eng
Выпуск #1/2023
К.А.Царик, О.Б.Чуканова, Е.А.Козловская
ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ ГЕТЕРОСТРУКТУР ПРИ ПОСТРОЕНИИ GaN НОРМАЛЬНО ЗАКРЫТЫХ ТРАНЗИСТОРОВ ДЛЯ СИЛОВЫХ МОНОЛИТНЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ
ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ ГЕТЕРОСТРУКТУР ПРИ ПОСТРОЕНИИ GaN НОРМАЛЬНО ЗАКРЫТЫХ ТРАНЗИСТОРОВ ДЛЯ СИЛОВЫХ МОНОЛИТНЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ
Просмотры: 1103
DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.1.70.79
В статье рассмотрены ключевые зависимости характеристик нормально-закрытых транзисторов от параметров GaN гетероструктур. Определены толщины и концентрации легирующих примесей в слоях гетероструктуры. В результате моделирования получены вольтамперные характеристики р-канального полевого транзистора и n-канального транзистора с подзатворным слоем р-типа.
В статье рассмотрены ключевые зависимости характеристик нормально-закрытых транзисторов от параметров GaN гетероструктур. Определены толщины и концентрации легирующих примесей в слоях гетероструктуры. В результате моделирования получены вольтамперные характеристики р-канального полевого транзистора и n-канального транзистора с подзатворным слоем р-типа.
Теги: heterostructures monolithic integrated circuits normally-off transistors гетероструктуры монолитные интегральные схемы нормально-закрытые транзисторы
Получено: 25.01.2023 г. | Принято: 27.01.2023 г. | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.1.70.79
Научная статья
Особенности конструкции гетероструктур при построении GaN нормально-закрытых транзисторов для силовых монолитных интегральных схем
К.А.Царик1, к.т.н., нач. лаб., ORCID: 0000-0002-8218-7774
О.Б.Чуканова1, инженер, ORCID: 0000-0001-5726-630X / kukhtuaeva@mail.ru
Е.А.Козловская1, инженер, ORCID: 0000–0003-0235-3101
Аннотация. В статье рассмотрены ключевые зависимости характеристик нормально-закрытых транзисторов от параметров GaN гетероструктур. Определены толщины и концентрации легирующих примесей в слоях гетероструктуры. В результате моделирования получены вольтамперные характеристики р-канального полевого транзистора и n-канального транзистора с подзатворным слоем р-типа.
Ключевые слова: нормально-закрытые транзисторы, монолитные интегральные схемы, гетероструктуры
Для цитирования: К.А. Царик, О.Б. Чуканова, Е.А. Козловская. Особенности конструкции гетероструктур при построении GaN нормально-закрытых транзисторов для силовых монолитных интегральных схем. НАНОИНДУСТРИЯ. 2023. Т. 16, № 1. С. 70–79. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.1.70.79
Received: 25.01.2023 | Accepted: 27.01.2023 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.1.70.79
Original paper
DESIGN FEATURES OF HETEROSTRUCTURES FOR CONSTRUCTION OF GaN NORMALLY-OFF TRANSISTORS FOR POWER MONOLITHIC INTEGRATED CIRCUITS
K.A.Tsarik1, Cand. of Sci. (Tech), Head of Laboratory, ORCID: 0000-0002-8218-7774
O.B.Chukanova1, Engineer, ORCID: 0000-0001-5726-630X / kukhtuaeva@mail.ru
E.A.Kozlovskaya1, Engineer, ORCID: 0000–0003-0235-3101
Abstract. This paper considers the key dependencies of characteristics of the normally-off transistors on GaN heterostructures parameters. Thicknesses and concentrations of dopants in the layers of the heterostructure are determined. As a result of the simulation, the current-voltage characteristics of a p-channel field-effect transistor and an n-channel transistor with a p-type gate layer were obtained.
Keywords: normally-off transistors, monolithic integrated circuits, heterostructures
For citation: K.A. Tsarik, O.B. Chukanova, E.A. Kozlovskaya. Design features of heterostructures for construction of GaN normally-off transistors for power monolithic integrated circuits. NANOINDUSTRY. 2023. V. 16, no. 1. PP. 70–79. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.1.70.79.
ВВЕДЕНИЕ
Нитрид галлия (GaN) и родственные полупроводниковые сплавы (такие как AlGaN, InGaN и т.д.) неоднократно упоминались как перспективные материалы для следующего поколения мощных и высокочастотных электронных устройств. Стандартно GaN/AlGaN транзисторы нормально-открытые. Для силовых применений требуются нормально-закрытые приборы, чтобы гарантировать безопасную работу и простую конфигурацию управления затвором. Создание монолитной схемы на основе таких приборов позволит создавать комплиментарные пары и логические схемы, расширит электронную компонентную базу России.
