3. Гетеротранзисторы

Гетеротранзистор представляет собой транзистор, содержащий один или несколько гетеропереходов.

В гетеропереходах p- и n-области сформированы из полупроводников с различной шириной запрещенной зоны. Необходимое условие — одинаковый тип решетки и близкие периоды решетки (а₀).

Полупроводники для гетеропереходов

Полупроводник	g , эВ	а0 , нм	, эВ
GaAs	1,43	0,5654	4,07
AlAs	2,16	0,5661	2,62
GaP	2,20	0,5451	4,30
InP	4,38	0,5869	5,34
Ge	0,66	0,5658	4,13
Si	1,12	0,5431	4,01

Хорошие пары:

GaAs / Al_xGa_1-xAs (х < 0,4):

Ge / Si (х < 0,3):

Свойства GaAs, как основного и технологически наиболее отработанного материала.

Относительная молекулярная масса — 144,63 а.е.м.

Плотность в твёрдом состоянии — 5,32 г/см³, в жидком состоянии — 5,71 г/см³

Температура плавления tпл = 1238 °C

Твёрдость по минералогической шкале — 4,5

Ширина запрещённой зоны — 1,43 эВ

Кристаллы арсенида галлия кристаллизуются в решетке сфалерита

Постоянная решётки при 300 К равна 5,6533 Å

Расстояние между ближайшими соседними атомами — 2,45 Å

Электрофизические свойства нелегированного арсенида галлия зависят от состава и концентрации собственных точечных дефектов, концентрации остаточных примесей, режимов термообработки. Для получения монокристаллов с n- и p-типом проводимости используют легирование арсенида галлия электрически активными примесями. Основными легирующими примесями для получения монокристаллов n-типа являются S, Se, Te, Si, Sn, а для получения монокристаллов p-типа — Zn.

Для разработки полевых транзисторов используются гетероструктуры GaAs-AlGaAs, InGaAs-InP, InGaAs-AlGaAs, AlGaSb-InAs и т.д. Привлекательность InAs обусловлена высокой подвижностью электронов (почти в 2 раза выше, чем у GaAs). Интенсивные исследования последних лет позволили установить влияние состава широкозонного материала и уровня его легирования, толщины спейсера на концентрацию и подвижность носителей заряда в канале.

Таблица. Сравнение основных электрофизических параметров наиболее распространенных полупроводниковых материалов, используемых для изготовления дискретных мощных СВЧ приборов.

Рис. Зависимость максимальной мощности от частоты для дискретных приборов на основе различных полупроводниковых материалов.

1. 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_xGa_1-x As. Величина «x» показывает относительное содержание Al. С ростом «x» плавно увеличивается ширина запрещенной зоны E_g Al_xGa_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 ΔE_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∙10¹² 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_xGa_1-xAs 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)·10³ см²/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_xGa_1-xAs, легированный Si (N_д = 7·10¹⁷ см ^–3) слой Al_xGa_1-xAs. 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_xGa_1-xAs 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)∙( d²/2),

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_xGa_1-xAs вводят тонкий (несколько нм) разделительный слой нелегированного Al_xGa_1-xAs. 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 • 10¹¹ см^-2 и 7,8 ∙ 10¹¹ 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 см²/ В∙с, а концентрация носителей -10¹³ см^-2. Двумерный электронный газ локализован в зоне гетероперехода между барьерным слоем Al_xGa_1-xN 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 см²/ В∙с.

Структура ГПТШ представлена на рис. 3.11.

Рис. Энергетическая диаграмма ГПТШ транзистора.

Формирование потенциальной ямы в области

гетероперехода Al_xGa_1-xN/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_xGa_1-xN 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 ΔE_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.