Кіріспе

Өріс эффектілік транзистордың түрі

Жоғары электронды жылдамдықты транзистор (HEMT немесе HEM FET), гетероструктуралық ЭТТ (HFET) немесе модуляцияланған допингті ЭТТ (MODFET) деп те аталады, бұл әртүрлі жолақтық айырмасы бар екі материалдың арасындағы қосылысты (яғни гетероқосылысты) допингтелген аймақ орнына арна ретінде пайдаланатын өріс эффектілік транзистор (әдетте MOSFET үшін). Көбінесе қолданылатын материалдар комбинациясы GaAs және AlGaAs, бірақ құрылғының қолданысына байланысты кең ауқымда өзгерістер болуы мүмкін. Көбірек индий қамтитын құрылғылар жоғары жиілікті көрсеткіштерді жақсырақ көрсетеді, ал соңғы жылдары галлий нитридті HEMT-тер жоғары қуатты көрсеткіштеріне байланысты назар аударуда. Басқа ЭТТ-лер сияқты, HEMT интегралдық схемаларда цифрлық қосу-өшіру құрылғысы ретінде қолданылады. ЭТТ-лер кішкентай кернеуді басқару сигналы ретінде пайдаланып, үлкен ток мөлшерін күшейтуге де қолданылуы мүмкін. Бұл екі қолданыс ЭТТ-нің ерекше ток-кернеу сипаттамаларының арқасында мүмкін болады. HEMT транзисторлары миллиметрлік толқын жиіліктеріне дейін, қарапайым транзисторларға қарағанда жоғары жиіліктерде жұмыс істей алады және ұялы телефондар, спутниктік теледидар қабылдағыштары, кернеу түрлендіргіштері және радар жабдықтары сияқты жоғары жиілікті өнімдерде қолданылады. Олар спутниктік қабылдағыштарда, төмен қуатты күшейткіштерде және қорғаныс индустриясында кеңінен қолданылады.

Қолданбалар

HEMT-тің қолданылу аймақтары микротолқынды және миллиметрлік толқынды байланыс, бейнелеу, радар, радиоастрономия және қуатты коммутациялауды қамтиды. Олар ұялы телефондар, қуат адаптерлері, DBS қабылдағыштарынан бастап радиоастрономия және радиолокациялық жүйелер сияқты электрондық соғыс жүйелеріне дейінгі көптеген құрылымдарда қолданылады. Әлемдегі көптеген компаниялар HEMT негізіндегі құрылғыларды дискретті транзисторлар түрінде, «монолитті микротолқынды интегралдық схемалар» (MMIC) немесе қуатты коммутациялық интегралдық схемалар ретінде әзірлейді, өндіреді және сатады. HEMT жоғары жиілікте жоғары күшейту және төмен шу қажет болатын қолданулар үшін өте қолайлы, себебі олар 600 ГГц-тен жоғары жиілікте ток күшейтуін және 1 ТГц-тен жоғары жиілікте қуат күшейтуін көрсеткен. Галлий нитриді негізіндегі HEMT-тер төмен кедергісі, төмен коммутациялық шығындары және жоғары түзілу кешіктіруіне байланысты кернеу түрлендіргіштері үшін қуатты коммутациялық транзисторлар ретінде қолданылады. Бұл галлий нитриді күшейтілген кернеу түрлендіргіштеріне AC адаптерлері кіреді, олар қуаттық тізбек кішірек пассивті электрондық компоненттерді қажет ететіндіктен кішірек корпус өлшемдерінен пайда көреді. HEMT-тің негізі GaAs (галлий арсениді) MOSFET (металл-оксид-жартылай өткізгіштік эффекті транзисторы) болды, оны Мимура 1977 жылдан бері стандартты кремний (Si) MOSFET-ке балама ретінде зерттеді. Ол HEMT-ті 1979 жылдың көктемінде, АҚШ-тағы Bell Labs зертханасында жасалған модульді допингтелген гетероқосылыс суперрешеті туралы оқыған кезде ойлап тапты. Мимура 1979 жылдың тамызында HEMT үшін патенттік өтініш берді, содан кейін сол жылы патент алды. HEMT құрылғысының алғашқы демонстрациясы, D HEMT, Мимура мен Сатоши Хиямидзу 1980 жылдың мамырында таныстырды, ал кейін 1980 жылдың тамызында бірінші E HEMT-ті көрсетті. «Инвертті» HEMT-ті алғаш рет 1980 жылдың тамызында Delagebeaudeuf және Nuyen таныстырды. Кейін, 2004 жылы П. Д. Йе және Б. Ян және басқалар GaN (галлий нитриді) металл-оксид-жартылай өткізгіштік HEMT (MOS HEMT) құрылғысын көрсетті. Ол қақпа диэлектригі және беттік пассивтеу үшін атомдық қабаттау (ALD) әдісімен алынған алюминий оксиді (Al2O3) пленкасын қолданды.

