使用二次离子质谱法优化pHEMT中的2-D电子密度

白皮书

Wei Ou,Temel Buyuklimanli和Charles Magee

引言

在异质结构FET(HFET)中,n-AlGaAs施主层和未掺杂的InGaAs层之间的异质结界面导致界面处的导带和价带的变化,这产生了尖锐的势阱,其中施主电子可以位于正向下栅极偏置条件。 该孔的深度由界面两侧的两种杂质材料的确切组成决定。 从AlGaAs层向InGaAs层注入电子导致电子与Si供体离子分离并被限制在界面附近的InGaAs中的薄层中。 这个薄的电子平面是高度可移动的,并形成二维电子气(2DEG)层,用于器件的源极和漏极之间的电流跨导。

通常,为了帮助将电子与供体离子分离(由于减少的散射而改善电子迁移率),种植者通常在Si供体原子之间掺入非常薄的AlGaAs或GaAs“间隔物”层(作为三角形掺杂尖峰存在于其中)。 AlGaAs)和InGaAs沟道区。 PHEMT种植者通常针对某些电子迁移率和电荷密度,这可以分别通过间隔层厚度和掺杂浓度来实现。

然而,必须小心,因为太大的间隔层厚度将减少能够从其供体原子穿过异质结构界面并进入InGaAs沟道的电子数量,从而降低2DEG中的电荷密度。 较薄的间隔层不能使电子与供体原子充分分离,并且电子从这些供体原子的散射增加将导致电子迁移率降低。 但是,会导致电荷密度增加。

同样,种植者必须小心生长Si deltadoping尖峰。 掺杂水平太低将导致2DEG层中的电子密度降低,而太高的掺杂水平将导致Si供体原子的电子散射增加,如上所述,这导致电子迁移率降低。 因此,种植者在制造这些结构时具有“平衡行为”。 见图1。

图1。 pHEMT种植者必须执行的“平衡法案”

图1。 pHEMT种植者必须执行的“平衡法案”

增加复杂性的是,达到目标间隔物厚度可能是困难的,因为通常用于制造pHEMT的方法可能难以控制。 因为间隔层(25-40Å)很薄,所以需要短暂的生长持续时间,而且,它们发生在快门和阀门的关键驱动之间,这些阀门暂停了矩阵元素的生长以及打开和关闭掺杂剂。 随后的通量衰减取决于细胞条件,例如几何形状,温度,暂停时间,载气流等,这些都难以表征。

最终,PCOR-SIMSSM 轮廓可以提供种植者/设计者关于在生长运行中实际实现的掺杂水平和间隔层厚度所需的信息。 这实际上有助于种植者在参考目标值时知道他的确切位置。

讨论

使用成功至关重要 SIMS 对于这个应用程序是它准确确定的能力:

  • III-V材料成分(用于能带优化)
  • 掺杂密度
  • 间隔层厚度

现代III-V设备中常用的第III组和第V组材料的大量组合给SIMS带来了严重的问题,无法满足这些要求。 需要大量标准来实现定量准确性,并且必须采用许多支持性技术来确认SIMS结果。 EAG在这一极具挑战性的材料分析领域的努力通过逐点校正的SIMS(PCOR-SIMS)得到满足SM).

