Гетероструктурный полевой транзистор на основе нитрида галлия с улучшенной стабильностью вольт-амперной характеристики к ионизирующим излучениям

Изобретение относится к области радиотехники и электроники, в частности к высокочастотным полевым транзисторам на основе широкозонных полупроводников группы А₃В₅. Изобретение может быть использовано в СВЧ-транзисторах для усилителей мощности в устройствах различного функционального назначения.

Известен транзистор с высокой подвижностью электронов на GaN/Al_xGa_1-xN гетеропереходах (см. US №5192987, кл. H01L 29/80, 09.03.1993). Указанный транзистор с высокой подвижностью электронов имеет преимущество возросшей мобильности за счет двумерных электронных газов, имеющих место в GaN/Al_xGa_1-xN гетеропереходах. Эти структуры осаждаются на базальной плоскости сапфира с использованием низкого давления металлоорганических химических осаждений из паровой фазы. Транзистор включает подложку, буферный слой, осаждаемый на подложку, первый активный слой, состоящий по существу из GaN, нанесенный на буферный слой, второй активный слой, состоящий в основном из Al_xGa_1-xN, где x больше 0 и меньше 1 и множество электрических соединений, находящихся на втором активном слое, причем множество электрических соединений включает соединение истока, соединение затвора и соединение стока, позволяя тем самым разности электрических потенциалов быть примененной ко второй активной области с тем, чтобы обеспечить работу транзистора. Транзистор, сконструированный в соответствии с изобретением, имеет более низкий шумовой ток, температура эксплуатации увеличивается по сравнению с арсенид - галлиевым транзистором до 800°С.

Недостатком транзистора является недостаточная стабильность вольт-амперной характеристики.

Наиболее близким аналогом-прототипом является гетероструктурный полевой транзистор на основе нитрида галлия с улучшенной стабильностью вольт-амперной характеристики (см. RU 154437 U1, кл. H01L 29/772, 27.08.2015). Гетероструктурный полевой транзистор на основе нитрида галлия с улучшенной стабильностью вольт-амперной характеристики включает подложку из карбида кремния, зародышевый слой, буферный слой, барьерный слой на основе AlGaN, слой пассивации на основе нитрида кремния, электроды стока, затвора, истока. Гетероструктурный полевой транзистор имеет уменьшенный гистерезис тока стока полевого транзистора на основе гетероструктур типа AlGaN/GaN/AlGaN с каналом в слое GaN и может быть использован в СВЧ-транзисторах для усилителей мощности в устройствах различного функционального назначения.

Недостатками прототипа являются сложность и недостаточная стабильность его вольт-амперной характеристики в условиях воздействия ионизирующих излучений.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в устранении вышеуказанных недостатков (упрощение конструкции транзистора), в получении дополнительного источника электронов для двухмерного газа в канале полевого транзистора на основе гетероструктур типа AlGaN/GaN и расширении канала со стороны буферного слоя, что приводит к улучшению стабильности вольт-амперной характеристики транзистора в условиях воздействия ионизирующих излучений.

Технический результат достигается тем, что в гетероструктурном полевом транзисторе на основе нитрида галлия с улучшенной стабильностью вольт-амперной характеристики, включающем подложку из карбида кремния, зародышевый слой, буферный слой, барьерный слой на основе AlGaN, слой пассивации на основе нитрида кремния, электроды стока, затвора, истока, зародышевый слой выполнен на основе AlN, буферный слой выполнен на основе нитрида галлия, в барьерный слой на расстоянии 5-10 нм от канала транзистора вводится дополнительный слой AlGaN с дельта-легированием, толщиной 5 нм, со стороны буферного слоя, на расстоянии 10-15 нм от канала транзистора, вводится дополнительный слой GaN с легированием по всей глубине слоя.

На фиг. 1 показана принципиальная схема гетероструктурного полевого транзистора на основе нитрида галлия с улучшенной стабильностью вольт-амперной характеристики к ионизирующим излучениям.

На фиг. 2 показаны результаты расчета зонной диаграммы гетероструктуры предложенного полевого транзистора.

На фиг. 3 показаны результаты моделирования воздействия заданного внешнего фактора на вольт-амперные характеристики транзистора.

Гетероструктурный полевой транзистор на основе нитрида галлия с улучшенной стабильностью вольт-амперной характеристики (см. фиг. 1) включает подложку из карбида кремния 1, зародышевый слой 2, буферный слой 3, барьерный слой на основе AlGaN 4, слой пассивации на основе нитрида кремния 5, электроды стока 6, затвора 7, истока 8. Зародышевый слой выполнен на основе AlN, буферный слой выполнен на основе нитрида галлия, в барьерный слой на расстоянии 5-10 нм от канала транзистора 9 вводится дополнительный слой AlGaN 10 с дельта-легированием кремнием (концентрацией 1⋅10¹⁸ [см^-3]), толщиной 5 нм, со стороны буферного слоя, на расстоянии 10-15 нм от канала транзистора 9, вводится дополнительный слой GaN 11 с легированием кремнием (концентрацией 5⋅10¹⁸ [см^-3]) по всей глубине слоя.