Операция

Екі өлшемді электрондық газ (2DEG) пайда болуына негізделген жұмыс принципіне ие өрістік эффектті транзисторлар HEMT деп аталады. HEMT-терде электр тогы дренаж және көз элементтері арасында 2DEG арқылы өтеді, ол әртүрлі энергиялық саңылаулары бар екі қабаттың интерфейсінде орналасқан және гетероқосылыс деп аталады. HEMT-тер үшін бұрын зерттелген гетероқосылыс қабаттарының (гетероқұрылымдардың) мысалдары: AlGaN/GaN және Si/SiGe.

2DEG арнасын құру

Кең жолақты элемент донорлық атомдармен қосылған; сондықтан оның өткізгіштік жолағында артық электрондар бар. Бұл электрондар энергиясы төмен күйлердің болуына байланысты, жақын орналасқан тар жолақты материалдың өткізгіштік жолағына диффузиялайды. Электрондардың қозғалысы потенциалдың өзгеруіне және, демек, материалдар арасындағы электр өрісіне әкеледі. Электр өрісі электрондарды кең жолақты элементтің өткізгіштік жолағына кері итеріп жібереді. Диффузия процесі электрондық диффузия мен электрондық дрейф тепе-теңдікке келгенше жалғасады, бұл p-n тоғысуына ұқсас, тепе-теңдіктегі тоғысуды құрайды. Тар жолақты, доптанбаған материалда қазір басым көптеген заряд тасымалдаушылар бар екенін ескеріңіз. Заряд тасымалдаушылардың басым болуы жоғары жылдамдыққа ауысуға мүмкіндік береді, ал төмен жолақты жартылай өткізгіштің доптанбағандығы шашырауға себеп болатын донорлық атомдардың жоқтығын білдіреді, демек, жоғары жылдамдыққа ие болуға мүмкіндік береді. GaAs HEMT жағдайында, олар жоғары допингтелген кең жолақты n-типті донорлық қоректендіру қабатының (мысалымызда AlGaAs) және допингтелмеген тар жолақты канал қабатының (осы жағдайда GaAs) гетероқосылысы арқылы туындаған жоғары жылдамдықты электрондарды пайдаланады. N-типті, жұқа AlGaAs қабатында туындаған электрондар GaAs қабатына толығымен түсіп, AlGaAs қабатын азайтады, себебі әртүрлі жолақты аралықтары бар материалдардан құрылған гетероқосылыс GaAs жағындағы өткізгіштік жолағында кванттық құдық (түбегейлі шатқал) құрайды, онда электрондар допингсіз GaAs қабатының арқасында ешқандай қоспалармен соқтығыспай жылдам қозғала алады және одан шыға алмайды. Бұл өте жоғары концентрацияланған, өте жылдам қозғалатын өткізгіш электрондардың өте жұқа қабатын құруға әкеледі, бұл арнаға өте төмен кедергі (немесе басқаша айтқанда, "жоғары электрондық жылдамдық") береді.

