СВЧ-транзисторы и их применение

Рис. 30

Структура базовой IGBT-ячейки представлена на рис. 31, а и содержит в стоковой области дополнительный p+-слой, образующий p n p-биполярный транзистор с очень большой площадью коллектора (для коммутации значительных токов). При закрытом состоянии (минус на затворе) внешнее напряжение приложено к обеднённой области эпитаксиального n--слоя. При подаче на изолированный затвор положительного смещения возникает проводящий канал в р-области (на рис. 31,а обозначен пунктирной линией) и включается соответствующий МДП-транзистор, обеспечивающий открытие биполярного p n p-транзистора. Между внешними выводами коллектора и эмиттера начинает протекать ток. При этом ток стока МДП-транзистора оказывается усиленным в ( + 1) раз. При включенном биполярном транзисторе в n--область идут встречные потоки носителей, что ведет к уменьшению сопротивления этой области и уменьшению остаточного напряжения на приборе.



а) б)

Рис. 31

Напряжение на открытом приборе складывается из напряжения на прямосмещенном эмиттерном переходе p n p-транзистора (диодная составляющая) и падения напряжения на сопротивлении модулируемой n--области (омическая составляющая):

UКЭ откр UБЭ p-n-p + IБRМДП = UБЭ тp-n-p + IКRМДП/( + 1),

где RМДП сопротивление MOSFET-транзистора в структуре IGBT (сопротивление эпитаксиального n--слоя); коэффициент передачи базового тока биполярного p n p-транзистора.

В настоящее время для уменьшения падения напряжения на IGBT-транзисторах в открытом состоянии, расширения диапазонов допустимых токов, напряжений и области безопасной работы их изготавливают по технологии с вертикальным затвором trench-gate technology (рис. 31,б). При этом размер элементарной ячейки уменьшается в 2 5 раз.

Типичные значения времени рассасывания накопленного заряда и спада тока при выключении IGBT-транзисторов находятся в диапазонах 0,2 0,4 и 0,2 1,5 мкс соответственно. Область безопасной работы современных IGBT-транзисторов позволяет успешно обеспечить их надежную работу без применения дополнительных цепей формирования траектории переключения при частотах от 10 до 20 кГц.

Типовые выходные ВАХ IGBT-транзисторов приведены на рис.32.

Рис. 32

Следует отметить, что IGBT-транзисторы не так чувствительны к электростатическому пробою, как, например, КМОП-приборы, однако производить монтажные работы с ними необходимо в антистатическом браслете, а для защиты затвора от статического пробоя в схеме необходимо подключать параллельно цепи “затвор-эмиттер” резистор сопротивлением 10 20 кОм.

Условные графические обозначения IGBT-транзисторов, используемые различными производителями при их изображении на принципиальных схемах электронных устройств, приведены на рис. 3

Рис. 33

Компания International Rectifier (IR) выпускает четыре семейства силовых IGBT-транзисторов с учётом диапазонов рабочих частот: Standart, Fast, UltraFast, Warp (табл. 2).

Таблица 2

Сравнительные характеристики различных семейств IGBT-транзисторов компании IR

Параметр	Семейство IGBT-транзисторов
	Standart	Fast	UltraFast	Warp
Uкэ, В	1,3	1,5	1,8	2,1
Энергия переключения, мДж/А мм2	0,54	0,16	0,055	0,03
Статические потери, Вт	0,625	0,75	0,95	1,1

Транзисторы семейства Standart оптимизированы по минимуму падения напряжения на ключе и статическим потерям, а транзисторы семейств UltraFast и Warp оптимизированы (для ВЧ-цепей) по минимуму динамических потерь. Малая энергия переключения позволяет использовать транзисторы семейства Warp вплоть до частоты 150 кГц, а транзисторы семейства UltraFast до частоты 60 кГц при приемлемом уровне динамических потерь.

Жёсткие условия эксплуатации могут касаться и температурного режима, для которого полупроводник SiC практически незаменим. Можно отметить, что объём рынка высокотемпературной электроники в 2003 году составил 400 млн. долларов и по прогнозам к 2008 году увеличится более чем в 2 раза. Это заставляет разработчиков интенсивно вести исследования в области SiC-технологий. Наиболее сложным остается вопрос получения надежного электрического контакта (поскольку при Т 500 ОС металлизация контакта деградирует из-за взаимной диффузии между слоями, окисления контакта и композиционных и микроструктурных изменений на границе раздела металл-полупроводник). Варианты с вакуумированием многократно увеличивают стоимость и габариты транзисторов, делая их непригодным к широкому применению.

