III-nitride HEMT Heterostructures with an Ultrathin AlN Barrier: Fabrication and Experimental Application

Full Text

1. ВВЕДЕНИЕ

III-нитридные HEMT гетероструктуры (гетероэпитаксиальные структуры с 2D электронным газом) – это основа для формирования мощных СВЧ транзисторов и монолитных интегральных схем. В настоящее время известно много вариантов A^IIIN гетероэпитаксиальных структур (ГС) с 2D электронным газом. Наиболее распространенными и изученными являются ГС с барьерным слоем на основе тройных соединений AlGaN и InAlN. Альтернативу им ввиду своих фундаментальных преимуществ (низкое слоевое сопротивление и подавление короткоканальных эффектов) могут составить ГС с ультратонким барьером AlN. Подобные ГС признаны рядом авторов [1–11] как наиболее перспективный материал для увеличения удельной мощности СВЧ ЭКБ и продвижения вверх по шкале частот. У AlN/GaN ГС ввиду большой разницы в спонтанной (являющейся следствием низкой симметрии кристаллической решетки) и пьезоэлектрической (обусловленной механическими напряжениями) поляризации межу AlN и GaN достижима чрезвычайно высокая плотность двумерного электронного газа (2DEG), более 6 ∙ 10¹³ см^–2 по некоторым теоретическим оценкам [4, 5]. Кроме того, в подобных структурах следует ожидать и относительно высокую подвижность электронов из-за отсутствия рассеяния на неоднородностях твердого раствора AlGaN [12]. Уникальное сочетание высокой плотности 2DEG и относительно высокой подвижности позволяет получать рекордно низкие значения слоевого сопротивления. В качестве доказательства последнего утверждения на рис. 1 приводится зависимость слоевого сопротивления (ρ_s) от плотности 2DEG (n_s) для ГС с барьерными слоями различного вида, построенная на основе анализа литературных данных [2, 3, 6, 9 – 11, 13 – 39]. Рекордные значения ρ_s = 120 ÷ 130 Ом/□ получены авторами [6, 11] именно в ГС с ультратонким барьером AlN. Однако низкое ρ_s – это не единственное достоинство AlN/GaN ГС применительно к HEMT технологии. Здесь следует отметить и высокое аспектное соотношение L_g/d (где L_g – длина затвора изготавливаемого транзистора, d – толщина барьера), которое в разы больше данного параметра, реализуемого в классических AlGaN/GaN ГС, что дает возможность свободно масштабировать параметр L_g (а значит и предельную частоту усиления по току f_t ≈ Lg^–1), не опасаясь проявления эффектов короткого канала в полевом транзисторе: снижения порогового напряжения, снижения потенциального барьера под затвором (DIBL-эффект) и др. Поэтому исследования и разработки в предметной области вдвойне актуальны (направлены одновременно на увеличение удельной выходной мощности и частоты отсечки III-нитридных приборов).

 

Рис. 1. Зависимость ρ_s от ns для ГС с барьерными слоями различного состава: Al_xGa_1-xN (0,18 ≤ x ≤ 0,36) – коричневые маркеры; In_хAl_1-хN (х = 0,17–0,18) – красные маркеры; InAlGaN с различной мольной долей In – серые маркеры; AlN – голубые маркеры [2, 3, 6, 9–11, 13–39].

 

Целью данной работы являлось развитие физико-технологических подходов к получению HEMT-гетероструктур с ультратонким AlN барьером, включая изготовление на основе экспериментальных ГС тестовых образцов СВЧ транзисторов.

2. ПОЛУЧЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ТЕТЕРОСТРУКТУР

Все экспериментальные ГС выращивались в установке молекулярно-лучевой эпитаксии GEN 930 (“Veeco”), оснащенной азотно-плазменным активатором UNI-Bulb Veeco RF. Мощность ВЧ-источника и поток азота составляли 350 Вт и 1,6 стандартных кубических сантиметров в минуту, соответственно. В качестве подложек для экспериментов были использованы пластины лейкосапфира диаметром 50,8 мм, имеющие вицинальный угол 0,25° рабочей поверхности в сторону плоскости m относительно сингулярной грани с. Перед началом роста подложки 30 минут отжигали в вакууме при температуре 1000°С, затем проводилась процедура нитридизации (т. е. выдержка пластины в потоке активного азота при той же температуре в течение 5 минут).

