автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Увеличение удельной выходной мощности и коэффициента усиления DpHEMT - транзисторов за счет повышения степени локализации горячих электронов в канале

Экз. 3 На правах рукописи

ЛУКАШИН Владимир Михайлович

УДК.621.385.6

УВЕЛИЧЕНИЕ УДЕЛЬНОЙ ВЫХОДНОЙ МОЩНОСТИ И КОЭФФИЦИЕНТА УСИЛЕНИЯ ОрНЕМТ - ТРАНЗИСТОРОВ ЗА СЧЕТ ПОВЫШЕНИЯ СТЕПЕНИ ЛОКАЛИЗАЦИИ ГОРЯЧИХ ЭЛЕКТРОНОВ В КАНАЛЕ

Специальность 05.27.01 «Твердотельная электроника,

радиоэлектронные компоненты, микро - и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах»

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

г. Фрязино 2015 г.

005570354

Работа выполнена в АКЦИОНЕРНОМ ОБЩЕСТВЕ «НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ «ИСТОК» ИМЕНИ А. И. ШОКИНА»

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук Пашковский Андрей Борисович. Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник ОАО «НПП «Пульсар» Гарбер Геннаднй Зеликович

кандидат физико-математических наук, Фрязинский филиал Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, заведующий лабораторией Борисов Виталий Иванович.

Ведущая организация Институт СВЧ полупроводниковой электроники РАН (ИСВЧПЭ) г. Москва.

Защита состоится 26 мая 2015 г. в 11 часов на заседании диссертационного совета Д409.001.01 при АО «НПП «Исток» им. Шокина» по адресу: 141190, Московская область, г. Фрязино, Вокзальная, д. 2а. Большой конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке АО «НПП «Исток» им. Шокина» и на сайте \vw\v.istokmw.ru

Автореферат разослан 24 марта 2015 г.

Учёный секретарь диссертационного совета

кандидат физико-математических наук —- Погорелова Э.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Твердотельная сверхвысокочастотная (СВЧ) электронная компонентная база (ЭКБ), одним из важнейших элементов которой остаются усилители мощности на полевых транзисторах, активно востребована для разработки огромного числа различных радиоэлектронных систем. Полевые транзисторы с барьером Шоттки (ПТШ) на арсениде галлия, других соединениях А3В5 и различных гетероструктурах на их основе, остаются основными активными элементами ЭКБ для диапазона частот от единиц до сотен ГГц.

Считается, что традиционные мощные СВЧ ПТШ в исполнении pHEMT (pseudomorphic high electron mobility transistor) на основе псевдоморфных AlGaAs-InGaAs-GaAs гетероструктур в ближайшее время будут практически полностью вытеснены из сантиметрового и длинноволновой части миллиметрового диапазона длин волн приборами на широкозонных гетероструктурах. В России, несмотря на отдельные удачные лабораторные разработки, создание промышленной технологии приборов на широкозонных гетероструктурах еще далеко от завершения. Требования экономической независимости и национальной безопасности России приводят к необходимости создания отечественной СВЧ ЭКБ, сравнимой по параметрам с серийными мировыми аналогами, но с учетом возможностей уже имеющихся технологий и оборудования. Представленная работа базируется на уже внедренной серийной технологии DpHEMT (pHEMT с двухсторонним наполнением канала электронами), что обеспечивает ее актуальность.

Считается, что любая оптимизация гетероструктур для серийных рНЕМТ транзисторов не позволяет получать удельную выходную СВЧ мощность заметно больше 1 Вт/мм на частоте 10 ГГц, но в данной работе на практике продемонстрировано существенное увеличение выходной СВЧ мощности транзистора и коэффициента усиления.

Существенное увеличение выходной СВЧ мощности и коэффициента усиления транзистора обеспечивается увеличени-

ем максимального (при положительном потенциале затвора) тока стока в условиях сильного разогрева электронов. Причиной этого полезного эффекта является повышение проводимости канала за счет ограничения поперечного пространственного переноса электронов с помощью встроенных потенциальных барьеров. Эти потенциальные барьеры формируются зарядами доноров и акцепторов в АЮаАэ-слоях, имеющими р-1-п профиль легирования, и выполняют локализующую функцию - заметно подавляют уход горячих электронов из ¡пваАз - канала в широкозонные слои АЮаАБ. Предлагаемое техническое решение выполнено в рамках эпитаксиальной технологии, используемой в уже освоенной серийной технологии АЮаЛ8-1пОаЛ5-СаА5 -ОрНЕМТ, что дополнительно усиливает актуальность темы.

Цель работы - разработка нового типа транзисторов в исполнении «ОрНЕМТ» с улучшенными выходными характеристиками на основе гетероструктур с селективным донорно-акдепторным легированием ((ОА)-ОрНЕМТ структуры и транзисторы на их основе), за счет подавления поперечного пространственного переноса электронов локализующими потенциальными барьерами.

Постановка задач» - для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- Исследовались особенности нелокального разогрева электронов в полевых транзисторах на основе СаЫ и СаАэ;

- Разрабатывалась (ОА)-ЭрНЕМТ гетероструктура с локализующими потенциальными барьерами, подавляющими поперечный пространственный перенос электронов из ГпОаАБ -канала.

- Разрабатывалась (ОА)-ОрНЕМТ гетероструктура с делителем напряжения на затворе, образованным 1 - р -1 - (5:81)

слоями в барьере Шоттки транзистора, обеспечивающим оптимум положения рабочей точки транзистора при напряжении затвора, равном нулю.

- Разрабатывался метод формирования омических контактов в заглублениях с удаленными акцепторными слоями, позво-

ляющий существенно уменьшить сопротивление омических контактов в (ОА)-ЭрНЕМТ транзисторах.

Объектом исследования служат - мощные полевые СВЧ транзисторы с большой шириной затвора.

Предметом исследования служат - структуры полевых транзисторов, методики формирования локализующих барьеров и омических контактов.

