СВЧ-приборы и интегральные микросхемы : полевые транзисторы GaAs с затвором в виде барьера Шоттки

№ 1447 

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ 
(ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ) 

Кафедра полупроводниковой электроники и физики полупроводников 

Кольцов Г.И. 

Одобрено методическим 
советом института 

СВЧ-приборы и интегральные микросхемы 
Раздел: Полевые транзисторы GaAs с затвором в виде 

барьера Шоттки 

Учебное пособие 

для студентов специальности 200.200 

Москва 1998 

АННОТАЦИЯ 

В данном пособии излагаются физические основы работы GaAs1ТГБШ, выводятся основные соотношения, характеризующие работу 
этого прибора в статическом режиме и высокочастотном диапазоне, 
приводятся методы оптимизации конструкции GaAs-ПТБШ с целью 
получения заданных характеристик прибора и описываются основные 
этапы конструирования, исходя из требований, которые обычно 
выдвигает заказчик к разработчику полупроводниковых приборов и 
ИС 

Московский государственный 
институт стали и сплавов 
(технологический университет) 
1998 год 

СОДЕРЖАНИЕ 

ВВЕДЕНИЕ 
4 

КОНСТРУКЦИЯ ПТ ИЗ GaAs С БАРЬЕРОМ ШОТТКИ 
6 

ВЫХОДНЫЕ ВОЛЬТ-АМПЕРНЬШ ХАРАКТЕРИСТИКИ 

GaAs -ПТБШ 
13 

Подвижность 
и 
дрейфовая 
скорость 
в 

полупроводниковых материалах 
13 

Уравнение для тока стока в GaAs - ПТБШ 
17 

Вывод ВАХ ПТБШ 
22 

ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПТБШ ИЗ GaAs 
29 

ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ РАСЧЕТ СТАТИЧЕСКИХ И 

ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПТБШ ИЗ GaAs 
32 

КОЭФФИЦИЕНТ ШУМА, КОЭФФИЦИЕНТ УСИЛЕНИЯ ПО 
МОЩНОСТИ, МАКСИМАЛЬНАЯ И ПРЕДЕЛЬНАЯ 
ЧАСТОТА, ВЫХОДНАЯ МОЩНОСТЬ ПТБШ ИЗ GaAs 
36 

МАТРИЦА РАССЕЯНИЯ ИЛИ S-ПАРАМЕТРЫ ПТБШ ИЗ 

GaAs 
41 

УТОЧНЕННЫЙ РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ 

РЕАЛЬНОГО ПТБШ ИЗ GaAs 
44 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 
56 

ЛИТЕРАТУРА 
57 

3 

ВВЕДЕНИЕ 

Создание 
сверхскоростных 
маломощных 
логических 

сверхбольших интегральных схем, а также 
высокочастотных 
малошумящих усилителей выдвигает повышенные требования к 
характеристикам активных приборов Параметры и характеристики 
приборов в свою очередь определяются физическими свойствами 
полупроводниковых материалов из которых их изготавливают 
Основными условиями обеспечения нелинейности и малого времени 
переключения логических элементов ИС является большая крутизна 
прибора, высокая частота и логическая 
амплитуда 
Анализ 
показывает, что в полевых транзисторах указанные свойства 
определяются подвижностью носителей заряда и длиной канала 
Увеличение крутизны пропорционально возрастанию отношения 
подвижности к длине канала Произведение коэффициента усиления 
на рабочую частоту, то есть граничная частота, также растет при 
увеличении 
этого 
отношения, 
с 
дополнительной 
обратной 
зависимостью от длины канала 

Таким образом для увеличения крутизны прибора и его граничной 
частоты вместо кремния целесообразно 
использовать другой 
полупроводниковый материал с более высокой подвижностью 
носителей заряда в проводящем канале Этим обстоятельством и 
обусловлен выбор арсенида галлия в качестве исходного материала 
для создания высокоскоростных ИС и сверхвысокочастотных 
приборов 

Прогресс достигнутый за последние годы в технологии создания 
полевых транзисторов из арсенида галлия с барьером Шоттки 
(ПТБШ) привел к тому, что в диапазоне частот (2-20) ГГц нет 
приборов, выпускаемых промышленностью, которые могли бы 
сравниться с GaAs-ПТБШ по таким параметрам как максимальный 
номинальный коэффициент усиления, коэффициент шума и ширина 
полосы пропускания 

В данном пособии излагаются физические основы работы GaAsПТБШ, выводятся основные соотношения, характеризующие работу 
этого прибора в статическом режиме и высокочастотном диапазоне, 

4 

Кольцов Г И. СВЧ-приборы и интегральные микросхемы 

приводятся методы оптимизации конструкции GaAs-ПТБШ с целью 
получения 
заданных 
характеристик 
прибора 
и 
описываются 

основные этапы конструирования, исходя из требований, которые 
обычно выдвигает заказчик к разработчику полупроводниковых 
приборов и ИС. 

