СВЧ псевдоморфный транзистор с высокой подвижностью электронов Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.382

А.Ю. Ющенко, Г.И. Айзенштат, В.Г. Божков, Л.И. Бабак, И.М. Добуш, А.С. Сальников

СВЧ псевдоморфный транзистор с высокой подвижностью электронов

Приведены результаты разработки 0,3 мкм GaAs pHEMT-транзистора. Найдены параметры эквивалентной схемы созданного транзистора. Приведено сравнение характеристик транзистора с зарубежным аналогом.

Ключевые слова: транзистор с высокой подвижностью электронов, малосигнальная модель.

В настоящее время разнообразные транзисторы на гетероструктурах являются самыми быстродействующими активными элементами. Регулярно публикуются сведения о всё новых рекордных результатах, связанных с совершенствованием технологии и использованием новых материалов. Так, измеренные частоты отсечки ft на гетеробиполярных транзисторах и различных модификациях полевых транзисторов с высокой подвижностью электронов (High Electron Mobility Transistor - HEMT) уже превышают значения 400 ГГц [1, 2]. При этом свою важную нишу занимают транзисторы, работающие на более низких частотах.

В настоящей работе сообщается о параметрах отечественного 0,3 мкм GaAs рНЕМТ-транзистора, предназначенного для работы в частотном диапазоне до 18 ГГц.

Транзисторы изготавливались на гетероструктурах AlGaAs/InGaAs/GaAs диаметром 3 дюйма, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии в Санкт-Петербургском физико-технологическом научно-образовательном центре. На рис. 1 показана последовательность и состав слоев эпитаксиальных структур.

Исходные структуры при комнатной температуре имели холловскую подвижность двумерного электронного газа цн = 5500 см2/В-с и поверх-

см

-2

n -GaAs контактный слой 70 нм

GaAs барьерный слой15 нм

Al0,23Gao,87As барьерный слой 25 нм

Al0,23Gao,87As донорный слой 13 нм

Al0 23Ga0,87As спейсер 2 нм

GaAs спейсер 1,5 нм

In0,17Ga0,83As канал 12 нм

GaAs буфер 2 200 нм

Сверхрешетка AlAs/GaAs 28 нм

GaAs буфер 1 200 нм

(100) GaAs подложка 600 мкм

ностную плотность электронов ns=2-1012

Технологический маршрут создания транзисторов включал процессы электронной литографии на трёхслойной маске резистов для формирования субмикронных затворов Т-образной формы. Длина затворов разработанных транзисторов равна 0,3 мкм. Были созданы транзисторы встречно-штыревой конструкции с общей шириной затвора 4x40 = 160 мкм.

Измеренная максимальная крутизна полу- ™ n ^ ^

„„ т_ Рис. 1. Схематическое изображение

ченных транзист°р°в равнялась 50-60 мСм. Из- гетероструктуры, на которой

мерения параметров рассеяния транзисторов в формировались транзисторы

диапазоне частот до 18 ГГц были выполнены на

зондовой станции Cascade Summit 11000 в НОЦ «Нанотехнологии» ТУСУРа, результаты измерений показаны на рис. 2. Значения частоты отсечки транзистора составляли 40-45 ГГц.

По результатам измерений S-параметров была построена малосигнальная модель транзистора в виде эквивалентной схемы (ЭС) - см. рис. 3. В этой схеме можно выделить внутренние элементы - gm, R^s, Cgs, Cds, Cgd, Ri и т, которые зависят от напряжений смещения, и внешние элементы - Lg, Rg, Ls, Rs, Rd и Ld, не зависящие от условий смещения. Методики определения значений элементов ЭС по S-параметрам подробно описаны в литературе [3-5].

На рис. 2 показано сравнение измеренных и рассчитанных по модели S-параметров транзистора. Как видно, модель достаточно точно описывает экспериментальные данные.

В таблице представлены значения элементов ЭС разработанного транзистора и ближайшего зарубежного аналога - транзистора ТС1102 фирмы TRANSCOM с шириной затвора 160 мкм [6].

60

НАНОЭЛЕКТРОНИКА СВЧ. АНАЛИЗ, СИНТЕЗ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ УСТРОЙСТВ

180-

Рис. 2. Сравнение измеренных и рассчитан ных по модели ^-параметров транзистора

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Частота, ГГц в

Из таблицы следует, что практически все параметры ЭС для сравниваемых транзисторов совпадают, за исключением сопротивления R^, что связано с особенностями технологии.