Научная новизна. В диссертации впервые получены следующие результаты:

1. Показано, что поперечный пространственный перенос и сильные зависимости времен релаксации от энергии приводят к тому, что результаты расчетов по гидродинамической и температурной моделям (по ГДМ и ТМ) существенно отличаются при длинах затворов, намного превышающих длины релаксации импульса электронов в слоях гетероструктур. В сравнении с результатами ГДМ получены величины погрешностей, возникающих при использовании ТМ при моделировании и расчете характеристик рНЕМТ транзисторов.

2. Исследованы особенности нелокального разогрева электронов в полевых транзисторах на основе GaN и СаАв. Показано, что из-за сильного эффекта всплеска дрейфовой скорости средняя величина дрейфовой скорости под затвором транзистора на основе йаАБ выше, чем под затвором транзистора на основе СаИ при большей величине максимальной сильнополевой статической дрейфовой скорости электронов в ОаТЧ. Эта особенность сравнительного поведения величин средней дрейфовой скорости в ваК и ОаАз транзисторах сохраняется даже при искусственном задании величины слабополевой подвижности электронов в СаА8 такой же, как в ваМ.

3. Показано, что введение в ОрНЕМТ гетероструктуру высоких локализующих потенциальных барьеров, уменьшающих поперечный пространственный перенос электронов с сопутствующим подавлением проникновения горячих электронов в эти барьеры при усилении эффекта размерного квантования и обеспечении увеличенной плотности электронов в слое 1пСаА5

канала, позволяет существенно увеличить выходную мощность и коэффициент усиления ГТТШ.

4. Показано, что при оптимальном соотношении толщин ьр-ЦбгБО слоев структуры в барьере Шоттки (ОА)-ОрНЕМТ транзистора можно создавать мощные ПТШ, с максимумом выходной СВЧ мощности, достигаемом при задании напряжения «затвор - исток», равного нулю.

5. Методом формирования омических контактов в заглублениях с удаленными акцепторными слоями решена проблема формирования контактов истока и стока с линейной воль-тамперной характеристикой (ВАХ) и малым удельным сопротивлением.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Из-за влияния поперечного пространственного переноса электронов при переходе от гидродинамической к температурной модели в результатах расчета характеристик полевых транзисторов на СаАз гетероструктурах с селективным легированием возникает погрешность более 20 % при длинах затвора менее 1 мкм.

В полевых транзисторах на GaN гетероструктурах из-за большой энергии оптического фонона и, соответственно, малого всплеска дрейфовой скорости электронов такая же погрешность возникает при длинах затвора менее 0,05 мкм.

2. Формирование в АЮаАэ слоях (ОА)-БрНЕМТ гете-роструктуры высоких локализующих потенциальных барьеров и увеличение плотности электронов в слое 1пСаАз канала позволяет создавать мощные транзисторы, имеющие на частоте 10 ГЕц удельную выходную мощность, коэффициент усиления и КПД более 1,6 Вт/мм, 9 дБ и 50% при длине трапециевидного затвора 0,5 мкм.

3. Использование при изготовлении омических контактов истока и стока в (ОА)-ОрНЕМТ транзисторах заглубления с удаленными акцепторными слоями позволяет формировать омические контакты с линейной ВАХ и удельным сопротивлением ме-

нее 0,8 Ом-мм - на уровне результатов, типичных для ЭрНЕМТ транзисторов.

4. Оптимизация соотношения толщин слоев ¡-р-1- (о : 81)

структуры в барьере Шоттки позволяет создавать мощные транзисторы, наиболее эффективно работающие при нулевом смещении на затворе и имеющие на частоте 10 ГГц удельную выходную мощность, коэффициент усиления и КПД более 1,5 Вт/мм, 12 дБ и 40% при длине Г - образного затвора равной 0,3 мкм.

Практическая ценность работы.

1. Получено существенное увеличение выходной СВЧ мощности и коэффициента усиления ПТШ при введении в ОрНЕМТ гетероструктуру высоких локализующих потенциальных барьеров, уменьшающих поперечный пространственный перенос электронов с сопутствующим подавлением проникновения горячих электронов в эти барьеры, усилением эффекта размерного квантования и увеличении плотности электронов в слое 1п6аА5 канала. Это техническое решение при оптимизации соотношения толщин слоев, образующих барьер Шоттки в (БА)-ОрНЕМТ, также позволяет создавать мощные ПТШ, наиболее эффективно работающие при нулевом смещении на затворе.

2. Предложена и подтверждена на практике возможность формирования омических контактов с линейными вольт-амперными характеристиками и пониженными сопротивлениями истока и стока в (БА)-ОрНЕМТ транзисторах при формировании омических контактов в заглублениях с удаленными акцепторными слоями.

3. Разработанные технические решения использованы при изготовлении ряда экспериментальных образцов транзисторов в (ОА)-БрНЕМТ исполнении. Применение этих решений позволило:

- при длине трапециевидного затвора, равной 0,5 мкм изготовить экспериментальные образцы мощных ПТШ с удельной

мощностью, коэффициентом усиления и КПД на частоте 10 ГГц более 1,6 Вт/мм, 9 дБ, 50% соответственно,

- изготовить экспериментальные образцы мощных ПТП1 с удельной мощностью, коэффициентом усиления и КПД на частоте 10 ГГц более 1,5 Вт/мм, 12 дБ и 40%, соответственно, при длине Г - образного затвора, равной 0,3 мкм, наиболее эффективно работающие при нулевом смещении на затворе.

Апробация результатов работы.

Результаты работы опубликованы в материалах следующих международных конференций: "СВЧ- техника и телекоммуникационные технологии", «КрыМикО», Севастополь, 10-14 сентября 2007г., 10-14 сентября 2001г., 14-18 сентября 2009г., 10—14 сентября 2012г., 8—13 сентября 2013г., 7—13 сентября 2014г.; 10 Международная научно-практическая конференция «Нанотехнологии - производству 2014» г. Фрязино Московской обл., 2-4 апреля 2014г.; Всероссийская конференция Микроэлектроника СВЧ, Санкт-Петербург, СПбГЭТУ 4-7 июня 2012 г., 2-5 июня 2014 г.; 11 Российская конференция по физике полупроводников, Санкт-Петербург, 16-20 сентября 2013г.

