Научная статья на тему 'Розвиток НЕМТ'

Розвиток НЕМТ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
170
27
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
НИТРИД ГАЛИЯ / НЕМТ / НіТРИД ГАЛіЮ / GALLIUM NITRIDE / HEMT

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Дяченко С. М., Павлюченкова А. Н.

В статье приводится обзор последних работ и перспективные направления развития транзисторов с высокой подвижностью электронов.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Development

This paper provides an overview of recent work and future directions High Electron Mobility Transistor development.

Текст научной работы на тему «Розвиток НЕМТ»

Огляди

ОГЛЯДИ

УДК 621.382.323

РОЗВИТОК НЕМТ Дяченко С.М., Павлюченкова А.М.

Освоєння надвисокочастотних (НВЧ) діапазонів зумовлює безперервний розвиток НВЧ-транзисторів. До них належать арсенід-галієві структури (МЕН або МЕS FET), в яких електрони з витоку до стоку потрапляють через канал, провідність якого регулюється зміною зворотного зміщення переходу заслін-напівпровідник (метал-напівпровідник).

Збільшення робочої частоти таких транзисторів досягають зменшенням довжини каналу, який визначається довжиною заслону і становить десяті долі мікрометрів в НВЧ-транзисторах. Одночасно з вкороченням довжини каналу та незмінній ширині заслону і сталій густині струму в каналі, падає струм стоку, а, отже, і потужність, яку розвиває транзистор. Виходом може бути збільшення густини струму в каналі. Це досягається легуванням каналу донорами в МЕS FET до 10 см" , що призводить до збільшення центрів розсіювання і викликає зменшення рухливості електронів і збільшення флуктуації струму стоку, тобто зростанню шумів.

Розв’язанням цієї проблеми було б збільшення густини струму в каналі без додаткового легування, тобто створення умови, коли іони донорів залишаються поза каналом, а електрони донорних домішок делегуються до каналу.

Виготовлення керівного переходу заслін-напівпровідник у вигляді гетеропереходу забезпечило таке просторове розділення. Між тонкими шарами напівпровідникових матеріалів з подібною кристалічною структурою, але різною шириною забороненої зони, утворюється гетероперехід. За рахунок різниці енергій дна зони провідності напівпровідників на границі їх поділу утворюється область з мінімальною енергією електронів. При виконанні гетеропереходу AlxGa1-xAs/GaAs шар AlxGa1-xAs легують донорними домішками з концентрацією Кд=10 -10 см . Вільні електрони провідності, утворені внаслідок теплової іонізації донорів, нагромаджуються цій потенціальній ямі на границі поділу шарів. В каналі, розташованому в поверхневому шарі GaAs, утворюється так званий ДЕГ(Д2) - двомірний електронний газ - тонка плівка електронів. Канальний шар не легований, в ньому розсіювання електронів на домішкових центрах та дислокаціях мінімальне, а рухливість, відповідно, висока. Тому даний клас пристроїв носить назву НЕМТ (High Electron Mobility Transistor). Це НВЧ-транзистор з низьким рівнем шумів. На рухливість електронів сприятливо впливає охолодження транзистора, бо зменшується вплив решіткового розсіювання і ру-

166

Вісник Національного технічного університету України "КПІ" Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2010.-№42

Огляди

4 2

хливість електронів зростає від 0,810 см /В с при Т=300 К і до 1,4-105 см2/Вс при Т=77 К [1].

Матеріали, що використовуються для гетеропереходу, повинні мати подібні кристалічні решітки. Транзистори, де це правило порушується, називаються рНЕМТ або псевдоморфні НЕМТ (AlGaAs/InGaAs, InGaAs/InAlAs, InGaP/InGaAs, тощо). Прилади цього типу за рахунок збільшення розриву енергій дна зони провідності і збільшення рухливості електронів мають більші робочі частоти. Для поступового переходу від пі-дшарку до каналу використовують прилади зі складним багатошаровим буфером. Це - метаморфні HEMT-структури (mHEMT), тобто прилади з послідовною зміною концентрації домішок в буферному шарі для забезпечення плавного переходу від різних кристалічних структур складових транзистора.