Предложенная конструкция была просчитана в программном пакете системы автоматизированного технологического проектирования полупроводниковых приборов (см. TCAD "Synopsys" Synopsys Inc., Sentaurus Device User Guide, Version E-2010.12, Fremont, California, 2010). В этом же пакете рассчитывалось воздействие заданного внешнего фактора (интенсивности облучения электронами) на проводимость двумерного газа и вольт-амперные характеристики предложенного полевого транзистора по сравнению с аналогом-прототипом - полевым транзистором на основе нитрида галлия с улучшенной стабильностью вольт-амперной характеристики (см. Тихомиров В.Г. и др. Оценка влияния режимов эксплуатации на ВАХ GaN НЕМТ, используемых в аппаратуре космического назначения с помощью численного моделирования. 25th International Crimean Conference Microwave & Telecommunication Technology. Sevastopol, 2015, pp. 113-115).

В работе (см. Polyakov A.Ya. and other. 6th All-Russian Conf. "Nitrides of gallium, indium and aluminum - structures and devices", Saint-Petersburg, 2008, pp. 146) показано, что заметное уменьшение проводимости канала происходит после воздействия заданного внешнего фактора (в данном случае облучения потоком электронов) и является следствием возрастания рассеяния электронов в буфере GaN. В результате воздействия наблюдается сдвиг вольт-фарадной характеристики в сторону отрицательных напряжений, что можно объяснить возрастанием плотности объемного заряда, связанного с локальными центрами в слое AlGaN. Детальные исследования спектров глубоких центров для одной из транзисторных структур показывают, что в буферном слое происходит постепенное заглубление уровня Ферми. В результате анализа результатов расчетов для снижения влияния указанных негативных факторов и получения дополнительного источника электронов для двухмерного газа в канале полевого транзистора на основе гетероструктур типа AlGaN/GaN, а также расширения канала со стороны буферного слоя предложено ввести в конструкцию два дополнительных слоя с легированием, что приводит к улучшению стабильности вольт-амперной характеристики транзистора в условиях воздействия ионизирующих излучений.

Результаты расчета зонной диаграммы гетероструктуры полевого транзистора показаны на фиг. 2. На фигуре показаны диаграммы без введения дополнительных слоев (а), с введением дополнительного слоя в барьерном слое (б), с введением дополнительного слоя в буферном слое (в) и с введением дополнительных слоев в барьерном и буферном слоях (г).

Из расчетов видно, что введение предложенных изменений в конструкцию транзистора действительно изгибает зону проводимости в барьерном слое, что служит дополнительным источником электронов для двухмерного газа в канале полевого транзистора на основе гетероструктур типа AlGaN/GaN и расширения канала со стороны буферного слоя. Совокупность этих изменений приводит к улучшению стабильности вольт-амперной характеристики транзистора в условиях воздействия ионизирующих излучений. Численные расчеты показывают, что влияние заданного внешнего фактора на вольт-амперной характеристики исследуемого прибора весьма значительно. С целью минимизации влияния внешних воздействий на работоспособность прибора необходимы изменения гетероструктуры и конструкции самого транзистора, а также проведение комплексной технологической оптимизации (см. Vyuginov V.N. et al. Account of inheritable characteristics in terms of complex technological optimization of MMIC. 2011 21th Int. Crimean Conf. "Microwave & Telecommunication Yechnology" (CriMiCo'2011). Sevastopol, 2011, pp. 709, а также Gudkov A.G. et al. Account Application of complex technological optimization for monolithic circuits designing. 2008 18th Int. Crimean Conf. "Microwave & Telecommunication Yechnology" (CriMiCo'2008). Sevastopol, 2008, pp. 535-536).

Результаты моделирования воздействия заданного внешнего фактора (облучение потоком электронов с энергией 10 МэВ) на вольт-амперные характеристики предлагаемого транзистора и его аналога-прототипа при нулевом потенциале на затворе приведены на фиг. 3. На фигуре показаны фрагменты экрана программы с результатами моделирования воздействия заданного внешнего фактора на вольт-амперные характеристики предлагаемого транзистора и его аналога-прототипа при нулевом потенциале на затворе.

Кривая 12 показывает вольт-амперную характеристику после воздействия заданного внешнего фактора предлагаемого гетероструктурного полевого транзистора на основе нитрида галлия с улучшенной стабильностью вольт-амперной характеристики. Кривая 13 показывает вольт-амперную характеристику после воздействия заданного внешнего фактора аналога-прототипа.

В результате анализа результатов расчетов видно, что предложенные изменения в конструкции гетероструктурного полевого транзистора на основе нитрида галлия действительно привели к улучшению стабильности вольт-амперной характеристики этого транзистора в условиях воздействия ионизирующих излучений и технический результат, на достижение которого направлено изобретение, достигнут.

Предлагаемый гетероструктурный полевой транзистор на основе нитрида галлия с улучшенной стабилилностью вольт-амперной характеристики к ионизирующим излучениям позволяет упростить конструкцию транзистора по сравнению с прототипом, получить дополнительный источник электронов для двухмерного газа в канале полевого транзистора на основе гетероструктур типа AlGaN/GaN и расширить канал со стороны буферного слоя, что приводит к улучшению стабильности вольт-амперной характеристики транзистора в условиях воздействия ионизирующих излучений.