Разработка технологии изготовления наногетероструктур gaas/ingaas/algaas методом молекулярно-лучевой эпитаксии на нанотехнологическом комплексе Нанофаб Нтк-9

Размещено на http://www.allbest.ru/

Технологический институт Южного федерального университета в г. Таганроге

Разработка технологии изготовления наногетероструктур gaas/ingaas/algaas методом молекулярно-лучевой эпитаксии на нанотехнологическом комплексе Нанофаб Нтк-9

А.В. Рукомойкин, М.С. Солодовник, О.А. Агеев

Современный уровень развития электроники нуждается в интегральных микросхемах с рабочими частотами выше 220 ГГц. Такие приборы находят все большее применение в таких системах, как бортовые РЛС, противоударные РЛС, базовые станции связи, системы сотовой связи, системы местной беспроводной связи, системы беспроводного доступа в глобальные сети, спутниковая связь и цифровое телерадиовещание. Такие частоты достижимы в транзисторах с высокой подвижностью электронов HEMT, pHEMT и mHEMT, в которых, при низком уровне шумов, наблюдаются рекордные значения подвижности и концентрации электронов в канале с двумерным электронным газом, образованным на границе гетероперехода между узкозонным и широкозонным полупроводником. Такие структуры могут быть реализованы только с использованием технологии молекулярно-лучевой эпитаксии.

Все типы транзисторов с высокой подвижностью электронов являются сложными гетеросистемами, состоящими из слоев различных материалов, число которых может достигать нескольких десятков, а толщина варьироваться от единиц нанометров до нескольких микрометров. В таких системах неизбежно образование остаточных упругих механических напряжений, обусловленных рассогласованием материалов по параметру кристаллической решетки. Величина и характер распределения этих напряжений в пленках могут оказывать значительное влияние на зонную диаграмму структуры и как следствие на электрофизические характеристики приборов, что обуславливает необходимость их учета при проектировании многослойных гетероструктур.

pНЕМТ и mHEMT - технологии на основе напряженных гетероструктур AlGaAs/InGaAs/GaAs с квантовой ямой являются наиболее перспективной для приборов и интегральных схем СВЧ-диапазона, однако получение таких структур ограничено рассогласованием постоянных кристаллических решеток данных полупроводниковых систем. Чтобы избежать разрастания дислокации несоответствия и получения бездислокационных упруго напряженных структур необходимо знать критическую толщину напряженного слоя. В ходе математического моделирования и расчетов были построены зависимости критической толщины от степени рассогласования кристаллических решеток In_ХGa_1-ХAs/GaAs в зависимости от содержания индия (рис. 1). Знание критической толщины позволяет широко варьировать разрывами зон на границе гетероперехода и при этом обеспечить необходимую резкость гетерограниц без дефектов.

Рис. 1. Зависимость критической толщины от содержания индия.

В напряженных структурах наблюдается изменение ширины запрещенной зоны, в следствии сжатия или растяжения кристаллической решетки. Величину этих изменений необходимо учитывать при расчете выходных характеристик полученных транзисторов. На рисунке 2 представлены результаты оценки влияния упругого напряжения на изменение краев запрещенной и валентной зон. Результаты оценки можно использовать при дальнейших расчетах.

Рис. 2. Схема влияния напряжения на изменение края зоны проводимости и края валентной зоны, а также расщепление валентной зоны на подзоны тяжелых и легких дырок

квантовый эпитаксия индий

В данной работе для получения наногетероструктур использовалась установка молекулярно-лучевой эпитаксии SТЕ-35 (рис.3.), входящая в состав многофункционального сверхвысоковакуумного нанотехнологического комплекса НАНОФАБ НТК-9, которая позволяет выращивать наногетероструктуры GaAs и твердых растворов на его основе различной степени сложности с гетерограницами атомарной резкости. Необходимые значения резкости и шероховатости гетерограниц достигаются благодаря низкой скорости роста, (порядка одного атомного слоя в секунду) и непосредственному контролю параметров получаемых структур во время роста при помощи методов дифракции быстрых электронов на отражение и пирометрии.

Рис. 3. Модуль STE-35 нанотехнологического комплекса НАНОФАБ НТК-9.

Система STE-35 представляет собой современную технологическую платформу для прецизионного выращивания эпитаксиальных слоев на подложках диаметром 2”, 3”, и 4” (100 мм). Система выполнена по прогрессивной вертикальной схеме построения ростовой камеры, наиболее часто на сегодня применяемой ведущими мировыми производителями данного оборудования. Во время транспортировки из шлюза и в процессе роста подложки в держателе располагаются горизонтально ростовой поверхностью вниз, что резко уменьшает неконтролируемые загрязнения. Криопанели увеличенной площади предназначены для эффективной откачки летучей компоненты V-й группы, их дизайн минимизирует вероятность попадания продуктов роста с криопанели в источники материалов.

