Транзистор с высокой подвижностью электронов реферат

Обновлено: 03.07.2024

Требование высокой проводимости канала транзистора для обеспечения быстродействия связано с высокой степенью легирования примесью. Повышение степени легирования области канала необходимо и при масштабировании транзисторов с целью повышения степени интеграции и быстродействия, а также снижения энергии переключения. Однако, повышение концентрации примеси приводит к снижению подвижности электронов вследствие их рассеянии на ионах примеси. Поскольку подвижность в значительной степени определяет время пролета канала, то требование увеличения подвижности при одновременном повышении степени легирования является противоречивым.

Преодолеть это противоречие удалось в гетероструктурных полевых транзисторах Шоттки. На рисунке приведено схематическое изображение транзистора на основе многослойной структуры AlGaAS – GaAs. Такой транзистор получил название - транзистор с высокой подвижностью электронов - ВПЭТ

Основной принцип повышения быстродействия ВПЭТ состоит в пространственном разделении подвижных носителей заряда и породивших их примесных атомов.

Пусть имеется гетеропереход на основе GaAs и материала с большей шириной запрещенной зоны, например – AlGaAs. В последний введена донорная примесь. Так как дно зоны проводимости у GaAs лежит ниже чем у AlGaAs, то электроны создаваемые донорной примесью будут из n+ AlGaAs проникать в зону проводимости GaAs. Поэтому в n+ AlGaAs образуется область пространственного неподвижного заряда. В то же время электроны проводимости GaAs электростатически притягиваются этой областью положительного заряда. В результате чего в GaAs на границе раздела с AlGaAs формируется область отрицательного подвижного пространственного заряда и распределение потенциала в области гетероперехода примет вид как показано на рисунке.

Электроны зоны проводимости в GaAs оказываются заключенными в потенциальный колодец с формой близкой к треугольной. Он расположен вблизи с границей раздела с AlGaAs. На границе раздела GaAs и AlGaAs между потенциальным барьером и дном зоны проводимости GaAs возникает стоячая волна электронов проводимости. Поэтому указанные электроны утрачивают способность движения в ортогональном границе раздела направлении. Создаются двумерные условия. Важно учитывать, что электроны зоны проводимости и донорные ионы пространственно разделены, поэтому рассеяние электронов на ионах пренебрежимо мало, что обеспечивает высокую подвижность носителей заряда, соответствующую массивному кристаллу.

Тонкий слой нелегированного AlGaAs, называемый спейсером, используется для дополнительного ослабления влияния кулоновского поля ионов донорной примеси.

Таким образом, использование гетероперехода позволяет достичь высокой подвижности электронов при их высокой концентрации в канале ВПЭТ.

22.2.1. Транзистор с высокой подвижностью электронов (НЕМТ)

При конструировании высокочастотных полевых транзисторов возникла проблема падения подвижности при повышении концентрации носителей в канале , необходимой при малой длине канала . Поскольку рост концентрации носителей связан с повышением степени легирования , то в результате снижается подвижность и быстродействие прибора . Использование области

двухмерного электронного газа гетеропереходов при конструировании СВЧ транзисторов позволило разрешить это противоречие . Такие структуры в

зарубежной литературе получили название транзисторной структуры с высокой подвижностью электронов ( НЕМТ – High Electron Mobility Transistor).

Рассмотрим особенности работы и конструкцию гетероструктурного полевого транзистора с управляющим переходом металл - полупроводник ( ГМЕП или HEMT ), создание которых относится к 1980 г ..

Структура и энергетическая диаграмма НЕМТ представлены на рис . 22.3. Роль подзатворного диэлектрика в НЕМТ выполняет широкозонный полупроводник (AlGaAs), который вследствие искривления

энергетической диаграммы при разрыве зон остается полностью обедненным

электронами даже при высокой степени легирования . Толщина канала в НЕМТ чрезвычайно мала . При малой эффективной массе электронов (0,067 т 0 ) это приводит к сильному квантованию движения электронов в направлении , нормальном к границе гетерослоя и формированию энергетических подзон , расстояние между которыми достаточно велико .

