Полевые транзисторы с затвором Шоттки.

GaAs-СБИС на основе полевых транзисторов Шоттки. Арсенид галлия (GaAs) занимает важное место в технологии создания СБИС повышенного быстродействия благодаря высокой подвижности электронов (8500 см ² /(В∙с) при температуре 300 К) и скорости насыщения дрейфа носителей (2∙10 ⁷ см/с). Значительная ширина запрещенной зоны GaAs (1,42 эВ для Г-долины) позволяет создавать на его основе сверхбыстродействующие гомоструктурные ин­тегральные транзисторы, устойчивые к воздействию повышенной температуры и ионизирующих излучений. Посредством добавления хрома в GaAs можно достичь высокой концентрации глубоких уровней (вплоть до предела растворимости атомов хрома (2 - 3)∙10 ¹⁷ см ^-3), что позволяет формировать полуизолирующие GaAs - подложки, имеющие удельное сопротивление до 10 ⁸ Ом∙см. Такие подложки обеспечивают низкий уровень паразитных связей между элементами интегральных схем.

Существует достаточно много изоструктурных аналогов арсенида галлия - полупроводниковых материалов, имеющих близкий к GaAs шаг кристаллической решетки, что позволяет использовать GaAs в качестве основы для создания широко­го класса гетероструктурных транзисторов, обладающих уникальными характери­стиками. Параметры некоторых из таких полупроводников приведены в табл. 1.

Таблица 1 Шаг кристаллической решетки а ₀, ширина запрещенной зоны E _g и подвижности электронов μ _n и дырок μ _p некоторых полупроводников.

Кроме того, для создания гетероструктур широко используются различные твердые растворы (Al _x Ga _1-x As, Ga _x In _1-x P, Ga _x In _1-x As, Al _x In _1-x As и др.), параметры ко­торых могут изменяться в широких пределах в зависимости от процентного содер­жания составляющих (0 < х < 1).

Многие из сложных полупроводников имеют высокую подвижность и скорость дрейфа носителей заряда. Поэтому масштабирование элементов и применение сложных полупроводников позволяет далее повышать быстродействие транзисторов и снижать энергопотребление. Ну и конечно новые конструкции базовых элементов, основанные как на старых, так и на новых принципах работы.

Многие полупроводники обладают большей подвижностью электронов, чем кремний. Наилучшие результаты показывает IbSb (антимонид индия).

Относительная подвижность электронов в полупроводниках
Si	GaAs	InAs	InSb

Наиболее простым среди субмикронных полевых транзисторов относится полевой транзистор на основе арсенида галлия с управляющими переходами Шоттки (ПТШ) (рис. 10),

Рис.10. Гомоструктурный ПТШ на основе GaAs.

Его принцип функционирования состоит в изменении напряжением затвор - исток ширины области пространственного заряда управляющих переходов Шоттки, в результате чего изменяется эффективное сечение канала и осуществляется управ­ление проводимостью транзистора. Полевые транзисторы Шоттки широко исполь­зуются в качестве элементной базы современных GaAs-СБИС по сравнению с бипо­лярными и МДП-структурами вследствие свойственных ПТШ преимуществ:

отсутствие р-п-переходов между сток-истоковыми областями и областью кана­ла, в результате чего минимальная длина канала ПТШ не ограничивается эф­фектом смыкания;

области пространственного заряда управляющих переходов Шоттки локализуют проводящий канал ПТШ в объеме полупроводника, а не у поверхности полу­проводник - диэлектрик, как в МДП-транзисторах, что обеспечивает повыше­ние подвижности носителей заряда более чем в 2 раза;

использование управляющих контактов металл-полупроводник обеспечивает повышенную устойчивость к воздействию ионизирующих излучений по срав­нению с МДП-структурами. В подзатворном диэлектрике под воздейст­вием радиации накапливается положительный заряд дырок, захваченных ло­вушками у границ раздела диэлектрик - металл и диэлектрик - полупроводник, приводящий к сдвигу пороговых напряжений и снижению помехоустойчивости элементов СБИС;

сравнительно простая структура интегральных ПТШ (см. рис. 10) позволяет повысить процент выхода годных кристаллов СБИС за счет сокращения числа технологических операций и малого разброса параметров транзисторных струк­тур по пластине.

