WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 3 Гетероструктурный транзистор на квантовых точках с повышенной максимальной дрейфовой скоростью электронов © В. Мокеров, Ю. Пожела¶, К. Пожела, В. Юцене Институт СВЧ полупроводниковой электроники Российской академии наук, 117105 Москва, Россия Институт физики полупроводников, 01108 Вильнюс, Литва (Получена 21 июня 2005 г. Принята к печати 1 июля 2005 г.) Изготовлен униполярный гетеротранзистор AlGaAs/GaAs/InAs/GaAs/InAs нового типа со слоем квантовых точек InAs непосредственно в канале GaAs. Экспериментально получены высокие значения максимального тока насыщения транзистора до 35 А/см и крутизны до 1300 мСм/мм. Представлена модель, объясняющая особенности вольт-амперной характеристики нового прибора ионизацией квантовых точек сильным полем и десятикратным повышением дрейфовой скорости электронов в структуре со слоем квантовых точек InAs вблизи гетероперехода AlGaAs/GaAs.

PACS: 85.30.Tv, 85.35.Be 1. Введение 2. Транзистор с высоким током насыщения и большой крутизной В работах [1–3] показано, что униполярный транзи(эксперимент) стор с модулированным легированием на базе гетероструктуры AlGaAs/GaAs/InAs/GaAs/InAs со сформироМетодом молекулярно-лучевой эпитаксии выращиваванными квантовыми точками (КТ) в слоях InAs являлась гетероструктура, описанная в [4]. На полуизоется новым типом твердотельного прибора с электрилирующей подложке GaAs (100) выращивался нелеческими характеристиками, принципиально отличными гированный барьерный слой GaAs толщиной 0.5 мкм от характеристик обычного транзистора. Ударная ионии разделенные слоями GaAs (5.6 нм) два слоя InAs зация КТ в канале транзистора приводит к инжекции (1нм), в котором формировались КТ с плотностью в канал электронов проводимости, в результате чего выше 3 · 1010 см-2. Затем выращивались нелегированный электронный канал транзистора на КТ не запирается, спейсерный слой Al0.2Ga0.8As толщиной 10 нм, -легикак в обычном транзисторе, а наоборот, открывается от- рованный слой Si (2.5 · 1012 см-2) и нелегированный рицательным напряжением на затворе. Вольт-амперные барьерный слой Al0.2Ga0.8As толщиной 35 нм. Формирохарактеристики (ВАХ) нового прибора оказываются по- вание гетероструктур завершалось выращиванием неледобными ВАХ вакуумного триода. Это открывает новые гированного слоя GaAs толщиной 10 нм и легированнофункциональные возможности применения прибора. го кремнием (3 · 1018 см-3) контактного слоя n+-GaAs.

Толщина проводящих слоев GaAs между слоями InAs Недостатком прибора является падение низкополевой и гетеропереходом составляла, с учетом размеров КТ, подвижности электронов в канале GaAs при введении 2-3 нм, что, согласно [4], должно обеспечить многократв канал слоя InAs с КТ. Это ухудшает усилительные и ное увеличение дрейфовой скорости насыщения.

высокочастотные характеристики нового прибора.

Ширина квантовой ямы GaAs на уровне нижнего Однако в работе [4] показано, что если слой InAs с энергетического состояния — 15 нм, и оба слоя InAs высоким числом КТ вводится непосредственно в слой оказываются внутри GaAs-ямы. Электроны захватываGaAs вблизи поверхности гетероперехода AlGaAs/GaAs ются в КТ. Измеренная концентрация свободных, не с модулированным легированием, то, несмотря на снизахваченных в КТ, электронов составляла 6 · 1010 см-2.

жение низкополевой подвижности электронов, их макКонцентрация КТ диаметром 20-40 нм и толщиной симальная дрейфовая скорость, соответствующая насы5-7нм была 3 · 1010 см-2.

щению тока в сильных полях, значительно возрастает.

На рис. 1 показана схема транзистора, изготовИспользование такой гетероструктуры позволяет зналенного на базе такой структуры. Экспериментальная чительно улучшить усилительные и высокочастотные структура имела следующие размеры: длина затвора характеристики нового прибора.

