4.9. Полевые свч-транзисторы на гетероструктурах

Гетеропереходом называется переход, образующийся на границе двух полупроводников с различной шириной запрещенной зоны.

На границе гетероперехода происходит изменение свойств полупроводника – меняется структура энергетических зон, ширина запрещенной зоны, подвижности и эффективные массы.

Различают анизотропные и изотропные гетеропереходы. Анизотропные переходы создаются в результате контакта полупроводников с дырочкой и электронными типами проводимости. Изотропные гетеропереходы возникают при контакте полупроводников одного типа проводимости.

В гетеропереходах наблюдаются скачки энергии в зонах проводимости и валентной зоне.

Гетероструктуры представляют собой комбинации различных гетеропереходов.

Рассмотрим зонную диаграмму между арсенидом галлия и арсенидом галлия алюминия GaAs–Al_xGa_xAsрис. 4.18. Величина Х характеризует содержание алюминия. С ростом Х увеличивается ширина запрещенной зоны твердого раствораAl_xGa_xAs. Для х=0,3 ширина запрещенной зоны твердого раствораAl_0,3Ga_0,7Asравна 1,8 эВ.

Рис.4.18

У границы раздела двух полупроводников образуется квантовый колодец или зона двумерного электронного газа (ДЭГ) (2Д-газ). Двумерный электронный газ представляет собой систему электронов, энергетические уровни которых дискретны. Они могут перемещаться только в плоскости ДЭГ, не покидая потенциальной ямы. Характерным свойством ДЭГ является то, что можно регулировать плотности электронов путем воздействия поперечного электрического поля. Электроны ДЭГ имеют повышенную эффективную концентрацию и подвижность.

Рассмотрим конструкции гетеротранзисторов. На рис. 4.19 показана структура нормально открытого транзистора, а на рис. 4.20 структура нормально закрытого транзистора.

Рис. 4.19

Рис. 4.20

Между металлическим затвором и легированным слоем Al_0,3Ga_0,7Asформируется управляющий переход и металл-полупроводник. Обедненная область этого перехода располагается в слояхAl_0,3Ga_0,7As.

Проводящим каналом является область ДЭГ, образующаяся на границе гетероперехода. Электроны в ДЭГ поступают из истока. В нормально открытом транзисторе проводящий канал между истоком и стоком существует при напряжении u_из=0. В зависимости от напряжения на затворе меняется толщина обедненной области перехода металл полупроводник, концентрация электронов в ДЭГ и ток стока. При отрицательном напряжении на затворе равном пороговому, обедненная область расширяется настолько, что перекрывает поток электронов, и ток стока становится равным нулю.

В нормально закрытом транзисторе при u_из=0 область ДЭГ перекрыта обедненной областью управляющего перехода. Для уменьшения толщины обедненной области на затвор необходимо подать положительное напряжение. Меньшая толщина донорамиAlGaAsопределяет большее значение крутизны у нормально закрытого транзистора. Также транзисторы применяются в СВЧ микросхемах.

Полевой транзистор с гетеропереходом на основе GaN.

В настоящее время расширяются типы полупроводниковых материалов, используемых для создания полевых транзисторов с барьером Шоттки.

На рис. 4.21 показана диаграмма, характеризующая области максимальной мощности и частоты для полевых с барьером Шоттки на основе различных полупроводниковых материалов. Наиболее перспективным материалом является нитрид галлия, имеющий ширину запрещенной зоны 3,4 эВ.

Рис. 4.21

Базовая структура полевого транзистора с барьером Шоттки с гетеропереходом (ГПТШ) на основе GaNпоказана на рис. 4.22.

Канальным слоем является нелегированный слой GaN. ДЭГ локализован между барьерным слоемAl_xGa_1-xNи нелегированнымGaNв зоне гетероперехода. Так как ДЭГ находится в нелегированном слоеGaN, где нет примесных центров рассеяния, то подвижность электронов в слое ДЭГ составляет 2000 см²/В∙с. Слой высокоомного нелегированногоAl_xGa_1-xNтолщиной 1-3 Нм, называемый спеймером, предназначен для уменьшения поверхностного рассеяния электронов ДЭГ на примесях барьерного слоя.

Омические контакты истока и стока обеспечивают через барьерный слой контакт с ДЭГ-слоем. Металл затвора образует с барьерным слоем Al_xGa_1-xNбарьер Шоттки, управляющий проводимостью канала. Сар-слой толщиной 2-5 нм предназначен для уменьшения влияния поверхностных состояний.

Рис. 4.22

Буферный слой высокоомного iGaNтолщиной 2 мкм служит изолирующей прослойкой между канальным слоем и подложкой.

СВЧ транзисторы на основе GaNимеют большие значения удельной плотности выходной мощности до 33 Вт/мм, при напряжении исток-сток 120В и максимальной плотности тока в канале 1,2 А/мм.

Маломощные полевые СВЧ транзисторы.

Рассмотрим в качестве примера СВЧ транзисторы на гетеропереходе со структурой (In_0,5Ga_0,5)As– (In_0,5Al_0,5)As-InP.Ширина запрещенной зоны данных полупроводниковых материалов равна:

(In_0,5Ga_0,5)As-1,0эВ, (In_0,5Al_0,5)As-1,25эВ, InP-1,26эВ. Конструкция полевых транзисторов на основе данной структуры показана на рис. 4.23.

Транзисторы с такой структурой называются НЕМТ-транзисторами.

Рис. 4.23