Вестник Военного инновационного технополиса «ЭРА», 2023, T. 4, № 3, стр. 269-272

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время подложки кремния активно используются для эпитаксии гетероструктур на основе нитрида галлия [1–3]. Основой повышенного интереса к пластинам кремния являются низкая стоимость по сравнению с пластинами карбида кремния, а также наличие пластин большого диаметра вплоть до 300 мм. Отсутствие в Росии технологии роста высокоомных подложек Si диаметром более 100 мм, получаемых методом бестигельной зонной плавки, значительно ограничивают возможность их применения для роста гетероструктур GaN транзисторов с высокой подвижностью электронов (high electron mobility transistor, HEMT) под СВЧ-применения. В связи с этим было предложено в качестве альтернативы использовать уникальные сверхвысокоомные эпитаксиальные структуры кремния [4]. Ранее проведенные технологические работы показали возможность применения данного материала для получения GaN HEMT-гетероструктур [5, 6]. Актуальным вопросом являются характеризация гетероструктур и транзисторов, созданных на пластинах со сверхвысокоомной эпитаксиальной структурой кремния, и определение эффективности их использования для создания СВЧ-устройств. Данная работа посвящена исследованию характеристик транзисторов с топологическими нормами 0.1–0.25 мкм на отечественных пластинах, созданных по технологии эпитаксиального доращивания высокоомного кремния.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-МЕТОДИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

В работе использована гетероструктура с барьерным слоем AlGaN толщиной 16 нм, мольной долей алюминия 23% и in situ-пассивацией Si₃N₄ толщиной 3 нм, синтезированная на структурах сверхвысокоомного эпитаксиального кремния на подложках марки КДБ-10 диаметром 100 мм. Удельное сопротивление эпитаксиального слоя Si составило 2–5 кОм∙см. В целях получения гладкой поверхности эпитаксиального слоя Si при росте на подложке с ориентацией Si(111) ± 0.5° был применен многостадийный метод роста с использованием хлоридных и гидридных кремнийсодержащих газовых реагентов. Создание сверхвысокоомного эпитаксиального слоя кремния и синтез гетероструктуры проводили АО “Эпиэл” (Зеленоград, Россия).

Были созданы двухзатворные транзисторы с периферией затвора 2 × 100 мкм, расстояние исток–сток 3 мкм (рис. 1). Контакты к двумерному электронному газу формировали путем эпитаксиального доращивания нитрида галлия с контролируемым профилем легирования кремнием [7, 8] с последующей металлизацией. Затворы создавали по технологии отдельно стоящих затворов с использованием трехслойной системы резистов с помощью метода электронно-лучевой литографии. Длина затвора составляла 0.1, 0.15 и 0.25 мкм. Далее методом плазменно-химическое осаждения из паровой фазы получали нитрид кремния толщиной 200 нм.

Рис. 1.

Изображение транзистора с длиной затвора 100 нм.

Характеризацию гетероструктуры и технологического процесса осуществляли при помощи специального параметрического монитора, который включал в себя тесты ван дер Пау для анализа слоевого сопротивления, тесты для анализа контактного сопротивления к двумерному электронному газу методом длинной линии, компланарные линии для анализа потерь СВЧ-сигнала. Параметрический монитор располагался в нескольких частях пластины для определения однородности параметров.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Слоевое сопротивление гетероструктуры составило 460 ± 10 Ом/квадрат, оно несколько выше типичных значений коммерчески доступных гетероструктур на кремнии (менее 400 Ом/квадрат), что может свидетельствовать о необходимости оптимизации архитектуры эпитаксиальных слоев и корректировки ростовых параметров. Контактное сопротивление составило 0.13 ± ± 0.03 Ом ⋅ мм.

