Транзисторы на основе индийфофида (InP) с высокой подвижностью электронов (HEMT) широко применяются в требовательных высокочастотных приложениях, особенно там, где крайне важны низкий уровень шума и высокое качество переноса электронов. Они особенно актуальны для криогенных низкошумных усилителей (LNA) для радиоастрономии, квантовых вычислений и систем миллиметровых и субмиллиметровых волн.

Производительность InP HEMT зависит не только от длины затвора, контактного сопротивления и обработки устройства, но и от подлежащей эпитаксиальной структуры. Канал InGaAs, барьер InAlAs, слой спейсера и профиль легирования вместе определяют двумерный электронный газ (2DEG), влияя на мобильность носителя, пороговое напряжение, шумовые характеристики и совместимость с производством.

Для разработчиков устройств оптимизация эпитаксии InP HEMT требует баланса между транспортом электронов, электростатическим управлением и интеграцией процесса. В этой статье рассматриваются два важных аспекта: инженерия слоя спейсеров для криогенных низкошумных характеристик и устойчивости слоя конденсаторов при производстве устройства.

1. Эпитаксиальные структуры InP HEMT

Эпитаксиальные пластины InP HEMT обычно используют канал InGaAs и барьер InAlAs, выращиваемые на полуизолирующем субстрате InP. Гетероструктура, согласованная по решётке, поддерживает высокомобильный перенос электронов, а легированный профиль и конструкция спейсера помогают контролировать перенос электронов и образование 2DEG.

В зависимости от требований устройства, эпитаксиальный стек может включать слой капа InGaAs, слой InP с остановкой травления, барьер InAlAs, слой спейсера, канал InGaAs и буфер InAlAs.

Ниже приведены две представительные структуры. Точные толщины и концентрации легирования зависят от задуманной архитектуры устройства и должны устанавливаться с помощью проектного проектирования.

1.1 Дельта-легированные InGaAs/InAlAs/InP HEMT

Дельта-легированная структура использует тонкую, сильно локализованную плоскость легирования для подачи электронов в канал. Необработанный спейсер отделяет допанты от квантовой ямы InGaAs, помогая уменьшить рассеяние ионизированных примесей при сохранении высокой концентрации носителей.

Концентрация дельта-легирования и толщина спейсера должны быть оптимизированы вместе. Чрезмерная близость между допантами и каналом может увеличить рассеяние примесей, а чрезмерно толстая прокладка может изменять перенос электронов и электростатические характеристики устройства.

1.2 InGaAs/InAlAs/InP HEMT для низкошумных приложений

Низкошумные InP HEMT используют схожую гетероструктуру, при этом последовательность слоёв и профиль легирования адаптированы к целевой рабочей температуре, частотному диапазону и требованиям к шуму. Репрезентативная структура как:

Для криогенных ЛНК эпитаксиальное проектирование должно учитывать подвижность носителей при низких температурах, пороговое напряжение, управление затвором и внутренний шум канала. Для устройств с миллиметровыми волнами могут также относиться плотность носителей, сопротивление доступа, паразитная ёмкость и усиление на высоких частотах.

PWG может обсуждать индивидуальные требования к эпитаксиальному росту на основе InP в зависимости от последовательности целевого слоя, толщины, профилей легирования и спецификаций подложки.

2. Толщина слоя прокладки и криогенные шумовые характеристики

В типичном InP HEMT электроны, подаваемые слоем с дельта-легированием Si, переходят в квантовую яму InGaAs, образуя 2DEG рядом с гетероинтерфейсом InAlAs/InGaAs. Недопированная область InAlAs между легирующей плоскостью и каналом называется слоем спейсера.

Толщина спейсера, обычно обозначаемая как d_SP, влияет на баланс между концентрацией носителей, подвижностью и электростатическим контролем. Более тонкий спейсер размещает ионизированные допанты ближе к каналу, что потенциально увеличивает рассеяние примесей. Увеличение толщины прокладки может повысить подвижность, но оптимальное значение зависит от всей гетероструктуры и условий работы устройства.

