НЕМТ-транзисторы.

Гетероструктурные полевые транзи­сторы с высокой подвижностью электронов или НЕМТ-транзисторы (High Electron Mobility Transistor) имеют большую крутизну ВАХ и большую предельную частоту. В основе работы НЕМТ-транзисторов лежит идея использования «квантового колодца» в качестве канала. В нем формируется двумерный электронный газ (ДЭГ).

В литературе встречаются еще такие названия:

-Two Demention Electron FET (TEGFET);

-Selectively Doped Heterostructure FET (SDHFET);

-Heterostructure Field Effect Transistor (HFET).

-Гетеропереходные полевые тран­зисторы с затвором Шоттки (ГПТШ).

В HEMT транзисторах чаще всего применяют гетеропереход GaAs - Al _x Ga _1-x As. Величина «x» показывает относительное содержание Al. С ростом «x» плавно увеличивается ширина запрещенной зоны E _g Al _x Ga _1-x As. Например, при изменении «x» в пределах 0-0,4 E _g линейно увеличивается от 1,42 эВ до 1,92 эВ. Для состава с х = 0,3 E _g = 1,8 эВ и различие в ширине запрещенной зоны составляет ~ 0,38 эВ.

Гетеропереход формируется из широкозонного полупроводника Al_xGa_1-x As и более узкозонного i-GaAs. На их границе происходит разрыв энергетического уровня E_c на величину Δ E_c ≈ 0,38 эВ. В качестве подзатворного диэлектрика используется широкозонный полупроводник AlGaAs, который вследствие искривления энергети­ческих зон становится обедненным электронами (см. схематичную структуру транзистора и его энергетическую диаграмму на следующем рисунке 3.10а).

Рис. 1.10 Зонная диаграмма гетероперехода Al_0,3Gа_0,7As — CaAs (а) и структура НEMT - транзистора на его основе (б).

Из-за разницы энергии сродства к электрону, электроны из широкозонного материала переходят в в нелегированный узкозонный пеолупроводник, вызывая изгиб зон. Перешедшие электроны располагаются в квантовой потенциальной яме и локализованы(ограничены) в ней. Канал представляет собой потенциальную яму, образованную в узкозонном проводнике на границе с более широкозонным полупроводником. В этом канале речь идет о поверхностной плотности электронов, которая составляет ~ 2∙10 ¹² см ^-2. Эти электроны пространственно отделены от ионизированных донорных атомов, что существенно (почти в 2 раза) снижает примесное рассеяние. Кроме того, высокая плотность электронов на гетерогранице снижает кулоновское рассеяние из-за эффективного электронного экранирования. Вследствие хорошего соответствия кристаллических решеток GaAs и Al _x Ga _1-x As в гетеропереходе обеспечивается низкая плотность поверхностных состояний и дефектов. В результате подвижность электронов, перешедших в узкозонный материал, достигает при комнатной температуре значений, характерных для чистого материала [(8..9)·10 ³ см ² /В·с при Т = 300К]. Все сказанное характерно и для дырок.

Н.з. и н.о. n-канальные и p-канальные транзисторы ИС. Описанная конструкция транзистора позволяет реализовать нормально открытые (н.о.) и нормально закрытые (н.з.) HEMT (рисунке 3), что важно для создания инвенторов в схемотехнике ИС.

Рисунок 3. Примеры конструкции нормально открытого (слева) и нормально закрытого (справа) HEMT транзисторов.

При изготовлении н.о. транзисторов на легированную Cr полуизоли­рую­щую под­ложку из GaAs методом молекулярно-лучевой эпитаксии последовательно наносят: не­легированный слой GaAs p- типа, нелеги­рован­ный слой Al _x Ga _1-x As, легированный Si (N _д = 7·10 ¹⁷ см ^–3) слой Al _x Ga _1-x As. Для формирования затвора используют Al, для получе­ния омических контактов истока (И) и стока (С) – сплав Au-Ge/Ni. В н.з. транзисторе верхний слой Al _x Ga _1-x As частично стравливают до толщины 50 нм. Таким образом, на одной пластине можно получить н.о. и н.з. HEMT транзисторы.

Uп = φ _оз – ∆E _c /q – (q∙N _д/ ε _0∙ ε _п2)∙(d ²/ 2),

где

φ _оз – равновесная высота потенциального барьера металл (затвор) – п/п (Al_xGa_1-xAs) ≈ 1В;

d – суммарная толщина нелегированного и легированного Al_xGa_1-xAs;

ε _п2 – его относительная диэлектрическая проницаемость.

Принцип действия HEMT – транзистора. Между металлическим затвором и расположенным под ним слоем из Al_xGa_1-xAs, образуется управляющий переход Ме – п/п. Обедненная область этого перехода распола­гается, в основном, в слоях Al_xGa_1-xAs. Канал н.о. транзистора при U _зи < 0 формируется в слое нелегированного GaAs на границе ч гетеропереходом в области накопления (ОН) двумерного электронного газа. Под действием управляющего напряжения U_зи изменяется толщина обедненной области перехода Ме – п/п, концентрация электронов в области накопления и ток стока. Электроны поступают в области накопления из истока. При достаточно большом (по модулю) отрица­тельном U_зи = U_п обедненная область расширяется настолько, что перекрывает области накопления электронов. Ток стока при этом прекращается.

