Optimisation de la densité électronique 2-D dans les pHEMT à l'aide de la spectrométrie de masse à ions secondaires

Whitepaper

Wei Ou, Temel Buyuklimanli et Charles Magee

INTRODUCTION

Dans un FET à hétérostructure (HFET), une interface à hétérojonction entre une couche donneuse de n-AlGaAs et une couche non dopée en InGaAs entraîne une modification des bandes de conduction et de valence à l'interface, créant ainsi un potentiel important dans lequel les électrons donneurs peuvent résider sous un front condition de biais de porte. La profondeur de ce puits est déterminée par la composition exacte des deux hétéro-matériaux de part et d'autre de l'interface. L'injection d'électrons de la couche d'AlGaAs dans la couche d'InGaAs a pour résultat que les électrons sont séparés des ions donneurs de Si et confinés dans une couche mince dans l'InGaAs près de l'interface. Ce mince plan d'électrons est très mobile et forme une couche de gaz électronique à deux dimensions (2DEG) permettant la transconductance du courant entre la source et le drain du dispositif.

Typiquement, pour aider à séparer les électrons des ions donneurs (ce qui améliore la mobilité des électrons due à une diffusion réduite), le cultivateur incorpore typiquement une couche très mince "espaceur" en AlGaAs ou GaAs entre les atomes donneurs de Si (présente sous la forme d'une pointe de dopage delta AlGaAs) et la région du canal InGaAs. Les producteurs de PHEMT ciblent généralement certaines densités de mobilité et de charge des électrons, ce qui peut être obtenu, respectivement, par l'épaisseur de la couche d'espacement et la concentration de dopage.

Il faut toutefois être prudent, car une épaisseur de couche d'espacement trop importante diminuera le nombre d'électrons capables de passer de leurs atomes donneurs à l'interface de l'hétérostructure et dans le canal InGaAs, réduisant ainsi la densité de charge dans le 2DEG. Une couche d'espacement plus mince ne séparera pas suffisamment les électrons des atomes donneurs et une diffusion accrue des électrons à partir de ces atomes donneurs entraînera une diminution de la mobilité électronique. Cependant, il en résulterait une augmentation de la densité de charge.

De même, le producteur doit être prudent dans la croissance des épis de deltadoping Si. Un niveau de dopage trop faible entraînera une diminution de la densité électronique dans la couche 2DEG, alors qu'un niveau de dopage trop élevé entraînera une diffusion accrue des électrons donneurs de Si, ce qui, comme mentionné ci-dessus, entraînera une diminution de la mobilité électronique. Le producteur a donc un «acte d'équilibrage» à jouer dans la fabrication de ces structures. Voir la figure 1.

Figure 1. “Acte d'équilibrage” que le producteur de pHEMT doit effectuer

Figure 1. “Acte d'équilibrage” que le producteur de pHEMT doit effectuer

Il peut être difficile d’atteindre l’épaisseur de l’espaceur car il est difficile de maîtriser les méthodes généralement utilisées pour fabriquer des pHEMT. Parce que la couche d'espacement (25 - 40 Å) est très fine, de courtes durées de croissance sont nécessaires. De plus, elles se produisent entre l'actionnement critique des obturateurs et les vannes qui interrompent la croissance des éléments de la matrice, ainsi que l'allumage et l'extinction. le dopant. Les baisses de flux ultérieures dépendent des conditions de la cellule telles que la géométrie, la température, les temps de pause, le débit de gaz vecteur, etc., qui sont toutes difficiles à caractériser.

Au final, le PCOR-SIMSSM profile peut fournir les informations nécessaires au producteur / concepteur en ce qui concerne les niveaux de dopage et les épaisseurs de la couche d'espacement qui sont réellement atteints lors d'une phase de croissance. Cela aide le producteur à savoir où il se situe exactement par rapport aux valeurs ciblées.