За звичай використовується комбінація GaAs з AlxGa1-xAs. Існують й інші комбінації, в залежності від застосування пристрою. Для підвищення робочих частот розробники прагнуть збільшити концентрацію індію в InxGa1-xAs-канальному шарі [2]. AlxGa^N/GaN HEMT є найбільш перспективним для створення потужних НВЧ-генераторів та підсилювачів, мало-шумлячих RF-підсилювачів та RF-перемикачів (RF - радіочастоти). Широкі заборонені зони, великі швидкості насичення носіїв заряду наряду з високими пробивними полями дозволяють виготовляти пристрої субмікронних розмірів, що мають значні переваги в порівнянні з пристроями на основі звичайних матеріалів А111 BV [3].

Структура такого НЕМТ- транзистора показана на рис.1. В якості під-шарку використовують сапфір, SiC, Si, AlN або складні оксиди. Одним з найбільш важливих моментів у створенні гетероструктур є вирощування буферного шару (GaN, AlN), який служить для ізоляції дефектів в підшар-ку від робочої частини транзистора. Епітаксіальна структура містить буферний шар GaN товщиною ~100 нм, нелегований шар GaN товщиною ~2 мкм, нелегований розмежувальний шар (спейсер) AlxGai-xN товщиною ~5 нм для поступового переходу від нелегованого шару до легованого кремнієм шару AlxGa1-xN з концентрацією заряду ~5 10 см" товщиною ~10 нм та нелегований бар’єрний шар AlxGa1-xN товщиною ~10 нм, який зменшує вплив металізації заслону на леговану область транзистора [4].

Для використання фізичних переваг нітридних напівпровідників необхідна розробка та реалізація конструкцій пристроїв. Цю задачу можна розділити умовно на два напрями: модернізацію структури під 2Д каналом та оптимізацію надбар’єрних елементів транзистора (бар’єрний шар, заслін, контакти, топологія) [5].

Найбільш застосовуваними для цих транзисторів є підшарки з карбіду кремнію, так як можна отримати високі значення струму, крутості, вихідної потужності, ККД. Для AlGaN/GaN HEMT вирощених на SiC методом

Вісник Національного технічного університету України "КПІ" 167

Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2010.-№42

Огляди

МПЕ (молекулярно-променевої епітаксії) густина вихідної потужності складає 11,2 Вт/мм з ККД=58% при постійній напрузі 48 В на частоті 10 ГГц [6]. Розроблена модель AlGaN/GaN HEMT з довжиною заслону 120 нм, в якому досягнута гранична частота 120 ГГц та максимальна частота генерації 160ГГц[7]. Зокрема, ці пристрої дозволяють високі робочі напруги. Повідомляється, що напруга пробою становить 1650 В [8].

Модель AlGaN/AlN/GaN НЕМТ з високою рухливістю в каналі GaN. Пристрої продемонстрували дуже високу вихідну потужність 45,2 Вт на 8ГГц в неперервному режимі [9]. Розроблено широкосмуговий підсилювач на 400 Вт вихідної потужності на GaN HEMT для частот від 2,9 до 3,5 ГГц [10]. Напівпровідникові структури AlGaN/GaN HEMТ мають багато переваг, так як властивості нітриду галію забезпечують найкращі параметри на сьогодні. Максимальна частота генерації цих транзисторів сягає 350 ГГц [11].

Перше практичне застосування HEMT транзистори знайшли в системах супутникового зв'язку діапазонів 12-18 й 18-26,8 ГГц. Випробування цих транзисторів у малошумній апаратурі наземних станцій супутникового зв'язку в діапазоні 20-30 ГГц показали можливість одержання підсилення сигналу в 33 дБ. При цьому рівень шумів у лінії передавання був знижений до 1,71 дБ, що майже вдвічі нижче, ніж у пристроях, що використовують звичайні польові транзистори на арсеніді галію.