Нуклеационный слой AlN с расчетной толщиной 40 нм формировался в азот-обогащенных условиях (F_Al/F_N ≈ 0,6) при стационарных потоках алюминия и азота. Температуру нуклеации T_n варьировали от образца к образцу в диапазоне от 610 до 810°С (согласно показаниям термопары) с целью анализа влияния данного параметра на кристаллическую структуру, морфологию поверхности и электрофизические свойства ГС. При выращивании буферного GaN слоя расчетной толщины 1650 нм в азот стабилизированных условиях применялась MME методика [40, 41] (t₁ = 8 c; t₂ = 14 c, количество циклов 990). GaN буфер получали при потоке Ga, эквивалентном давлению P* = 7,5 ∙ 10^–7 Торр, и средней температуре подложки <T_s> в пределах 750 – 753°С (по ИК пирометру). Конкретное значение T_s в рамках указанного диапазона выбиралось исходя из необходимости поддержания постоянной скорости роста нитрида галлия для всех экспериментальных образцов данной серии. Легирование ГС не проводилось. Зародышеобразование и рост контролировали in situ методом дифракции быстрых отраженных электронов (ДОБЭ). Типичные дифракционные картины, регистрируемые от исходной сапфировой подложки и экспериментальных образцов в направлении  на стадиях нуклеации и формирования GaN буфера приведены на рис. 2, а, б и в. В свою очередь, смена наблюдаемого типа реконструкции поверхности GaN c 1×1 (рисунок 2, в) на 2×2 в случае остановки ростового процесса и снижения T_s до 600°С (рисунок 2, г) свидетельствует о ее металлической (Ga) полярности [42].

 

Рис. 2. Типичные картины ДОБЭ от исходной подложки (а) и экспериментальных ГС в направлении  на стадии нуклеации (б); в процессе формирования GaN буфера (в); в случае остановки процесса роста GaN и снижения параметра T_s до 600°С (г).

 

После завершения роста GaN буфера при стационарном потоке алюминия (F_Al/F_N ≈ 1) формировался ультратонкий барьер AlN. Условия выращивания и параметры конструкции экспериментальных ГС сведены в табл. 1. В завершение на поверхность ГС наносился “cap” слой из нитрида галлия толщиной ≈ 1 нм (в табл. 1 не указан).

 

Таблица 1. Условия роста и параметры экспериментальных ГС c ультратонким барьером AlN

№	AlN (нуклеационный слой)			GaN (буферный слой)			AlN (барьерный слой)			Полная толщина ГС SE/SEM
	Tn (°С) TC	TAl (°С)	Оценка толщины слоя, нм	<Ts> (°С) Pyro	TGa, (°С)	Оценка толщины слоя, нм	Время роста слоя, с	TAl (°С)	Оценка толщины слоя, нм
165	610	1060/990	38,8	750	976/1139	1652	45	1086/1025	5,8	1698/1690
164	660	1060/990	42,5	752	977/1139	1658	45	1086/1025	5,6	1707/1700
163	710	1060/990	39,5	753	976/1139	1695	45	1086/1025	5,5	1741/1730
160	810	1060/989	–	751	977/1139	–	45	1086/1025	–	–/1670
Среднеквадратичное отклонение (σ), нм										25
Коэффициент вариации (Сv), %										1,5

 

Как следует из данных табл. 1, среднеквадратичное отклонение (σ) параметра полной толщины ГС составляет 25 нм при его среднем значении 1698 нм, а коэффициент вариации (С_v) не превышает 1,5 %, что свидетельствует об удовлетворительной воспроизводимости технологических параметров. Также отклонения между результатами сканирующей электронной микроскопии (SEM) и спектральной эллипсометрии (SE), указанными в столбце полной толщины, составляют мене 1 %, демонстрируя хорошую сходимость модели при аппроксимации зависимостей угловых величин ∆ и Ψ от длины волны.

