Транзистор с высокой подвижностью электронов
Транзистор с высокой подвижностью электронов (ТВПЭ, HEMT) — полевой транзистор, в котором для создания канала используется контакт двух полупроводниковых материалов с различной шириной запрещенной зоны (вместо легированной области как у обычных МОП-транзисторов)[1]. В отечественной и зарубежной литературе такие приборы часто обозначают HEMT — от англ. High Electron Mobility Transistor. Также в зависимости от структуры используются аналогичные названия: HFET, HEMFET, MODFET, TEGFET, SDHT. Другие названия этих транзисторов: полевые транзисторы с управляющим переходом металл — полупроводник и гетеропереходом, ГМеП транзисторы, полевые транзисторы с модулированным легированием, селективно-легированные гетероструктурные транзисторы (СЛГТ)[источник не указан 3587 дней].
История создания
[править | править код]Изобретателем ТВПЭ обычно считается Такаси Мимура (яп.
Структура
[править | править код]![](https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/17/2DEG_InGaAs_pHEMT_scheme_%28en%2C_ru%29.png/350px-2DEG_InGaAs_pHEMT_scheme_%28en%2C_ru%29.png)
На рисунке представлена структура HEMT-транзистора в разрезе. На полуизолирующей подложке арсенида галлия (GaAs) выращивается нелегированный буферный слой GaAs. На нем наращивается тонкий слой полупроводника с иной шириной запрещенной зоны — InGaAs, такой, что образуется область двумерного электронного газа (2DEG). Сверху слой защищается тонким спейсером на основе арсенида алюминия-галлия AlxGa1−xAs (далее AlGaAs). Выше следуют легированный кремнием слой n-AlGaAs и сильнолегированный слой n+-GaAs под контактными площадками стока и истока. Контакт затвора приближен к области двумерного электронного газа.
Распространенными материалами для ТВПЭ является комбинация GaAs и AlGaAs, хотя возможны и значительные вариации в зависимости от назначения устройства. Например, приборы с повышенным содержанием индия в общем случае показывают лучшую производительность на высоких частотах, в то время как в последние[когда?] годы наблюдается массовый рост научно-исследовательских разработок ТВПЭ на нитриде галлия (GaN), в связи с их лучшей производительностью при высоких мощностях. Существует достаточно много изоструктурных аналогов GaAs — полупроводниковых материалов, имеющих близкий к GaAs период кристаллической решетки. Это позволяет использовать GaAs в качестве основы для создания широкого класса гетероструктурных транзисторов, обладающих выдающимися характеристиками. Параметры некоторых из таких материалов приведены в таблице 1.
Таблица 1. Параметры некоторых полупроводниковых материалов, применяемых для создания гетероструктур на основе GaAs.
Полупроводник | Параметр решетки , нм |
Ширина запрещенной зоны , эВ |
Подвижность электронов , см2/В·с |
Подвижность дырок , см2/В·с |
---|---|---|---|---|
GaAs | 0,5654 | 1,42 | 8500 | 420 |
AlAs | 0,5661 | 2,95 | н/д | н/д |
Ge | 0,5658 | 0,67 | 3800 | 1820 |
InP | 0,5869 | 1,26 | 4600 | 150 |
InAs | 0,6057 | 0,35 | 27000 | 450 |
AlSb | 0,6135 | 2,5 | н/д | н/д |
InSb | 0,6479 | 0,17 | 78000 | 750 |
Помимо приведенных в таблице, для создания гетероструктур широко применяются различные твердые растворы (AlxGa1−xAs, GaxIn1−xAs, GaxIn1−xP, AlxIn1−xAs и другие).
Создание гетероперехода в ТВПЭ
[править | править код]Обычно для создания гетероперехода выбираются материалы с одинаковым параметром кристаллической решётки (расстояниями между атомами). По аналогии, представьте, что вы сцепляете две расчёски с немного отличающимся шагом между зубчиками. Через какие-то определённые интервалы будет происходить наложение двух зубьев друг на друга. В полупроводниках такие несоответствия играют роль «ловушек» носителей и существенно ухудшают производительность приборов. В реальности практически невозможно подобрать пару разных п/п, у которых было бы идеальное согласование и кристаллических структур, и коэффициентов термического расширения. Поэтому на границе раздела гетероперехода обычно возникают механические напряжения, которые вызывают появление дислокаций несоответствия, создающих на границе раздела граничные состояния. Даже у такой хорошо согласующейся пары как Ge и GaAs присутствует пластическая деформация. Поэтому для создания структуры используются твердые растворы. Например, замена Ge на твердый раствор Ge0,98Si0,02 приводит к снижению напряжений на границе раздела до уровня, исключающего возможность пластической деформации GaAs, и улучшает характеристики гетероперехода: у него резко уменьшается обратный ток.