Применение трехслойной металлизации политипа 6H-SiC Ti (100 нм)/ТаSi2 (200 нм)/Рt (300 нм) позволяет получать температурно стабильные ВАХ прибора и омические сопротивления контакта на воздухе в течение более 600 часов при 500 OС. Особенностью такого контакта является то, что первоначальное окисление Si создает механизм образования критического диффузионного барьера, предотвращающего дальнейшее проникновение кислорода в слой металлизации. Такое решение предложено центром NASA (Glenn Research Center). Оно делает возможным создание высокотемпературных приборов с пластмассовыми корпусами либо в бескорпусном виде.

Важным направлением является и создание SiC-интегральных схем, при этом наибольший интерес представляет CMOS-технология на основе карбида кремния, обеспечивающая низкую потребляемую мощность, высокие радиационную и тепловую стойкости. Первая технология SiC CMOS ИС была представлена компанией Cree Research в 1996 году, однако проблемы, связанные с высоким пороговым напряжением рMOSFET-транзисторов, не позволили использовать данную технологию для серийного производства.

Чрезвычайно высокая стоимость SiC-пластин является главным препятствием для внедрения разработанной технологии при производстве приборов с частотным диапазоном менее 6 ГГц (табл. 3). Проблема эта актуальна не только для SiC-транзисторов, но и для всех мощных приборов на основе широкозонных полупроводников. Действительно, большая плотность мощности означает малую площадь теплосъёма, что требует применения подложек с высокой теплопроводностью. Одним из лучших с этой точки зрения материалов остается SiC. Поэтому сегодня практически все GaN-приборы с рекордными характеристиками выполнены именно на SiC-подложках.

По состоянию на 2004 год 85 % рынка SiC-подложек принадлежало компании Сrее, которая первой начала производство 4Н-SiC-пластин, используемых главным образом для изготовления светодиодов. Подложки 6Н-SiC в США в промышленном масштабе производит только компания с необычным названием II-VI.

Таблица 3

Подложки для приборов на широкозонных полупроводниках

Материал	4HSIC	AIN	GaN	GaAs	Si
Ширина Е, эВ	3,26	6,2	3,36	1,42	1,12
Теплопроводность, Вт/(смК)	4,9	3,4	1,3	0,6	1,3
Напряженность поля пробоя, МВ/см	4,9	3,4	1,3	0,6	1,3
Диаметр производимых пластин, мм	75	25	50	150	300
Цена пластин, долл./дюйм2	700	> 1000	> 1000	< 10	1

При этом стоимость 75-мм полуизолирующей SiC-пластины колеблется от 4 до 5 тыс. долл. К началу 2005 года первые шаги на коммерческом рынке SiC-пластин сделали еще несколько компаний DowCorning (США), SiXon (Япония), SiCrystal (Германия) и Okmetic (Финляндия). А фирмы Сrее и II-VI объявили о запуске линий изготовления 100-мм SiC-пластин, но всё это пока не изменило рыночной ценовой ситуации.

Положение с ценой на GaN-подложки не проще, хотя такой материал и уступает по теплопроводности SiC, но в качестве подложки для GaN-приборов предпочтителен благодаря структурному соответствию. Сегодня проводящие GaN-подложки диаметром не более 50 мм производят лишь три компании ATMI, Kyma, Sumitomo, но цены их высоки, число пластин ограничено, а плотность их дефектов не отвечает требованиям, предъявляемым к пластинам для крупномасштабного производства. Положение с полуизолирующими GaN-подложками ещё сложнее.

AIN-пластины в промышленных масштабах во всем мире производит только компания Crystal IS (США) и только диаметром 25 мм. Надежда, что в скором времени это положение изменится, имеется, тем более что ведутся активные работы по созданию подложек на основе искусственных алмазов.

В то же время значительные успехи достигнуты в области создания GaN-приборов на недорогих Si-подложках с кристаллографической ориентацией [111]. Лидером освоения и коммерциализации GaN-эпитаксиальных структур на таких подложках выступила компания Ni-tronex. На её подложках фирма TriQuint Semiconductor уже создала МИС двухкаскадного усилителя Х-диапазона мощностью 25 Вт. Ширина затвора транзистора в выходном каскаде составляет 11,4 мм, размер кристалла 3х4,5 мм. Мощность 25 Вт в импульсном режиме была достигнута на частоте 10 ГГц при напряжении стока 30 В и усилении 15 дБ, КПД 21 %.

В заключение следует сказать и о технологиях, которые с определённой уверенностью можно отнести к перспективным.

4.4 Антимониды и арсенид индия

Вплоть до недавнего времени заметного прогресса в области создания AlSb/InAs/AlSb HEMT не наблюдалось, хотя первые сообщения о них появились в конце 1980-х годов. Сегодня исследования приборов на основе этих материалов поддержаны программой DARPA Antimonide Based Compound Semiconductor ABCS, в которой речь идет о полупроводниковых соединениях GaSb, InAs и AlSb с близкими значениями постоянных кристаллической решетки (примерно 6,1 ангстрем). Указанные материалы обладают весьма узкой Е, чрезвычайно высоким значением n (до 33 000 см2/Вс) и скоростью насыщения носителей свыше 4107 см/с при комнатной температуре (табл. 4), что должно позволить создавать на их основе НЕМТ и МВТ с чрезвычайно высоким быстродействием и рабочими напряжениями порядка 0,5 1 В.

