Гетероэпитаксиальная структура для полевых транзисторов

Гетероэпитаксиальная структура для полевых транзисторов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Техническое решение относится к полупроводниковым приборам, а именно к многослойным эпитаксиальным структурам, выращенным на полупроводниковой подложке, и может быть использовано для разработки и изготовления полевого транзистора.

Известна гетероэпитаксиальная структура для полевых транзисторов (см. описание к патенту США №5621228 на изобретение, МПК: Н01L 31/0328), содержащая подложку, на которой выполнены слои, - расположенный на подложке сначала буферный слой, а затем канальный слой нелегированного полупроводника, на котором сформированы: слой полупроводника, являющийся источником электронов, содержащий, по крайней мере, один слой n-типа проводимости, слой нелегированного полупроводника с барьером Шоттки и верхний, наиболее удаленный от подложки, слой.

В структуре использована полуизолирующая подложка InP. Расположенный на подложке буферный слой выполнен из нелегированного InAlAs толщиной 200 нм. Канальный нелегированный слой полупроводника выполнен из InGaAs толщиной 40 нм. Слой полупроводника, являющийся источником электронов, содержащий, по крайней мере, один слой n-типа проводимости, выполнен в составе системы слоев: расположенного на канальном нелегированном слое полупроводника слоя нелегированного полупроводника InAlAs толщиной 3 нм, являющегося спейсером, прослойки, легированной Si со слоевой концентрацией 5×10¹² см^-2, и слоя InAlAs n-типа проводимости с концентрацией донорной примеси 2×10¹⁸ см^-3 толщиной 15 нм. Нелегированный слой полупроводника с барьером Шоттки выполнен из InAlAs толщиной 20 нм. Верхний, наиболее удаленный от подложки, слой выполнен в составе системы слоев: расположенного на слое полупроводника с барьером Шоттки слоя InAlAs n-типа проводимости с концентрацией примеси 5×10¹⁸ см^-3 толщиной 20 нм, на котором расположены сначала слой нелегированного InGaAs толщиной 5 нм, а затем слой InGaAs n-типа проводимости с концентрацией примеси 5×10¹⁸ см^-3.

В описанной гетероэпитаксиальной структуре подвижность носителей заряда при комнатной температуре низка, что находит отражение в отсутствии эффективного решения технической проблемы - повышения проводимости канала.

Известна гетероэпитаксиальная структура для полевых транзисторов (см. описание к патенту РФ №80069 на полезную модель, МПК H01L 29/00), содержащая подложку, на которой выполнены слои, в составе которых сформирован канальный слой нелегированного узкозонного полупроводника, с обеих сторон которого и от которого в направлениях к подложке и от подложки, расположен сначала слой нелегированного широкозонного полупроводника, затем слой легированного широкозонного полупроводника донорной или акцепторной примесью, причем в каждом из слоев нелегированного широкозонного полупроводника, сформированы прослойки, легированные иным типом примеси, чем тип примеси в слое легированного широкозонного полупроводника.

В структуре на подложке расположен сначала буферный слой, а затем между буферным слоем и канальным слоем нелегированного узкозонного полупроводника выполнены слой нелегированного широкозонного полупроводника со сформированной в нем прослойкой, слой широкозонного полупроводника, легированный донорной или акцепторной примесью.

В структуре слой широкозонного полупроводника, легированный донорной или акцепторной примесью, который наиболее удален от подложки, легирован однородно по объему, а слой легированного широкозонного полупроводника донорной или акцепторной примесью, который наименее удален от подложки, и сформированные прослойки, легированные иным типом примеси, чем тип примеси в слое легированного широкозонного полупроводника, легированы модулированно.

В структуре между слоем легированного широкозонного полупроводника донорной или акцепторной примесью, который наиболее удален от подложки и легирован однородно по объему, и ближайшим слоем нелегированного широкозонного полупроводника, сформирован модулированно легированный слой, причем легированный той же самой примесью, которой легирован однородно по объему слой широкозонного полупроводника, наиболее удаленный от подложки.

В структуре модулированное легирование выполнено в форме δ-легирования.

В структуре толщины слоев и уровни их легирования выбраны с возможностью равенства величины скачка энергии дна зоны проводимости на гетерогранице широкозонного полупроводника и узкозонного полупроводника от 0,8 до 1,2Eg, где Eg - ширина запрещенной зоны узкозонного полупроводника, без превышения величины ширины запрещенной зоны широкозонного полупроводника.

Приведенной транзисторной гетероэпитаксиальной структурой не решена техническая проблема, связанная с эффективным повышением проводимости канала.