Рис . 22.3. Структура ( а ) и энергетическая диаграмма ( б ) НЕМТ

Al 0,3 Ga 0,7 As/GaAs

В силу более высокой подвижности и скорости насыщения , а также из - за того , что в НЕМТ при изменении напряжения на затворе не изменяется эффективная толщина канала , в НЕМТ достигается существенно большая удельная крутизна ВАХ , чем в обычном арсенид - галлиевом транзисторе с затвором Шотки .

Пороговое напряжение НЕМТ определяется толщиной dH и степенью легирования гетерослоя AlGaAs. Отметим , что в НЕМТ модуляция

расстояние между затвором и каналом увеличивается по направлению к стоку вследствие расширения ОПЗ . Даже при равной подвижности электронов в канале и равной емкости затвор – канал это приводит к повышению крутизны ВАХ на 15-20% по сравнению с MESFET. В

результате при одинаковых технологических нормах НЕМТ имеют примерно в 1,5-2 раза более высокую предельную частоту .

Еще одним преимуществом НЕМТ является малая выходная проводимость . В результате даже при длине канала 0,2 мкм собственный коэффициент усиления по напряжению может достигать 50 и более .

Разновидностью НЕМТ являются приборы с обращенной структурой . В обращенном НЕМТ узкозонный слой GaAs, в котором формируется канал ,

22.2.2. Псевдоморфные и метаморфные структуры (р-НЕМТ и m-НЕМТ)

Одним из серьезных препятствий на пути реализации возможностей транзисторов с высокой подвижностью электронов на основе GaAs является

наличие глубоких ловушек для электронов при высоком уровне содержания алюминия в AlGa 1–x As x . Для получения слоя с двумерным электронным газом необходимы значения х ≥ 0,2, но при этих значениях глубокие ловушки приводят к срыву стоковых ВАХ , повышению уровня генерационно -

рекомбинационных шумов и даже к появлению эффекта фоточувствительности .

Дальнейшее развитее технологии привело к созданию новых полупроводниковых структур на основе соединений А 3 В 5 . Весьма перспективными оказались соединения InGaAs, InGaP, InAlAs и InP, позволившие существенно улучшить характеристики НЕМТ .

Введение индия в GaAs повышает подвижность электронов . Постоянные решеток InGaAs, InGaP, InAlAs и подложек из InP хорошо согласуются , что позволяет довести мольную долю In до х ~ 0,6 и увеличить подвижность электронов при 300 К примерно вдвое . Введение In в GaAs сужает запрещенную зону , причем разрыв зоны проводимости в гетероструктуре

In 0,53 Ga 0,47 As/GaAs составляет около 0,5 В ( вдвое больше чем в Al 0,3 Ga 0,7 As/ GaAs). Это обстоятельство способствует нейтрализации паразитного канала .

Незначительное несоответствие постоянных решетки в таких соединениях приводит к возникновению упругих напряжений . В случае

контакта на гетеропереходе двух объемных материалов напряжения релаксируют путем образования дислокаций , что значительно ухудшает электрические характеристики гетероперехода . Такие гетеропереходы могут использоваться только при создании буферных слоев , отделяющих

электрически или оптически активную область от границы буферного слоя с подложкой . Если же слой одного из материалов достаточно тонок , то он способен до определенного предела накапливать энергию упругих напря - жений в виде упругих деформаций . В качестве такого слоя целесообразно использовать узкозонный материал , создающий квантовую яму . Транзисторы , созданные на основе такой структуры получили название псевдоморфных НЕМТ ( р - НЕМТ ). Формирование слоя двухмерного электронного газа на границе раздела AlGaAs / InGaAs дает возможность использовать в паре с ним AlGaAs с низким содержанием алюминия

Наилучшие характеристики получены в псевдоморфных НЕМТ на InP- подложке ( структура InGaAs/InP). Простейшая структура и энергетическая диаграмма р - НЕМТ In 0,53 Ga 0,47 As/ InP представлены на рис . 22.4.

