CC BY
4
УДК 621.382.3
Эшонкулов А.А. ассистент кафедра «Радиоэлектроника» Джизакский политехнический институт
ПРИБОРЫ НА ОСНОВЕ ГЕТЕРОСТРУКТУР И ПЕРСПЕКТИВНЫЕ
ТРАНЗИСТОРНЫЕ СТРУКТУРЫ
Аннотация. В данной статье полностью раскрыта физическая сущность устройств на основе гетероструктур и перспективных транзисторных структур, сравниваются и анализируются характеристики устройств на основе гетероструктур и перспективных транзисторных структур.
Ключевые слова: GaAs-гетероструктура, DA-DpHEMT, нанопленка.
Eshonkulov A.A. assistant
Department of Radioelectronics Jizzakh Polytechnic Institute
DEVICES BASED ON HETEROSTRUCTURES AND PROMISING
TRANSISTOR STRUCTURES
Annotation. This article fully reveals the physical essence of devices based on heterostructures and promising transistor structures, compares and analyzes the characteristics of devices based on heterostructures and promising transistor structures.
Keywords: GaAs heterostructure, DA-DpHEMT, nanofilm.
Введение
Гетеропереходы Активное продвижение мощных
полупроводниковых приборов в миллиметровый диапазон длин волн связано, в основном, с совершенствованием эпитаксиальных технологий нитрида галлия. В миллиметровом диапазоне длин волн полевые транзисторы на основе AlGaN - GaN гетероструктур демонстрируют крайне впечатляющие характеристики и продвинулись почти до терагерц [1]. В то же время, одним из основных недостатков мощных нитридгаллиевых приборов являются высокий уровень нелинейности, и он до сих пор не устранён. Промышленное применение таких приборов на частотах заметно выше 100 ГГц выглядит пока достаточно проблематичным. Кроме того, существует высокая вероятность того, что типовые транзисторы на гетероструктурах на основе GaN без появления принципиально новых
технических решений достигли своего максимума в предельных частотах [2]. В свою очередь, при проектировании транзисторов на основе GaAs псевдоморфных гетероструктур имеются возможности существенного улучшения их характеристик - увеличения удельной выходной мощности, коэффициента усиления и предельных частот. В России в 2012 г. был создан новый тип транзисторных гетероструктур: гетероструктуры с донорно -акцепторным легированием (DA-DpHEMT) [3,4]. Донорно-акцепторное легирование позволило сформировать у границ квантовой ямы дополнительные потенциальные барьеры, оптимизированные для уменьшения поперечного пространственного переноса электронов и увеличения эффекта размерного квантования. Первые результаты разработки мощных полевых транзисторов на GaAs гетероструктурах с донорно-акцепторным легированием продемонстрировали двукратное увеличение удельной мощности транзисторов, а также рост малосигнального коэффициента усиления на 3 - 4 дБ [5]. В 2020 году транспортные свойства псевдоморфных AlGaAs/GaAs/InGaAs гетероструктур с двухсторонним донорно - акцепторным легированием DA-DpHEMT были существенно улучшены за счет введения дополнительных цифровых потенциальных барьеров из AlAs/GaAs короткопериодных сверхрешеток вокруг легированных областей. 123 В работе приведены результаты теоретических исследований применения цифровых барьеров для улучшения характеристик GaAs псевдоморфных транзисторных гетероструктур. Расчеты производились по модели, представленной в [6] для следующих гетероструктур: с двухсторонним донорно-акцепторным легированием и системами чередующихся тонких слоев AlAs/GaAs, образующих дополнительные цифровые потенциальные барьеры; обращенных гетероструктур с донорно-акцепторным легированием и дополнительными цифровыми потенциальными барьерами; двухканальных гетероструктур с донорно - акцепторным легированием и дополнительными цифровыми потенциальными барьерами [7].
