Микроэлектроника, 2020, T. 49, № 6, стр. 474-480

1. ВВЕДЕНИЕ

Транзисторы на основе нитридных структур находят все более широкое применения в изделиях современной электронной техники. Наряду с традиционными применениями в мощных СВЧ транзисторах и монолитных интегральных схемах, нитридные структуры нашли применение в высоковольтных мощных приборах. Уникальные свойства нитридных структур, связанные с высокой концентрацией носителей в канале, порядка 2 × 10¹³ см^–2 и большой шириной запрещенной зоны 3.4 эВ, позволили нитридным транзисторам составить конкуренцию высоковольтным кремниевым и карбид кремниевым приборам [1]. Существенным фактом является возможность использования для изготовления стандартных кремниевых технологических линий. Эти технологии делают производство полевых нитрид галлиевых транзисторов достаточно дешевыми и сравнимыми по стоимости с изготовлением кремниевых транзисторов. Однако классические нитридные транзисторы являются нормально открытыми (D-режим), т.е. ток течет при нулевом напряжении на затворе и подаче рабочих напряжений на стоке. Для применений в цепях высоковольтных сетей это очень неудобно и требует специальных схемотехнических решений и строгой последовательности подачи вначале запирающего напряжения на затвор [2]. Для решения вышеуказанной проблемы разрабатываются нитридные структуры с нормально-закрытым каналом транзисторов. В литературе представлены несколько способов создания таких транзисторов: обработка во фторсодержащей плазме [3], затравливание барьера под затвором [4], использование p-легированного затвора [5]. В отличие от нормально открытых транзисторов, нормально закрытые транзисторы гораздо труднее реализовать технологически [6], и в этой работе мы теоретически рассматриваем влияние различных факторов на вольт-амперные характеристики (ВАХ) с целью оценить степень влияния конструктивных и технологических особенностей и облегчить экспериментальный поиск параметров конструкции транзисторов.

Предварительный анализ конструкции гетероструктуры проводился на основании решения статической задачи о распределении носителей заряда в структуре. В рассматриваемых системах канал проводимости формируется в квантовой яме на гетероинтерфейсе GaN/AlN, и в принципе для расчета концентрации носителей в канале требуется решение квантово-механической задачи, но как показано в исследованиях [7, 8] вполне приемлемая точность получается при использовании простейшего подхода, на основе классических уравнений в диффузионно-дрейфовом приближении.

2. МОДЕЛЬ УПРАВЛЕНИЯ ЗАРЯДОМ

В качестве основы для нормально закрытого HEMT выбираем конструкцию гетероструктуры, в которой барьерный слой AlGaN ограничен с нижней стороны тонким спейсерным слоем AlN, с верхней стоп-слоем AlN, который, кроме того, позволяет уменьшить токи утечки в затвор [9]. В качестве спейсерного барьера выберем слой AlN, поскольку при этом уменьшается рассеяние носителей на гетероинтерфейсе по сравнению со случаем контакта GaN – твердый раствор AlGaN. Таким образом, получаем следующую последовательность слоев структуры: p⁺ GaN с толщиной h_p+ порядка 40 нм, верхний барьер AlN c h_b1 ~ 1 нм, основной барьер Al_xGa_{1 –x}N c h_b ~ 10 нм и x = 0.17, спейсерный барьер AlN c h_b2 ~ 1 нм, область канала GaN толщины h_ch ~ 20 нм, буферный слой GaN. При формировании транзистора вне затворной области p⁺ слой и верхний барьерный AlN слои удаляют, в промежутках между контактами наносят пассивирующий слой Si₃N₄. В результате конструкция прибора имеет вид, представленный на рис. 1.

Для получения нормально закрытого состояния транзистора толщина основного AlGaN барьера должна быть достаточно малой даже в ситуации, когда дополнительные барьеры AlN отсутствуют. Их наличие увеличивает (в соотношении 1/x) эффективную толщину барьера, поэтому величины h_b1 и h_b2 необходимо выбирать по возможности малыми.

Предварительные оценки можно выполнить, ограничиваясь решением статической одномерной задачи на основе решения уравнения Пуассона. Таким образом можно найти условия реализации нормально закрытого состояния транзистора, оценить пороговое напряжение V_th, при котором формируется канал проводимости. Полученная зависимость концентрации электронов в канале под затвором n_ch от напряжения на затворе V_g представлена на рис. 2 для трех значений толщины основного барьера h_b с долей алюминия x = 0.17 и толщинами h_b1 = h_b1 = 0.5 нм. Используя линейную аппроксимацию зависимостей n_ch(V_g) на рис. 2, можно оценить пороговое напряжение в 0.1 В для h_b = 14 нм, 0.6 В для h_b = 12 нм и 0.9 В для h_b = 10 нм. Уже при толщине в 15 нм и более транзистор будет нормально открытым. Как видно из рисунка, за исключением припороговой области зависимости n_ch(V_g) близки к линейным. Это позволяет использовать для оценки характеристик транзистора модель управления зарядом [10, 11].