Публикации. По материалам диссертации автором опубликовано 24 печатных работы, из них 11 работ в журналах по перечню ВАК для защиты кандидатских диссертаций, получено 3 патента РФ.

Объём работы. Диссертация состоит из введения, двух глав, заключения, списка литературы. Работа выполнена на 127 страницах текста, содержит 34 рисунка, 7 таблиц и список литературы из 102 наименований.

Содержание и результаты работы.

Во введении дано обоснование актуальности темы работы, определены цели и задачи исследований, перечислены основные результаты, выводы и рекомендации, научные положения, выносимые на защиту. Обоснована необходимость теоретического анализа разогрева электронов для задания приближен-

ного к оптимальному профиля легирования в локализующих барьерах и практическая важность работы.

В первой главе приведены результаты исследований особенностей нелокального разогрева электронов в современных гомо - и гетероструктурах.

В разделе 1.1. проводится исследование границ применимости квазигидродинамических моделей для расчета полевых транзисторов на гетероструктурах с селективным легированием. Широкое использование гетероструктур и наметившаяся в последние годы активность в разработке достаточно точных и быстродействующих программ моделирования физических процессов и расчета характеристик транзисторов, ставит вопрос физической адекватности моделей, используемых в этих программах. В настоящее время в большинстве полевых СВЧ транзисторов размеры активной области становятся сравнимыми с длинами релаксации импульса и энергии электронов. Длины релаксации из-за сложного распределения электрического поля, в свою очередь, могут сильно меняться по длине в промежутке между истоком и стоком. В этих условиях строгое определение границ применимости тех или других физических моделей до сих пор остается серьезной проблемой: простые критерии по сравнению размеров пролетной области с длинами релаксации электронов не позволяют оценить точность моделей, и для этого приходится непосредственно использовать численные расчеты. Известно, что динамика электронов в приборах с характерными размерами порядка десятых долей микрона, а, соответственно, и характеристики этих приборов, физически более адекватно и точно описываются кинетическим уравнением Больцмана, решаемым методом Монте-Карло. Однако, из-за большого потребления вычислительных ресурсов и сложности, этот метод до сих пор мало применяется для подбора параметров гетероструктур и оптимизационных расчетов транзисторов. Из-за приемлемо малой вычислительной ресурсоемкости на практике основными расчетными моделями пока остаются различные модификации ГДМ и ТМ. При этом минимальной вычислительной ресурсоемкостыо

обладают ТМ, что делает их весьма привлекательными, но важно найти границы физически адекватной применимости ТМ в сравнении с ГДМ.

Известно, что уже при длинах затвора менее 0,25 мкм использование ТМ вместо ГДМ может приводить к существенным погрешностям при расчёте характеристик гомоструктурных ПТШ на основе (ЗаАз с объемнолегированным каналом. В разделе 1.1 проясняется проблема физически адекватной применимости ТМ в сравнении с ГДМ и для гетероструктурных ПТШ, в том числе и для транзисторов в рНЕМТ исполнении.

В параграфе 1.1.1 приведена используемая в работе ГДМ полевого транзистора. В этой модели описывается поведение двух ансамблей электронов. Первый ансамбль расположен в слое ОаАэ, или 1пОаЛ5 узкозонного канала, образующего квантовую яму (КЯ), второй - в контактирующем с ним широкозонном слое (АЮаАэ). Каждый слой характеризуется одной эффективной долиной с временами релаксации импульса и энергии электронов, определяемыми из расчетов методом Мойте - Карло для объемных материалов. Переходы горячих электронов между контактирующими слоями описываются в приближении надба-рьерной термоэлектронной эмиссии. Проводимость канала определяется в приближении треугольной потенциальной ямы с учетом всех размерно-квантовых подзон. В расчетах учитываются переходы электронов в результате разогрева из КЯ в широкозонный слой и обратные переходы (поперечный пространственный перенос), а также увеличение эффективных длин локализации горячих электронов в слоях гетероперехода при усилении разогрева. Фактически, в используемой одномерной ГДМ поставлена и решается квазидвумерная самосогласованная задача описания динамики электронов в двух соседних слоях.

В параграфе 1.1.1 также приведено сравнение результатов расчетов для гетероструктурных ПТШ по гидродинамической и температурной моделям. Показано, что даже при сравнительно больших длинах затвора 0,5 мкм (и менее), в отдельных режимах работы ПТШ разница величин тока стока и крутизны, вычисляемых по этим моделям может быть больше 20 %. Рассматрива-

ются различия в распределениях дрейфовой скорости по слоям в промежутке «исток-сток», рассчитанных по ГДМ и ТМ. Демонстрируется, что главная причина различии - поперечный пространственный перенос (если его убрать из расчетов, то при длине затвора 0,5 мкм разница в распределениях дрейфовых скоростей, рассчитанных по ГДМ и ТМ, составит всего несколько процентов).

Различия в результатах расчетов заметно возрастают с увеличением мольной доли индия в узкозонном слое канала. Показано, что для транзисторов на гетероструктурах 1щ.52 Л1о,4х Ав -1по,5з Сао,47 Аб существенные различия в результатах расчетов величин токов стока и крутизны начинаются при длинах затвора около 1 мкм, а при более коротких затворах они начинают носить не только количественный, но и качественный характер.

В разделе 1.2. исследуются особенности формирования области интенсивного тепловыделения в полевых транзисторах. Известно, что для правильного конструирования мощных полевых транзисторов необходимо знать температуру его канала. В свою очередь, для расчета максимальной температуры канала и анализа тепловых режимов работы мощных ПТШ, существенное значенне приобретает оценка размеров области наиболее интенсивного тепловыделения.

В параграфе 1.2.1 приводятся простые формулы, позволяющие рассчитывать интенсивность тепловыделения в каналах гомо и гетероструктурных ПТШ. Приводятся особенности распределения плотности мощности в гомоструктурных полевых транзисторах. Демонстрируется, что в мощных транзисторах с коротким затвором область выделения мощности за период СВЧ изменения потенциала затвора может перемещаться от затвора к стоку и обратно. Таким образом, может реализовываться режим, в котором температурная нагрузка в транзисторе минимальна (температура канала падает на 10 - 30 градусов).