2.1 Влияние на мобильность и характеристики постоянного тока

Li и др. (2022) исследовали InP HEMT с толщиной спейсеров 1, 3, 5 и 7 нм. Концентрации дельта-легирования были откалиброваны для поддержания концентрации поверхностных электронов примерно 2,5 × 10¹²cm⁻².

При низких температурах сообщаемая подвижность Холла увеличивалась с примерно 17 000 см²/В·с для 1 нм прокладки до 53 000 см²/В·с для 5 нм, при этом дальнейшее улучшение приблизилось к насыщению на 7 нм.

Результаты показывают, что очень тонкий спейсер может усиливать рассеяние примесей и ограничивать перенос электронов. Однако само по себе максимизация мобильности не обязательно обеспечивает лучшую общую производительность устройства.

При 5 К устройство с проставкой 1 нм демонстрировало сниженную способность по токовому обеспечению. Устройство с прокладкой с 5 нм достигло подпорогового колебания примерно 12 мВ/дек и порогового напряжения 0,1 В, что демонстрировало благоприятное управление затвором в заявленных условиях испытаний.

2.2 Толщина прокладки и низкотемпературный шум

Для оценки практического влияния на шум исследователи интегрировали HEMT с разной толщиной спейсеров в трёхступенчатые LNA, работающие на частоте 4–8 ГГц, и измерили их шумовые температуры на уровне 5 К.

Средние измеренные температуры шума LNA были следующими:

Среди протестированных конструкций 5-нм прокладка обеспечивала самую низкую среднюю температуру шума. Извлекаемая температура шума дренажа также достигла минимума для этой конструкции, что указывает на меньший внутренний шум канала при исследуемых условиях эксплуатации.

Эти результаты демонстрируют, что оптимизация пространственных слоёв может напрямую влиять на низкотемпературную шумовую производительность InP HEMT. Они также показывают, почему эпитаксиальное проектирование следует оценивать с учётом требований к эксплуатации на уровне устройства, а не только с мобильностью носителя.

2.3 Перенос в реальном пространстве и оптимальная толщина спейсера

Одним из механизмов, обсуждаемых Ли и др., является перенос в реальном пространстве (RST), при котором электроны энергетического канала пересекают потенциальный барьер и входят в его барьерный слой. Этот процесс может создавать дополнительный шум и снижать эффективность предполагаемого транспорта канала.

В опубликованном исследовании устройства с прокладками 1 и 3 нм демонстрировали отрицательное дифференциальное сопротивление при высоком напряжении затвора, тогда как устройства с 5 и 7 нм не проявляли такого поведения в испытанных условиях.

Исследователи также обнаружили, что структура прокладки с 5 нм имела минимальное напряжение затвора при оптимальном шумовом смещении. Это соответствовало снижению передачи в реальном пространстве и более низкой измеренной температуре шума.

Результаты подчёркивают взаимодействие между толщиной спейсера, пороговым напряжением, переносом несущей и генерацией шума. Для криогенных InP HEMT оптимальным прокладкой является параметр проектирования, специфичный для устройства, а не фиксированное значение, применимое к каждой эпитаксиальной конструкции.

3. Устойчивость слоя крышки и сопротивление контакту в обработке InP HEMT

Электрическая производительность — лишь часть успешной эпитаксии InP HEMT. Слой капса также должен оставаться совместимым с последующей металлизацией, удалением резиста и другими этапами изготовления.

Saranovac и др. (2019) исследовали электрохимическое травление в производстве InP HEMT и сообщили, что загрязнение влагой при подъёме металла может повредить сильно легированные конструкции конденсаторов на основе GaInAs/InGaAs, в зависимости от системы материала и условий обработки.