DISCUSSION

Crucial au succès à utiliser SIMS pour cette application est sa capacité à déterminer avec précision:

  • Composition du matériau III-V (pour l'optimisation de la bande d'énergie)
  • Densité de dopage
  • Épaisseur de la couche d'espacement

Le grand nombre de combinaisons de matériaux des groupes III et V qui sont couramment utilisées dans les dispositifs III-V modernes crée de graves problèmes pour le SIMS dans la réalisation de ces exigences. Un grand nombre de normes sont nécessaires pour obtenir une précision quantitative et de nombreuses techniques de support doivent être utilisées pour confirmer les résultats du SIMS. Les efforts de l’EAG pour ce domaine très difficile de l’analyse des matériaux sont pris en charge par SIMS corrigé point par point (PCOR-SIMS).SM).

PCOR-SIMSSM mesure avec précision la densité surfacique des pointes de dopage en Si et détermine avec précision les épaisseurs de couche en tenant compte de la modification de la sensibilité du Si SIMS et du taux de pulvérisation cathodique avec la composition en AlGaAs et InGaAs.

Figure 2. Profil PCOR-SIMSSM de routine de la région de canal d'un périphérique pHEMT AlGaAs / InGaAs.

Figure 2. Routine PCOR-SIMSSM profil de la région de canal d’un dispositif pHEMT AlGaAs / InGaAs.

La figure 2 démontre l'utilité de PCOR-SIMSSM pour optimiser la région de canal d'un appareil pHEMT dans lequel réside le 2DEG. Ce dispositif particulier est un FET à double hétérostructure (DH) où le canal conducteur (InGaAs dans cet exemple) est délimité des deux côtés par des couches de confinement en AlGaAs, le dopage étant alimenté par deux couches de dopage planaires en Si, une de chaque côté du canal. Le confinement a pour effet d’augmenter la vitesse effective de la porteuse dans le canal. La complication consiste alors à gérer simultanément le transfert de charge des deux côtés du canal. En fait, la contribution effective à la charge de chaque côté est fonction de l’entretoise et de la dose de Si. Le taux de contribution ultime n'est pas nécessairement identique à la concentration atomique nominale en dopant (Si). De plus, le comportement n'est pas linéaire sur la gamme de doses de dopage généralement utilisée. La question se complique davantage lorsqu'une configuration asymétrique est utilisée; à savoir lorsque les épaisseurs des entretoises ne sont pas les mêmes. La résolution en profondeur de l'analyse révèle également les couches d'espacement, même si elles sont aussi fines que 35Å. Les différences de taux de pulvérisation entre AlGaAs, InGaAs et GaAs sont corrigées à chaque point. Cela est nécessaire pour les structures pHEMT pour une évaluation précise de la couche d'espacement, ce qui correspond à l'épaisseur de la couche d'AlGaAs entre la couche enrichie en Si et le début de la couche en InGaAs (c'est-à-dire une demi-élévation du profil In). En utilisant les profils Si, les couches d'AlGaAs allant de quelques dizaines à quelques centaines d'Angströms peuvent être segmentées avec précision entre la couche supérieure en AlGaAs et la couche d'espacement inférieure. D'autres techniques analytiques peuvent identifier l'épaisseur totale de la couche d'AlGaAs, mais SIMS est le seul à pouvoir diviser sans ambiguïté cette couche en ses deux moitiés.

Figure 3. Relation entre l'épaisseur de la couche d'espacement (telle que mesurée par PCOR-SIMSSM) et la mobilité électronique.

Figure 3. Relation entre l'épaisseur de la couche d'espacement (mesurée par PCOR-SIMSSM) et la mobilité électronique.

La figure 3 démontre la capacité de PCOR-SIMSSM mesurer l'épaisseur de la couche d'espacement avec une précision suffisante pour établir la relation quantitative entre l'épaisseur de la couche d'espacement et la mobilité des électrons. Comme indiqué dans l'introduction, la mobilité dépend de l'épaisseur de la couche d'espacement (ainsi que d'autres facteurs). Nous souhaitons montrer que, les autres variables de structure demeurant inchangées, SIMS peut mesurer un changement d'épaisseur de la couche d'espacement qui serait compatible avec un changement mesuré de mobilité. La séparation physique entre l'ion donneur de Si et l'électron empêche la diffusion non coulée indésirable, ce qui entraîne des vitesses e élevées dans la couche active (et donc une mobilité électronique accrue. Des exemples de profils de profondeur SIMS de deux de ces échantillons sont illustrés à la figure 4.