Показано, что в рНЕМТ транзисторах, по крайне мере в тех, которые рассматривались при расчетах, область наиболее интенсивного тепловыделения жестко локализована у стокового

края затвора, а большая часть энергии при этом выделяется в широкозонном слое.

В параграфе 1.2.2 исследуется физический механизм данной особенности.

Показано, что за жесткую локализацию домена сильного поля у стокового края затвора транзистора отвечает поперечный пространственный перенос электронов. Это один из основных физических эффектов, обуславливающих особенности транспорта горячих электронов по длине канала в рНЕМТ транзисторах, сильно влияющий на форму и величину всплеска дрейфовой скорости электронов под затвором, а также на величину тока стока, особенно при открытом канале транзистора.

В разделе 1.3 рассматриваются особенности нелокального разогрева электронов в полевых транзисторах на основе нитрида галлия. На примере расчета тестовой структуры - приближенного аналога реальной ОаЫ гетероструктуры, сравнивается нелокальный дрейф электронов в ПТШ на основе СаЫ и на основе СаЛв с той же слабополевой подвижностью электронов.

Показано, что несмотря на большую величину максимума полевой зависимости статической дрейфовой скорости, быстродействие ОаН - ПТШ не выше быстродействия ОаАз - ПТШ даже при искусственном задании величины слабополевой подвижности электронов в ОаА$ такой же, как в СаЫ и, соответственно, гораздо ниже быстродействия рНЕМТ. Этот эффект связан с тем, что из-за малых времен релаксации по энергии, обусловленных большой энергией оптического фонона, дрейфовая скорость электронов в максимуме на ее распределении в ОаЫ -ПТШ заметно ниже, чем в ваАБ - ПТШ. Рассматриваются распределения времен релаксации в таких приборах.

Демонстрируется, что в большой области, даже под коротким субмикронным затвором, электронный транспорт в ОаЫ - ПТШ практически локален. Нелокальные эффекты ярко проявляются только у стокового края затвора. В то же время в ОаА$ -ПТШ нелокальный дрейф электронов (наблюдаемый в области, где дрейфовая скорость превышает максимальную статическую дрейфовую скорость) имеет место практически под всем затво-

ром. Показано, что малые времена релаксации по энергии приводят еще к одному интересному, и, в определенной мере (в плане экономии при моделировании вычислительных ресурсов за счет использования ТМ), полезному эффекту. Моделирование показало, что в транзисторах на основе ваЫ, даже при малой длине затвора, равной 0,05 мкм, результаты расчетов по ГДМ и ТМ отличаются не слишком сильно, что обуславливает малую погрешность при ТМ моделировании ваК - ПТШ.

Во второй главе представлены результаты разработки транзисторов с локализующими барьерами в исполнении (ОА)-ОрНЕМТ.

В разделе 2.1 приведены предпосылки разработки транзисторов в исполнении (ОА)-БрНЕМТ. Выходные характеристики гетероструктурных полевых транзисторов определяется многими факторами: параметрами гетероструктуры, топологией конструкции, технологией и маршрутом изготовления элементов конструкции ПТШ и т.д. При этом важно, что только конструкция гетероструктуры, оптимизированная с учетом особенностей транспорта электронов, налагаемых условиями работы транзистора, позволяет получить наилучшие характеристики мощных СВЧ ОрНЕМТ.

Для увеличения выходной СВЧ мощности при разработке гетероструктур для ОрНЕМТ транзисторов важно обеспечить максимальную проводимость канала на участке насыщения выходных ВАХ. Попытки оптимизации в этом направлении гетероструктур для мощных рНЕМТ и ОрНЕМТ блокируются набором жестких физических и технологических ограничений, который, на первый взгляд, не позволяет получать удельную выходную мощность серийных ПТШ заметно больше 1 Вт/мм на частоте 10 ГГц.

Одним из основных механизмов, ограничивающих эту мощность в рНЕМТ, является поперечный пространственный перенос электронов из йгваАз - канала гетероструктуры, возникающий при их разогреве продольным электрическим полем (рис.1). Этот перенос стимулируется кулоновским электрон-

электронным и электрон-донорным взаимодействием, он приводит к усилению заполнения горячими электронами слоев АЮяАб вблизи доноров, что снижает подвижность горячих электронов. Типичная величина разрыва дна зоны проводимости на гетерогранице А10аА8-1п0аА5 в рНЕМТ и в БрНЕМТ сравнительно мала и составляет примерно 0,3 эВ. Такой глубины потенциальной ямы 1пОаА5-канала недостаточно для сохранения преимущественной локализации электронов в 1пОаАз - канале при их сильном разогреве, характерном для работы рНЕМТ и ОрНЕМТ.

Рис.1. Зонная диаграмма ОрНЕМТ гетероструктуры с контактом Шоттки. Стрелки показывают область расположения горячих электронов с различной энергией, показано проникновение горячих электронов в АЮаАз-слои. 1 - нелегируемые слои.

Похожий эффект наблюдается при попытках увеличения уровня легирования рНЕМТ и ОрНЕМТ- гетероструктур донорами: потенциальная яма 1пОаА5-канала оказывается полностью заполненной электронами, начинается параллельное заполнение электронами АЮаАз-слоев. В результате даже слабополевая подвижность электронов оказывается недопустимо малой, проводимость канала и выходная СВЧ мощность практически перестает увеличиваться при росте уровня легирования донорами.

Простые оценки показывают, что при введении в структуру встроенных потенциальных барьеров, усиливающих локализацию горячих электронов в слое МЗаАБ-канала, степень их локализации в АЮаАв-слоях может уменьшиться в несколько раз.