Для создания нормально-закрытых транзисторов необходимо обеспечить отсутствие носителей зарядов в канале транзистора под затвором при нулевых напряжениях на нем. Для этого необходимо создать конструкцию гетероструктуры, позволяющей обеспечить точный контроль порогового напряжения и изменить его в сторону положительных значений. Пороговое напряжение зависит от высоты барьера Шоттки, разрыва зоны проводимости в гетеропереходе AlGaN/GaN, толщины барьера dAlGaN, доли Al в AlGaN, концентрации донорной примеси в AlGaN, диэлектрической проницаемости барьерного слоя, а также плотности поляризационного заряда [1].
В течение многих лет было предложено несколько решений для достижения нормально выключенного режима работы: имплантация ионов фтора под затвор [2], углубление затвора и использование структуры MIS (metal-insulator-semiconductor) [3], каскодное соединение нормально-открытого и МОП -транзистора [4] и использование p-GaN слоя под затвором [2].
При имплантации ионов фтора отрицательный заряд ионов способствует истощению канала и приводит к положительному пороговому напряжению Vth. В недавних работах [5] было показано, что F-ионы могут проявлять нестабильность при высоком электрическом напряжении, что приводит к изменению порогового напряжения, к увеличению токов утечек, уменьшению подвижности. Чтобы частично уменьшить этот недостаток, плазменное травление в индуктивно связанной плазме (ICP) проводится с использованием очень низкой мощности.
Использование структуры с затвором типа MIS с заглублением в AlGaN барьер гарантирует эффективную минимизацию утечки затвора и пороговое напряжение выше одного вольта. Основными недостатками этого подхода являются нестабильность порогового напряжения из-за ловушек в диэлектрике, а также зависящий от времени пробой диэлектрика тонкого изолятора [6]. Поэтому в таких транзисторах важно подобрать правильно подзатворный диэлектрик.
При каскодном соединении нормально-открытого высоковольтного GaN-транзистора и низковольтного кремниевого МОП-транзистора последний управляет состоянием включения/выключения пары, в то время как GaN HEMT (обладающий высокой устойчивостью к высоким полям) удерживает напряжение в выключенном состоянии. Преимуществами этого решения являются очень хорошая стабильность порогового напряжения, возможность использования стандартных Si драйверов, а также использование нормально включенного HEMT, процесс изготовления и надежность которого хорошо оценены. С другой стороны, сложность каскодного соединения является основным недостатком.
Слой p-GaN типа поднимает зонную диаграмму гетероструктуры, что приводит к полному истощению двумерного электронного газа (2DEG) при нулевом смещении на затворе. Специфическими проблемами транзисторов с p-GaN затвором являются зависящая от времени деградация и эффекты захвата, связанные с акцепторной примесью в виде Mg. В качестве полупроводника под затвором может быть выбран оксид никеля (NiO) – перспективный изоляционный материал для GaN устройств, благодаря широкой запрещенной зоне (4 эВ) и относительно высокой диэлектрической проницаемости 11,9 (т.е. почти в три раза выше, чем у обычно используемого SiO2). Важным аспектом, связанным с NiO, является возможность настройки его электронных свойств путем изменения условий роста материала. Фактически, при определенных условиях полупроводящие слои NiO p-типа могут быть получены и использованы для формирования нормально-закрытых GaN HEMT, но контролировать некоторые технологические этапы достаточно трудно, что может повлиять на свойства 2DEG [7].
На основе гетероструктур с р-GaN слоем формируют так называемые платформы, которые включают в себя различные типа приборов: нормально-открытые GaN транзисторы, нормально-закрытые n-канальные и нормально-закрытые р-канальные приборы [8]. Данные платформы позволяют сократить и упростить сборку схем, а также создавать комплиментарные пары на основе GaN структур.
Таким образом, в данной работе используется физическое моделирование для исследования поведения зонной структуры при варьировании параметров барьерного слоя и слоя спейсера. Исследовано поведение характеристик нормально-закрытого транзистора на основе GaN структуры при различных значениях толщины барьерного слоя. А также исследована возможность формирования р-канального нормально-закрытого или нормально-открытого GaN транзистора при изменении параметров p-GaN слоя.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Исследование проводилось при помощи моделирования в программном пакете Sentaurus TCAD (Technology Computer Aided Design). Данное программное обеспечение предназначено для моделирования полупроводников, позволяет моделировать как изготовление, так и поведение полупроводниковых приборов. При моделировании в TCAD используется метод Ньютона для решения уравнения Пуассона, уравнений непрерывности и др. Эти уравнения предоставляют необходимую информацию для определения конкретных физических параметров устройства. Sentaurus TCAD также учитывает физику GaN пьезоэлектрической поляризации. Другим преимуществом Sentaurus TCAD является то, что в его библиотеке предоставленных полупроводниковых приборов имеется структура HEMT, которую можно использовать как ориентир при моделировании транзисторов.