Таблица 4

Свойства InAs и InSb в сравнении с другими полупроводниковыми материалами

Материал	Si	GaAs	In0,58Ga0,47As	InAs	InSb
n в канале (концентрация носителей 1012 см-2), см2/(Вс)	600	4600	7800	16103-2104	3104
Скорость насыщения электронов, 107 см/с	1,0	2,2	0,8	3,5	5,0
Ширина Е, эВ	1,12	1,42	0,72	0,36	0,18

В этой области уже достигнуты определенные практические результаты, среди которых [компания NGST и лаборатория ВМС США (NRL)] создание AlSb/InAs МНЕМТ-структур с длиной затвора 0,1 мкм (табл. 5). Здесь разрыв между границами зоны проводимости в области гетероперехода AlSb/InAs достигает 1,35 эВ, что приводит к формированию глубокой квантовой ямы и обусловливает высокую концентрацию носителей в 2DEG-области (до 1,281012 см2 при подвижности электронов 26 300 см2/Вс).

Крутизна характеристик каналов транзисторов достигает величины 1,3 См/мм при рабочем напряжении до 0,3 В, fт и fmax превышают значения 220 и 270 ГГц, а напряжение пробоя сток-затвор составляет 1,42 В. При таких высоких частотах удельная рассеиваемая мощность приборов оказалась чрезвычайно низкой. В частности, при напряжениях сток-исток 0,2 и 0,5 В граничные частоты в среднем составили 160 и 220 ГГц, а токи канала имели значения 135 и 340 мА/мм соответственно. Столь небольшая рассеиваемая мощность (27 и 170 мВт/мм) по меньшей мере в 5 10 раз ниже, чем у InP НЕМТ-транзисторов на аналогичных частотах. В диапазоне частот 2 26 ГГц удельная рассеиваемая мощность не превысила 6 мВт/мм при коэффициенте шума 0,85 дБ и усилении 11,5 дБ.

Таблица 5

Структура AlSb/InAs MHEMT компании Northrop Grumman Space Technology

Слой	Материал	Толщина, нм
Cap-слой	InAs	2
Барьерный	In0,4Al08As AlSb InAs, легированный Si (31019) AlSb	4 1,2 1,2 7,5
Канальный	InAs	15
Нижний барьерный	AlSb	50
Буферный	Al0,7Ga0,3Sb AlSb GaAs	300 1700 230
Полуизолирующая подложка	GaAs

На базе НЕМТ, выполненных из AlSb/InAs, уже создана микроэлектронная интегральная схема (МИС) усилителя мощности, коэффициент шума которого в диапазоне частот 80 100 ГГц составляет 5,4 дБ, усиление 11,1 дБ, а общая рассеиваемая мощность 1,8 мВт. При усилении 16 дБ в полосе частот 77 103 ГГц рассеиваемая мощность равна 4,41 мВт.

Еще более многообещающими по сравнению с InAs-приборами выглядят транзисторы с канальным слоем из InSb, который характеризуется самой высокой подвижностью носителей из всех известных полупроводников (см. табл. 4). Его свойства были продемонстрированы более восьми лет назад в МДП-транзисторе с InSb-каналом, сформированном на InSb-подложке с SiO2 в качестве подзатворного диэлектрика.

Первый МНЕМ-транзистор со структурой AlxIn1-xSb/InSb и с 0,1-мкм затвором приведен на рис. 34 (техноцентр QinetiQ и компания Intel, двухпальцевый AlxIn1-xSb, lnSb МНЕМ-транзистор с 0,1-мкм затвором). Прибор изготовлен на GaAs-подложке, на которой располагаются буферный слой AlyIn1-ySb толщиной 3 мкм, нижний барьерный слой AlxIn1-xSb, lnSb-канальный слой толщиной 20 нм и AlxIn1-xSb-спейсер толщиной 5 нм. Выше следовали -легированный теллуром тонкий слой AlxIn1-xSb (с концентрацией донорной примеси 1012 см2) и верхний барьерный слой AlxIn1-xSb толщиной 15 45 нм. При доле алюминия в барьерном слое 30 % подвижность электронов в канале составила 30103 см2/Вс при концентрации носителей 1,31012 см2.

