CC BY
112
УДК 621.382.323
Ю.В. Федоров, М.Ю. Щербакова, Д.Л. Гнатюк, Н.Г. Яременко, В.А. Страхов
HEMT на гетероструктурах
I no,52Alo,48As/I no,5зGao,47As/I no,52Alo,48As/I п P
с предельной частотой усиления по мощности до 323 ГГц
Разработана технология молекулярно-лучевой эпитаксии изоморфных гетероструктур 1п0,52А10,48Ав/1п0,53Оа0,47Ав/1п0,52А10,48Ав на подложках 1пР с подвижностью ^Н=10640 см2/Вс и концентрацией пН=3,281012 см2 двумерного электронного газа при Т=300 К. На них с помощью электронно-лучевой литографии были изготовлены транзисторы с двумерным электронным газом (НЕМТ) с длиной затвора ^=180 нм и двухсекционной топологией затворов с шириной Ж^2х30, 2x40, 2x60 и 2x80 мкм. Крутизна транзисторов составляла 1000 См/мм, а максимальная плотность тока стока 1а -800 мА/мм. Исследованы частотные зависимости ^-параметров транзисторов в диапазоне частот 0,01-67 ГГц и определены предельные частоты усиления по току Ft и по мощности Fmax в зависимости от Wg. Приводятся параметры линейных моделей НЕМТ с различными величинами Wg, определены параметры модели «внутреннего» транзистора. Установлено, что для «внутреннего» транзистора предельные частоты Ft и Fmax максимальны при Wg=2x30 мкм и достигают 150 и 323 ГГц соответственно. Полученные параметры изоморфных гетероструктур и НЕМТ на подложках 1пР соответствуют мировому уровню для длины затвора 180 нм. В России подобные результаты получены впервые.
Ключевые слова: НЕМТ, 1пР, изоморфные гетероструктуры, молекулярно-лучевая эпитаксия.
Введение
В последние годы при создании СВЧ монолитных интегральных схем (МИС) все возрастающий интерес проявляется к НЕМТ-технологии на основе наногетероструктур 1пА-1Ав/1пОаАв/1пА1Ав на подложках 1пР. С применением этой новейшей технологии разработаны самые быстродействующие трехэлектродные твердотельные приборы. Она рассматривается как наиболее перспективная для СВЧ-наноэлектроники, ориентированной на создание самых высокоскоростных и широкополосных СВЧ-приборов и МИС мм- и суб-мм-диапазонов для систем связи, радиолокации, радиоастрономии, радиометрии, автомобильной электроники, электронных средств вооружения и др. [1]. Преимущества НЕМТ-наногетероструктур 1пА1Ав/1пОаАв/1пА1Ав/1пР обусловлены рекордно высокими значениями электронной подвижности (де > 10000 см2/Вс) и дрейфовой скорости (оэл°=3-107 см/сек) электронов, рекордно высокими значениями концентрации двумерного электронного газа (ДЭГ) n2D = (3-5)-1012 см-2 и низкими паразитными сопротивлениями истока Rs и стока Rd.
Целью данной работы являлось получение гетероструктур 1пА1Ав/1пОаАв/1пА1Ав/1пР с улучшенными транспортными характеристиками 2ДЭГ (де), а также создание технологии изготовления НЕМТ на 1пР современного уровня и исследование их СВЧ-параметров. Учитывая отсутствие в литературе необходимых сведений по зависимостям предельных частот усиления по мощности Fmax и по току Ft от топологии транзисторов, мы также провели исследование этих зависимостей.
Молекулярная эпитаксия гетероструктур InGaAs/InAlAs/InP
Изоморфные НЕМТ гетероструктуры 1пОаАв/1пА1Ав/1пР выращивались методом мо-лекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) на установке RIBER-32P. Особое внимание было уделено предростовой подготовке подложек при их нагревании в потоке Ав 6х10-6 Торр. Было установлено, что удаление окислов происходило в диапазоне температур 350-400 оС, что сопровождалось появлением на дифракционной картине рефлексов кристаллической структуры. В дальнейшем дифракционная картина не изменялась при охлаждении или нагревании пластины в широком диапазоне температур. Реконструкция структуры поверхности с (2x4) в (4x2), наблюдалась при повышении температуры до 560 оС, что хорошо согласуется с литературными данными [2]. После этого температура подложки уменьшалась до 490 оС и производился рост изоморфной НЕМТ-гетероструктуры 1п0>52А10 48Ав/1п0>52А10 48Ав/1пР. Калибровка молекулярных потоков 1п, Оа и А1 для получения необходимого состава производилась с помощью ионизационного манометра, помещаемого на место выращиваемого образца.
