SK289027B6

SK289027B6 - Vertikálny GaN tranzistor s izolačným kanálom a spôsob jeho prípravy

Info

Publication number: SK289027B6
Application number: SK50074-2017A
Authority: SK
Inventors: Ing. DrSc. Kuzmík Ján
Original assignee: Elektrotechnický ústav SAV, v. v. i.
Priority date: 2017-11-24
Filing date: 2017-11-24
Publication date: 2023-01-11
Also published as: WO2019103698A1; EP3714489A1; SK500742017A3

Abstract

Vertikálny GaN tranzistor s izolačným kanálom pozostáva najmenej z: a) vodivého GaN substrátu (1); b) driftovej n GaN vrstvy (2) vytvorenej na vodivom GaN substráte (1); c) kanálovej izolačnej GaN vrstvy (3) vytvorenej na driftovej n GaN vrstve (2), ktorej zvyškové donory sú kompenzované prímesami alebo defektmi; d) kontaktovej n+ GaN vrstvy (4) vytvorenej na kanálovej izolačnej GaN vrstve (3); pričom elektróda (6) emitora je umiestnená zhora na j kontaktovej n+ GaN vrstve (4), elektróda (7) kolektora je umiestnená odspodu na GaN substráte (1) a elektróda (8) hradla je umiestnená vertikálne pozdĺž kanálovej izolačnej GaN vrstvy (3) a je oddelená pozdĺž celej jej dĺžky od kontaktovej n+ GaN vrstvy (4), kanálovej izolačnej GaN vrstvy (3) a driftovej n GaN vrstvy (2) dielektrickou izolačnou vrstvou (5) s väčšou šírkou energetickej medzery, ako je v GaN. Zvyškové donory v kanálovej izolačnej GaN vrstve (3) sú kompenzované prímesami uhlíka alebo prímesami železa, alebo prímesami horčíka, alebo vakanciami gália. Zvyškové donory v kanálovej izolačnej GaN vrstve (3) sú kompenzované tak, že koncentrácia voľných elektrónov v kanálovej izolačnej GaN vrstve je menšia alebo sa rovná 1011 cm-3. Vynález sa týka aj spôsobu prípravy vertikálneho GaN tranzistora na vodivom GaN substráte.

Description

Oblasť techniky

Vynález sa týka vertikálneho GaN tranzistora s izolačným kanálom a spôsobu jeho prípravy. Konkrétne sa týka oblasti výroby výkonových a vysokofrekvenčných tranzistorov s kladným prahovým napätím.

Doterajší stav techniky

Zabezpečenie ekologického rozvoja spoločnosti je úzko späté s vytváraním nových možností na efektívne využívanie dostupných zdrojov energie. Jednou z možností je minimalizovať straty v elektrických prevodníkoch výkonu. Pri potrebe maximalizovať výkon a minimalizovať straty pri takomto prevode je použitie výkonových tranzistorov na báze GaN polovodičov mimoriadne vhodné riešenie.

GaN je chemicky stály polovodičový materiál s energetickou medzerou 3,4 eV, čo ho predurčuje na aplikácie v nehostinnom prostredí a zvýšené teploty prevyšujúce 300 °C. Okrem toho, vysoká driftová rýchlosť elektrónov v GaN okolo 1 x 10⁵ m/s umožňuje spínanie tranzistorov pri vysokej frekvencii. Spomenuté materiálové parametre sú mimoriadne vhodné na konštrukciu výkonových vysokofrekvenčných tranzistorov a prevodníkov s vysokou účinnosťou.