В качестве элементной базы кремниевых СБИС в настоящее время наиболее широко используются КМОП-элементы вследствие свойственной им малой энергии переключения, а также ряда схемотехнических и технологических особенностей. В GaAs-МДП СБИС использование комплементарных пар транзисторов затруднительно ввиду низкой подвижности дырок (менее 420 см ² /В∙с) и значи­тельного снижения подвижности электронов в приповерхностных каналах МДП-структур.

Высокочастотные свойства ПТШ определяются временем пролета носителей заряда от истока к стоку , которое в одномерном приближении определяется ин­тегралом

где L - длина канала; х - координата в направлении длины канала; μ(х) - подвиж­ность носителей; Е(х) - напряженность электрического поля в канале. Соответствующая граничная частота определяется выражением

С другой стороны, полевые транзисторы (Field-Effect Transistor), или FET-транзисторы, характеризуются высокой удельной крутизной ВАХ

g_max = dI _c /dU _з

и предельной частотой

f_T = g_max/2π₍C _{cз +}C _{из )}

где I _c — ток стока, U _з — напряжение на затворе. С _из, С _сз — емкости исток-затвор и сток-затвор.

Гомоструктурные GaAs-ПТШ характеризуются граничными частотами 20 - 60 ГГц при длинах канала 0,1 - 0,25 мкм.

Требование высокой проводимости канала транзистора для обеспечения вы­сокой крутизны и быстродействия связано с высокой степенью легирования приме­сью. Повышение степени легирования области канала необходимо и при масштаби­ровании транзисторов с целью повышения степени интеграции и быстродействия, а также снижения энергии переключения. Однако повышение концентрации примесей приводит к снижению подвижности электронов вследствие их рассеяния на ионах примесей. Поскольку подвижность в значительной степени определяет время пролета канала и крутизну транзистора, то требование увеличения подвижности при одновременном повышении степени легирования яв­ляется противоречивым.

При уменьшении длины канала и снижении сопротивлений пас­сивных областей стока R _с и истока R _и, эти параметры улучшаются. Предельные значения g_max и f_T пропорциональны предельной дрейфовой скорости v_др и подвижности носителей в канале. Подвижность со­ставляет 3500 см²/(В∙с), что в пять раз выше, чем у кремния, поэтому полупроводниковое соединение A₃B₅ и гетероструктуры на их основе предпочтительней кремние­вых транзисторов.

Наиболее популярным активным эле­ментом является п - каналь­ный полевой транзистор с затвором Шоттки на арсенид- галлиевой структуре (MESFET) (рис. 3.9).

Рис. 3.9, Структура MESFET-транзистора на основе GaAs: 1 — контактный n+-слой; 2 — барьерный n-слой толщиной 0,1 мкм, N_д = 5∙10¹⁴ см^-3; 3 - п+ —δ -слой GaAs; 4 - буферный n^--слой толщиной 0.8 мкм, N_д < 10 ¹⁴ см ^-3; 5 - изоляция; 6 — активный слой.

(Metal-semiconductor-field effect transistor (MESFET) with lightly doped drain contact region for higher voltage breakdown)

Активный слой 6 форми­руется методом ионной имп­лантации доноров в полуизолирующую подложку, а затвор Шоттки формируется в виде золотого контакта.

Пороговое напряжение такого транзистора зависит от степени легирования, толщины канала, а также расстояния от затвора до канала и лежит в пределах от -4 В до +0,2 В. В качестве подзатворного диэлект­рика используется обедненная электронами область пространствен­ного заряда под барьером Шоттки. Канал представляет собой тон­кий сильно легированный слой п+ GaAs, расположенный между легированным активным слоем и подложкой.

Транзисторы этого типа имеют длину канала порядка 0,13 мкм и работают на частоте 50 ГГц.

К недостаткам MESFET-транзистора следует отнести трудности создания p-канальных транзисторов для формирования комплемен­тарных структур. Другим недостатком является невозможность ис­пользования максимальной подвижности электронов в канале (8000 см²/(В∙с)) при концентрации доноров — 10 ¹⁸ см^-3.

Рис. 7 Типичная структура MESFET на основе GaAs.

Работа полевого транзистора основана на изменении электрическим полем затвора толщины канала, по которому между истоком и стоком протекает ток. При этом требуются MESFET с высоким током насыщения I _ds и высокой крутизнойдля быстрого заряда-разряда емкостей. Поскольку Ids и gm пропорциональны n∙μ, то это достигается увеличением конценгтрации носителей в канале за счет уровня легирования, но одновременно из-за примесного рассеяния падает подвижность и пиковая скорость носителей.

Выход из ситуации дали гетеропереходы.

Дата добавления: 2015-10-28