Описанная гетероструктура относится к типу структур, получивших название «гетероструктуры с донорно-акцепторным легированием». Они позволяют получить концентрацию носителей заряда двумерного газа - двумерного электронного газа (ДЭГ) до (4÷5)×10¹² см^-2 без появления паразитной параллельной проводимости по донорным слоям. Подавление параллельной проводимости обусловлено дополнительными потенциальными барьерами, полученными за счет сформированных в них акцепторных слоев. Недостатком известной структуры является то, что для обеспечения требуемой высоты дополнительных потенциальных барьеров от 0,8 до 1,2Eg, где Eg - ширина запрещенной зоны узкозонного полупроводника, концентрация атомов примеси в слоях с модулированным легированием в форме дельталегирования должна быть увеличена до (6÷8)×10¹² см^-2, что приводит к снижению подвижности носителей заряда до величины 4500 см²В^-1с^-1 при комнатной температуре за счет увеличения рассеяния на ионизированных донорах (см. D.V. Gulyaev, К.S. Zhuravlev, А.К. Bakarov, A.I. Toropov, D. Yu. Protasov, А.К. Gutakovskii, В. Ya. Ber and D. Yu. Kazantsev, «Influence of the additional p+-doped layers on the properties of AlGaAs/InGaAs/AlGaAs heterostructures for high power SHF transistors», J. Phys. D:Appl. Phys., V. 49, 095108 (9pp), (2016)). Поэтому, несмотря на увеличение концентрации двумерного электронного газа (ДЭГ) в структурах с донорно-акцепторным легированием практически вдвое (с 2×10¹² см^-2 до 4×10¹² см^-2) проводимость канала транзисторной гетероструктуры возрастает слабо из-за уменьшения подвижности ДЭГ от 7000 см²В^-1с^-1 до указанной выше величины 4500 см²В^-1с^-1.

Известна гетероэпитаксиальная структура для полевых транзисторов (D.V. Gulyaev, К.S. Zhuravlev, А.К. Bakarov, A. I. Toropov, D. Yu. Protasov, А. К. Gutakovskii, В. Ya. Ber and D. Yu. Kazantsev, «Influence of the additional p+-doped layers on the properties of AlGaAs/InGaAs/AlGaAs heterostructures for high power SHF transistors», J. Phys. D:Appl. Phys., V. 49, 095108 (9pp), (2016)), выбранная в качестве ближайшего аналога, содержащая подложку, на которой выполнены слои, в составе которых сформирован канальный слой нелегированного узкозонного полупроводника, с обеих сторон которого и от которого в направлениях к подложке и от подложки, расположены сначала слой нелегированного широкозонного полупроводника, затем примыкающий к нему слой легированного широкозонного полупроводника, сформированный как дельта-слой в матрице полупроводника δ-легированием, примыкающий к последнему слой широкозонного полупроводника в составе двух нелегированных слоев, между которыми расположен легированный слой, причем легированный примесью, обеспечивающей иной тип проводимости по сравнению с проводимостью слоя легированного широкозонного полупроводника, сформированного как дельта-слой в матрице полупроводника δ-легированием.

Кроме того, между подложкой и выполненным в направлении к подложке слоем широкозонного полупроводника в составе двух нелегированных слоев, между которыми расположен легированный слой, со стороны подложки выполнен буферный слой, а со стороны слоя широкозонного полупроводника - сверхрешетка.

Кроме того, со стороны выполненного в направлении от подложки слоя широкозонного полупроводника в составе двух нелегированных слоев, между которыми расположен легированный слой, выполнены два дополнительных слоя нелегированного широкозонного полупроводника и один дополнительный слой легированного широкозонного полупроводника.

В структуре в качестве подложки использована полуизолирующая подложка GaAs, которая снабжена буферным слоем из нелегированного GaAs толщиной около 400 нм. Сверхрешетка выполнена в составе пар слоев AlGaAs/GaAs, соответственно, с толщиной 5 нм/6 нм.

В структуре канальный слой нелегированного узкозонного полупроводника выполнен из In_уGa_1-уAs с у=0,165 толщиной 12 нм.

