Транзисторы на основе полупроводниковых гетероструктур

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 
 
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 
 
 
А.Н. Ковалев 
 
 
 
 
 
Транзисторы на основе 
полупроводниковых  
гетероструктур 
 
Монография 
 
 
 
 
 
Москва  2011 

УДК 621.315.592 
 
К56 
Р е ц е н з е н т  
д-р физ.-мат. наук, проф. В.И. Трухин 
(МГУ им. М.В. Ломоносова) 
Ковалев, А.Н. 
К56  
Транзисторы на основе полупроводниковых гетероструктур : 
моногр. / А.Н. Ковалев. – М. : Изд. Дом МИСиС, 2011. – 364 с. 
ISBN 978-5-87623-489-6 
Рассмотрены физические принципы работы наиболее распространенных 
приборов полупроводниковой электроники – биполярных и полевых транзисторов – в их современном модернизированном исполнении на основе гетероструктурных композиций. На их примере дан анализ нового направления 
электроники – гетероструктурной наноэлектроники. Это часть более масштабного направления, называемого нанотехнологией, и охватывает она разработку полупроводниковых приборов и устройств субмикронных размеров. 
Приведены примеры реализации транзисторов на основе гетеросистем из материалов Ge/Si и AIIIBV. Установлены зависимости между размерами активных областей, составом материала и параметрами прибора. Выполнено сравнение и оценка возможностей материалов и приборов на их основе. Рассмотрены механизмы формирования и условия получения гетероэпитаксиальных 
структур с квантовыми точками в системах Ge/Si и InAs/GaAs с учетом элементов самоорганизации при эпитаксии. Интерес к самоупорядоченным наноструктурам обусловлен созданием нанотранзисторов, а также фотоприемников 
и источников излучения в диапазоне длин волн 1,3…1,5 мкм. 
Книга предназначена для широкого круга научных и инженернотехнических работников, специализирующихся в области разработки новых 
полупроводниковых микро- и наногетероструктур и приборов на их основе, 
а также для студентов и аспирантов. 
УДК 621.315.592 
ISBN 978-5-87623-489-6 
© А.Н. Ковалев, 2011 
2 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
Введение....................................................................................................6 
1. Новое направление полупроводниковой электроники –
гетероструктурная наноэлектроника..................................................7 
2. Энергетическая диаграмма идеального гетероперехода.................13 
3. Биполярные гетеротранзисторы на Si/GexSi1–x и AIIIBV....................23 
3.1. Биполярный транзистор................................................................... 24 
3.1.1. Основные характеристики ..........................................................24 
3.1.2. Эквивалентная схема транзистора. Предельные  
частоты .....................................................................................................28 
3.1.3. Дрейфовый планарный биполярный транзистор ...................32 
3.2. Принцип действия биполярного гетеротранзистора .................. 35 
3.3. Биполярные гетеротранзисторы на Si/GexSi1–x ............................. 40 
3.3.1. Общая характеристика ................................................................40 
3.3.2. Углеродное ограничение профиля бора в базе  
SiGe-БГТ ...................................................................................................46 
3.3.3. Механизм сегрегации бора при отжиге структур 
SiGeC/SiGeB/SiGeС ................................................................................52 
3.4. Биполярные гетеротранзисторы на AIIIBV ..................................... 58 
3.4.1. Биполярные гетеротранзисторы на обычных  
материалах ................................................................................................58 
3.4.2. Биполярные гетеротранзисторы на основе нитридов  
III группы ..................................................................................................66 
3.5. Сравнение достигнутых результатов по разработке БГТ  
с теоретическими оценками .................................................................. 73 
4. Современные полевые гетеротранзисторы на основе  
соединений АIIIBV ...............................................................................86 
4.1. Основные представления и параметры ......................................... 86 
4.1.1. Модель полевого транзистора ....................................................87 
4.1.2. Особенности переноса в субмикронных структурах .............93 
4.2. Полевые транзисторы на AlxGa1–xAs/GaAs-гетероструктуре .... 97 
4.3. Псевдоморфные AlGaAs/InGaAs-PHEMT на GaAs .................. 104 
4.4. InP-НЕМТ и метаморфные GaAs-МНЕМТ ................................ 117 
5. Полевые гетеротранзисторы на материалах АIIIN .........................133 
5.1. Преимущества нитридных полупроводников ........................... 134 
5.2. Конструктивные особенности полевых транзисторов  
на основе GaN ........................................................................................ 140 
3 