В HEMT транзисторах чаще всего применяют гетеропереход GaAs-AlGaAs. С увеличением относительного содержания Al в твердом растворе AlGaAs плавно увеличивается ширина запрещенной зоны. Для состава с х = 0,3 ∆Eз = 1,8 эВ различие в ширине запрещённой зоны составляет ~0,38 эВ. Вследствие хорошего соответствия кристаллических решёток GaAs и AlGaAs в гетеропереходе обеспечивается низкая плотность поверхностных состояний и дефектов. По этим причинам для электронов, накопленных в области накопления затвора, в слабых электрических полях достигается очень высокая подвижность, близкая к объёмной подвижности для нелегированного GaAs [(8..9)⋅103 см2/В•с при Т = 300 К]. Причём эта подвижность резко увеличивается при понижении температуры, так как в нелегированном GaAs преобладает решётчатое рассеяние.
Также подвижность электронов в канале увеличивается благодаря дополнительной прослойке (спейсеру) между каналом GaAs и барьером AlGaAs. Спейсер — тонкий (несколько нм) разделительный слой нелегированного AlxGa1-xAs. Он способствует лучшему пространственному разделению двумерного электронного газа и рассеивающих центров между нелегированным GaAs и легированным донорами AlxGa1-xAs. Концентрация рассеивающих центров в нелегированном слое ниже, чем в легированном, поэтому подвижность электронов, накопленных в области насыщения затвора, дополнительно увеличивается. В этом случае волновая функция электронов в канале не проникает в барьер, а затухает в спейсере. При этом уменьшается рассеяние носителей на барьере. Введение спейсера также улучшает омический контакт, что приводит к повышению предельной рабочей частоты почти до теоретического предела.[3]
Равновесная энергетическая диаграмма гетероперехода между нелегированным GaAs и легированным донорными примесями, например, Si, AlxGa1-xAs
В нелегированном GaAs уровень Ферми располагается почти посередине запрещённой зоны, а в легированном AlxGa1-xAs вблизи дна зоны проводимости (Ес). В GaAs у границы раздела 5 2-х п/п образуется область 3 с минимальной энергией электронов. В эту область из п/п с более широкой запрещенной зоной «скатываются» свободные электроны ионизированных атомов примеси. В результате произойдет пространственное разделение электронов и компенсирующих их ионизованных атомов примеси. Электроны, накопленные в области 3, находятся в потенциальной яме и в слабых электрических полях могут перемещаться только вдоль границы 5 в плоскости, перпендикулярной плоскости рисунка. Поэтому совокупность электронов в области 3 и называют двумерным электронным газом, подчеркивая тем самым, что в слабых полях эти е− не могут перемещаться в третьем измерении, то есть переходить, например, из области 3 в область 4, так как этому препятствует потенциальный барьер ∆Ес ≈ (0,6 ÷ 0,65)(∆Ез2 — ∆Ез1).
Температурная зависимость подвижности электронного газа.
1 — гетероструктура; 2 — GaAs.
На рисунке 2 (кривая 1) показана температурная зависимость подвижности электронного газа, полученная в этом случае. При температурах жидкого азота (77 К) и жидкого гелия (4 К)
Псевдоморфный гетеропереход
[править | править код]ТВПЭ, в котором правило соответствия параметра кристаллической решётки слоёв гетероперехода не соблюдается, называется псевдоморфным (пТВПЭ или pHEMT). Для этого слой одного из материалов делается очень тонким — настолько, что его кристаллическая решётка попросту растягивается до соответствия другому материалу. Такой способ позволяет изготавливать структуры с увеличенной разницей в ширине запрещенной зоны, что недостижимо другими путями. Такие приборы обладают улучшенной производительностью.
Метаморфный гетеропереход
[править | править код]Другой способ совмещения материалов с разными решётками — помещение между ними буферного слоя. Это применяется в метаморфном ТВПЭ (мТВПЭ или mHEMT). Буферный слой представляет собой AlInAs, с концентрацией индия подобранной таким образом, что решётка буферного слоя может быть согласована как подложкой GaAs, так и с каналом InGaAs. Преимуществом такой структуры является возможность выбора практически любой концентрации индия для создания канала, то есть прибор может быть оптимизирован для различных применений (низкая концентрация индия обеспечивает низкий шум, а высокая — бо́льшую степень усиления).
Принцип действия
[править | править код]![](https://upload.wikimedia.org/wikipedia/ru/thumb/8/86/HEMT-band_structure_scheme-ru.svg/400px-HEMT-band_structure_scheme-ru.svg.png)
В общем случае, для создания проводимости в полупроводниках используются легирующие примеси. Однако, получаемые электроны проводимости испытывают столкновения с примесными остовами, что отрицательно сказывается на подвижности носителей и быстродействии прибора. В ТВПЭ этого удается избежать за счет того, что электроны с высокой подвижностью генерируются на гетеропереходе в области контакта высоколегированного донорного слоя N-типа с широкой запрещенной зоной (в нашем примере AlGaAs) и нелегированного канального слоя с узкой запрещенной зоной без каких-либо легирующих примесей (в данном случае GaAs).
