Гетероструктурные полевые транзисторы на основе широкозонных полупроводников

 

Если для малошумящего приема радиосигналов используются только полупроводниковые элементы, то для передачи мощных высокочастотных сигналов до сих пор применяются вакуумные лампы. В одном полупроводниковом приборе получить большую выходную мощность высокочастотного сигнала не удается. Сложение мощностей высокочастотных модулированных сигналов – это непростая техническая задача. Разработки мощных высокочастотных полевых транзисторов ведутся на основе гетероструктур широкозонных полупроводников типа AlN, GaN и их твердых растворов AlGaN. Увеличение выходной мощности достигается за счет следующих свойств материалов:

· использование подложек с высокой теплопроводностью (карбид кремния SiC);

· высокая допустимая рабочая температура (выше 200°С);

· высокие рабочие напряжения (50¸60 В) обеспечивающиеся шириной запрещенной зоны.

Полевые гетероструктурные транзисторы на основе арсенидов (GaAs, AlAs) работают при напряжениях 15¸20 В и отдают в нагрузку до 20 Вт мощности. Экспериментальные образцы транзисторов на основе нитридов (GaN, AlN) выдерживают напряжение до 120 В и выходную мощность до 150 Вт.

Вертикальная структура мощного высокочастотного транзистора принципиально не отличается от структуры малошумящего. Основные отличия состоят в толщинах слоев и размерах топологических элементов. Вертикальная структура широкозонного мощного транзистора включает:

· подложку из карбида кремния (SiC);

· переходный слой AlGaN;

· активный слой GaN (N типа проводимости);

· донорный слой AlGaN (N- типа);

· контактный слой GaN (N⁺- типа).

Подвижность носителей в активном слое 2¸3∙10³ см²/В∙с.

Широкозонные полупроводники исследуются так же как технологическая основа полупроводниковых приборов с размерами элементов менее 10 нм. Увеличенные потенциальные барьеры в структуре многократно уменьшают ток утечки. Основная технологическая проблема – это омические контакты. Техника широкозонных полупроводников развивается очень быстро. В 2005 году Департамент научных исследований министерства обороны США принял              10 - летнюю программу развития военной микроэлектроники на основе широкозонных полупроводников. В 2014 году должно быть налажено серийное производство микросхем на их основе. Исследования приборов и технологии широкозонных полупроводников ведутся и в Российской Академии наук.

Микросхемы на основе гетероструктур кремний - германий

 

Твердый раствор кремний - германий имеет ширину запрещенной зоны в диапазоне от 1,12 до 0,8 эВ в зависимости от молярной доли компонентов. Гетероструктуры на кремниевых пластинах получаются с использованием тонких слоев SiGe с шириной запрещенной зоны около 0,9 эВ.

С точки зрения физики полупроводников эти гетероструктуры меньше подходят для создания приборов, чем соединения группы А₃В₅. Подвижность носителей ниже и разность в ширине запрещенной зоны значительно меньше. Однако возможность использования высокоразвитой кремниевой технологии позволяет создавать гетероструктурные микросхемы высокой степени интеграции, включающие как биполярные, так и КМОП - транзисторы. В схемах на основе полупроводников А₃В₅ это пока недостижимо. Биполярные транзисторы с базой из SiGe по быстродействию почти сравнялись с гетероструктурными биполярными транзисторами на полупроводниках А₃В₅. МОП - транзисторы на SiGe имеют быстродействие, сравнимое с лучшими кремниевыми образцами, и значительно уступают транзисторам с высокой подвижностью электронов. Свои схемотехнические преимущества гетероструктуры со слоями SiGe проявляют в сложных аналого-цифровых микросхемах.

Технология гетероструктур со слоями SiGe появилась позднее, чем на полупроводниках типа А₃В₅. Это связано с большой сложностью молекулярной эпитаксии слоев SiGe. Совместимость технологии гетероструктур с типовой кремниевой технологией играет решающую роль в ее развитии.