Bežne dostupné tranzistory na báze GaN sa pripravujú ako unipolárne poľom riadené planárne tranzistory (field-effect transistor, FET). Transport náboja prebieha medzi elektródami emitora a kolektora cez GaN kanál a riadený je hradlom. Základom je epitaxná štruktúra narastená najčastejšie na cudzom substráte (kremík, zafír, karbid kremíka) alebo na GaN substráte. Štandardná štruktúra sa skladá zo substrátu, oddeľovacej izolačnej (SI) GaN vrstvy, z kanálovej n GaN vrstvy a z bariérovej AlGaN vrstvy. Ako techniky rastu sa najčastejšie používajú chemická depozícia z organometalických pár (metal-organic Chemical vapor deposition, MOCVD) alebo molekulárna zväzková epitaxia (molecular-beam epitaxy, MBE). Kanálová n GaN vrstva má obsahovať čo najmenej dislokácií a prímesí, ako sú vakancie a uhlík, aby sa dosiahla čo najvyššia pohyblivosť nosičov náboja a čo najlepšie podmienky na spínanie tranzistora bez parazitného vplyvu hlbokých hladín. V prípade MOCVD je však uhlík prítomný v prekurzoroch rastu, ako je napr. trimetylgálium (TMGa), a preto optimálne podmienky rastu kanála je potrebné nastaviť tak, aby inherentná prítomnosť uhlíka bola minimálna. Štandardné podmienky rastu taktiež neumožňujú vylúčiť prítomnosť zvyškových donorových prímesí, ako je napr. kyslík, a typická koncentrácia voľných elektrónov v takto neúmyselne dotovanom GaN-e je v ráde 10¹⁶ cm^-3. Kanálová n GaN vrstva sa rastie na tzv. oddeľovacej izolačnej GaN vrstve, ktorá má zabezpečiť jej optimálny epitaxný rast separáciou od poruchového rozhrania GaN-u so substrátom a hrúbka oddeľovacej vrstvy je okolo 1 až 5 mikrometrov. Oddeľovacia izolačná GaN vrstva plní navyše úlohu izolačnej vrstvy, ktorá zabezpečuje vysoký odpor tranzistora v zatvorenom stave a vysokú hodnotu prierazného napätia. Preto na rozdiel od kanálovej n GaN vrstvy je v oddeľovacej izolačnej GaN vrstve potrebné úmyselne zvýšiť alebo dodatočne zaviesť prítomnosť hlbokých akceptorových prímesí, ako je uhlík, železo, horčík alebo Ga vakancie, ktoré kompenzujú zvyškové donory. Takáto izolačná GaN vrstva sa preto niekedy označuje ako kváziizolačná (semi-insulating SI). Napríklad obsah uhlíka v oddeľovacej izolačnej GaN vrstve narastenej technikou MOCVD sa kontroluje špecifickým nastavením rastovej teploty, tlaku alebo prietoku pár. Kanálová n GaN vrstva býva prikrytá bariérovou AlGaN vrstvou hrubou okolo 20 až 50 nm a na rozhraní s kanálovou n GaN vrstvou vytvára dvojrozmerný elektrónový plyn (2DEG). Takto možno zabezpečiť vodivosť kanála bez narušenia pohyblivosti rozptylom na ionizovaných prímesiach. Aby sa zamedzila injekcia elektrónov z 2DEG a ich parazitný záchyt v hlbokých hladinách oddeľovacej izolačnej GaN vrstvy, je potrebné, aby kanálová n GaN vrstva mala dostatočnú hrúbku napríklad 100 nm. Injekcia elektrónov z kanálovej n GaN vrstvy a ich záchyt v oddeľovacej izolačnej GaN vrstve nastáva hlavne v oblasti, kde je najvyššia intenzita elektrického poľa, čo je pozdĺžna oblasťoddeľovacej izolačnej GaN vrstvy medzi elektródou hradia a elektródou kolektora. Pri záchyte elektrónov môže takto dôjsť k nežiaducemu vyprázdeniu kanálovej n GaN vrstvy pozdĺž celej takto vymedzenej oblasti elektrostatickým pôsobením zachyteného náboja. Následne kanálový prúd tranzistora klesá, čo sa nazýva efekt prúdového kolapsu, resp. dochádza k oneskorenému spínaniu tranzistora. Preto je návrh zloženia a dotácie GaN (hetero)štruktúry kľúčovým pre funkčnosť súčiastky.

Pri príprave súčiastky sa využívajú postupy plazmatického leptania, kontaktové systémy sa naparujú cez masku pripravenú fotolitografiou a vytvarované sú zdvihovou technikou „lift-off. Elektróda hradia býva izolovaná od polovodiča oxidovou, resp. dielektrickou izolačnou vrstvou, použitím štruktúry kov-oxid-polovodič (metal-oxide-semiconductor, MOS, metal-insulator-semiconductor, MIS). Vzdialenosť medzi elektródou hradia a elektródou kolektora sa volí dostatočne dlhá, napr. 10 mikrometrov tak, aby bola zabezpečená požadovaná prierazná pevnosť tranzistora.

Okrem záchytu elektrónov v oddeľovacej izolačnej GaN vrstve patrí medzi najčastejšie problémy štandardných plenárnych GaN tranzistorov analogický záchyt elektrónov na povrchových stavoch, nižšie prierazné napätie, ako je jeho teoretická hodnota, čo tiež súvisí so špecifickou geometriou planárnej súčiestky e s vlestnosťemi povrchových stevov, e tektiež zvýšený semoohrev spôsobený nízkym odvodom teple z povrchu súčiestky. Z uvedených dôvodov se eko elternetívne riešenie príprevy výkonových GeN súčiestok používe koncept vertikálneho trenzistore.

Vertikálny trenzistor se vyznečuje tým, že trensport náboje prebiehe vo vertikálnom smere e tým, že GeN štruktúre je sprevidle nerestená ne GeN substráte. Následne je možné minimelizoveť hustotu dislokácií v epitexnej štruktúre, nekoľko rest prebiehe bez pnutie ne rozhrení so substrátom, e tektiež je možné minimelizoveť povrchovú oblesť súčiestky, nekoľko elektróde kolektore je umiestnená ne opečnej strene substrátu, eko je umiestnená elektróde emitore. Tým možno eliminoveť prúdový koleps, zväčšiť prierezné nepätie súčiestky e tektiež vylepšiť odvod teple. Podľe M. Sun et.el., IEEE EDL 38, (2017) 509, unipolárny vertikálny trenzistor z polovodičov typu n zečíne vysoko dotovenou kontektovou n+ GeN vrstvou, nesledovenou driftovou n GeN vrstvou, kde donorová dotácie je okolo 10¹⁶ cm^-3 e hrúbke je niekoľko mikrometrov, čím je definovené prierezné nepätie trenzistore, kenálovou n GeN vrstvou s obdobnou koncentráciou donorov, čo definuje hodnotu prehového nepätie trenzistore, e vysoko dotovenou emitorovou n+ GeN vrstvou, pozri tektiež US 2015/0179772 Al, resp. US 2016/0308045 Al.