Выполненный в направлении от подложки слой нелегированного широкозонного полупроводника между канальным слоем нелегированного узкозонного полупроводника и слоем легированного широкозонного полупроводника, сформированным как дельта-слой в матрице полупроводника δ-легированием, выполнен в составе ближайшего по отношению к канальному слою узкозонного полупроводника слоя GaAs толщиной 1,5 нм, являющегося сглаживающим слоем, и слоя Al_xGa_1-xAs с х=0,25 толщиной 3 нм, являющегося спейсером. Выполненный в направлении к подложке слой нелегированного широкозонного полупроводника между канальным слоем нелегированного узкозонного полупроводника и слоем легированного широкозонного полупроводника выполнен в составе ближайшего по отношению к канальному слою узкозонного полупроводника слоя GaAs толщиной 3 нм, являющегося сглаживающим слоем, и слоя Al_xGa_1-xAs с х=0,25 толщиной 3 нм, являющегося спейсером.

Примыкающий к слою нелегированного широкозонного полупроводника слой легированного широкозонного полупроводника, выполненный в направлении от подложки, сформированный как дельта-слой в матрице полупроводника δ-легированием, сформирован толщиной 3 нм в GaAs-матрице с осуществлением легирования донорной примесью Si со слоевой концентрацией 7,25×10¹² см^-2. Примыкающий к слою нелегированного широкозонного полупроводника слой легированного широкозонного полупроводника, выполненный в направлении к подложке, сформированный как дельта-слой в матрице полупроводника δ-легированием, сформирован в GaAs-матрице с осуществлением легирования донорной примесью Si со слоевой концентрацией 8×10¹² см^-2.

Выполненный в направлении от подложки слой широкозонного полупроводника в составе двух нелегированных слоев, между которыми расположен легированный слой, причем легированный примесью, обеспечивающей иной тип проводимости по сравнению с проводимостью слоя легированного широкозонного проводника, сформированного как дельта-слой в матрице полупроводника δ-легированием, выполнен в составе слоев, являющихся барьерными слоями: слоя Al_xGa_1-xAs с х=0,25 толщиной 7 нм, примыкающего к легированному слою широкозонного полупроводника; слоя Al_xGa_1-xAs с х=0,25 толщиной 6 нм; расположенного между ними слоя р⁺- Al_xGa_1-xAs с х=0,25 толщиной 8 нм, легированного акцепторной примесью Be с уровнем 5×10¹⁸ см^-3.

Выполненный в направлении к подложке слой широкозонного полупроводника в составе двух нелегированных слоев, между которыми расположен легированный слой, причем легированный примесью, обеспечивающей иной тип проводимости по сравнению с проводимостью слоя легированного широкозонного проводника, сформированного как дельта-слой в матрице полупроводника δ-легированием, выполнен в составе слоев, являющихся барьерными слоями: слоя Al_xGa_1-xAs с х=0,25 толщиной 5 нм, примыкающего к легированному слою широкозонного полупроводника; слоя Al_xGa_1-xAs с х=0,25 толщиной 100 нм; расположенного между ними слоя р⁺- Al_xGa_1-xAs с х=0,25 толщиной 15 нм, легированного акцепторной примесью Be с уровнем 4×10¹⁸ см^-3.

Со стороны выполненного в направлении от подложки слоя широкозонного полупроводника в составе двух нелегированных слоев, между которыми расположен легированный слой, выполнены два дополнительных слоя нелегированного широкозонного полупроводника - сначала слой, являющийся стоп-слоем, из Al_xGa_1-xAs с х, равным 0,86-0,9, толщиной 3 нм, затем слой, являющийся барьерным слоем, из GaAs толщиной 27 нм - и один слой легированного широкозонного полупроводника, являющийся контактным слоем, из n⁺ GaAs, легированного донорной примесью с уровнем 4×10¹⁸ см^-3, толщиной 52 нм.

Приведенной гетероэпитаксиальной структурой, выбранной в качестве ближайшего аналога, не решена техническая проблема, связанная с эффективным повышением проводимости канала.

В отношении приведенной гетероэпитаксиальной структуры были проведены исследования структурных, транспортных и оптических свойств. Было установлено, что использование барьерных слоев р⁺- Al_xGa_1-xAs позволять значительно увеличить концентрацию двумерного газа носителей заряда канального слоя (в частности, двумерного электронного газа - ДЭГ), избежать появления паразитной параллельной проводимости по слоям AlGaAs. Однако, с другой стороны, было выявлено отсутствие существенного увеличения подвижности ДЭГ. Причина - увеличение рессеивания носителей заряда ионами кремния при повышении уровня легирования в дельта-слоях, что предпринимается с целью обеспечения необходимой для практического использования структуры концентрации ДЭГ.

Предлагаемой гетероэпитаксиальной структурой для полевых транзисторов обеспечивается более эффективное решение существующей технической проблемы - повышения проводимости канала транзисторной гетероэпитаксиальной структуры за счет достигаемого технического результата.

