CC BY
28
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