Prehové nepätie trenzistore (V_T) je hodnote nepätie ne elektróde hredle trenzistore, pri ktorom dochádze k preklopeniu stevu kenále (otvorený/zetvorený kenál) eko následok elektrostetického pôsobenie hredle. Ak je V_T > 0 V, pre kenál tvorený voľnými elektrónmi ide o obohecovecí typ trenzistore, ktorý je bez priloženého nepätie ne hredlovej elektróde zetvorený. Tekýto typ trenzistore je mimoriedne vhodný ne konštrukciu výkonových prevodníkov. V opečnom prípede ide o ochudobňovecí typ trenzistore. Čím väčšie je hustote donorových prímesí v kenáli, tým zápornejšie je hodnote V_T. Ne dosiehnutie obohecovecieho módu je tede potrebné nepríkled znížiť koncentráciu elebo vylúčiť prítomnosť donorov e/elebo znížiť hrúbku vyprázdňovenej oblesti kenále. Anelogická situácie nestáve ej pre kenál tvorený voľnými dieremi.

Typ polovodiče je dený polohou prímesových etómov v energetickej pásovej štruktúre polovodiče (S. M. Sze end Kwok K. Ng, Physics of Semiconductor Devices, Third Edition, Wiley 2007). Pokieľje energetická hledine prímesí v blízkosti vodivostného pásme (E_c) polovodiče, ionizovená prímes poskytuje voľné elektróny, Fermiho hledine (E_F) se posunie k vodivostnému pásmu e polovodič je typu n (n GeN). Neopek, ek energetická hledine prímesí je v blízkosti velenčného pásme (E_v), ionizáciou dochádze ku generácii voľných dier, E_F bude v blízkosti E_v e polovodič je typu p (p GeN). Koncentrácie voľných nosičov náboje v oboch prípedoch restie s koncentráciou prímesí e závisí od energetickej hlediny prímesí e teploty okolie. Pre nedotovený polovodič se E_f nechádze v okolí stredu energetickej medzery e generácie voľného náboje prebiehe výmenou náboje medzi velenčným e vodivostným pásmom. Tekáto tekzvená intrinzická koncentrácie voľných nosičov je podstetne nižšie eko v prípede dotovených polovodičoch. Následne, hlevne pre polovodiče s veľkou šírkou energetickej medzery, se nedotovený polovodič správe eko izolent. Izolečné vlestnosti e lokelizáciu E_F v okolí stredu energetickej medzery všek možno dosiehnuť ej pre špecifický pomer koncentrácií donorových (N_D) a ekceptorových (N_A) prímesí, respektíve defektov. V tekomto prípede dominuje výmene náboje medzi hledinemi ionizovených prímesí, čo podstetným spôsobom znižuje možnosťgenerácie voľných nosičov náboje e prímesí e defekty se nevzájom kompenzujú, t. j. nejde eni o polovodič typu n, eni o typ p. Tekto priprevený polovodič je izolent e niekedy se oznečuje ej eko kváziizolečný (semi-insuleting, SI). V prexi, v prípede GeN se zvyškové donory (nepríkled kyslík) kompenzujú nepríkled prímesemi uhlíke, ktorý vytváre ekceptorové hlediny. Energetická hledine uhlíke je všek približne 0,9 eV ned velenčným pásmom GeN, s čím je spojená dlhá česová konštente emisie náboje e spomenuté neželené perezitné efekty prúdového kolepsu e oneskoreného spínenie. Koncentrečný pomer ekceptorov e donorov Na/Nd určuje tekzvený kompenzečný pomer e ne dosiehnutie meximálnej eliminácie voľného náboje je potrebné vzieť do úvehy viecero fektorov, eko je nepríkled polohe ekceptorových e donorových hledín v energetickom diegreme e náboj ne týchto energetických hledinách. Nepríkled ne kompenzáciu GeN pomocou C pletí N_A/N_D > 1, e tede ne rest SI GeN je vo všeobecnosti potrebné použiť vysokú koncentráciu C. Unipolárne súčiestky sú teké, kde se ne trensport náboje používejú len elektróny elebo diery. Použitie len jedného typu polovodiče zjednodušuje návrh e príprevu GeN trenzistorov.

Doterez známe riešenie obohecovecích unipolárnych vertikálnych GeN trenzistorov mejú nesledujúce nedostetky e obmedzenie.

Vertikálne trenzistory podľe M. Sun et.el., EEE EDL 38, (2017) 509, e tektiež podľe US 2015/0179772 Al, resp. US 2016/0308045 Al sú unipolárne súčiestky s definovenou vodivosťou kenále typu n elebo p, s hustotou prímesí nejmenej 10¹³ cm^-3. Z uvedeného dôvodu, ne dosiehnutie obohecovecieho módu trenzistore, je potrebné znížiť hrúbku vyprázdňovenej oblesti kenále ne meximálne 10 mikrometrov, prekticky všek ež do submikrometrovej oblasti. To je možné len použitím zložitých postupov, ako je nanotvarovanie a elektrónová litografia. Taktiež, na dosiahnutie vyšších prúdov je potrebné využiť paralelnú kombináciu viacerých vertikálnych kanálov s prepojeniami medzi jednotlivými elektródami emitora, čo vyžaduje zvládnuť ďalšie náročné technologické postupy, ako sú samozákrytové kontakty a mostíkové prepojenia, pozri US 2015/0179772 A1 resp. US 2016/0308045 Al.