Для определения основных электрофизических параметров ГС (холловской подвижности, концентрации носителей заряда в канале, слоевого сопротивления полной ГС) были выполнены измерения эффекта Холла. Измерения проводились на установке HMS-3000 (“Ecopia”) при комнатной температуре в геометрии ван дер Пау c расположением контактов в углах квадрата размером 5×5 мм. Контакты наносились на предварительно вырезанные куски пластин путем подпаивания индия. Величина магнитного поля, перпендикулярного плоскости образца, составляла 0,55 Tл. Измерения осуществлялись в нескольких местах исходных пластин, затем полученные значения усреднялись (табл. 2).

 

Таблица 2. Электрофизические параметры экспериментальных ГС AlN/GaN с различной Tn

№ ГС	Холловские параметры 2DEG для экспериментальных ГС (при 300 К)			Удельное сопротивление буферного слоя GaN по данным холловских измерений (300 К)
	µH (см2B-1c-1)	ns (см-2)	ρs (Oм/□)	ρs (Oм/□)
165	–	–	–	3,9∙105
164	934	2,22∙1013	302	1,5∙106
163	1066	2,58∙1013	227	1,6∙108
160	870	2,23∙1013	322	3,1∙108

 

Значений холловской подвижности (µ_H) и слоевой концентрации носителей (n_s), характерных для квазидвумерного электронного газа, в случае низкотемпературной нуклеации при Т_n = 610°С (ГС № 165) зафиксировано не было. Наилучшими электрофизическими параметрами обладает экспериментальная ГС №163 (µ_H = 1066 см²B^–1c^–1 при n_s = 2,58 ∙ 10¹³ см^–2) с температурой нуклеации 710°С. На этой же пластине зафиксировано рекордное для данной работы значение холловской подвижности: 1100 см²B^–1c^–1, что при n_s = 2,54 ∙ 10¹³ см^–2 приводит к величине удельного сопротивления в 223 Ом/□. Дальнейшее увеличение температуры зародышеобразования (нуклеационного роста) до T_n = 810°С не повлекло за собой улучшение транспортных свойств. ГС №160 демонстрирует посредственную холловскую подвижность (870 см²B^–1c^–1) при сравнимой с ГС №164 слоевой концентрации носителей (2,23 ∙ 10¹³ см^–2), что соответствует значению сопротивления канала (322 Ом/□).

Для анализа качества GaN буфера образцы ГС были подвергнуты плазмохимическому травлению на глубину, обеспечивающую полное удаление нитрида алюминия (около 20 нм). Удельное сопротивление экспериментальных образцов после снятия барьера, рассчитанное исходя из результатов холловских измерений, также представлено в таблице 2. В работе получены ГС (№162 и 163), содержащие высокоомный GaN буфер со значением ρ_s ~ 10⁸ Oм/□, 157 дополнительного легирования атомами углерода или железа. Причем при уменьшении температуры зародышеобразования (ГС №164 и 165) наблюдается существенная (на два-три порядка) деградация изолирующих свойств буферного слоя.

На втором этапе для оптимизации режимов формирования буферного слоя был выращен ряд образцов с различной <T_s> (средняя температура роста GaN буфера по ИК пирометру). <T_s> варьировалась от образца к образцу в диапазоне 745–760°С. В остальном процедура молекулярно-лучевой эпитаксии соответствовала условиям получения ГС № 163.

Экспериментальные данные о холловской подвижности (µ_H), слоевой концентрации носителей заряда (n_s) и среднеквадратичной шероховатости поверхности (RMS) экспериментальных образцов данной серии сведены в табл. 3. Оценка среднеквадратичной (RMS) шероховатости поверхности ГС выполнена на основе результатов атомно-силовой микроскопии. АСМ-измерения осуществлялись в полуконтактном режиме с применением сканирующего зондового микроскопа “Solver Open” (НТ-МДТ) на воздухе при комнатной температуре. Использовались кантилеверы марки NSG01 (длина балки 125 мкм с коэффициентом жесткости 5,1 Н/м, резонансная частота 87–230 кГц, радиус кривизны острия 10 нм).