В гетеропереходах р- и «-области сформированы из полупроводников с различной шириной запрещенной зоны. Необходимое условие — одинаковый тип решетки, близкие периоды решетки (а0) и близкие ТКН.
Таблица 1.1. Параметры некоторых полупроводников, пригодных для создания гетеропереходов_
Полупроводник АШВУ А1У
ОЯАБ 1АБ пР пАБ пБЬ аБЬ е 1
Тип решетки Цинковая обманка Алмаз
Период решетки а0, нм 5,65 5,66 5,87 6,06 6,48 6,1 5,65 5,43
Электронное сродство х , эВ 4,07 2,62 5,34 4,9 4,59 4,1 4,13 4,01
Ширина запрещенной зоны Е&, эВ 1,43 2,16 1,35 0,36 0,18 0,73 0,66 1,12
Положение Ее в зоне Бриллюэна Г Х Г Г Г Г Ь А
Эффективные массы тп1то 0,07 0,78 0,08 0,023 0,01 0,04 0,55 1,18
mp/mo 0,57 0,86 0,74 0,41 0,41 0,44 0,2 0,8
Хорошие пары:
ОаЛБ / ЛШаьхЛв (х < 0,4): АЕ^ < 0,3 эВ; Ах < 0,58 эВ
В зависимости от соотношения знаков АEс и АEv различают гетеропереходы I -го и11-го рода:
.1
АБС = 0,03 эВ
Г
1
АБС = 0,17 эВ
81
АEv = 0,23 эВ
810,7 ве0,з напряженный
Т а)
81 Т
напряженный 1
АБv = 0,18 эВ
810,7 ве0
б)
Рис. 1.1. Энергетические диаграммы гетеропереходов 81/810,7 бе0,з: а - напряженный слой 810,7 бе0,3; края зон смещаются в противоположных направлениях; б - напряженный слой 81; края зон смещаются в одном направлении.
Простейшая модель гетероперехода предполагает, что уровень энергии свободного электрона на гетеропереходе непрерывен и разрыв зоны проводимости определяется разностью электронных сродств полупроводников [8] (модель Андерсона):
АЕ с =Ах
АЕУ = АЕ г -АХ
Реально величина разрыва зон зависит от механизма формирования межатомных связей на границе раздела и может быть как больше, так и меньше величины Ах.
Ввиду чрезвычайно малой эффективной массы электронов (и, следовательно, высокой подвижности) в индии весьма перспективными для гетеропереходных транзисторов являются тройные полупроводниковые соединения 1пОаЛБ, 1пОаР, 1иЛ1Лб и 1пР (табл. 7.1). Введение индия в ОаЛБ существенно повышает подвижность электронов [9,10]. В соединении 1пхОа1-хЛв подвижность электронов возрастает с увеличением мольной доли 1п х примерно по закону ~ 5000(1 + 2х) см2/В-с. Постоянные решетки 1пОаЛБ, 1пОаР, 1пЛ1Лб и 1пР-подложки хорошо согласуются, что позволяет довести мольную долю 1п до х « 0,6 и увеличить подвижность электронов при 300 К примерно вдвое. Введение 1п в ОаЛБ сужает запрещенную зону, причем разрыв зоны проводимости в гетероструктуре 1п0,5зОа0,47Лв/ОаЛБ составляет около 0,5В (вдвое больше, чем в Л10,зОа0,7ЛБ/ОаЛБ) [11].
Рассогласование постоянных решетки Ge и Si составляет 4,2%, что вызывает механические напряжения в более тонком слое гетероструктуры. На рисунке 7.1 показаны энергетические диаграммы гетеропереходов Si/SiojGeo,3, в которых напряженными являются слои Si/SiojGeo,3 (а) или Si (б) [12,13]. В последнем случае разрывы зоны проводимости и валентной зоны примерно одинаковы при почти одинаковой ширине запрещенной зоны (АЕ = 0,1 эВ), что позволяет создавать на ее основе комплементарные
пары полевых транзисторов с высокими подвижностями как электронов, так и дырок в канале: ци = 1270-2830 см2/В-с, цp = 800 -1000 см2/В-с.