Электростатикалық механизм

GaAs жоғары электрондық туыстығы болғандықтан, AlGaAs қабатындағы бос электрондар допингтелмеген GaAs қабатына өтеді, онда олар интерфейстің 100 ангстрем (10 нм) ішінде жоғары жылдамдықты екі өлшемді электрондық газды құрайды. HEMT-тің n-типті AlGaAs қабаты екі механизм арқылы толығымен азайтылады: беттік күйлер бос электрондарды тұтқындау беттік азайтуға себеп болады, ал электрондардың допингтелмеген GaAs қабатына өтуі интерфейстің азайтуына әкеледі. Қақпа металлының Ферми деңгейі өткізгіштік аймақтан 1,2 эВ төмен болатын бекіту нүктесімен сәйкес келеді. AlGaAs қабатының қалыңдығы азайғанда, AlGaAs қабатындағы донорлар берген электрондар қабатты бекітуге жеткіліксіз болады. Нәтижесінде, энергиялық жолақтың иілуі жоғары қарай жылжиды және екі өлшемді электрондық газ пайда болмайды. Қақпаға шекті кернеуден жоғары оң кернеу қосылғанда, электрондар интерфейсте жинақталып, екі өлшемді электрондық газ түзеді.

HEMT-те модуляциялық допинг

HEMT-тің маңызды ерекшелігі – өткізгіштік және валенттілік аймақтарындағы жолақтың үзілісін жеке-жеке өзгертуге болады. Бұл құрылғыға кіретін және шығатын заряд тасымалдаушыларының түрін басқаруға мүмкіндік береді. HEMT-терде электрондардың басты заряд тасымалдаушысы болуы қажет болғандықтан, материалдардың біреуінде градиенттік допинг қолданылуы мүмкін, соның арқасында өткізгіштік аймағының үзілісі кішірейеді, ал валенттілік аймағының үзілісі өзгермейді. Мұндай заряд тасымалдаушыларының таралуы тар жолақты материалдың екі аймағының шекарасында электрондардың жиналуына себеп болады. Электрондардың жиналуы осы құрылғыларда өте жоғары ток тудырады. "Модуляциялық допинг" термині допингтік қоспалардың ток таситын электрондардан бөлек орналасқан аймақта болуын көрсетеді. Бұл техниканы Хорст Стормер Bell Labs зертханасында ойлап тапқан.

Өндiру

MODFET-терді кернеулі SiGe қабатының эпитаксиалды өсуі арқылы жасауға болады. Кернеулі қабатта германийдің мөлшері сызықты түрде шамамен 40-50%-ға дейін артады. Германийдің осы концентрациясы жоғары өткізгіштік қабат шегі мен өте жылдам қозғалатын заряд тасымалдаушыларының жоғары тығыздығы бар кванттық құдық құрылымын қалыптастыруға мүмкіндік береді. Соның нәтижесінде өте жоғары жылдамдықпен қосу-өшіруге және төмен шу деңгейіне ие FET құрылғысы жасалады. SiGe орнына InGaAs/AlGaAs, AlGaN/InGaN және басқа да қосылыстар қолданылады. InP және GaN олардың жақсы шу және қуат қатынастарының арқасында MODFET-тердегі негізгі материал ретінде SiGe-ні алмастыруда.