Реализация нормально закрытого состояния транзистора требует достаточно тонких барьерных слоев, в связи с чем возникают повышенные требования к точности воспроизведения параметров структуры. В первую очередь это относится к толщинам барьерных слоев. Особенностью структур на основе GaN является наличие спонтанной поляризации, приводящей к образованию связанных зарядов на границах раздела, в том числе и на внешней границе в промежутках между контактами. Для компенсации этих зарядов на поверхность наносят пассивирующие слои. В принципе компенсация зарядов может быть не полной, и в зависимости от технологии нанесения и состава пассивирующего слоя на границе раздела остаются нескомпенсированные заряды, величина которых, в конечном счете, и будет определять концентрацию носителей в канале между электродами n_s. В общем случае эта поверхность характеризуется концентрацией и распределением по энергии состояний в запрещенной зоне [12]. Упрощенно ситуация может быть смоделирована введением на поверхности фиксированного положительного заряда с поверхностной плотностью N_s [13]. Величину N_s при этом можно считать в некотором роде свободным параметром, значение которого определяется из сопоставления результатов расчета с экспериментом. Для нормально открытого транзистора концентрация носителей в канале между электродами высока и результат будет слабо зависеть от N_s, в нашем же случае из-за малости толщины барьера h_b влияние степени компенсации зарядов возрастает. Поэтому мы будем проводить расчеты для широкого набора значений N_s. Зависимости n_s(N_s) можно получить из решения уравнения Пуассона. Из расчетов следует, что при N_s < 1.8 × × 10¹³ см^–2 канал вовсе не образуется, а N_s = 2.7 × × 10¹³ см^–2 соответствует полной компенсации поверхностных зарядов для x = 0.17. Функция n_s(N_s) близка к линейной и слабо зависит от h_b, отличия для разных h_b проявляются только при больших значениях N_s. Такое поведение можно объяснить исходя из условия электронейтральности: N_s – N_AlGaN = N_AlGaN/GaN-n_s, где N_AlGaN – слоевой заряд на свободной поверхности AlGaN, N_AlGaN/GaN – заряд на интерфейсе AlGaN/GaN. Для x = 0.17 используя данные из [14, 15] получаем n_s = N_s – 1.81 × 10¹³ см^–2, что близко к кривым, полученным в результате численного счета.

Оценочные вольт-амперные характеристики НЕМТ транзистора можно получить, используя модель управления зарядом, двухкусочную аппроксимацию подвижности [10, 11] и полученные выше результаты для n_ch и n_s. В этой модели предполагается линейная зависимость концентраций в канале n_ch от напряжении на затворе V_g. Аппроксимируя n_ch(V_g) (рис. 2) линейной функцией концентрацию носителей в канале можно представить в виде ${{n}_{{ch}}} = {{n}_{0}}({{V}_{g}} - {{V}_{{th}}} - \psi (x)),$ где V_th – пороговое напряжение, ψ(x) распределение потенциала вдоль канала. В предположении постоянной подвижности μ получаем формулы для зависимости тока I_d от напряжения V_d на начальном участке [11]

где $\alpha = {Z \mathord{\left/ {\vphantom {Z {{{L}_{g}}q{{n}_{0}}\mu }}} \right. \kern-0em} {{{L}_{g}}q{{n}_{0}}\mu }},$ Z – ширина контактов, q – заряд электрона, R_d и R_s – сопротивления стоковой и истоковой частей, включая сопротивление канала между электродами и внешнее сопротивление контактов, $V_{g}^{'} = {{V}_{g}} - {{V}_{{th}}}.$ Сопротивление каналов между электродами можно вычислить, зная n_s

Величина n_s для рассматриваемой структуры определяется конструкцией гетероструктуры и зависит от степени компенсации зарядов на границе AlGaN – пассивирующее покрытие.