Техническим результатом является повышение подвижности в двумерном газе носителей заряда, в отсутствии падения концентрации, при сохранении концентрации носителей заряда двумерного газа на уровне 4×10¹² см^-2.

Технический результат достигается гетероэпитаксиальной структурой для полевых транзисторов, содержащей подложку, на которой выполнены слои, в составе которых сформирован канальный слой нелегированного узкозонного полупроводника, с обеих сторон которого и от которого в направлениях к подложке и от подложки, расположены сначала слой нелегированного широкозонного полупроводника, затем слой легированного широкозонного полупроводника, сформированный как дельта-слой в матрице полупроводника δ-легированием, после которого расположен слой широкозонного полупроводника в составе двух нелегированных слоев, между которыми расположен легированный слой, причем легированный примесью, обеспечивающей иной тип проводимости по сравнению с проводимостью слоя легированного широкозонного проводника, сформированного как дельта-слой в матрице полупроводника δ-легированием, причем в составе слоев с обеих сторон канального слоя в направлениях к подложке и от подложки выполнен парный слой легированного широкозонного полупроводника, сформированный как дельта-слой в матрице полупроводника δ-легированием, и расположенный между парами слоев легированного широкозонного полупроводника, сформированных как дельта-слои в матрице полупроводника δ-легированием, разделяющий барьерный слой нелегированного широкозонного полупроводника, при этом в одной паре дельта-слой, наименее удаленный от канального слоя, выполненный в направлении к подложке, легирован со слоевой концентрацией примеси, равной половиной величине концентрации двумерного газа носителей заряда, образующегося при переходе в канальный слой носителей заряда с примеси дельта-слоя, а дельта-слой, наиболее удаленный от канального слоя, выполненный в направлении к подложке, легирован со слоевой концентрацией примеси, равной по величине произведению величин толщины и концентрации примеси расположенного между двух нелегированных слоев легированного слоя примесью, обеспечивающей иной тип проводимости по сравнению с проводимостью слоя легированного широкозонного проводника, сформированного как дельта-слой в матрице полупроводника δ-легированием, которые сформированы в составе слоя широкозонного полупроводника, расположенного в направлении к подложке, в другой паре дельта-слой, наименее удаленный от канального слоя, выполненный в направлении от подложки, легирован со слоевой концентрацией примеси, равной половиной величине концентрации двумерного газа носителей заряда, образующегося при переходе в канальный слой носителей заряда с примеси дельта-слоя, а дельта-слой, наиболее удаленный от канального слоя, выполненный в направлении от подложки, легирован со слоевой концентрацией примеси, равной по величине произведению величин толщины и концентрации примеси расположенного между двух нелегированных слоев легированного слоя примесью, обеспечивающей иной тип проводимости по сравнению с проводимостью слоя легированного широкозонного проводника, сформированного как дельта-слой в матрице полупроводника δ-легированием, которые сформированы в составе слоя широкозонного полупроводника, расположенного в направлении от подложки.

В структуре в качестве подложки использована полуизолирующая подложка GaAs.

В структуре между подложкой и выполненным в направлении к подложке, наименее удаленным от подложки, слоем широкозонного полупроводника в составе двух нелегированных слоев, между которыми расположен легированный слой, со стороны подложки выполнен буферный слой, а со стороны слоя широкозонного полупроводника - сверхрешетка.

В структуре буферный слой выполнен из нелегированного GaAs толщиной около 400 нм, а сверхрешетка выполнена в составе двенадцати пар слоев AlGaAs/GaAs, соответственно, с толщиной около 6 нм/5 нм.

В структуре канальный слой нелегированного узкозонного полупроводника выполнен из In_уGa_1-уAs с у=0,165 толщиной около 14 нм.

В структуре в отношении каждой из сторон канального слоя нелегированного узкозонного полупроводника из In_уGa_1-уAs с у=0,165, наиболее удаленной и наименее удаленной от подложки, сформирована примыкающая содержащая полтора периода сверхрешетка - широкозонный полупроводник/узкозонный полупроводник.

В структуре примыкающая содержащая полтора периода сверхрешетка - широкозонный полупроводник/узкозонный полупроводник - выполнена в составе слоев AlAs/GaAs/AlAs, соответственно, толщиной около 0,8 нм/1,5 нм/0,8 нм.