Наличие пьезоэлектрической поляризации приводит к возникновению интерфейсного заряда. Величина плотности интерфейсного заряда σ определяется разностью поляризаций контактирующих веществ. Для гетероструктур AlGaN/GaN величина заряда σ может быть вычислена с использованием упругих постоянных GaN, AlN и правила Вегарда для твердого раствора AlxGa1-xN. Знак заряда σ зависит от типа поверхности раздела: Ga-face, когда слой GaN заканчивается атомом галлия и N-face – атомом азота.
При расчете в пакете TCAD можно пользоваться методикой учета интерфейсного заряда с учетом простейшей классической диффузионно-дрейфовой модели, а можно использовать уже встроенные поляризационные пакеты, учитывающие как спонтанную, так и пьезоэлектрическую поляризации. Наличие поляризационного заряда на поверхности GaN между электродами, осложняет работу приборов, поэтому используют различные пассивирующие слои, которые также можно промоделировать в Sentaurus TCAD.
В структурах GaN/AlGaN можно получить значение слоевой концентрации до 6 · 1013см-2. На самом деле, это не так. С ростом мольной доли Al в барьерном слое увеличивается несоответствие решеток, что приводит к релаксации напряжений и образованию дислокаций в барьерном слое и понижает подвижность m. В реальности выращивают структуры с мольной долей Al x <0.3 и концентрацией Ns порядка 1 · 1013см-2.
Таким образом, существенное влияние на тип прибора, пороговое напряжение и выходные характеристики оказывают параметры барьерного слоя. Поэтому важно подробно рассмотреть влияние параметров этого слоя конкретно на нашу структуру.
Для моделирования в качестве основы была взята структура, которая содержала следующие слои: p-GaN толщиной 50 нм, AlGaN с мольной долей Al 20% 9 нм, канальные слой GaN, буфер AlGaN с мольной долей Al 5%, зародышевый слой AlN, подложка (Рис.1). Конструкция прибора была выбрана следующей: длина затвора 1 мкм, расстояние сток-затвор 6 мкм и расстояние исток-затвор 1 мкм.
Для расчета концентрации в канале необходимо решить квантово-механическую задачу, но, как показано в [9], такой же результат получается, если ограничиться использованием простейшей классической диффузионно-дрейфовой модели. При нулевых смещениях на затворе строилась зонная диаграмма структуры (Рис.2.) и распределение плотности носителей заряда в зависимости от толщины барьерного слоя, мольной доли алюминия в нем, а также исследовалось влияние параметров p-GaN слоя на характеристики транзистора и влияние толщины AlN слоя.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Поварьировав толщину барьерного слоя и мольной доли алюминия в нем и измерив концентрацию носителей в канале, была построена оценочная кривая типа прибора (Рис.3). Если структура имеет параметры барьерного слоя в области I, то прибор нормально-открытый, а если с параметрами в области II – нормально-закрытый. Следует брать значения параметров ближе к оси у, т.е. со значениями толщины меньше 20 нм и мольной доле Al более 20%, чтобы прибор обладал приличными токами стока, хотя для силовых применений это не самый важный параметр транзистора. Для нашего случая была выбрана толщина барьерного слоя 15 нм и содержание Al в нем 23%.
Важно также рассмотреть, как именно параметры барьерного слоя влияют на основные характеристики транзистора – пороговое напряжение и ток стока в открытом состоянии. Пороговое напряжение нормально-закрытого прибора должно быть положительным, а если равняться на публикации зарубежных ученых – более 1 В [10]. На рис.4 и рис.5. показаны зависимости тока стока транзистора при 3,5 В на затворе и порогового напряжения от толщины барьерного слоя и зависимости тока стока транзистора при 3,5 В на затворе и порогового напряжения от мольной доли Al в нем. Таким образом, оптимальными параметрами барьера для формирования нормально-закрытого транзистора с p-GaN затвором являются 15 нм толщина и 23% мольная доля Al в барьерном слое. Тогда ток стока при 3,5 В на затворе будет приблизительно 350 мА/мм, а пороговое напряжение около 1,5 В.
