9.4. Гетероструктурный канальный транзистор с барьером Шоттки

Уменьшение длины канала для повышения быстродействия приводит к уменьшению управляемости тока стока ОПЗ затвора из-за неполного (геометрического) перекрытия толщины канала, что уменьшает значение крутизны, а следовательно, усилительных свойств транзистора. При насыщении дрейфовой скорости крутизна уже не управляется конструктивным параметром W_К /L_К и достигает своего предельного значения (9.30):

.

Увеличение ширины канала приводит к возрастанию входной емкости затвора по сверхлинейной зависимости из-за двумерных эффектов (L_К  10^-4 см), что ведет к увеличению постоянной времени перезаряда затвора и уменьшению модуля коэффициента усиления по напряжению и мощности на СВЧ.

Для преодоления этого ограничения, которое еще десять лет назад считалось фундаментальным ограничением на минимальную длину канала, необходим механизм переноса в канале, обеспечивающий рост скорости пролета с уменьшением длины канала. Это может быть обеспечено либо за счет более высокой подвижности носителей и более высокой напряженности поля , при которой наступает насыщение дрейфовой скорости, либо более высоким значением максимальной скорости, определяемой, например, баллистическим пролетом. При баллистическом пролете средняя скорость электронов определяется кинетической энергией и эффективной массой:

. (9.31)

Она может быть на порядок выше максимальной скорости дрейфа, поэтому использование баллистического режима позволяет уменьшить время пролета электронов за счет уменьшения длины канала с сохранением достаточной крутизны и повысить граничную частоту до нескольких сотен гигагерц.

Одной из реализаций этого направления повышения частотных свойств полевого транзистора является гетероструктурный канальный транзистор с управляющим переходом металл – полупроводник (ГМЕП - транзистор) или (НЕМТ) [1].

В этом транзисторе используются свойства гетероперехода между тонкими монокристаллическими слоями двух полу­проводниковых материалов с близкой кристаллической структурой, но раз­личной шириной запрещенной зоны. Наиболее широко применяют гетеропереход между арсенидом гал­лия и арсенидом галлия-алюминия Al_xGa_(1–x)As (рисунок 9.16,а). Величина x показывает относительное содержание алюминия. Ширина запрещенной зо­ны _g арсенида галлия-алюминия линейно увеличивается с ростом x. Типичное значение х = 0,3, ему со­ответствует _g 1,8 эВ.

Рисунок 9.16 - Гетеропереход (а) и энергетическая диаграмма (б)

Равновесная энергетическая диаграмма гетероперехода между нелегированным арсенидом галлия и ле­гированным донорными примесями, например, кремнием, арсенидом гал­лия-алюминия, приведена на рисунке 9.16, б. Штриховая горизонтальная линия соответствует уровню Ферми F, в равновесном состоянии его энергия одинакова для обоих полупроводников, Е_V – энергия, со­ответствующая границе валентной зоны. В нелегированном арсениде галлия (область 1) уровень Ферми располагается почти посередине запрещенной зоны, а в легированном донорами (типичная концен­трация доноров N_Д = (1... 20)10¹⁷ см^–3) арсениде галлия-алюминия (область 2) – вблизи дна зоны проводимости E_c.

В арсениде галлия у границы раздела 5 двух полупроводников в зоне проводимости образуется область 3 с минимальной энергией элект­ронов. В этой области происходит накопление электронов, переходя­щих из области 4, расположенной в арсениде галлия-алюминия. Об­ласть 4 обеднена электронами и заряжена положительно, так как со­держит нескомпенсированные ионы доноров. Разрыв дна зоны прово­димости (скачок энергии Е_с) на границе 5 при х = 0,3 около 0,3 эВ.

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 называют двумерным элект­ронным газом, подчеркивая тем самым, что в слабых полях эти элект­роны не могут перемещаться в третьем измерении, т. е. переходить, например, из области 3 в область 4, так как этому препятствует потен­циальный барьер, образованный разрывом дна зоны проводимости Е_с.