В нормально закрытом транзисторе вследствие меньшей толщины верхнего слоя Al_xGa_1-xAs при U_зи = 0 проводящий канал отсутствует, т.к. область накопления двумерного электронного газа перекрыта обедненной областью управляю­щего перехода. Канал возникает при некотором положительном U_зи = U_п, когда обедненная область управляющего перехода сужается нас­только, что ее нижняя граница попадает в области накопления электронов.

Сток-затворные характеристики н.о.(1) и н.з.(2) транзисторов приведе­ны на рисунке 4.

Рисунок 4. Стокозатворные характеристики нормально открытого (1) и нормально закрытого (2) HEMT – транзисторов (L_з = 0.8 мкм, L_си = 4 мкм, толщины слоев соответствуют значениям, приведенным на предыдущем рисунке).

Благодаря высокой подвижности электронов и малой L_з практически во всем диапазоне U_зи достигается насыщение дрейфовой скорости электронов в канале (v_нас) и наблюдается линейная зависимость I_c от U_зи.

I_c = S^*·(U_зи – U_п – Е_крL_з), где

Е_кр – критическая напряженность поля;

S^* = S/(1 + R_иS), где R_и – сопротивление И, S = ε₀ε_п2v_насb/d_k.

Для кривой (1) S^*/b = 117 мСм/мм, для кривой (2) – 173 мСм/мм. Большее значение крутизны н.з. транзистора обусловлено меньшей толщи­ной легированного донорами Al_xGa_1-xAs.

Важным достоинством HEMT транзисторов, по сравнению со структурой МеП транзисторов являются меньшая плотность поверхностных состояний на границе между Al_xGa_1-xAs и диэлектриком, и большая высота барьера Шоттки (φ_0з ≈ 1В). Вследствие меньшей плотности поверхностных состояний уменьшается отрицательный поверхностный заряд и толщина обедненных областей в промежутках И-З и З-С. Это позволяет получить меньшие паразитные сопротивления обедненных областей без самосовмещения. Вследствие большей высоты барьера Шоттки, для HEMT транзисторов возможно большее (до 0,8 В) прямое напряжение U_зи, что особенно важно для н.з. транзисторов, рабочие напряжения на затворах которых могут изменяться лишь в узком диапазоне, ограниченном сверху напряжением управляющего перехода Ме – п/п.

Импульсные и частотные свойства HEMT транзисторов в основном определяются временем пролета электронов через канал, где они движутся со скоростью насыщения: t_прк = L_з/v_нас. При Т = 300К v_нас ≈ 2∙10⁷ см/с. При понижении температуры скорость насыщения увеличивается по закону v_нас ~ 1/Т.

Более практическая современная конструкция интегрального НЕМТ-транзистора представлена на рис. 1.11.

Вытравливание приповерхностных слоев под затвор позволяет понизить последовательное сопротивление С-И областей и использовать умеренную концентрацию доноров под затвором. Для этого используют стандартные операции литографии и реактивного плазменного травления. Кроме того, концентрация доноров под затвором уменьшается с глубиной. Для лучшего пространственного разделения двумерного электронного газа и рас­сеивающих центров между нелегированным GaAs и легированным донорами Al _x Ga _1-x As вводят тонкий (несколько нм) разделительный слой нелегированного Al _x Ga _1-x As. Этот слой еще называют спейсер. Концентрация рассеивающих центров в нелегированном слое ниже, чем в легированном, поэтому μ _n, накопленных в ДЭГ, дополнительно увеличивается.

Рис. 11 Поперечное сечение HEMT с характерными толщинами слоев.

А - нелегированный GaAs; В – спейсер, нелегированный слой AlGaAs; С – барьерный слой n ⁺ AlGaAs; D – контактный слой n ⁺ GaAs.

В качестве еще одного примера интегральных транзисторов на рис. 1.8 приведена конструкция гетеротранзистора с длиной канала 30 нм.

Структура гетеротранзистора выращена методом молекулярно-лу­чевой эпитаксии и, далее, с использованием технологии самосовмещения. В 2D-слое имеются подвижные электроны с эквивалентным значением подвижности 6500 см²/(В∙с) при 300 К и 120000 см²/(В∙с) при 77 К. Соответст­вующие значения поверхностной плот­ности электронов составили 5,4 • 10 ¹¹ см ^-2 и 7,8 ∙ 10 ¹¹ см ^-2 соответст­венно. Технология формирования такой структуры включала в себя формирова­ние затвора с барьером Шоттки на осно­ве силицида металла, ионную имплан­тацию, отжиг, формирование омиче­ских контактов.

Рис. 3.8. Схема полевого гетеротранзистора на основе AlGaAs — GaAs. 1 — варизонный слой Al_xGa_1-xAs (20 нм); 2, 4 — нелегированные слои Al_0.3Ga_0.7As (10 нм); 3 — слой

n — Al_0.3Ga_0.7As (10 нм), N~ 1 • 10¹⁸ см^-3; 5 — область ионного легирования n-типа; 6 — 2D - электроны с высокой подвижностью.