Існують й інші напрямки застосування НЕМТ. Можливе створення магнітних пристроїв-додатків, що використовують GaAs НЕМТ, які не сприйнятливі до феромагнітного шуму і придатні для високошвидкісної електроніки, магнітних пристрої зберігання даних [12]. В експериментальній роботі [13] виявлено випромінювання, яке створене коливанням плазмових хвиль терагерцового діапазону, що поширюються в каналі Al-GaAs/GaAs HEMT, явище є перспективним для створення джерел подібних коливань.

НЕМТ має кращі шумові властивості, ніж арсенід-галієві МЕSFET. На частотах від 0,1 до 250 ГГц особливу увагу фахівці приділяють саме НЕМТ. Мінімальна власна шумова температура Tmin існуючих рHEMT у дециметровому діапазоні становить 7-12 К навіть без охолодження, а в середині цього діапазону шумова температура підсилювачів лежить в межах 25-50 К [14]. Подальше зниження Т, що є необхідним для багатьох застосувань (зв’язку, радіоастрономії та ін.), можна досягти за допомогою охо- 168

Рис. 1. Схематичне зображення AlGaN/GaN НЕМТ

168 Вісник Національного технічного університету України "КПІ"

Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2010.-№42

Огляди

лодження підсилювача до кріогенних температур, але цей спосіб, внаслідок недоліків сучасної кріотехніки (громіздкість, великі експлуатаційні витрати, тощо) набув досить обмеженого поширення. Проблема зниження коефіцієнта шуму залишається актуальною для НЕМТ, а основними джерелами виникнення власних шумів в польових транзисторах є шум каналу, індукований шум заслону і шуми паразитних опорів заслону та стоку.

На надійність НЕМТ впливають параметри епітаксіальних структур, технології їх вирощування та геометрія пристрою . Ці транзистори є досить надійними, виявляють високу стійкість до іонізуючих факторів [15].

НЕМТ завдяки їх малошумним характеристикам можуть замінити польові МЕS FET в різних областях. Більш високочастотні та потужні НЕМТ, створені на основі GaN, забезпечують сьогодні найкращі параметри. Малошумні потужні транзистори мають великі перспективи у розвитку та застосуванні і складають основу активної компонентної бази радіоелектронної апаратури в НВЧ діапазоні.

Література

1. Дулин В.Н., Аваев Н.А., Демин В.П. и др., под. ред. Г.Г. Шишкина. Электронные приборы. - М.:Энергоавтомиздат. - 1989. - 495с.

2. Kim T., Kim D., Shin S., Jo S., Jang J., Song J.. Characteristics of 0.2 pm depletion and quasi-enhancement mode self-aligned gate capless ^-HEMTs//ELECTRONICS LETTERS . - 2006. - № 20.

3. Шахнович И. Твердотельные СВЧ-приборы и технологии. Состояние и перспективы // Электроника НТБ. - 2005. - №5. - с.59.

4. Босый В.И., Иващук А.В., Ковальчук В.Н., Семашко Е.М.Мощные СВЧ-тарнзисторы на основе широкозонных полупроводников // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. - 2003. - №3. - с.54.

5. Rajan S., Mishra U., Palacios T.. AlGaN/GaN HEMTs: RECENT DEVELOPMENTS AND FUTURE DIRECTIONS // International Journal of High Speed Electronics and Sys-tems.-2008. - №4. - c.155-163.

6. Poblenz C., Corrion A., Recht F., Sun Chang Soo, Chu Rongming, Shen Likun, Speck James S., Mishra Umesh K. Power performance of AlGaN / GaN HEMTs grown on SiC by ammonia-MBE at 4 and 10 GHz // IEEE Electron Devise Lett. - 2007. - №11, c. 945-947.

7. Tyagi R., Ahlawat A., Pandey M., Pandey S. New two-dimensional C-V model for prediction of maximum frequency of oscillation (fmax) of deep submicron AlGaN/GaN HEMT for microwave and millimeter wave applications//Microelectronics J. - 2008. - №12.

8. Takuma Nanjo, Misaichi Takeuchi, Muneyoshi Suita, Toshiyuki Oishi, Yuji Abe,Yasunori Tokuda,Yoshinobu Aoyagi. Remarkable breakdown voltage enhancement in AlGaN channel highelectron mobility transistors // Appl. Phys. Lett. - 2008. - №92.

