二次イオン質量分析を用いたpHEMTにおける2 ‐ D電子密度の最適化

白書

Wei Ou、Temel Buyuklimanli、Charles Magee

はじめに

ヘテロ構造FET(HFET)において、n − AlGaAsドナー層とアンドープInGaAs層との間のヘテロ接合界面は、界面で伝導帯および価電子帯の変化をもたらし、それによってドナー電子が順方向下に存在し得る鋭いポテンシャル井戸が生じる。ゲートバイアス条件 このウェルの深さは、界面の両側にある2つのヘテロ材料の正確な組成によって決まります。 AlGaAs層からInGaAs層への電子の注入は、Siドナーイオンから分離され、界面近くのInGaAs内の薄い層に閉じ込められる電子をもたらす。 この薄い電子平面は移動性が高く、デバイスのソースとドレインとの間の電流の相互コンダクタンスのための二次元電子ガス(X NUM X DEG)層を形成する。

典型的には、電子をドナーイオンから分離するのを助けるため(これは散乱の減少により電子移動度を向上させる)、成長者は典型的にはSiドナー原子間に非常に薄いAlGaAsまたはGaAs「スペーサー」層を組み込む。 AlGaAs)とInGaAsチャネル領域。 PHEMT成長装置は、通常、それぞれスペーサ層の厚さおよびドーピング濃度によって達成することができる、特定の電子移動度および電荷密度を目標とする。

しかし、スペーサ層の厚さが大きすぎると、それらのドナー原子からヘテロ構造界面を横切ってInGaAsチャネルへとトンネリングすることができる電子の数が減少し、したがってXNUMXDEG内の電荷密度が減少するので注意が必要である。 より薄いスペーサ層は電子をドナー原子から十分に分離しないであろうし、そしてこれらのドナー原子からの電子の散乱の増加は電子移動度の減少をもたらすであろう。 しかしながら、電荷密度が増加するであろう。

同様に、栽培者はSiデルタドーピングスパイクの成長には注意が必要です。 ドーピングレベルが低すぎるとXNUMXDEG層中の電子密度が低下することになり、一方、ドーピングレベルが高すぎるとSiドナー原子からの電子散乱が増加することになり、これは上述のように電子移動度の低下をもたらす。 それで、栽培者はこれらの構造を製造する際に実行するための「バランスをとる行為」を持ちます。 図2を参照してください。

図1 pHEMT栽培者が実行しなければならない「バランス調整法」

図1 pHEMT栽培者が実行しなければならない「バランス調整法」

さらに複雑になるのは、pHEMTを製造するのに通常使用される方法は制御が困難である可能性があるため、目標とするスペーサの厚さに達することが困難であり得ることである。 スペーサー層(25 - 40Å)は非常に薄いので、短い成長期間が必要であり、さらに、それらはマトリックス要素の成長を一時停止しているのと同様にシャッターとバルブの重要な作動の間にも発生します。ドーパント その後のフラックス減衰は、形状、温度、休止時間、キャリアガスフローなどのセル条件に依存しますが、これらはすべて評価が困難です。

最終的には、PCOR-SIMSSM プロファイルは、成長過程で実際に達成されるドーピングレベルとスペーサ層の厚さに関して、生産者/設計者が必要とする情報を提供することができます。 これは事実上、栽培者が自分が目標値を基準にしてどこに立っているのかを知るのに役立ちます。

考察

使用時の成功に不可欠 SIMS このアプリケーションのために正確に決定する能力です:

  • III-V族材料組成(エネルギーバンド最適化用)
  • ドーピング密度
  • スペーサ層厚

現代のIII − V族装置に一般的に使用されているIII族およびV族材料の膨大な数の組み合わせは、これらの要求を達成する上でSIMSにとって深刻な問題を引き起こす。 定量的精度を達成するためには多数の標準が必要であり、SIMSの結果を確認するためには多くの補助的な技術を使用する必要があります。 この非常に困難な分野の材料分析に対するEAGの取り組みは、ポイントバイポイント補正SIMS(PCOR-SIMS)によって達成されます。SM).

PCOR-SIMSSM AlGaAsとInGaAsの組成によるSiのSIMS感度とスパッタリング速度の変化を考慮して、Siドーピングスパイクの面密度を正確に測定し、層の厚さを正確に決定します。