На первый взгляд, кажется, что выражение для тока (1) имеет особенность при R_d = R_s из-за обращения в ноль знаменателя, но при этом числитель также обращается в ноль. В результате величина тока остается конечной

Формула для тока насыщения получается из условия достижения напряженности поля на правой границе затвора E₂ величины ${{E}_{s}} = {{{{{v}}_{s}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{{v}}_{s}}} \mu }} \right. \kern-0em} \mu },$ соответствующей насыщению скорости v_s. где U₀ = L_g E_s. Формулы (1)–(4) позволяют наглядно проследить вклад различных величин в вольт-амперную характеристику. В частности из (1) следует примерно одинаковый вклад истоковых и стоковых областей транзистора на растущем участке ВАХ, в то время как ток насыщения (4) определяется только сопротивлением истоковой области. Формулы (1) и (4) описывают ВАХ, полученные из решения уравнений переноса не только качественно, но и в большой степени количественно. На рис. 3 представлен пример сопоставления расчетов с использованием двухкусочной аппроксимации по формулам (1, 4) и двумерного расчета в пакете Sentaurus TCAD в рамках диффузионо-дрейфового приближения. Параметр n₀ определялся из аппроксимации кривой на рис. 2 линейной функции. Как видно из рис. 3, согласие в области линейного роста очень хорошее. Отличие в области насыщения тока более существенное (отличие примерно в 15%), тем не менее, приближенная методика дает вполне разумную оценку вольт-амперной характеристики. Обращает на себя внимание, что для L_g = 1 мкм в области насыщения наблюдается заметный линейный рост тока в диффузионно-дрейфовой модели. Это обусловлено протеканием тока на правой границе затвора через буферный слой GaN. Носители заряда в этой области появляются за счет понижения края зоны проводимости. Уменьшить вклад этого канала проводимости можно уменьшая подвижность в буферном слое.

3. ВОЛЬТ-АМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Определяющими параметрами для линейной части ВАХ являются подвижность μ и концентрация носителей n_ch в канале, в то время как на величину тока насыщения существенное влияние оказывает величина паразитного сопротивления истока и $R_{s}^{c},$ определяемая расстоянием между истоком и затвором L_gs.

Для детального описания ВАХ решается задача токопереноса в пакете Sentaurus TCAD [16]. Как известно, процедура расчета для структур, содержащих слои широкозонных полупроводников, к которым относится GaN, имеет плохую сходимость. В нашей структуре наряду с GaN имеются два слоя AlN c еще большей шириной запрещенной зоны (6.2 эВ), что приводит к плохой сходимости процедуры расчета даже в рамках диффузионно-дрейфового приближения. Расчеты же с учетом разогрева носителей заряда и повышения температуры решетки удается проводить только в достаточно узком диапазоне напряжений на контактах. При этом результаты расчета с учетом разогрева мало отличаются от результатов, полученных в диффузионно-дрейфовом приближении на стадии линейного роста I_d(V_d), вплоть до выхода на насыщение. Мы ниже будем рассматривать сравнительно низкие напряжения V_d и при расчетах ограничимся диффузионно-дрейфовым приближением. Оценку возможного изменения ВАХ из-за разогрева можно сделать, сопоставив результаты расчетов при комнатной температуре с расчетами для фиксированной повышенной температуры.

Выше была проведена оценка порогового напряжения V_th на затворе из решения статической задачи, для более точного определения этой величины вычислялись переходные характеристики I_d(V_g) для различных значений параметров на основе двумерного моделирования в пакете TCAD. Вначале рассмотрим ситуацию идеальных омических контактов. На рис. 4 представлено семейство кривых I_d(V_g) для транзистора с L_g = 1 мкм при V_d = 3 В. Как видно из рисунка (кривые 4, 5), зависимость I_d(V_g), а, следовательно, и величина порогового напряжения V_th оказываются близкими при равных суммарных толщинах h_b1 + h_b2 AlN барьеров. При h_b1 + h_b2 = 1.5 нм транзистор оказывается открытым даже при толщине основного барьера h_b = 10 нм, поэтому для дальнейших расчетов будем считать h_b1 = h_b2 = 0.5 нм. Для значений толщин основного барьера 12, 10 и 8 нм пороговое напряжение V_th составляет 0.6, 0.9 и 1.1 В. Эти величины слабо зависят от длины затвора (немного возрастая с L_g) и несколько выше величин, полученными выше из решения уравнения Пуассона.

На рис. 5 представлено семейство выходных характеристик I_d(V_d), иллюстрирующих влияние на ВАХ расстояний между контактами L_gs и L_dg. Величина N_s = 2.7 × 10¹³ см^–2, что соответствует полной компенсации зарядов на границе с пассивирующим слоем, V_g = 2 В. Для всех кривых характерен некоторый рост (линейный с V_d) в области насыщения. Это связано с протеканием тока в режиме насыщения через область буфера и может быть подавлено уменьшением подвижности в буферном слое, например, за счет его легирования. Кроме того уменьшение тока при больших V_d будет происходить из-за уменьшения подвижности с ростом температуры образца, не учитываемой при данном расчете.