Существует проблема выбора оптимального метода создания достаточно высоких и резких локализующих потенциальных барьеров. Использование А1хСа].хА5 гетеробарьеров для создания локализующих потенциальных барьеров не дает нужного эффекта, так как величина разрыва дна зоны проводимости при повышении содержания алюминия увеличивается недостаточно сильно. Кроме этого, в слоях А1хСа1-хА5 с большим содержанием алюминия (х>0,35) формируются глубокие ЭХ центры, захватывающие электроны и происходит инверсия долин в зоне проводимости, что резко усиливает интенсивность рассеяния горячих электронов, проникающих в шнрокозонные слон.

Пригодных для обеспечения хорошей локализации горячих электронов сравнительно узкозонных гетероструктур с большим (более 0,5 эВ) разрывом дна зоны проводимости, технологии которых освоены в серийном производстве, пока нет. По этой причине было выбрано решение: для построения локализующих барьеров использовать донорно-акцепторное легирование широкозонных слоев в уже освоенных традиционных ЭрНЕМТ гетероструктурах.

Достаточные по высоте локализующие барьеры в (БА)-ОрНЕМТ гетероструктурах формировались с помощью встроенных полей зарядов доноров и акцепторов в А1хОаьхА5 - слоях с х<0,35, задавался р-1-п профиль легирования при избыточном легировании донорами. Использовалась технология дельта-легирования донорами (5: ), дающая максимальную локализацию горячих электронов в слое 1пСаА5-канала. При этом каждый 5:51 - слой выполняет двойную функцию: участвует в формировании локализующего барьера и обеспечивает поставку электронов в ТпСаАв-канал. Схематические зонные диаграммы

(ОА)-ОрНЕМТ гетероструктуры в сравнении с ПрНЕМТ гетеро-структурон показаны на рис.2.

(ОА)-ОрНЕМТ гетеросгруктура имеет такие потенциальные преимущества перед традиционной ЭрНЕМТ гетерострук-турой:

- уменьшение рассеяния горячих электронов в широкозонном материале за счет уменьшения толщины слоя широкозонного материала, в котором они могут находиться, уменьшения величины квадрата волновой функции электронов вблизи высоких локализующих барьеров и усиления эффекта размерного квантования;

- увеличение поверхностной плотности электронов в сравнительно более узкой и глубокой квантовой яме канала;

- уменьшение туннельного переноса электронов между затвором и каналом за счет увеличения средней толщины потенциального барьера контакта Шоттки;

- уменьшение поверхностной плотности горячих электронов в широкозонных слоях и улучшение управления током стока при больших прямых смещениях контакта Шоттки.

Рис.2. Сравнение зонных диаграмм АЮаА5-1пСаА5-СаА8 ОрНЕМТ структур с донорным (О) и с донорно-акцепторным

(ЭА) легированием. /- нелегируемые слои, р+- легированные Ве слои.

В разделе 2.2 представлены результаты измерений характеристик экспериментальных образцов ПТШ в исполнении (ОА)-ОрНЕМТ. Для первых экспериментов изготавливались транзисторы с трапециевидным, а не с Т-образным или Г-образным затвором. Серийные ПТШ в исполнении БрНЕМТ на частоте 10 ГГц обеспечивали величину удельной выходной СВЧ мощности менее 1 Вт/мм (обычно 0,8 -г- 0,9 Вт/мм). Удельную выходную СВЧ мощность в 1 Вт/мм обеспечиваш лишь ПТШ с Г-образным затвором при длине затвора около 0,15 мкм. Экспериментальные образцы ПТШ с трапециевидным затвором длиной 0,5 мкм из партий 1 и 2 показали при измерениях на частоте 10 ГГЦ в непрерывном режиме величину удельной выходной мощности более 1,3-И ,4 Вт/мм, коэффициент усиления более 8 дБ, КПД около 50%. ПТШ из партии 3 с трапециевидным затвором длиной 0.5 мкм показали при измерениях на частоте 10 ГГЦ в непрерывном режиме величину удельной выходной мощности более 1,6 Вт/мм, коэффициент усиления более 9 дБ, КПД около 50% (таблица 1).

Таблица 1. Результаты измерений в непрерывном режиме.

№ Р входа мВт Р выхода мВт КР Дб 1стока мА UcTOHa В КПД % Рвых/И-g Вт/мм

1 30 455 11,8 210 9 - -

150 1150 8,8 260 8 50 1,44

150 1280 9,3 270 9 46 1,60

2 30 460 11,8 220 9 - -

150 1135 8,8 245 8 50,3 1,42

150 1300 9,4 255 9 50,1 1,63

3 30 460 11,8 240 9 - -

150 1145 8,8 240 8 51,8 1,43

150 1310 9,4 245 9 52,6 1,64

В импульсном режиме (длина импульса т = 10 мкс, скважность <3 = 4) результаты (таблица 2), полученные на транзисторах из партии 3 на частоте 10 ГГц, выглядят еще более впечатляюще:

Таблица 2. Результаты измерений в импульсном режиме.

N° Рвхода мВт Рвыхода мВт Кг Дб 1стока мА UcTOKa в КПД % Рвых/ ll'g Вт/мм

1 30 500 12,2 250 9 - -

150 1320 9,4 260 8 56 1,65

150 1420 9,8 290 9 46 1,78

2 30 490 12,1 230 9 - -

150 1300 9,4 260 8 55,2 1,62

150 1430 9,8 275 9 51,7 1,79

3 30 505 12,2 250 9 - -

150 1310 8,9 265 8 54,7 1,63

150 1450 9,8 285 9 50,7 1,81

В разделе 2.3 проведен анализ физических механизмов, позволивших получить столь значительный рост выходных параметров. Приводятся оценки, которые позволяют сделать вывод, что введение локализующих потенциальных барьеров резко уменьшает влияние поперечного переноса электронов и подавляет паразитные каналы проводимости по широкозонным слоям в (ОА)-ОрНЕМТ, а интенсивность рассеяния за счет квантовых эффектов заметно падает. Оценки также приводят к выводу о том, что улучшение омических контактов, применение Т- образного или Г- образного затвора длиной менее 0,25 мкм (если не сработает какой-нибудь новый, неизвестный пока эффект) дополнительно увеличит мощность, даст заметное увеличение коэффициента усиления и КПД, а также позволит на частоте 10 ГГц выйти на следующий уровень по параметрам транзисторов: удельная мощность более 2,5 Вт/мм, коэффициент усиления в насыщении более 13 дБ, КПД при настройке на максимальную мощность 55 -5- 60%.

