Транзистор с высокой подвижностью электронов

Транзистор с высокой подвижностью электронов (ТВПЭ, HEMT) — полевой транзистор, в котором для создания канала используется контакт двух полупроводниковых материалов с различной шириной запрещенной зоны (вместо легированной области как у обычных МОП-транзисторов)^[1]. В отечественной и зарубежной литературе такие приборы часто обозначают HEMT — от англ. High Electron Mobility Transistor. Также в зависимости от структуры используются аналогичные названия: HFET, HEMFET, MODFET, TEGFET, SDHT. Другие названия этих транзисторов: полевые транзисторы с управляющим переходом металл — полупроводник и гетеропереходом, ГМеП транзисторы, полевые транзисторы с модулированным легированием, селективно-легированные гетероструктурные транзисторы (СЛГТ)^[].

Изобретателем ТВПЭ обычно считается Такаси Мимура (яп. 三村高志; Fujitsu, Япония)^[2]. Однако Рэй Дингл и его сотрудники из Bell Laboratories также внесли значительный вклад в изобретение ТВПЭ.

На рисунке представлена структура HEMT-транзистора в разрезе. На полуизолирующей подложке арсенида галлия (GaAs) выращивается нелегированный буферный слой GaAs. На нем наращивается тонкий слой полупроводника с иной шириной запрещенной зоны — InGaAs, такой, что образуется область двумерного электронного газа (2DEG). Сверху слой защищается тонким спейсером на основе арсенида алюминия-галлия Al_xGa_1−xAs (далее AlGaAs). Выше следуют легированный кремнием слой n-AlGaAs и сильнолегированный слой n⁺-GaAs под контактными площадками стока и истока. Контакт затвора приближен к области двумерного электронного газа.

Распространенными материалами для ТВПЭ является комбинация GaAs и AlGaAs, хотя возможны и значительные вариации в зависимости от назначения устройства. Например, приборы с повышенным содержанием индия в общем случае показывают лучшую производительность на высоких частотах, в то время как в последние^[] годы наблюдается массовый рост научно-исследовательских разработок ТВПЭ на нитриде галлия (GaN), в связи с их лучшей производительностью при высоких мощностях. Существует достаточно много изоструктурных аналогов GaAs — полупроводниковых материалов, имеющих близкий к GaAs период кристаллической решетки. Это позволяет использовать GaAs в качестве основы для создания широкого класса гетероструктурных транзисторов, обладающих выдающимися характеристиками. Параметры некоторых из таких материалов приведены в таблице 1.

Таблица 1. Параметры некоторых полупроводниковых материалов, применяемых для создания гетероструктур на основе GaAs.

Полупроводник	Параметр решетки ${\displaystyle a_{0}}$, нм	Ширина запрещенной зоны ${\displaystyle \Delta E_{\text{g}}}$, эВ	Подвижность электронов ${\displaystyle \mu _{n}}$, см2/В·с	Подвижность дырок ${\displaystyle \mu _{p}}$, см2/В·с
GaAs	0,5654	1,42	8500	420
AlAs	0,5661	2,95	н/д	н/д
Ge	0,5658	0,67	3800	1820
InP	0,5869	1,26	4600	150
InAs	0,6057	0,35	27000	450
AlSb	0,6135	2,5	н/д	н/д
InSb	0,6479	0,17	78000	750

Помимо приведенных в таблице, для создания гетероструктур широко применяются различные твердые растворы (Al_xGa_1−xAs, Ga_xIn_1−xAs, Ga_xIn_1−xP, Al_xIn_1−xAs и другие).

Обычно для создания гетероперехода выбираются материалы с одинаковым параметром кристаллической решётки (расстояниями между атомами). По аналогии, представьте, что вы сцепляете две расчёски с немного отличающимся шагом между зубчиками. Через какие-то определённые интервалы будет происходить наложение двух зубьев друг на друга. В полупроводниках такие несоответствия играют роль «ловушек» носителей и существенно ухудшают производительность приборов. В реальности практически невозможно подобрать пару разных п/п, у которых было бы идеальное согласование и кристаллических структур, и коэффициентов термического расширения. Поэтому на границе раздела гетероперехода обычно возникают механические напряжения, которые вызывают появление дислокаций несоответствия, создающих на границе раздела граничные состояния. Даже у такой хорошо согласующейся пары как Ge и GaAs присутствует пластическая деформация. Поэтому для создания структуры используются твердые растворы. Например, замена Ge на твердый раствор Ge_0,98Si_0,02 приводит к снижению напряжений на границе раздела до уровня, исключающего возможность пластической деформации GaAs, и улучшает характеристики гетероперехода: у него резко уменьшается обратный ток.