 

Таблица 3. Условия роста и параметры экспериментальных ГС AlN/GaN с различной <T_s>

№ ГС	<Ts> (°С) – Pyro	µH (см2B-1c-1)	ns (см-2)	ρ, Ом/□	RMS, нм
180	745	796	2,63∙1013	299	0,68
179	748	973	2,69∙1013	239	–
193	750,4	1018	2,63∙1013	234	0,65
163	753	1066	2,58∙1013	227	0,72
181	755	950	2,84∙1013	232	0,84
183	762	536	2,37∙1013	492	1,04

 

На рис. 3 а, б показаны зависимости подвижности 2DEG и слоевого сопротивления полной ГС (ρ_s), соответственно, от параметра <T_s>. Из представленных экспериментальных зависимостей следует, что ГС с наилучшими транспортными свойствами (ρ = 230–240 Ом/□) могут быть получены в диапазоне <T_s> ≈ 748–755°C. Причем со стороны высоких температур этот диапазон ограничен увеличением шероховатости ГС, что хорошо согласуется со сведениями о термической стабильности нитрида галлия [43] и с данными о вкладе шероховатости гетерограницы в рассеяние квазидвумерных носителей заряда [44].

 

Рис. 3. (а) зависимость подвижности 2DEG от параметра <T_s>; (б) зависимость слоевого сопротивления полной ГС от параметра <T_s>.

 

Со стороны меньших температур “окно” низкого слоевого сопротивления (выделено заливкой на рисунке 3, б) ограничено ухудшением изоляционных свойств GaN буфера. Доказательством данному утверждению служат результаты измерений тока утечки через тестовую структуру, топология которой приведена на рис. 4, а. Тест имел встречно-штыревую геометрию с общей длиной мезаструктуры ≈ 0,7 мм. Изоляция “левой” и “правой” гребенок выполнялась путем плазмохимического травления поверхности ГС на глубину до 90 нм через маску из фоторезиста.

На рис. 4, б представлена экспериментальная зависимость среднего (по пластине) тока утечки через тест при напряжении 30 В от параметра <T_s>. Увеличение проводимости буфера в низкотемпературной части графика обусловлено ростом концентрации собственных дефектов решетки GaN и сопровождается появлением у образцов фотолюминесценции в желто-оранжевой области спектра. Выход на плато при повышенных <T_s> вызван, по всей видимости, присутствием неконтролируемой фоновой примеси. В целом (по выборке) величина тока через тест для ГС №179 составила 8,8 ± 3 мкА, что при длине мезаструктуры ≈ 0,7 мм и напряжении питания 30 В приводит к удельному сопротивлению ~ 10⁶ Ом∙мм. Тогда как у образца № 181 средняя величина тока утечки равна 4,7 ± 2 нА, а удельное сопротивление изоляции (~ 10⁹ Ом∙мм) является достаточным [14] для практического применения.

 

Рис. 4. (а) топология тестовой структуры, (б) экспериментальная зависимость среднего (по выборке) тока утечки через тест мезаизоляции от параметра <T_s>.

 

3. ПОЛУЧЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕСТОВЫХ НЕМТ-ТРАНЗИСТОРОВ С ЗАТВОРОМ ШОТТКИ

На основе экспериментальной ГС, обладающей наилучшими электрофизическими параметрами (ГС №163), были изготовлены тестовые НЕМТ-транзисторы с затвором Шоттки. Процесс изготовления HEMT-транзисторов (постростовой процессинг) включал следующие основные технологические операции:

– формирование межприборной изоляции методом плазмохимического травления в среде BCl₃/Ar через предварительно нанесенную резистивную маску (S1818) на глубину 70–90 нм;

– фотолитография омических контактов под “lift-off” процесс (LOR 5A);

– резистивное напыление омических контактов Ti(30 нм)/Al(90 нм)/Ni(50 нм)/Au(110 нм), “взрыв” и вжигание металлизации при 750°C в течение 30 с (быстрый термический отжиг в среде N₂);

– электронно-лучевая литография грибообразных затворов с применением трехслойной системы резистов PMMA/PMGI/РММА, последующее нанесение затворной металлизации Ni(40 нм)/Au(350 нм)/Ti (15 нм) посредством “lift-off” процесса;

– пассивация поверхности пластины путем плазмохимического осаждения слоя нитрида кремния толщиной около 100 нм, вскрытие окон в диэлектрике;

– формирование электрических межсоединений (для тестовых структур применялся один уровень металлизации Ti(10 нм)/Au(400 нм)/Ti(10 нм)).