Рис. 34

В испытуемых lnSb-транзисторах с затвором длиной 0,1 мкм и шириной 40 мкм доля Al в AlInSb составляет 20 %, что обеспечивало концентрацию носителей в канале 1012 см2 и их подвижность 25 000 см2/Вс. Максимальная крутизна характеристик прибора при напряжении сток-исток 0,5 В составляет 800 мСм/мм, ток в канале 250 мА/мм, экстраполированные значения fт и fmax 210 и 270 ГГц соответственно. Рассеиваемая мощность InSb-прибора примерно в 10 раз меньше, чем у кремниевого n-канального МОП-транзистора с 80-нм каналом на такой же граничной частоте. Задержка включения (вентильная задержка) по крайней мере втрое меньше, чем в современных или перспективных Si-транзисторах при равной длине затвора.

4.5 Алмаз как материал для СВЧ-приборов

Алмаз как полупроводниковый материал давно привлекает внимание исследователей благодаря своим уникальным электрофизическим характеристикам: при комнатной температуре Е = 5,47 эВ, n и р равны 1800 и 1200 см2/В с соответственно (могут достигать 4500 и 3800 см2/Вс соответственно). Как показывают расчёты, на основе алмазов можно создавать МДП-структуры с удельной плотностью мощности до 27 Вт/мм2, плотностью носителей заряда в тонком слое до 1013 см2, напряжением пробоя порядка 10 МВ/см и рабочими частотами 100 ГГц. Не менее важное свойство алмазов их высокая теплопроводность (около 20 Вт/Ксм), что более чем в 30 раз выше, чем у GaAs (см. табл. 3). Поэтому первые попытки применения алмазов в СВЧ-приборах были направлены на создание теплопроводящих подложек, как правило, методом химического осаждения тонких пленок из газовой фазы (CVD-алмазы). Это направление развивается в России и сегодня.

Технические проблемы при формировании активных структур главным образом связаны с легированием. Легирующие примеси алмаза бор (акцептор), азот и фосфор (доноры). Но в структуре алмаза энергия активации (ионизации) ЕА этих элементов весьма высокая: у бора 0,37 эВ, фосфора и азота 0,62 и 1,7 эВ соответственно. Это означает, что при комнатной температуре донорная примесь не будет активироваться, и единственный легирующий элемент это бор. Но энергия ионизации бора также велика, и полная активация акцепторных связей при комнатной температуре наступает при концентрации бора свыше 1020 см

Путем легирования тонкого слоя алмаза бором создана (университет г. Ульм, Германия и компания Element Six, Великобритания) в 2005 году MESFET-структура (рис. 35 структура первого MESFET-транзистора на основе алмаза с -слоем, легированным бором).



Рис. 35

На подложку из искусственного алмаза, выращенного при высоких значениях давления и температуры (НРНТ) (ориентация [100]), наносился слой CVD-алмаза толщиной 250 нм, который являлся основой для выращивания -слоя CVD-алмаза, легированного бором с максимальной концентрацией 51020 см- Толщина этого -слоя на уровне половины максимальной концентрации не превышала 10 нм. Поверх -слоя осаждался тонкий (< 20 нм) слой CVD-алмаза. Переход Шоттки создавался путём нанесения на этот CVD-слой алюминиевого затвора. Канал формировался непосредственно над легированным -слоем. При этом чем острее профиль легирования -слоя, тем выше подвижность дырок р в канале, которая может достигать 3800 см2/Вс. Ток сток-исток первого "алмазного" транзистора не превысил 1 мкА при размере затвора 100х0,5 мкм. В целом эксперимент подтвердил правильность расчётов.

Есть сообщения и о другом способе создания транзисторных структур на основе алмазов. Так, обработка поверхности алмазной пластины водородом (hydrogen termination) приводит к появлению тонкого приповерхностного слоя с проводимостью р-типа, в результате формируется слой двумерного дырочного газа с концентрацией носителей около 1013 см-2. Однако пока физика этого эффекта до конца не объяснена. Тем не менее уже созданы опытные МДП-структуры на основе поверхностной проводимости алмазных пленок с использованием CaF2 в качестве затворного диэлектрика, и MESFET с самосовмещённым Т-образным затвором. Транзисторы с затвором Шоттки изготавливались на различных подложках: искусственных НРНТ-алмазах с ориентациями [111] и [100], CVD-монокристаллических подложках и квазиподложках, выращенных на Ir/SrTiO Во всех случаях были сформированы транзисторные структуры с нормально обогащённым каналом и малыми токами утечки.

Измеренная на поверхности р оказалась на порядок ниже расчётной (150 см2/Вс), что объясняется рассеянием носителей заряда на поверхностных состояниях, но при низких уровнях тока были получены превосходные частотные характеристики (fт = 25 ГГц и fmах до 81 ГГц), а уровень собственных шумов составил 0,72 дБ на частоте 3 ГГц.

4.6 Транзистор на нанотрубках

Фирмой IBM (T.J. Watson Research Center) изготовлены транзисторы на углеродных нанотрубках с параметрами, которые могут конкурировать с параметрами Si-полевых нанотранзисторов, изготовленных по 20-ти нанометровой технологии.