Целью данного пособия является развитие навыков расчета и 
конструирования 
GaAs-ПТБШ 
для 
создания 
реальной 
технологической схемы его изготовления. 

5 

КОНСТРУКЦИЯ ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА из GaAs 
с БАРЬЕРОМ ШОТТКИ 

Исходная структура для создания GaAs-ПТБШ представляет собой 
определенную последовательность эпитаксиальных слоев GaAs, 
выращенных по МОС-гидридной или другой технологии на 
полуизолирующей (ПИ) подложке GaAs (рис. 1). Первый буферный 
слой, выращенный на ПИ GaAs, обычно не легируется и создается 
для защиты основного рабочего слоя от примеси, которая может 
диффундировать из подложки за время роста эпитаксиального слоя. 
Концентрация остаточной примеси в этом слое должна обеспечивать 
концентрацию носителей заряда менее чем 1014см~3. Толщина 
буферного слоя (1,5...2) мкм. Следующим формируется рабочий слой, 
легированный обычно кремнием с концентрацией на уровне No « 
Ы017см~3. При таких концентрациях подвижность электронов 
ци = (3,5...4)-103см2/Вс 

Подконтактный слой n+ GaAs 
с концентрацией носителей 2-Ю18 см 3 

Рабочий слой n'GaAs 
с концентрацией носителей 2-Ю17 см"3 

Буферный слой нелегированного GaAs 
с концентрацией носителей < ЫО14 см'3 

Полуизолирующий GaAs легированный Сг 
с концентрацией носителей <Ы0 1 2 см"3 

Г 

л 

0,25 мк> 

0,3 5-0,5 1 

l,5i-2,5 1 

Рис 1. Пример типичной последовательности эпитаксиальных слоев GaAs, 
предназначенных для изготовления ПТ с БП1 

6 

Кольцов Г И СВЧ-приборы и интегральные микросхемы 

Верхний 
л+-слой 
предназначен 
для 
снижения 
переходного 
сопротивления 
металл-полупроводник 
в 
области 
омического 
контакта 

В табл. 1 представлены характеристики подконтактного и рабочего 
слоев исходной структуры транзистора АП602. 

Таблица 1 

Параметры рабочего (активного) и контактного эпитаксиальных 

слоев GaAs. 

Толщина 

контактного 

слоя (<С), 

мкм 

0,170 
0,2 

Концентрация 
электронов в 
контактном 
слое, см"3 

2,5-1018 

3-Ю18 

Толщина 
активного 
слоя (</„), 

мкм 
0,28 
0,271 

Концентрация 
электронов в 

активном 
слое, см-3 

2,7-1017 

2,95-1017 

Изготовитель 

НИИМЭТ 

ЭЛМА 

Омические контакты к истоку и стоку изготавливаются из золота с 
добавками 
германия 
(Au-Ge) 
или 
теллура 
(Au-Те) 
для 
дополнительного подлегирования подконтактной области и+-слоя 
GaAs 
Для 
оценки 
величины 
контактного 
переходного 
RK 
сопротивления на рис. 2 приведены зависимости Rr от температуры 
перехода и высоты потенциального барьера на «-GaAs с различной 
концентрацией примеси. Высота барьера Шоттки (БШ), созданного 
на GaAs из-за большой концентрации поверхностных состояний 
слабо зависит от работы выхода применяемого металла и лежит в 
пределах фь (0,8 - 0,9)эВ. БШ формируется на активном слое GaAs и 
управляет толщиной канала за счет изменения ширины области 
пространственного 
заряда 
контакта. 
Обычно 
металлом 
для 
выпрямляющих контактов структуры металл-полупроводник (МЕП) 
является 
золото или 
алюминий 
с 
определенными 
добавками 
улучшающими адгезию к поверхности арсенида галлия. 