Рис . 22.4. Простейшая структура ( а ) и энергетическая диаграмма ( б ) псевдоморфного HEMT In 0,53 Ga 0,47 As/InP

В наибольшей степени их преимущества проявляются в применении к мощным устройствам , т . к . InP имеет более высокую теплопроводность , чем GaAs. Кроме того , в р - НЕМТ на InP- подложке обеспечивается большая плотность ДЭГ и большая предельная скорость электронов , что позволяет получить более высокие плотности тока .

Типовые структуры современных р - НЕМТ показаны на рис . 22.5.

Рис . 22.5. Типовые структуры современных р - НЕМТ

Канал выполнен в виде тонкого узкозонного слоя i -InGaAs и ограничен сверху и снизу чистыми широкозонными слоями спейсера и буфера ( i - InAlAs), способствующими сохранению высокой подвижности электронов в канале . Такая структура обеспечивает глубокую потенциальную яму для электронов канала и препятствует их проникновению в подложку , что

Изобретение относится к нитрид-галлиевым транзисторам с высокой подвижностью электронов (GaN HEMT) и в частности к конструкции GaN НЕМТ для высоковольтных применений. Нитрид-галлиевый транзистор с высокой подвижностью электронов выращивается на кремниевой подложке с нанесенной на нее темплейтной структурой толщиной 700-800 нм, состоящей из чередующихся слоев GaN/AlN толщиной не более 10 нм, между буферным и барьерным слоями внедряется спейсерный слой AlN толщиной не более 1 нм, на пассивационный слой наносится полевая пластина, электрически соединенная с затвором, расстояние между затвором и стоком и длина полевой пластины - взаимосвязанные величины и подбираются исходя из требуемого значения напряжения пробоя. Изобретение обеспечивает получение высоковольтного нитрид-галлиевого транзистора с высокой подвижностью электронов с высокими рабочими характеристиками при упрощении технологического цикла его создания, а также снижении требуемых для этого материальных затрат. 4 ил.

Изобретение относится к нитрид-галлиевым транзисторам с высокой подвижностью электронов (GaN HEMT) и в частности к конструкции GaN НЕМТ для высоковольтных применений.

Нитрид галлиевый транзистор с высокой подвижностью электронов являются наиболее перспективным кандидатом для элементной базы силовой и сверхвысокочастной электроники, чему способствуют большая ширина запрещенной зоны GaN, сильные встроенные поляризационные эффекты и высокая электрическая прочность GaN. Для применения в усилителях мощности и других устройствах силовой электроники необходимы транзисторы с напряжением пробоя>600 В. Главными эффектами, ограничивающими работу транзистора в высоковольтных режимах, являются возрастающие токи утечки и наличие пика в распределении напряженности электрического поля в структуре, располагающегося под стоковым краем затвора и превышающего по величине электрическую прочность материала намного ранее, чем в других областях прибора.

Известна конструкция высоковольтного GaN НЕМТ (МПК H01L 21/338, H01L 29/778, H01L 29/812; патент US 2012049243 (А1)). Недостатком предложенной конструкции является использование традиционной гетероструктуры GaN/AlGaN, не позволяющей достижения высоких плотностей токов, большие токи утечки в высоковольтном режиме работы, а также низкое напряжение пробоя такого транзистора, что делает невозможным его использование для силовых применений.

Предлагаемое изобретение направлено на упрощение технологического цикла создания высоковольтного нитрид-галлиевого транзистора с высокой подвижностью электронов, а также снижение требуемых для этого материальных затрат.

Технический результат достигается тем, что в транзисторе предложенной конструкции, состоящем из подложки, темплейтного слоя, нанесенного на подложку, буферного слоя, представляющего собой пленку GaN, нанесенного на подложку, барьерного слоя, представляющего собой пленку AlGaN, нанесенного на буферный слой, покровной пленки из GaN, нанесенной на барьерный слой, электрода исток, нанесенного на барьерный слой, электрода сток, нанесенного на барьерный слой и пространственно разделенного с истоком, электрода затвор, нанесенного на покровный слой и пространственно разделенного с истоком и стоком, пассивационной диэлектрической пленки Si₃N₄, нанесенной на покровный слой, полевой пластины прямоугольной формы, нанесенной на пассивационный слой и электрически соединенной с затвором, согласно изобретению подложка выполнена из кремния, на подложку нанесена темплейтная структура общей толщиной 700-800 нм, состоящая из чередующихся слоев GaN/AlN толщиной не более 10 нм, между буферным и барьерным слоями нанесен спейсерный слой AlN толщиной не более 1 нм, а полевая пластина нанесена на пассивационный слой и электрически соединена с затвором, при этом расстояние между затвором и стоком и длина полевой пластины - взаимосвязанные величины, подобранные исходя из требуемого значения напряжения пробоя.