В HEMT транзисторах чаще всего применяют гетеропереход GaAs-AlGaAs. С увеличением относительного содержания Al в твердом растворе AlGaAs плавно увеличивается ширина запрещенной зоны. Для состава с х = 0,3 ∆E_з = 1,8 эВ различие в ширине запрещённой зоны составляет ~0,38 эВ. Вследствие хорошего соответствия кристаллических решёток GaAs и AlGaAs в гетеропереходе обеспечивается низкая плотность поверхностных состояний и дефектов. По этим причинам для электронов, накопленных в области накопления затвора, в слабых электрических полях достигается очень высокая подвижность, близкая к объёмной подвижности для нелегированного GaAs [(8..9)⋅10³ см²/В•с при Т = 300 К]. Причём эта подвижность резко увеличивается при понижении температуры, так как в нелегированном GaAs преобладает решётчатое рассеяние.

Также подвижность электронов в канале увеличивается благодаря дополнительной прослойке (спейсеру) между каналом GaAs и барьером AlGaAs. Спейсер — тонкий (несколько нм) разделительный слой нелегированного Al_xGa_1-xAs. Он способствует лучшему пространственному разделению двумерного электронного газа и рассеивающих центров между нелегированным GaAs и легированным донорами Al_xGa_1-xAs. Концентрация рассеивающих центров в нелегированном слое ниже, чем в легированном, поэтому подвижность электронов, накопленных в области насыщения затвора, дополнительно увеличивается. В этом случае волновая функция электронов в канале не проникает в барьер, а затухает в спейсере. При этом уменьшается рассеяние носителей на барьере. Введение спейсера также улучшает омический контакт, что приводит к повышению предельной рабочей частоты почти до теоретического предела.^[3]

Равновесная энергетическая диаграмма гетероперехода между нелегированным GaAs и легированным донорными примесями, например, Si, Al_xGa_1-xAs

В нелегированном GaAs уровень Ферми располагается почти посередине запрещённой зоны, а в легированном Al_xGa_1-xAs вблизи дна зоны проводимости (Е_с). В GaAs у границы раздела 5 2-х п/п образуется область 3 с минимальной энергией электронов. В эту область из п/п с более широкой запрещенной зоной «скатываются» свободные электроны ионизированных атомов примеси. В результате произойдет пространственное разделение электронов и компенсирующих их ионизованных атомов примеси. Электроны, накопленные в области 3, находятся в потенциальной яме и в слабых электрических полях могут перемещаться только вдоль границы 5 в плоскости, перпендикулярной плоскости рисунка. Поэтому совокупность электронов в области 3 и называют двумерным электронным газом, подчеркивая тем самым, что в слабых полях эти е⁻ не могут перемещаться в третьем измерении, то есть переходить, например, из области 3 в область 4, так как этому препятствует потенциальный барьер ∆Е_с ≈ (0,6 ÷ 0,65)(∆Е_з2 — ∆Е_з1).

Температурная зависимость подвижности электронного газа. 1 — гетероструктура; 2 — GaAs. На рисунке 2 (кривая 1) показана температурная зависимость подвижности электронного газа, полученная в этом случае. При температурах жидкого азота (77 К) и жидкого гелия (4 К) μn соответственно возрастает до 1,4⋅10⁵ и 2⋅10⁶ см²/В•с. На этом же рисунке (кривая 2) показана температурная зависимость μn в GaAs с концентрацией Nд = 10¹⁷ см⁻³.

ТВПЭ, в котором правило соответствия параметра кристаллической решётки слоёв гетероперехода не соблюдается, называется псевдоморфным (пТВПЭ или pHEMT). Для этого слой одного из материалов делается очень тонким — настолько, что его кристаллическая решётка попросту растягивается до соответствия другому материалу. Такой способ позволяет изготавливать структуры с увеличенной разницей в ширине запрещенной зоны, что недостижимо другими путями. Такие приборы обладают улучшенной производительностью.