При изготовлении использовались операции традиционной Si-технологии и углеродные нанотрубки с диаметром 1,4 нм, обладающие полупроводниковыми свойствами (s-SWNT). Эти трубки “набрасываются” на подложку сильнолегированного Si, на которой предварительно выращен термический окисел толщиной 150 нм. Материал подложки в дальнейшем служит затвором транзистора, а окисел - диэлектриком, изолирующим его от канала транзистора (нанотрубки). Контакты истока и стока формируются методом взрыва (lift-off) из Ti и Co. Расстояние между контактами составляет 1 мкм. Отжиг приводит к формированию TiC или CoC на поверхности нанотрубки, что обеспечивает низкое контактное сопротивление. Пассивация поверхности нанотрубок SiO2 значительно снижает плотность ловушек. “Набрасывание” нанотрубок на поверхность является, безусловно, слабым местом в технологии: где-то они попадут на выращенный термический окисел Si, а где-то и нет. Поэтому только малая доля транзисторов, изготовленных на подложке, будет работать как следует. Большая отбраковка не позволяет создать сложную интегральную схему. И всё-таки лучшие экземпляры транзисторов продемонстрировали удовлетворительные характеристики (рис. 36).

Рис. 36

Так, крутизна надпороговой характеристики полученных структур (в открытом состоянии) и наклон подпороговой характеристики (в закрытом состоянии) меньше, чем у MOSFET-транзисторов с длиной канала 25 100 нм, а пороговое напряжение несколько выше. Это связано с большим расстоянием от затвора до нанотрубки и большой концентрацией заряженных ловушек на поверхности нанотрубки, даже после её пассивации SiO2. Кроме того, ток транзистора с одной нанотрубкой слишком мал даже для переключения состояния смежного транзистора в логической схеме. Чтобы увеличить ток, следует использовать несколько нанотрубок в качестве канала транзистора, что ведёт к снижению выхода годных транзисторов. Основанием для конкурентоспособности служит сходство проблем, в частности, возрастающая роль поверхности.

4.7 Достижения по быстродействию и планы развития high-K

Рекордной частоты усиления по мощности (fmax = 135 ГГц) достигли сотрудники Mitsubishi в транзисторе типа Si MOSFET, сформированном на подложке “кремний на изоляторе” (SOI) и имеющем длину затвора 70 нм. Другой важной характеристикой транзистора является частота отсечки fт (частота, на которой коэффициент усиления по току становится равным единице), которая характеризует внутренние свойства транзистора, в то время как частота fmax характеризует его работу в радиочастотной/аналоговой или логической схеме. Резкого увеличения частоты отсечки fт до 140 ГГц добились путём уменьшения длины затвора транзистора до 70 нм. Однако при этом частота fmax осталась на уровне 60 80 ГГц. Нынешнее достижение сотрудников Mitsubishi приблизило MOSFET к рекордам гетероструктурных SiGe-транзисторов: fт = 122 ГГц, fmax = 98 ГГц. Определяющим фактором повышения fmax явилось снижение ёмкости исток-сток, ёмкости и сопротивления затвора, что и было получено сотрудниками лаборатории наноэлектроники Mitsubishi.

Толщина слоя кремния в структуре SOI составляет 150 нм, заглублённого окисла - 400 нм, толщина подзатворного термического окисла составляет 2 нм. По особой технологии на SOI формируется затвор длиной 70 нм. В качестве материала затвора используется силицид кобальта. По бокам затвор покрывается спейсерами, ширина которых варьируется от 0 до 20 нм для оптимизации высокочастотных свойств транзистора. Канал транзистора, расположенный под затвором, не легировался. Исток и сток “подтягивались” к нему от электродов истока и стока за счёт сильного легирования слоя кремния. Эта процедура выполнялась с помощью низкоэнергетической имплантации, причём затвор и спейсеры служили при этом масками, предохраняющими от попадания примеси в канал транзистора. Для изготовления транзистора использовалась технология, позволяющая формировать его геометрические размеры (длина канала ПТ до 0,18 мкм). Очень возможно, что на снимке (рис. 37), полученном с помощью сканирующего электронного микроскопа, представлен лучший в мире кремниевый полевой транзистор.

Рис. 37

Совершенствование технологии кремниевых полевых транзисторов позволило фирме Intel на обычной объёмной кремниевой подложке изготовить транзистор с хорошими параметрами, имеющий длину затвора всего 30 нм. Считалось, что короткоканальные эффекты не позволят это реализовать, поскольку при закрытом состоянии транзистора по каналу течёт слишком большой ток из-за того, что области обеднения p n-переходов смыкаются. Чтобы этого не происходило, надо использовать мелкозалегающие p n-переходы, т.е. производить мелкое легирование, что и сделали сотрудники корпорации Intel.

