2 Полевые гетеротранзисторы с затвором Шоттки

Преодолеть это противоречие удалось лишь на "наноэлектронном" этапе развития, используя гетероэпитаксиальные слои, о которых речь уже шла в "От микроэлектронной технологии к наноэлектронной" . Одна из возможных структур полевого гетеротранзистора с затвором Шоттки (ПГТЗШ) показана на рисунке 4 слева. На подложке из высокоомного арсенида галлия () эпитаксиально выращен тонкий (~2-3 нм) слой высокоомного  (1), а затем – значительно более толстый (~25-60 нм) слой  (2) -типа проводимости. Над ним сформирован золотой электрод затвора (З), и с помощью ионного легирования созданы низкоомные "карманы" () – области истока и стока. Над ними сформированы металлические омические контакты к "карманам", которые служат одновременно внешними выводами истока (И) и стока (С).

Рисунок 4 - Слева – структура ПГТЗШ. Справа – энергетическая диаграмма вдоль вертикали. Объяснения – в тексте

Энергетическая диаграмма образовавшейся структуры показана на рисунке 4 справа. Вдоль вертикали отложена потенциальная энергия электронов , вдоль горизонтали – координата в направлении от металлического электрода (М) вниз. Область  - типа проводимости обозначена цифрой (2), слой высокоомного  – цифрой 1, а дальше идет высокоомный арсенид галлия (). Через  и  обозначены уровни Ферми для электронов в металле и в полупроводнике; через  и  – "потолок" валентной зоны и "дно" зоны проводимости. Цифрой 3 обозначено положение донорных уровней в .

Полупроводники  и  имеют очень близкие постоянные кристаллической решетки (0,5654 нм и 0,5661 нм соответственно), и поэтому легко допускают эпитаксиальное наращивание. На границе слоев концентрация дефектов и поверхностных состояний достаточно мала. В кристаллах смешанного состава  с молярной долей алюминия () плавно возрастает ширина запрещенной зоны – от 1,42 эВ при  до 1,92 эВ при .

В прилегающей к металлу области полупроводника (а это как раз эпитаксиальный слой ) возникает барьер Шоттки и формируется область обеднения (Об) на всю толщину эпитаксиального слоя. Из-за того, что ширина запрещенной зоны в арсениде галлия меньше, на гетеропереходе наблюдаются существенные смещения и изгиб энергетических зон. В зоне проводимости возникает потенциальная яма 4 для электронов. В эту потенциальную яму и переходит значительная часть электронов с донорных уровней 3. В "Качественные изменения свойств при переходе к наноразмерным элементам " мы уже отмечали, что электроны проводимости в арсениде галлия, эффективная масса которых , при комнатной температуре имеют длину волны де Бройля  нм. Потенциальная яма 4 имеет меньшую толщину, и поэтому в ней наблюдаются описанные в "Качественные изменения свойств при переходе к наноразмерным элементам " качественные изменения. В частности образуется квантовая плоскость, и электроны проводимости здесь становятся "двумерным электронным газом". Их подвижность очень высока, так как в высокоомном (высокочистом) арсениде галлия примесей очень мало, а от эпитаксиального слоя  со значительной концентрацией примесных атомов двумерный электронный газ отделен не легированным слоем . Этот слой нужен потому, что в случае треугольной формы потенциальной ямы, которая создается в данном случае, волновая функцияэлектронов двумерного газа, как мы отмечали в "Качественные изменения свойств при переходе к наноразмерным элементам " , выходит за пределы квантовой плоскости. И если бы высокоомного слоя  не было, электроны, которые находятся в канале, интенсивно рассеивались бы на примесях в соседнем слое , и время пролета их сквозь канал существенно бы возросло.

Энергетическая диаграмма на рисунке 4 справа показана для случая, когда напряжение на затворе превышает пороговый уровень. Поэтому уровень Ферми в полупроводнике расположен выше уровня Ферми для электронов в металле и выше "дна" потенциальной ямы 4. При напряжении на затворе ниже порогового уровня в потенциальной яме 4 электронов практически нет, и поэтому электрический ток сквозь транзистор не течет. При напряжении на затворе еще выше, чем показано на энергетической диаграмме, уровень Ферми располагается в потенциальной яме 4 тоже выше, концентрация электронов там значительно возрастает, и сквозьтранзистор течет значительно больший электрический ток. Укажем кстати, что пороговый уровень напряжения на затворе гетеротранзистора можно в довольно широких пределах изменять, варьируя толщину эпитаксиального слоя .

