Гетероструктурный полевой транзистор на основе нитрида галлия с улучшенной температурной стабильностью вольт-амперной характеристики

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 х 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, канальный 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 температурная стабильность его вольт-амперной характеристики.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в устранении вышеуказанных недостатков, локальном улучшении теплоотвода от подзатворной области и уменьшении температуры канала полевого транзистора на основе гетероструктур типа AlGaN/GaN, что приводит к улучшению температурной стабильности его вольт-амперной характеристики.

Технический результат достигается тем, что в гетероструктурном полевом транзисторе на основе нитрида галлия с улучшенной стабильностью вольт-амперной характеристики, включающем подложку из карбида кремния, канальный слой, буферный слой, барьерный слой на основе AlGaN, слой пассивации на основе нитрида кремния, электроды стока, затвора, истока. Буферный слой выполнен на основе нитрида галлия, после процедуры снижения толщины подложки до 100 мкм нанесен слой с высокой теплопроводностью, модулированный по глубине подложки в районе расположения затвора.

Технический результат достигается также тем, что в гетероструктурном полевом транзисторе на основе нитрида галлия с улучшенной стабильностью вольт-амперной характеристики глубина модулирования подложки в районе расположения затвора составляет 50 мкм.

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

На фиг. 2 показаны результаты расчета распределения температуры по глубине транзистора.

На фиг. 3 показаны результаты расчета вольт-амперной характеристики транзистора.

Гетероструктурный полевой транзистор на основе нитрида галлия с улучшенной стабильностью вольт-амперной характеристики (см. фиг. 1) содержит подложку из карбида кремния 1, канальный 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, слой с высокой теплопроводностью 9. Буферный слой выполнен на основе нитрида галлия.

Для слоя с высокой теплопроводностью может быть использовано золото, которое обладает высокой пластичностью, электропроводностью и теплопроводностью. Предложенная конструкция была описана и просчитана в программном пакете системы автоматизированного технологического проектирования полупроводниковых приборов TCAD "Synopsys" (см. TCAD "Synopsys" Synopsys Inc., Sentaurus Device User Guide, Version E-2010.12, Fremont, California, 2010). Результаты моделирования сравнивались с результатами измерения вольт-амперных характеристик изготовленных транзисторов с высокой подвижностью электронов (НЕМТ транзисторов).

После процедуры снижения толщины подложки до 100 мкм нанесен слой с высокой теплопроводностью, модулированный по глубине подложки в районе расположения затвора. Снижение толщины подложки до 50 и менее микрометров приводит к потере прочности структуры и значительным сложностям в монтаже, требующим применения специальной технологической оснастки. Однако на предприятии «Светлана-Электронприбор» освоена технология изготовления сквозных отверстий с металлизацией, которая может успешно применяться для нанесения модулированного по глубине подложки слоя с высокой теплопроводностью.

Результаты расчета распределения температуры по глубине транзистора показаны на фиг. 2. Из анализа результатов хорошо видно, что при работе транзистора в области под стоковым краем затвора формируется локальная зона повышенной температуры, которая может приводить к снижению тока через транзистор и, следовательно, температурной нестабильности его вольт-амперной характеристики.

Введение в конструкцию транзистора слоя с высокой теплопроводностью модулированного по глубине подложки в районе расположения затвора, позволяет существенно снизить температуру в этой локальной зоне под затвором и повысить температурную стабильность вольт-амперной характеристики транзистора.

Сравнительные вольт-амперные характеристики транзистора с предложенной конструкцией (отдельные точки 10) и экспериментальных характеристик транзистора аналога-прототипа (сплошные линии 11) показаны на фиг. 3.

Анализ полученных вольт-амперных характеристик предложенного транзистора показывает, что технический результат, который заключался в локальном улучшении теплоотвода от подзатворной области полевого транзистора на основе гетероструктур типа AlGaN/GaN, достигнут и наблюдается явное улучшение температурной стабильности его вольт-амперной характеристики.

Гетероструктуры НЕМТ транзисторов были выращены в Научно-техническом центре микроэлектроники РАН на SiC подложках, изготовленных ЗАО «Светлана-Электронприбор» методом газофазной эпитаксии из металлорганических соединений (МО ГФЭ) на установке Dragon-125. Водород и азот-водородные смеси, триметилгаллий (TMGa), триметилалюминий (ТМА1), аммиак и моносилан (SiH₄) использовались в качестве несущего газа и прекурсоров. Исследованные транзисторы были изготовлены в АО «Светлана-Электронприбор». Транзисторы имели конструкцию, позволяющую удобно проводить измерения с помощью копланарных зондов. Тестовые транзисторы изготавливались методами оптической фотолитографии и имели затвор длиной 0.6 мкм. При формировании омических контактов была использована стандартная металлизация из Ti/Al/Ni/Au, в барьерном контакте Ni/Au. Затворы транзисторов были пассивированы слоем Si₃N₄, нанесенного методом плазмохимического осаждения.

Предлагаемая конструкция гетероструктурного полевого транзистора на основе нитрида галлия с улучшенной стабильностью вольт-амперной характеристики позволяет улучшить теплоотвод от подзатворной области и уменьшить температуры канала полевого транзистора на основе гетероструктур типа AlGaN/GaN, что приводит к улучшению температурной стабильности его вольт-амперной характеристики.