Другим способом подавления короткоканальных эффектов является уменьшение подзатворного слоя SiO2, но это приводит к увеличению туннельного тока в затворе транзистора. Выход был найден в использовании материалов с высокой диэлектрической проницаемостью , тогда толщина подзатворного диэлектрика может быть сделана гораздо большей. Cпециалистами Intel испытан и этот вариант, причём в качестве подзатворного диэлектрика использовались оксиды типа ZrO2, HfO2 и SiO2 с равной эффективной толщиной. Лучшие высокочастотные параметры оказались у транзисторов с HfO2, длина затвора которых составляла 0,1 мкм, а ширина 7 мкм: ft = 83 ГГц, fmax = 35 ГГц (NMOS) и fт = =41 ГГц, fmax = 25 ГГц (NMOS). Сравнивая эти параметры с описанными выше, можно понять, что это далеко не наилучшие показатели в области микроволновых транзисторов.

Указанные конструкторско-технологические приёмы испытаны и фирмой IBM, которая, кроме развития традиционных технологий, выполнила исследования и совершенно новых структур, например использовала в качестве диэлектрика такие материалы, как HfO2, Al2O3, HfO2/Al2O3, ZrO2, AlNy(Ox). Результаты исследований подтверждают, что наличие большого числа заряженных поверхностных ловушек и есть главное препятствие к внедрению материалов с высокой диэлектрической проницаемостью в технологию.

Усовершенствован и транзистор FinFET, использующий в качестве канала узкий брусок Si диаметром порядка 10 нм. Длина такого затвора может быть 10 нм и меньше (University of California, Berkeley). В настоящее время усилия лабораторий университетов Калифорнии и Беркели направлены на формирование нескольких каналов (брусков), что обеспечивает требуемую величину тока транзистора в открытом состоянии. Достоинством такого транзистора является то, что в нём затвор огибает с трёх сторон канал транзистора, за счёт чего улучшается управление проводимостью канала с помощью напряжения на затворе. Однако реальная подвижность носителей в канале транзистора из-за их рассеяния на шероховатостях бруска (fin), формируемого травлением, значительно снижена.

5. Приборы на основе квантово-размерных эффектов

Появлению квантовой механики способствовали результаты экспериментов, согласно которым поток элементарных частиц (например, электронов) проявлял типично волновые свойства, такие как интерференция и дифракция. Это позволило рассматривать поток частиц с импульсами р как некоторую плоскую волну, длина которой (называемая длиной волны де Бройля), как показало подробное исследование этого вопроса, связана с р соотношением

дБ = h/p,

где h = 6,626?1034 Дж?с постоянная Планка. (Проще всего убедиться в справедливости соотношения, приравнивая энергии в квантовом и в корпускулярном представлениях). Волновая функция микрочастицы имеет тот физический смысл, что есть вероятность обнаружения частицы в объёме dV, т.е. - плотность вероятностного распределения частицы в данной единице объёма пространства. Распределение в пространстве волновой функции должно удовлетворять волновому уравнению, которое, по аналогии с известным из курса «Теория поля» волновым уравнением для напряжённости электрического поля электромагнитной волны Е , будет иметь вид

,

где к волновой вектор, а импульс р связан с массой частицы m и её кинетической энергией (W полная энергия частицы, V(x,y,z) - её потенциальная энергия) очевидным соотношением А = р2/2m. Уравнение, записанное в виде

называется уравнением Шредингера. Если частица имеет полную энергию W, то найденная из решения с заданными граничными условиями функция должна еще иметь обычный временной множитель ej2t = ej2Wt/h.

Рассмотрим решение уравнения для случая, когда электрон с энергией W встречает на своём пути потенциальный порог (такой порог создается, например, с помощью плоского конденсатора из сеток, между которыми создано тормозящее электроны поле и которые очень близко расположены одна от другой). В дальнейшем мы будем рассматривать случай, когда W зависит только от одной координаты х, т.е. будем рассматривать «одномерные частицы» (рис. 38, а), когда . При этом решение уравнения будет в случае V0 > W для области х<0 иметь вид суммы двух волн (падающей и отражённой):

,

а для области х > 0 - в виде только падающей слева направо затухающей волны:

.



а) б)

Рис. 38

Из условия равенства функций при х = 0 (условие отсутствия разрыва функции) и условия равенства их производных (условие отсутствия излома суммарной функции) получим

Из следует, что коэффициент отражения волны R =2/12 = =1, т.е. волна-частица, полностью отражается от потенциального порога при W < V0, что совпадает с обычными классическими представлениями об отражении в механике макромира, причём в квантовом решении при х < 0 падающие и отраженные волны образуют стоячую волну (рис. 38, б). Кроме того, в отличие от классических представлений здесь, согласно, при х > 0 , т.е. имеет место частичное проникновение электрона за потенциальный барьер.

Аналогичным образом можно на основе решения уравнения рассмотреть с волновых позиций поведение потока электронов, падающих на потенциальный барьер (рис. 39) или находящихся в потенциальной яме (рис. 40).