Таким образом, в ПГТЗШ на "наноэлектронном" этапе развития удалось достичь того, что не удавалось на "микроэлектронном" этапе в ПТЗШ: обеспечить высокую электропроводность канала транзистора при сохранении малого времени пролета носителей электрического заряда сквозь канал и, следовательно, – высокого быстродействия. Благодаря этому предельная частота ПГТЗШ при тех же проектно-технологических нормах 100 – 200 нм выросла до 80–120 ГГц, и появилась перспектива ее дальнейшего значительного роста при уменьшении проектно-технологических норм. При норме 20 нм, например, достигнута предельная частота около 600 ГГц.

В англоязычной литературе ПГТЗШ чаще всего называют HEMT (High electron mobility transistor). Применяют также названия HFET (heterostructure FET) или MODFET (modulation-doped FET).

Для формирования ПГТЗШ используют не только описанную пару полупроводников  и , но и такие гетероструктуры полупроводников группы , как s и ,  и ,  и  и др. Преимущества названных гетеропар обусловлены тем, что подвижность электронов проводимости в  (3,3 м²/(В*с)), как мы уже отмечали, еще почти в 4 раза выше, чем в . Благодаря этому удается достичь при комнатных температурах предельной частоты транзистора порядка нескольких терагерц (10¹² Гц). Такие ПГТЗШ имеют также на порядок меньшие собственные шумы. Правда, ширина запрещенной зоны в таких гетероструктурах существенно меньше, чем в , и поэтому рабочий диапазон температур заметно yже. Транзисторы на таких гетероструктурах работают, как правило, при низких температурах, а также при более низких рабочих напряжениях, что уменьшает их стойкость против электромагнитных помех.

Принцип построения логических схем на ПГТЗШ такой же, как и принцип построения логических схем на ПТЗШ. Однако удалось достичь существенно более высокого быстродействия. С использованием пары полупроводников  и  в 2008 г. уже выпускались логические интегральные схемы на ПГТЗШ со временем задержки 5 пс на вентиль.

Для применений в системах связи и в радиолокации часто необходимо достигать высокой мощности сигналов на сверхвысоких частотах. Для этих применений преимущества имеют гетероструктуры с большей шириной запрещенной зоны энергий, такие как  и  и  и . Энергетическая диаграмма и структура таких транзисторов подобны показанным на рис. 8.4, только вместо основы из полуизолирующего арсенида галлия используется основа из полуизолирующего нитрида галлия с шириной запрещенной зоны приблизительно 3,4 эВ. Вместо  на основу из  эпитаксиально наращивают тонкий (~2-3 нм) слой высокоомного  (1), а потом – намного более толстый (~25-60 нм) слой  (2) п-типа проводимости. Во втором варианте это . Как , так и  имеют ширину запрещенной зоны порядка 4 эВ – значительно больше, чем в .

В обоих вариантах полупроводников электроны проводимости переходят в потенциальную яму 4 не только благодаря электростатическому полю барьера Шоттки. Из-за некоторого расхождения периодов кристаллической решетки в области гетероперехода возникает механическая напряженность. А все названные кристаллы являются пьезоэлектриками. И механическая напряженность сопровождается достаточно сильным пьезоэлектрическим полем, которое дополнительно стимулирует переход электронов проводимости в потенциальную яму. Благодаря этому концентрация электронов в двумерном электронном газе достигает здесь значений свыше 10¹⁷ м^-2. Значительная ширина запрещенной зоны энергий позволяет полевым гетеротранзисторам на нитриде галлия при соответствующем формировании их конструкции работать с довольно высокими напряжениями между стоком и истоком – до значений порядка 100 В. И на частотах в десятки гигагерц достигаются рекордные значения удельной выходной мощности, рассчитываемой на единицу ширины затвора, – порядка 100 Вт/мм. Ширина запрещенной зоны  3,4 эВ позволяет транзисторам нормально функционировать в принципе при температурах до 500-600.