Диссертация (1090806), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Для них нужныусилители с более высокими параметрами: рабочими частотами, мощностью, КПД,что дало стимул поискам новых, преимущественно широкозонных, материалов.Широкозонные полупроводники - полупроводники имеющие большую ширинузапрещенной зоны, к ним относятся GaN, SiC, алмаз и др. Приборы на таких—21 —полупроводниках позволяют достигать более высокие пробивные напряжения иболее устойчивы к воздействию высокой мощности на входе, что позволяетотказаться от ограничителя мощности во входной цепи [1.11] [1.12]. Эта группаполупроводников позволит существенно увеличить уровень выходной мощности,согласно рисунку 1.2.Рисунок 1.2 – Зависимость максимальной выходной мощности от частоты дляприборов на различных полупроводниковых материалахСущественный стимул разработке этих материалов придали различныегосударственные программы.
Государственная программа США по развитиюширокозонных полупроводников (SiC, AlN, GaN) «Технологическая инициатива вобластиширокозонныхполупроводников»(WideBandgapSemiconductorTechnology Initiative – WBGSTI) стала аналогом программы MIMIC для арсенидагаллия и направлена главным образом на разработку и улучшение характеристикприборов военного применения, хотя допускает и двойное применение разработок.В Европе запущен многонациональный проект Korrigan, направленный на созданиеприборов на нитриде галлия, целью которого является совершенствованиеGaN HEMT технологии. В Японии особое внимание уделено развитию и—22 —совершенствованию беспроводных систем для мобильной и широкополосной связии существуют государственные программы, посвященные развитию AlGaN/GaNгетероструктурных полевых транзисторов [23], [24], [25].Втаблице1указаныэлектрофизическиепараметрыосновныхполупроводниковых материалов, используемых при разработке СВЧ приборов.Параметры во многом отличаются, что позволяет использовать их для разныхприборов.Таблица 1 – Параметры основных полупроводниковых материалов для СВЧприборов,Арсенид галлия (GaAs)Основой работы транзисторов на арсениде галлия является эффектгетероперехода, в данном случае это гетеропереход между барьерным (донорным)и нелегированным канальным слоями, то есть между слоями GaAs и AlGaAs(рисунок 1.3).
Из-за разной ширины запрещенной зоны (в канальной области ширечем в барьерной области) в канале у границы слоев формируется потенциальнаяяма и образуется двумерный электронный газ с высокой подвижностью носителей.Транзисторы с двумерным электронным газом называются HEMT – транзистор свысокой подвижностью электронов (в русскоязычной литературе иногда—23 —используется аббревиатура ТВПЭ). Буферный слой используется для структурногоперехода от полуизолирующей подложки к структуре канального слоя [26].а)б)Рисунок 1.3 – Типичная структура транзистора на GaAs с гетеропереходом (а) иего зонная диаграмма (б)HEMT-транзисторы на GaAS делятся на псевдоморфные и метаморфные.Псевдоморфные (pHEMT) – транзисторы в которых гетеропереход образованматериалами с существенно различными постоянными решетки (AlGaAs/InGaAs,InGaAs/InAlAs, InGaP/InGaAs и т.п.), то есть слой одного материала делается оченьтонким, а его кристаллическая решетка растягивается до соответствия другомуматериалу.
В таких транзисторах выше пробивные напряжения и рабочие частоты,за счет увеличения разрыва между границами зон проводимости и значениямиподвижности электронов.Метаморфные (mHEMT) – транзисторы в структуре которых используетсябуферный слой со ступенчатым изменением концентрации примеси дляобеспечения более плавного перехода от подложки к каналу (например, создаетсябуферный слой AlInAs согласованный с GaAs-подложкой и с InGaAs-каналом),таким образом можно оптимизировать прибор для различных применений.—24 —Кремний-германий (SiGe)Основное достоинство SiGe структур в том, что они позволяют получитьсущественныйрострабочихчастотилинейностьхарактеристик,принезначительном (около 10-20%) удорожании процессов относительно стандартнойкремниевой технологии [8].
В МОП-транзисторах для формирования двумерногоэлектронного газа используется SiGe в буферном слое, в результате подвижностьносителей n-типа и p-типа 2800 и 1400 см2/В·с соответственно, а граничныечастоты достигают 100 ГГц. Фактор, ограничивающий применение SiGe приборов– низкая ширина запрещенной зоны, около 1 эВ. Следствием низкой ширинызапрещенной зоны являются низкие пробивные напряжения, и малая мощность.Кремний-германиевыетранзисторыширокоприменяютсявмаломощныхустройствах, особенно при необходимости минимального энергопотребления, и вперсональных устройствах, таких как мобильные телефоны и цифроваяэлектроника.
Кроме того, такие транзисторы широко востребованы в различныхСБИС и СнК, в которых они формируются на одном кристалле с цифровымикремниевыми схемами.Карбид кремния (SiC)Карбид кремния может иметь разные электрофизические параметры приразных кристаллических структурах – кубической (3C-SiC): гексагональной (2HSiC, 4H-SiC, 6H-SiC и nH-SiC), ромбоэдрической (15 R, 21 R и др.), но дляполупроводниковых приборов широко используются только два гексагональныхтипа – 4H-SiC и 6H-SiC. На карбиде кремния как правило создаются МОПструктуры, при этом, следствием невозможности создания на нем гетероструктурявляется низкая подвижность носителей и низкие рабочие частоты.