Другим важным параметром является толщина слоя AlN. Для обеднения канала при нулевых смещениях на электродах толщина барьерного слоя должна быть достаточно малой, как уже было показано. Наличие слоя спейсера AlN увеличивает эффективную толщину барьера обратно пропорционально, поэтому его толщину нужно выбирать как можно меньше. Оценка критической толщины слоя спейсера проводилась по описанной выше методике. Толщина этого слоя не должна быть более 1,5 нм (рис.6). При увеличении толщины AlN от 1,5 нм и выше концентрация электронов в слое GaN начнет резко увеличиваться.
Также было исследовано влияние p-GaN слоя на характеристики прибора. По зависимости концентрации носителей заряда в канале от толщины р-слоя была выявлена его критическая толщина – 40 нм. При большей толщине слоя прибор нормально-закрытый, а толщина слоя никак не влияет на характеристики. Аналогично по зависимости концентрации носителей заряда в канале от концентрации примеси в р-слое была выявлена критическая степень легирования – 4 · 1017 см-3. Для получения нормально-закрытого состояния необходимо легирование р-слое больше этого значения. Однако на практике данный параметр плохо контролируется. Как правило, известна концентрация введенной примеси, а какой процент ее активируется при росте неизвестно.
На одной пластине в едином технологическом цикле на описанной гетероструктуре также можно сформировать и нормально-закрытый р-канальный полевой транзистор. Это даст возможность формировать комплиментарные пары на основе GaN, создавать различные типы приборов за один технологический цикл, что упростит сборку схем. Для формирования р-канального транзистора необходимо нарастить n+-GaN под затвором для обеспечения нормально-закрытого поведения прибора (рис.7).
Для нормально-закрытого р-канального транзистора также была разработана методика оценки типа прибора (рис.8). Основными параметрами являются параметры канального слоя – концентрация примеси Mg и толщина р-слоя в данном случае. Аналогично, если структура имеет параметры р-слоя в I области, то транзистор нормально-открытый. Для создания универсальной платформы при подборе параметров для р-канального транзистора необходимо учитывать и параметры n-канального, чтобы он тоже был нормально-закрытым (область III на рис.8).
Таким образом, был выбран следующий состав гетероструктуры для исследуемой платформы: p-GaN толщиной 80 нм, AlGaN с мольной долей Al 23% 15 нм, канальные слой GaN, буфер AlGaN с мольной долей Al 5%, зародышевый слой AlN, подложка. На рис.9. показаны рассчитанные вольтамперные характеристики для данных приборов. Нормально-закрытый р-канальный полевой транзистор с длиной затвора, расстоянием сток-затвор и расстоянием исток-затвор по 1 мкм обладает током стока при -3 В на затворе порядка -0,9 мА/мм. Изменяя топологию прибора, варьируя длину и ширину, можно будет добиться одинаковых уровней тока для создания комплиментарной пары.
Как уже говорилось выше, n-канальный прибор получается нормально-закрытым за счет p-GaN слоя, который "поднимает" зону проводимости, тем самым обедняя канал транзистора. Рассмотрим физику нормально-закрытого р-канального полевого транзистора. В данном случае весь р-слой уже сам является канальным и его параметры напрямую влияют на ток прибора. Для того, чтобы его закрыть необходимо, например, при помощи ОПЗ "перекрыть" весь р-слой или использовать какой-то другой подход. В литературе по аналогии со стандартными подходами предлагают углублять затвор в р-слой и обрабатывать подзатворную область кислородом [11]. В данной статье мы предлагаем нарастить в области затвора n+-GaN, чтобы образовался p-GaN/n-GaN гетеропереход, ОПЗ которого и будет управлять каналом. Здесь может возникнуть другая проблема. Такой р-канальный транзистор получается двухканальным. Один канал дырочный – это весь слой p-GaN, и электронный канал – из-за поляризации на гетеропереходе AlGaN/GaN, который в состоянии покоя перекрыт из-за р-слоя сверху. Электронный канал не влияет на работу прибора, т.к. он работает при положительных смещениях, поэтому электронный канал получается перекрыт всегда.
ВЫВОДЫ
Продемонстрировано моделирование нормально-закрытых транзисторов на основе GaN. Исследовано влияние параметров гетероструктуры на поведение нормально-закрытого n-канального транзистора с p-GaN затвором и нормально-закрытого р-канального транзистора, управляемого p-n-переходом. Подобрана оптимальная конструкция гетероструктуры для получения различных типов приборов в едином технологическом цикле. Разработаны методики определения типов приборов по ключевым параметрам гетероструктуры. Рассмотрена физика работы приборов.
