 мм, а на поверхности эпитаксиальной структуры между истоком, затвором и стоком последовательно размещены дополнительный слой теплопроводящего поликристаллического алмаза, барьерный слой из двуокиси гафния и дополнительный барьерный слой из оксида алюминия. При этом барьерные слои из двуокиси гафния и оксида алюминия имеют суммарную толщину 1,0-4,0 нм, кроме того, они размещены под затвором, непосредственно на эпитаксиальной структуре в виде слоя из твердого раствора AlGaN n-типа проводимости. Технический результат заключается в увеличении теплопереноса от активной области транзистора и минимизации утечек тока. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано в качестве активных элементов СВЧ-устройств различного назначения. Мощный транзистор СВЧ содержит базовую подложку из кремния, теплопроводящий поликристаллический слой алмаза, эпитаксиальную структуру на основе широкозонных III-нитридов, буферный слой, исток, затвор, сток и омические контакты. При этом базовая подложка из кремния выполнена толщиной менее 10 мкм, слой теплопроводящего поликристаллического алмаза имеет толщину по меньшей мере, равную 0,1 мм, а на поверхности эпитаксиальной структуры последовательно размещены дополнительный слой теплопроводящего поликристаллического алмаза и барьерный слой из двуокиси гафния толщиной 1,0-4,0 нм, который в области затвора размещен под затвором, непосредственно на эпитаксиальной структуре в виде слоя из твердого раствора AlGaN n-типа проводимости. Технический результат заключается в повышении выходной СВЧ-мощности, эффективном отводе тепла от активной области транзистора и минимизации утечек тока. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к способу получения циклопропановых производных фуллеренов общей формулы 2 путем нагревания немодифицированного фуллерена с тозилгидразоном в присутствии растворителя и основания. При этом процесс ведут с тозилгидразоном эфира α-кетоуксусной кислоты общей формулы 1 где в общих формулах 1 и 2 радикал R обозначает линейный или разветвленный алифатический радикал Cn, где n находится в пределах от 1 до 50; радикал R1 обозначает ароматический радикал С6; Fu представляет собой фуллерен С60 или фуллерен С70, или высший фуллерен С>70, или смесь фуллеренов С60 и С70 (суммарное содержание 95.0-99.999% по весу) и высших фуллеренов (С>70, содержание 0.001-5.0% по весу). Способ позволяет получать производные фуллеренов, содержащие в своей структуре сложноэфирную группу, непосредственно присоединенную к циклопропановому фрагменту на фуллереновой сфере, используя доступные эфиры α-кетоуксусной кислоты. Изобретение также относится к применению циклопропановых производных фуллеренов общей формулы 2 в качестве полупроводниковых материалов для электронных полупроводниковых устройств, материалов для органического полевого транзистора и материалов для органической фотовольтаической ячейки. 6 н.п. ф-лы, 13 ил., 3 пр.

Изобретение относится к нитрид-галлиевым транзисторам с высокой подвижностью электронов (GaN HEMT) и в частности к конструкции GaN НЕМТ для высоковольтных применений. Нитрид-галлиевый транзистор с высокой подвижностью электронов выращивается на кремниевой подложке с нанесенной на нее темплейтной структурой толщиной 700-800 нм, состоящей из чередующихся слоев GaN/AlN толщиной не более 10 нм, между буферным и барьерным слоями внедряется спейсерный слой AlN толщиной не более 1 нм, на пассивационный слой наносится полевая пластина, электрически соединенная с затвором, расстояние между затвором и стоком и длина полевой пластины - взаимосвязанные величины и подбираются исходя из требуемого значения напряжения пробоя. Изобретение обеспечивает получение высоковольтного нитрид-галлиевого транзистора с высокой подвижностью электронов с высокими рабочими характеристиками при упрощении технологического цикла его создания, а также снижении требуемых для этого материальных затрат. 4 ил.

Изобретение относится к электронной технике, а именно к полупроводниковым приборам, предназначенным для усиления СВЧ-электромагнитных колебаний. Гетероструктурный модулировано-легированный полевой транзистор содержит фланец, пьедестал, гетероэпитаксиальную структуру, буферный слой, исток, затвор, сток и омические контакты. Пьедестал имеет толщину 30-200 мкм и выполнен из теплопроводящего слоя CVD поликристаллического алмаза с имплантированным Ni и с отожженными приповерхностными слоями с двух сторон. Поверх пьедестала расположена подложка из монокристаллического кремния толщиной 10-20 мкм, буферный слой. На поверхности гетероэпитаксиальной структуры, между истоком, затвором и стоком, последовательно размещены дополнительные слои теплопроводящего поликристаллического алмаза, барьерный слой из двуокиси гафния и барьерный слой из оксида алюминия. При этом барьерные слои выполнены с суммарной толщиной 1,0-4,0 нм. Кроме того, в области затвора барьерные слои размещены под затвором, непосредственно на эпитаксиальной структуре в виде слоя из твердого раствора AlGaN. Технический результат заключается в повышении теплоотвода от пьедестала и активной области транзистора, обеспечении минимальных утечек тока затвора и достижении наименьшего коэффициента шума в ГГц-диапазоне частот. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к электронной технике, а именно к полупроводниковым приборам, предназначенным для усиления СВЧ-электромагнитных колебаний. Гетероструктурный модулировано-легированный полевой транзистор содержит фланец, пьедестал, гетероэпитаксиальную структуру, буферный слой, исток, затвор, сток и омические контакты. Пьедестал имеет толщину по меньшей мере равную 150 мкм и изготовлен из теплопроводящего слоя CVD поликристаллического алмаза, выполненного с имплантированным Ni и отожженным. Поверх пьедестала расположена базовая подложка из GaAs, буферный слой, гетероэпитаксиальная гетероструктура на основе GaAs/AlGaAs/InGaAs, а на поверхности гетероэпитаксиальной структуры, между истоком, затвором и стоком, последовательно размещены дополнительные слои теплопроводящего поликристаллического алмаза, барьерный слой из двуокиси гафния и дополнительный барьерный слой из оксида металла, при этом барьерные слои выполнены с суммарной толщиной 1,0-4,0 нм. В области затвора барьерные слои размещены под затвором, непосредственно на эпитаксиальной структуре в виде градиентного слоя из GaAs n-типа проводимости. Технический результат заключается в повышении теплоотвода от пьедестала и активной области транзистора, обеспечении минимальных утечек тока затвора и достижении наименьшего коэффициента шума в ГГц-диапазоне частот. 4 з.п. ф-лы, 5 ил., 2 табл.

Изобретение относится к гетероструктурам полупроводниковых приборов, главным образом полевых транзисторов

Наверх