eng
Выпуск #1/2011
А.Алексеев, Д.Красовицкий, С.Петров, В.Чалый.
Выращивание высокосовершенных гетероструктур III-N 20
Выращивание высокосовершенных гетероструктур III-N 20
Просмотры: 2508
ЗАО «НТО» (SemiTEq) – лидирующий российский производитель установок молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) для выращивания материалов в системах InAlGaN (III-N), InAlGaAs, широкозонных соединений А2В6, других гетероструктур. В работе представлены результаты по использованию для выращивания гетероструктур системы III-N специализированной установки МЛЭ STE3N2. Ее уникальные особенности – расширенный диапазон температур подложки (до 1200°С) и отношений V/III. На основе полученных гетероструктур созданы мощные полевые транзисторы с рекордными для России параметрами.
Теги: heterostructures multilayer units and fets гетероструктуры многослойные полевые транзисторы установк
Благодаря уникальным свойствам нитриды металлов третьей группы (III-N) перспективны для изготовления на их основе оптоэлектронных и электронных приборов. Ширина запрещенной зоны таких прямозонных полупроводников перекрывает весь видимый и значительную часть УФ-диапазона, что делает возможным создание оптоэлектронных приборов, работающих в указанных областях спектра. Высокие пробивные поля, термическая и радиационная стойкость, ярко выраженные поляризационные эффекты делают их привлекательными при изготовлении мощных СВЧ-транзисторов и изделий высокотемпературной сильноточной электроники. Кроме того, такие нитриды перспективны для создания элементов электроники, работающих на поверхностных акустических волнах.
При выращивании материалов III-N существует ряд проблем, основная из которых – отсутствие дешевых и согласованных по параметру решетки подложек. Гетероэпитаксия нитридов на подложки, рассогласованные по кристаллографическим параметрам с такими соединениями, несмотря на применение на начальных стадиях роста специальных процедур, приводит к достаточно высокой плотности дислокаций, что усложняет задачу получения качественных приборных гетероструктур.
Авторами выращена многослойная нитридная гетероструктура (МГС) на подложках сапфира и полуизолирующего карбида, разработанная в ЗАО «Светлана-Рост». Выращивание на начальной стадии роста «толстых» (более 200 нм) слоев AlN при экстремально высокой для МЛЭ температуре (1100–1150°C), а затем создание переходных областей между слоями разного состава (включая сверхрешетки) обеспечило улучшение свойств всей МГС AlN/AlGaN/GaN и слоя GaN, в частности.
Это позволило понизить плотность дислокаций в GaN на 1,5–2 порядка по сравнению с выращиванием на традиционном зародышевом слое AlN, что обеспечило значительное увеличение подвижности электронов в слоях GaN. Максимальная подвижность электронов в слаболегированном GaN толщиной 1,5 мкм составляет 600–650 см2/В·с при их концентрации 3–5·1016 см-3, что соответствует лучшим значениям, достигнутым в мире и свидетельствует о высоком кристаллическом совершенстве материала (см. рисунок).
Модификация конструкции и содержания алюминия в верхнем барьерном слое AlGaN в МГС AlN/AlGaN/GaN/AlGaN для мощного полевого транзистора позволила изменять подвижность электронов и слоевую концентрацию в двумерном электронном газе, образованном на верхней гетерогранице GaN/AlGaN, в диапазоне 1300–1700 см2/В·с и 1,0–1,8·1013 см‑2, соответственно. Это обеспечило возможность контролируемо варьировать слоевое сопротивление в диапазоне 230–400 Ом/ед. пл. Подобные значения электрофизических параметров двумерного электронного газа соответствуют современному мировому уровню и рекордные для России. Шероховатость поверхности полученных гетероструктур также соответствует лучшим значениям для нитридных слоев, выращенных методом МЛЭ на сапфире (rms 1–2 нм).
На разработанных конструкциях гетероструктур реализованы тестовые транзисторы с длиной затвора 0,5 мкм, демонстрирующие статические параметры мирового уровня (ток сток-исток 1 А/мм, крутизна
200 мС/мм, пробивное напряжение более 150 В) и малосигнальные s-параметры (ft до 20 ГГц, fmax до 55 ГГц), подтверждающие перспективность использования таких гетероструктур для элементной базы Х‑диапазона.
На гетероструктурах, выращенных на подложках карбида кремния, реализованы широкополосные усилители, работающие в диапазоне 30 МГц – 4,0 ГГц с коэффициентом усиления 17–25 дБ, выходной мощностью 2,5 Вт и КПД 30%. Кроме того, получены усилители мощности C-диапазона с выходной мощностью 10 Вт, продемонстрировавшие долговременную стабильность параметров в течение более 3,5 тыс. ч при 85°С.
