32.4 Полевые транзисторы на основе арсенида галлия. Разновидности структур меп-транзисторов. Паразитная связь между элементами через полуизолирующую подложку.

Полевые транзисторы с управляющим переходом металл — полупроводник являются основными активными элементами арсенид галлиевых микросхем. Главная цель их разработки состояла в повышении быстродействия. Цифровые арсенид-галлиевые микросхемы относятся к классу сверхскоростных, а аналоговые, как правило, предназначе­ны для работы в диапазоне сверхвысоких частот.

При разработке полевых транзисторов с управляющим переходом металл-полупроводник и микросхем на их основе используются сле­дующие преимущества арсенида галлия по сравнению с кремнием: бо­лее высокие подвижность электронов в слабых электрических полях и скорость насыщения в сильных полях, большая ширина запрещенной зоны и, как следствие, значительно более высокое удельное сопротив­ление нелегированного арсенида галлия, позволяющее создавать по­луизолирующие подложки микросхемы.

Наиболее оптимальным активным эле­ментом, позволяющим реализовать в микросхемах преимущества арсе­нида галлия по сравнению с кремнием, является полевой транзистор с управляющим переходом металл-полупроводник (MEП-транзистор).

Одна из первых структур арсенид-галлиевого МЕП-транзистора (поперечный разрез) показана на рис. 5.1. Транзистор создают на подложке 1 из нелегированного, арсенида галлия. Нелегированный арсенид галлия имеет слабо выраженную проводимость p-типа. Для ее уменьшения при выращивании монокристаллов иногда вводят в не­больших количествах атомы хрома, компенсирующие действие ак­цепторов. Подложки, изготовленные из такого материала, обладают по­вышенным удельным сопротивлением, и их называют полуизолирую­щими.

У поверхности подложки методом ионного легирования формируют сильнолегированные области 2 истока и стока n⁺-типа, а затем — тонкий слой канала 3 n-типа. Типичная толщина слоя 3 d₀ =0,1...0,2 мкм, концентрация доноров в канале N_Д._К=(1 ...2)-10¹⁷см^-3. В качестве легирующих примесей (доноров) обычно используют крем­ний, селен, серу и др.

На поверхность подложки над слоем 3 наносят металлический электрод 4 затвора 3, например, в виде сплава титан — вольфрам. Металлические электроды 5, для которых применяют композицию зо­лото-германий, обеспечивают омические контакты к областям исто­кам И и стока С. На поверхность подложки, не используемую для кон­тактов, наносят слой диэлектрика 6, например диоксида кремния.

Металлический электрод затвора образует со слоем 3 выпрямляю­щий

контакт — барьер Шотки, типичная равновесная высота которо­го 0,8 В. Проводящий канал между истоком и стоком рас­полагается в слое 3 и огра­ничен сверху обедненной областью 7 барьера Шотки, а а снизу — подложкой 1. Тол­щина проводящего канала равна d₀ — L_o6, где L_o6 — толщина обедненной обла­сти 7. Типичное расстояние исток— сток L_иc— 1,5 ...3 мкм, а длина затвора L₃ = 0,5 ...1 мкм.

Разновидности структур МЕП-транзисторов.

Перспективным элементом цифровых сверхскоростных микросхем и аналоговых микросхем диапазона СВЧ является гетероструктурный полевой транзистор с управляющим переходом металл-полупровод­ник (ГMEП-транзистор). В этом транзисторе используют свойства гетероперехода между тонкими моно­кристаллическими слоями двух полу­проводниковых материалов с близкой кристаллической структурой, но раз­личной шириной запрещенной зо­ны [3]. Наиболее широко применяют гетеропереход между арсенидом гал­лия и арсенидом галлия-алюминия Al_XGa_1-XAs (рис. 5.9, а). Величина х показывает относительное содержание алюминия. Ширина запрещенной зо­ны арсенида галлия-алюминия линейно увеличивается с ростом х. Типичное значение х = 0,3, ему со­ответствует .

Штриховая горизонтальная линия соответствует уровню Ферми E_ф, в равновесном состоянии его энергия одинакова для обоих полупроводников, E_в—энергия, со­ответствующая границе валентной зоны. В нелегированном арсениде галлия (область 1) уровень Ферми располагается почти посередине запрещенной зоны, а в легированном донорами (типичная концен­трация доноров N_д =(1... 20) • 10¹⁷ см^-3) арсениде галлия-алюминия (область 2) — вблизи дна зоны проводимости Е_П.

В арсениде галлия у границы раздела 5 двух полупроводников в зоне проводимости образуется область 3 с минимальной энергией элект­ронов. В этой области происходит накопление электронов, переходя­щих из области 4, расположенной в арсениде галлия-алюминия. Об­ласть 4 обеднена электронами и заряжена положительно, так как со­держит некомпенсированные ионы доноров. Разрыв дна зоны прово­димости (скачок энергии ) на границе 5 при х = 0,3 около 0,3 эВ. 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 называют двумерным элект­ронным газом, подчеркивая тем самым, что в слабых полях эти элект­роны не могут перемещаться в третьем измерении, т. е. переходить, например, из области 3 в область 4, так как этому препятствует потен­циальный барьер, образованный разрывом дна зоны проводимости

Принцип действия ГМЕП-транзистора аналогичен принципу дейст­вия МЕП-транзистора. Между металлическим затвором и расположен­ным под ним слоем арсенида галлия-алюминия образуется управляю­щий переход металл — полупроводник.