Такие повреждения могут уменьшить эффективную площадь контакта и увеличить омическое сопротивление, что подрывает электрические преимущества хорошо спроектированной эпитаксиальной конструкции.

3.1 Травление, связанное с влагой, во время подъёма металла

В описанных экспериментах контактное сопротивление увеличивалось с увеличением содержания воды в растворителе N-метил-2-пирролидона (NMP) и при увеличении времени воздействия.

Поперечные и поверхностные наблюдения SEM выявили боковое травление под металлическими краями, создающее пустоты в слое крышки и уменьшение эффективной площади контакта.

Эти результаты показывают, что целостность слоя конденсатора может зависеть от взаимодействия между полупроводником, металлом и процессирующей средой. Поэтому условия контроля влажности и отлёта заслуживают внимания при разработке надёжных процессов производства InP HEMT.

3.2 Взаимосвязь между легированием и электрохимическим травлением

Исследование предполагало, что химия растворителей, связанная с влагой, и электрохимические реакции между металлом и полупроводником способствовали наблюдаемому повреждению слоя крышки.

Сильно легированные слои колпачков могут обеспечивать путь с низким сопротивлением для образования омических контактов, но их поведение при влажной обработке также необходимо учитывать. В изученных условиях более высокое легирование сопровождалось более сильным травлением, что иллюстрирует возможный компромисс между сопротивлением контакта и стабильностью процесса.

Последствия важны для эпитаксиального проектирования: увеличение легирования на слое крышки не следует рассматривать как изолированное решение сопротивления контакту. Выбранный состав материала, профиль легирования, металлическая система и среда изготовления должны рассматриваться вместе.

Эти наблюдения не означают, что сильно легированные слои колпачков по своей природе неподходящи. Вместо этого они подчёркивают необходимость согласования эпитаксиальных спецификаций с предполагаемым процессом изготовления и контроля воздействия влаги на чувствительных этапах обработки.

4. Ключевые аспекты для эпитаксиального проектирования InP HEMT

Эффективность InP HEMT зависит от взаимодействия между эпитаксиальной структурой, транспортом носителей и условиями изготовления. Вышеупомянутые исследования выделяют несколько важных аспектов:

• Инженерия 2DEG:Состав канала, структура барьера и профиль легирования влияют на концентрацию и удержание носителей.
• Оптимизация с интервальным слоем:Толщина спейсера влияет на рассеяние примесей, подвижность электронов, пороговое напряжение и криогенную шумовую характеристику.
• Работа при низких температурах:Эпитаксиальные параметры следует оценивать с учётом целевых рабочих температур, диапазона частот и требований к шуму.
• Стабильность слоя крышки:Состав и легирование крышки должны учитываться наряду с металлизацией, сопротивлением контакта и условиями отлёта.
• Совместимость процессов:Процессы эпитаксиального проектирования и производства должны быть оптимизированы совместно для баланса электрических характеристик и надежности производства.

Не существует единой эпитаксиальной структуры, оптимальной для каждого применения InP HEMT. Правильное сочетание толщины слоя, профилей легирования и состава материалов зависит от предполагаемой архитектуры устройства и условий работы. Поэтому тщательное эпитаксиальное проектирование необходимо для достижения необходимого баланса между низким уровнем шума, высокой подвижностью электронов, электростатическим управлением и совместимостью процессов.

Ссылки

1. Li, J., Pourkabirian, A., Bergsten, J., Wadefalk, N., и Grahn, J. (2022). Влияние толщины спейсера на шумовые характеристики в InP HEMT для криогенных LNA.Буквы устройств IEEE Electron, 43(7), 1029–1032.
2. Сарановак, Т., Руис, Д. С., Хан, Д., Арабхави, А. М., Остинелли, О., и Болоньеси, К. Р. (2019). Влияние электрохимического травления на изготовление InP HEMT.Сделки IEEE по производству полупроводников, 32(4), 496–501.