Другой способ совмещения материалов с разными решётками — помещение между ними буферного слоя. Это применяется в метаморфном ТВПЭ (мТВПЭ или mHEMT). Буферный слой представляет собой AlInAs, с концентрацией индия подобранной таким образом, что решётка буферного слоя может быть согласована как подложкой GaAs, так и с каналом InGaAs. Преимуществом такой структуры является возможность выбора практически любой концентрации индия для создания канала, то есть прибор может быть оптимизирован для различных применений (низкая концентрация индия обеспечивает низкий шум, а высокая — бо́льшую степень усиления).

В общем случае, для создания проводимости в полупроводниках используются легирующие примеси. Однако, получаемые электроны проводимости испытывают столкновения с примесными остовами, что отрицательно сказывается на подвижности носителей и быстродействии прибора. В ТВПЭ этого удается избежать за счет того, что электроны с высокой подвижностью генерируются на гетеропереходе в области контакта высоколегированного донорного слоя N-типа с широкой запрещенной зоной (в нашем примере AlGaAs) и нелегированного канального слоя с узкой запрещенной зоной без каких-либо легирующих примесей (в данном случае GaAs).

Электроны, образующиеся в тонком слое N-типа, полностью перемещаются в слой GaAs, обедняя слой AlGaAs. Обеднение происходит из-за изгиба потенциального рельефа в гетеропереходе — между полупроводниками с разной шириной запрещенной зоны образуется квантовая яма. Таким образом, электроны способны быстро передвигаться без столкновений с примесями в нелегированном слое GaAs. Образуется очень тонкая прослойка с большой концентрацией высокоподвижных электронов, обладающих свойствами двумерного электронного газа (ДЭГ). Сопротивление канала очень низкое, и подвижность носителей в нём высока.

Так же, как в других типах полевых транзисторов, приложенное к затвору ТВПЭ напряжение изменяет проводимость канального слоя.

Принцип действия ТВПЭ — транзистора аналогичен принципу действия МеП-транзистора. Между металлическим затвором и расположенным под ним слоем из AlGaAs, образуется управляющий переход Металл - Полупроводник (далее по тексту Ме — п/п). Обедненная область этого перехода располагается, в основном, в слоях AlGaAs. Канал нормально открытого транзистора при ${\displaystyle U_{\text{gs}}<0}$ формируется в слое нелегированного GaAs на границе гетероперехода в области накопления двумерного электронного газа. Под действием управляющего напряжения ${\displaystyle U_{\text{gs}}}$ изменяется толщина обедненной области перехода Ме — п/п, концентрация электронов в ДЭГ и ток стока. Электроны поступают в область накопления из истока. При достаточно большом (по модулю) отрицательном ${\displaystyle U_{\text{gs}}=U_{f}}$ обедненная область расширяется настолько, что перекрывает область насыщения электронов. Ток стока при этом прекращается.

В нормально закрытом транзисторе вследствие меньшей толщины верхнего слоя AlGaAs при ${\displaystyle U_{\text{gs}}=0}$ проводящий канал отсутствует, так как область насыщения двумерного электронного газа перекрыта обедненной областью управляющего перехода. Канал возникает при некотором положительном ${\displaystyle U_{\text{gs}}=U_{f}}$, когда обедненная область управляющего перехода сужается настолько, что её нижняя граница попадает в область накопления электронов.

Стокозатворные характеристики нормально открытого (1) и нормально закрытого (2) транзисторов приведены на рисунке 4. Благодаря высокой подвижности электронов и малой ${\displaystyle L_{\text{g}}}$ практически во всем диапазоне U_gs достигается насыщение дрейфовой скорости электронов в канале (V_sat) и наблюдается линейная зависимость I_c от U_gs.

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

где ${\displaystyle E_{kp}}$ — критическая напряжённость поля;

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

где ${\displaystyle R_{s}}$ — сопротивление истока, ${\displaystyle S=\epsilon _{0}\epsilon _{f}^{2}V_{sat}\cdot b/dk}$.