PCOR-SIMSSM 通过考虑Al SiAs和InGaAs组分的Si SIMS灵敏度和溅射速率的变化,精确测量Si掺杂尖峰的面密度并精确确定层厚度。

图2。 AlGaAs / InGaAs pHEMT器件沟道区的常规PCOR-SIMSSM曲线。

图2。 常规PCOR-SIMSSM AlGaAs / InGaAs pHEMT器件的沟道区的分布。

图2演示了PCOR-SIMS的有用性SM 用于优化2DEG所在的pHEMT设备的通道区域。 该特定器件是双异质结构(DH)FET,其中导电沟道(在该实例中为InGaAs)在两侧由AlGaAs限制层界定,掺杂由两个Si平面掺杂层提供,一个在沟道的两侧。 限制的作用是增加通道中的有效载流子速度。 然后,复杂性是同时管理来自通道两侧的电荷转移。 事实上,每侧对电荷的有效贡献是间隔物和Si剂量的函数。 最终贡献率不一定与掺杂剂(Si)的标称原子浓度相同。 此外,该行为与通常使用的掺杂剂量范围不是线性的。 当使用非对称配置时,问题变得更加复杂; 即当垫片厚度不相同时。 分析的深度分辨率也揭示了间隔层,即使它们像35Å一样薄。 在每个点校正AlGaAs,InGaAs和GaAs之间溅射速率的差异。 这对于用于精确评估间隔层的pHEMT结构是必要的,其对应于Si掺杂层和InGaAs层的起点之间的AlGaAs层厚度(即In分布的半升)。 通过利用Si分布,可以在上AlGaAs层和下间隔层之间精确地分割范围从几十到几百埃的AlGaAs层。 其他分析技术可以识别总的AlGaAs层厚度,但SIMS在能够明确地将该层分成两半的方面是独特的。

图3。 间隔层厚度(通过PCOR-SIMSSM测量)与电子迁移率之间的关系。

图3。 间隔层厚度之间的关系(通过PCOR-SIMS测量)SM)和电子迁移率。

图3演示了PCOR-SIMS的功能SM 以足够的精度测量间隔层厚度,以建立间隔层厚度和电子迁移率之间的定量关系。 如引言中所述,移动性取决于间隔层厚度(以及其他因素)。 我们希望表明,其他结构变量不变,SIMS可以测量间隔层厚度的变化,这与测量的迁移率变化一致。 Si供体离子和电子之间的物理分离防止了不希望的库仑散射,导致有源层中的高e-速度(并因此导致更高的电子迁移率。来自这些样品中的两个的SIMS深度分布的实例示于图4中。

图4。 来自Spacer Layer研究的两个样品的活性区域的PCOR-SIMSSM曲线如图3所示。 两个结构的间隔层的测量厚度在图中示出。

图4。 PCOR-SIMSSM 来自Spacer Layer研究的两个样品的活性区域的图谱显示在图3中。 两个结构的间隔层的测量厚度在图中示出。

在图5中可以看出,pHEMT有源层(InGaAs)中的电子电荷密度量与Siδ掺杂层中的Si施主的面密度之间存在类似的关系。 在栅电极处施加正向偏压期间,可以从供体原子转移到(InGaAs)有源层中的电荷的电子量取决于Siδ掺杂层中存在的Si施主原子的量。

除了这些使用PCOR-SIMS的例子SM 用于工艺开发,PCOR-SIMSSM 也可用于pHEMT的失效分析。 图6显示了PCOR-SIMSSM 在“良好”和“差”pHEMT的活性区域中的分布。 对于这两种PHEMT结构,注意顶部Siδ掺杂层中峰值Si浓度的差异。 顶部Si尖峰朝向表面的表观扩散增加可能是由于生长温度太高或者不能完全切断掺杂剂源以进行上部三角形掺杂(但很可能两者都是)。 同样在图6中,注意Si掺杂尖峰远离InGaAs沟道区的扩散。 这减少了足够接近导带偏移(AlGaAs / InGaAs界面)的供体原子数,以允许足够数量的电子隧穿进入沟道区域,导致器件性能下降,因为它需要更多的原子Si来实现需要充电,但由于电子散射增加,这是不希望的。 更宽的Siδ分布也可能降低击穿电压。

图5。 在deltadoped尖峰中的总Si面密度(通过PCOR-SIMSSM测量)与薄间隔物(红色曲线)和厚间隔物(绿色曲线)的有源层电荷密度之间的关系。

图5。 在deltadoped尖峰中的总Si面密度之间的关系(通过PCOR-SIMS测量)SM)和薄间隔物(红色曲线)和厚间隔物(绿色曲线)的有源层电荷密度。

图6。 针对良好和不良HEMT器件的III族元素组成和Si掺杂尖峰的常规SIMS曲线。

图6。 针对良好和不良HEMT器件的III族元素组成和Si掺杂尖峰的常规SIMS曲线。

结论

总之,我们已经展示了PCOR-SIMSSM 可以由III-V高速晶体管结构的种植者使用,通过帮助优化结构特征的“平衡作用”权衡,所述结构特征决定了沟道区域中的电子迁移率和电子变化密度,或者影响器件性能。 尽管一些强大的技术可供种植者使用,但对通道区域附近的装置(即界面区域)的评估更好,并且最通过SIMS进行评估。 这使得种植者能够确切地确定通过其他测试手段引起观察的情况。

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