Таким образом, нормально-закрытый n-канальный транзистор, управляемый р-затвором длиной 1 мкм, расстоянием исток-затвор 1 мкм и расстоянием сток-затвор 6 мкм обладает максимальным током стока 350 мА/мм при 3,5 В на затворе. Нормально-закрытый р-канальный транзистор управляемый ОПЗ p-n-перехода с расстояниями между электродами по 1 мкм обладает током стока при -3 В на затворе порядка -0,9 мА/мм.
Разработанные приборы позволят создавать так называемые "платформы" с различными типами приборов, которые открывают возможность формирования комплиментарных пар и различных схем в едином цикле, тем самым расширят ЭКБ России. Также разработанные приборы смогу заменить силовые GaAs приборы и увеличить их мощность (в 5G технологиях, например).
БЛАГОДАРНОСТИ
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки в рамках государственного задания FSMR-2022-0004.
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
Научная статья
Особенности конструкции гетероструктур при построении GaN нормально-закрытых транзисторов для силовых монолитных интегральных схем
К.А.Царик1, к.т.н., нач. лаб., ORCID: 0000-0002-8218-7774
О.Б.Чуканова1, инженер, ORCID: 0000-0001-5726-630X / kukhtuaeva@mail.ru
Е.А.Козловская1, инженер, ORCID: 0000–0003-0235-3101
Аннотация. В статье рассмотрены ключевые зависимости характеристик нормально-закрытых транзисторов от параметров GaN гетероструктур. Определены толщины и концентрации легирующих примесей в слоях гетероструктуры. В результате моделирования получены вольтамперные характеристики р-канального полевого транзистора и n-канального транзистора с подзатворным слоем р-типа.
Ключевые слова: нормально-закрытые транзисторы, монолитные интегральные схемы, гетероструктуры
Для цитирования: К.А. Царик, О.Б. Чуканова, Е.А. Козловская. Особенности конструкции гетероструктур при построении GaN нормально-закрытых транзисторов для силовых монолитных интегральных схем. НАНОИНДУСТРИЯ. 2023. Т. 16, № 1. С. 70–79. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.1.70.79
Received: 25.01.2023 | Accepted: 27.01.2023 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.1.70.79
Original paper
DESIGN FEATURES OF HETEROSTRUCTURES FOR CONSTRUCTION OF GaN NORMALLY-OFF TRANSISTORS FOR POWER MONOLITHIC INTEGRATED CIRCUITS
K.A.Tsarik1, Cand. of Sci. (Tech), Head of Laboratory, ORCID: 0000-0002-8218-7774
O.B.Chukanova1, Engineer, ORCID: 0000-0001-5726-630X / kukhtuaeva@mail.ru
E.A.Kozlovskaya1, Engineer, ORCID: 0000–0003-0235-3101
Abstract. This paper considers the key dependencies of characteristics of the normally-off transistors on GaN heterostructures parameters. Thicknesses and concentrations of dopants in the layers of the heterostructure are determined. As a result of the simulation, the current-voltage characteristics of a p-channel field-effect transistor and an n-channel transistor with a p-type gate layer were obtained.
Keywords: normally-off transistors, monolithic integrated circuits, heterostructures
For citation: K.A. Tsarik, O.B. Chukanova, E.A. Kozlovskaya. Design features of heterostructures for construction of GaN normally-off transistors for power monolithic integrated circuits. NANOINDUSTRY. 2023. V. 16, no. 1. PP. 70–79. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.1.70.79.
ВВЕДЕНИЕ
Нитрид галлия (GaN) и родственные полупроводниковые сплавы (такие как AlGaN, InGaN и т.д.) неоднократно упоминались как перспективные материалы для следующего поколения мощных и высокочастотных электронных устройств. Стандартно GaN/AlGaN транзисторы нормально-открытые. Для силовых применений требуются нормально-закрытые приборы, чтобы гарантировать безопасную работу и простую конфигурацию управления затвором. Создание монолитной схемы на основе таких приборов позволит создавать комплиментарные пары и логические схемы, расширит электронную компонентную базу России.
Для создания нормально-закрытых транзисторов необходимо обеспечить отсутствие носителей зарядов в канале транзистора под затвором при нулевых напряжениях на нем. Для этого необходимо создать конструкцию гетероструктуры, позволяющей обеспечить точный контроль порогового напряжения и изменить его в сторону положительных значений. Пороговое напряжение зависит от высоты барьера Шоттки, разрыва зоны проводимости в гетеропереходе AlGaN/GaN, толщины барьера dAlGaN, доли Al в AlGaN, концентрации донорной примеси в AlGaN, диэлектрической проницаемости барьерного слоя, а также плотности поляризационного заряда [1].