Электроны, образующие двумерный электронный газ, возникают вследствие тепловой ионизации донорных примесей в арсениде галлия - алюминия, где концентрация примесей велика (более 10¹⁷ см^–3) и перемещаются в область 3, расположенную в нелегированном арсе­ниде галлия, где концентрация, примесей мала (менее 10¹² см^–3). Таким образом, достигается пространственное разделение свободных электронов (в области 3) и рассеивающих центров (ионов акцепторов), сосредоточенных в арсениде галлия-алюминия.

Вследствие хорошего соответствия кристаллических решеток двух полу-проводниковых материалов в гетеропереходе (см. рисунок 9.16, а) обеспечивается низкая плотность поверхностных состояний и дефектов. По указанным причинам для электронов, накопленных в области 3, в слабых электрических полях достигается очень высокая подвиж­ность, близкая к объемной подвижности для нелегированного арсе­нида галлия [(8...9)10³ см²/(Вс) при Т = 300 К]. Поскольку в неле­гированном слое арсенида галлия преобладает решеточное рассеяние, подвижность резко увеличивается при понижении температуры.

Для лучшего пространственного разделения двумерного электронного газа и рассеивающих центров между нелегированным арсенидом галлия и легированным донорами арсенидом галлия-алюминия вводят тонкий (толщиной несколько нанометров) разделительный слой нелегированного арсенида галлия-алюминия. Концентрация рассеивающих центров в разделительном нелегированном слое ниже, чем в ле­гированном, поэтому подвижность электронов, накопленных в облас­ти 3, дополнительно увеличивается.

Рисунок 9.17 - Зависимость подвижности от температуры в GaAs

Температурная зависимость подвижности электронов для двумер­ного электронного газа в гетероструктуре с разделительным слоем приведена на рисунке 9.17 (кривая 1). При температурах жидкого азота (77К) и жидкого гелия (4К) подвижность соответственно возраста­ет до 1,4×10⁵ и 2×10⁶ см²/(В×с). На этом же рисунке показана, температурная за­висимость подвижности электронов в слое арсенида галлия (кривая 2), содер­жащем доноры с концентрацией 10¹⁷ см^–3. Слой такого типа используется в рас­смотренных выше структурах ПТШ – транзисторов.

Подвижность электронов двумерного электронного газа, особенно при пони­женных температурах, сильно зависит от технологии изготовления слоев гетероструктуры. Для их создания исполь­зуют различные способы эпитаксиального наращивания тонких полупроводниковых слоев (см. гл. 2). Наилучшее качество эпитаксиальных слоев в рас­сматриваемой гетероструктуре, наимень­шую плотность дефектов на их грани­цах и наибольшую подвижность обеспе­чивает молекулярно-лучевая эпитаксия.

Рисунок 9.18 - Структура нормально открытого и нормально закрытого

ГМЕТ – транзистора

Описанный выше гетеропереход используют в структурах полевых транзисторов с управляющим переходом металл-полупроводник. Примеры конструкций нормально открытого и нормально закрытого ГМЕП – транзисторов показаны на рисунке 9.18. При изготовлении нор­мально открытых транзисторов на легированную хромом полуизоли­рующую подложку из арсенида галлия (рисунок 9.18, a) методом молекулярно-лучевой эпитаксии последовательно наносят: нелегированный слой арсенида галлия p^–-типа проводимости, нелегированный разде­лительный слой арсенида галлия-алюминия, легированный кремни­ем (N_Д = 7∙10¹⁷ см^–3) слой арсенида галлия-алюминия. Для фор­мирования затвора (З) используют слой алюминия, для контактов к истоковой (И) и стоковой (С) областям – сплав AuGe/Ni. В нормально закрытом транзисторе с индуцированным каналом (рисунок 9.18, б) верхний слой арсенида галлия-алюминия частично стравливают до тол­щины 50 нм. Таким способом на одной подложке изготовляют нормаль­но открытые и нормально закрытые транзисторы.