Для роста структур использовались подложки VGF диаметром 50,8 мм со следующими параметрами: толщина подложки - 350 мкм; ориентации - (100); удельное сопротивление - 2,7 ·10⁸ Ом·см; подвижность носителей - 4520 см²/(В·c).

Для контроля электрофизических параметров полученных структур (подвижности и концентрации носителей, удельного сопротивления в активной области) использовался прибор Hall Effect Measurement System HMS-3000 (постоянное магнитное поле индукцией 0.59 Тл). Параметры микрорельефа поверхности определялись методом контактной атомно-силовой микроскопии на сверхвысоковакуумном СЗМ-модуле, входящим в состав нанотехнологического комплекса НАНОФАБ НТК-9. Также был выполнен разрез полученных структур фокусированным ионными пучками и получены изображения структур в растровой электронной микроскопии на сканирующем электронном микроскопе Nova Nanolab 600.

Были получены эпитаксиальные структуры со следующими значениями параметров активного слоя: подвижности - 5180 cм²/(В·c); концентрации электронов - 5.66·10¹⁸ см^-3; удельного сопротивления - 8·10^-4 Ом·см (рис. 4). Был выращен пустой образец для определения остаточного фона в ростовой камере. Концентрация остаточной примеси составила 7.15*10¹² см^-3 и это соответствует мировым стандартам чистоты камеры роста установок молекулярно-лучевой эпитаксии.

Рис. 4. Значения электрофизических параметров полученных слоев, измеренных на приборе Hall Effect Measurement System HMS-3000.

Средняя шероховатость поверхности определялась без контакта образца с атмосферой, путем прямой передачи образца из камеры роста в камеру СЗМ. Измерение морфологии показало, что оптимальная толщина для бездефектного роста составляет 2 мкм, средняя шероховатость поверхности составила 0.76 нм (рис. 5). При дальнейшем росте поверхность становится более развитой, из-за разрастания дислокаций (рис. 6). Плотность дефектов на поверхности полученных структур составляла не более 300 см^-2, что достаточно для проведения дальнейших технологических операций по созданию арсенидгаллиевых интегральных схем.

Рис. 5. Топология поверхности выращенной структуры, полученная методом СЗМ (площадь скана 35Ч35 мкм, шероховатость 0,76 нм).

Рис. 6. Топология поверхности выращенной структуры (площадь скана 50Ч50 мкм, шероховатость 3,48 нм).

На установке STE-35 были также были выращены приборные структуры: MESFET (таблица 1); HEMT (таблица 2); туннельно-резонансный диод (таблица 3)

Таблица 1

Схема выращенной MESFET структуры

Таблица 2

Схема выращенной HEMT структуры

Таблица 2

Схема выращенного резонансно-туннельного диода

Также была разработана технология и получены структуры HEMT-транзисторов на гетеропереходе GaAs-Al_ХGa_1-ХAs с содержание алюминия х=0,22. Данное содержание алюминия в HEMT структурах является оптимальным, так как обеспечивает достаточный разрыв зоны проводимости в области гетероперехода, и не происходит переход алюминий содержащего раствора от прямозонного к непрямозонному полупроводнику.

Были получены HEMT-структуры (таблица 2) со следующими электрофизическими параметрами носителей в двумерном электронном газе: концентрация - 1,02*10¹² см^-2; подвижность - 5626 см²/В*с. Данные значения электрофизических параметров соответствуют мировым аналогам HEMT-транзисторов и являются достаточными для создания приборных структур СВЧ диапазона с рабочими частотами порядка 40-50 ГГц.

Для контроля толщины областей и резкости гетерограницы был сделан срез структуры фокусированными ионными пучками и получено изображение растровой электронной микроскопии (рис. 7) на РЭМ Nova Nanolab 600. На РЭМ изображении виден переход от более светлого GaAs к более темному AlGaAs, переход четкий, что свидетельствует о хорошей резкости гетероинтерфейса полученной структуры.

Рис. 7. РЭМ-изображение разреза HEMT-структуры

На установке STE-35 были получены структуры с объемной степенью легирования от 2*10¹⁷ до 5*10¹⁸ см^-3, а также были получены HEMT-структуры с двумерным электронным газом на границе GaAs-AlGaAs. Наличие двумерного электронного газа контролировалось эффектом Холла. Выращенные HEMT-транзисторы обладают концентрацией электронов в двумерном электронном газе 1,02* 10¹² см^-2 и подвижностью до 5626 см²/В*с. Полученные результаты открывают широкие возможности применения выращенных эпитаксиальных наногетероструктур в сверхбыстродействующих интегральных схемах и позволяют решить фундаментальные проблемы перехода современной техники на СВЧ-диапазон, как в военных целях, так и повседневной жизни каждого человека.

Размещено на Allbest.ru