3.3. Justify the trend of using materials such as GaN , InP, SiC, diamond c in modern transistors.
In the late 1970s the metal semiconductor field-effect transistors (MESFET) began to be commercially manufactured. The history of the birth and application of MESFET is an example of a discovery that was much ahead of its time. Invented in 1930 it experienced the second birth in the 1970s. It was the MESFET appearance that made it possible to create amplifiers and generators of the microwave range. Further progress in the creation of not only discrete devices but also monolithic integrated circuits was based on the use of AlGaAs heterostructures. In the 2000s the successes in the technology of submicron heterostructures creating on wide-gap semiconductors allowed the creation of devices operating in the upper part of the microwave range of 100 ... 200 GHz. Such materials include silicon carbide SiC, gallium nitride GaN, diamond C. It is important to note that the use of new materials and reduction of the active area dimensions to sizes of 0.05 ... 0.1 μm led to the possibility of obtaining the vacuum (ballistic) carrier transfer similar to the transfer process in vacuum devices. The appearance of field-effect transistors with the high electron mobility (HEMT) in the 2000s allowed the creation of devices operating in the upper part of the microwave range of 100 ... 200 GHz, and the use of new wide-band materials (GaN, SiC) by an order of magnitude increased the output power of semiconductor amplifiers and generators in the microwave range. Currently HEMT based on GaN capable to put out power up to 100 W in the frequency range up to 6 GHz (the firm Cree, the USA) are developed. These transistors can be used to design amplifiers with output power of up to several kW
COMPARATIVE CHARACTERISTICS OF VACUUM AND SEMICONDUCTOR DEVICE
At present both vacuum and semiconductor devices are widely used in microwave devices and systems. The optimal choice of a particular device is determined, first of all, by the required power and frequency. Figure 1.4.1 shows the attained power levels of different microwave devices classes depending on the operating frequency. The figure shows GaN HEMT – the field-effect transistors with GaN high electrons mobility, Si BT – the silicon bipolar transistors, PHEMT – the pseudomorphic field-effect transistor with high electron mobility, GD – the Gunn diode, GaAs MESFET – the Schottky barrier gallium-arsenide field-effect transistor, TWT – the traveling-wave tube. Apparently the vacuum devices (klystrons, TWT, gyrotrons) are significantly (by several orders) ahead of the semiconductor devices both in maximum output power and maximum operating frequency. The main vacuum devices application areas are transmitters of radar stations, transmitters of high-speed communication lines, power systems for charged particles accelerators, plasma heating devices in thermonuclear reactors, technological microwave facilities. Progress in the microwave semiconductor devices development is associated, first of all, with the rapid development of the radar stations with active phased array antennas (APAA) and mobile communication systems. The main vacuum devices application areas are transmitters of radar stations, transmitters of high-speed communication lines, power systems for charged particles accelerators, plasma heating devices in thermonuclear reactors, technological microwave facilities. Progress in the microwave semiconductor devices development is associated, first of all, with the rapid development of the radar stations with active phased array antennas (APAA) and mobile communication systems. (В конце 1970-х годов началось серийное производство металлических полупроводниковых полевых транзисторов (MESFET). История рождения и применения MESFET является примером открытия, которое намного опередило свое время. Изобретенный в 1930 году, он пережил второе рождение в 1970-х годах. Именно появление MESFET позволило создавать усилители и генераторы микроволнового диапазона. Дальнейший прогресс в создании не только дискретных устройств, но и монолитных интегральных схем был основан на использовании гетероструктур AlGaAs. В 2000-х годах успехи в технологии создания субмикронных гетероструктур на широкозонных полупроводниках позволили создать устройства, работающие в верхней части СВЧ-диапазона 100... 200 ГГц. К таким материалам относятся карбид кремния SiC, нитрид галлия GaN, алмаз C. Важно отметить, что использование новых материалов и уменьшение размеров активной области до размеров 0,05...0,1 мкм привело к возможности получения вакуумного (баллистического) переноса носителей, аналогичного процессу переноса в вакуумных устройствах. Появление полевых транзисторов с высокой подвижностью электронов (HEMT) в 2000-х годах позволило создать устройства, работающие в верхней части микроволнового диапазона 100... 200 ГГц, а использование новых широкополосных материалов (GaN, SiC) на порядок увеличило выходную мощность полупроводниковых усилителей и генераторов в микроволновом диапазоне. В настоящее время разрабатываются HEMT на базе GaN, способные выдавать мощность до 100 Вт в диапазоне частот до 6 ГГц (фирма Cree, США). Эти транзисторы могут быть использованы для создания усилителей с выходной мощностью до нескольких кВт
СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВАКУУМНОГО И ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ПРИБОРА
В настоящее время в микроволновых устройствах и системах широко используются как вакуумные, так и полупроводниковые приборы. Оптимальный выбор конкретного устройства определяется, прежде всего, требуемой мощностью и частотой. На рисунке 1.4.1 показаны достигнутые уровни мощности различных классов микроволновых устройств в зависимости от рабочей частоты. На рисунке показаны GaN HEMT – полевые транзисторы с высокой подвижностью электронов GaN, Si BT - кремниевые биполярные транзисторы, PHEMT – псевдоморфный полевой транзистор с высокой подвижностью электронов, GD – диод Ганна, GaAs MESFET - полевой транзистор с барьером Шоттки на основе арсенида галлия, TWT – трубка бегущей волны. По-видимому, вакуумные устройства (клистроны, ТВТ, гиротроны) значительно (на несколько порядков) опережают полупроводниковые устройства как по максимальной выходной мощности, так и по максимальной рабочей частоте. Основными областями применения вакуумных устройств являются передатчики радиолокационных станций, передатчики высокоскоростных линий связи, системы питания ускорителей заряженных частиц, устройства нагрева плазмы в термоядерных реакторах, технологические микроволновые установки. Прогресс в разработке полупроводниковых приборов СВЧ связан, прежде всего, с быстрым развитием радиолокационных станций с активной фазированной антенной решеткой (APAA) и систем мобильной связи. Основными областями применения вакуумных устройств являются передатчики радиолокационных станций, передатчики высокоскоростных линий связи, системы питания ускорителей заряженных частиц, устройства нагрева плазмы в термоядерных реакторах, технологические микроволновые установки. Прогресс в разработке полупроводниковых приборов СВЧ связан, прежде всего, с быстрым развитием радиолокационных станций с активной фазированной антенной решеткой (APAA) и систем мобильной связи.)
Fig. 17. The attained power level of different microwave devices classes (Достигнутый уровень мощности различных классов микроволновых устройств)
Currently the powerful GaN-based transistors began to replace the vacuum devices in the output cascades of APAA radar transmitters since such transmitters do not require much power – it is obtained by adding the powers of hundreds and even thousands of individual radiators in the radio beam. (В настоящее время мощные транзисторы на основе GaN начали заменять вакуумные устройства в выходных каскадах радиолокационных передатчиков APAA, поскольку такие передатчики не требуют большой мощности - она получается путем сложения мощностей сотен и даже тысяч отдельных излучателей в радиолуче.)
DEVELOPMENT PROSPECTS OF MICROWAVE FIELD EFFECT TRANSISTORS
In recent years, the technology of manufacturing microwave transistors has made significant progress due to the use of new semiconductor materials. These include wide-band semiconductors and heterostructures based on them. (В последние годы технология изготовления СВЧ-транзисторов значительно продвинулась вперед благодаря использованию новых полупроводниковых материалов. К ним относятся широкополосные полупроводники и гетероструктуры на их основе.)
For clarity, Fig. 18 shows the band gap, thermal conductivity and low field mobility of some semiconductors, presented on a single graph. The mobility value is proportional to the radius of the circle, which center is located at the intersection of coordinates corresponding to the thermal conductivity and the width of the forbidden gap. It follows from the graph that the preference for creating high power high frequency transistors has gallium nitride. It has high saturation velocity 5 2.7·10 / v m s s , wide energy gap. As well as, low-field mobility is lower compared to gallium arsenide, but rather high, substantially higher than that of silicon carbide. In practice, heterostructures are used in a combination of the observed materials. In particular, the most promising is the structure of GaN, AlGaN / GaN on the SIC substrate, shown in Fig. 19 The use of silicon carbide substrate improves the heat dissipation in powerful devices. When priority is given to the price of the device, they use a structure on a silicon substrate. (Для наглядности на рис. 18 показаны ширина запрещенной зоны, теплопроводность и низкая подвижность поля некоторых полупроводников, представленные на одном графике. Величина подвижности пропорциональна радиусу окружности, центр которой расположен на пересечении координат, соответствующих теплопроводности и ширине запрещенного зазора. Из графика следует, что предпочтение при создании мощных высокочастотных транзисторов отдается нитриду галлия. Он обладает высокой скоростью насыщения 5 2.7·10 / v m s s , большой энергетический разрыв. Кроме того, подвижность в слабом поле ниже по сравнению с арсенидом галлия, но довольно высока, существенно выше, чем у карбида кремния. На практике гетероструктуры используются в комбинации наблюдаемых материалов. В частности, наиболее перспективной является структура GaN, AlGaN/GaN на подложке SIC, показанная на рис. 19. Использование подложки из карбида кремния улучшает отвод тепла в мощных устройствах. Когда приоритет отдается цене устройства, они используют структуру на кремниевой подложке.)