5.3. Получение и свойства слоев гетероструктуры AlGaN/GaN .....156 
5.3.1. Получение слоев нитридных соединений МОС-гидридным 
методом................................................................................................... 157 
5.3.2. Получение слоев гетероструктуры AlGaN/GaN 
модифицироваными методами МЛЭ................................................ 164 
5.3.3. Электропроводность слоев GaN.............................................. 167 
5.4. Влияние поляризационных эффектов и поверхностных 
состояний на характеристики полевых GaN-гетеротранзисторов ..171 
5.5. Коллапс тока и его связь с поверхностными состояниями ......181 
5.6. Конструкции GaN-НЕМТ с полевой платой ..............................189 
6. Основные направления и проблемы создания полевых 
транзисторов на AlGaN/GaN-гетероструктурах ...........................199 
6.1. Процессы латеральной эпитаксии GaN-HEMT ..........................199 
6.2. Подложки для GaN-гетеротранзисторов .....................................205 
6.3. Применение встроенных AlN(AlxGa1–xN)-слоев ........................212 
6.4. Элементы постростовой технологии ...........................................223 
6.4.1. Травление нитридов III группы при изготовлении  
GaN-HEMT ............................................................................................ 225 
6.4.2. Контакты металл – нитриды III группы ................................ 229 
6.4.3. Ионная имплантация ................................................................. 239 
6.4.4. Применение диэлектрических слоев ...................................... 246 
7. Современные методы усовершенствования полевых  
AlGaN/GaN-гетеротранзисторов ....................................................251 
7.1. Основные направления разработки полевых  
гетеротранзисторов ...............................................................................251 
7.2. Последние разработки и достигнутые результаты ....................254 
7.2.1. Учет поляризационных эффектов при создании  
барьерного слоя .................................................................................... 254 
7.2.2. Способы повышения предельной частоты ........................... 260 
7.2.3. Разработка GaN-HEMT для переключателей мощности ... 271 
7.2.4. Изготовление нормально закрытого E-GaN-HEMT ............ 274 
7.2.5. Расширение возможных применений  
GaN-НЕМТ-структур ......................................................................... 277 
7.3. Внедрение In-содержащих слоев в структуру GaN-HEMT ......279 
7.3.1. Использование In в барьерном слое полевого AlGaN/GaNгетеротранзистора ................................................................................ 279 
7.3.2. Создание проводящего канала в полевом  
AlGaN/GaN-гетеротранзисторе с применением слоя InGaN ..... 288 
7.3.3. Особенности выращивания InGaN-слоев на GaN ............... 294 
7.4. От исследований к производству приборов ...............................302 
4 

8. Квантоворазмерные структуры и их применение ........................306 
8.1. Механизмы формирования гетероэпитаксиальных структур  
с квантовыми точками .......................................................................... 307 
8.1.1. Самоорганизация при эпитаксии .............................................309 
8.1.2. Теоретические представления о достижении равновесного 
состояния в системе гетеронаноостровков ......................................315 
8.2. Квантовые точки Ge/Si .................................................................. 321 
8.3. Фотоприемники на основе квантоворазмерных структур ....... 333 
8.4. Квантовые точки в системе InAs/GaAs ....................................... 339 
8.5. Полупроводниковые нанотрубки ................................................ 346 
Заключение ...........................................................................................351 
Библиографический список ................................................................353 
 
5 

ВВЕДЕНИЕ 
Многократное увеличение уровня интеграции, быстродействия, 
расширения функциональных возможностей в электронике, оптике, 
информатике и других областях науки и техники возможно на основе 
нанотехнологии. Нанотехнология способна изменить все аспекты 
человеческого существования. Возможность синтезировать наномасштабные элементы, а затем собирать такие элементы в более 
крупные структуры, обладающие уникальными свойствами и функциями, приведет к революционным изменениям во многих отраслях. 
Изменение характеристик и появление новых свойств нанообъектов 
обусловлены не только уменьшением размеров элементов, но и проявлением квантовомеханических эффектов, волновой природой процессов переноса и доминирующей ролью поверхностей раздела. 
Полупроводниковая гетероструктурная наноэлектроника представляет собой составную часть нанотехнологии и охватывает прежде всего разработку полупроводниковых приборов и устройств 
с размерами субмикронного диапазона, приближающегося к нанометровому диапазону, т.е. к объектам меньше 100 нм. 
Рассмотрены области применения и перспективы данного направления электроники. Приведены примеры реализации биполярных и 
полевых транзисторов на основе гетеросистем из материалов Ge/Si, 
АIIIВV, размеры активных областей которых менее 100 нм. 
Значительная часть работы посвящена механизмам формирования и условиям получения гетероэпитаксиальных структур с квантовыми точками в системах Ge/Si и InAs/GaAs. Рассмотрены элементы самоорганизации при эпитаксии и применение явлений самоорганизации для эпитаксиального наращивания наногетероструктурных объектов полупроводниковой электроники на основе 
массива квантовых точек. 
6 