Podstata vynálezu

Nedostatky doterajších riešení odstraňuje vynález unipolárneho vertikálneho GaN tranzistora s izolačným GaN kanálom a kladným prahovým napätím. Obohacovací tranzistor takéhoto typu je rastený na vodivom GaN substráte a pozostáva odspodu z driftovej n GaN vrstvy, kanálovej izolačnej GaN vrstvy a vysoko dotovanej kontaktovej n⁺ GaN vrstvy. Izolačné vlastnosti kanálovej izolačnej GaN vrstvy sú dosiahnuté kompenzáciou zvyškových donorov GaN vrstvy úmyselným pridaním/navýšením koncentrácie hlbokej akceptorovej prímesi alebo defektov.

Podstatou vynálezu je vertikálny GaN tranzistor, ktorý pozostáva odspodu najmenej z:

(a) vodivého GaN substrátu; (b) driftovej n GaN vrstvy; (c) kanálovej izolačnej GaN vrstvy, ktorej zvyškové donory sú kompenzované prímesami alebo defektmi; (d) kontaktovej n⁺GaN vrstvy;

pričom elektróda emitora je umiestnená na vrchnej kontaktovej n⁺ GaN vrstve, elektróda kolektora je umiestnená odspodu na GaN substráte a elektróda hradia je umiestnená vertikálne pozdĺž kanálovej izolačnej GaN vrstvy a je oddelená od GaN polovodiča dielektrickou izolačnou vrstvou s väčšou šírkou energetickej medzery, ako je v GaN.

Zvyškové donory v kanálovej izolačnej GaN vrstve môžu byť kompenzované prímesami uhlíka (C), železa (Fe), horčíka (Mg) alebo vakanciami gália (Ga). Podľa ďalšieho aspektu je koncentrácia voľných elektrónov v kanálovej izolačnej GaN vrstve menšia alebo sa rovná 1 x 10¹¹ cm^-3.

Podstatou vynálezu je aj spôsob prípravy vertikálneho GaN tranzistora na vodivom GaN substráte, ktorý pozostáva odspodu najmenej z:

(a) vytvorenia driftovej n GaN vrstvy; (b) vytvorenia kanálovej izolačnej GaN vrstvy, ktorej zvyškové donory sú kompenzované prímesami alebo defektmi; (c) vytvorenia kontaktovej n⁺ GaN vrstvy;

a z vytvorenia elektródy emitora umiestnenej na vrchnej kontaktovej n⁺ GaN vrstve, elektródy kolektora umiestnenej odspodu na GaN substráte a elektródy hradia umiestnenej vertikálne pozdĺž kanálovej izolačnej GaN vrstvy oddelenej od GaN polovodiča dielektrickou izolačnou vrstvou s väčšou šírkou energetickej medzery, ako je v GaN.

Podľa ďalších uskutočnení zvyškové donory v kanálovej izolačnej GaN vrstve sú kompenzované prímesami C alebo prímesami Fe, alebo prímesami Mg.

Podľa ďalšieho aspektu je koncentrácia voľných elektrónov v kanálovej izolačnej GaN vrstve menšia alebo sa rovná 1 x 10¹¹ cm^-3.

Elektróda emitora je umiestnená na vrchnej kontaktovej n⁺ GaN vrstve, elektróda kolektora je privedená odspodu na substrát. Elektróda hradia je vytvorená vertikálne pozdĺž kanálovej izolačnej GaN vrstvy a je oddelená od GaN polovodiča dielektrickou izolačnou vrstvou s väčšou šírkou energetickej medzery, ako je v GaN. Izolačný charakter kanálovej GaN vrstvy zaručuje obohacovací modus tranzistora, a tak isto umožňuje masívnu konštrukciu tranzistora bez nutnosti nanotvarovania, paralelnej kombinácie viacerých kanálov a mostíkového prepojenia elektród emitora.

Použitie kanálovej izolačnej GaN vrstvy sa môže zdať ako kontraproduktívne a doteraz nebolo v GaN tranzistoroch nikdy použité, nakoľko hlboké akceptorové hladiny degradujú pohyblivosť elektrónov a spôsobujú ich záchyt, čo vedie k parazitným javom, ako je prúdový kolaps a oneskorené spínanie. V navrhnutom vertikálnom tranzistore je však na rozdiel od plenárnych tranzistorov oblasť medzi kanálovou izolačnou GaN vrstvou a elektródou kolektora tvorená výlučne polovodičom typu n, čo značne obmedzuje možnosti záchytu elektrónov. Navyše, v stave zopnutia, tesné spojenie kanálovej izolačnej GaN vrstvy s driftovou n GaN vrstvou spôsobí efektívne vytrhávanie elektrónov kolmým elektrickým poľom z kanálovej izolačnej GaN vrstvy. Vo všeobecnosti možno očakávať vysoké pohyblivosti vo vrstvách narastených na GaN substráte, čo môže byť čiastočne zhoršené len v prípade zvýšenej koncetrácie kompenzujúcich hladín. Pre prúdovú hustotu tranzistora s krátkym hradlom je však rozhodujúca saturačná rýchlosť elektrónov, čo je materiálový parameter GaN-u len čiastočne naviazaný na pohyblivosť elektrónov.