Силовой дискретный ГПТШ на AlGaN – GaN. (гетеропереходной полевой тран­зистор с затвором Шоттки). Является одним из главных направлений силовой СВЧ-полупроводниковой элект­роники. Нитрид галлия принадлежит к прямозонным полупроводникам и имеет большую ширину запрещенной зоны Eg = 3,4 эВ.

Основным элементом такой структуры является область двумер­ного газа в квантовом колодце, которая располагается непосредст­венно под гетеропереходом. Подвижность в этой области составляет порядка 2000 см ² / В∙с, а концентрация носителей -10 ¹³ см ^-2. Двумерный электронный газ локализован в зоне гетероперехода между барьерным слоем Al _x Ga _1-x N и нелегированным слоем GaN, являющимся каналом полевого транзистора. Поскольку двумерная потенциальная яма находится в нелегированном слое GaN, где нет примесных центров рассеяния, то подвижность электронов в 2D слое составляет μ _n = 2000 см ² / В∙с.

Структура ГПТШ представлена на рис. 3.11.

Рис. Энергетическая диаграмма ГПТШ транзистора.

Формирование потенциальной ямы в области

гетероперехода Al _x Ga _1-x N/GaN.

Рис. 3.11 Типовая структура ГПТШ на GaN:

1- слой SiN_x, Se₂O₃, MgO и др. (100 ÷200 нм);

2- слой GaN, AlN (2÷5 нм);

3- слой Al_xGa_1-x As;

4- слой нелегированного Al_xGa_1-x As, AlN (1÷3 нм);

5- слой нелегированного GaN(200 нм);

6- слой i-GaN(1,5 ÷ 2 мкм);

7- сапфир Al₂O₃, или SiC, GaN, AlN.

Слой высокоомного нелегированного Al _x Ga _1-x N толщиной 1-3 нм (так называемый спейсер) формируется для уменьшения поверхностного рассеяния 2D – электронов на примесях барьерного слоя Al_xGa_1-x As. Буферный слой (Sab-buff) улучшает параметры ДЭГ, препятствует переходу элект­ронов ДЭГ на поверхностные состояния и объемные дефекты.

Омические контакты истока и стока в транзисторе обеспечиваются через барьерный слой с 2D-слоем. Высокая концентрация носителей заряда в 2D-слое обеспечивается благодаря электростатическому полю гетероперехода и пьезоэффекту на границе GaN и AlN.

Для уменьшения влияния поверхностных состояний на барьер Шоттки, барьерный слой пассивируют нанометровым Cap-слоем.

Буферный слой высокоомного GaN толщиной 2 мкм используется в качестве изолирующей прослойки между канальным слоем транзистора и подложкой, на которой сформирована транзисторная структура.

Созданные конструкции ГПТШ с длиной затвора L_з — 0,55 мкм и шириной W_з = 0.246 мм позволяют получить выходную мощность в непрерывном режиме порядка 8 Вт на частоте 4 ГГц. Соответсвтвенно, удельная выходная мощность транзистора равняется 33 Вт/мм. При этом, рабочее напряжение сток-исток равно 120 В, а максимальная плотность тока в канале достигает 1,2 А/мм.

Одной из проблем GaN-технологии является нестабильность тока-стока при его увеличении. Это явление получило название коллапс тока. Оказалось, что этот эффект связан с наличием ловушечных центров на поверхности и в объеме материала буферного GaN-слоя. Чтобы уменьшить его влияние поверхность пассивируют диэлектрической пленкой SiN_х, а также формируют “ сар ”-слой.

Транзисторы на соединении GaN, ширина запрещенной зоны которых 3.4 эВ, сохраняют работоспособность до температур 500 ÷ 600 С. На основе GaN-транзисторов создаются монолитные интегральные схемы СВЧ-диапазона.

Вывод. За более чем четверть-вековую историю НЕМТ-транзисторы развились в целое семейство, помимо соединений A₃B₅ весьма перспективны­ми оказались соединения InGaAs, InGaP, InAlAs, InР. Соединения на основе индия отличаются высокой подвижностью электронов, разрыв зоны проводимости Δ E_c достигает 0,5 эВ.

Разработаны n-канальные и p-канальные НЕМТ-транзисторы, для которых создается потенциальная яма для дырок в узкозонном слое, например, в InGaP.

Для использования в мошных СВЧ-устройствах, работы в экс­тремальных условиях разработаны НЕМТ-транзисторы на основе GaN и SiC. Обычно канал у таких транзисторов формируется в узкозонном слое AlGaN.

По частотным и усилительным свойствам НЕМТ-транзисторы на основе AlGaN—GaN уступают транзисторам на соединениях AlGaAs—GaAs, однако превосходят их по плотности снимаемого то­ка, мощности и рабочим напряжениям исток-стока.

Уже сейчас в HEMT достигнуты крутизна g _m =1000 – 2000 мА/мм, а f _m = 270 ГГц. Понятно, что это не предельные значения.

Дата добавления: 2015-10-28