На рис. 3 схематично изображена топология структуры GaAsПТБШ 
и 
ее поперечное 
сечение, 
а 
на 
рис. 4 
конструкция 
подзатворной части реального ПТ. В дальнейшем для расчета 

7 

Конструкция полевого транчистора из GaAs с барьером Шоттки 

характеристик ПТБШ необходимо задать конструктивные размеры 
транзистора, поэтому на рис. 3 введены следующие обозначения: 
а - толщина активного слоя, 
Ъ - толщина канала под затвором, 
Дш, Lva, L№ - ширина полоски металлизации истока, затвора, стока, 

соответственно, 
Ью, La - расстояния между металлизацией истока и затвора и стока и 

затвора, соответственно. 
Протяженность области пространственного заряда под затвором 
(ОПЗ), при отсутствии напряжения на стоке V„ = 0, определяется 
потенциалом затвора и концентрацией примеси в активном слое: 

K**=№^to7±K)i 
(I) 

где: ЕП - относительная диэлектрическая проницаемость 
полупроводника; 
Е0 - абсолютная диэлектрическая проницаемость; 
No - концентрация доноров в активном слое; 
срк - контактный потенциал; 
V3 - напряжение на затворе. 

В зависимости от соотношения между шириной области 
пространственного заряда и толщиной активного «-слоя, ПТБШ 
могут быть с нормально открытым или нормально закрытым 
каналом. Если при нулевом смещении на затворе, область 
пространственного заряда не полностью перекрывает активный слой 
канала, то ПТ называются нормально открытыми. При работе такого 
транзистора 
на 
затвор 
подается 
отрицательное 
смещение, 
увеличивающее протяженность области пространственного заряда, 
которая перекрывает канал. В этом случае требуется чтобы 
напряжение пробоя выпрямляющего контакта было достаточно 
большим, а обратные токи утечки (определяющие входные шумы 
ПТ), наоборот, малыми. В нормально закрытом ПТБШ, область 
пространственного 
заряда 
перекрывает 
канал 
при 
нулевом 

8 

Кольцов Г И СВЧ-приборы и интегральные микросхемы 

напряжении на затворе и, чтобы приоткрыть канал на затвор 
подается положительный потенциал. 

В нормально открытых транзисторах при подаче потенциала 
между стоком и истоком (положительный на стоке) через активную 
область, не занятую ОПЗ, протекает электрический ток, величина 
которого определяется потенциалами стока V„ и затвора Ул. 
Напряжение на затворе в этих транзисторах порядка (0...0,6) В, 
работают 
они 
в 
режиме 
обогащения, 
и 
применяются 
преимущественно в цифровых микросхемах. 

Проводящий слой канала, в нормально открытом транзисторе 
может быть перекрыт, при V„ = 0, если напряжение на затворе равно: 

К Г ' = Ф К - ! ^ - . 
(2) 

Это напряжение зависит как от уровня легирования канала (ND), 
так и от толщины активного слоя (а). Чтобы изготовить транзисторы 
с 
заданным значением V3me необходимо 
подобрать 
уровень 
легирования и толщину активного слоя. При том же уровне 
легирования можно создать и нормально закрытые транзисторы, но 
тогда необходимо заглубить затвор, уменьшая толщину активного 
слоя под затвором, как изображено на рис. 4. Если в микросхеме 
необходимо иметь два типа ПТ: нормально закрытые и нормально 
открытые, то используют либо селективное- травление, либо 
легирование активных областей с различной концентрацией примеси. 

Для GaAs-ПТБШ обычно приводятся два семейства статических 
характеристик: 1) зависимость постоянного тока стока от постоянного 
напряжения сток-исток при заданном постоянном напряжении 
затвор-исток (выходная характеристика); 2) зависимость постоянного 
тока стока от постоянного напряжения затвор-исток при заданном 
постоянном напряжении сток-исток (передаточная характеристика). 
На рис. 5 приведены передаточные характеристики нормально 
открытого (1) и нормально закрытого (2) полевого транзистора из 
GaAs. 

9 

Конструкция палевого транзистора из OaAs с барьером Ш отпей 

10 
16 _ 

ю8 

о 
а 
о 

10° 

• 
. 
I 
I 
I 
I 
I 

Ю-8 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 

Т, К 

Рис 2. Зависимость переходного сопротивления контакта MeTaim-n-GaAs 
от температуры, концентрации легирующей примеси и высоты 
потенциального барьера. 

10 

Кольцов Г И СВЧ-приборы и интегральные микросхемы 

•у 
л 
/*~ 
' 
* , 
' 
Л 
yi, 
. 

И ?4* ^из 
эе 
9* 
Хмз 

зс - з 
W< опз 

Активный слой л-канала 

А 
St. 

Буферный слой и 

Полуизолирующая подложка 

SfcWNK^liWX^KN^^^ 

Рис. 3. Топология (а) и схематическое изображение поперечного сечения (б) ГГГ с 

EIIIroGaAs 

11