Tranzistor s vysokou pohyblivostí elektronů

Tranzistor s vysokou pohyblivostí elektronů (HEMT ) je tranzistor s efektem pole , který využívá kontaktu dvou polovodičových materiálů s různými mezerami v pásmu k vytvoření kanálu (místo dotované oblasti jako u konvenčních MOSFETů ) [1] . V domácí i zahraniční literatuře jsou taková zařízení často označována jako HEMT – z angl. Tranzistor s vysokou pohyblivostí elektronů . V závislosti na struktuře se také používají podobné názvy: HFET , HEMFET , MODFET , TEGFET , SDHT . Jiné názvy těchto tranzistorů: tranzistory s řízeným polem s řídicím přechodem kov -polovodič a heteropřechod, tranzistory HMeP, tranzistory s řízeným polem s modulovaným dotováním, selektivně dopované heterostrukturní tranzistory (SLHT) .

Historie vytvoření

Takashi Mimura ( japonsky: 三村高志; Fujitsu , Japonsko) je obecně považován za vynálezce HDPE [2] . Ray Dingle a jeho spolupracovníci z Bell Laboratories však také významně přispěli k vynálezu HDPE.

Struktura

Obrázek ukazuje strukturu HEMT tranzistoru v řezu. Nedopovaná vrstva pufru GaAs se pěstuje na poloizolačním substrátu arsenidu galia (GaAs) . Na něm je napěstována tenká vrstva polovodiče s odlišnou mezerou v pásmu - InGaAs , takže se vytvoří oblast dvourozměrného elektronového plynu (2DEG). Shora je vrstva chráněna tenkou distanční vložkou na bázi arsenidu hliníku a galia Al x Ga 1 – x As (dále AlGaAs ). Nahoře je vrstva n-AlGaAs dotovaná křemíkem a vrstva silně dotovaná n + -GaAs pod odtokovými a zdrojovými polštářky. Kontakt brány je blízko oblasti 2D elektronového plynu.

Běžné materiály pro HDPE jsou kombinací GaAs a AlGaAs, i když jsou možné významné odchylky v závislosti na účelu zařízení. Například zařízení s vysokým obsahem india obecně vykazují lepší výkon při vysokých frekvencích, zatímco v těch druhých[ kdy? ] let došlo k masivnímu nárůstu výzkumu a vývoje nitridu galia (GaN) HDPE díky jejich lepší výkonnosti při vysokých výkonech. Existuje poměrně málo izostrukturálních analogů GaAs - polovodičových materiálů s periodou krystalové mřížky blízkou GaAs . To umožňuje použít GaAs jako základ pro vytvoření široké třídy heterostrukturních tranzistorů s vynikajícími vlastnostmi. Parametry některých těchto materiálů jsou uvedeny v tabulce 1.

Tabulka 1. Parametry některých polovodičových materiálů používaných k výrobě heterostruktur na bázi GaAs.

Polovodič	Parametr mřížky , nm $a_{0}$	Pásmová mezera , eV $\Delta E_{\text{g))$	Mobilita elektronů , cm 2 / V s $\mu _{n}$	Pohyblivost otvorů , cm 2 / V s $\mu _{p}$
GaAs	0,5654	1.42	8500	420
Běda	0,5661	2,95	n/a	n/a
Ge	0,5658	0,67	3800	1820
InP	0,5869	1.26	4600	150
InAs	0,6057	0,35	27 000	450
AlSb	0,6135	2.5	n/a	n/a
InSb	0,6479	0,17	78 000	750

Kromě těch, které jsou uvedeny v tabulce, jsou široce rozšířeny různé pevné roztoky (Al x Ga 1 – x As, Ga x In 1 – x As, Ga x In 1 – x P, Al x In 1 – x As a další). slouží k vytváření heterostruktur.

Vytvoření heteropřechodu v HDPE

Obvykle se pro vytvoření heteropřechodu vybírají materiály se stejným parametrem krystalové mřížky (vzdálenosti mezi atomy). Analogicky si představte, že do sebe zapadáte dva hřebeny s mírně odlišnou roztečí mezi zuby. Po určitých intervalech se dva zuby překrývají. V polovodičích hrají takové neshody roli nosných „pastí“ a výrazně snižují výkon zařízení. Ve skutečnosti je téměř nemožné zachytit pár různých p/p, které by dokonale odpovídaly jak krystalovým strukturám , tak koeficientům tepelné roztažnosti . Na rozhraní heteropřechodu se proto obvykle vyskytují mechanická napětí , která způsobují výskyt chybných dislokací, které vytvářejí hraniční stavy na rozhraní. Dokonce i tak dobře sehraný pár jako Ge a GaAs vykazuje plastickou deformaci . Proto se k vytvoření struktury používají pevné roztoky . Například nahrazení Ge pevným roztokem Ge 0,98 Si 0,02 vede ke snížení napětí na rozhraní na úroveň, která vylučuje možnost plastické deformace GaAs a zlepšuje vlastnosti heteropřechodu: jeho zpětný proud prudce klesá.