1. НОВОЕ НАПРАВЛЕНИЕ 
ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ –
ГЕТЕРОСТРУКТУРНАЯ НАНОЭЛЕКТРОНИКА 
Вторая половина прошедшего столетия ознаменована грандиозными достижениями в развитии полупроводниковой электроники и, 
прежде всего, микро- и оптоэлектроники. Эти достижения обеспечили невиданный прогресс в вычислительной технике, информатике, 
радиоэлектронике, энергетике и в других передовых областях науки 
и техники. Совершенно очевидно, что все эти преобразования были 
бы вряд ли возможны без выдающихся достижений в развитии материаловедения и технологии полупроводниковых материалов. 
В ХХI век микроэлектроника вошла с производством УСБИС динамической памяти на 1 Гбит и микропроцессоров с тактовыми частотами до 1,2 ГГц. К 2012 г. предполагается довести эти показатели 
до 64 Гбит и 10 ГГц соответственно. Если сегодня размер единичного транзистора в УСБИС составляет 0,18...0,13 мкм, к 2012 г. эти значения уменьшатся до 0,03...0,035 мкм. Аналогичная тенденция к резкому повышению степени микроминиатюризации наблюдается и в 
оптоэлектронике. Уже сегодня размеры активных областей инжекционных лазеров на квантовых ямах вышли на нанометровый уровень, а впереди  – активное освоение производства лазеров на основе 
квантовых точек. Освоение размерного диапазона 1,0...0,1 мкм представляет собой весьма сложную технологическую задачу, но происходит оно с использованием традиционной элементной базы. Совершенно другая ситуация складывается при освоении диапазона линейных размеров менее 0,1 мкм. Здесь возникает фундаментальный 
физический барьер, обусловленный резкими изменениями практически всех свойств твердого тела, в том числе и электропроводности. 
При достижении таких размеров в соответствующих объектах начинают в полной мере проявляться квантовые эффекты, что требует 
совершенно иного подхода к конструированию приборов, которые 
должны работать на новых физических принципах. Вот почему освоение нанометрового диапазона размеров в современной твердотельной электронике выделено в специальное направление, названное наноэлектроникой. 
Наноэлектроника является областью науки и техники, сформировавшейся на основе достижений физики твердого тела, квантовой 
7 

электроники, физической химии и технологии полупроводниковой 
микроэлектроники. Разрабатываемые для наноэлектроники технологии должны быть ориентированы на массовое производство приборов и интегральных схем с минимальными размерами элементов 
в диапазоне от 100 до 1 нм.  
В наноэлектронике используются следующие основные квантовые эффекты, лежащие в основе функционирования наноразмерных 
элементов: интерференция, квантовое ограничение, туннелирование 
через потенциальные барьеры. 
Свободному электрону в твердом теле соответствует электромагнитная волна, способная распространяться в любом направлении. Однако 
поведение электрона изменяется, если он находится в области твердого 
тела, ограниченной потенциальными барьерами, примером которой 
может являться квантовый шнур с ограниченными размерами структуры. При этом соответствующие электроны могут иметь только определенные фиксированные значения энергии, тогда как вдоль шнура могут 
двигаться электроны с любой энергией. Запирание электрона хотя бы в 
одном из направлений сопровождается увеличением его импульса. 
Данное явление называется квантовым ограничением и приводит, с одной стороны, к увеличению минимальной энергии электрона, а с другой, – к дополнительному квантованию энергетических уровней, вследствие чего свойства наноразмерных структур отличаются от свойств 
материала, из которого они сформированы. 
На туннелирование электронов в наноразмерных структурах существенное влияние оказывает квантовое ограничение. Квантование энергетических состояний в тонких периодически расположенных ямах приводит к резонансному характеру туннелирования. 
Интенсивное исследование квантовых эффектов в сверхтонких полупроводниковых гетероструктурах привело к появлению полупроводниковых приборов новых классов – резонансных туннельных диодов и 
транзисторов, обладающих потенциально очень высоким быстродействием (предельные частоты до 1012 Гц) и широким спектром других возможностей, а также инжекционных лазеров на квантовых ямах и квантовых точках с уникальными рабочими характеристиками. 
Объединение в самые последние годы физики и технологии наногетероструктур с нанотехнологией изготовления приборов на их основе привело к созданию наногетероструктурной электроники. 
Элементная база наногетероструктурных монолитных интегральных схем включает: 
8 