Для кривой (1) S*/b = 117 мСм/мм, для кривой (2) — 173 мСм/мм. Большее значение крутизны н.з. транзистора обусловлено меньшей толщиной легированного донорами Al_xGa_1-xAs.

Важным достоинством HEMT транзисторов, по сравнению со структурой МеП транзисторов являются меньшая плотность поверхностных состояний на границе между Al_xGa_1-xAs и диэлектриком, и большая высота барьера Шоттки (φ_0g ≈ 1 В). Вследствие меньшей плотности поверхностных состояний уменьшается отрицательный поверхностный заряд и толщина обеднённых областей в промежутках ИСТОК — ЗАТВОР и ЗАТВОР — СТОК. Это позволяет получить меньшие паразитные сопротивления обеднённых областей без самосовмещения. Вследствие большей высоты барьера Шоттки, для HEMT транзисторов возможно большее (до 0,8 В) прямое напряжение U_gs, что особенно важно для нормально закрытых транзисторов, рабочие напряжения на затворах которых могут изменяться лишь в узком диапазоне, ограниченном сверху напряжением управляющего перехода Ме — п/п. Импульсные и частотные свойства HEMT транзисторов в основном определяются временем пролёта электронов через канал, где они движутся со скоростью насыщения: ${\displaystyle \tau _{k}=L_{g}/V_{sat}}$. При Т = 300 К ${\displaystyle V_{sat}}$ ≈ 2∙10⁷ см/с. При понижении температуры скорость насыщения увеличивается по закону ${\displaystyle V_{sat}}$ ~ 1/Т. Одним из важнейших параметров, характеризующих семейство логических ИМС, является произведение быстродействия на мощность (${\displaystyle P\times \tau _{k}}$), представляющее собой произведение мощности, рассеиваемой одним вентилем, на время задержки в этом вентиле. Другой сравнительной характеристикой служит произведение мощности, рассеиваемой одним вентилем, на квадрат времени задержки в этом вентиле (${\displaystyle P\times \tau _{k}^{2}}$), что представляет собой произведение энергии на время. В таблице 2 приведены сравнительные характеристики КМОП, МеП, HEMT ИМС при комнатной температуре.

Таблица 2. Сравнительные характеристики КМОП, МеП, HEMT ИМС при комнатной температуре.

Тип транзистора	lк, мкм (Lg, мкм)	Р, мВт/вент	${\displaystyle \tau _{k}}$, нс	${\displaystyle P\times \tau _{k}}$, Дж∙10−15 (фДж)	${\displaystyle P\times \tau _{k}^{2}}$, Дж∙с∙10−26
МеП	0,3	0,75	16	12	19,2
HEMT	1,0	1,1	12,2	13,4	16,4
КМОП	1,0	1,8	50	90	450

Основными недостатками ТВПЭ являются инерционность затвора и подзатворный пробой.

Область применения ТВПЭ, как и металл-полупроводниковых полевых транзисторов^[англ.] (англ. MESFET) — связь в микроволновом и миллиметровом диапазоне длин волн, радары и радиоастрономия, от мобильных телефонов^[4] и широкополосных спутниковых ресиверов до систем электронного обнаружения — то есть любые устройства, в которых требуется высокая степень усиления сигнала и низкий шум на больших частотах. ТВПЭ способны производить усиление по току при частотах выше 600 ГГц и по мощности при частотах более 1 ТГц. В апреле 2005 г. были продемонстрированы биполярные транзисторы на гетеропереходе^[англ.] (англ. HBT) с усилением по току на частотах более 600 ГГц. В январе 2010 г. группа ученых из Японии и Европы представила терагерцовый ТВПЭ с рабочей частотой (при полной ширине половины пика FWHM) 2,5 ТГц ^[5]

Несколько компаний во всем мире разрабатывают и производят приборы на основе ТВПЭ. Это могут быть отдельные транзисторы, но чаще приборы выпускаются в форме монолитной интегральной схемы (СВЧ МИС, англ. MMIC).

• Словарь терминов физики полупроводников
• p-n-переход
• Транзистор
• Полевой транзистор

• Sheng S. Li. Semiconductor Physical Electronics. — Second Edition. — Springer, 2006. — 708 с. — ISBN 978-0387-28893-2.

• Полевые транзисторы с управляющим переходом металл - полупроводник и гетеропереходом.