9.4. Полевые транзисторы на гетероструктурах

Идеи, касающиеся квантово-размерных явлений и эффектов, открывают широкие возможности создания приборов нового типа. В частности, традиционные полевые транзисторы, выполненные по субмикронной технологии, приобретают новые свойства. Уменьшение толщины окисла, длины канала приводит к квантованию поперечного движения в канале. В результате образуется квазидвумерный газ носителей заряда, увеличивается их подвижнсть и туннельный ток. При длинах затворов транзисторов до 20 нм они становятся сравнимы с длиной когерентности и длиной волны де Бройля при комнатной температуре.

Для изготовления таких транзисторов перспективным является применение гетеропереходов. Как уже отмечалось выше (см. гл. 4) энергетическая диаграмма гетеропереходов характеризуется скачками энергии в зонах проводимости и валентной зоне. Высота потенциальных барьеров в них различна. В частности, в таких структурах возможно получение односторонней инжекции носителей заряда.

На рис. 9.8 приведена зонная диаграмма гетероперехода между арсенидом галлия и твердым раствором между арсенидом галлия и арсенидом алюминияGaAs –Al_хGa_1-хAs. Величина х характеризует содержание алюминия, и с ростом х увеличивается ширина запрещенной зоны данного твердого раствора. Для типичного значения х=0,3 ширина запрещенной зоны твердого раствора Al_0,3Ga_0,7As равна 1,8 эВ.

У границы раздела двух полупроводников образуется квантовый колодец или зона двумерного электронного газа (ДЭГ).

Двумерный электронный газ или 2D-газ представляет собой систему электронов, энергетические состояния которых соответствуют свободному движению только вдоль определенной плоскости (см. рис. 9.4, а). Важным свойством двумерного электронного газа является то, что возможно регулирование в широких пределах плотности электронов под воздействием поперечного электрического поля. Электроны в ДЭГ имеют повышенную эффективную концентрацию и подвижность. На основе таких гетероструктур изготавливаются гетеротранзисторы.

В качестве примера на рис. 9.9 приведена физическая структура полевого транзистора на гетероструктурах (ГСПТ) с использованием арсенида галлия. Транзистор представляет собой тонкую эпитаксиальную пленку твердого раствора AlAs-GaAs, нанесенную на полупроводниковую подложку из полуизолирующего GaAs. Между металическим затвором и легированным слоем на основе n⁺-Al_0,3Ga_0,7As формируется управляющий переход «металл-полупроводник». Обедненная область этого перехода располагается в слое i-Al_0,3Ga_0,7As.

Различают нормально открытый (НО) (рис. 9.9, а) и нормально закрытый (НЗ) транзистор (рис. 9.9, б). При напряжении на затворе U_зи<0 в слое нелегированного GaAs на границе с гетеропереходом в области зоны двумерного электронного газа формируется канал НО транзистора. На рис. 9.9, а эта область ограничена штриховой линией. В НЗ транзисторе при U_зи=0 проводящий канал отсутствует вследствие того, что область ДЭГ двумерного электронного газа перекрыта обедненной высокоомной областью управляющего перехода. При подаче на затвор напряжения U_зи>0, величина которого равна пороговому значению, обедненная область управляющего перехода сужается настолько, что её нижняя граница попадает в область ДЭГ.

На рис. 9.9, в приведены стоково-затворные характеристики НО (1) и НЗ (2) транзисторов. Большое значение крутизны для НЗ транзистора обусловлено меньшей толщиной легированного донорами Al_0,3Ga_0,7As.

Уменьшение размеров этого типа транзисторов позволяет повысить его быстродействие. Наиболее эффективны n-канальные полевые гетеротранзисторы (ГСПТ), выполненные на основе гетероструктуры типа n⁺-Al_xGa_1-xAs/i-GaAs со значением х~0,3. Образуется гетеропереход с потенциальной ямой (квантовым колодцем) со стороны подложки, в которой формируется проводящий канал, подобный каналу в сильно инвертированном выраженном поверхностном слое.

Когда квазиуровень Ферми подвижных носителей, представляемый потенциалами истока и стока, пересечет дно ямы, то яма деформируется. Она станет узкой и состояние носителей в ней приобретёт квантовый характер. Образуется квазидвумерный газ, подвижность носителей в котором увеличится благодаря уменьшению рассеяния носителя на примесях. Причиной тому является малая концентрация остаточных заряженных центров в буферном слое полуизолирующей подложки вблизи поверхности (~10²⁰ м^-3) и высокое качество поверхности границы гетероперехода.

Формирование со стороны эпитаксиальной пленки тонкого, порядка 1 нанометра, нелегированного пограничного слоя, который отделяет канал от сильнолегированной области в эпитаксиальной плёнке, также способствует увеличению подвижности носителей. При нормальной работе ГСПТ эпитаксильная плёнка обедняется носителями, а пространственный заряд в ней создается ионизированными донорами с концентрацией ~10²⁴ м^-3. При ширине затвора L_g~0,25 мкм и температуре 300 К обнаруживается квазибаллистический характер переноса носителей.