Исследование спектров фотолюминесценции HEMT гетероструктур Ino,5зGao,47As/Ino,52Alo,48As/InP
Для определения точного состава выращенных слоев Ino,5зGao,47As/Ino,52Alo,48As в НЕМТ-гетероструктурах необходимо знать зависимость ширины зоны Eg данных соединений от их состава.
Соединение InхGa1-xAs. Ширина запрещенной зоны In0,53Ga0,47As, по литературным данным, составляет 810 мэВ при Т = 4 К [3] и 806 мэВ при Т = 77 К [4]. Для количественной оценки отклонения от стехиометрии канала в выращенных гетероструктурах при обработке спектров ФЛ можно воспользоваться следующей формулой [5]:
= 1,508 - 1,582* + 0,485х2, (1)
где х - доля 1п в соединении. При х = 0,53 расчетная величина Eg = 806 мэВ. Однако, следует иметь в виду характерное смещение пика фотолюминесценции (ФЛ) из-за особенности рекомбинации электронов и дырок в легированных гетероструктурах, зависящее от ширины канала In0,53Ga0,47As и плотности электронов двумерного электронного газа [6] (эффект Бурнштейна-Мотта).
Соединение InхAl1-xAs. Данные о ширине зоны In0,52Al0,48As, приведенные в литературе, противоречивы: Eg(In0,52Al0,48As)=1,560 эВ при Т = 4 К [3], Eg = 1,543 эВ при Т = 12 К [4], = 1,508 эВ при Т = 4 К [7].
Рассчитать зависимость ширины зоны барьера InхAl1_xAs от состава при Т = 77 К можно, если известна ширины зоны при некотором составе х = х0. Тогда для расчета следует воспользоваться формулой [4]
Е^1пхА1х-^) = а + Ь(1 - х) - сх(1 - х), (2)
где а= Eg(InAs) = 0,410 эВ; Ь = Eg(AlAs) - Eg(InAs) = 2,692 эВ; величина с определяется из (1) при х = х0.
Оценить ширину зоны InхAl1-xAs при х=0,52 можно следующим образом. Из литературы известно, что для ненапряженной квантовой ямы In0,52Al0,48AsДn0,53Ga0,47AsДn0,52Al0,48As разница ширин зон барьера и ямы AEg составляет: [4] - 730 мэВ (Т = 12 К), [8] - 730 мэВ (Т = 300 К), [3] - 750 мэВ (Т = 4 К), [7] - 695 мэВ (Т = 4 оК), т.е. данные противоречивы. Наш анализ показывает, что, вероятнее, AEg = 700 мэВ (Т = 4 К), при Т = 77 К величина AEg практически не изменится.
Тогда Eg(In0,52Al0,48As) = Eg(In0,53Ga0,47As) + AEg = 0,806 + 0,700 = 1,506, величина с = 0,786 и, следовательно, формула (2) для зависимости ширины зоны InxAl1_xAs от состава при Т = 77 К принимает вид
Eg(AlxIn1_xAs) = 0,410 + 2,692(1 - х) - 0,786х(1 - х). (3)
Анализ спектров ФЛ выращенных образцов. Измерения спектров проводились в различных точках пластины для определения разброса состава слоев гетероструктуры (рис. 1).