В разделе 2.4 приводятся результаты исследования (ОА)-БрНЕМТ транзисторов, с максимумом выходной СВЧ мощности, достигаемом при задании напряжения «затвор - исток», равного нулю. Создать мощный рНЕМТ или ОрНЕМТ транзистор с обычным донорным легированием, наиболее эффективно

работающий при нулевом смещении на затворе, без принятия специальных мер крайне сложно. Решить эту проблему оказалось возможным в (ОА)-ОрНЕМТ транзисторах после необходимой оптимизации соотношения толщин 1-р-ь(8:50 слоев структуры, фактически являющейся своеобразным делителем напряжения «затвор-исток» встроенным в барьер Шоттки.

Показано, что в (ОА)-БрНЕМТ положение оптимальной рабочей точки можно вообще сдвинуть в диапазон положительных напряжений на затворе (таблица 3) при одновременном соблюдении условия сохранения приемлемо малых токов затвора. Такие (ОА)-ОрНЕМТ имели пробивное напряжение 25 - 28 В при ширине затвора \У8 = 0,8 мм, длине Г-образного затвора около 0,3 мкм, напряжение перекрытия (-1,5) В. В таблице 3 представлены типичные результаты измерений характеристик таких приборов, эффективно работающих при нулевом смещении на затворе. Измерения проводились на частоте 10 ГГц.

Таблица 3. Результаты измерений в импульсном режиме.

№ Рвхода мВт Рцыхола мВт КР Дб 1стока мА вора В истока в КПД % Р,шх/\¥? Вт/мм

10 190 12.8 195 -0,3 8 - -

100 925 9,7 200 -0,3 8 51,5 1,15

125 1345 10,3 250 -0,45 12 40,7 1,68

1 125 1380 10,4 260 0 12 40,2 1,72

125 1325 10.3 240 0 11 45 1,66

125 1160 9,7 220 0 10 47 1,45

125 1390 10,5 260 0,1 12 40,5 1,73

125 1380 10,4 260 0.2 12 40,2 1,72

30 640 13,3 210 0 12 - -

50 905 12,6 210 0 12 40 1,13

70 1215 12,4 220 0 12 43 1,52

2 100 1315 11,2 235 0 12 43 1,64

125 1345 10.3 240 0 12 42 1,68

125 1340 10,3 225 -0.3 12 45 1,68

100 1005 10 180 -0,3 10 50 1,25

В разделе 2.5 представлены результаты разработки омических контактов истока и стока в (ОА)-ОрНЕМТ транзисторах.

Первые эксперименты показали, что омические контакты истока и стока в (БА)-ОрНЕМТ хуже, чем в обычных ОрНЕМТ. Для улучшения омических контактов была изготовлена конструкция транзистора с заглублением положения нижней границы металлизации омического контакта под слой ТпОаАз -капала. Исходное заглубление в структуре формировалось методом анизотропного травления, что позволило сформировать его стенки с боковым наклоном. Геометрия боковых стенок заглубления при напылении позволяет обеспечить их бездефектное покрытие металлом и позволяет осуществить формирование омического контакта непосредственно к рекристаллизованному 1п(ЗаА5 - слою канала транзистора, имеющему выход на боковых стенках. В таком контакте встроенные потенциальные барьеры или области с повышенным сопротивлением не препятствуют протеканию электрического тока в канал. На практике подтвердилось, что при формировании омических контактов в заглублениях практически полностью исключаются проблемы, связанные с наличием верхних акцепторных слоев в гетероструктуре. Омические контакты имеют линейную ВАХ и малое переходное сопротивление - не хуже омических контактов в ПТШ традиционного ОрНЕМТ исполнения.

В заключении сформулированы основные полученные результаты:

Показано, что пренебрежение в расчетах инерционностью изменения импульса приводит к существенным (более 20%) погрешностям в расчетах распределений дрейфовой скорости в канале ПТШ и выходных характеристик прибора при длинах активной области, намного превышающих длину релаксации импульса электронов. Погрешность возникает из-за сильных продольных и поперечных градиентов электрического поля в канале, особенностей нелокального разогрева электронов, сильного поперечного переноса электронов из канала. Поперечные размеры слоя канала всегда меньше длины релаксации импульса, поперечные потоки электронов через гетерограницы канала велики

и в достаточно слабых полях. Следствие: разница в результатах моделирования рНЕМТ транзисторов на основе СэАб, получаемых в ГДМ и ТМ становится велика даже при достаточно больших (порядка 1 мкм) длинах затвора при открытом канале ПТШ. Результаты расчетов характеристик ПТШ на гетеростуктурах (lno.52Alo.4sAs - Ino.53Gao.47As) оказываются гораздо более чувствительными к выбору модели расчетов, чем результаты расчетов характеристик ПТШ на гетеростуктурах (Alo.3Gao.7As-ОзАэ).

Показано, что именно поперечный перенос ведет к жесткой локализации домена сильного поля у стокового края затвора.

Показано, что из-за матых времен релаксации энергии электронов в ОаЫ - ПТШ максимальная величина дрейфовой скорости в промежутке «исток - сток» меньше, чем в ОзАб -ПТШ. Поэтому, несмотря на большие величины в максимуме полевой зависимости дрейфовой скорости электронов, из-за особенностей формы распределения дрейфовой скорости по длине канала, ОаЫ - ПТШ имеют быстродействие не выше, чем ОаАэ -ПТШ даже при искусственном задании величины слабополевой подвижности электронов в ОаЛя такой же, как в ОаМ. В отличие от ПТШ на основе ОаАз, ТМ дает приемлемо малую погрешность при расчете ОаЫ - ПТШ с короткими субмикронными затворами (до длин затвора, превышающих 0,05 мкм).