Өсу технологиясы бойынша: pHEMT және mHEMT

Идеалды жағдайда гетерожүктеме үшін қолданылатын екі түрлі материалдың тор тұрақтысы (атомдар арасындағы қашықтық) бірдей болар еді. Іс жүзінде, тор тұрақтылары әдетте сәл өзгеше болады (мысалы, AlGaAs немесе GaAs-қа), нәтижесінде кристалл ақаулары пайда болады. Мысалы, екі пластик тарақты арақашықтығы сәл өзгеше етіп бір-біріне итеріп отырғаның елестетіңіз. Белгілі бір аралықтарда екі тіс бірігіп тұрғанын көресіз. Жартылай өткізгіштерде мұндай үзілістер терең деңгейдегі тұзақтарды құрайды және құрылғының жұмысын күрт төмендетеді. Осы қағида бұзылған HEMT құрылғысы pHEMT немесе псевдоморфты HEMT деп аталады. Бұл материалдардың біреуінің өте жұқа қабатын қолдану арқылы жүзеге асырылады – соншалықты жұқа, кристалл торы екінші материалға бейімделу үшін өзгеріп, созылады. Бұл техника, басқа жағдайда мүмкін болмас, үлкен жолақты айырмашылығы бар транзисторларды жасауға мүмкіндік береді, осылайша олардың өнімділігі артады. Түрлі тор тұрақтылары бар материалдарды пайдаланудың тағы бір жолы – олардың арасына буферлік қабат орналастыру. Бұл mHEMT немесе метаморфты HEMT арқылы жасалады, ол pHEMT-нің жетілдірілген түрі. Буферлік қабат AlInAs-тан жасалған, ал индий концентрациясы GaAs негіздігі мен GaInAs арнасының тор тұрақтысына сәйкес келу үшін жіктеледі. Бұл арнадағы кез келген индий концентрациясын жүзеге асыруға мүмкіндік береді, сондықтан құрылғыларды әртүрлі қолданулар үшін оңтайландыруға болады (индийдің төмен концентрациясы төмен шуды қамтамасыз етеді; ал жоғары концентрациясы жоғары күшейтуге мүмкіндік береді).

Электрлік мінез-құлық бойынша: eHEMT және dHEMT

HEMT жартылай өткізгіш гетеробайланыстарынан жасалған, интерфейстік таза поляризациялық заряды жоқ, мысалы, AlGaAs/GaAs, электрондық газды құрап, электрон тогын өткізуді қамтамасыз ету үшін оң қақпалық кернеуді немесе AlGaAs кедергісінде тиісті донорлық допингті қажет етеді. Бұл мінез-құлық, кеңінен қолданылатын өрістік эффектті транзисторлардың күшейту режиміндегі мінез-құлығына ұқсас, және мұндай құрылғы күшейту HEMT немесе eHEMT деп аталады. Егер HEMT AlGaN/GaN-тен жасалса, жоғары қуат тығыздығы мен бұзылу кернеуіне қол жеткізуге болады. Нитридтерде симметриясы төмен кристаллдық құрылымдар бар, атап айтқанда, электрлік поляризацияға ие вуртзит құрылымы. Бұл поляризация GaN арналық қабаты мен AlGaN кедергілік қабаты арасында өзгеше болғандықтан, 0,01-0,03 C/м шамасындағы өтелмеген заряд қабаты пайда болады. Эпитаксиялық өсуге әдетте қолданылатын кристалл бағыты ("галлия бетіне қаратылған") және құрылғы геометриясы өндіріс үшін қолайлы болғандықтан (қақпа жоғары орналасқан), бұл заряд қабаты оң болады, бұл допинг болмаса да 2D электрондық газдың қалыптасуына себеп болады. Мұндай транзистор әдетте қосылып тұрады және тек қақпа теріс кернеуге ие болғанда ғана өшіріледі – сондықтан бұл типтегі HEMT тозу HEMT немесе dHEMT деп аталады. Кедергіге қабылдағыштармен (мысалы, Mg) жеткілікті мөлшерде допинг беру арқылы, құрылған зарядты өтеуге болады, соның нәтижесінде eHEMT-нің стандартты жұмыс режиміне оралуына мүмкіндік туады, алайда нитридтердің жоғары тығыздықтағы p-допингі каналға допингтің таралуына байланысты технологиялық тұрғыдан қиын.

ЭМТ-ге әсер етілген

Модуляциямен допингтелген HEMT-дан өзгеше, индуцияланған жоғары электронды жылдамдықты транзистор жоғары қақпа арқылы әртүрлі электрондық тығыздықтарды реттеуге мүмкіндік береді, себебі заряд тасымалдаушылар допингтермен емес, 2DEG жазықтығына "индукцияланады". Допингтелген қабаттың болмауы, модуляциялық допингтелген аналогтарымен салыстырғанда электрондық жылдамдықты едәуір арттырады. Мұндай тазалық деңгейі кванттық хаос зерттеулері үшін кванттық бильярд саласындағы зерттеулерге, немесе өте тұрақты және өте сезімтал электрондық құрылғыларда қолдануға жағдай жасайды.