Рис. 1. Спектры ФЛ гетероструктуры In0,53Ga0,47As/In0,52Al0,48As/InP Доклады ТУСУРа, № 2 (22), часть 1, декабрь 2010
Канал Ino^Gao^As дает пик ФЛ в диапазоне 824-833 мэВ. Поправка на сдвиг Бурн-штейна-Мотта учитывалась следующим образом. Толщина слоя Ino^Gao^As (40 нм) в наших образцах точно соответствовала параметрам структур работы [6], для которых был измерен сдвиг Бурнштейна-Мотта в зависимости от концентрации 2ДЭГ: 14 мэВ при п2дЭГ = 2,7х1012 см-2, 15 мэВ при п2дЭГ = 2,8х1012 см-2 и 34 мэВ при п2дЭГ = 4х1012 см-2. Поэтому можно было произвести оценку такого сдвига линейной экстраполяцией к нашим величинам концентрации 2ДЭГ (3,2х1012 см-2 ). В результате была получена следующая величина: 5E = 22 мэВ. Учитывая данную поправку, получим Eg=8o2-811 мэВ, причем средняя величина Eg ср = 806 мэВ. Это соответствует значению Eg для Ino^Gao^As стехиометрического состава. Разброс Eg по пластине не превышает ±o,5%, что вполне допустимо.
Буферный слой Ino^Alo^eAs дает пик ФЛ в диапазоне от 1,466 эВ до 1,521 эВ в различных точках образца. Расчет по формуле (3) показывает, что это соответствует вариации мольной доли InAs от o,515 (1,52 эВ) до o,535 (1,466 эВ) с центром тяжести в области величины XIn = o,53 (должно быть o,52). Такое нарушение стехиометрического состава слоев InAlAs (от +3% до -1% по величине Xin) представляется вполне приемлемым, поскольку допускаются вариации содержания InAs в данном слое ±6% без заметного изменения подвижности электронов 2ДЭГ [8].
Таким образом, анализ спектров ФЛ изготовленной HEMT-гетероструктуры показал, что все эпитаксиальные слои являлись в достаточной степени стехиометрическими, вследствие чего в дальнейшем были получены высокие параметры двумерного электронного газа.
Измерения Холловских параметров
Измерения Холловских параметров при 3oo и 77 К производились с целью исследования зависимости качества гетероструктур от режимов роста. Для получения наилучших электрофизических параметров 2ДЭГ были оптимизированы как конструкция гетероструктур (толщины слоев, уровень 5-легирования кремнием), так и режимы их выращивания (температуры роста и соотношение потоков элементов V и III групп). Поперечное сечение оптимизированной приборной HEMT-гетероструктуры показано на рис. 2, а ее электрофизические параметры приведены в табл. 1. Там же для сравнения приведены аналогичные параметры, полученные в работе [9], которые являются наилучшими опубликованными параметрами HEMT-гетероструктур на подложках InP из доступных литературных источников.
Таблица 1
Электрофизические параметры гетероструктур InQ,g3GaQ,47As/InQ,g2AlQ,48As/InP
№ п/п Т-ра отжига, оС Т-ра роста, оС Толщина канала, dc, нм Холловские параметры гетероструктур
3oo К 77 К
Концентрация Ne, 1o12 см-2 Подвижность |e, см2/Вс Концентрация Ne, 1o12 см-2 Подвижность |e, см2/Вс
141o 54o 49o 4o 3,28 1o64o 3,2 38ooo
Литра [9] - 5oo 4o 3,3 Ю657 3,3 39ooo
Контактный слой Ino,53Gao47As, 2o нм, NSi=1x1o19 см 3
Барьерный слой Ino,52Alo48As, 23 нм, нелегированный
Донорный слой S-Si: NSi=7*1o12 см 2 Спейсер-слой Ino,52Alo48As, 4 нм, нелегированный
Канал Ino,53Gao47As, 36 нм, нелегированный
Буферный слой Ino,52Alo48As, 5oo нм, нелегированный
Подложка InP (1oo), полуизолирующая
Рис. 2. Параметры слоев оптимизированной гетероструктуры
Изготовление короткоканальных InP НЕМТ
Формирование InQ^GaQ^As/InQ^AlQ^gAs/InP НЕМТ осуществлялось посредством следующих технологических операций:
- межприборная изоляция: травление мезаструктур в Н3Р04:Щ02:Щ0 (3:2:50);
- омические контакты: Ni/Ge/Au (10/20/350 нм), вжигание при Т = 280 оС;
- электронно-лучевая литография затворов с использованием трехслойной системы резистов PMMA950/Copolimer/PMMA950;
- «подгонка» токов затворов путем травления подзатворной области в селективном травителе на основе янтарной кислоты;
- металлизация затворов: Ti/Pd/Au (70/40/400 нм);
- пассивация транзисторов: плазмохимическое осаждение диэлектрических слоев -Si3N4.