Наиболее совершенными технологическими методами изготовления гетеропереходов являются молекулярно-лучевая эпитаксия (МВЕ), позволяющая создавать сверхтонкие (вплоть до моноатомных) полупроводниковые слои, и эпитаксия металлоорганических соединений из газовой фазы (MOCVD) [14].
Сшивка энергетических диаграмм:
Рис.1.2 Зонные диаграммы полупроводников п-А1Х Оа^ЛБ, р-ОаЛБ (а) и равновесная энергетическая диаграмма р-п перехода п-А1х Оа^хЛБ - р-ОаЛБ (б).
Суммарный разрыв запрещенной зоны складывается из разрыва зоны проводимости и разрыва валентной зоны:
ДЕ^ = ДЕС - ДЕУ.
В первом приближении разрыв зоны проводимости, как и АЕ , пропорционален мольной доле гетерокомпонента [15]:
АЕс + хАЕс0 .
При отсутствии вырождения расстояния ф12 между уровнем Ферми
и ближайшей к нему границей запрещенной зоны в электронейтральных областях определяются степенью их легирования (концентрации примеси N и N2 предполагаются постоянными) [16]:
Р10 — N1 = . ф! = фг 1п(Иу1! щ ;(1.1а)
-ф2 / фТ
n20 = N2 = NcФг; Ф2 =Фг ln(Nc2/ N2) .(1.1б) Контактная разность потенциалов определяется из левого рисунка 7.2 и (1.1):
Фс = (F2 - F1) / Фс = (Еg1 + AEc ) / e - (Ф1 + Ф2
ФС = (Еgi + AEc) / e - Фг ln(NviNc2 / N1N2). (1.2)
дает:
Двойное интегрирование уравнений Пуассона в р- и п- областях ОПЗ
о
Фс1 = еЩы/2гхго; >
9 9 9
Фс2 = ^20 /2е2ео; фс = е(#1/10 /61 + ^20 /62)/2ео-(1.3) Фс =Фс1 +Фс 2;
Суммарный заряд в ОПЗ равен нулю: N1/10 — N2/20 - (14) Из (1.3) и (1.4) можно найти /10 и /20. Замена Фс ^ Фс _ V дает значения /1, /2 и / — /1 + /2 при напряжении на переходе V:
l (V)= ^ 28о(Фс - V) (N1 + N2)2 ;(15а)
e NlN2(Nl/ 81 + N2/ 82)
1 (V) - . 2еоЕ(Фс - V) J к 0 VYC • (N 1 + N21) ;(1.5б) e
¡i(V) = l(V)N2 /(N1 + N2) ;(1.6а)h(V) = l(V)N1 /(N1 + N2) ;(1.6б)
Приближение (1.5б) соответствует обычно выполненному условию
El « 8
2
8
Формулы (1.5б) и (1.6а,б) совпадают с аналогичными формулами для гомогенного ступенчатого перехода.
Использованные источники: 1. Mustofoqulov, J. A., & Bobonov, D. T. L. (2021). "MAPLE" DA SO'NUVCHI ELEKTROMAGNIT TEBRANISHLARNING MATEMATIK TAHLILI. Academic research in educational sciences, 2(10), 374-379.
2. Mustofoqulov, J. A., Hamzaev, A. I., & Suyarova, M. X. (2021). RLC ZANJIRINING MATEMATIK MODELI VA UNI "MULTISIM" DA HISOBLASH. Academic research in educational sciences, 2(11), 1615-1621.
3. Иняминов, Ю. А., Хамзаев, А. И. У., & Абдиев, Х. Э. У. (2021). Передающее устройство асинхронно-циклической системы. Scientific progress, 2(6), 204-207.