Важными достоинствами структуры ГМЕП-транзистора (по срав­нению со структурой МЕП-транзистора на рис. 5.1) являются меньшая плотность. поверхностных состояний на границе арсенида галлия-алюминия с диэлектриком и большая высота барьера Шотки ( 1 В). Вследствие меньшей плотности поверхностных состояний уменьшаются отрицательный поверхностный заряд и толщина обеднен­ных областей в промежутках исток — затвор, затвор — сток, что по­зволяет обеспечивать меньшие паразитные сопротивления этих обла­стей, не используя дополнительные технологические операции селек|тивного ионного легирования, необходимые для транзисторов с само­совмещенным затвором (см. рис. 5.3). Вследствие большей высоты барьера Шотки для ГМЕП-транзисторов допустимо большее (до 0,7 В) прямое напряжение затвор — исток, что особенно важно для нормаль­но закрытых транзисторов, рабочие напряжения на затворах которых могут изменяться лишь в узком диапазоне, ограниченном сверху на­пряжением отпирания управляющего перехода металл — полупровод­ник.

Импульсные и частотные свойства ГМЕП-транзисторов в основном (определяются временем пролета электронов через канал, где они дви­жутся со скоростью насыщения: t_np,_K = L₃/v_nac. При Т = 300 К 2*10⁷ см/с, при понижении температуры скорость насыщения увеличивается по закону ~1/Т.

ГМЕП-транзисторы перспективны для использования в СВЧ-микросхемах. Наилучшие параметры эти транзисторы имеют при низких температурах. Однако и при комнатной температуре их основные па­раметры (коэффициенты шума и усиления) лучше, чем у МЕП-транзис-торов. Одинаковые параметры для МЕП- и ГМЕП-транзисторов до­стигаются при большей длине затвора ГМЕП-транзисторов.

Недостатком ГМЕП-транзисторов (по сравнению с МЕП-транзисто-рами) является более высокая стоимость, обусловленная усложне­нием технологии изготовления.

Паразитная связь между элементами через полуизолирующую подложку.

Полуизолирующая подложка из компенсированного хромом или нелегированного арсенида галлия, обладающего высоким удельным сопротивлением (более 10^е Ом-см), позволяет обеспечивать очень ма­лые токи утечки переходов исток — подложка; сток — подложка и па­разитные токи между соседними транзисторами микросхемы при ма­лых (несколько микрометров) расстояниях между ними. Однако серь­езной причиной, ограничивающей минимальные расстояния между транзисторами на кристалле и степень интеграции арсенид-галлиевых микросхем, создаваемых на полуизолирующей подложке, является паразитная связь между соседними элементами, обусловленная эф­фектом поля в подложке.

Для пояснения этого эффекта на рис. 5.6 показана активная часть структуры транзистора (см. рис. 5.1) между истоком и стоком. В этой части в слое n-типа существуют три области (заштрихованы), обеднен­ные электронами: 1 — под затвором, 2 — под диэлектриком у поверх­ности, 3—на границе с подложкой 5. Кроме того, имеется область от­рицательного объемного заряда 4, расположенная в подложке. В об­ласти 4 находятся неподвижные отрицательные ионы. Они представ­ляют собой примеси и дефекты в подложке (центры захвата), которые захватывают электроны, переходящие из слоя n-типа.

Толщина обедненной области 3 тем больше, чем ниже концентрация доноров в слое 6 /г-типа и чем выше концентрация примесей и дефектов в подложке. Толщина области 3 также зависит от потенциала подлож­ки под электрическим n-i переходом 3—4. При изменении этого по­тенциала изменяется толщина области 3, а следовательно, толщина ка­нала и ток стока при неизменных напряжениях на электродах транзи­стора. Изменение потенциала подложки в об­ласти, расположенной под каналом транзи­стора, в кристалле микросхемы может быть обусловлено изменением напряжения на элек­тродах соседних элементов. Поэтому ток сто­ка данного транзистора может зависеть не только от напряжений на его электродах, но и от напряжений на электродах соседних элементов. В

этом состоит сущность паразитной связи между соседними элементами, расположенным на полуизолирующей подложке. Электрод соседнего

элемента, напряжение на котором влияет на ток стока рассматри­ваемого транзистора, по отношению к нему выполняет функцию вто­рого затвора, расположенного сбоку от транзистора. Поэтому в литературе данный эффект паразитной связи называется эффектом бо­кового затвора.

Толщина i-n перехода может изменяться при изменении степени заполнения центров захвата в подложке под влиянием температуры или оптического и ионизирующего излучений. Поэтому плохая вос­производимость параметров транзисторов в пределах одной пластины может быть обусловлена не только технологией их изготовления, но t неоднородностью распределения центров захвата в самой полуизоли­рующей подложке.

Помимо паразитной связи, обусловленной эффектом поля, может наблюдаться инжекция электронов из области n+-типа в подложку. Эти электроны могут захватываться центрами захвата и усиливать эф­фект паразитной связи. Влияние инжекции ослабляют, создавая меж­ду элементами микросхемы специальные изолирующие области, полу­чаемые, например, протонной бомбардировкой полуизолирующей под­ложки. В этом случае пороговое напряжение U_nop._n._c может быть увеличено в несколько раз.