В течение многих лет было предложено несколько решений для достижения нормально выключенного режима работы: имплантация ионов фтора под затвор [2], углубление затвора и использование структуры MIS (metal-insulator-semiconductor) [3], каскодное соединение нормально-открытого и МОП -транзистора [4] и использование p-GaN слоя под затвором [2].
При имплантации ионов фтора отрицательный заряд ионов способствует истощению канала и приводит к положительному пороговому напряжению Vth. В недавних работах [5] было показано, что F-ионы могут проявлять нестабильность при высоком электрическом напряжении, что приводит к изменению порогового напряжения, к увеличению токов утечек, уменьшению подвижности. Чтобы частично уменьшить этот недостаток, плазменное травление в индуктивно связанной плазме (ICP) проводится с использованием очень низкой мощности.
Использование структуры с затвором типа MIS с заглублением в AlGaN барьер гарантирует эффективную минимизацию утечки затвора и пороговое напряжение выше одного вольта. Основными недостатками этого подхода являются нестабильность порогового напряжения из-за ловушек в диэлектрике, а также зависящий от времени пробой диэлектрика тонкого изолятора [6]. Поэтому в таких транзисторах важно подобрать правильно подзатворный диэлектрик.
При каскодном соединении нормально-открытого высоковольтного GaN-транзистора и низковольтного кремниевого МОП-транзистора последний управляет состоянием включения/выключения пары, в то время как GaN HEMT (обладающий высокой устойчивостью к высоким полям) удерживает напряжение в выключенном состоянии. Преимуществами этого решения являются очень хорошая стабильность порогового напряжения, возможность использования стандартных Si драйверов, а также использование нормально включенного HEMT, процесс изготовления и надежность которого хорошо оценены. С другой стороны, сложность каскодного соединения является основным недостатком.
Слой p-GaN типа поднимает зонную диаграмму гетероструктуры, что приводит к полному истощению двумерного электронного газа (2DEG) при нулевом смещении на затворе. Специфическими проблемами транзисторов с p-GaN затвором являются зависящая от времени деградация и эффекты захвата, связанные с акцепторной примесью в виде Mg. В качестве полупроводника под затвором может быть выбран оксид никеля (NiO) – перспективный изоляционный материал для GaN устройств, благодаря широкой запрещенной зоне (4 эВ) и относительно высокой диэлектрической проницаемости 11,9 (т.е. почти в три раза выше, чем у обычно используемого SiO2). Важным аспектом, связанным с NiO, является возможность настройки его электронных свойств путем изменения условий роста материала. Фактически, при определенных условиях полупроводящие слои NiO p-типа могут быть получены и использованы для формирования нормально-закрытых GaN HEMT, но контролировать некоторые технологические этапы достаточно трудно, что может повлиять на свойства 2DEG [7].
На основе гетероструктур с р-GaN слоем формируют так называемые платформы, которые включают в себя различные типа приборов: нормально-открытые GaN транзисторы, нормально-закрытые n-канальные и нормально-закрытые р-канальные приборы [8]. Данные платформы позволяют сократить и упростить сборку схем, а также создавать комплиментарные пары на основе GaN структур.
Таким образом, в данной работе используется физическое моделирование для исследования поведения зонной структуры при варьировании параметров барьерного слоя и слоя спейсера. Исследовано поведение характеристик нормально-закрытого транзистора на основе GaN структуры при различных значениях толщины барьерного слоя. А также исследована возможность формирования р-канального нормально-закрытого или нормально-открытого GaN транзистора при изменении параметров p-GaN слоя.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Исследование проводилось при помощи моделирования в программном пакете Sentaurus TCAD (Technology Computer Aided Design). Данное программное обеспечение предназначено для моделирования полупроводников, позволяет моделировать как изготовление, так и поведение полупроводниковых приборов. При моделировании в TCAD используется метод Ньютона для решения уравнения Пуассона, уравнений непрерывности и др. Эти уравнения предоставляют необходимую информацию для определения конкретных физических параметров устройства. Sentaurus TCAD также учитывает физику GaN пьезоэлектрической поляризации. Другим преимуществом Sentaurus TCAD является то, что в его библиотеке предоставленных полупроводниковых приборов имеется структура HEMT, которую можно использовать как ориентир при моделировании транзисторов.
Наличие пьезоэлектрической поляризации приводит к возникновению интерфейсного заряда. Величина плотности интерфейсного заряда σ определяется разностью поляризаций контактирующих веществ. Для гетероструктур AlGaN/GaN величина заряда σ может быть вычислена с использованием упругих постоянных GaN, AlN и правила Вегарда для твердого раствора AlxGa1-xN. Знак заряда σ зависит от типа поверхности раздела: Ga-face, когда слой GaN заканчивается атомом галлия и N-face – атомом азота.