図2 AlGaAs / InGaAs pHEMTデバイスのチャネル領域の通常のPCOR ‐ SIMSSMプロファイル

図2 ルーチンPCOR-SIMSSM AlGaAs / InGaAs pHEMTデバイスのチャネル領域のプロファイル

図2はPCOR-SIMSの有用性を示していますSM 2DEGが存在するpHEMTデバイスのチャネル領域を最適化します。 この特定のデバイスは、導電チャネル(この例ではInGaAs)がAlGaAs閉じ込め層によって両側で境界を定められており、ドーピングがチャネルの両側にある2つのSiプレーナドーピング層から供給されるダブルヘテロ構造(DH)FETである。 閉じ込めの効果は、チャネル内の実効搬送波速度を上げることです。 その場合の複雑さは、チャネルの両側からの電荷転送を同時に管理することです。 実際、両側からの電荷への効果的な寄与は、スペーサーとSiドーズの関数です。 最終寄与率は、ドーパント(Si)の公称原子濃度と必ずしも同じではない。 さらに、その挙動は、一般に使用されるドーピング量の範囲にわたって線形ではない。 非対称構成を使用すると、問題はさらに複雑になります。 つまり、スペーサーの厚さが同じではない場合です。 分析の深さ分解能は、たとえそれらがXNUMXÅと同じくらい薄いとしても、スペーサ層を明らかにする。 AlGaAs、InGaAsおよびGaAs間のスパッタ率の差は各点で補正される。 これは、スペーサ層を正確に評価するためのpHEMT構造にとって必要であり、これは、Siスパイク層とInGaAs層の始まりとの間のAlGaAs層の厚さ(すなわち、Inプロファイルの半分の上昇)に対応する。 Siプロファイルを利用することによって、数十オングストロームから数百オングストロームの範囲のAlGaAs層を、上部AlGaAs層と下部スペーサ層との間で正確に分割することができる。 他の分析技術は、AlGaAs層の全厚を識別することができるが、SIMSは、この層を明確にその2つの半分に分割することができるという点でユニークである。

図3 スペーサ層の厚さ(PCOR-SIMSSMで測定)と電子移動度の関係

図3 スペーサ層の厚さの関係(PCOR-SIMSで測定)SM)および電子移動度。

図3はPCOR-SIMSの能力を示していますSM スペーサ層の厚さと電子移動度との間の定量的関係を確立するのに十分な精度でスペーサ層の厚さを測定すること。 導入部で述べたように、移動度はスペーサ層の厚さ(および他のもの)に依存する。 他の構造変数が変わらずに、SIMSが移動度の測定された変化と一致するであろうスペーサ層の厚さの変化を測定できることを示すことを望む。 Siドナーイオンと電子との間の物理的分離は、活性層内での高いe速度(ひいてはより高い電子移動度)をもたらす望ましくないクーロン散乱を防止する。これら2つのサンプルからのSIMS深さプロファイルの例を図XNUMXに示す。

図4 図3に示すスペーサー層研究からの2つのサンプルの活性領域のPCOR-SIMSSMプロファイル。 2つの構造のスペーサ層の測定された厚さが図に示されている。

図4 PCOR-SIMSSM 図3に示すスペーサー層研究からのサンプルのうちの2つのサンプルの活性領域のプロファイル。 2つの構造のスペーサ層の測定された厚さが図に示されている。

pHEMT活性層(InGaAs)内の電子電荷密度の量とSiデルタドープ層内のSiドナーの面密度との間に同様の関係が図XNUMXに見られる。 ゲート電極に順方向バイアスを印加している間、ドナー原子から(InGaAs)活性層への電荷移動が可能な電子の量は、Siデルタドープ層に存在するSiドナー原子の量に依存する。

これらのPCOR-SIMSの使用例に加えてSM プロセス開発用、PCOR-SIMSSM pHEMTの故障解析にも使用できます。 図6はPCOR-SIMSを示していますSM 「良い」および「悪い」pHEMTの活性領域におけるプロファイル。 これら2つのPHEMT構造について、上部のSiデルタドープ層のピークSi濃度の違いに注意してください。 表面への上部Siスパイクの増大した見かけの拡散は、高すぎる成長温度または上部デルタドーピングのためのドーパント源の不完全なスイッチオフのいずれかの結果であり得る(しかし両方とも)。 また、図6では、InGaAsチャネル領域から離れたSiドーピングスパイクの拡散に注目してください。 これにより、伝導帯オフセット(AlGaAs / InGaAs界面)に十分に近接して存在するドナー原子の数が減少し、十分な数の電子がチャネル領域に入り込むことが可能になり、その結果、デバイスの性能が低下する。電荷を必要としたが、これは電子散乱が増加するために望ましくない。 より広いSiデルタ分布が降伏電圧を低下させる可能性もある。

図5 細いスペーサー(赤の曲線)と太いスペーサー(緑の曲線)について、デルタスパイクの総Si面密度(PCOR-SIMSSMで測定)と活性層の電荷密度の関係。

図5 デルタドープスパイクにおける総Si面密度の間の関係(PCOR ‐ SIMSにより測定)SM細いスペーサー(赤の曲線)と太いスペーサー(緑の曲線)の場合)と活性層の電荷密度。

図6 良いHEMTデバイスと悪いHEMTデバイスに対するIII族元素組成とSiドーピングスパイクの通常のSIMSプロファイル。

図6 良いHEMTデバイスと悪いHEMTデバイスに対するIII族元素組成とSiドーピングスパイクの通常のSIMSプロファイル。

結論

結論として、PCOR-SIMSがどのようにして示されたかSM III − V族高速トランジスタ構造の成長者は、チャネル領域における電子移動度および電子変化密度を決定する、またはデバイス性能に影響を与える構造的特徴の「平衡化」トレードオフを最適化するのを助けることによって使用することができる。 栽培者にとっていくつかの強力な技術の利用可能性にもかかわらず、チャネル領域、すなわち界面領域の近傍における装置の評価は、SIMSによってより良くそして最も事実上評価される。 これにより、栽培者は他の試験手段によって観察可能物を生じさせるために何が起こっているのかを正確に決定することができる。

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