Наноэлектронная элементная база информатики на полупроводниках группы А_ІІІВ_V. Гетеротранзисторы

Основные положения лекции 8

Основным преимуществом полупроводников группы являются малая эффективная масса носителей электрического заряда и, соответственно, высокая их подвижность. Благодаря этому и в особенности на "наноэлектронном" этапе развития элементной базы информатики устройства на арсениде галлия и других полупроводниках группы все время опережают кремниевую электронику по быстродействию в несколько раз. Еще одним преимуществом полупроводников группы является то, что большинство из них имеют одинаковую кристаллическую структуру и близкие значения периода кристаллической решетки и поэтому хорошо подходят для гетероэпитаксиального наращивания. Они легко смешиваются между собой, образуя кристаллы типа , , что позволяет получать полупроводники с разным периодом кристаллической решетки и с разной шириной запрещенной зоны энергий. Ширина запрещенной зоны в арсениде галлия существенно больше, чем в кремнии, что позволяет приборам на арсениде галлия функционировать в значительно более широком диапазоне температур. Однако полупроводники группы сравнительно с кремнием – намного более дорогие материалы. И вдобавок они не имеют такого естественного оксида как в кремнии, из-за чего обычно имеют весьма высокую плотность поверхностных состояний. А это делает практически невозможным формирование на них КМДП транзисторов и значительно усложняет технологию производства.

На "наноэлектронном" этапе развития на полупроводниках группы благодаря использованию новейших технологий гетероэпитаксии были созданы сверхбыстродействующие гетеротранзисторы. В полевых гетеротранзисторах с затвором Шоттки (ПГТЗШ) близлежащий к затвору обедненный слой формируют из высоколегированного широкозонного полупроводника, а канал проводимости – из относительно узкозонного чистого полупроводника. Их разделяют тонким слоем чистого широкозонного полупроводника, благодаря чему на гетеропереходе наблюдаются существенные смещения и изгиб энергетических зон, и возникает потенциальная яма для электронов – квантовая плоскость, где электроны проводимости становятся "двумерным электронным газом" с высокими концентрацией и подвижностью. Благодаря этому предельная частота ПГТЗШ на гетеропаре полупроводников и уже при проектно-технологических нормах 100 – 200 нм выросла до 80–120 ГГц, а при норме 20 нм была достигнута предельная частота около 600 ГГц. ПГТЗШ на гетеропаре полупроводников и достигли при комнатных температурах предельной частоты порядка уже нескольких терагерц и имеют на порядок меньшие собственные шумы. Правда, из-за меньшей ширины запрещенной зоны рабочий диапазон температур у них заметно уже.

Принцип построения логических схем на ПГТЗШ такой же, как и принцип построения логических схем на ПТЗШ. С использованием гетеропары полупроводников и уже выпускаются логические интегральные схемы на ПГТЗШ со временем задержки порядка 5 пс на вентиль.

Для применений в системах связи и в радиолокации, где нужно достигать высокой мощности сигналов на сверхвысоких частотах, преимущество имеют гетероструктуры с большой шириной запрещенной зоны энергий такие, как и . Такие ПГТЗШ работают при напряжении питания порядка 100 В и на частотах в десятки гигагерц обеспечивают удельную выходную мощность порядка 100 Вт/мм. Широкая запрещенная зона позволяет транзисторам нормально функционировать при температурах до 500.

В биполярных гетеротранзисторах широкозонный эмиттер позволил сильно легировать базовую область, чем обеспечивается высокое быстродействие транзистора при малой толщине базовой области, когда почти все инжектированные носители беспрепятственно достигают коллекторного перехода. Такие гетеротранзисторы доведены сейчас до предельных частот до 250 ГГц, а на основе фосфида индия (эмиттер из / база из / коллектор из ) – до предельных частот свыше 400 ГГц.

Характеристики биполярных и полевых гетеротранзисторов на основе полупроводников группы удалось дополнительно улучшить благодаря использованию резонансного туннелирования. Необходимый для этого тонкий двойной туннельный барьер (ДТБ) можно встроить в любую область транзистора (эмиттер, базу или коллектор, сток, исток, или затвор Шоттки). Имея ВАХ N-типа и значительный участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением, они позволяют в логических и в импульсных схемах на гетеротранзисторах получать очень крутые фронты сигналов, что способствует повышению быстродействия и надежности таких схем.

Перспективными стали также униполярные гетеротранзисторы на "горячих" электронах со структурой , где высоколегированная узкозонная -область между широкозонными -областями выполняет роль базы транзистора. На границе раздела эмиттер/база возникает перепад потенциала, из-за чего инжектированные в базу электроны проводимости получают кинетическую энергию, намного больше энергии теплового движения. Они очень быстро пролетают сквозь базу в коллектор практически без рассеяний, обеспечивая высокий коэффициент передачи и сверхвысокое быстродействие. Если в область эмиттера встраивается ДТБ, то резонансное туннелирование обеспечивает инжекцию в базу "горячих" электронов с очень малым "разбросом" энергий, что обеспечивает их практически одновременный пролет сквозь базу и крутые (субпикосекундные) фронты сигналов при переключениях транзистора.

Набор для практики

Вопросы для самоконтроля

1. Какие преимущества имеют полупроводники группы по сравнению с кремнием? В чем они ему уступают?
2. Какую структуру имеют полевые гетеротранзисторы с затвором Шоттки (ПГТЗШ)? Изобразите ее, а также ее энергетическую диаграмму и объясните принцип работы.
3. Каких приблизительно технических параметров удалось достичь в наноэлектронных ПГТЗШ? В логических схемах на ПГТЗШ?
4. Каким гетеропарам отдают предпочтение при изготовлении ПГТЗШ для применений в системах связи и в радиолокации? Почему?
5. Что такое "биполярный" гетеротранзистор? Изобразите его структуру и объясните назначение всех слоев.
6. Каких преимуществ удалось достичь благодаря использованию в биполярных транзисторах гетероструктур?
7. Каких приблизительно технических параметров удалось достичь в наноэлектронных биполярных гетеротранзисторах?
8. Что такое "гетеротранзисторы с резонансным туннелированием"? Изобразите структуру одного из вариантов такого транзистора и объясните назначение всех слоев.
9. Каких преимуществ можно достичь, используя в гетеротранзисторе дополнительно двойной туннельный барьер (ДТБ)? Куда можно "встроить" такой ДТБ?
10. Почему униполярные гетеротранзисторы на "горячих" электронах удалось реализовать лишь с помощью наноэлектронной технологии?
11. Благодаря чему в униполярных гетеротранзисторах на "горячих" электронах удается достичь повышенного быстродействия? Назовите ориентировочные технические параметры.
12. Назовите области применения гетеротранзисторов на полупроводниках группы .