Lg = 0.4 мкм, длины участков затвор–исток, затвор–сток В настоящей работе изготовлен гетеротранзистор на lRS = lRD = 1 мкм. Ширина структуры W = 0.4мкм.

базе структуры с высокой дрейфовой скоростью насыНа рис. 2 показаны экспериментально измеренные щения и определены его характеристики, а также предзависимости тока стока, ID, от напряжения на стоке, ложена модель, объясняющая ВАХ прибора с учетом VD, при различных значениях напряжений на затворе, эффекта повышения дрейфовой скорости насыщения.

VG. Это типичные характеристики транзистора с КТ в ¶ E-mail: pozela@spi.pfi.lt канале, обусловленные ионизацией КТ [2,3]. Наблюда368 В. Мокеров, Ю. Пожела, К. Пожела, В. Юцене ложительной дифференциальной проводимости канала:

dID/dVD -dID/dVg. (1) Крутизна максимальна в средней части переходной области. В области верхней и нижней ступенек крутизна Рис. 1. Схема транзистора с КТ на базе гетероструктуры n+-GaAs/AlGaAs/GaAs/InAs/GaAs/InAs/GaAs. RS и RD — по- резко падает.

следовательные сопротивления исток–затвор и затвор–сток.

3. Вольт-амперные характеристики и крутизна транзистора с квантовыми точками (модель) Ток стока полевого транзистора при малых значениях напряжений сток–исток, VD, равен ID = 0C(VgVD - VD/2), (2) где C — удельная емкость затвора, Vg = VG + VT, VG — напряжение на затворе, VT — напряжение отсечки, µ0W 0 = 0. (3) Lg Здесь µ0 — подвижность электронов, W — ширина и Lg —длина затвора, 0 = 1 - nd/ns, (4) Рис. 2. Экспериментальные зависимости тока стока ID от где ns — полное число электронов в канале транзистора, напряжения стока VD транзистора с КТ при различных напряиз них nd электронов захвачены на КТ и не участвуют жениях затвора. Шаг изменения VG равен 0.5 В.

в проводимости. Множитель 0 определяет основное отличие характеристик транзистора с КТ от обычного полевого транзистора.

Определим FC как пороговое электрическое поле для ется двухступенчатый рост тока стока. Первая ступеньударной ионизации КТ. Положим, что при величине ка соответствует открытию канала вследствие ударной поля F FC все захваченные на КТ электроны освоионизации КТ в сильном поле, а вторая ступенька — бождаются и участвуют в проводимости. Это означает завершению ионизации КТ и насыщению дрейфовой 0 = 1 при F FC. Пороговый ток стока, при котоскорости электрона. В переходной между ступеньками ром электрическое поле в канале в области своего области характеристики ID(VD) сдвинуты по шкале максимального значения у края затвора вблизи стока напряжений одна относительно другой на величину достигает пороговой величины разности напряжений на затворе VG.

Экспериментально наблюдаемый ток в области, близd = FC, (5) кой к насыщению, составляет 1.45 мА при VG = -2В dx Lg (рис. 2). Это означает, что плотность тока насыщения на единицу ширины затвора достигает необычно высогде — потенциал вдоль канала под затвором, равен [5] кого значения — 3.5 А/см. Этому значению тока соответствует произведение концентрации электронов на IDC1 = 0LgFC FC L2 + Vg - FCLg. (6) g их скорость ns0vS 2.2 · 1020 см-1 · с-1. Концентрация носителей в канале ns0 не превышает концентрации Соответствующее пороговое напряжение сток–исток легирующей примеси (2.5 · 1012 см-2), и для объяснения равно высокого значения тока стока следует предположить VgC = Vg + FCLg - FC L2 + Vg. (7) g десятикратное увеличение скорости насыщения по сравнению с дрейфовой скоростью насыщения в объемном Величине IDC1 соответствует не насыщение тока, а GaAs, как это наблюдалось в [4].

напротив, начало роста тока вследствие ионизации КТ.

Крутизна транзистора в переходной области достигает В результате ионизации КТ ток ID растет до значеgm = 1300 мСм/мм при VD = 4В, VG = -1В.