На рис. 2 приведены типичные статические характеристики транзисторов с длиной затвора 100 нм. Максимальный ток насыщения стока составил 1.2 А/мм при V_gs = +2 В и напряжении на стоке V_ds = +6 В. Ток насыщения при V_gs = 0 В составил 0.9 А/мм. Максимальная крутизна транзистора G_m = 407 мСм/мм. Напряжение отсечки V_отс = –3.2 В. Статические характеристики изготовленных транзисторов с различной длиной затвора приведены в табл. 1. Как и ожидалось, с увеличением длины затвора происходит незначительное снижение тока насыщения транзистора и его максимальной крутизны одновременно с повышением напряжений отсечки и пробоя [9]. Высокие значения тока насыщения для созданных транзисторов с разной длиной затвора позволяют ожидать значения выходной мощности на уровне 5 Вт/мм при напряжениях питания 28 В и более [10]. Однако высокое значение слоевого сопротивления приводит к увеличению напряжения насыщения канала двумерного газа, что в свою очередь ведет к уменьшению выходной мощности. Таким образом, для эффективного использования представленных гетероструктур для значений питания 20 В и менее необходимо уменьшение слоевого сопротивления до 300 Ом/квадрат.

Рис. 2.

Выходные статические характеристики транзисторов: а – вольт-амперная характеристика транзистора (напряжение на затворе V_g = –3…+2 В с шагом 1 В), б – крутизна транзистора.

Измеренные статические характеристики соответствуют лучшим результатам на карбиде кремния [10, 11], что говорит как о высоком качестве гетероструктур, так и высоком уровне технологического процесса.

Слабосигнальные характеристики анализировали в частотном диапазоне 1–40 ГГц. На рис. 3 приведены частотные зависимости коэффициента усиления по мощности для транзисторов с различной длиной затвора. Как видно, положение точки перехода максимально стабильного коэффициента усиления по мощности (maximum stable gain, MSG) в максимально достижимый коэффициент усиления по мощности (maximum available gain, MAG) смещается в низкочастотную область с увеличением длины затвора и находится на 20, 37.5 и более 40 ГГц для транзисторов с длиной затвора 250, 150 и 100 нм соответственно. Коэффициент усиления созданных транзисторов на частоте 10 ГГц равен 15.63, 15.92 и 16.55 дБ для транзисторов с длиной затвора 250, 150 и 100 нм соответственно. Потери СВЧ-сигнала в компланарной линии составили 0.89 дБ/мм на частоте 30 ГГц.

Рис. 3.

Частотная зависимость коэффициента усиления по мощности для транзисторов с различной длиной затвора.

На основе исследования статических и малосигнальных характеристик можно заключить, что созданные на базе гетероструктур на подложках с высокоомным эпитаксиальным слоем кремния транзисторы могут быть использованы как активные элементы при проектировании и создании СВЧ-устройств в широком диапазоне частот вплоть до 30 ГГц.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе гетероструктуры нитрида галлия на пластине низкоомного кремния с эпитаксиально дорощенным высокоомным слоем кремния были созданы транзисторы с длиной затвора 0.1, 0.15 и 0.25 мкм, на которых были изучены статические и малосигнальные характеристики.

Транзисторы характеризовались значением максимального тока насыщения выше 1.1 А/мм и крутизной передаточной характеристики более 350 мСм/мм. Переход MSG/MAG составил 20, 37.5 и более 40 ГГц при коэффициенте усиления на частоте 10 ГГц, равном 15.63, 15.92 и 16.55 дБ для транзисторов с длиной затвора 250, 150 и 100 нм соответственно. Потери СВЧ-сигнала на частоте 30 ГГц составили 0.89 дБ/мм.

Полученные результаты находятся на высоком мировом уровне, имеют высокий потенциал дальнейшего развития, а созданные на базе гетероструктур на подложках с высокоомным эпитаксиальным слоем кремния транзисторы имеют перспективы использования при создании СВЧ-устройств в широком диапазоне частот вплоть до 30 ГГц.

Работа выполнена по государственному заданию Национального исследовательского центра “Курчатовский институт”.