Рассмотрение первого случая показывает, что при этом падающая слева направо волна отразится от барьера не полностью и что имеется определённая вероятность обнаружить электроны за потенциальным барьером, т.е. в области III, причём уже из легко определить, что если в этой области , то эта вероятность пропорциональна величине

,

где d - ширина барьера. Этот чисто квантовый эффект проникновения частиц сквозь потенциальный барьер при энергии частиц W, меньшей высоты барьера V0, называется туннельным эффектом. Он часто проявляет себя в различных процессах, изучаемых электроникой и ядерной физикой, и находит широкое применение в микроволновой электронике.

Рис. 39 Рис. 40

Решение уравнения для случая потенциальной ямы показывает, что частица в яме может иметь лишь строго определённый набор значений энергий W = Wn, при которых яма шириной а оказывается резонатором для волновой функции . Этот эффект квантования энергии в потенциальной яме определённых размеров, близких к величине дБ, называется размерным квантовым эффектом.

В случае бесконечно глубокой потенциальной ямы шириной а (рис. 41) решение уравнения с нулевыми граничными условиями выражается в виде синусоид и показывает, что разрешённые уровни энергии W = Wn в такой яме определяются выражением



Вид функций при разных n показан пунктиром на рис. 41. Он характеризует эффект квантования энергетических уровней.

Если яма будет конечной глубины, то разрешённых уровней в ней будет ограниченно малое количество. Следует отметить, что решение уравнения для случая потенциальной ямы, образованной для электронов положительным зарядом (ядром атома), дает серию энергетических уровней Wn, переходы между которыми соответствуют квантам излучения или поглощения, теоретические величины энергий которых кратны и хорошо совпадает с результатами многочисленных опытов, что в свое время и послужило признанию квантовой физики.

Рис. 41

На рис. 41 видно, что размер а ямы должен быть по порядку его величины близким к длине волны де Бройля дБ, которая при комнатной температуре в полупроводниках составляет 108 м » 10 нм. Современная технология полупроводников позволяет создавать, используя полупроводники с разной шириной запрещённой зоны, слоистые структуры с такой толщиной слоев, т.е. позволяет создавать квантовые ямы и барьеры.

Если рассмотреть структуру с периодически повторяющимися барьерами и ямами, называемую сверхрешёткой, то мы получим аналог обычного кристалла, в котором потенциальные ямы атомов соединяются, что приводит к расплыванию отдельных разрешённых энергетических уровней электронов в атоме и превращению их в зоны разрешённых значений энергии, между которыми расположены зоны запрещённых значений энергии. Но в отличие от кристалла, в котором атомы расположены достаточно близко, вследствие чего разрешённые зоны получаются достаточно широкими, в сверхрешётке расстояние между соседними ямами обычно бывает большим и разрешённые зоны на один-два порядка уже, чем в кристалле. Поэтому их называют минизонами (рис. 42).

Основным структурным элементом СВЧ-приборов на основе размерных квантовых эффектов является двойной потенциальный барьер с квантовой ямой посередине, получивший название резонансного туннельного диода (РТД).

Рис. 42

Рассмотрим структуру зоны проводимости такого диода (рис. 43,а), образованного двумя барьерами широкозонного полупроводника (обычно AlGaAs) и расположенной между ними потенциальной ямой (обычно GaAs), причём по бокам от барьеров имеется высоколегированный (вырожденный) донорный полупроводник (обычно n+-GaAs), у которого уровень Ферми WF лежит ниже первого (нижнего) резонансного уровня W1 потенциальной ямы, а дно зоны проводимости находится на уровне W0.



а) б)

Рис. 43

При приложении к такой структуре разности потенциалов U (плюс справа) дно зон проводимости и все уровни двухбарьерной структуры искривляются и опускаются справа вниз (рис. 43, б), причём когда уровень WF слева расположится против уровня W1 ямы, появится возможность у электронов левого n+-полупроводника туннелировать на резонансный уровень W1 ямы, а оттуда через правый барьер - в правый n+-полупроводник.

При этом через РТД потечёт ток, который будет расти с увеличением U, а затем уменьшаться практически до тех пор, пока на уровне W1 ямы не окажется дно зоны проводимости W0 левого n+-полупроводника. После этого, так как слева уже нет электронов, энергия которых удовлетворяла бы условию резонансного туннелирования через яму, ток должен существенно уменьшиться. Но тут начинает проявлять себя эффект обычного туннелирования через два потенциальных барьера (рис. 43), и, кроме того, практически всегда при этом выполняется условие W2 = WF резонанса для второго резонансного уровня ямы и ток вновь начинает возрастать с ростом напряжения. Вольт-амперная характеристика РТД при этом имеет вид, показанный на рис. 44.