Пробивнаянапряженность электрического поля 4H-SiC более чем на порядок выше, чем укремния или арсенида галлия. К другим достоинствам можно отнести высокуюплотность тока и теплопроводность, малое сопротивление в открытом состоянии и—25 —наличие собственного окисла (SiO2). Приборы на карбиде кремния стабильны вовремени, слабо зависят от температуры (могут работать при повышенныхтемпературах), более устойчивы к радиации по сравнению с кремнием илиарсенидом галлия [27].Карбид кремния широко используется в качестве материала подложки, вособенности при создании высокомощных и высокотемпературных приборов. Этосвязано с тем, что карбид кремния обладает высокой теплопроводностью и именнона подложках из карбида кремния достигаются рекордные показатели GaNприборов.
Существенным недостатком подложек из карбида кремния являетсянеобходимость покупки таких подложек за рубежом, так как в России лишь впоследние годы, усилиями ОАО «Светлана», ведутся работы по изготовлениюкарбид-кремниевых подложек.Нитрид галлия (GaN)Нитрид галлия на данный момент считается одним из наиболееперспективных и быстроразвивающихся материалов для СВЧ техники [23-29].Совокупность высоких подвижности и концентрации носителей, а также широкойзапрещенной зоны позволяют добиваться уникальных частотных и мощностныххарактеристик транзисторов – высокого рабочего и пробивного напряжений,высоких предельных частот и удельной мощности [30]. Кроме того, нитридгаллиевые транзисторы работают при более высоких температурах, чем, например,кремниевые.
Достигнутые параметры и перспективы совершенствования нитридгаллиевых приборов стали причиной создания государственных программ поразвитию данной технологии.Общий внешний вид структуры HEMT-транзистора на GaN показан нарисунке 1.4, но параметры конструкции могут существенно отличаться. Основойтранзисторов с гетероструктурами на GaN является двумерный электронный газ,который формируется в области гетероперехода между барьерным AlxGa1-xN слоем—26 —и нелегированным канальным GaN слоем. Из-за различия в ширине запрещеннойзоны (у AlxGa1-xN шире, чем у GaN), в области гетероперехода граница зоныпроводимости GaN оказывается ниже уровня Ферми и образуется потенциальнаяяма [31]. В результате подвижность в слое GaN становится очень высокой(до 2000 см2/В·с), так как в монокристаллическом нелегированном GaNотсутствуют примесные центры рассеяния и связанные с ними дефекты.Несовпадение кристаллических решеток обуславливает образование механическойнапряженности, а из-за сильной поляризации кристаллов AlN и GaN возникаетпьезоэффект, приводящий к дополнительной инжекции носителей в канал.
Врезультате, непосредственно под гетеропереходом в канальном GaN слоеобразуется двумерный электронный газ – тонкий слой с высокой плотностью иподвижностью свободных электронов [32]. Между барьерным и канальным слоямиформируют слой высокоомного нелегированного AlN или AlxGa1-xN, основнымназначением которого является предотвращение рассеяния носителей в канале награнице с гетеропереходом. Между затвором и верхней частью барьерного слояобразуется барьер Шоттки, который управляет проводимостью канала.2DEGа)б)Рисунок 1.4 – Базовая структура HEMT AlGaN/GaN (а) и его зонная диаграмма (б)Основными требованиями к подложке являются низкая электропроводностьи высокая теплопроводность, поэтому одним из лучших материалов для подложекявляется карбид кремния, но широко применяются также подложки сапфира [33].—27 —Теплопроводность карбида кремния на порядок превосходит теплопроводностьсапфира (3.8 Вт/см·К против 0.3 Вт/см·К), кроме того у него меньшерассогласование постоянных решетки с GaN, что снижает концентрацию дефектов.Еще одним достоинством является то, что SiC является полупроводником, чтопозволяет создавать кристаллы с вертикальным механизмом протекания тока, чтоприводит к уменьшению сопротивления структур, снижению величины рабочегонапряжения и снижению потребляемой мощности [34].
Возможно также созданиеприборов на подложках GaN, AlN.К достоинствам транзисторов на GaN также можно отнести высокуюудельную плотность выходной мощности (на единицу ширины затвора) и высокуюрабочуютемпературу(потеоретическимданнымспособнысохранятьработоспособность до 500-600 градусов, на практике получены значения более 400градусов).Существенным недостатком GaN технологии является нестабильность токастока при повышении напряжения питания, это явление назвали коллапсом тока.При этом явлении за счет большого электрического поля происходит «выброс»электронов вблизи края затвора из канала на поверхность пластины и в слой GaN.Также существуют эффект «дисперсии крутизны», при котором несмотря нахорошие статические характеристики, у транзистора ухудшались параметры навысоких частотах и эффект «задержки затворного сигнала», при которомпроисходит несоответствие в импульсном режиме выходного сигнала стока ивходного сигнала на затворе при изменении его значения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