В структуре слой нелегированного широкозонного полупроводника, расположенный по направлению к подложке, наименее удаленный от подложки, сформирован в составе ближайшего к канальному слою нелегированного узкозонного полупроводника сглаживающего слоя GaAs толщиной около 3 нм и примыкающего к сглаживающему слою спейсера - слоя Al_xGa_1-xAs с х=0,25 толщиной около 3 нм, а слой нелегированного широкозонного полупроводника, расположенный по направлению от подложки, наиболее удаленный от подложки, сформирован в составе ближайшего к канальному слою нелегированного узкозонного полупроводника сглаживающего слоя GaAs толщиной около 1,5 нм и примыкающего к сглаживающему слою спейсера - слоя Al_xGa_1-xAs c х=0,25 толщиной около 3 нм.

В структуре разделяющий барьерный слой нелегированного широкозонного полупроводника, выполненный в направлении к подложке, наименее удаленный от подложки, сформирован из Al_xGa_1-xAs с х=0,25 толщиной около 2 нм, разделяющий барьерный слой нелегированного широкозонного полупроводника, выполненный в направлении от подложки, наиболее удаленный от подложки, сформирован из Al_xGa_1-xAs c х=0,25 толщиной около 7 нм.

В структуре дельта-слой, наименее удаленный от канального слоя, выполненный в направлении к подложке, который легирован со слоевой концентрацией примеси, равной половиной величине концентрации двумерного газа носителей заряда, образующегося при переходе в канальный слой носителей заряда с примеси дельта-слоя, сформирован в матрице GaAs, между стенками матрицы из нелегированного GaAs толщиной около 0,5 нм, δ-легированием донорной примесью Si со слоевой концентрацией 2×10¹² см^-2.

В структуре дельта-слой, наиболее удаленный от канального слоя, выполненный в направлении к подложке, который легирован со слоевой концентрацией примеси, равной по величине произведению величин толщины и концентрации примеси расположенного между двух нелегированных слоев легированного слоя примесью, обеспечивающей иной тип проводимости по сравнению с проводимостью слоя легированного широкозонного проводника, сформированного как дельта-слой в матрице полупроводника δ-легированием, которые сформированы в составе слоя широкозонного полупроводника, расположенного в направлении к подложке, сформирован в матрице GaAs, между стенками матрицы из нелегированного GaAs толщиной около 0,5 нм, δ-легированием донорной примесью Si со слоевой концентрацией 6×10¹² см^-2.

В структуре дельта-слой, наименее удаленный от канального слоя, выполненный в направлении от подложки, который легирован со слоевой концентрацией примеси, равной половиной величине концентрации двумерного газа носителей заряда, образующегося при переходе в канальный слой носителей заряда с примеси дельта-слоя, сформирован в матрице GaAs, между стенками матрицы из нелегированного GaAs толщиной около 0,5 нм, δ-легированием донорной примесью Si со слоевой концентрацией 2×10¹² см^-2.

В структуре дельта-слой, наиболее удаленный от канального слоя, выполненный в направлении от подложки, который легирован со слоевой концентрацией примеси, равной по величине произведению величин толщины и концентрации примеси расположенного между двух нелегированных слоев легированного слоя примесью, обеспечивающей иной тип проводимости по сравнению с проводимостью слоя легированного широкозонного проводника, сформированного как дельта-слой в матрице полупроводника δ-легированием, которые сформированы в составе слоя широкозонного полупроводника, расположенного в направлении от подложки, сформирован в матрице GaAs, между стенками матрицы из нелегированного GaAs толщиной около 0,5 нм, δ-легированием донорной примесью Si со слоевой концентрацией 4×10¹² см^-2.

В структуре в отношении каждой из сторон дельта-слоя, наиболее удаленной и наименее удаленной от канального слоя, сформирована примыкающая содержащая полтора периода сверхрешетка - широкозонный полупроводник/узкозонный полупроводник.

В структуре примыкающая содержащая полтора периода сверхрешетка - широкозонный полупроводник/узкозонный полупроводник - выполнена в составе слоев AlAs/GaAs/AlAs, соответственно, толщиной около 0,8 нм/1,5 нм/0,8 нм.