Электронно-лучевая литография затворов в данной работе производилась на модернизированной установке EBMF-2 (Cambridge Instruments) с CeBx монокристаллическим прямонакальным катодом при ускоряющем напряжении 38 кВ по тщательно отработанной технологии, что позволило изготовить затворы с длиной Lg = 180 нм, площадь сечения затвора 0,5 мкм2.
С целью исследования зависимости СВЧ-параметров транзисторов от топологии на одной пластине был изготовлен набор транзисторов со следующей шириной затворов: Wg= 2x30, 2x40, 2x60 и 2x80 мкм.
Статические характеристики InP НЕМТ
Типичные выходные вольт-амперные характеристики (ВАХ) Id(Ud) приборов представлены на рис. 3. Из них были определены основные параметры транзисторов. По зависимости тока затвора Ig от напряжения сток-затвор Udg было определено напряжение пробоя затвор-сток UdgBD (при Ig = 1 мА/мм), которое находилось в пределах от 2 до 3 В. Полученные параметры суммированы в табл. 2. Измерения C-V характеристики затворов
показали, что значение эффективной удельной ёмкости затвора составляет в среднем Cgs = 1,5 пФ/мм (при Udg = 0).
Представленные значения Idsat (при Ug= 0) и Gmmax соответствуют литературным данным для InP НЕМТ на изоморфных гете-роструктурах.
Таблица 2 Статические параметры изготовленных InP HEMT транзисторов
200 400 600 800 1000
Напряжение сток-исток, мВ Рис. 3. ВАХ InP НЕМТ транзистора
Idsat (при Ug=0), мА/мм 750-800
U/at, в. 0,2-0,5
Ugth, в -0,8 ... -0,9
UdsBD, в 2-3
Gmmax, См/мм >1000
Gd, См/мм <100
Cgs (при Uds=0), пФ/мм 1,5
СВЧ характеристики InP НЕМТ
Для исследования СВЧ характеристик изготовленных транзисторов были измерены непосредственно на пластине их малосигнальные S-параметры в диапазоне частот 0,0167 ГГц с помощью векторного анализа Е-8361А фирмы Agilent Technology. Далее рассчитывались частотные зависимости Н21, MSG/MAG и U-функции (Mason's Gain). Путем стандартных экстраполяций Н21 и U-функции прямыми с наклоном 20 дБ/дек находились предельные частоты усиления транзистора по току Ft и по мощности Fmax. Кроме того, с целью определения параметров транзисторов, необходимых для проектирования усилителей, были рассчитаны параметры малосигнальной эквивалентной схемы транзистора, максимально соответствующие измеренным S-параметрам (табл. 3).
Как видно, ры НЕМТ - Gm, увеличиваются
основные парамет-
Cgs, Rg, Cgd, Cds —
пропорционально
Таблица 3 Значения параметров элементов эквивалентной схемы HEMT
общей ширине затвора Wg, как и
должно быть. Внутренние сопротивления - Я] и Я^ - изменяются практически обратно пропорционально Wg. В то же время паразитные емкости, индуктивности и сопротивления, связанные с топологией транзистора и его монтажом на пластине, изменяются незначительно (Яё,Сёр,Lg, Яа, Сф, Ld и др.).
Полученные эквивалентные схемы транзисторов позволяют выполнить так называемую процедуру де-эмбеддинга (deembedding), т.е. вычленения параметров «внутреннего» транзистора, что необходимо для разработки более сложных устройств на их основе. Эта процедура заключается в удалении паразитных
Наименование параметра Ширина затвора транзистора Wg, мкм
2x30 2x40 2x60 2x80
Gm, мС 0,067 0,0893 0,134 0,179
Cgs, пФ 0,057 0,076 0,114 0,17
Rt, Ом 1,37 1,5 2 2
Lg, Гн 0,085 0,085 0,084 0,087
Rg, Ом 4,4 4,3 4,5 4,7
Cgp, пф 0,052 0,054 0,054 0,054
Cgd, пф 0,0132 0,0173 0,026 0,0347
R, Ом 20 15 10 8
Rs, Ом 2,8 2,5 2,5 2,38
Ls, Гн 0,015 0,0153 0,015 0,016
Cds, пФ 0,0282 0,036 0,054 0,072
Rds, Ом 270 202 110 82
Rd, Ом 1,14 3 3 7,5
Cdp, пФ 0,027 0,027 0,027 0,027
Ld, Гн 0,045 0,038 0,045 0,031
t, пс 0,3 0,3 0,3 0,3
элементов Rg, C.