Предлагаемая конструкция высоковольтного GaN HEMT имеет преимущество в использовании дешевой и технологичной, а также обладающей хорошей теплопроводностью кремниевой подложки, по сравнению с используемой в прототипе сапфировой (0.41 Вт/см*К у Al₂O₃ против 2.1 Вт/см*К у GaN и 1.5 Вт/см*К у Si). В свою очередь изменение материала подложки на кремний влечет внедрение темплейтной структуры, которая позволяет осуществить переход (из-за несоответствия параметров решеток GaN и Si ~13%) к росту слоев с высоким кристаллическим совершенством, а также приводит к подавлению таких дефектов, возникающих в эпитаксиальных слоях GaN вследствие несоответствия кристаллических решеток, как прорастающие дислокации. Темплейтный слой имеет общую толщину 700-800 нм и состоит из чередующихся слоев GaN/AlN толщиной не более 10 нм. Выбор толщины слоя проведен опытным путем и объясняется снизу - недостаточным эффектом сглаживания несоответствия параметров решеток подложки и буфера, сверху - стремлением минимизировать толщину переходного темплейтного слоя для уменьшения материальных затрат на изготовление гетероструктуры. Все это позволяет осуществлять контролируемый рост очень тонких, менее 1 нм, слоев, и ведет к надежности и высокой степени линейности характеристик созданных на такой гетероструктуре транзисторов. Для достижения требуемого рабочего значения силы тока в 10 А внедрен очень тонкий спейсер A1N. При этом благодаря поляризационным эффектам увеличивается высота барьера потенциальной ямы до ~1.9 эВ, а также разность поляризаций по сравнению с традиционной структурой AlGaN/GaN: в эквиваленте поляризационно-индуцированного слоевого заряда для x ( A l ) = 0 . 3 σ i n d ( A l N / G a N ) σ i n d ( A l G a N / G a N ) ≈ 2 . Это ведет к увеличению концентрации 2DEG более 1.5*10 13 см -2 и силы тока более 10 А. Требуемое же высокое значение напряжения пробоя более 600 В достигнуто не усложнением конструкции электродов, но оптимизацией параметров топологии, а именно расстояния сток-затвор и длины одиночной полевой пластины. Полевая пластина представляет собой электрод, нанесенный на пассивационный слой со стороны стока, и электрически соединенный с затвором. Ее применение для увеличения напряжения пробоя объясняется перераспределением при этом электрического поля, прикладываемого на затвор, и, таким образом, уменьшением полевого пика под стоковым краем затвора. Увеличение длины полевой пластины имеет эффект на величину напряжения пробоя до определенного значения, после достижения которого наступает область насыщения, поэтому важен правильный подбор соотношения между ее длиной и расстоянием между стоком и затвором. Оптимизация осуществлена расчетным путем в программном пакете системы автоматизированного технологического проектирования.

На Фиг.1. представлен пример реализации предложенного высоковольтного GaN НЕМТ, где 1 - кремниевая подложка, 2 - темплейтный слой, 3 - буферный слой, 4 - спейсерный слой, толщиной в 0.5 нм, 5 - барьерный слой, 6 - покровный слой, 7 - пассивационный слой, 8 - исток с L_s=0.2 мкм, 9 - сток с L_d=0.2 мкм, 10 - затвор с L_g=1 мкм, 11 - полевая пластина.