В структуре слой широкозонного полупроводника в составе двух нелегированных слоев, между которыми расположен легированный слой, причем легированный примесью, обеспечивающей иной тип проводимости по сравнению с проводимостью слоя легированного широкозонного проводника, сформированного как дельта-слой в матрице полупроводника δ-легированием, расположенный по направлению к подложке, наименее удаленный от подложки, сформирован функционально как барьер из барьерных нелегированных слоев Al_xGa_1-xAs с х=0,25 с наименее удаленным от подложки слоем толщиной около 100 нм и с наиболее удаленным от подложки слоем толщиной около 5 нм, между которыми расположен слой р⁺ - Al_xGa_1-xAs с х=0,25, легированный акцепторной примесью Be с концентрацией 4×10¹⁸ см^-3, толщиной около 15 нм, являющийся потенциальным барьером, а слой широкозонного полупроводника в составе двух нелегированных слоев, между которыми расположен легированный слой, причем легированный примесью, обеспечивающей иной тип проводимости по сравнению с проводимостью слоя легированного широкозонного проводника, сформированного как дельта-слой в матрице полупроводника δ-легированием, расположенный по направлению от подложки, наиболее удаленный от подложки, сформирован функционально как барьер из барьерных нелегированных слоев Al_xGa_1-xAs с х=0,25 с наименее удаленным от подложки слоем толщиной около 7 нм и с наиболее удаленным от подложки слоем толщиной около 6 нм, между которыми расположен слой р⁺ - Al_xGa_1-xAs с х=0,25, легированный акцепторной примесью Be с концентрацией 5×10¹⁸ см^-3, толщиной около 8 нм, являющийся потенциальным барьером.

В структуре на поверхности, наиболее удаленной от подложки, выполненного в направлении от подложки слоя широкозонного полупроводника в составе двух нелегированных слоев, между которыми расположен легированный слой, сформированы два дополнительных слоя нелегированного широкозонного полупроводника - сначала слой, являющийся стоп-слоем, из Al_xGa_1-xAs с х, равным 0,86-0,9, толщиной около 3 нм, затем слой, являющийся дополнительным барьерным слоем, из GaAs толщиной около 27 нм - и один дополнительный слой легированного широкозонного полупроводника, являющийся контактным слоем, из n⁺ GaAs, легированного донорной примесью с уровнем 4×10¹⁸ см^-3, толщиной около 52 нм.

Сущность технического решения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми чертежами.

На Фиг. 1 схематически представлена гетероэпитаксиальная структура AlGaAs/InGaAs/AlGaAs с канальным слоем нелегированного узкозонного полупроводника, с обеих сторон которого и от которого в направлениях к подложке и от подложки, расположены слои широкозонного полупроводника (ШП), где: 1 - подложка; 2 - канальный слой; 3 и 4 - слой нелегированного ШП; 5, 6, 7, 8 - слой легированного ШП, сформированный как дельта-слой в матрице полупроводника δ-легированием; 9 и 10 - слой ШП в составе двух нелегированных слоев, между которыми расположен легированный слой; 11 и 12 - сглаживающий слой; 13 и 14 - спейсер; 15 и 16 - стенка матрицы; 17 и 18 - дельта-слой; 19 и 20 - стенка матрицы; 21 и 22 - разделяющий барьерный слой; 23 и 24 - стенка матрицы; 25 и 26 - дельта-слой; 27 и 28 - стенка матрицы; 29 и 30 - барьерный слой; 31 и 32 - потенциальный барьер; 33 и 34 - барьерный слой; 35 - сверхрешетка; 36 - стоп-слой; 37 - буферный слой; 38 - контактный слой.

На Фиг. 2 представлена иллюстрация влияния выполнения парных разделенных модулированно легированных в форме дельта-легирования слоев (дельта-слоев) на подвижность двумерного электронного газа (ДЭГ), выражающееся в устранении ограничения рассеяния на ионизированных донорах, в зависимости от размера дельта-слоя.

На Фиг. 3 показано относительное изменение магнитосопротивления в тестовых гетероэпитаксиальных структурах AlGaAs/InGaAs/AlGaAs: А - с выполнением слоя широкозонного полупроводника в составе двух нелегированных слоев, являющихся барьерными слоями, без расположенного между ними слоя, легированного акцепторной примесью, являющегося потенциальным барьером; В - с выполнением слоя широкозонного полупроводника в составе двух нелегированных слоев, являющихся барьерными слоями, между которыми расположен слой, легированный акцепторной примесью, являющийся потенциальным барьером; С - с выполнением слоя широкозонного полупроводника в составе двух нелегированных слоев, являющихся барьерными слоями, между которым выполнен слой, легированный акцепторной примесью, являющийся потенциальным барьером, а также с выполнением разделяющего барьерного слоя с разделением им на 2 нм пар дельта-слоев.