Lg, Rd, C
d,
ydp,
Ld, Rg, Lg, Rs и Ls. Один из полученных результатов
сравнения измеренных и рассчитанных по модели усилительных характеристик для транзистора с Wg = 2x30 мкм показан на рис. 4, а графически полученные зависимости Ft и Fmax от Wg до и после де-эмбеддинга - на рис. 5. Очевидна сильная зависимость внешних и внутренних параметров транзисторов от Wg, которая нуждается в объяснении.
Рис. 4. Зависимости |H21| и ^-функции (Mason's Gain) от частоты для InP HEMT с Wg=2x30 мкм (символы - измерения, линии - расчет)
Для объяснения полученных результатов следует проанализировать упрощенные выражения для частоты отсечки «внутреннего» транзистора Fc, а также предельных частот
Ft и Fmax:
Fc =■
G,
m
Ve)
2nCgs 2nLg
Fc
C.
C
1 + (Rs + Rd )Gd (1 + Gm (Rs + Rd)) + (1 + GmRs)
C
'gs
■gs
F
4Gd (Rg + Rs + Rj) + 2 (+ Gm)
Cgs Cgs
Из их анализа видно, что частота отсечки Fc должна быть постоянна для всех измеренных транзисторов (независимо от Wg) и в нашем случае имеет значение Fc = 0,067 [См]/(2х3,14х0,057 [пФ]) = 187 ГГц. Она же определяет величину отсечки «внутреннего» транзистора, поскольку, как следует из приведенных выражений, Ft deemb = = FcД1+Cgd/Cgs), т.е. не зависит от Wg. Подставив значения параметров из табл. 3, можно получить, что в данном случае Ft deemb = 151,8 ГГц. Однако величина Ft прибора в целом (измеренная) должна возрастать с ростом Wg, поскольку уменьшается отношение С^/С^ в знаменателе, что и наблюдается на практике.
Проанализировать вы-
Ft, Fm
ГГц
350
200
Ж~,мкм
ражение для Fmax сложнее, но отметим, что величины Gm и Gd, входящие в его знаменатель, возрастают пропорционально Wg, т.е. падение Fmax с ростом Wg вполне естественно.
Заключение
Таким образом, в результате разработки технологии МЛЭ роста изоморфных гетероструктур
1п0,53^а0,47А^/1п0,52А10,48 As на подложках 1пР и изготовления НЕМТ на их основе впервые в России созданы приборы миллиметрового диапазона с Ft до 150 ГГц и Fmax до
Т-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1
60 80 100 120 140 160
Рис. 5. Зависимости предельных частот и Fmax от ширины затвора Wg до и после процедуры деэмбеддинга
Дальнейшее повышение частотных свойств таких приборов, очевидно, будет определять ся уменьшением Lg и повышением мольной доли 1п в канале.
323 ГГц, соответствующие мировому уровню для заданной длины затвора Lg = 0,18 мкм.
Литература
1. How Cost-Efficient Phosphide Changes the Telecommunication Industry's Competitive Landscape / D. Streit, A. Oki, R. Lai, A. Gutierrez-Aitken, et. al. // Compound Semiconductor Magazine. - 2000. - Issue 6, № 3. - P. 234-235.
2. Arsenic Stabilization of InP Substrates for Growth of GaxIn1-xAs Layers by Molecular Beam Epitaxy / G. Davies, R. Heckingbottom, H. Ohno et al. // Appl. Phys. Lett. -1980. - Vol. 37, № 3. - P. 290-292.
3. Weich D.F. Calculation band discontinuity forGa0 47In0 53As/Al0 48In0 52As hetero-junction / D.F. Weich, G.W. Wick, L.F. Eastman // J. Appl. Phys. ' - 1984. - № 55(8). -P. 3176-3179.