Prehľad obrázkov na výkresoch

Na obrázku 1 je znázornená schéma obohacovacieho vertikálneho GaN tranzistora s kanálovou izolačnou GaN vrstvou.

Na obrázku 2 je znázornené vymedzenie vzdialenosti medzi vertikálnymi stenami kanálovej izolačnej GaN vrstvy RlE leptaním mesa oblastí.

Na obrázku 3 je znázornené vytvorenie elektródy emitora použitím optickej litografie po RlE leptaní.

Na obrázku 4 je znázornené vytvorenie rezistovej masky elektródy hradia.

Na obrázku 5 je znázornený pohľad zhora na elektródu emitora a vyvedenie kontaktovacej plochy elektródy hradia.

Na obrázku 6 sú znázornené vypočítané výstupné charakteristiky vertikálneho GaN tranzistora na obrázku 1 so šírkou kanála 400 pm.

Na obrázku 7 je znázornený priebeh energetickej pásmovej štruktúry v kanálovej izolačnej GaN vrstve pozdĺž vzdialenosti od povrchu dielektrickej izolačnej vrstvy pre rôzne koncentrácie voľných elektrónov.

Na obrázku 8 je znázornený priebeh energetickej pásmovej štruktúry a koncentrácia voľných elektrónov v kanálovej izolačnej GaN vrstve pozdĺž vzdialenosti od povrchu dielektrickej izolačnej vrstvy pre rôzne predpätia na elektróde hradia.

Príklady uskutočnenia vynálezu

Na obrázku 1 je schéma obohacovacieho unipolárneho vertikálneho GaN tranzistora, ktorý pozostáva z vodivého GaN substrátu 1, dotovanej driftovej n GaN vrstvy 2, kanálovej izolačnej GaN vrstvy 3, dotovanej kontaktovej n⁺ GaN vrstvy 4, dielektrickej izolačnej vrstvy 5 a z elektródy 6 emitora, elektródy 7 kolektora a z elektródy 8 hradia. Vzdialenosť medzi vertikálnymi stenami kanálovej izolačnej GaN vrstvy 3, resp. kontaktovej n⁺ GaN vrstvy 4 sa označuje ako r.

Epitaxný rast GaN vrstiev je uskutočnený napríklad technikami MBE alebo depozíciou MOCVD na vodivý GaN substrát s povrchom pripraveným na epitaxný rast. V prípade MBE je GaN rastený pomocou dusíkovej plazmy alebo v prítomnosti amoniaku, v MOCVD sa ako prekurzory rastu použijú TMGa a NH₃, ako zdroj Si donorov v MOCVD sa používa silán. Typická hrúbka GaN substrátu je okolo 300 pm, odpor je menej ako 25 mOcm, orientácia substrátu zabezpečuje následný rast pozdĺž osi c. Samotný povrch GaN substrátu 1 je potrebné pred rastom zbaviť nečistôt a plynových častíc napríklad vyhriatím v rastovej komore na teplotu prevyšujúcu 1 000 °C. Nasleduje rast driftovej n GaN vstvy 2 dotovanej Si tak, aby koncentrácia voľných elektrónov n_d a hrúbka d_d spĺňali nerovnosti n_d< 2 V_BR ε/ q d_d ², kde VBr je požadovaná hodnota prierazného napätia kolektorovej elektródy a súčastne dd > VBR/Ecrit, kde Ecrit ~ 5 x 10⁶ V/cm je elektrická pevnosť GaN. Následne pre VBr ~ stovky až kilo V, n^je typicky v ráde 10¹⁶ cm^-3, maximálne však okolo 2 x 10¹⁷ cm^-3 a d_d je okolo 5 až 15 pm, minimálne však okolo 3 pm. Alternatívne, pre veľké hodnoty zvyškovej koncentrácie voľných elektrónov je dotáciu Si možné vynechať. Nasleduje rast kanálovej izolačnej GaN vrstvy 3. Hrúbka L kanálovej izolačnej GaN vrstvy 3 je napríklad 1 až 3 pm, na zvýšenie spínacej rýchlosti tranzistora sa však môže zvoliť L v submikrometrovej oblasti.

Ako posledná rastie kontaktová n⁺ GaN vrstva 4, ktorej Si dotácia môže byť v ráde 10¹⁸ cm^-3 a jej hrúbka je okolo 0,2 až 1 pm. Vymedzenie vzdialenosti medzi vertikálnymi stenami kanálovej izolačnej GaN vrstvy 3, resp. kontaktovej n⁺ GaN vrstvy 4 je dané leptaním mesa oblastí s charakteristickým rozmerom r, pozri obrázok 2. Leptanie prebieha použitím reaktívneho iónového leptania (RIE) cez rezistovú masku 9, napríklad v plynoch na báze SiCU- Pokiaľsa zvolí kruhová geometria elektródy 6 emitora a hrúbka dielektrickej izolačnej vrstvy 5 sa zanedbá (pozri obrázok 1), potom obvod kanála w = nr. Následne pre r ~ 130 pm sa dostáva w ~ 400 pm. Takéto rozmery je možné definovať pomocou bežnej optickej fotolitografie, bez nutnosti použitia elektrónovej litografie, resp. nanotvarovania. Okrem toho, dostatočne veľká plocha elektródy emitora 6 umožňuje priame kontaktovanie elektród bez nutnosti vyvedenia kontaktovacích plôch mimo oblasti mesa. Môže sa taktiež voliť obdĺžniková geometria elektródy emitora 6 s dĺžkami strán w a r. Hĺbka leptania mesa oblasti sa volí tak, aby sa dosiahla driftová vrstva 2, to značí do hĺbky okolo 1,5 až 4 pm podľa aktuálnej hrúbky vrstiev.