Как следует из рис. 5, начальный наклон кривых определяется в основном суммарной длиной (L_gs + L_g + L_dg) структуры, в то время как величина тока насыщения определяется значением L_gs (кривые 2, 4, 5 при больших V_d практически совпадают). Последнее находится в соответствии с формулой (4) и объясняется тем, что насыщение достигается, когда поле в канале на правой границе затвора достигает критического значения E_s ~ v_s/μ. С ростом L_g величина тока насыщения I_s уменьшается примерно как 1/L_g (кривые 4, 6).

На рис. 6 представлено семейство выходных характеристик для набора V_g при L_g = 1 мкм и N_s = = 2.7 × 10¹³ см^–2, соответствующей полной компенсации зарядов на поверхности между контактами. Как следует из рисунка, при V_g ~ 3.5 В, ток насыщения I_ds может достигать 1 A/мм. Экспериментально наблюдаемые величины для транзисторов такого типа обычно в два–три раза меньше [9]. Основными факторами, могущими приводить к уменьшению тока I_ds является уменьшение концентрации носителей в канале между контактами n_s из-за неполной компенсации зарядов на поверхности и наличие конечного сопротивлений омического контакта r_s

Степень компенсации поверхностного заряда N_s является плохо контролируемой величиной, поэтому важно теоретически исследовать его роль. Рис. 7 иллюстрирует влияние величины N_s на характеристики транзистора. Уменьшение N_s уменьшает величину тока насыщения I_ds, одновременно увеличивая напряжение V_ds, при котором оно достигается. Сопоставляя эти характеристики с экспериментально наблюдаемыми можно оценить реальную величину N_s.

Как отмечалось выше, ток насыщения существенно определяется сопротивлением истоковой части структуры R_s. Оно содержит как сопротивление канала между затвором и истоком, так и сопротивление собственно омического контакта r_s. Рис. 8 иллюстрирует влияние величины r_s на выходные характеристики для L_g = 1 мкм, N_s = = 2.7 × 10¹³ см^–2, L_dg = 10 мкм и V_g = 3 В. При изменении r_s от нуля до 1 Ом/мм ток насыщения падает почти вдвое. На характеристики проборов с высокими значениями токов существенное влияние может оказывать и повышение температуры структуры. В принципе, используемый пакет позволяет проводить и температурные расчеты, но результат будет значительным образом зависеть от типа тепловых контактов, которые трудно сопоставить с реальной экспериментальной ситуацией. Грубую оценку влияния разогрева можно сделать, произведя стандартный расчет с повышенной температурой решетки. Это проиллюстрировано кривой 6 на рис. 8, для которой выбрана температура T = 400 К. Такое повышение температуры из-за саморазогрева при протекании тока является типичным для GaN транзисторов для V_g < 20 В [17, 18]. Сопоставление с кривой 5 показывает, что уменьшение тока за счет повышения температуры превышает величину возрастания тока в области насыщения, обусловленную протеканием тока через буферный слой. Это приведет к тому, что линейный рост I_d(V_d) в этой области, будет либо значительно медленнее, чем представлено на рис. 8, либо ВАХ будет иметь падающий участок при больших значениях V_d.

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведено численное моделирование характеристик нормально закрытых GaN/AlGaN HEMT транзисторов с p-затвором. Показано, что для оценки параметров транзистора можно использовать простейшие расчеты на основе модели управления зарядом, концентрации носителей в канале при этом определяются из решения одномерного уравнения Пуассона. Отличия от результатов численных расчетов при этом не превышает 15 процентов.

Из расчета проходных характеристик транзистора найдены зависимости напряжения открытия V_th от толщины h_b основного AlGaN барьера и дополнительных AlN спейсерного барьера h_b2 и стоп-слоя h_b1. Исследовано влияние неполной компенсации спонтанного заряда на границе AlGaN/Si₃N₄ при пассивации на выходные характеристики транзистора. Рассмотрено влияние величины омического сопротивления истока на величину тока насыщения транзистора. Показано, что при оптимальных параметрах конструкции ток насыщения может достигать 1 А/мм при V_g ~ 3 В.

Полученные в статье результаты исследований достигнуты в ходе реализации проекта НИУ МИЭТ с использованием мер государственной поддержки развития кооперации российских образовательных организаций высшего образования, государственных научных учреждений и организаций, реализующих комплексные проекты по созданию высокотехнологичного производства, предусмотренных постановлением Правительства Российской Федерации от 9 апреля 2010 г. № 218.

Название проекта НИУ МИЭТ “Разработка технологии и технологическая подготовка к производству кристаллов транзисторов на основе гетероструктур нитрида галлия на подложке кремния диаметром 150 мм для силовых преобразовательных модулей”. Соглашение № 075-11-2019-068 от 26 ноября 2019 г.