Figure 4. Profils PCOR-SIMSSM de la région active de deux des échantillons de l'étude Spacer Layer présentée à la figure 3. Les épaisseurs mesurées des couches d'espacement des deux structures sont indiquées sur la figure.

Figure 4. PCOR-SIMSSM profils de la région active de deux des échantillons de l'étude Spacer Layer présentée à la figure 3. Les épaisseurs mesurées des couches d'espacement des deux structures sont indiquées sur la figure.

Une relation similaire peut être observée sur la figure 5 entre la quantité de densité de charge en électrons dans la couche active de pHEMT (InGaAs) et la densité surfacique des donneurs de Si dans la couche dopée en Si delta. Lors de l'application d'une polarisation directe au niveau de l'électrode de grille, la quantité d'électrons pouvant charger le transfert des atomes donneurs vers la couche active (InGaAs) dépend de la quantité d'atomes donneurs de Si présents dans la couche dopée Si Si.

En plus de ces exemples d'utilisation de PCOR-SIMSSM pour le développement de processus, PCOR-SIMSSM peut également être utilisé pour l’analyse de défaillance des pHEMT. La figure 6 montre PCOR-SIMSSM profils dans la région active d’un «bon» et d’un «pauvre» pHEMT. Pour ces deux structures PHEMT, notez la différence de concentration maximale de Si dans la couche supérieure dopée Si. La diffusion apparente accrue de la pointe de Si supérieure vers la surface peut être le résultat d'une température de croissance trop élevée ou d'une désactivation imparfaite de la source de dopant pour le dopage delta supérieur (mais très probablement les deux). Toujours sur la figure 6, notez la diffusion de la pointe de dopage Si loin de la région du canal InGaAs. Cela réduit le nombre d'atomes donneurs résidant suffisamment près du décalage de bande de conduction (interface AlGaAs / InGaAs) pour permettre à un nombre suffisant d'électrons de se creuser un tunnel dans la région du canal, ce qui entraîne une dégradation des performances du dispositif, car il faudra plus de Si atomique pour atteindre le même niveau. besoin de charge mais cela n’est pas souhaitable en raison d’une diffusion accrue des électrons. Il est également possible qu'une distribution plus large de Si delta puisse réduire la tension de claquage.

Figure 5. Relation entre la densité totale en Si dans les pointes deltadopées (mesurée par PCOR-SIMSSM) et la densité de charge de la couche active pour un espaceur mince (courbe rouge) et pour un espaceur épais (courbe verte).

Figure 5. Relation entre la densité totale de Si areal dans les pointes deltadopées (mesurée par PCOR-SIMSSM) et la densité de charge de la couche active pour un espaceur mince (courbe rouge) et pour un espaceur épais (courbe verte).

Fig. 6. Profils SIMS de routine de la composition élémentaire du groupe III et des pics de dopage Si pour les bons et les mauvais dispositifs HEMT.

Fig. 6. Profils SIMS de routine de la composition élémentaire du groupe III et des pics de dopage Si pour les bons et les mauvais dispositifs HEMT.

CONCLUSION

En conclusion, nous avons montré comment PCOR-SIMSSM peut être utilisé par le producteur de structures de transistors à grande vitesse III-V en aidant à optimiser le compromis «d'équilibrage» des caractéristiques structurelles qui déterminent la mobilité et la densité de changement d'électrons dans la région du canal, ou qui affectent les performances du dispositif. Malgré l’accessibilité de certaines techniques puissantes pour le cultivateur, l’évaluation du dispositif à proximité de la région du canal, à savoir la région interfaciale, est meilleure et plus factuellement évaluée par SIMS. Cela permet au producteur de déterminer exactement ce qui cause les observables par d'autres moyens de test.

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