Сформированные тестовые модули содержали как транзисторы упрощенной прямоугольной геометрии с шириной затвора W_g = 50 мкм для измерения статических ВАХ, так и секционированные структуры с W_g = 2×50 мкм и топологией, обеспечивающей применение GSG зондовых головок для измерения S-параметров. Расстояние “исток-сток” в обоих случаях составляло 3 мкм. Параметр длины затвора L_g, обеспеченный использованием электронно-лучевой литографии, равен ≈ 150 нм (рис. 5).

 

Рис. 5. (а) РЭМ изображение топологии тестового транзистора; (б) РЭМ изображение поперечного среза (ФИП) его затворной части (Т-образный затвор)

 

Измерения статических ВАХ (входной, выходной и передаточной характеристик) осуществлялись с помощью анализатора полупроводниковых приборов В1500А (“Agilent/Keysight”) и зондовой станции ЕР6 (“Cascade Microtech”). Анализ статических ВАХ изготовленных приборов (рис. 6, а) показал, что они имеют максимальный ток насыщения стока до 1,4 А/мм (при U_GS = +2,5 В), крутизну характеристики G_m до 330 мСм/мм и сопротивление в открытом состоянии R_on до 2,6 Ом∙мм. Средние значения рассматриваемых параметров для всей выборки тестовых модулей составили 1,27 ± 0,07А/мм, 306 ± 18 мСм/мм и 2,9 Ом·мм ± 0,3, соответственно. Пороговое напряжение U_th ≈ –3,2 В (определено по точке максимальной крутизны).

 

Рис. 6. Семейство выходных (DC) характеристик одного из тестовых транзисторов (при изменении напряжения на затворе U_GS от – 7,0 до + 2,5 В) (а); типичные частотные зависимости модуля коэффициента передачи по току (|h₂₁|) и максимально достижимого/стабильного коэффициента усиления по мощности (MAG/MSG) тестового транзистора (б).

 

Для анализа работоспособности транзисторов в СВЧ-диапазоне выполнялись измерения S-параметров экспериментальных структур в двухcекционном исполнении с W_g = 2 × 50 мкм. Измерения осуществлялись с помощью высокопрецизионного векторного анализатора цепей PNA-X N5245A (“Agilent/Keysight”) и зондовой станции PM8 (“Cascade Microtech”) в импульсном режиме в частотном диапазоне 0,5–45 ГГц и при мощности СВЧ-сигнала – 10 дБм. Оценка предельных частот усиления по току f_t и мощности f_max приводит к значениям 50 и 80 ГГц, соответственно (рисунок 6, б). Максимальный стабильный коэффициент усиления на частоте 20 ГГц составил 11–12 дБ.

4. ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ HEMT НА ОСНОВЕ ALN/GAN ГС

На следующе этапе технологического маршрута путем соединения контактов истока воздушными мостами формировались “многопальцевые” затворы секционированных транзисторов. Топология полученных 4-х и 6-секционных транзисторов приведена на рис. 7.

 

Рис. 7. Топология 4-х (а) и 6-секционного (б) транзисторов с межсоединениями в виде воздушных мостов (изображения получены с помощью оптической микроскопии).

 

Для характеризации экспериментальных образцов были проведены измерения ВАХ и S-параметров тестового транзистора с шестью затворными секциями шириной 50 мкм. Исследования проводились в частотном диапазоне от 0,5 до 25,5 ГГц. В процессе работы были рассмотрены модели Angelov2, Fujii и EEHEMT, успешно применяемые для параметризации HEMT [45, 46]. Ключевые величины модели определялись путем экстракции внешних и внутренних параметров аналогично методике, представленной в работе [47]. Наилучшую сходимость продемонстрировала модель Angelov2. Процедура ее оптимизации позволила минимизировать расхождения с экспериментальными данными и достичь совпадения характеристик на уровне не менее 92%. В частности, зависимость величины тока стока для модели Angelov2 определяется следующим выражением:

$I_{СИ}=I_{pk0 }\left[1+\tan h\left(\psi \right)\right]·\tan h\left(\alpha U_{СИ}\right)·\left(1+\lambda U_{СИ}\right),$

где U_СИ – напряжение сток-исток, Ψ – функция степенного ряда, содержащего варьируемые параметры, I_pk0, α, λ – параметры модели, описывающие поведение характеристики тока стока в области насыщения (табл. 4).