U HEMT tranzistorů se nejčastěji používá heteropřechod GaAs-AlGaAs. S nárůstem relativního obsahu Al v tuhém roztoku AlGaAs se pásmová mezera postupně zvětšuje. Pro složení s x = 0,3 ∆Ez = 1,8 eV je rozdíl v zakázaném pásmu ~0,38 eV. Díky dobrému přizpůsobení krystalových mřížek GaAs a AlGaAs je v heteropřechodu zajištěna nízká hustota povrchových stavů a defektů. Z těchto důvodů je dosahováno velmi vysoké mobility pro elektrony nahromaděné v oblasti akumulace hradla ve slabých elektrických polích , blízké mobilitě objemu pro nedopovaný GaAs [(8..9)⋅10 3 cm 2 /V•s při T = 300 K] . Navíc se tato pohyblivost prudce zvyšuje s klesající teplotou, protože v nedopovaných GaAs převládá mřížkový rozptyl.

Mobilita elektronů v kanálu se také zvyšuje díky dodatečné mezivrstvě (spacer) mezi kanálem GaAs a bariérou AlGaAs. Spacer je tenká (několik nm) oddělující vrstva nedopovaného Al x Ga 1-x As. Podporuje lepší prostorovou separaci dvourozměrného elektronového plynu a rozptylových center mezi nedopovanými GaAs a dotovanými Al x Ga 1-x As donory. Koncentrace rozptylových center v nedotované vrstvě je nižší než v dotované vrstvě, takže pohyblivost elektronů akumulovaných v saturační oblasti hradla se dále zvyšuje. V tomto případě vlnová funkce elektronů v kanálu nepronikne do bariéry, ale rozpadne se v spaceru. V tomto případě se rozptyl nosiče na bariéře snižuje. Zavedením distanční vložky se také zlepšuje ohmický kontakt, což vede ke zvýšení limitu pracovní frekvence téměř k teoretické hranici. [3]

Rovnovážný energetický diagram heteropřechodu mezi nedopovaným GaAs a dotovaným donorovými nečistotami, například Si, Al x Ga 1-x As

V nedopovaném GaAs je hladina Fermi umístěna téměř uprostřed zakázaného pásu a v dopovaném Al x Ga 1-x As blízko spodní části vodivostního pásma (Ec ) . V GaAs se na rozhraní 5 tvoří oblast 3 s minimální energií elektronů 2-x p/p. Volné elektrony atomů ionizovaných nečistot se „valí“ do této oblasti z p/n se širším bandgapem. V důsledku toho dojde k prostorové separaci elektronů a atomů ionizovaných nečistot, které je kompenzují. Elektrony nahromaděné v oblasti 3 jsou v potenciálové jámě a ve slabých elektrických polích se mohou pohybovat pouze podél hranice 5 v rovině kolmé k rovině obrázku. Soubor elektronů v oblasti 3 se proto nazývá dvourozměrný elektronový plyn , čímž se zdůrazňuje, že ve slabých polích se tyto e − nemohou pohybovat ve třetím rozměru, to znamená, že se nemohou pohybovat například z oblasti 3 do oblasti 4. , protože tomu brání potenciální bariéra ∆ E c ≈ (0,6 ÷ 0,65) (∆E s2 - ∆E s1 ).

Teplotní závislost mobility elektronového plynu. 1 - heterostruktura; 2 - GaAs. Obrázek 2 (křivka 1) ukazuje teplotní závislost mobility elektronového plynu získané v tomto případě. Při teplotách kapalného dusíku (77 K) a kapalného helia (4 K) se μn zvyšuje na 1,4⋅10 5 a 2⋅10 6 cm²/V•s, v tomto pořadí. Stejný obrázek (křivka 2) ukazuje teplotní závislost μn v GaAs o koncentraci Nd = 1017 cm – 3 .

Pseudomorfní heteropřechod

HDPE, ve kterém není dodrženo pravidlo korespondence parametru krystalové mřížky heteropřechodních vrstev, se nazývá pseudomorfní (pTVPE nebo pHEMT). K tomu je vrstva jednoho z materiálů vyrobena velmi tenká - natolik, že jeho krystalová mřížka je jednoduše natažena, aby odpovídala druhému materiálu. Tato metoda umožňuje vyrábět struktury se zvýšeným rozdílem zakázaného pásu, což je jinak nedosažitelné. Taková zařízení mají zlepšený výkon.