На Фиг. 4 приведена Таблица концентрации и подвижности ДЭГ при температурах 300 К и 77 К в тестовых гетероэпитаксиальных структурах AlGaAs/InGaAs/AlGaAs: с выполнением слоя широкозонного полупроводника (ШП) в составе двух нелегированных слоев - барьерных слоев, без расположенного между ними слоя, легированного акцепторной примесью, являющегося потенциальным барьером; с выполнением слоя широкозонного полупроводника (ШП) в составе двух нелегированных слоев - барьерных слоев, между которыми расположен слой, легированный акцепторной примесью, - потенциальный барьер; с выполнением слоя широкозонного полупроводника (ШП) в составе двух нелегированных слоев, между которым выполнен слой, легированного акцепторной примесью, а также с выполнением разделяющего барьерного слоя с разделением им на 2 нм пар дельта-слоев.

Достижение указанного технического результата в целях решения указанной технической проблемы обеспечивается следующим образом.

В гетероэпитаксиальной структуре для полевых транзисторов, содержащей выполненную на подложке 1 последовательность слоев, в которой с обеих сторон канального слоя 2 нелегированного узкозонного полупроводника, от него в направлениях к подложке 1 и от подложки 1, расположены сначала слой 3 (в направлении к подложке 1) и 4 (в направлении от подложки 1) нелегированного широкозонного полупроводника, затем слой 5 (в направлении к подложке 1) и 6 (в направлении от подложки 1), слой 7 (в направлении к подложке 1) и 8 (в направлении от подложки 1) легированного широкозонного полупроводника, сформированный как дельта-слой в матрице полупроводника δ-легированием, далее - слой 9 (в направлении к подложке 1) и 10 (в направлении от подложки 1) широкозонного полупроводника в составе двух нелегированных слоев (барьерных слоев), между которыми расположен легированный слой (потенциальный барьер) (см. Фиг. 1). Последний легирован примесью, обеспечивающей иной тип проводимости по сравнению с проводимостью слоя 5 и 6 легированного широкозонного проводника, сформированного как дельта-слой в матрице полупроводника δ-легированием. Кроме того, в структуре выполнен разделяющий барьерный слой 21 (в направлении к подложке 1) и 22 (в направлении от подложки 1) нелегированного широкозонного полупроводника, посредством которых, соответственно, дельта-слои 17 и 25 пары, наименее удаленной от подложки 1, соответственно, слоев 5 и 7 легированного широкозонного полупроводника, сформированных как дельта-слои в матрице полупроводника δ-легированием, и дельта-слои 18 и 26 пары, наиболее удаленной от подложки 1, соответственно, слоев 6 и 8 легированного широкозонного полупроводника, сформированных как дельта-слои в матрице полупроводника δ-легированием, сформированы с разделением друг относительно друга. Парные дельта-слои 17 и 25 разделены друг относительно друга разделяющим барьерным слоем 21, парные дельта-слои 18 и 26 разделены друг относительно друга разделяющим барьерным слоем 22.

В результате, в структуре вместо двух дельта-слоев, как выполнено в приведенном ближайшем аналоге, имеется четыре дельта-слоя, два из них наиболее удалены от канального слоя, а два слоя наименее удалены от канального слоя, причем в отношении каждой пары, состоящей из наименее и наиболее удаленного дельта-слоя от канального слоя, имеется разделяющий дельта-слои барьерный слой.

Дельта-слои 17, 18, 25, 26 легированы следующим образом.

Дельта-слой 17, наименее удаленный от канального слоя 2, выполненный в направлении к подложке 1, легирован со слоевой концентрацией примеси, равной половиной величине концентрации двумерного газа носителей заряда, образующегося при переходе в канальный слой носителей заряда с примеси дельта-слоя 17.

Дельта-слой 25, наиболее удаленный от канального слоя 2, выполненный в направлении к подложке 1, легирован со слоевой концентрацией примеси, равной по величине произведению величин толщины и концентрации примеси расположенного между двух нелегированных слоев (барьерных слоев 29 и 33) легированного слоя (потенциального барьера 31) примесью, обеспечивающей иной тип проводимости по сравнению с проводимостью слоя 7 легированного широкозонного проводника, сформированного как дельта-слой в матрице полупроводника δ-легированием, которые сформированы в составе слоя 9 широкозонного полупроводника, расположенного в направлении к подложке 1.

Дельта-слой 18, наименее удаленный от канального слоя 2, выполненный в направлении от подложки 1, легирован со слоевой концентрацией примеси, равной половиной величине концентрации двумерного газа носителей заряда, образующегося при переходе в канальный слой 2 носителей заряда с примеси дельта-слоя 18.

