7.3. Нанотранзисторы с гетеропереходами

Гетеротранзистор представляет собой транзистор, содержащий один или несколько гетеропереходов [29]. Зонные диаграммы гетеропереходов имеют разры­вы зон, которые можно использовать для ограничения движения носителей заряда в направлении, пер­пендикулярном плоскости гетероперехода. В гете­ропереходах носители заряда ведут себя в зависи­мости от направления движения. Гетеропереходы формируются, как правило, с помощью тонких сло­ев. Поэтому в направлении, перпендикулярном слою, энергетический спектр носителей заряда имеет дис­кретный характер и наблюдается размерное кван­тование. В двух других направлениях плоскости слоя, спектр носит непрерывный характер и сохраняется зонная структура.

Технология полупроводниковых гетероструктур по­зволяет создавать системы с пониженной размер­ностью. Если движение носителей заряда ограни­чено в одном направлении, то формируется кванто­вая яма. В ней формируется двумерный электронный газ. Если ограничение движения носителей про­исходит в двух направлениях, то формируется кван­товая нить. Нульмерная квантовая точка появля­ется в случае ограничения движения носителей по трем направлениям. В качестве примера, на рисунке 7.8, приведена конструкция гетеротранзистора.

Структура гетеротранзистора выращена методом молекулярно-лучевой эпитаксии по технологии самосов­мещения. В 2D-слое имеются подвижные электроны с типичным значением подвижности 6500 см²/В∙с при 300 К и 120 000 см²/В∙с при 77К.

Соответствующие значения поверхностной плотно­сти электронов составило 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.

Понижение размерности повышает роль межэлект­ронных взаимодействий. В двумерном электронном газе, в частности, наблюдаются целочисленный и дробный квантовые эффекты Холла. Обнаружены квазичастицы с электрическим зарядом, равным одной трети заряда электрона. В одномерных про­водниках наблюдается квантование проводимости в отсутствии магнитного поля, возникают элементарные возбуждения с дробным электрическим зарядом, но­сители заряда без спина и носители спина без заряда. Различают несколь­ко видов гетеротранзисторов.

Рис. 7.8. Kонструкция гетеротранзистора

MESFET-транзисторы

Наибо­лее популярным активным элементом является n-канальный полевой транзистор с затвором Шоттки на арсенид-галлиевой структуре (MESFET). Структура такого транзистора изображена на рисунке 7.9.

Активный слой формируется методом ионной имп­лантации доноров в полуизолирующую подложку. Зат­вор Шоттки формируется в виде золотого контакта.

Пороговое напряжение такого транзистора зависит от степени легирования, толщины канала, а также расстояния от затвора до канала и лежит в пределах от -4 В до +0,2 В. В качестве подзатворного диэлектрика используется обедненная электронами область пространственного заряда под барьером Шоттки. Канал представляет собой тонкий сильно­легированный слой п⁺-GaAs, расположенный меж­ду легированным активным слоем и подложкой.

Транзисторы этого типа имеют длину канала порядка 0,13 мкм и работают на частоте 50 ГГц. К недостаткам MESFET-транзистора следует отнести трудности создания р-канальных транзисторов для форми­рования комплементарных структур. Другим недостатком является невозможность использования максимальной подвижно­сти электронов в канале (~8000 см /В∙с) при концентрации доноров ~10¹⁸см^-3.

Рис. 7.9. Структура MESFET – транзистора

НЕМТ – транзисторы

Гетероструктурные полевые транзис­торы с высокой подвижностью элект­ронов или НЕМТ-транзисторы (High Electron Mobility Transistor) имеют большую крутизну ВАХ и большую предельную часто­ту. Крутизну транзистора можно рассчитать по формуле:

S=μC_УДВ(U_ЗИ-U_{ЗИ ПОР})/L,

где μ – подвижность электронов, С_УД – удельная емкость подзатворного диэлектрика, L – длина канала, В – ширина канала.