Работа проводилась в рамках госконтракта №02.523.11.3019 при поддержке Министерства образования и науки РФ.
Литература
I.Akasaki and H.Amano, Jpn. – J. Appl. Phys. 45, 9001, 2006.
James B. Webb, H. Tang, J.A. Bardwell, S. Moisa, C. Peters, T. MacElwee. – Journal of Crystal Growth 230, 584, 2001.
H.M. Ng, D. Doppalapudi, T.D. Moustakas, N.G. Weimann, and L.F. Eastman. – Appl. Phys. Lett., 73, 821, 1998.
При выращивании материалов III-N существует ряд проблем, основная из которых – отсутствие дешевых и согласованных по параметру решетки подложек. Гетероэпитаксия нитридов на подложки, рассогласованные по кристаллографическим параметрам с такими соединениями, несмотря на применение на начальных стадиях роста специальных процедур, приводит к достаточно высокой плотности дислокаций, что усложняет задачу получения качественных приборных гетероструктур.
Авторами выращена многослойная нитридная гетероструктура (МГС) на подложках сапфира и полуизолирующего карбида, разработанная в ЗАО «Светлана-Рост». Выращивание на начальной стадии роста «толстых» (более 200 нм) слоев AlN при экстремально высокой для МЛЭ температуре (1100–1150°C), а затем создание переходных областей между слоями разного состава (включая сверхрешетки) обеспечило улучшение свойств всей МГС AlN/AlGaN/GaN и слоя GaN, в частности.
Это позволило понизить плотность дислокаций в GaN на 1,5–2 порядка по сравнению с выращиванием на традиционном зародышевом слое AlN, что обеспечило значительное увеличение подвижности электронов в слоях GaN. Максимальная подвижность электронов в слаболегированном GaN толщиной 1,5 мкм составляет 600–650 см2/В·с при их концентрации 3–5·1016 см-3, что соответствует лучшим значениям, достигнутым в мире и свидетельствует о высоком кристаллическом совершенстве материала (см. рисунок).
Модификация конструкции и содержания алюминия в верхнем барьерном слое AlGaN в МГС AlN/AlGaN/GaN/AlGaN для мощного полевого транзистора позволила изменять подвижность электронов и слоевую концентрацию в двумерном электронном газе, образованном на верхней гетерогранице GaN/AlGaN, в диапазоне 1300–1700 см2/В·с и 1,0–1,8·1013 см‑2, соответственно. Это обеспечило возможность контролируемо варьировать слоевое сопротивление в диапазоне 230–400 Ом/ед. пл. Подобные значения электрофизических параметров двумерного электронного газа соответствуют современному мировому уровню и рекордные для России. Шероховатость поверхности полученных гетероструктур также соответствует лучшим значениям для нитридных слоев, выращенных методом МЛЭ на сапфире (rms 1–2 нм).
На разработанных конструкциях гетероструктур реализованы тестовые транзисторы с длиной затвора 0,5 мкм, демонстрирующие статические параметры мирового уровня (ток сток-исток 1 А/мм, крутизна
200 мС/мм, пробивное напряжение более 150 В) и малосигнальные s-параметры (ft до 20 ГГц, fmax до 55 ГГц), подтверждающие перспективность использования таких гетероструктур для элементной базы Х‑диапазона.
На гетероструктурах, выращенных на подложках карбида кремния, реализованы широкополосные усилители, работающие в диапазоне 30 МГц – 4,0 ГГц с коэффициентом усиления 17–25 дБ, выходной мощностью 2,5 Вт и КПД 30%. Кроме того, получены усилители мощности C-диапазона с выходной мощностью 10 Вт, продемонстрировавшие долговременную стабильность параметров в течение более 3,5 тыс. ч при 85°С.
Работа проводилась в рамках госконтракта №02.523.11.3019 при поддержке Министерства образования и науки РФ.
Литература
I.Akasaki and H.Amano, Jpn. – J. Appl. Phys. 45, 9001, 2006.
James B. Webb, H. Tang, J.A. Bardwell, S. Moisa, C. Peters, T. MacElwee. – Journal of Crystal Growth 230, 584, 2001.
H.M. Ng, D. Doppalapudi, T.D. Moustakas, N.G. Weimann, and L.F. Eastman. – Appl. Phys. Lett., 73, 821, 1998.
Отзывы читателей