Po leptaní nasleduje samotné vytvorenie elektródy emitora 6 opätovným použitím optickej litografie, pozri obrázok 3. Rozmery elektródy emitora 6 musia zaručiť dostatočnú toleranciu proti okraju mesa oblastí a taktiež proti okraju nasledujúcej rezistovej masky 10 elektródy hradia, pozri obrázky 1, 3 a 4. Po naparení systému kovov ohmickej metalizácie (napr. Ti/AI/Ni/Au) a jeho tvarovaní technikou zdvihu sa použije krátke tepelné žíhanie pri teplote okolo 850 °C. Rast dielektrickej izolačnej vrstvy 5, ako je napríklad AI₂O₃, ZrO₂ alebo

HfO2 s hrúbkou okolo 5 nm až 20 nm, nasleduje po žíhaní ešte pred vytvorením rezistovej masky 10. Rast prebieha na celej ploche súčiastky napríklad technikou konformného nanášania po atómových úrovniach (ALD). Dielektrická izolačná vrstva 5 má väčšiu šírku energetickej medzery, ako je v GaN tak, aby bolo možné potlačiť zvodové prúdy cez elektródu 8 hradia aj pri kladných hodnotách napätia V_G na hradle. Po vytvorení rezistovej masky 10 zobrazenej na obrázku 4 nasleduje nanášanie kovov na vertikálne steny kanálovej izolačnej GaN vrstvy 3, s určitým prekrytím na susednú driftovú n GaN vrstvu 2 a kontaktovú n⁺ GaN vrstvu 4. Kovy, ako napríklad Ni, Au, alebo vodivé oxidy možno nanášať naprašovaním, naparovaním z elektrónového dela pod uhlom, elektroplátovaním alebo pomocou ALD. Kontaktovacie plochy elektródy 8 hradia sa môžu vyviesť mimo oblasti definovanej mesa oblasťou, pozri obrázok 5. Po vytvorení spodnej elektródy 7 kolektora je možné naniesť ďalšiu kontaktovaciu metalizáciu na vyhradené plochy všetkých elektród, resp. súčiastku pasivovať nanesením napríklad ochrannej SÍ3N4 vrstvy.

Príklad 1

Podľa prvého príkladu uskutočnenia vynálezu sú zvyškové donory v kanálovej izolačnej GaN vrstve 3 kompenzované pridaním alebo navýšením koncentrácie C. Pri použití MBE sa C dodáva z externého zdroja, čo môže byť napríklad iónové delo. Pri použití MOCVD na rast izolačného GaN je taktiež možné použiť externý zdroj C vo forme organického prekurzora, toto však nie je bezpodmienečne nutné, nakoľko C sa inherentne nachádza v samotných organometalických prekurzoroch GaN rastu, ako je napríklad TMGa. Je však potrebné nastaviť parametre MOCVD tak, aby koncentrácia C prevyšovala bežné hodnoty zvyškovej koncentrácie C v neúmyselne dotovaných n GaN vrstvách. V praxi je možné napríklad znížiť teplotu rastu o vyše 100 °C z optimálnej teploty rastu GaN vrstvy, napríklad na 900 °C z 1080 °C a/alebo znížiť až niekoľkonásobne tlak od optimálnej hodnoty, eventuálne znížiť prietok NH₃ alebo zvýšiť prietok TMGa. Ako nosné plyny sa používajú N₂, H₂ alebo ich zmes; vyššie koncentrácie C sa dajú dosiahnuť zvýšením prietoku H₂. Takto je možné zvýšiť koncentráciu C zo zvyškovej úrovne neúmyselnej dotácie, napríklad z rádovo 10¹⁶ cm^-3 na 10¹⁸ cm^-3.

Príklad 2

Podľa druhého príkladu uskutočnenia vynálezu sú zvyškové donory v kanálovej izolačnej GaN vrstve 3 kompenzované pridaním prímesi Fe. Fe je možné dodávať z externého zdroja alebo prekurzora.

Príklad 3

Podľa tretieho príkladu uskutočnenia vynálezu sú zvyškové donory v kanálovej izolačnej GaN vrstve 3 kompenzované pridaním prímesi Mg. Mg je možné dodávať z externého zdroja alebo prekurzora.

Príklad 4

Podľa štvrtého príkladu uskutočnenia vynálezu sú zvyškové donory v kanálovej izolačnej GaN vrstve 3 kompenzované navýšením koncentrácie Ga vakancií. Koncentráciu týchto defektov je možné navýšiť napríklad zvýšením V/lll molárneho pomeru počas rastu.

Nasledujúci opis činnosti tranzistora opísaného v tejto patentovej prihláške je založený na analytickom modeli opísanom v Lee K et.al., IEEE Transactions on Electron Devices, vol. ED-30, strana 207-212, 1983, a v Curtice W R, IEEE Transactions on Microwave Theory and Technology vol. 28, strana 448, 1980, ktorý je tu modifikovaný na výpočet prúdu v MOS FET tranzistore s kanálovou izolačnou GaN vrstvou 3. Následne pre Vyplatí:

ν_τ=Φ_Βοχ-ΔΕ_Ε(1), kde Φβοχ je výška Schottkyho bariéry kovovej elektródy 8 hradia na oxidovej, resp. dielektrickej izolačnej vrstve 5 a AE_cje nespojitosť pásov na rozhraní oxid/GaN.