Рассмотрим подробнее физические структуры полупроводниковых приборов. Вертикальная структура биполярного n – p – n - транзистора с базой в слое SiGe включает:

· переходный слой кремния p - типа;

· скрытый слой кремния n ⁺ - типа;

· коллекторный слой кремния n - типа;

· базовый слой кремний-германийя p - типа;

· эмиттерный слой кремния n - типа, в котором диффузией локально создается область n ⁺ - эмиттера.

Сечение структуры n – p – n - транзистора с боковой диэлектрической изоляцией и самосовмещением контактов к базе и эмиттеру. Структура идентична структуре обычного кремниевого высокочастотного транзистора. Главное отличие состоит в уменьшении пролетного времени в базе (больше коэффициент диффузии электронов, меньше толщина слоя), а также в уменьшении базового сопротивления. Сопротивления кремниевых областей и емкости переходов практически совпадают с этими параметрами кремниевых транзисторов.

Основная проблема создания МОП - транзисторов со слоями SiGe состоит в сложности формирования подзатворного диэлектрика требуемого качества. Обычно в гетероструктуре поверх нелегированного слоя SiGe выращивается тонкий слой Si. При окислении этого слоя и создается подзатворный диэлектрик. Тем не менее, инверсный канал МОП - транзистторов появляется в узкозонном слое SiGe. Тонкий остаточный слой кремния у поверхности проявляет себя как дополнительный слой подзатворного диэлектрика. При увеличении напряжения на затворе может появиться второй проводящий канал на границе SiO₂ – Si.

Слой кремния под затвором МОП - транзистора создает дополнительные трудности по масштабному уменьшению размеров приборов, так как вертикальная структура заведомо толще. Воспроизводимость параметров МОП - транзисторов также хуже. Минимальная длина затвора МОП - транзистора со слоем SiGe в       2005 г. составляла 0,18 мкм. Преимущество в быстродействии достигается за счет подвижности носителей в нелегированном слое SiGe.

Функциональные приборы и устройства

 

Основные определения

 

Функциональные блоки микроэлектронных устройств обычно представляют собой набор полупроводниковых приборов, соединенных металлическими проводниками. Информация представлена в форме токов и напряжений в проводниках. Основные функции достигаются построением и реализацией соответствующего алгоритма. Такие блоки и устройства называются схемотехническими.

Однако существуют электронные устройства, основные функции которых выполняются за счет свойств используемых материалов. Эти функции связаны с возникновением в твердых телах динамических неоднородностей. Динамическая неоднородность – локальный объем в непрерывной среде с отличными от окружения свойствами. Динамическая неоднородность не имеет внутри себя статических неоднородностей и возникает в результате определенных физических воздействий. При перемещении и взаимодействии динамических неоднородностей может происходить перенос и обработка информации. Приборы и устройства, основанные на процессах управления динамическими неоднородностями в твердых телах, называются функциональными.

Поскольку физические величины по своей природе являются аналоговыми, то в функциональных приборах происходит аналоговая обработка информации. Замечательным свойством функциональных приборов является возможность простой реализации функций высшего порядка. К функциям высшего порядка можно отнести преобразование Фурье, операции сверки, корреляции, фильтрации, задержки сигналов и др. Для замены таких устройств цифровыми вычислителями потребуется производительность до 10¹⁵ операций в секунду, что невозможно реализовать технически и бессмысленно с точки зрения экономики.

Типовая конструкция функционального прибора включает твердотельный элемент (активную среду), в котором формируются динамические неоднородности, а также генератор неоднородностей, устройство управления, детектор неоднородностей.

В функциональных приборах основные функции определяются формулами, описывающими физические процессы в твердых телах.

В сложных системах используются как функциональные, так и схемотехнические приборы и устройства. Номенклатура и возможности функциональных устройств постоянно расширяются. В зависимости от того, какие физические процессы в твердых телах используются для управления и преобразования информации, выделяются и основные направления функциональной электроники:

· оптоэлектроника;

· акустоэлектроника;

· магнитоэлектроника;

· микромеханика;

· сверхпроводниковая электроника и др.

Номенклатура функциональных приборов очень велика. Ниже мы рассмотрим некоторые распространенные функциональные приборы и устройства на их основе.