Электроны, образующиеся в тонком слое N-типа, полностью перемещаются в слой GaAs, обедняя слой AlGaAs. Обеднение происходит из-за изгиба потенциального рельефа в гетеропереходе — между полупроводниками с разной шириной запрещенной зоны образуется квантовая яма. Таким образом, электроны способны быстро передвигаться без столкновений с примесями в нелегированном слое GaAs. Образуется очень тонкая прослойка с большой концентрацией высокоподвижных электронов, обладающих свойствами двумерного электронного газа (ДЭГ). Сопротивление канала очень низкое, и подвижность носителей в нём высока.
Так же, как в других типах полевых транзисторов, приложенное к затвору ТВПЭ напряжение изменяет проводимость канального слоя.
Принцип действия ТВПЭ — транзистора аналогичен принципу действия МеП-транзистора. Между металлическим затвором и расположенным под ним слоем из AlGaAs, образуется управляющий переход Металл - Полупроводник (далее по тексту Ме — п/п). Обедненная область этого перехода располагается, в основном, в слоях AlGaAs. Канал нормально открытого транзистора при формируется в слое нелегированного GaAs на границе гетероперехода в области накопления двумерного электронного газа. Под действием управляющего напряжения изменяется толщина обедненной области перехода Ме — п/п, концентрация электронов в ДЭГ и ток стока. Электроны поступают в область накопления из истока. При достаточно большом (по модулю) отрицательном обедненная область расширяется настолько, что перекрывает область насыщения электронов. Ток стока при этом прекращается.
В нормально закрытом транзисторе вследствие меньшей толщины верхнего слоя AlGaAs при проводящий канал отсутствует, так как область насыщения двумерного электронного газа перекрыта обедненной областью управляющего перехода. Канал возникает при некотором положительном , когда обедненная область управляющего перехода сужается настолько, что её нижняя граница попадает в область накопления электронов.
Характеристики
[править | править код]Стокозатворные характеристики нормально открытого (1) и нормально закрытого (2) транзисторов приведены на рисунке 4. Благодаря высокой подвижности электронов и малой практически во всем диапазоне Ugs достигается насыщение дрейфовой скорости электронов в канале (Vsat) и наблюдается линейная зависимость Ic от Ugs.
где — критическая напряжённость поля;
где — сопротивление истока, .
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 AlxGa1-xAs.
Важным достоинством HEMT транзисторов, по сравнению со структурой МеП транзисторов являются меньшая плотность поверхностных состояний на границе между AlxGa1-xAs и диэлектриком, и большая высота барьера Шоттки (
Таблица 2. Сравнительные характеристики КМОП, МеП, HEMT ИМС при комнатной температуре.
Тип транзистора | lк, мкм (Lg, мкм) | Р, мВт/вент | , нс | , Дж∙10−15 (фДж) | , Дж∙с∙10−26 |
---|---|---|---|---|---|
МеП | 0,3 | 0,75 | 16 | 12 | 19,2 |
HEMT | 1,0 | 1,1 | 12,2 | 13,4 | 16,4 |
КМОП | 1,0 | 1,8 | 50 | 90 | 450 |
Основными недостатками ТВПЭ являются инерционность затвора и подзатворный пробой.
Применение
[править | править код]Область применения ТВПЭ, как и металл-полупроводниковых полевых транзисторов[англ.] (англ. MESFET) — связь в микроволновом и миллиметровом диапазоне длин волн, радары и радиоастрономия, от мобильных телефонов[4] и широкополосных спутниковых ресиверов до систем электронного обнаружения — то есть любые устройства, в которых требуется высокая степень усиления сигнала и низкий шум на больших частотах. ТВПЭ способны производить усиление по току при частотах выше 600 ГГц и по мощности при частотах более 1 ТГц. В апреле 2005 г. были продемонстрированы биполярные транзисторы на гетеропереходе[англ.] (англ. HBT) с усилением по току на частотах более 600 ГГц. В январе 2010 г. группа ученых из Японии и Европы представила терагерцовый ТВПЭ с рабочей частотой (при полной ширине половины пика FWHM) 2,5 ТГц [5]
Несколько компаний во всем мире разрабатывают и производят приборы на основе ТВПЭ. Это могут быть отдельные транзисторы, но чаще приборы выпускаются в форме монолитной интегральной схемы (СВЧ МИС, англ. MMIC).
Примечания
[править | править код]- ↑ Текст ПерсТ 6_8 (недоступная ссылка)
- ↑ Mimura, T. The early history of the high electron mobility transistor (HEMT). IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 50 3 780—782 (2002). doi: 10.1109/22.989961
- ↑ Текст ПерсТ 6_18 (недоступная ссылка)
- ↑ СПЕЦТЕРМИНЫ: транзистор Архивная копия от 1 января 2010 на Wayback Machine // Кафедра Физики и Технологии Наноструктур, ФТИ им. А. Ф. Иоффе (недоступная ссылка) Архивировано 7 декабря 2008.
- ↑ Gate control of terahertz transistor emission frequency Архивная копия от 24 апреля 2010 на Wayback Machine (англ.) // Semiconductor Today (28 January 2010)
См. также
[править | править код]Литература
[править | править код]- Sheng S. Li. Semiconductor Physical Electronics. — Second Edition. — Springer, 2006. — 708 с. — ISBN 978-0387-28893-2.