Состояние и перспективы развития элементной базы и технологии полупроводниковой электроники

Полевые GaAs-транзисторы с гетеропереходом

В последнее время полевые GaAs-транзисторы с гетеропереходом и управляющим затвором Шоттки (ГПТШ) вышли на уровень промышленного производства, но еще не потеснили Siи GaAs-биполярные транзисторы с гетеропереходом (МВТ).

При конструировании полевых транзисторов микроволнового диапазона приходится решать проблемы не только технологического плана. Известно, что при дрейфе электронов в канале они испытывают большое количество соударений, которое за время пролета (10^-12 с) составляет десятки или сотни и за время 1СН³ с (между двумя соударениями) носители проходят расстояние порядка 400 А. Соударения ведут к падению подвижности, которая и без того снижается при повышении концентрации носителей в канале, необходимой при малой длине канала. Использование гетеропереходов позволило разрешить это противоречие: двухмерный электронный газ обеспечивает возможность получения слоя с повышенной концентрацией носителей без увеличения концентрации доноров. Пространственное разделение ионов доноров и свободных электронов дает возможность получать высокие концентрации носителей одновременно с высокими значениями х_р и ц_п.

Изменение степени легирования в данных транзисторных структурах нашло отражение в их названиях — «модуляционно-легированный» или «селективно-легированный». Возможны и другие варианты транзисторной структуры с высокой ц_п (НЕМТ), например, с каналом в слое GaAs (узкозонный полупроводник) и слоем «поставщика электронов» — широкозонный полупроводник — AlInAs. Например, подвижность в канале GalnAs достигает 10 000 см²/(В-с), обеспечивая высокую плотность заряда в слое двухмерного электронного газа (3 — 4,5) -10¹² см^-2. Однако эти положительные качества в НЕМТ в большей степени проявляются при пониженных температурах.

Серьезным препятствием при реализации транзисторов с высокой р_п является наличие глубоких ловушек при высоком уровне содержания алюминия в AlGa₁__xAs_x. Для получения слоя с двухмерным электронным газом необходимы значения х > 0,2, но при этих значениях глубокие ловушки приводят к срыву стоковых ВАХ, повышению уровня генерационно-рекомбинационных шумов и даже к появлению эффекта фоточувствительности. С целью снижения указанных процессов предложено создавать слой двухмерного электронного газа на границе раздела AlGaAs/In-GaAs, что обеспечивается ведением между слоем AlGaAs (30—40 Е) и нелегированным GaAs (1 мкм) слоя InGaAs толщиной в 200 А. Такая структура получила название псевдоморфного транзистора с высокой подвижностью электронов. Объясняется действие слоя InGaAs тем, что этот материал имеет меньшую, чем GaAs, ширину ДЕ, что позволяет использовать в паре с ним AlGaAs с низким содержанием алюминия (х = 0,15).

Поскольку у InGaAs зона уже, чем у GaAs, то он может играть роль узкозонного полупроводника в гетеропереходе с GaAs и квантовый колодец может быть получен и в этом гетеропереходе. Для этого слой InGaAs наносится на GaAs, а на него — слой AlGaAs, решетки которых имеют различие в сотые доли процента. Согласование решеток достигается благодаря эластичности слоя InGaAs, который в виде тонкого слоя In₀₁₅Ga_{0 85}As оказывается сжатым, отражая структуру GaAs и трансформируя свою «природную» кубическую структуру в тетрагональную.

Транзисторы этого типа превосходят обычные GaAs-транзисторы по многим высокочастотным параметрам. Так, крутизна переходной характеристики НЕМТ-транзисторов при минимальном уровне шумов в 1,5 раза превосходит крутизну обычных GaAs полевых транзисторов, что дает возможность получить усиление в 8 дБ на частоте 20 ГГц, а это недостижимо для последних.

Указанные конструкции — планарные (исток, сток и затвор расположены в одной плоскости), что требует конструкторско-технологического решения подсоединения кратчайшим путем всех истоков на общую поверхность (транзисторы в схемах работают, как правило, с заземленным истоком в качестве общего электрода).

Одним из возможных решений является конструкция транзистора с затвором и истоком, расположенными друг против друга: транзистор с противолежащими истоком и стоком (OGST — opposed gate-source transistor) или «транзистор с вертикальной структурой». При этом подложка состоит из полуизолирующего GaAs с нанесенными на его поверхность слоями AlGaAs и GaAs, а затвор располагается между двумя контактами. Под истоком с обратной стороны подложки протравливается строго сцентрированное относительно затвора и стоков отверстие, которое заполняется металлом.

Такая конструкция снижает индуктивность истока, повышает крутизну передаточной характеристики (из-за симметричного расположения стоковых электродов по обе стороны от затвора); снижает потери в линиях передачи на входе и выходе (за счет согласования их импедансов).