Saturačný prúd medzi elektródou 6 emitora a elektródou 7 kolektora /_sot je daný ako

Isat = (6V_S ² (1 +26RsV'g + V'G² /W)^1/2 — (1 + 6RsV'g)) /(1-6²Rs² Vs²)(2), kde R_sje parazitný odpor emitorovej oblasti a

V'g=V_g-V_t(3), = ν₅ί/μ(4), β=εμ\Λ>/ά_Εο^(5), kde L je dĺžka kanála, ktorá sa rovná hrúbke kanálovej izolačnej GaN vrstvy 3, ε je permitivita kanálovej izolačnej GaN vrstvy 3, dEorje ekvivalentná hrúbka dielektrickej (oxidovej) izolačnej vrstvy 5 vzhľadom na ε a w je šírka, respektíve obvod kanála daný tretím rozmerom v smere kolmom na zobrazený prierez. Na výpočet závislosti kolektorového prúdu (l_Ds) od kolektorového napätia (V_Ds) sa použije heuristická závislosť:

los = Isat (1 + ÁVds) tanh(qVos) (6), kde η sa počíta ako:

η = (ημ n_si/L) /(l_sat (1+(R_S + Rd)( q^n_si/L))) (7), pričom n_Si = ε (V_G-lsat Rs~V_T)/qdEOT (8), kde q je náboj elektróna, R_D je parazitný odpor kolektorovej oblasti a λ je parameter výstupnej vodivosti. Efekty samoohrevu nie sú zahrnuté v modeli.

Výpočet výstupných prúdov tranzistora sa kombinuje s výpočtom pásmovej energetickej štruktúry tranzistora riešením Poisson-Schrodingerovej rovnice podľa Tan I H et.al., J. Appl. Phys. vol. 68, strana 4071. 1990.

Na obrázku 6 je ukázaná simulácia výstupných charakteristík obohacovacieho tranzistora, ktorého schéma je na obrázku 1. Výpočet predpokladá L =1 pm, w = 400 pm, R_s = 1 Ω, R_o = 10 Ω, p = 1 000 cm²/Vs. Vyššia hodnota RD reflektuje požiadavku na vysoké prierazné napätie tranzistora (stovky až rádovo kV), čo definuje hornú hranicu koncentrácie voľných nosičov a minimálnu hrúbku driftovej n GaN vrstvy 2. Uvažuje sa použitie 10 nm hrubej dielektrickej izolačnej vrstvy 5 na báze AI2O3 s relatívnou permitivitou 9, ΦβΟχ = 3,2 eV, AEC = 2 eV. Dosiahnuteľné prúdy až 550 mA pri Vs = 4 V poukazujú na vhodnosť tranzistora na výkonové aplikácie. Výhoda izolačného charakteru kanálovej izolačnej GaN vrstvy 3 je navyše tá, že umožňuje robostnú konštrukciu hornej elektródy 6 emitora bez zníženia hodnoty VT. Na obrázku 7 je zobrazený priebeh energetickej pásmovej štruktúry v kanáli tranzistora pozdĺž vzdialenosti r, začínajúc od povrchu dielektrickej izolačnej vrstvy 5. Výpočet je ukázaný pre rôzne hodnoty koncentrácie voľných elektrónov v kanálovej vrstve (nch), uvažuje sa vyprázdňovanie len z jednej strany kanála. Pre nch = 1 x 10¹⁴ cm^-3 dochádza k zakriveniu pásovej štruktúry už vo vzdialenosti okolo 200 nm od povrchu a k úplnému presunu vodivostného pásu k Fermiho hladine vo vzdialenosti menej ako 3 pm. Evidentne, pre neúmyselne dotovanú n GaN vrstvu, ktorej typické hodnoty zvyškovej koncentrácie elektrónov sú v ráde 10¹⁵ až 10¹⁶ cm^-3, na zabezpečenie kladného VT a nízkych zvodových prúdov je potrebné, aby r < 1 pm. Na druhej strane, pre napríklad uhlíkom dotovanú kanálovú izolačnú GaN vrstvu 3, kde n_Ch = 1 x 10¹¹ cm^-3, k presunu vodivostného pásma dochádza až pre r > 70 pm. Takúto hodnotu n_Ch je v GaN možné dosiahnuť len úmyselnou akceptorovou dotáciou a kompenzáciou zvyškových donorov. Na vysvetlenie obohacovacieho módu takto pripraveného tranzistora sa ukazuje na obrázku 8 pásový energetický diagram a generácia voľných elektrónov v kanálovej izolačnej GaN vrstve 3 aplikáciou kladného predpätia V_G na elektróde 8 hradia. Pre V_G = 1 V, čo je menej ako V_T, dochádza v vertikálnemu posunu pásov bez generácie voľných nosičov. Naopak, pre V_G = 3.5 V sa v tranzistore vytvorí vodivý kanál s n_Ch > 2 x 10¹⁹cm^-3, ktorého integrovaná plošná hustota je okolo 9 x 10¹⁶ m^-2.