9. Wang X.L.Chen T.S.Xiao H.L.,Tang J.,Ran J.X.,Zhang M.L.,Feng, C.,Hou, Q.F.,Wei M.,Jiang L.J.,Li J.M.,Wang Z. An internally-matched GaN HEMTs device with 45.2W at 8GHz for X-band application // Solid-State Electronics. - 2009. - Vol. 53. - Р.332-335.

10. Poulton M.,Krishnamurthy K., Martin J., Landberg B., Vetury R., Aichele D. WIDEBAND 400 W PULSED POWER GAN AMPLIFIER //Microwave J. 2008. - V. 51.

11.Samoska L., Deal W., Pukala D., Fung A. Submillimeter-Wave HEMT Amplifier Module With Integrated Waveguide Transitions Operating Above 300 GHz // IEEE Trans. on MTT. - 2008. - Vol. 56. - Р.1380-1388. *

Вісник Національного технічного університету України "КПІ" 169

Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2010.-№42

Огляди

12. Liang C., Yu-Ru Li, Li-Hung Lin, Po-Tsun Lin, Chun-Kai Yang,Yen Shung Tseng, Kuang Yao Chen, Cooper N., Simmons M., Ritchie D. Electron heating and huge positive magnetoresistance in an AlGaAs/GaAs high electron mobility transistor structure at high temperatures // APPL. PHYS. LETT. - 2008 . - №92. - Р.152117 .

13. Hashim, Abdul Manaf, Ahir, Zon Fazlila Mohd, Kasai, Seiya,Hasegawa, Hideki.Odd Harmonic Responses in Two-Dimensional AlGaAs/GaAs HEMT Devices Due to Plasma Wave Interaction // AIP Conference Proceedings. - 2009. - Vol. 1150. - Р.328-335.

14. Белов Л. Твердотельные усилители малой и средней мощности // Електроника: НТБ. - 2006. - №5. - с.50.

15. Аболдуев И.М., Гладышева Н.Б., Дорофеев А.А. Разработка НЕМТ на основе гетероструктур AlGaN/GaN/сапфир» // Материалы VI-ой НТК «Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА». - 2007. - с. 39.

Дяченко С.М, Павлюченкова А.М. Розвиток НЕМТ. В статті наводиться огляд останніх робіт і перспективні напрямки розвитку транзисторів з високою рухливістю електронів

Ключові слова: нітрид галію, НЕМТ

Дяченко С.М., Павлюченкова А.М. Развитие НЕМТ. В статье приводится обзор последних работ и перспективные направления развития транзисторов с высокой подвижностью электронов Ключевые слова: нитрид галия, НЕМТ

Dyachenko S.M., Pavlyuchenkova A.M. Development НЕМТ. This paper provides an overview of recent work andfuture directions High Electron Mobility Transistor development Key words: Gallium Nitride, HEMT

УДК 533.9.082.74

МЕТОДИ НВЧ-ДІАГНОСТИКИ ПЛАЗМИ Воропаєв П.В., Митрофанов А.Б., Біденко В.А., Зоренко О.В.

Цей огляд присвячений методам НВЧ-діагностики, заснованим на зондуванні плазми електромагнітними хвилями і на реєстрації власного випромінювання плазми. Ці методи найбільш широко використовуються на великих термоядерних установках типу ТОКАМАК і Стеларатор. В огляді розглядаються проблеми багатоканальної інтерферометрії [1], особливості поляриметрії [2] та велика увага приділяється циклотронній НВЧ-діагностиці [3]. Як відомо, за допомогою перерахованих методів можна отримати дані по просторово-часовим залежностям основних параметрів плазми: щільності плазми, температури електронів та іонів, модуля та напрямку магнітної індукції полоїдального поля.

Тенденція до збільшення розрядного струму, а отже, і поздовжнього магнітного поля, щільності, температури і розмірів плазми в установках сучасного і майбутнього поколінь викликає необхідність залучення для ді- 170

170 Вісник Національного технічного університету України "КПІ"

Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2010.-№42

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.