4. Каршибоев, Ш. А., Муртазин, Э. Р., & Файзуллаев, М. (2023). ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ. Экономика и социум, (4-1 (107)), 678-681.
5. Мулданов, Ф. Р., Умаров, Б. К. У., & Бобонов, Д. Т. (2022). РАЗРАБОТКА КРИТЕРИЙ, АЛГОРИТМА И ЕГО ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ СИСТЕМЫ ИДЕНТИФИКАЦИИ ЛИЦА ЧЕЛОВЕКА. Universum: технические науки, (11-3 (104)), 13-16.
6. Мулданов, Ф. Р., & Иняминов, Й. О. (2023). МАТЕМАТИЧЕСКОЕ, АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СОЗДАНИЯ СИСТЕМЫ РОБОТА-АНАЛИЗАТОРА В ВИДЕОТЕХНОЛОГИЯХ. Экономика и социум, (3-2 (106)), 793-798.
7. Ирисбоев, Ф. Б., Эшонкулов, А. А. У., & Исломов, М. Х. У. (2022). ПОКАЗАТЕЛИ МНОГОКАСКАДНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ. Universum: технические науки, (11-3 (104)), 5-8.
8. Zhabbor, M., Matluba, S., & Farrukh, Y. (2022). STAGES OF DESIGNING A TWO-CASCADE AMPLIFIER CIRCUIT IN THE "MULTISIM" PROGRAMM. Universum: технические науки, (11-8 (104)), 43-47.
9. Каршибоев, Ш., & Муртазин, Э. Р. (2022). ТИПЫ РАДИО АНТЕНН. Universum: технические науки, (11-3 (104)), 9-12.
10. Омонов С.Р., & Ирисбоев Ф.М. (2023). АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ НА ЭМС НА ОСНОВЕ ПРОГРАММНОЙ ПЛАТФОРМЫ R&S ELEKTRA. Экономика и социум, (5-1 (108)), 670-677.
11. Саттаров Сергей Абудиевич, & Омонов Сардор Рахмонкул Угли (2022). ИЗМЕРЕНИЯ ШУМОПОДОБНЫХ СИГНАЛОВ С ПОМОЩЬЮ АНАЛИЗАТОРА СПЕКТРА FPC1500. Universum: технические науки, (11-3 (104)), 17-20.
12. Якименко, И. В., Каршибоев, Ш. А., & Муртазин, Э. Р. (2023). Джизакский политехнический институт СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОЕ МАШИННОЕ ОБУЧЕНИЕ ДЛЯ РАДИОЧАСТОТ. Экономика и социум, 1196.
13. Абдиев, Х., Умаров, Б., & Тоштемиров, Д. (2021). Структура и принципы солнечных коллекторов. In НАУКА И СОВРЕМЕННОЕ ОБЩЕСТВО: АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ, ДОСТИЖЕНИЯ И ИННОВАЦИИ (pp. 9-13).
14. Раббимов, Э. А., & Иняминов, Ю. О. (2022). ВЛИЯНИЕ ОКИСНОЙ ПЛЕНКИ НА КОЭФФИЦИЕНТЫ РАСПЫЛЕНИЯ КРЕМНИЯ. Universum: технические науки, (11-6 (104)), 25-27.
15. Mustafaqulov, A. A., Sattarov, S. A., & Adilov, N. H. (2002). Structure and properties of crystals of the quartz which has been growth up on neutron irradiated seeds. In Abstracts of 2. Eurasian Conference on Nuclear Science and its Application.
16. Раббимов, Э. А., Жураева, Н. М., & Ахмаджонова, У. Т. (2020). Влияние окисной пленки на коэффициенты распыления кремния. Экономика и социум, (6-2 (73)), 187-189.
17. Yuldashev, F. (2023). HARORATI MOBIL ELEKTRON QURILMALAR ASOSIDA NAZORAT QILINADIGAN QUYOSh QOZONI. Interpretation and researches, 7(1).