Metamorfní heteropřechod

Dalším způsobem, jak kombinovat materiály s různými mřížkami, je umístit mezi ně nárazníkovou vrstvu. To se používá v metamorfním HDPE (mHPE nebo mHEMT). Tlumicí vrstva je AlInAs, s koncentrací india zvolenou tak, aby mřížku tlumivé vrstvy bylo možné sladit jak se substrátem GaAs, tak s kanálem InGaAs. Výhodou této struktury je možnost vybrat téměř libovolnou koncentraci india pro vytvoření kanálu, to znamená, že zařízení lze optimalizovat pro různé aplikace (nízká koncentrace india poskytuje nízký šum a vysoká koncentrace india poskytuje větší stupeň zisku) .

Jak to funguje

Obecně se dopanty používají k vytvoření vodivosti v polovodičích. Výsledné vodivostní elektrony však zažívají kolize s jádry nečistot, což nepříznivě ovlivňuje pohyblivost nosičů a rychlost zařízení. U HDPE je tomu zabráněno díky skutečnosti, že elektrony s vysokou pohyblivostí jsou generovány na heteropřechodu v kontaktní oblasti vysoce dotované donorové vrstvy typu N se širokou bandgap (v našem příkladu AlGaAs) a nedotované kanálové vrstvy s úzký bandgap bez jakýchkoli příměsí (v tomto případě GaAs).

Elektrony produkované v tenké vrstvě typu N jsou zcela přeneseny do vrstvy GaAs, čímž se vrstva AlGaAs vyčerpá. K vyčerpání dochází v důsledku ohýbání potenciálního reliéfu v heteropřechodu - mezi polovodiči s rozdílným zakázaným pásmem vzniká kvantová jáma . Elektrony se tak mohou rychle pohybovat bez kolizí s nečistotami v nedopované vrstvě GaAs. Vzniká velmi tenká vrstva s vysokou koncentrací vysoce mobilních elektronů, které mají vlastnosti dvourozměrného elektronového plynu (2DEG). Odpor kanálu je velmi nízký a pohyblivost nosičů v něm je vysoká.

Stejně jako u jiných typů tranzistorů s efektem pole mění napětí aplikované na hradlo HDPE vodivost vrstvy kanálu.

Princip činnosti TVPE - tranzistoru je podobný principu činnosti tranzistoru MeP. Mezi kovovým hradlem a pod ním umístěnou vrstvou AlGaAs vzniká řídící přechod Kov - Polovodič (dále jen Me - p / p). Oblast vyčerpání tohoto přechodu se nachází hlavně ve vrstvách AlGaAs. Kanál normálně otevřeného tranzistoru at je vytvořen v nedotované vrstvě GaAs na hranici heteropřechodu v oblasti akumulace dvourozměrného elektronového plynu. Působením řídicího napětí se mění tloušťka ochuzené oblasti přechodu Me-p/n, koncentrace elektronů ve 2DEG a odtokový proud. Elektrony vstupují do oblasti akumulace ze zdroje. Při dostatečně velkém záporu (v absolutní hodnotě) se oblast vyčerpání rozšíří natolik, že překryje oblast nasycení elektronů. Vypouštěcí proud se zastaví. $U_{\text{gs}}<0$ $U_{\text{gs))$ $U_{\text{gs}}=U_{f}$

V normálně uzavřeném tranzistoru kvůli tenčí tloušťce horní vrstvy AlGaAs v , není žádný vodivý kanál, protože oblast nasycení dvourozměrného elektronového plynu je blokována oblastí vyčerpání řídicího přechodu. Kanál se objeví na nějaké kladné hodnotě , když se oblast vyčerpání řídicího přechodu zúží natolik, že jeho spodní hranice spadne do oblasti akumulace elektronů. $U_{\text{gs}}=0$ $U_{\text{gs}}=U_{f}$

Charakteristika

Charakteristiky hradla normálně otevřených (1) a normálně uzavřených (2) tranzistorů jsou znázorněny na obrázku 4. Vzhledem k vysoké pohyblivosti elektronů a nízké prakticky v celém rozsahu U gs , saturace rychlosti driftu elektronů v kanálu ( V sat ) je dosaženo lineární závislosti Ic na U gs . $L_{\text{g))$

I_{c}=S^{*}\cdot (U_{g}-U_{f}-E_{kp}L_{g})

kde je kritická intenzita pole; ${\displaystyle E_{kp))$

S^{*}=S/(1+R_{s}\cdot S)

kde je odpor zdroje, . $R_{s}$ $S=\epsilon _{0}\epsilon _{f}^{2}V_{sat}\cdot b/dk$

Pro křivku (1) S*/b = 117 mS/mm, pro křivku (2) — 173 mS/mm. Větší hodnota strmosti n.z. tranzistor je kvůli menší tloušťce Al x Ga 1-x As dopován donory .

