Полевые транзисторы с затвором Шоттки на основе GaAs

Преимущества кремния как базового материала микроэлектроники столь велики, что на его основе производится более 95% микроэлектронных изделий. Тем нс менее возможности кремния ограничены, и имеются полупроводниковые материалы, превосходящие кремний по некоторым свойствам. К таким материалам относятся полупроводники группы А³В из которых наиболее хорошо изучен арсенид галлия (GaAs). Хотя в целом GaAs уступает кремнию как материал микроэлектроники, его свойства позволяют создавать для некоторых областей применения полупроводниковые приборы, параметры которых не достижимы на кремнии. К таким приборам, в частности, относится полевой транзистор с затвором Шоттки (ПТШ).

Особенности GaAs как материала микроэлектроники

Основные физические свойства GaAs в сравнении с другими полупроводниковыми материалами микроэлектроники приведены в приложениях 3, 4. Более подробные данные содержатся в работе [4].

Важнейшим свойством GaAs является высокая подвижность электронов в слабых полях (в семь раз выше, чем в кремнии), обусловленная их малой эффективной массой (0,067 т_п). В чистом материале основным механизмом рассеяния является рассеяние на полярных оптических фононах. При охлаждении до 77 К подвижность ограничивается рассеянием на фоновых примесях и достигает (80—250) • 10³ см²/Вс. Благодаря малой энергии активации доноров (< 0,005 эВ) они (в отличие от Si) остаются практически полностью ионизованными при температуре ниже 77 К. На рис. VII.2.1, а представлены зависимости подвижности электронов от концентрации примесных ионов для температур 300 К и 77 К.

Главные энергетические минимумы электронов и дырок в GaAs находятся в центре зоны Бриллюэна, поэтому электронные переходы между зоной проводимости и валентной зоной обычно являются прямыми. Вследствие этого основным механизмом рекомбинации является межзонная излучательная рекомбинация, что позволяет создавать на основе GaAs высококачественные оптоэлектронные приборы (в том числе лазеры). Наличие в зоне проводимости побочных энергетических минимумов с высокой плотностью состояний приводит к аномальной зависимости дрейфовой скорости электронов v_n от напряженности электрического поля (рис. VI1.2.1, б). При разогреве электрическим полем наиболее энергичные электроны переходят в побочные минимумы с большей эффективной массой, в результате чего зависимость v"(E) имеет участок с отрицательной дифференциальной подвижностью n / dЕ.

Важным преимуществом GaAs является значительная ширина запрещенной зоны (1,43 эВ при 300 К). Собственная концентрация носителей заряда весьма мала (= 2 • 10^fi см ³ при Т = 300 К), что позволяет получить материал с высоким удельным сопротивлением (полуизолирующий i -GaAs). Подложки GaAs с удельным сопротивлением р = 10⁷— 10⁹ Ом-см обладают прекрасными диэлектрическими свойствами вплоть до частот в несколько сот гигагерц.

Рис. VII.2.1. Зависимости подвижности электронов в GaAs от концентрации примесных ионов (а) и дрейфовой скорости электронов от напряженности электрического поля при Т— 300 К (б).

аЛ — Т= 300 К, 2 -Т= 77 К; б: 1 — GaAs, N-> 0;

2 — GaAs, N= 10¹⁷ см ³; 3 — Si, N-> 0.

Высокая подвижность электронов позволяет создавать на основе GaAs электронные приборы чрезвычайно высокого быстродействия, причем диэлектрическая подложка обеспечивает малые паразитные емкости в ИС. Значительная ширина запрещенной зоны позволяет расширить температурный диапазон работы ИС. Прямой характер межзонных переходов приводит к резкому снижению времени жизни избыточных носителей заряда. В сочетании с большой шириной запрещенной зоны это свойство GaAs повышает радиационную стойкость И С на его основе.

Весьма полезным свойством GaAs является возможность превращения легированного донорами или акцепторами материала в полуизолятор путем бомбардировки его легкими ионами (водорода, бора или кислорода). Возникающие при этом радиационные дефекты создают в запрещенной зоне глубокие разрешенные уровни, поглощающие свободные носители заряда. В результате создается возможность получения высококачественной взаимной изоляции элементов ИМС без нарушения планарности структуры.

Недостатками GaAs по сравнению с кремнием являются:

• • сравнительно высокая плотность дефектов;
• • малая механическая прочность (хрупкость);
• • меньшая теплопроводность (в 2,7 раза меньше, чем у Si);
• • высокая стоимость (подложки GaAs примерно в 30 раз дороже кремниевых);
• • низкая подвижность дырок (менее 400 см²/В с при 300 К);
• • отсутствие высококачественного собственного оксида, подобного, но свойствам Si0₂.

Поэтому применение GaAs как исходного материала ИС целесообразно в тех случаях, когда необходимые свойства изделий не могут быть получены при использовании кремния.