Напряжение перекрытия ГМЕП – транзистора

, (9.32)

где j_З – равновесная высота потенциального барьера перехода ме­талл (затвор) - полупроводник (арсенид галлия-алюминия); d – суммарная толщина легированного донорами и нелегированного слоев арсенида галлия-алюминия; e_П2 – его относительная диэлект­рическая проницаемость.

Принцип действия ГМЕП - транзистора аналогичен принципу дейст­вия ПТШ -транзистора. Между металлическим затвором и расположен­ным под ним слоем арсенида галлия-алюминия образуется управляю­щий барьер Шоттки. Обедненная область этого пере­хода в основном располагается в слоях арсенида галлия-алюминия.

Канал нормально открытого транзистора управляется при U_ЗИ < 0 в слое нелегированного арсенида галлия на границе с гетеропереходом в области накопления (ОН) двумерного электронного газа, огра­ниченной штриховой линией на рисунке 9.18, а. Под действием управляющего напряжения затвор – исток изменяются толщина обедненной области перехода металл-полупроводник, концентра­ция электронов в ОН и ток стока. Электроны поступают в ОН из истока. При доста­точно большом (по модулю) отрицательном напряжении затвор-исток, равном напряжению перекрытия (9.32), обедненная область расширяется настолько, что полностью перекрывает ОН электронов. Ток стока при этом прекращается.

Рисунок 9.19 - Передаточные характеристики нормально открытого (1) и нормально закрытого (2) ГМЕП

В нормально закрытом транзисторе вследствие меньшей толщины верхнего слоя арсенида галлия-алюминия (см. рисунок 9.18, б) при U_ЗИ = 0 проводящий канал отсутствует, так как ОН двумерного электронного газа перекрыта обедненной областью управляющего перехода. Канал возникает при неко­тором положительном напряжении, равном пороговому (9.32), когда обедненная область управляющего перехода сужается настолько, что ее нижняя граница попадает в OH электронов.

На рисунке 9.19 приведены сток - затворные характеристики нормаль­но открытого 1 и нормально закрытого 2 транзисторов при длине за­твора L₃ = 0,8 мкм и расстоянии сток–исток 4 мкм; толщины слоев соответствуют указанным на рисунке 9.18. Благодаря высокой подвижно­сти электронов и малой длине затвора практически во всем диапазоне изменения напряжения затвора (за исключением малой области вбли­зи порогового напряжения) достигается насыщение дрейфовой скоро­сти электронов в канале и наблюдается линейная зависимость

, (9.33)

где ε_кр – критическая напряженность поля; g_m находится из соотношения (9.30),

.

Для кривых 1 и 2 равно 117 и 173 мСм/мм соответственно. Большее значение крутизны для нормально закрытого транзистора обуслов­лено меньшей толщиной легированного донорами арсенида галлия-алюминия.

Важными достоинствами структуры ГМЕП – транзистора (по срав­нению со структурой ПТШ – транзистора) являются меньшая плотность поверхностных состояний на границе арсенида галлия-алюминия в плоскости гетероперехода и большая высота барьера Шоттки (₃  1 В). Вследствие меньшей плотности поверхностных состояний уменьшаются отрицательный поверхностный заряд и толщина обеднен­ных областей в промежутках исток – затвор, затвор – сток, что по­зволяет обеспечивать меньшие паразитные сопротивления этих областей, не используя дополнительные технологические операции селективного ионного легирования, необходимые для транзисторов с самосовмещенным затвором. Вследствие большей высоты барьера Шоттки для ГМЕП – транзисторов допустимо большее (до 0,7 В) прямое напряжение затвор – исток, что особенно важно для нормаль­но закрытых транзисторов, рабочие напряжения на затворах которых могут изменяться лишь в узком диапазоне, ограниченном сверху напряжением отпирания управляющего перехода металл – полупроводник.

В настоящее время реализованы ГМЕП – транзисторы с граничной частотой f_g до 300 ГГц. Недостатком ГМЕП – транзисторов по сравнению с ПТШ является более высокая стоимость, обусловленная усложнением технологии изготовления.