Důležitou výhodou HEMT tranzistorů oproti struktuře MeP tranzistorů je nižší hustota povrchových stavů na rozhraní mezi Al x Ga 1-x As a dielektrikem a větší výška Schottkyho bariéry (φ 0g ≈ 1 PROTI). Díky nižší hustotě povrchových stavů se snižuje negativní povrchový náboj a tloušťka vyčerpaných oblastí v mezerách SOURCE-GATE a GATE-DRAIN. To umožňuje získat nižší parazitní odolnost vyčerpaných oblastí bez vlastní náhody. Vzhledem k větší výšce Schottkyho bariéry je pro HEMT tranzistory možné větší (až 0,8 V) propustné napětí U gs , což je důležité zejména pro normálně uzavřené tranzistory, jejichž provozní napětí na hradlech se mohou měnit pouze v úzký rozsah, shora omezený napětím regulačního přechodu Me - p / p. Impulsní a frekvenční vlastnosti HEMT tranzistorů jsou dány především dobou letu elektronů kanálem, kde se pohybují saturační rychlostí: . Při T = 300 K ≈ 2∙10 7 cm/s. S klesající teplotou se rychlost nasycení zvyšuje podle zákona ~ 1/T. Jedním z nejdůležitějších parametrů charakterizujících rodinu logických integrovaných obvodů je součin rychlosti a výkonu ( ), který je součinem výkonu rozptýleného jedním ventilem a doby zpoždění v tomto ventilu. Další srovnávací charakteristikou je součin výkonu rozptýleného jedním ventilem a druhé mocniny doby zpoždění v tomto ventilu ( ), která je součinem energie a času. Tabulka 2 ukazuje srovnávací charakteristiky integrovaných obvodů CMOS, MeP, HEMT při pokojové teplotě. ${\displaystyle \tau _{k}=L_{g}/V_{sat))$ ${\displaystyle V_{sat))$ ${\displaystyle V_{sat))$ ${\displaystyle P\times \tau _{k))$ ${\displaystyle P\times \tau _{k}^{2))$

Tabulka 2. Srovnávací charakteristiky integrovaných obvodů CMOS, MeP, HEMT při pokojové teplotě.

typ tranzistoru	l k , µm (L g , µm)	Р, mW/vent	$\tau_{k}$ , ns	${\displaystyle P\times \tau _{k))$ , J∙10 −15 (fJ)	${\displaystyle P\times \tau _{k}^{2))$ , J∙s∙10 −26
MeP	0,3	0,75	16	12	19.2
HEMT	1,0	1.1	12.2	13.4	16.4
CMOS	1,0	1.8	padesáti	90	450

Hlavní nevýhody HDPE jsou setrvačnost hradla a rozpad hradla .

Aplikace

Rozsah TVET, stejně jako kov-polovodičové tranzistory s efektem pole ( angl. MESFET ) - komunikace v mikrovlnném a milimetrovém vlnovém rozsahu, radar a radioastronomie , od mobilních telefonů [4] a širokopásmových satelitních přijímačů až po elektronické detekční systémy - to je každé zařízení, které vyžaduje vysoký stupeň zesílení signálu a nízký šum na vysokých frekvencích. HDPE jsou schopny zesílit proud při frekvencích nad 600 GHz a výkonové zesílení při frekvencích nad 1 THz. V dubnu 2005 byly demonstrovány heterojunkční bipolární tranzistory ( angl. HBT ) s proudovým zesílením na frekvencích nad 600 GHz. V lednu 2010 skupina vědců z Japonska a Evropy představila terahertzový HDPE s pracovní frekvencí (při plné poloviční šířce FWHM) 2,5 THz [5]

Několik společností po celém světě vyvíjí a vyrábí zařízení z HDPE. Mohou to být samostatné tranzistory, ale častěji se vyrábějí zařízení ve formě monolitického integrovaného obvodu (mikrovlnný MIS, eng. MMIC ).

Poznámky

↑ Text PersT 6_8 (nepřístupný odkaz)
↑ Mimura, T. Raná historie tranzistoru s vysokou pohyblivostí elektronů (HEMT) . IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 50 3 780-782 (2002). doi: 10.1109/22.989961
↑ Text PersT 6_18 (nepřístupný odkaz)
↑ ZVLÁŠTNÍ PODMÍNKY : tranzistor _ A. F. Ioffe (nepřístupný odkaz) Archivováno 18. ledna 2014.
↑ Ovládání hradlové frekvence terahertzového tranzistoru // Semiconductor Today (28. ledna 2010 )

Viz také

Literatura

Sheng S. Li. Polovodičová fyzikální elektronika. - Druhé vydání. - Springer, 2006. - 708 s. — ISBN 978-0387-28893-2 .

Odkazy

Tranzistory s efektem pole s řízeným přechodem kov-polovodič a heteropřechodem .

V bibliografických katalozích	GND : 4211873-6