– гетеробиполярные транзисторы, т.е. НВТ (Heterojunction Bipolar 
Transistor); 
– униполярные полевые транзисторы с электронным газом высокой подвижности и высокой плотности, или НЕМТ (High Electron 
Mobility Transistor); 
– туннельно-резонансные приборы на квантовых ямах, обладающие, наряду с рекордным быстродействием, уникальными фукциональными возможностями; 
– гетероструктурные транзисторы на квантовых точках (т.е. на 
квазинульмерных электронных системах); 
– фотодетекторы и лазеры на квантовых точках. 
Активно обсуждаются проблемы создания квантовых интегральных схем, основными элементами которых должны стать квантовые 
точки, квантовые проводники, квантовые ямы, транзисторные структуры на основе квантоворазмерных эффектов и устройств с управляемой интерференцией электронов. 
Все перечисленное стало возможным лишь благодаря выдающимся достижениям в развитии технологии молекулярно-пучковой 
и МОС-гидридной эпитаксии, обеспечившим возможность синтеза 
высококачественных квантоворазмерных композиций широкого круга полупроводниковых материалов. Однако по существу развитие 
технологии и материаловедения наноструктур лишь только начинается. С материаловедческих позиций наноструктуры являются весьма специфическими объектами, свойства которых в значительной 
степени определяются свойствами их поверхности и явлениями на 
границах раздела фаз. Все это определяет специфику межфазных 
взаимодействий и особенностей поведения примесей и структурных 
дефектов в наноразмерных многофазных композициях. Ключ к получению недеградирующих наноструктур с контролируемыми свойствами лежит в детальном исследовании всех этих явлений. 
Решающую роль в формировании нанокомпозиций типа сверхрешеток, состоящих из квантовых ям, проволок или точек, играют эффекты самоорганизации. Однако для того чтобы обеспечить, например, получение композиций с однородным распределением необходимого количества квантовых точек контролируемого размера, надо 
иметь четкое представление о механизме явлений, лежащих в основе 
самопроизвольного возникновения макроскопического порядка в первоначально однородной системе, т.е. выявить основные движущие силы самоорганизации. Для наноструктур различных типов причины 
9 

неустойчивости однородного состояния системы могут существенно 
различаться, и в каждом конкретном случае в этом надо детально разбираться. Только такого рода подходы позволяют с наибольшим эффектом реализовать возможности процессов самоорганизации. В последние годы исследования в этом направлении развиваются весьма 
успешно. Развитие технологии и материаловедения полупроводниковых наноструктур вряд ли возможно без глубокого проникновения в 
природу явлений, происходящих в традиционных полупроводниковых 
средах на атомном (молекулярном) уровне. Это, в свою очередь, требует разработки новых нестандартных методов исследования с использованием сканирующей атомно-силовой и туннельной микроскопии, электронной микроскопии высокого разрешения, рентгеновской 
спектрометрии и ряда других современных подходов. 
Развитие нанотехнологии требует применения достижений современной электронной нанолитографии для формирования активных 
элементов малых размеров. 
Развитие методов литографии шло по пути уменьшения длины 
используемого излучения (ультрафиолетовое или синхротронное) и 
применения частиц с меньшей длиной волны (высокоэнергетичная 
электронная и ионная литография). Существенным ограничением 
возможности применения методов оптической литографии является 
необходимость фокусировки света. От этого недостатка свободны 
методы ионной и электронной литографии. 
Развитие нанотехнологий направлено на создание электронных 
устройств будущего, способных стать базой для дальнейшего развития информационных технологий. Увеличение мощностей компьютерных систем достигается уменьшением размеров применяющихся 
в настоящее время кремниевых интегральных схем. Однако, по оценке ведущих международных исследовательских организаций, при 
сохранении современных темпов развития интегральных технологий 
через 10–15 лет будет достигнут предел микроминиатюризации. 
Дальнейшее повышение вычислительных мощностей компьютерных 
систем будет неразрывно связано с применением нанотехнологий. 
Созданный в мире за предыдущие десятилетия научный и технологический задел дал мощный импульс быстрому промышленному 
освоению этой новейшей технологии. Объем мировых ежегодных 
продаж только самих гетероструктурных транзисторов и монолитных интегральных схем уже приблизился к 6 млрд долл. США, ежегодно увеличиваясь примерно на 3 %. По всем прогнозам, рынок 
10