Разработана (ОА)-ОрНЕМТ гетероструктура, улучшающая выходные характеристики мощных ПТШ за счет ограничения поперечного пространственного переноса электронов нз слоя канала в широкозонные слои локализующими потенциальными барьерами. ПТШ в исполнении (ОА)-ОрНЕМТ при длине трапециевидного затвора 0,4 - 0,5 мкм и общей ширине затвора 0,8 мм на частоте 10 ГГц имеют коэффициент усиления более 9 дБ, удельную выходную мощность более 1,6 Вт/мм, КПД по добавленной мощности до 50%.

Впервые в результате разработки изготовлены ПТШ в исполнении (БА)-ОрНЕМТ, обеспечивающие максимум выходной СВЧ мощности при задании напряжения «затвор - исток», равного нулю. Такие транзисторы с шириной затвора 0,8 мм при

длине Г - образного затвора около 0,3 мкм, напряжениях на затворе в диапазоне от +0,2 до -0,2 В и напряжении на стоке 12 В, на частоте 10 ГГц в импульсном режиме демонстрируют удельную выходную мощность более 1,6 Вт/мм при коэффициенте усиления более 11 дБ и КПД по добавленной мощности более 40%. При уменьшении удельной выходной мощности до 1,5 Вт/мм коэффициент усиления возрастает до 12,5 дБ. При уменьшении напряжения на стоке до 8-10 В и коэффициента усиления до 10 дБ, КПД по добавленной мощности возрастает до 50%.

На практике показано улучшение омических контактов истока и стока в ПТШ исполнения (БА)-ОрНЕМТ за счет введения заглубления в области формирования омических контактов. Данный технический прием позволил получать линейный омический контакт с малым (менее 0,8 Ом-мм) удельным сопротивлением контактов, т.е. на уровне величин в ПТШ традиционного ОрНЕМТ исполнения.

Публикации по теме диссертации в журналах из перечня

ВАК.

1. П.В.Бережнова, А.Б.Пашковский, А.К.Ратникова, В.М.Лукашин "Оценка области нелокального тепловыделения в мощных гетероструктурных полевых транзисторах" Электронная техника. Сер. 1. СВЧ-техника. Вып.4 (492), 2007, с. 21 -24.

2. А.В.Климова, В.М.Лукашин, А.Б.Пашковский "Поперечный пространственный перенос в полевых транзисторах на гете-роструктурах с селективным легированием и границы применимости квазигидродинамических моделей",7/ Физика и Техника Полупроводников, 2009, Т.43, В.1, с. 113-118.

3. А.А.Капралова, В.М.Лукашин, Л.В.Манченко, А.Б.Пашковский, В.А.Пчелин. "Уменьшение погрешности контактирования при измерении параметров мощных полевых транзисторов" //Радиотехника, 2011 г. N0 4, с. 67-71.

4. В.Г Лапин. В.М. Лукашин, К.И.Петров, А.М.Темнов. Полевые транзисторы со смещенным затвором// Электронная техника, Сер.1, СВЧ-техника, 2011, В.4(511), с. 59- 71.

5. Н.А.Кувшинова, В.Г Лапин, В.М. Лукашин, К.И.Петров. Мощный полевой транзистор со смешенным к истоку Г-образным затвором //Радиотехника, 2011 г. No 11, с. 90-93.

6. К.С.Журавлев, В.Г.Лапин, В.М. Лукашин, А.Б.Пашковский, А.Б.Соколов, А.И.Торопов "Серийный рНЕМТ с удельной мощностью 1,4 Вт/мм" //Электронная техника, Сер.1, СВЧ-тсхника, 2012, В.1(512), с. 55-61.

7. В.М. Лукашин, А.Б.Пашковский, К.С.Журавлев, А.И.Торопов, В.Г.Лапин, А.Б.Соколов "Уменьшение роли поперечного пространственного переноса электронов и рост выходной мощности гетероструктурных полевых транзисторов" //Письма в Журнал Технической Физики, 2012, т.38, в. 17, с. 84-89.

8. В.М. Лукашин, А.Б. Пашковский, К.С. Журавлев, А.И. То-ропов, В.Г. Лапин, Е.И. Голант, A.A. Капралова "Перспективы развития мощных полевых транзисторов на гетерострук-турах с донорно-акцепторным легированием"// Физика и Техника Полупроводников, 2014, том 48, В.5, с. 684-692.

9. В.М.Лукашин, А.Б.Пашковский, В.Г Лапин, С.В.Щербаков, К.СЖуравлев, А.И. Торопов, A.A. Капралова "Мощные ге-тероструктурные полевые транзисторы с донорно-акцепторным легированием, работающие при нулевом смещении на затворе"// Электронная техника, Сер.1, СВЧ-техника, 2014, В.1(522), с. 5- 14.

10. А.Б.Пашковский, В.М.Лукашин, Я.Б.Мартынов, В.Г.Лапин, А.А.Капрапова, И.А.Аниснмов "Нелокатьный дрейф электронов в полевых транзисторах на основе нитрида галлия"// Электронная техника, Сер.1, СВЧ-техника, 2014, В.4(523), с. 5- 16.

11. В.МЛукашнн, А.Б.Пашковский, В.ГЛапин, С.В.Щербаков, К.С.Журавлев, А.И.Торопов, А.А.Капралова "Управление положением оптимальной рабочей точки мощного гетеро-структурного полевого транзистора путем формирования подзатворного потенциального барьера на основе донорио-акцепторной структуры"// Письма в Журнал Технической Физики, 2015, том 41, вып. 3, с. 81 - 87.

Патенты и свидетельства

1. Патент РФ на полезную модель №8069 по заявке № 2008133793. Приоритет от 19.08.2008. Гетероэпитаксиальная структура для полевых транзисторов. Е.И.Голант, К.С.Журавлев, В.ГЛапин, В.М.Лукашин, А.Б.Пашковский, Ю.Н.Свешников.

2. Патент РФ на полезную модель №106442 по заявке № 2011112315/28. Приоритет от 31.03.2011. Опубликовано: 10.07.2011. Эпитаксиальная структура с широкозонным инжектором для полевых транзисторов // В.М. Лукашин, А.Б. Пашковский.