4. Free carrier and many-body effects in absorption spectra of modulation-doped quantum wells / G. Livescu, D.A.B. Miller, D.S. Chemla et al. // IEEE J. Quantum Electron. - 1988. - Vol. 24, № 8. - P. 1677-1689.
5. Температурные фотолюминесценции структур с InxGa1_xAs/GaAs квантовыми ямами / M.B. Карачевцева, А.С. Игнатьев, В.Г. Мокеров и др. // Физика и техника полупроводников. - 1994. - Т. 28, вып. 7. - С. 1211-1218.
6. The impact of epitaxial layer design and quality on GalnAs/AlInAs high electron-mobility transistor performance / A.S. Brown, U.K. Mishra, J.A. Henige, M.J. Delaney // J. Vac. Sci. Thechnol. - 1988. - Вып. 6 (2). - P. 678-681.
7. Absorption spectroscopy on Ga0.47ln0.53As/Al0.48ln0.52As multi-quantum-well het-erostructures. II. Subband structure / W. Stolz, J.C. Maan, M. Altarelli et al. // Phys. Rev. B. - 1987. - Vol. 36, № 8. - P. 4310-4315.
8. Lievin J. Reflection High-Energy Electron Diffraction Intensity Oscillation Study of InGaAs and InAlAs on InP: Application to Pseudomorphic Heterostructures / J. Lievin, C. Fonstad. // Appl. Phys. Lett. - 1987. - Vol. 51, № 15. - P. 1173-1175.
9. High Electron Mobility 18300 cm2/Vs in the InAlAs/InGaAs Pseudomorphic Structure Obtained by Channel Indium Modulation / T. Nakayama, H. Miyamoto, E. Oishi, N. Samoto // J. of Electronic Materials. - 1996. - Vol. 25, № 4. - P. 555-558.
Федоров Юрий Владимирович
Зав. лаб. Института СВЧ полупроводниковой электроники РАН (ИСВЧПЭ РАН), г. Москва
Тел.: +7 (499) 123-74-66
Эл. почта: [email protected]
Щербакова Марина Юрьевна
Науч. сотрудник ИСВЧПЭ РАН Тел.: +7 (499) 123-74-66
Гнатюк Дмитрий Леонидович
Мл. науч. сотрудник ИСВЧПЭ РАН Тел.: +7 (499) 123-62-22
Яременко Наталья Георгиевна
Канд. физ.-мат. наук, зав. лаб. Института радиотехники и электроники РАН (ИРЭ РАН, филиал), г. Фрязино
Страхов Валерий Александрович
Канд. физ.-мат. наук, ст. науч. сотрудник ИРЭ РАН
Fedorov Yu.V., Scherbakova M.Yu., Gnatyuk D.L., Yaremenko N.G., Strahov V.A.
In0 52Al0 48As/In0 53Ga0 47As/In0 52Al0 48As/InP HEMT with Maximum Frequency of Oscillation up
to 323 GHz
A molecular-beam technology for isomorphic heterostructures In0,52Al0,48As/In0,53Ga0,47As/In0,52Al0,48As on InP substrates with carrier mobility ^H= = 10640 cm2/Vs and DEG concentration nH = 3,28^1012 cm2 at T = 300 °K has been developed. These heterostructures were used to manufacture HEMT, which have the gate length Lg = 180 nm and two-sectional gate topology having the gate width Wg = 2x30, 2x40,2x60 and 2x80 ^m, by means of electron beam lithography technique. The transistors exhibit transconduc-tance Gm=1000 mS/mm and maximum drain current density Id=800 mA/mm. The frequency dependencies of HEMT's S-parameters were investigated within range of 0,01 to 67 GHz. Peak cut-off frequency Ft and maximum frequency of oscillations Fmax were found versus Wg. Parameters of the linear HEMT models for different Wg are given,and parameters of «intrinsic» transistor model are found. As for the «intrinsic» transistor, it has been found the frequencies Ft and Fmax to be maximal for HEMTs with Wg=2x30 ^m and equals to 150 GHz and 323 GHz,respectively.
The obtained parameters of isomorphic heterostructures and HEMT on InP substrates are close to the stay-of-the art world standards for 180 nm gate length. As we know, the given results are firstly reported in Russia.
Keywords: HEMT, InP substrate, isomorphic heterostructure, molecular-beam epitaxy.