Типовая структура GaAs ГПТШ (приведена на рис. 5.16, а) отличается от «обычных» ПТШ (MESFET) наличием гетероперехода между барьерным (донорным) и нелегированным канальным слоями (в данном случае между слоями GaAs и AlGaAs). Так как здесь ширина Д? материала канального слоя больше, чем барьерного, в канале у границы слоев формируется потенциальная яма (тонкий слой), в которой накапливаются свободные носители, образуя так называемый двумерный электронный газ (2DEG).

А поскольку канальный слой не легирован, в нем рассеяние минимально и подвижность носителей высокая. Именно это позволило назвать такие транзисторы — транзисторами с высокой подвижностью электронов (НЕМТ). При этом задача буферного слоя — обеспечить структурный переход от полуизолирующей подложки к совершенной структуре канального слоя.

Напомним, что постоянные кристаллических решеток AlGaAs и GaAs достаточно близки (рис. 5.16, б — зонная диаграмма GaAs ГПТШ). В НЕМТ-транзисторах гетеропереход (кроме AlGaAs/InGaAs) может быть создан и другими материалами с отличными постоянными решетки: InGaAs/InAlAs, InGaP/lnGaAs и т. п. (псевдоморфные —рНЕМТ). В таких приборах за счет увеличения разрыва между границами зон проводимости и значениями ц_п получены более высокое U_np (свыше 12 В), рабочие частоты и КПД (до 60%).

Реальным примером рНЕМТ-технологии можно считать приборы компании TriQuint Semiconductor с минимальным размером элементов 0,15 мкм. Базовая структура такого транзистора формируется на полуизолирующей GaAs-подложке, на которой создают буферный слой в виде сверхрешетки AlAs/GaAs, InGaAs-канальный слой и AlGaAs-барьерный слой п-типа. Сверху и снизу к канальному слою примыкает спейсер — слой нелегированного AlGaAs.

Концентрация электронов проводимости в канале при этом достигает 3,2* 10¹² см³, ц_п — 6500 см²/В-с, максимальный ток канала может составлять 680 мА/мм² (при напряжении канала 1,5 В), U_np — 13 В,/_т— 52 ГГц, максимальная частота усиления мощности — 150 ГГц. Рабочее напряжение — 6 В, КПД в режиме усиления — 40%.

Рис. 5.16. Типовая структура (а) и зонная диаграмма GaAs ГПТШ (б).

На основе этой технологии выпускается ряд усилителей (TGA4516, TGA4046 и другие на диапазоны частот 32—38 ГГц и 45 ГГц, с выходной мощностью до 2 Вт).

Для повышения /_т рНЕМТ-транзисторов на основе InAlAs/In-GaAsструктур повышают концентрацию индия в 1п_хСа_ЬхА5-канальном слое, но это ухудшает характеристики прибора. Возможное решение — применение InP-подложек, что согласует постоянные решеток, позволяя получить/_т > 400 ГГц.

Реализованные рНЕМТ с InGaAs/InAlAs/InP-структурой на 100- и 75-миллиметровых пластинах по 0,1-мкм технологии (компания Northrop Grumman Space Technology — NGST) сегодня производятся серийно (рис. 5.17 — структура InGaAs/InAlAs/InP рНЕМТ компании NGST).

Рис. 5.17. Структура InGaAs/lnAIAs/lnP рНЕМТ компании NGST.

В таких транзисторах концентрация In в InGaAs-канальном слое составляет 60%, а ц носителей в канале достигает 10⁴ см²/В-с при плотности электронов в 2DEG-cnoe — 3,5−10¹² см^-2. Крутизна транзистора составляет 800 мСм/мм, плотность тока — 540 мА/мм,/_т — более 190 ГГц. На базе рНЕМТ создан малошумящий двухкаскадный балансный усилитель с коэффициентом усиления свыше 17 дБ и уровнем шумов менее 2,4 дБ в диапазоне 27—39 ГГц.

Однако стоимость таких транзисторов остается высокой, поэтому в качестве возможного решения сегодня рассматриваются так называемые метаморфные НЕМТ-структуры (МНЕМТ), т. е. приборы со сложным многослойным буфером (со ступенчатым изменением концентрации примеси для обеспечения плавного перехода от GaAs-подложки к InGaAs-каналу). Этим решается проблема применения более дешевых GaAs-подложек, что и использовала компания Raytheon, разработавшая технологию изготовления InAlAs/InGaAs/GaAs МНЕМТ-структур с концентрацией индия в InGaAs-канале 60%. Получены транзисторы с крутизной порядка 850 мСм/мм, напряжением пробоя 8 В и током канала до 700 мА/мм (в постоянном режиме). В импульсном режиме эти показатели составили 6 В и 200 мА/мм соответственно. При суммарной ширине затвора 480 мкм усиление на частоте 94 ГГц при напряжении 2,5 В составило 12 дБ, выходная мощность 360 мВт/мм, КПД — свыше 30%. На базе этих МНЕМТ в этой компании создан ряд однокаскадных усилителей мощности диапазона 56—100 ГГц. Их усиление при напряжении 3,3 В составило 6,5 дБ, КПД — 17% при максимальной выходной мощности 226 мВт.