ния IDC2, которому соответствует 0 = 1:

Примечательно, что крутизна транзистора отрица-тельна и по своей абсолютной величине близка к по- IDC2 = IDC1 0. (8) Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Гетероструктурный транзистор на квантовых точках с повышенной максимальной дрейфовой... Крутизна транзистора в области после ионизации КТ, В рассматриваемой гетероструктуре C 10-7 А · c · В-1 · см-2, и благодаря высокой -Wgm2 = dIDC2/dVg = 0 0LgFCVg FC L2 + Vg, скорости насыщения (vS 108 см/с) крутизна может g достигать огромного значения — gm 104 мСм/мм.

достигает величины крутизны обычного транзистора без Это важнейшее преимущество транзистора с КТ с КТ в канале. Однако в переходной области от IDC1 повышенной дрейфовой скоростью по сравнению с до IDC2, где происходит ионизация КТ, крутизна опреде- другими видами полевых транзисторов.

ляется скоростью ионизации, которая экспоненциально С учетом последовательных сопротивлений сток– растет с ростом поля выше критического FC. Характе- затвор, RD, и затвор–исток, RS (рис. 1), пороговое ризуя рост тока стока вследствие ударной ионизации КТ напряжение стока, при котором начинается ионизация при VD > VgC параметром КТ и выполняется условие (5), равно = dID/dVD, (9) VDC1 = VgC - IDC1(RS + RD). (18) который может достигать больших значений, получаем Соответствующий пороговый ток равен [5] для крутизны IDC1 = 0LgFC FC L2 +(Vg - IDC1RS)2 - FCLg. (19) g Vg dID/dVg = - 1 - (10) Далее будем полагать RS RD -1. Тогда ток IDC2 Vg + FC Lg можно выразить в виде [6] в узком интервале напряжений стока (FCLg)IDC2 = 1 - 2R2(FCLg)VgC < VD < VgC +(IDC2 - IDC1) -1. (11) S 1/Крутизна отрицательна и из-за больших значений 1 + 2RSVg + Vg /(FCLg)2 - (1 + RSVg), (20) может значительно превышать крутизну обычного транзистора. Отрицательное значение крутизны означает где = µ0WC/Lg.

отпирание электронного канала транзистора отрицательПороговое напряжение для тока IDC2 соответственно ным напряжением на затворе.

равно При увеличении напряжения стока, VDC2 = VgS + IDC2(RS + RD). (21) Ток стока в области перехода от уровня начала иониVD > VgC + IDC2 -1, (12) зации КТ IDC1 до их полной ионизации IDC2 можно, ток стока растет. Этот рост тока ограничивается насыполагая VgS неизменным, аппроксимировать как щением дрейфовой скорости электронов. Зависимость VD - VgS дрейфовой скорости электронов от поля F аппроксимиID = при IDC1 < ID < IDC2. (22) RS + RD руем как vdr = µ0F, F < FS, Крутизна транзистора отрицательна в относительно широкой области напряжений стока:

vdr = vS, F FS, (13) где vS — скорость насыщения, FS — пороговое поле, Vg/ Vg + FC L2 - g при котором дрейфовая скорость насыщается. gm = при VDC1 < VD < VDC2. (23) (RS + RD)W Ток стока, при котором поле под затвором в области своего максимального значения достигает порогового При увеличении тока стока в канале под затвором значения FS, соответствующего насыщению дрейфовой формируется сильное поле, достаточное для насыщения скорости, дрейфовой скорости. Условие (14) выполняется при d пороговом напряжении насыщения = FS, (14) dx Lg S VD = VgS + IS (RS + RD), (24) D равен IS = CW (Vg - VgS) vS. (15) D где VgS определено выражением (16).

Пороговое напряжение насыщения тока стока равно [5] Ток насыщения [5,6] равен 2 (1 + 2RSVg + Vg /V0 )1/2 - (1 + RSVg) VgS = Vg + FSLg - Vg + FS2L2. (16) g IS = V0, (25) D 1 - 2R2VS Крутизна характеристики транзистора в области насыгде V0 = vSLg/µ0. Ток IS в отличие от порогового D щения тока определяется скоростью насыщения:

тока ионизации КТ IDC1 (19) не изменяется с ростом gm = C vs. (17) напряжения на стоке VD.

8 Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 370 В. Мокеров, Ю. Пожела, К. Пожела, В. Юцене Согласно (25), при RS 1 ток насыщения и крутиз- равен IS = 0.7 мА, что также в 2 раза ниже эксперименD ну можно аппроксимировать как тальной величины 1.4 мА. Поэтому для совпадения расчетов с экспериментом следует принять в 2 раза больVg шее значение для скорости насыщения vS = 2 · 108 см/с.