Fig. 20. shows a comparison of the working characteristics of transistors based on silicon, gallium arsenide and gallium nitride. They clearly show the fact that the admissible amplitudes of current and voltage in GaN-based devices are much higher than for silicon and gallium arsenide transistors. The same figure shows the hyperbola of the critical mode corresponding to the limiting permissible scattering power Pдоп = I0*U0 . This curve limits the range of permissible voltages and currents. (На рис. 20. показано сравнение рабочих характеристик транзисторов на основе кремния, арсенида галлия и нитрида галлия. Они наглядно демонстрируют тот факт, что допустимые амплитуды тока и напряжения в устройствах на основе GaN намного выше, чем для кремниевых и арсенидных транзисторов галлия. На том же рисунке показана гипербола критической моды, соответствующая предельно допустимой мощности рассеяния Pgon = I0*U0. Эта кривая ограничивает диапазон допустимых напряжений и токов.)
Fig. 18. Property comparison of semiconductors. ( Рис. 18. Сравнение свойств полупроводников.)
Fig.19.Structure of modern GaN-based transistor
Fig. 20. Comparison of typical operating modes of Si-, GaAs- and GaN-based transistors (Рис. 20. Сравнение типичных режимов работы транзисторов на основе Si, GaAs и GaN)
Success in the cultivation of artificial diamonds made it possible to use this material in microelectronics. Previously, the use of this material was limited to the production of substrates with unique thermal conductivity of 22 W/ K·cm. . Usually, we refer diamond to insulators. However, in recent years this material has been used to create MESFET with maximum frequencies of up to 150 GHz. Semiconducting properties are added to diamond not only by adding doping impurities to the volume of the material, which is technologically very difficult, but by modifying surface properties. One of the methods of modification is the hydrogenation of the surface using microwave hydrogen plasma. At the same time, the C-H bonds formed on the surface significantly decrease electron affinity. This leads to the escape of electrons from the volume to the surface region. The resulting bending of the valence band is sufficient to form hole conduction. Indeed, experiments have shown the presence of a layer of p-type conductivity. Surface conductivity increases by an order of 4. The thickness of this p-layer is 1-2 nm and the depth of “deposition” is 10 nm. Fig. 21. shows the structure (a) and the photograph of such a transistor obtained on an electronic scanning microscope (b). The gate length is 50 nm. Recently, technologies for alloying diamonds with boron (an acceptor impurity) and vanadium (a donor impurity) have been developed. (Успехи в выращивании искусственных алмазов позволили использовать этот материал в микроэлектронике. Ранее использование этого материала ограничивалось производством подложек с уникальной теплопроводностью 22 Вт/К·см. . Обычно мы относим алмаз к изоляторам. Однако в последние годы этот материал использовался для создания MESFET с максимальными частотами до 150 ГГц. Полупроводниковые свойства придаются алмазу не только путем добавления легирующих примесей в объем материала, что технологически очень сложно, но и путем изменения свойств поверхности. Одним из методов модификации является гидрирование поверхности с использованием микроволновой водородной плазмы. В то же время связи C-H, образующиеся на поверхности, значительно снижают сродство к электрону. Это приводит к выходу электронов из объема в поверхностную область. Результирующего изгиба валентной зоны достаточно для формирования дырочной проводимости. Действительно, эксперименты показали наличие слоя проводимости p-типа. Поверхностная проводимость увеличивается на порядок в 4 раза. Толщина этого p-слоя составляет 1-2 нм, а глубина “осаждения” составляет 10 нм. Рис. 21. показана структура (а) и фотография такого транзистора, полученная с помощью электронного сканирующего микроскопа (б). Длина затвора составляет 50 нм. В последнее время были разработаны технологии легирования алмазов бором (акцепторной примесью) и ванадием (донорной примесью).)
Fig. 21. Transistor based on diamond.
Source: Microwave electronics pdf.pdf