Дельта-слой 26, наиболее удаленный от канального слоя 2, выполненный в направлении от подложки 1, легирован со слоевой концентрацией примеси, равной по величине произведению величин толщины и концентрации примеси расположенного между двух нелегированных слоев (барьерных слоев 30 и 34) легированного слоя (потенциального барьера 32) примесью, обеспечивающей иной тип проводимости по сравнению с проводимостью слоя 8 легированного широкозонного проводника, сформированного как дельта-слой в матрице полупроводника δ-легированием, которые сформированы в составе слоя 10 широкозонного полупроводника, расположенного в направлении от подложки 1.

В результате выполнения дополнительных слоев, использования приведенной архитектуры расположения слоев и указанной концентрации легирующей примеси в дельта-слоях происходит следующее. Большая часть атомов примеси при разделении пар дельта-слоев разделяющим барьерным слоем оказывается удаленной на некоторое расстояние от канального слоя. Носители заряда (в частности, электроны) с атомов примеси наиболее удаленных от канального слоя 2 дельта-слоев 25 и 26 переходят в слои (потенциальные барьеры 33 и 34) широкозонного полупроводника, легированные иным, чем дельта-слои, типом примеси. Это приводит к образованию дополнительных потенциальных барьеров. Носители заряда (в частности, электроны) с атомов примеси в ближних к канальному слою 2 дельта-слоев 17 и 18 переходят в канальный слой 2 гетероструктуры, формируя тем самым двумерный газ носителей заряда (в частности, двумерный электронный газ). Разделение посредством разделяющего барьерного слоя 21, 22, соответственно, в парах дельта-слоев 17 и 25, 18 и 26, приводит к увеличению эффективной толщины, соответственно, спейсера 13 и 14 в составе, соответственно, слоя 3 и 4 нелегированного широкозонного полупроводника (выполняющего функции сглаживающего слоя и спейсера), и, следовательно, к улучшению подвижности носителей заряда двумерного газа в канальном слое 2, препятствуя рассеянию носителей заряда на ионизированной примеси. При этом концентрация носителей заряда в двумерном газе не уменьшается, так как она определяется положением ближних к канальному слою 2 гетероструктуры дельта-слоев 17 и 18, каждый из которых принадлежит своей паре дельта-слоев - наименее удаленной от подложки 1 и наиболее удаленной от подложки 1, и концентрацией ионизированных атомов примеси в них. В то же время, легирование дельта-слоев 17 и 18 осуществляют с уровнем, который меньше, чем в неразделенных одинарных дельта-слоях структуры, выбранной в качестве ближайшего аналога, причем уровень легирования обоих ближайших к канальному слою 2 дельта-слоев 17 и 18 выбирают с учетом получения от них требуемой концентрации носителей заряда двумерного газа в канальном слое 2. Тем самым также устраняется влияние вклада рассеяния носителей заряда на ионизированной легирующей примеси в подвижность и достигается требуемое значение концентрации носителей заряда в канальном слое 2. В совокупности приведенные факторы расположения парных дельта-слоев и легирования их обеспечивают улучшение подвижности носителей заряда двумерного газа в канальном слое 2.

Проведена оценка влияния разделения с формированием пар дельта-слоев на подвижность носителей заряда двумерного газа для конкретных структур с донорно-акцепторным легированием, в частности, с легированием дельта-слоев 17, 18, 25, 26 донорной примесью Si, и, как следствие, формированием в канальном слое 2 двумерного электронного газа (ДЭГ), с выполнением слоя 9 и 10 широкозонного полупроводника в составе двух нелегированных слоев (соответственно, барьерных слоев 29 и 33 и барьерных слоев 30 и 34), между которыми расположен легированный слой (соответственно, потенциальный барьер 31 и 32), причем легированный примесью, обеспечивающей иной тип проводимости по сравнению с проводимостью слоя 5 и 6 легированного широкозонного проводника, сформированного как дельта-слой в матрице полупроводника δ-легированием, с легированием промежуточного слоя (потенциальный барьер 31 и 32) акцепторной примесью Be. При этом выполнен теоретический расчет с использованием известной модели (см. D.V. Gulyaev, К.S. Zhuravlev, А.К. Bakarov, А.I. Toropov, D. Yu. Protasov, А.К. Gutakovskii, В. Ya. Ber and D. Yu. Kazantsev, «Influence of the additional p⁺-doped layers on the properties of AlGaAs/InGaAs/AlGaAs heterostructures for high power SHF transistors», J. Phys. D:Appl. Phys., V. 49, 095108 (9pp), (2016)). Рассчитывалось влияние только рассеяния на ионизированных донорах всех дельта-слоев в приближении двух заполненных подзон размерного квантования, рассматривалось как внутриподзонное, так и межподзонное рассеяние. Профиль распределения атомов кремния в дельта-слоях при расчете принимался гауссовым, ег