Рис. 44

Этот вид может существенно изменяться в зависимости от ширины барьеров, ямы и от других конструктивных особенностей РТД. Так, в реальных РТД между барьерами и n+-полупроводниками обычно помещаются тонкие нелегированные слои-спайсеры, толщина которых влияет на ход ВАХ РТД. На рис. 45, а показана типичная структура РТД, а на рис. 45, б дана зависимость отношения максимального тока, обозначенного на ВАХ, к минимальному току от толщины b, включающей толщины спайсеров и «паразитных» элементов самого РТД.

На рис. 46 показана простейшая эквивалентная схема микроволнового автогенератора на РТД, причём слева между точками а и б дана эквивалентная схема самого РТД, где G - отрицательная проводимость, соответствующая падающему участку ВАХ; Cg ёмкость, шунтирующая -G и определяемая структурой, расположенной между участками n+-GaAs (см. рис. 45,а); rs и Ls сопротивление и индуктивность подводящих участков (n+) РТД (Cg, rs и Ls «паразитные» элементы РТД; Rн и Lн параметры нагрузки).

Инерционность процесса туннелирования, т.е. время туннелирования, принято оценивать с помощью известного из курса физики соотношения неопределённостей, согласно которому это время () связано с шириной линии резонанса туннелирования (как бы «толщиной» каждого из уровней W1, W2 и т.д.) соотношением , где h - постоянная Планка.

Рис. 45 Рис. 46

Такая оценка показывает, что верхняя частотная граница РТД fверх 1/ > 1012 Гц = 1 ТГц. Однако в действительности инерционность устройств на основе РТД определяется инерционностью элементов их схем, при этом максимальная частота генерации автогенераторов на РТД равна , т.е. определяется произведением . По ряду оценок эта частота в настоящее время достигает 200 ГГц.

Двухбарьерная структура РТД нашла применение в качестве составной части обычных биполярных и полевых транзисторов и транзисторов на горячих электронах. Эта структура находится либо в эмиттере, либо в базе БТ или либо в затворе, либо в истоке ПТ. Это создает на выходных характеристиках БТ и ПТ соответствующие участки с уменьшением тока при росте напряжения, что существенно расширяет функциональные возможности БТ и ПТ.

Весьма интересны и перспективны структуры, содержащие последовательное соединение нескольких РТД, в частности сверхрешётки. Такие структуры имеют ВАХ, содержащие несколько падающих участков тока вдоль оси напряжений, и могут найти широкое применение как в качестве умножителей частоты в большое число раз, так и для построения ряда логических элементов. Такие структуры также включаются в состав БТ и ПТ с целью расширения функциональных возможностей последних.

Литература

1. Микроэлектронные устройства СВЧ/ Н.Т. Бова и др. Киев: Техника, 1984.

2. Червяков Г.Г., Кротов В.И. Полупроводниковая электроника: Учеб. пособие. - М.: Уч-метод.издат.центр «Учебная литература», 2006.

-230 с.

3. Полищук А. Полупроводниковые приборы на основе карбида кремния - настоящее и будущее силовой электроники // Силовая электроника. 2005. №4.

4. Данилин В., Жукова Т. Транзистор на GaN. Пока самый "крепкий орешек"// Электроника: МТБ. 2005. №4. С. 20 29.

5. Sabyasachi Nayak, Ming-Yh Kaoet al. 0.15 мт Power pHEMT Manufacturing Technology for Ka- and Q- Band MMIC Power Amplifiers. - 2005 GaAs MANTECH Conf. Dig. Ppr., 2005.

6. Майская В. SiGe-устройства. Нужная технология в нужное время // Электроника: НТБ. 2001. № 1. С. 28 - 32.

7. Шахнович И. Твердотельные СВЧ-приборы и технологии. Невоспетые герои беспроводной революции //Электроника: НТБ. 2005. №4. С. 14.

8. Шахнович И. Твердотельные СВЧ-приборы и технологии //Электроника: Наука, Технология, Бизнес. 2005. № 5.

9. www.gaasmantech.org. Материалы конференций GaAs MANTech.

10. НПП "Исток" развивает технологии твердотельной СВЧ-электроники. Интервью с С.И.Ребровым // Электроника: НТБ. 2005. №4. С. 8 11.

11. E. Kohn, M. Schwitters et al. Diamond-MESFETs Synthesis and Integration. 2nd EMRS DTC Technical Conference, Edinburgh 2005 (www.emrsdtc.c om/conferences/2005/downloads//pdf/A26.pdf).

12. Валентинова М. Экзотическая память // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. 2001. №6. С. 24 - 29.

13. Лебедев И.В. Техника и приборы сверхвысоких частот. Т. 1, 2. М.: Высш. шк. 1972.

14. Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника/ Под ред. проф. Н.Д. Фёдорова М.: Радио и связь, 1998.

15. Березин В.М., Буряк В.С. Электронные приборы СВЧ. М.:

Высш. шк. 1985.

Размещено на Allbest.ru