IS и gm. (26) D RS RSW Таким образом, сравнение рассчитанных данных с экспериментальными подтверждает наличие высокой дрейСоответственно при RS 1 имеем (15) и (17).

фовой скорости насыщения в канале транзистора на КТ.

Как видим, крутизна транзистора на КТ определяется величиной последовательного сопротивления RS.

Сопротивление участка канала между затвором и 4. Заключение истоком при малых токах равно lRS Показано, что введение барьера InAs с КТ непоRS =, (27) eWRµ0nsR0R средственно в канал гетероструктурного транзистора AlGaAs/GaAs с модулированным легированием позвогде индекс R в 0R, nsR, WR относится к величинам 0, ns, ляет многократно повысить максимальный ток стока и W в канале на отрезке исток–затвор и lRS — длина этого крутизну транзистора на КТ благодаря росту максимальотрезка. Для получения высокой крутизны необходимо ной дрейфовой скорости электронов до 108 см/с. Эксвыполнить условие периментально получена крутизна gm = 1300 мСм/мм и lRS максимальный ток насыщения до 35 А/см.

RS = 1. (28) Расчетная максимальная крутизна транзистора с КТ LgVT с повышенной дрейфовой скоростью электронов достиЗдесь принято VT =(e/C)nsR.

гает 104 мСм/мм. В силу этого новый транзистор с Выполнение неравенства (28) затруднительно из-за КТ имеет существенные преимущества перед обычным захвата электронов на КТ в канале RS: 0 1. При токе полевым транзистором.

Транзистор на КТ открывает новый путь повышения IDRS FClRS (29) быстродействия и коэффициента усиления полупроводпроисходит ионизация КТ в канале RS. В результате 0 никовых приборов в области сотен ГГц не за счет использования предельных возможностей субмикрометрастет до единицы. Уменьшение RS приводит к росту ровой литографии, а за счет использования двух физичедифференциальной проводимости канала и крутизны ских факторов: безынерционной ударной ионизации КТ в прибора. Если при этом выполняется неравенство (28), крутизна достигает своего максимального значения (17). сильном электрическом поле и радикального повышения Однако ток стока через RS может расти лишь до дрейфовой скорости насыщения электронов в канале максимального значения транзистора.

Imax = ensR vS WR. (30) DСписок литературы Максимальный ток через RS уже не регулируется напряжением на затворе.

[1] В.Г. Мокеров, Ю.В. Федоров, Л.Е. Велиховский, М.Ю. ЩерРассмотренная модель объясняет основные особакова. Докл. РАН, 375, 754 (2000). [V.G. Mokerov, бенности экспериментально наблюдаемой зависимости Yu.V. Fedorov, L.E. Velikhovskii, M.Yu. Scherbakova. Dokl.

ID(VD) (рис. 2). Модель описывает эксперименталь- Phys., 45, 649 (2000)].

ные характеристики в области, где происходит удар- [2] V.G. Mokerov, Yu.V. Fedorov, L.E. Velikhovskii, M.Yu. Scherbakova. Nanotechnology, 12, 552 (2001).

ная ионизация КТ при следующих параметрах гетеро[3] В.Г. Мокеров, Ю.К. Пожела, Ю.В. Федоров. ФТП, 37, структуры: C 5 · 10-8 А · с · B-1 · см-2, ns 1012 см-2, 1248 (2003). [V.G. Mokerov, Yu.K. Pozela, Yu.V. Fedorov.

µ0 = 103 см2/В · с, 0 = 10-1, FCLg = 1.5В. В согласии Semiconductors, 37, 1217 (2003)].

с экспериментом при VG = 0 и -2 В получаем соот[4] Ю.К. Пожела, В.Г. Мокеров. ФТП, 40, 362 (2006).

ветственно VgS = 1.2 и 0.8 В, IDC1 = 0.18 и 0.05 мА, [5] D. Delagebeaudeuf, N.T. Linh. IEEE Trans. Electron. Dev., VDC1 = 3 и 1.1 В, gm(VDC2) =240 и 920 мСм/мм.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.