В основе работы НЕМТ-транзисторов лежит идея использования «квантового колодца» в качестве ка­нала. В квантовом колодце формируется двумерный электронный газ (ДЭГ). За счет потери одной сте­пени свободы подвижность носителей увеличивает­ся примерно вдвое, возрастает и эффективная кон­центрация носителей.

Гетеропереход формируется из широкозонного по­лупроводника Al_XGa_X-1As и более узкозонного i-GaAs. На их границе происходит разрыв энергетического уровня примерно на величину ΔЕ =0,38 эВ. В ка­честве подзатворного диэлектрика используется широкозонный полупроводник AlGaAs, который вследствие искривления энергетических зон стано­вится обедненным электронами.

Канал представляет собой потенциальную яму, об­разованную в узкозонном проводнике на границе с более широкозонным. В этом канале речь идет о поверхностной плотности электронов, которая со­ставляет ~2∙10¹²см^-2.

Конструкция НЕМТ-транзистора представлена на рисунке 7.10.

Рис. 7.10. Конструкция НЕМТ-транзистора

За более чем четвертьвековую историю НЕМТ-транзисторы развились в семейство. Поми­мо соединений А³В⁵ весьма перспективными ока­зались соединения InGaAs, InGaP, InAlAs, InP. Со­единения на основе индия отличаются высокой подвижностью электронов, разрыв зоны проводимости ΔЕ достигает 0,5 эВ.

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

Для использования в мощных СВЧ-устройствах и работы в экстремальных условиях разработаны НЕМТ-транзисторы на основе GaN и SiC. Канал у таких транзисторов обычно 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 рабочем напряжениям исток-стока.

Гетеротранзисторы с барьером Шоттки с высокой подвижностью заряда

Одним из главных направлений СВЧ-полупроводни­ковой электроники является создание ГПТШ-гетеропереходных полевых транзисторов с затвором Шоттки на AlGaN/GaN.

Основным элементом такой структуры является область двумерного газа в квантовом колодце. Эта область располагается непосредственно под гете­ропереходом. Подвижность в этой области состав­ляет порядка 2000 см²/В∙с, а концентрация носите­лей ~10¹³см².

Структура ГПТШ представлена на рисунке 7.11.

Буфер­ный слой улучшает параметры ДЭГ на поверхнос­тные состояния и объемные дефекты.

Созданные конструкции ГПТШ имеют затвор дли­ной L₃=0,55 мкм и шириной W₃=0,246 мм и позво­ляют получить выходную мощность порядка 8 Вт на частоте 4 ГГц.

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. С этой целью пассивируют поверх­ность диэлектрической пленкой SiN_Х, а также фор­мируют сар-слой (см. рис. 7.11).

Рис. 7.11. Типовая структура ГПТШ на GaN

Транзисторы на соединении GaN, ширина запрещен­ной зоны которого 3,4 эВ, сохраняют работоспособ­ность до температур 500-600°С. На основе GaN-транзисторов, создаются монолитные интегральные схемы СВЧ-диапазона.

Значительный интерес вызывают транзисторные структуры на основе Si/Ge. Рассогласование постоянных решетки составляет 4,2%, что вызывает механические напряжения в тонком слое гетероструктуры (рисунок 7.12).

Рис. 7.12. Формирование напряженного кремния

Структура типа Si/Ge получается путем осаждения кремния на подложку SiGe. При этом формируется слой напряженного кремния. В таком кремнии скорость дрейфа носителей на 70 % выше, чем в обычном кремнии. Это позволяет увеличить быстродействие транзисторов на 40%. Транзисторы, сформированные на базе гетеропереходов Si/Ge_0,3 , получили название модуляционнолегированных транзисторов с затвором Шоттки или MOD FET. Подвижность электронов и дырок в канале таких транзисторов достигает значения

μ_n=(1270-2830) см²/Вс и μ_р = (800-1000) см²/Вс.

Это позволяет получить высокое значение S_MAX и f_t. В таком типе транзисторов возможно создание комплементарных пар.