При расчете в пакете TCAD можно пользоваться методикой учета интерфейсного заряда с учетом простейшей классической диффузионно-дрейфовой модели, а можно использовать уже встроенные поляризационные пакеты, учитывающие как спонтанную, так и пьезоэлектрическую поляризации. Наличие поляризационного заряда на поверхности GaN между электродами, осложняет работу приборов, поэтому используют различные пассивирующие слои, которые также можно промоделировать в Sentaurus TCAD.
В структурах GaN/AlGaN можно получить значение слоевой концентрации до 6 · 1013см-2. На самом деле, это не так. С ростом мольной доли Al в барьерном слое увеличивается несоответствие решеток, что приводит к релаксации напряжений и образованию дислокаций в барьерном слое и понижает подвижность m. В реальности выращивают структуры с мольной долей Al x <0.3 и концентрацией Ns порядка 1 · 1013см-2.
Таким образом, существенное влияние на тип прибора, пороговое напряжение и выходные характеристики оказывают параметры барьерного слоя. Поэтому важно подробно рассмотреть влияние параметров этого слоя конкретно на нашу структуру.
Для моделирования в качестве основы была взята структура, которая содержала следующие слои: p-GaN толщиной 50 нм, AlGaN с мольной долей Al 20% 9 нм, канальные слой GaN, буфер AlGaN с мольной долей Al 5%, зародышевый слой AlN, подложка (Рис.1). Конструкция прибора была выбрана следующей: длина затвора 1 мкм, расстояние сток-затвор 6 мкм и расстояние исток-затвор 1 мкм.
Для расчета концентрации в канале необходимо решить квантово-механическую задачу, но, как показано в [9], такой же результат получается, если ограничиться использованием простейшей классической диффузионно-дрейфовой модели. При нулевых смещениях на затворе строилась зонная диаграмма структуры (Рис.2.) и распределение плотности носителей заряда в зависимости от толщины барьерного слоя, мольной доли алюминия в нем, а также исследовалось влияние параметров p-GaN слоя на характеристики транзистора и влияние толщины AlN слоя.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Поварьировав толщину барьерного слоя и мольной доли алюминия в нем и измерив концентрацию носителей в канале, была построена оценочная кривая типа прибора (Рис.3). Если структура имеет параметры барьерного слоя в области I, то прибор нормально-открытый, а если с параметрами в области II – нормально-закрытый. Следует брать значения параметров ближе к оси у, т.е. со значениями толщины меньше 20 нм и мольной доле Al более 20%, чтобы прибор обладал приличными токами стока, хотя для силовых применений это не самый важный параметр транзистора. Для нашего случая была выбрана толщина барьерного слоя 15 нм и содержание Al в нем 23%.
Важно также рассмотреть, как именно параметры барьерного слоя влияют на основные характеристики транзистора – пороговое напряжение и ток стока в открытом состоянии. Пороговое напряжение нормально-закрытого прибора должно быть положительным, а если равняться на публикации зарубежных ученых – более 1 В [10]. На рис.4 и рис.5. показаны зависимости тока стока транзистора при 3,5 В на затворе и порогового напряжения от толщины барьерного слоя и зависимости тока стока транзистора при 3,5 В на затворе и порогового напряжения от мольной доли Al в нем. Таким образом, оптимальными параметрами барьера для формирования нормально-закрытого транзистора с p-GaN затвором являются 15 нм толщина и 23% мольная доля Al в барьерном слое. Тогда ток стока при 3,5 В на затворе будет приблизительно 350 мА/мм, а пороговое напряжение около 1,5 В.
Другим важным параметром является толщина слоя AlN. Для обеднения канала при нулевых смещениях на электродах толщина барьерного слоя должна быть достаточно малой, как уже было показано. Наличие слоя спейсера AlN увеличивает эффективную толщину барьера обратно пропорционально, поэтому его толщину нужно выбирать как можно меньше. Оценка критической толщины слоя спейсера проводилась по описанной выше методике. Толщина этого слоя не должна быть более 1,5 нм (рис.6). При увеличении толщины AlN от 1,5 нм и выше концентрация электронов в слое GaN начнет резко увеличиваться.