3. Патент РФ на полезную модель №111351 по заявке № 2011136159. Приоритет от 31.08.2011. Зарегистрирована: 10.12.2011 Полевой транзистор с увеличенным напряжением пробоя // Е.И.Голант, К.СЖуравлев, В.ГЛапин,

B.М.Лукашин, А.Б.Пашковский.

Другие публикации по теме диссертации.

1. П.В.Бережнова, В.М.Лукашин, А.Б.Пашковский "'Оценка размеров области тепловыделения в мощных полевых транзисторах на гетероструктурах с селективным легированием " 17-я Международная Крымская конференция "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии" (КрыМнКо'2007). Севастополь, 10-14 сентября 2007г. Материалы конференции.

C. 119-120.

2. В.М. Лукашин, А.Б. Пашковский, К.С. Журавлев, А.И. Торо-пов, В.Г. Лапин "Мощный полевой транзистор на гетеро-структуре с донорно-акцепторным легированием" Микроэлектроника СВЧ, Всероссийская конференция, Санкт-Петербург, СПбГЭТУ 4-7 июня 2012 г. Сборник трудов конференции Том 1, с. 83 - 87.

3. В.М.Лукашин, А.Б.Пашковский, К.С.Журавлев, А.И.Торопов, В.Г.Лапин "Подавление каналов паразитной проводимости и рост мощности гетероструктурных полевых транзисторов" 22-я Международная Крымская конференция "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии"

(КрыМиКо'2012). Севастополь, 10—14 сентября 2012г. Материалы конференции с. 78-79.

4. А. А.Капралова, В.М.Лукашин, А.Б.Пашковский "Поперечный пространственный перенос электронов и особенности локализации домена сильного поля в гетероструктурных полевых транзисторах"// 22-я Международная Крымская конференция "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии" (КрыМиКо'2012). Севастополь, 10—14 сентября 2012г. Материалы конференции с. 153-154.

5. В.М. Лукашин, А.Б. Пашковский, К.С. Журавлев, А.И. Торо-пов, В.Г. Лапин, Перспективы использования в полевых транзисторах гетероструктур с донорно-акпепторным легированием 23-я Международная Крымская конференция "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии" (КрыМиКо'2013). Севастополь, 8—13 сентября 2013г. Материалы конференции с. 122-123.

6. В.М. Лукашин, А.Б. Пашковский, К.С. Журавлев, А.И. Торо-пов, В.Г. Лапин, Е. И.Голант, А. А Капралова "Особенности электронного транспорта в полевых транзисторах на гетеро-структурах с донорно-акцепторным легированием" 23-я Международная Крымская конференция "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии" (КрыМиКо'2013). Севастополь, 8—13 сентября 2013г. Материалы конференции с. 122-123.

7. К.С. Журавлев, А.К. Бакаров, А.И. Торопов, В.Г. Лапин, В.М. Лукашин, А.Б. Пашковский "Мощные СВЧ-транзисторы типа рНЕМТ" 11 Российская конференция по физике полупроводников Санкт-Петербург, 16-20 сентября 2013г. Тезисы докладов с.71.

8. A.A. Борисов, C.B. Щербаков, В.М. Лукашин, А.Б. Пашковский, В.Г. Лапин, К.С. Журавлев, А.И. Торопов, Перспективы развития полевых транзисторов на гетероструктурах с донорно-акцепторным легированием во ФГУП НПП «ИСТОК». Пульсар - 2013 "Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА" Материалы конференции с. 45 - 48, 24 - 25 октября 2013.

9. В.М. Лукашин, А.Б. Пашковский, В.Г. Лапин, A.A. Капралова, К.И. Петров, Е.И. Голант, К.С. Журавлев, А.И. Торопов Перспективы использования наноструктур с донорно-акцепторным легированием в производстве мощных полевых транзисторах 10 Международная научно-практическая конференция «Нанотехнологии - производству 2014» г. Фрязино Московской обл., 2-4 апреля 2014 Тезисы докладов с. 52-53.

10. В.М. Лукашин, А.Б. Пашковский, В.Г. Лапин, A.A. Капралова, К.И. Петров, Е.И. Голант, К.С. Журавлев, А.И. Торопов Особенности физических процессов в полевых транзисторах на наноструктурах с комбинированным типом легирования 10 Международная научно-практическая конференция «Нанотехнологии - производству 2014» г. Фрязино Московской обл., 2-4 апреля 2014 Тезисы докладов с. 54-55.

11. В.М. Лукашин, А.Б. Пашковский, A.A. Капралова, И.А. Ани-симов "Особенности нелокального разогрева электронов в полевых транзисторах на основе нитрида галлия" Электроника и микроэлектроника СВЧ, Всероссийская конференция, Санкт-Петербург, СПбГЭТУ 2-5 июня 2014 г. Сборник трудов конференции с. 207 -211.

12. В.М. Лукашин, А.Б. Пашковский, К.С. Журавлев, А.И. Торопов, В.Г. Лапин, A.A. Капралова Мощные гетерострук-турные полевые транзисторы, работающие при нулевом смещении на затворе Электроника и микроэлектроника СВЧ, Всероссийская конференция, Санкт-Петербург, СПбГЭТУ 25 июня 2014 г. Сборник трудов конференции с. 111-113.

13. В. МЛукашин, А.Б.Пашковский, К.С.Журавлев, А.И.Торопов, В.Г.Лапин, А.А.Капралова "Мощные гетеро-структурные полевые транзисторы, работающие при нулевом смещении на затворе" 24-я Международная Крымская конференция "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии" (КрыМиКо'2014). Севастополь, 7—13 сентября 2014г. Материалы конференции с. 79-80.

Подписано в печать 17.03.2015 г. Бумага офсетная. Печать цифровая. Формат А4/2. Усл. печ. л. 1. Заказ № 254. Тираж 50 экз. Типография «КОПИЦЕНТР» 1 19234, г. Москва, Ломоносовский пр-т, д. Тел. 8(495)213-88-17 \vw\v.autoreferat 1