15.4. Полевые транзисторы с высокой подвижностью электронов

Вертикальная структура типового полевого транзистора включает следующие слои:

• подложку из арсенида галлия;

• нелегированный переходный слой из GaAs;

• тонкий активный слой из нелегированного InGaAs (1015 нм);

• тонкий разделительный слой из нелегированного AlGaAs (58 нм);

• тонкий легированный донорный N⁺- слой AlGaAs (35 нм);

• разделительный слаболегированный N - слой AlGaAs (5080 нм);

• контактный легированный N⁺- слой GaAs (100 нм).

Формирование транзисторов начинается с нанесения и вжигания омических контактов. Затем проводится удаление контактного N⁺- слоя с области изоляции. Изоляция выполняется имплантацией ионов водорода или бора. Самая ответственная операция – травление затворной канавки. Травление ведется селективно до слоя AlGaAs, причем контактный слой GaAs следует растравить так, чтобы затвор его не касался. Структура металла затвора включает нижний слой платины, разделительный слой титана и поводящий слой золота. Напыление затвора ведется на ту же маску, на которую травился контактный слой. При удалении маски затворный проводник самосовмещается с контактными областями. Далее следуют известные процедуры пассивации и металлизации структур. Платиновый контакт создает барьерный переход с величиной потенциального барьера не менее 0,8 эВ. Титан препятствует диффузии золота. Золотой проводник обеспечивает низкое сопротивление затвора. Легированные слои AlGaAs полностью обедняются контактными потенциалами затвора и гетероперехода. Подвижные носители сосредоточены только в активном слое InGaAs.

Поле гетероперехода концентрирует электроны из донорского слоя в кристаллически совершенном нелегированном активном слое. Толщина активного слоя меньше размеров волновой функции электрона, поэтому исчезает одна степень свободы квантовой частицы и, соответственно, снижается вероятность рассеяния. Преимущественно рассеяние происходит на акустических фононах. При снижении температуры подвижность электронов в активном слое достигает огромной величины (более 10⁶ см²/В ∙ с при температуре 4 К). Но даже при комнатной температуре подвижность достигает 10⁴ см²/В ∙ с. Удельная плотность электронов зависит от параметров структуры и лежит в диапазоне от 3∙10¹¹ до 2∙10¹² см^-2. При удельной плотности электронов в активном слое 10¹² см^-2 достигаются следующие параметры полевых транзисторов:

• максимальный ток – 1 А/мм;

• крутизна проходной ВАХ – до 1 А/В∙мм;

• максимальное напряжение сток-исток – 2,5 В;

• максимальная частота усиления по току – более 300 ГГц.

В транзисторах с минимальной длиной затвора 0,10,2 мкм ускоряющее электрическое поле в канале столь велико, что носители успевают разогнаться до скорости выше насыщенной дрейфовой скорости в данном веществе. Это явление называется баллистическим эффектом. Постоянная времени обмена квазиимпульсом для электронов менее 1 пс. Если пролетное время электронов в канале также менее 1 пс, то значительная часть электронов в канале не рассеивается, а движется как баллистическое тело с ускорением. Для баллистических электронов подвижность равна бесконечности. Баллистический эффект проявляется в транзисторах с коротким каналом и высокой подвижностью как повышение насыщенной дрейфовой скорости электронов.

Основное достоинство полевых транзисторов с высокой подвижностью электронов – это рекордно низкий коэффициент теплового шума на высоких частотах. Коэффициент шума зависит от температуры, омических сопротивлений электродов и усиления прибора. Параметры приборов связаны с подвижностью электронов. Наименьший коэффициент шума достигается при низких температурах в транзисторах с максимальной подвижностью. Малошумящие усилители на их основе демонстрируют при азотной температуре (77 К) и частоте 10 ГГц коэффициент шума менее 0,1 дБ. При комнатной температуре (300 К) коэффициент шума около 0,3 дБ.

Полевые транзисторы с высокой подвижностью электронов - наилучшие приборы для усиления слабых радиосигналов. Они используются в большинстве сотовых телефонов и современных телевизоров.