Z uvedeného opisu činnosti vyplýva, že vynájdený vertikálny GaN tranzitor na obrázku 1 umožňuje robustnú geometriu s r ~ 130 pm bez použitia zložitých nanotechnológií a činnosť v obohacovacom móde.

Priemyselná využiteľnosť

Výkonové obohacovacie tranzistory s izolačnou GaN kanálovou vrstvou nájdu uplatnenie vo vysoko účinných prevodníkoch elektrického výkonu. Uplatnenie nájdu v generácii a rozvode elektrickej energie, ale aj v napájacích a pohonných jednotkách elektromobilov.

Claims

1. Vertikálny GaN tranzistor s izolačným kanálom, vyznačujúci sa tým, že pozostáva odspodu najmenej z a) vodivého GaN substrátu (1); b) driftovej n GaN vrstvy (2) vytvorenej na vodivom GaN substráte (1); c) kanálovej izolačnej GaN vrstvy (3) vytvorenej na driftovej n GaN vrstve (2), ktorej zvyškové donory sú kompezované prímesami alebo defektmi; d) kontaktovej n⁺ GaN vrstvy (4) vytvorenej na kanálovej izolačnej GaN vrstve (3); pričom elektróda (6) emitora je umiestnená zhora na kontaktovej n⁺ GaN vrstve (4), elektróda (7) kolektora je umiestnená odspodu na GaN substráte (1) a elektróda (8) hradia je umiestnená vertikálne pozdĺž kanálovej izolačnej GaN vrstvy (3) a je oddelená pozdĺž celej jej dĺžky od kontaktovej n⁺ GaN vrstvy (4), kanálovej izolačnej GaN vrstvy (3) a driftovej n GaN vrstvy (2) dielektrickou izolačnou vrstvou (5) s väčšou šírkou energetickej medzery, ako je v GaN.

2. Vertikálny GaN tranzistor s izolačným kanálom podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že zvyškové donory v kanálovej izolačnej GaN vrstve (3) sú kompenzované prímesami uhlíka.

3. Vertikálny GaN tranzistor s izolačným kanálom podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že zvyškové donory v kanálovej izolačnej GaN vrstve (3) sú kompenzované prímesami železa.

4. Vertikálny GaN tranzistor s izolačným kanálom podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že zvyškové donory v kanálovej izolačnej GaN vrstve (3) sú kompenzované prímesami horčíka.

5. Vertikálny GaN tranzistor s izolačným kanálom podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že zvyškové donory v kanálovej izolačnej GaN vrstve (3) sú kompenzované vakanciami gália.

6. Vertikálny GaN tranzistor s izolačným kanálom podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že zvyškové donory v kanálovej izolačnej GaN vrstve (3) sú kompenzované a koncentrácia voľných elektrónov v kanálovej izolačnej GaN vrstve je menšia alebo sa rovná 10¹¹ cm^-3.

7. Spôsob prípravy vertikálneho GaN tranzistora s izolačným kanálom, vyznačujúci sa tým, že pozostáva postupne z týchto krokov: (a) vytvorí sa driftová n GaN vrstva (2) narastením na vodivom GaN substráte (1); (b) vytvorí sa kanálová izolačná GaN vrstva (3), ktorej zvyškové donory sú kompezované prímesami alebo defektmi narastením po vytvorení driftovej n GaN vrstvy (2); (c) vytvorí sa kontaktová n⁺GaN vrstva (4) narastením po vytvorení kanálovej izolačnej GaN vrstvy (3); a následne sa vytvorí elektróda (6) emitora umiestnená zhora na vytvorenej kontaktovej n⁺GaN vrstve (4), elektródy (7) kolektora umiestnenej odspodu na GaN substráte (1) a elektródy (8) hradia umiestnenej vertikálne pozdĺž vytvorenej kanálovej izolačnej GaN vrstvy (3) oddelenej pozdĺž celej jej dĺžky od kontaktovej n⁺ GaN vrstvy (4), kanálovej izolačnej GaN vrstvy (3) a driftovej n GaN vrstvy (2) dielektrickou izolačnou vrstvou (5) s väčšou šírkou energetickej medzery, ako je v GaN.

8. Spôsob prípravy vertikálneho GaN tranzistora s izolačným kanálom podľa nároku 7, vyznačujúci sa tým, že zvyškové donory v kanálovej izolačnej GaN vrstve (3) sa kompenzujú prímesami uhlíka.

9. Spôsob prípravy vertikálneho GaN tranzistora s izolačným kanálom podľa nároku 7, vyznačujúci sa tým, že zvyškové donory v kanálovej izolačnej GaN vrstve (3) sa kompenzujú prímesami železa.

10. Spôsob prípravy vertikálneho GaN tranzistora s izolačným kanálom podľa nároku 7, vyznačujúci sa tým, že zvyškové donory v kanálovej izolačnej GaN vrstve (3) sa kompenzujú prímesami horčíka.

11. Spôsob prípravy vertikálneho GaN tranzistora s izolačným kanálom podľa nároku 7, vyznačujúci sa tým, že zvyškové donory v kanálovej izolačnej GaN vrstve (3) sa kompenzujú, pričom koncentrácia voľných elektrónov v kanálovej izolačnej GaN vrstve (3) je menšia alebo sa rovná 10¹¹ cm^-3.