Рис. 3. Эквивалентная схема транзистора

Элементы ЭС транзистора ТС1102 и разработанного транзистора

Щ, с Cgd, gm, т, Rs, Ls, Cds, Rds,

нГн Ом пФ Ом пФ мСм пс Ом нГн пФ Ом Ом нГн

ТС1102

0,038 0,97 0,22 1,78 0,027 53,3 1,49 1,72 0,01 0,061 328 1,69 0,023

Разработанный транзистор

0,029 1 0,21 10,8 0,019 51,8 0,9 1,82 0,004 0,037 476 1,68 0,038

Разработанный транзистор (АП399-5) выпускается в ОАО «НИИПП» г. Томска по ТУ главного конструктора.

Работа выполнена при поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы по направлениям «Нанотехнологии и нано-материалы», «Создание электронной компонентной базы», «Микроэлектроника» (мероприятия 1.1, 1.2.1, 1.2.2, 1.3.1 и 1.3.2, государственные контракты П1418, П1492, П2188, П669, П499, 16.740.11.0092 и 14.740.11.0135).

Литература

1. Snodgrass W. 150 nm InP HBT process with two-Level Airbridge Interconnects and MIM Capacitors for Sub-Millimeter Wave Research / W. Snodgrass, M. Stuenkel, M. Feng // CS MANTECH Conference, Florida, USA, 2009 [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.csmantech.org/Digests/2009/2009%20Papers/15.4.pdf, свободный (дата обращения: 25.01.2010.

2. Hulsmann A. Advanced mHEMT technologies for spasce applications / A. Hulsmann, A. Leuther, I. Kallfass, R.Weber, A. Tessmann, M. Schlechtweg, O. Ambacher // 20-th International Symposium on Space Terahertz Technology. - Charlottesville, 2009. -P. 178-182.

3. Dambrine G. A New Method for Determining the FET Small-Signal Equivalent Circuit / G. Dambrine, A. Cappy, F. Heliodore, E. Playez // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. - 1988. - Vol. 36. - P. 1151-1159.

4. Berroth M. Broadband Determination of the FET Small-Signal Equivalent Circuit / M. Berroth, Ft. Bosch // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. - 1990. -Vol. 38. - P. 891-895.

5. Wurtz L. T. GaAsFET and HEMT Small-Signal Parameter Extraction from Measured S-Parameters // IEEE Transactions on instrumentation and measureement. - 1994. - Vol. 43, № 4. - P. 234-236.

6. Каталог дискретных полевых транзисторов. Официальный сайт фирмы TRANSCOM [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.transcominc.com.tw/English/fet-chips.htm, свободный (дата обращения: 12.07.2010).

Ющенко Алексей Юрьевич

Аспирант ТУСУР, науч. сотрудник ОАО «НИИ полупроводниковых приборов» (НИИПП)

Тел.: (382-2) 48-82-48

Эл. почта: [email protected]

Айзенштат Геннадий Исаакович

Д-р техн. наук, нач. лаб. ОАО «НИИПП»

Тел.: (382-2) 48-82-48

Эл. почта: [email protected]

Божков Владимир Григорьевич

Д-р техн. наук, проф., нач. отд. ОАО «НИИПП»

Бабак Леонид Иванович

Канд. техн. наук, зам. директора НОЦ «Нанотехнологии»,

доцент каф. компьютерных систем в управлении и проектировании (КСУП) ТУСУРа

Тел.: +7 (382-2) 41-47-17

Эл. почта: [email protected]

Добуш Игорь Мирославович

Аспирант каф. КСУП ТУСУРа

Тел.: +7-923-402-92-86

Эл. почта: [email protected]

Сальников Андрей Сергеевич

Мл. науч. сотрудник каф. КСУП ТУСУРа

Тел.: +7-913-866-44-65

Эл. почта: [email protected]

Yushenko A.Y., Ayzenshtat G.I., Bozhkov V.G., Babak L.I., Dobush I.M., Salnikov A.S. Microwave Pseudomorphic High Electron Mobility Transistor

The designing results of 0.3 |m GaAs PHEMT transistor are presented. The equivalent circuit parameters of the manufactured transistor are given. The transistor parameters are compared with the same ones of a foreign analogue.

Keywords: high electron mobility transistor,small-signal model.