Также было исследовано влияние p-GaN слоя на характеристики прибора. По зависимости концентрации носителей заряда в канале от толщины р-слоя была выявлена его критическая толщина – 40 нм. При большей толщине слоя прибор нормально-закрытый, а толщина слоя никак не влияет на характеристики. Аналогично по зависимости концентрации носителей заряда в канале от концентрации примеси в р-слое была выявлена критическая степень легирования – 4 · 1017 см-3. Для получения нормально-закрытого состояния необходимо легирование р-слое больше этого значения. Однако на практике данный параметр плохо контролируется. Как правило, известна концентрация введенной примеси, а какой процент ее активируется при росте неизвестно.
На одной пластине в едином технологическом цикле на описанной гетероструктуре также можно сформировать и нормально-закрытый р-канальный полевой транзистор. Это даст возможность формировать комплиментарные пары на основе GaN, создавать различные типы приборов за один технологический цикл, что упростит сборку схем. Для формирования р-канального транзистора необходимо нарастить n+-GaN под затвором для обеспечения нормально-закрытого поведения прибора (рис.7).
Для нормально-закрытого р-канального транзистора также была разработана методика оценки типа прибора (рис.8). Основными параметрами являются параметры канального слоя – концентрация примеси Mg и толщина р-слоя в данном случае. Аналогично, если структура имеет параметры р-слоя в I области, то транзистор нормально-открытый. Для создания универсальной платформы при подборе параметров для р-канального транзистора необходимо учитывать и параметры n-канального, чтобы он тоже был нормально-закрытым (область III на рис.8).
Таким образом, был выбран следующий состав гетероструктуры для исследуемой платформы: p-GaN толщиной 80 нм, AlGaN с мольной долей Al 23% 15 нм, канальные слой GaN, буфер AlGaN с мольной долей Al 5%, зародышевый слой AlN, подложка. На рис.9. показаны рассчитанные вольтамперные характеристики для данных приборов. Нормально-закрытый р-канальный полевой транзистор с длиной затвора, расстоянием сток-затвор и расстоянием исток-затвор по 1 мкм обладает током стока при -3 В на затворе порядка -0,9 мА/мм. Изменяя топологию прибора, варьируя длину и ширину, можно будет добиться одинаковых уровней тока для создания комплиментарной пары.
Как уже говорилось выше, n-канальный прибор получается нормально-закрытым за счет p-GaN слоя, который "поднимает" зону проводимости, тем самым обедняя канал транзистора. Рассмотрим физику нормально-закрытого р-канального полевого транзистора. В данном случае весь р-слой уже сам является канальным и его параметры напрямую влияют на ток прибора. Для того, чтобы его закрыть необходимо, например, при помощи ОПЗ "перекрыть" весь р-слой или использовать какой-то другой подход. В литературе по аналогии со стандартными подходами предлагают углублять затвор в р-слой и обрабатывать подзатворную область кислородом [11]. В данной статье мы предлагаем нарастить в области затвора n+-GaN, чтобы образовался p-GaN/n-GaN гетеропереход, ОПЗ которого и будет управлять каналом. Здесь может возникнуть другая проблема. Такой р-канальный транзистор получается двухканальным. Один канал дырочный – это весь слой p-GaN, и электронный канал – из-за поляризации на гетеропереходе AlGaN/GaN, который в состоянии покоя перекрыт из-за р-слоя сверху. Электронный канал не влияет на работу прибора, т.к. он работает при положительных смещениях, поэтому электронный канал получается перекрыт всегда.
ВЫВОДЫ
Продемонстрировано моделирование нормально-закрытых транзисторов на основе GaN. Исследовано влияние параметров гетероструктуры на поведение нормально-закрытого n-канального транзистора с p-GaN затвором и нормально-закрытого р-канального транзистора, управляемого p-n-переходом. Подобрана оптимальная конструкция гетероструктуры для получения различных типов приборов в едином технологическом цикле. Разработаны методики определения типов приборов по ключевым параметрам гетероструктуры. Рассмотрена физика работы приборов.
Таким образом, нормально-закрытый n-канальный транзистор, управляемый р-затвором длиной 1 мкм, расстоянием исток-затвор 1 мкм и расстоянием сток-затвор 6 мкм обладает максимальным током стока 350 мА/мм при 3,5 В на затворе. Нормально-закрытый р-канальный транзистор управляемый ОПЗ p-n-перехода с расстояниями между электродами по 1 мкм обладает током стока при -3 В на затворе порядка -0,9 мА/мм.
Разработанные приборы позволят создавать так называемые "платформы" с различными типами приборов, которые открывают возможность формирования комплиментарных пар и различных схем в едином цикле, тем самым расширят ЭКБ России. Также разработанные приборы смогу заменить силовые GaAs приборы и увеличить их мощность (в 5G технологиях, например).
БЛАГОДАРНОСТИ
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки в рамках государственного задания FSMR-2022-0004.
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
Отзывы читателей