 

Таблица 4. Значения коэффициентов в модели Angelov2

Ipk0, мкА	α, В-1	λ, В-1
100	0,38	0,05

 

На рис. 8 представлены экспериментальные и рассчитанные значения S-параметров транзистора, измеренные в точке с наибольшей крутизной: при напряжении на затворе U_GS = –2,75 В и напряжении сток-исток U_DS = 5 В.

 

Рис. 8. S-параметры AlN/GaN HEMT в диапазоне частот 0,5–25,5 ГГц при U_GS = –2,75 В и U_DS = 5 В (сплошными линиями изображены измеренные характеристики, пунктирными – результаты моделирования).

 

Как видно из рисунка 8, модель AlN/GaN HEMT позволяет охарактеризовать транзистор в высокочастотном диапазоне (Х-диапазоне) с погрешностью около 3%, что находится в пределах допустимой ошибки измерений. Некоторые расхождения в низкочастотной области (менее 4 ГГц) связаны с особенностями настройки измерительного стенда.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Методом молекулярно-лучевой эпитаксии с плазменной активацией азота получены AlN/GaN НЕМТ гетероструктуры (ГС), содержащие ультратонкий барьер AlN (5 нм). Исследовано влияние режимов нуклеации и роста буферного слоя на кристаллическое качество, морфологию поверхности и электрофизические свойства экспериментальных ГС. Слоевое сопротивление оптимизированной ГС составило менее 230 Ом/□. Сопротивление мезаизоляции, характеризующее изоляционные свойства буфера ~ 10⁹ Ом∙мм.

На основе оптимизированных ГС были изготовлены тестовые СВЧ транзисторы с затвором Шоттки (L_g ≈ 150 нм). Анализ характеристик тестовых приборов показал, что они имеют максимальный ток насыщения стока до 1,4 А/мм (при U_GS = +2,5 В), крутизну характеристики G_m до 330 мСм/мм и сопротивление в открытом состоянии до R_on = 2,6 Ом∙мм. Предельные частоты усиления по току f_t и по мощности f_max достигают 50 и 80 ГГц, соответственно.

Предложена параметрическая модель HEMT на основе AlN/GaN ГС, позволяющая описать поведение транзистора в Х-диапазоне частот с погрешностью около 3%. Модель может быть использована в коммерческих САПР при проектировании СВЧ МИС.

ФИНАНСИРОВАНИЕ

Работа выполнена с применением оборудования центра коллективного пользования “Гетероструктурная СВЧ-электроника и физика широкозонных полупроводников” НИЯУ МИФИ в рамках государственного задания (код проекта FSWU-2023-0088).

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов.

About the authors

A. S. Gusev

National Research Nuclear University MEPhI

Author for correspondence.
Email: ASGusev@mephi.ru
Russian Federation, Moscow

A. O. Sultanov

National Research Nuclear University MEPhI

Email: ASGusev@mephi.ru
Russian Federation, Moscow

R. V. Ryzhuk

National Research Nuclear University MEPhI

Email: ASGusev@mephi.ru
Russian Federation, Moscow

T. N. Nevolina

National Research Nuclear University MEPhI

Email: ASGusev@mephi.ru
Russian Federation, Moscow

D. Tsunvaza

National Research Nuclear University MEPhI

Email: ASGusev@mephi.ru
Russian Federation, Moscow

G. K. Safaraliev

National Research Nuclear University MEPhI

Email: ASGusev@mephi.ru
Russian Federation, Moscow

N. I. Kargin

National Research Nuclear University MEPhI

Email: ASGusev@mephi.ru
Russian Federation, Moscow

References

Supplementary files