Достижение заданных рабочих характеристик I_ds=10 A, V_bd=700 В возможно при: - 1) L_FP=1 мкм, L_gd=5 мкм, L_ds=1.5 мкм; либо - 2) L_FP=0.1 мкм, L_gd=15 мкм, L_ds=1.5 мкм. При этом важно минимизировать длину канала транзистора для уменьшения его полного сопротивления, а длину полевой пластины подобрать соответствующей началу участка насыщения напряжения пробоя, т.к. использование этого дополнительного контакта увеличивает емкость системы затвор-канал, что ухудшает частотные характеристики транзистора. Во втором варианте реализации топологии длина полевой пластины меньше значения насыщения, но увеличено расстояние сток-затвор, что приводит к значительному (в 10 раз по сравнению с первым вариантом) повышенному тепловыделению. Поэтому предпочтителен первый вариант, где, с одной стороны, минимизирована длина канала, а с другой, использована максимально допустимая длина полевой пластины при соответствующих остальных параметрах топологии.

На Фиг.2. изображено уменьшение пика напряженности электрического поля при увеличении расстояния сток-затвор и неизменных остальных параметрах топологии вследствие увеличения расстояния, на котором распределяется поле, приложенное к стоку, где распределение поля соответствует расстоянию сток-затвор: 1-1 мкм, 2-3 мкм, 3-5 мкм, 4-10 мкм.

На Фиг.3. изображено уменьшение пика напряженности электрического поля при увеличении длины полевой пластины при L_gd=5 мкм и L_ds=1.5 мкм вследствие перераспределения прикладываемого электрического поля вдоль полевой пластины. Распределение поля соответствует длине полевой пластины: 1 - без полевой пластины, 2 - 0.2 мкм, 3 - 0.4 мкм, 4 - 0.6 мкм, 5 - 0.8 мкм, 6 - 1.0 мкм. Из графика видно, что эффект от внедрения полевой пластины быстро уменьшается при увеличении ее длины.

На Фиг.4. изображена зависимость напряжения пробоя GaN HEMT с L_g=1 мкм, L_gd=5 мкм, L_ds=1.5 мкм от длины полевой пластины. Видно, что после увеличения ее длины до 1 мкм дальнейшее увеличение приводит в область насыщения и даже наблюдается небольшой спад V_bd, что можно объяснить сближением полевого пика на крае полевой пластины со стоковым электродом, приводящим к уменьшению эффективной длины сток-затвор.

Достижение заявленных рабочих характеристик (I_ds=10 A, V_bd>600 В) транзистором предложенной конструкции проверено с помощью анализатора Agilent PNA E8364A. Экспериментальный анализ линейки транзисторов с варьируемой длиной полевой платы также подтвердил результаты расчетов о наличии области насыщения напряжения пробоя по длине полевой пластины (Фиг.4).

Указанные изменения, внесенные в конструкцию прототипа, в совокупности позволяют создание GaN HEMT с требуемыми высокими характеристиками (I_ds=10 A, V_bd>600 В), но при этом приводят к упрощению технологического процесса создания транзистора, и, как следствие, снижению материальных затрат.

Высоковольтный нитрид-галлиевый транзистор с высокой подвижностью электронов, состоящий из подложки, буферного слоя, представляющего собой пленку GaN, нанесенного на подложку, барьерного слоя, представляющего собой пленку AlGaN, нанесенного на буферный слой, покровной пленки из GaN, нанесенной на барьерный слой, электрода исток, нанесенного на барьерный слой, электрода сток, нанесенного на барьерный слой и пространственно разделенного с истоком, электрода затвор, нанесенного на покровный слой и пространственно разделенного с истоком и стоком, пассивационной диэлектрической пленки Si₃N₄, нанесенной на покровный слой, полевой пластины прямоугольной формы, отличающийся тем, что подложка выполнена из кремния, на подложку нанесена темплейтная структура общей толщиной 700-800 нм, состоящая из чередующихся слоев GaN/AlN толщиной не более 10 нм, между буферным и барьерным слоями нанесен спейсерный слой AlN толщиной не более 1 нм, а полевая пластина нанесена на пассивационный слой и электрически соединена с затвором, при этом расстояние между затвором и стоком и длина полевой пластины - взаимосвязанные величины и подобраны исходя из требуемого значения напряжения пробоя.

Читайте также: