Új tranzisztorok D R . V A L K Ő IVÁN P É T E R B M E Elektronikus Eszközök Tanszék
ÖSSZEFOGLALÁS A cikk új, nagysebességű tranzisztorok egy fajtáját ismerteti. Az alapanyag galliumarzenid, amelyben az elektronok mozgékonysága jóval nagyobb, mint szilíciumban. E z t már korábban is kihasználtak mikrohullámú GaAs térvezérlésű tranzisztorokban. Nem adalékolt anyagban még nagyobb a mozgékonyság, de kevés a mozgásképes elektron. Vékony réteggel megfelelően kialakított heteroátmenet azonban elektronban feldúsult csatornát hoz létre a nem adalékolt GaAs felületén. Az elektronok potenciálvölgyben vannak, csak az átmenettel párhuzamos síkban mozoghatnak. Ezen az elven a MOS tranzisztorokhoz hasonló működésű diszkrét eszközöket és integrált áramköröket alakítanak ki, amelyek különösen 77 K hőmérsékletre lehűtve igen gyors működésre képesek. Heteroátmenettel egyéb érde kes kísérleti eszközök is készülnek.
Nagy sebességigény V o l t egy időszak — a 70-es évek elején — amikor úgy t ű n t , hogy a tranzisztor rohamos fejlődése á t megy a beérésbe. Valahogy úgy, mint a vevőcső pályája az 1930-as é v t i z e d b e n : a jellegzetes típusok kialakulnak, az alaptechnológiák szintén. K ö v e t k e zik a finom részletek a p r ó m u n k á j a . A nagy változá sok pedig á t h ú z ó d n a k az elektronika szomszédos területeire. Az újabb évtized, a 80-as, a z u t á n rácáfolt erre a hitre. Megint felgyorsult az i r a m ; egyre-másra j ö t t e k a közlemények új tranzisztorfajtákról. Hogy a félvezető fizikában még lappangtak k i nem h a s z n á l t lehetőségek, az természetes. Hogy a tech nológia folytonos tökéletesedésével ezek elérhetőbbek lettek, az is é r t h e t ő . De persze ez nem lett volná ele gendő, ha nem lép fel a gazdaság részéről is egy új ösztökélő igény. Ez az igény a k o r á b b i a k n á l gyor sabb eszközöket sürgetett, részben mint kapcsolókat, részben mint m i k r o h u l l á m ú erősítőket. A komputerek sebessége, amit a ciklusidővel, az egy egyszerű részműveletre j u t ó átlagos idővel szo kás kifejezni, eleinte nagyon gyorsan fejlődött. E l j u t o t t odáig, hogy egyes csúcstípusok — például a Cray 1 — m á r m á s o d p e r c e n k é n t egymás u t á n 100 millió műveletet voltak képesek végezni. É s ha akad tak is feladatok, p l . a meteorológiában, amelyekhez ez sem volt elegendő — k í n á l k o z o t t m á s megoldás. Ez volt az új felépítési rendszer: t ö b b p á r h u z a m o s a n dolgozó, de egymással k o m m u n i k á l ó logikai egység, amely egyszerre foglalkozik egy nagyobb probléma egyes részfeladataival. Amióta azonban a „ s z u p e r k o m p u t e r " az emberi észjáráshoz a l k a l m a z k o d ó , a bonyolult folyamatokat „valódi időben" á t t e k i n t h e t ő számítógép lett az új célkitűzés, m á r a Cray ciklusideje sem elég rövid. A fejlesztők legalább egy nagyságrenddel t o v á b b szeretnének j u t n i . Beérkezett: 1985. I V . 3. ( A ) Híradástechnika
XXXVI.
évfolyam
1985. 9. szám
DR. IVÁN
VALKÓ PÉTER
1935-ben Stuttgartban szerzett fizikusmérnöki oklevelet. 1952-ben a mű szaki tudományok kandi dátusa, 1963-ban a mű szaki tudományok dok tora, 1979-ben a Drezdai Műszaki Egyetem tisz teletbeli mérnök-doktora lett. 1936-1949 között az Egyesült Izzó Kutatólabo ratóriumában, 1949— 1952 között a Távközlési Kutató Intézetben dolgo zott. Részt vett az Állami Műszaki Főiskola meg alapításában és vezette annak Híradástechnikai Tagozatát. 1952-től 1982-ig a BME oktatója volt, előbb
a Vezetéknélküli Híradás technikai Tanszék docen se, majd 1957—1977 kö zött az Elektronikus Esz közök (régebben Elekt roncsövek és félvezetők) Tanszék vezetője. 1963ban lett egyetemi tanár. 1953-1972 között a Hír adástechnikai Ipari Ku tató Intézet elektronikus laboratóriumát is vezette. Előbb akusztikával, majd elektroncsövekkel, később félvezető eszközök kel és integrált áramkö rökkel foglalkozott, szá mos publikációja és öt szakkönyve jelent meg. Jelenleg az MTA Vá-\ kuumtechnikai és Elektro nikus Eszközök Bizottsá gának elnöke.
M i t is jelent ez? A gép m ű k ö d é s é t a ciklusidővel jellemzik, az elemi eszköz, a tranzisztor (vagy tran zisztorpár) m ű k ö d é s é t pedig a be- és kikapcsolási tranziens idővel, illetve az ezek á t l a g á n a k nagyjából megfelelő „terjedési késéssel". A k é t fogalom k ö z ö t t nincs teljes korreláció: egyik különböző egyedi ese ménysorozatokból k é p z e t t statisztikus átlag, a másik fizikai összefüggésekből és anyagi-geometriai jellem zőkből k ö v e t k e z i k . A gyakorlat mégis ad valami fo g ó d z ó t : úgy t ű n i k , a terjedési késés minimális elér h e t ő értéke közel k é t nagyságrenddel kisebb, mint a megfelelő kapcsolóelemeket alkalmazó és megfelelő felépítésű gép ciklusideje. Eszerint a számítástech nika új igénye olyan tranzisztor, amely a kapcsolás m ű v e l e t é t 10 ps ( 1 0 másodperc) nagyságrendben teljesíti. Változás k ö v e t k e z e t t be a m i k r o h u l l á m ú t e c h n i k á ban is. A m i k r o h u l l á m ú összeköttetések „ k l a s s z i k u s " korszaka elsősorban a 2—6 G H z frekvenciatarto m á n y t h a s z n á l t a fel, mellette árnyékéletét élte a 10—15 GHz-es t a r t o m á n y . Az ennél nagyobb frek venciák m á s területen (pl. magfizika) k e r ü l t e k alkal m a z á s r a . A m i n t azonban az u t ó b b i években a t á v közlési m ű h o l d a k fejlődésével aktuálissá v á l t a m ű holdas műsorszórás, fellángolt az érdeklődés a 30 GHz-nél is nagyobb, milliméteres sáv iránt, t a l á n 80 GHz-ig. A k é t t e r ü l e t igénye t e h á t hasonló. K o n s t r u k c i ó b a n azonban jelentős az eltérés a k é t féle alkalmazástól függően. Ennek az egyik oka az, hogy a töltéstárolási jelenségek egészen m á s fontos- 1 1
385
ságúak a digitális logika nagyjelű áramköreiben, mint a m i k r o h u l l á m ú gyakorlat kisjelű analóg köreiben. A másik ok az, hogy a digitális logikai eszközök fej lődésének lényegében az integrálás lendülete szabott i r á n y t . Ezen a fronton a szilícium szinte napjainkig egyeduralkodó maradt. Váltakozó hadiszerencsével folyt a bipoláris és térvezérlésű MOS tranzisztorok harca. Bipoláris tranzisztorokkal gyorsabb kapcsoló á r a m körök a l a k í t h a t ó k k i ; különösen E C L megoldásban, amely elkerüli a telítéses ü z e m m ó d o t (amikor a tran zisztorban m i n d k é t á t m e n e t nyitott). E C L köröket tartalmaz a CRAY 1 is. A MOS köröknek viszont kisebb a fogyasztásuk, ami ugyancsak fontos szem pont. I t t a p á l m á t a CMOS t r a n z i s z t o r p á r viszi. A k é t szempont — sebesség és fogyasztás — egy idejű értékelésére szokták használni a terjedési késés és veszteségi teljesítmény szorzatát, a kapcsolási energiát. É r t é k e ma pj (10~ joule) és f j ( 1 0 joule) nagyságrendek k ö z ö t t t a l á l h a t ó . 12
-15
Elektronok a gallium-arzenidben A m i k r o h u l l á m ú technika k o r á b b a n nem elégedett meg a szilícium tranzisztor n y ú j t o t t a lehetőségekkel. K o r á n t é r t á t ugyan — b á r nem teljes m é r t é k b e n — a csőről a szilárdtest eszközökre, de sokáig főleg különböző kétpólusokat használt. Egyik nevezetes eszköze lett a Gunn-oszcillátor. T a l á n ez i r á n y í t o t t a a m i k r o h u l l á m ú világ figyelmét á l t a l á b a n a galliumarzenid (GaAs) felé. Röviden emlékeztetünk a Gunn-oszcillátor alapját képező jelenség lényegére. Egyszerű k ö r ü l m é n y e k k ö z ö t t GaAs-ben a szabad elektronok effektív tömege kicsi és mozgékonysága nagy, ha azonban kellően nagy energiát vehetnek fel, egy részük nagyobb effektív tömegű, kisebb mozgékonyságú állapotba lép á t . Az átlépésnek csak bizonyos kritikus térerős ség (E .m3,2 kV/cm) fölött van s z á m o t t e v ő való színűsége. Ez az állapotváltozás instabilitást okoz hat az elektronok térbeli eloszlásában. Ez pedig á r a m körileg a minta negatív ellenállásaként jelenhet meg. krit
Mindezt a jól ismert elektronsebesség—térerősség görbéről lehet leolvasni (1. ábra). E z t azonban úgy kell t e k i n t e n ü n k , hogy a különböző elektronoknak a szóródások által k i a l a k í t o t t átlagos sebességére vo natkozik. A görbe első szakaszának nagy mozgékony sága (fj.%8500 Vs/cm ) csak igen tiszta anyagra vonatkozik, amelyben az adalék koncentrációja 10 a t o m / c m - n é l kisebb. Már 1 0 / c m adalékolás lecsökkenti a mozgékonyságot, a t i s z t á b b anyagban viszont a hőmérséklet erős csökkentése a mozgékony ság jelentős növekedését idézi elő. Figyelembe k e l l azonban v e n n ü n k , hogy a görbe a fizikai folyamatok eredményeként adódó egyen súlyi állapotokat adja vissza és ezek kialakulásához bizonyos relaxációs idő (néhány tized ps) szükséges. Ha az eszköz méretei m i a t t még ez az idő sem áll rendelkezésre, túllövésszerű sebességértékek lépnek fel, amelyek i t t nagyobbak, mint a szilícium eseté ben. A teljesség érdekében beszéljünk arról az esetről is, amikor a térerősség egészen rövid szakaszon, igen rövid futási idő alatt h a t á s o s . — Ilyenkor az elektro nok részben elkerülik a szóródást, sebességük ballisz tikus lesz, nagyobb értékű, mintha a mozgékonyság ból a d ó d n a . Az anyag sávszerkezete természetesen m i n d e n k é p p e n h a t á r t szab a sebességnek. A kvantum mechanika szerint 2
15
3
16
í v =H
3
dW(k) dk
(1)
ahol W(k) az elektronenergia és a k hullámszám kap csolatát megadó diszperziós összefüggés, k=pfr, p az impulzus és 2jth=h (Planck-állandó) [1]. A GaAs sávszerkezetéből v maximális értéke körül belül 1 X 1 0 cm/s-ra adódik, de ez a gyakorlati körül m é n y e k k ö z ö t t el nem érhető érték. I t t jegyezzük meg, hogy a termikus sebesség szobahőmérsékleten (sőt még 77 K hőmérsékleten is) jóval nagyobb, mint a szilíciumban kiadódó 10 cm/s érték. Kérdés, hogy m i az összefüggés az elektronsebes ség és az eszközök sebessége között. A térvezérlésű tranzisztorokban az egységnyi áramerősítésnek megfelelő f frekvenciahatár akkor áll be [2], ha a nyelő á r a m á b a n fellépő í kimenőjel és a vezérlő elektróda által felvett, lényegében kapacitív i j e l abszolút értéke egyenlő: 8
7
1
D
1 ... mm
y
.j
p.
" / \
,
(
,
(
1
1—T
1
T
a
A
(2)
GS\ I D| = \9m Uas\ = | / o > i Q u, 1
/
Y
-
i t t g meredekség, C lényegében a vezérlő elektróda és az á r a m p á l y a (csatorna) közötti k a p a c i t á s . (2)-ből coj—2jif m i a t t m
a
l
/ /
""""' /
B
7
/ /'
/ r
, 1
2
„
-
-
1
1
1
4
6
8 10 12 V, 16 18 2 0 22
l
1
1
1
TÉRERŐSSÉG (KV/cm)
'
'
1
1
Tf,
1
1
26 2 8 30
H59-1
1. ábra. Elektronsebesség nagy tisztaságú gallium-arzenidben a térerősség függvényében, szobahőmérsékleten. Összehason lításul a szaggatott görbe mutatja a nagy tisztaságú szilícium viszonyait
386
\_ di /du
2/JlCr,
D
2n
as
dQ/dU
GS
'2TT
(3)
dQ
Ha feltételezzük, hogy a töltéshordozók v átlagos e
sebességgel haladnak keresztül az L hosszúságú csa t o r n á n , t e h á t Q = ^^-,
akkor a MOS tranzisztorok
elméletéből jól ismert ~<
h
Híradástechnika
Ti
XXXVI.
2ji
L
(4)
évfolyam 1985. 9. szám
közelítő összefüggésre j u t u n k , mely azonban kissé optimista becslést ad, mert a m e l l é k h a t á s o k a t — pél dául a vezérlő elektróda és nyelő közti k a p a c i t á s t , a forrás, illetve nyelő kontaktus ellenállását és az á r a m p á l y á n a k a vezérlő elektróda által nem takart folytatását — nem veszi figyelembe. Digitális, lényegében nagyjelű alkalmazások ese tében is szokás (4) összefüggés szerint a futási időből kiindulni:
H59-2 és ezt tekintik a terjedési késés minimális értékének. Ez az okoskodás azonban helytelen, mert az analóg esetben a meredekség munkaponti értékével számo lunk és természetesen C is munkaponti kisjelű para méter. A nagyjelű kapcsolási késésben a meredekség helyébe a teljes áramváltozás és feszültségváltozás G hányadosa lép, C k a p a c i t á s helyébe a csatorná ban levő és a feszültség v á l t o z t a t á s á v a l e l t ü n t e t h e t ő töltés és a feszültségváltozás C viszonya; de ez még kiegészül a parazita k a p a c i t á s o k k a l : m
(6) Az így m e g h a t á r o z o t t t érték egy 2...5 tényezővel nagyobb (5)-nél. De ez sem elég, mert az integrált chipen figyelembe kell venni az összeköttetés okozta késést is, ami a terjedési késés többszöröse is lehet, az integrálás mértékétől és a technológia méretfinom ságától függően [3]. d
A gallium-arzenid MESFET Az előző megfontolások eredetileg azért terelték a figyelmet a GaAs-re, mert abban a mozgékonyság ötször akkora, mint a szilíciumban. Tudjuk, ennek csak kis térerősségnél van jelentősége. Ma lényege sebbnek tartjuk, hogy a sebességtúllövés m i a t t egy kisméretű GaAs eszközben nagy térerősség mellett egy adott töltésmennyiség sokkal gyorsabban szál lítható, mint szilícium eszközben. (Ez természetesen elektronvezetésre vonatkozik; a lyukak sebessége GaAs-ben csekély.) Világos t e h á t a GaAs tranzisztor előnye. A GaAs technológiája azonban sokkal nehezebb. K é t összetevőből kell előállítani, bonyolult a tisztí tása, nincs Si0 -hoz hasonló p o m p á s a n passziváló oxidja stb. Sokáig úgy l á t s z o t t t e h á t , hogy a v á r h a t ó előnyök nem érik meg a fáradságot. A 60-as évek végén azonban a szilícium-technoló gia eredményeire t á m a s z k o d v a m á r t o v á b b tudtak lépni. Megszületett a jól használható GaAs tranzisz tor — mégpedig m i k r o h u l l á m ú k i a d á s b a n . Nem b i poláris, nem is MOS jellegű, hanem az ú n . M E S F E T (2. ábra), vagyis S c h o t t k y - á t m e n e t e s (fém—félve zető) térvezérlésű tranzisztor. I t t az á t m e n e t diffúziós feszültsége a fémet nega tívabbá, a félvezetőt pozitívabbá teszi (mintegy 0,6... 1 volttal). A szükséges erőteret a fém oldalán többlet-elektronok felületi töltése, az n típusú fél vezetőben k i ü r í t e t t réteg donor-ionjainak töltése biz2
Híradástechnika
XXXVI.
évfolyam
1985. 9. szám
2. ábra. M E S F E T szerkezete. 1 — tértöltésréteg, 2 — n GaAs 3 — félszigetelő GaAs hordozó, 4 — erősen adalékolt n zónák, S — forrás, D — nyelő, G — vezérlő elektróda
+
tosítja. Kívülről adott feszültséggel pedig változ t a t n i lehet a k i ü r í t e t t réteg, illetve a félvezetőben megmaradt nem k i ü r í t e t t , t e h á t jól vezető rész vas tagságát. A felépítés némileg a MOS tranzisztorra emlékez tet. A hordozó i t t ú g y n e v e z e t t félszigetelő GaAs kristálylapka. A „félszigetelő" olyan anyag, amely tartalmaz ugyan bizonyos a r á n y b a n szennyezéseket, de ezek h a t á s t a l a n n á vannak t é v e megfelelő k o m penzáló adalék segítségével. Ez a gyakorlatban t ö b b n y i r e n é h á n y ppm Cr, amely a GaAs fajlagos ellenállását igen naggyá teszi. A hordozóra epitaxiával visznek fel v é k o n y (pl. 0,3 [ím vastagságú) n típusú ( N % 10 /cm ) réteget. A forrás és nyelő igen erősen adalékolt zónái, amelyeket például ion implantációval állítanak elő, n é h á n y um távolság ban lehetnek egymástól, de maga a S c h o t t k y - á t m e netes vezérlőelektróda rövidebb, p l . 1 jjim, újabb típusoknál ennél is kisebb hosszúságú. (A felületen erre merőleges i r á n y b a n — szélességben — az elektródák kiterjedése jóval nagyobb lehet, p l . 100 (xm.) A k o r á b b a n elterjedt típus a D-MESFET, amely ben a vezérlő elektródára adott negatív feszültséggel lehet a kiürítést növelni, bizonyos küszöbfeszültség gel az elektronpályát úgyszólván egészen elzárni. Az újabban, főképpen digitális á r a m k ö r ö k b e n alkalma zott E-MESFET-ben külső vezérlő feszültség nélkül nem folyik á r a m , mert az epitaxiális réteget az á t m e net diffúziós feszültsége teljesen kiüríti. Csak n é h á n y tized V pozitív vezérlő feszültség h a t á s á r a ( i t t ez a küszöbfeszültség) indulhat meg az á r a m . A régebbi típusú, hosszabb csatornájú M E S F E T ekre az egyszerű elméletet lehetett alkalmazni. Esze r i n t a működés lényegileg megfelelt a MOS tranzisz t o r é n a k . Megfelelő pozitív U nyelőfeszültséggel a c s a t o r n á b a n a nyelő felé haladva az á r a m okozta feszültségesés és a kiürítés vastagsága nő, a vezető á r a m p á l y á é csökken. A gyakorlatban úgy választják meg a feszültségeket, hogy egy, a nyelőhöz közeli pontban beáll az elzáródás. A nagyon rövid m a r a d é k útszakasz veszi fel az U feszültség jelentékeny részét. í g y o t t nagy térerősség lép fel, amely igen nagy sebességgel röpíti a töltéshordozókat a nyelő höz. A későbbi, rövidcsatornás GaAs eszközökre azt az elméletet nem alkalmazhatjuk [2]. Nagyon sok eset17
3
D
DS
DS
387
ben mondhatjuk azonban, hogy a pálya i t t is k é t szakaszból áll, csakhogy az elválasztó pont nem a teljes elzáródás beállta, hanem az a hely, ahol a forrástői kiindulva n ö v e k v ő térerősség eléri a k r i t i kus értéket. Ehhez elég lehet m á r néhány tized voltnyi feszültségesés. A nyelőfeszültség legnagyobb része pedig a p á l y a m a r a d é k k i s szakaszára esik, amlyeben a k o r á b b a n említetthez hasonló instabilitás, úgyne vezett domain alakul k i . Ebben az elektronok zöme m á r nagy tömegű és kis mozgékonyságú, t e h á t az igen rövid szakaszra aránylag nagy feszültség és igen nagy térerősség j u t . Számos közelítést alkalmazva, erre az esetre is k i m u t a t h a t ó a (4) összefüggés érvényessége. A hetvenes évek vége nem hozott újabb látványos á t t ö r é s t ; némileg finomodott a tranzisztorok geomet riája (kisebb csatornahossz) és eredmények voltak — b á r d u r v á b b geometriával — az integrált digitális GaAs á r a m k ö r ö k kifejlesztésében. Fordulatot a 80-as évtized hozott; felfedezték, hogyan lehet GaAs-ben a töltéshordozók sebességét növelni- Tudnunk kell ugyanis, hogy a M E S F E T epitaxiális rétegében való ban használt, kellően adalékolt gallium-arzenidre az 1. ábra csak általános alakjában érvényes, mert a tényleges mozgékonyság 4000 cm /Vs alatti. 2
Mire jó a lieteroátmenet? Persze el lehet érni az ideális 9000 cm /Vs mozgé k o n y s á g o t is, ha az anyagot annyira megtisztítjuk, hogy az a d a l é k a t o m o k a r á n y a csekély, p l . 1 0 / c m körüli legyen. Ebben az esetben m á r nem is az ionok okozta szóródás, hanem az atomrács hőrezgései kor látozzák a mozgékonyságot. Csakhogy ekkor az elektronok koncentrációja is 1 0 / c m lenne; ilyen gyenge vezetőképességű anyagból nem érdemes esz k ö z t készíteni; roppant kicsi lenne az á r a m és a me redekség. A nagyobb adalékolás viszont, amint lát t u k , lerontja a mozgékonyságot. 2
13
13
3
3
Kínálkozik azonban egy megoldás arra, hogy a szinte adalékolatlan réteget elektronban gazdaggá t e g y ü k . Mégpedig egy szomszédos, erősen adalékolt, kémiailag m á s összetételű félvezető rétegből [4]. Erre akkor van m ó d , ha a k é t anyag egykristályos szerkezetben érintkezik; ez a h e t e r o á t m e n e t . Ezt a megoldást először L . Esaki javasolta, ő azonban ere detileg a „ s z u p e r r á c s " elnevezésű dobostortaszerű sokréteges szerkezetre gondolt. A k é t anyag kilépési m u n k á j a á l t a l á b a n nem egy forma. Mivel termikus egyensúlyban a Fermi-szintek azonosak, ebből diffúziós feszültségkülönbség adódik, amelyet jól ismert m ó d o n tértöltésrétegek tartanak fenn. Csakhogy rendszerint a t i l t o t t sávszélességek sem egyformák, a s á v h a t á r o k n á l t e h á t ugrás is fel lép. Ez olyan potenciálgátat követel meg, amelyet legalább egyik oldalán felületi töltésnek kellene fenn tartani. F é m e n ez k ö n n y e n valósulna meg, félveze t ő b e n viszont valamennyire megközelíti egy, töltés hordozóban erősen feldúsult, esetleg inverziós réteg. A heteroátmenetes térvezérlésű tranzisztor ezt a jelen séget használja k i . A k é t félvezető anyag GaAs és alumíniumgallium-arzenid ( A ^ G a ^ A s ) . Az utóbbi anyag tulajdonságai természetesen függenek az alu
388
mínium x részarányától. Az a l á b b i a k b a n k ö z l ü n k n é h á n y fontosabb adatot [5]: a t i l t o t t s á v szélessége relatív diel. állandó elektr o naff initás effektív elektrontömeg effektív l y u k t ö m e g
W =(l,424+l,25x) eV e, = 1 3 , l - 3 , x = (4,07-1,06 ) m = (0,067 + 0,083 )m m = (0A8 + 0,2\ )m ?
Z
X
e / / n
e/fp
Z
%
0
0
m a szabad elektron tömege. Az effektív állapotsűrűségek az effektív tömegek 3/2 h a t v á n y á v a l arányosan változnak. Az adatok szobahőmérsékleten érvényesek. %=0 vonatkozik természetesen a GaAs-re. Az elektronaffinitás a v á k u u m s z i n t és a vezetési s á v alsó h a t á r a k ö z ö t t i energia- vagy potenciállépcsőt jelenti. K é t anyag érintkezésénél — termikus egyen súlyban — a v á k u u m s z i n t folytonos, t e h á t az elekt ronaffinitás különbsége az U s á v h a t á r b a n jelenik meg mint A U különbség. P é l d á u l a táblázat, szerint, ha A l G a A s és GaAs alkot h e t e r o á t m e n e t e t , ott 0
c
c
0 3
0 7
Ezt a potenciálkülönbséget az AlGaAs oldalán pozitív, a GaAs oldalán negatív töltésnek kell fenn tartania. H a az AlGaAs réteg n típusú, benne kiürí t e t t réteg keletkezik. H a a GaAs réteg szabad töltés hordozóban szegény, felülete elektronokban feldúsul. Ez képezheti egy térvezérlésű tranzisztor vezető csa tornáját. Megfelelő k ö r ü l m é n y e k k ö z ö t t a GaAs felületén kis mennyiségben a Fermi-szint a vezetési sávba k e r ü l : a félvezető elfajul. így t e h á t , b á r a GaAs nincs adalékolva, a heteroátmenetnél mégis annyi elektron van benne, ami szinte fémhez hasonló veze tést biztosít, csekély vastagságban. Az elektronok egy energia völgybe vannak zárva. Az AlGaAs felől is, de a nem adalékolt GaAs réteg belseje felől is a t i l t o t t sáv tartja vissza ő k e t ; mozgásuk csak az á t menettel p á r h u z a m o s i r á n y o k b a n szabad. ( K é t d i menziós elektrongáz). A n é h á n y nm vastagságnak megfelelő kiterjedésű elektrongáz alkotja a tranzisz tor vezető csatornáját. Ezt a k é t végén a szokásos erősen adalékolt forrás és nyelő zóna határolja, a vezetési viszonyokat pedig az AlGaAs réteg fölé helyezett fém vezérlő elektróda befolyásolja. Az új ttanzisztorfajtát az irodalomban nagy elektronmozgékonyságú tranzisztornak, modulációs adalékolású tranzisztornak vagy kétdimenziós elektron gáz tranzisztornak nevezik. ( H E M T , MODFET, T E G F E T = high electron mobility transistor, modulation-doped field-effect transistor, two-dimensional electron gas field-effect transistor.) A tranzisztor megvalósítását az epitaxiás eljárás tökéletesítése tette lehetővé. A közönséges epitaxia a I I I — V vegyületeket folyékony fázisból vagy gáz atmoszférában kémiai reakciókkal állítja elő a hor dozókristály felületén. A molekuláris nyaláb epitax i á b a n ( M B E ) az összetevő anyagok molekulái nagy v á k u u m b a n érkeznek megfelelő a r á n y b a n a viszony lag alacsony hőmérsékletű kristályfelületre. A nyaláb az adalékokat is kellő a r á n y b a n tartalmazza. A nya lábok ú t j á t komputerrel vezérelt gyors működésű mechanikai zárral nyitják-csukják. Ezzel a módszer rel tudják a rétegszerkezetet tetszés szerinti csekély Híradástechnika
XXXVI.
évfolyam 1985. 9. szám
vastagsággal hirtelen v á l t o z t a t n i . A fémorganikus kémiai gőzből való leválasztás (MOCVD) csaknem hasonló eredményekre képes. A tranzisztor elvi felépítését a 3. ábrán mutatjuk be. A rétegezés bonyolultabb, mint ahogy előbb leír t u k . A félszigetelő hordozóra először a k o r á b b a n em lített nem adalékolt GaAs réteget viszik fel 1 —2 u m vastagságban, amely a m a r a d é k (mintegy 10 /cm ) szennyezés miatt rendszerint enyhén p jellegű. Föléje azonban először egy nagyon vékony, 10—20 atomnyi, nem adalékolt szétválasztó AlGaAs réteg kerül és csak a z u t á n következik a 20—60 nm vastag, 5 X 1 9 — 2 x l 0 / c m szilícium koncentrációval adalékolt n+ AlGaAs, amelyben majd kialakul a kiürítés. H a a szétválasztó réteg hiányozna, a donorionok olyan közel kerülnének a nem adalékolt réteg felületén kialakuló elektrongázhoz, hogy t e r ü k m e g z a v a r n á az elektronmozgást. Az AlGaAs tetejére még egy vékony GaAs réteget szoktak felvinni, ez biztosítja a forrás és nyelő zóna jó csatlakozását a fémelektródákhoz. A csatorna fölött azonban ez a réteg hiányzik, mert a fém vezérlő elektródát enyhe marás u t á n süllyeszt ve viszik fel. 13
3
17
1 8
3
Vizsgáljuk először ö n m a g á b a n a h e t e r o á t m e n e t viszonyait termikus egyensúlyban, t e h á t t e k i n t s ü k végtelenül távolinak a vezérelektróda S c h o t t k y - á t m e n e t é t (4. ábra). Mivel az AlGaAs réteg erősen adalékolt, abban a Fermi-szinthez közel van a vezetési s á v U alsó határa. A h e t e r o á t m e n e t m i a t t U értékében fellépő AU ugrás megfelel a k é t anyag elektronaffinitása k ö z ö t t i különbségnek (lásd a t á b l á z a t o t ) . Ehhez az adalékolt anyagban a s á v h a t á r meggörbül, mert az á t m e n e t n é l k i ü r í t e t t réteg keletkezik. A görbülés m é r t é k e a 2. ábra szerint U . H a az anyag dielektromos állan dója e, adalékolása N , az összefüggés U és a kiürí tés w mélysége k ö z ö t t c
c
C
h
D
h
_qN w* 0
(7)
ill. w =
2sU
(7a)
n
qN
0
A 4. ábrán l á t h a t j u k U k a p a c s o l a t á t A U -\él: h
U =AU h
e
-di—
c
<5, i t t
Ő^U
F
m m Í35O-500Á x 20-80 A
4. ábra. Heteroátmenet termikus egyensúlyban. Jelezve az elektrongázzal betöltött alsáv. Jelölések magyarázata a szö vegben
az AlGaAs réteg belsejében, ahol m á r nincs kiürítés. A nagy adalékolás m i a t t ő kis érték. ő az az érték, amellyel a GaAs felületén az U szint alá kerül a vezetési s á v alsó h a t á r a . í g y jön ott l é t r e az n felületi elektrontöltés, amely nagyjá ból egyensúlyt t a r t a donorionok másik oldali t é r töltésével : ±
2
P
s
qn^qNoiv.
(8)
A valóságban i t t az elektronoknak is van bizonyos mélységi eloszlásuk n é h á n y n m átlagértékkel [6]. n szokásos mértékegysége c m . n biztosításához a Fermi-szintnek csak kevéssé kell behatolni a vezetési sávba, t e h á t ő is csekély. A valóságban persze az összefüggések jóval bonyo lultabbak. Ennek főleg kvantumfizikai okai vannak; a vázolt viszonyok k ö z ö t t a potenciálgát keskeny háromszögű alakja miatt a vezetési s á v b a n elfoglal h a t ó elektronállapotok nem alkotnak folytonos sávrészletet, hanem különálló alsávokat. Az impulzus momentumok felületre merőleges összetevője ugyanis k v a n t á l t . Ennek figyelembevétele mellett, még a megszokott Boltzman-statisztika helyett is a bonyo lultabb F e r m i — D i r a c - s t a t i s z t i k á t kell alkalmazni [7], ha az alsávokat meg akarjuk h a t á r o z n i . Korrekciót hoz a számításba az a — m á r említett — n é h á n y n m vastag, nem adalékolt AlGaAs réteg is, amelyet a kiürítés donorionjai által előidézett h a t á s csökkentése végett k ö z b e i k t a t n a k . Másik szerepe ugyanaz, m i n t egy a töltés közé i k t a t o t t dielektriku m é ; csökkenti a szükséges töltések nagyságát, ame lyek egy adott potenciálkülönbséget fenntartanak. Ha a vastagság e, akkor ennek figyelembevételével - 2
s
s
2
(9) 2eU
IH59-31 3. ábra. Nagy elektronmozgékonyságú térvezérlésű tranzisztor szerkezete, 1 — hordozó, 2 — nem adalékolt GaAs réteg, 3 — nem adalékolt AlGaAs réteg, 4 — n adalékolású AlGaAs, 5 — vékony n GaAs, 6 — erősen adalékolt n zónák
h
+ e -e 2
qn^qNoWj^
+
+
Híradástechnika
XXX VI. évfolyam
1985. 9. szám
(10) (11)
ahol w a k i ü r í t e t t réteg csökkent vastagsága. 1
380
A (8) és (11) összefüggéseket azért fogadhatjuk el, mert a nem adalékolt GaAs réteg tértöltése a k é t di menziós elektrongázon kívül nagyon csekély, n értéke N = 10 atom/cm adalékolású AlGaAs és e = 3 nm esetéhen 1 0 / c m elektron közelében van. s
18
3
D
12
2
diffúziós feszültsége. Elektrongáz akkor van, ha U pozitívabb (kevésbé negatív), mint U . A tranzisztor működés másik h a t á r a a termikus egyensúly be állta, amely megszünteti a vezérlés lehetőségét, U = U értéknél érhető el és a (7), (10) és (12) egyen let alapján s z á m í t h a t ó k i : 0
T
A
H
Heteroátmenetes tranzisztor
q
Ilyenek a h e t e r o á t m e n e t viszonyai termikus egyen súlyban. M i t ö r t é n i k a t r a n z i s z t o r s t r u k t ú r á b a n , amelyben az n+ jellegű AlGaAs réteg v é k o n y (d^ %20...60 nm), és másik oldalán o t t van a vezérlő elektród (5. á b r a ) ?
A tranzisztor gyakorlati működtetésében á l t a l á b a n a nyelőre adott feszültség elég nagy ahhoz, hogy a csatornamenti feszültségesés m i a t t egy, a nyelőhöz közeli pontban
-^(d-w r=0 ~u . 1
A S c h o t t k y - á t m e n e t itt is kiürítést okoz, amelyet a vezérlő elektródára adott, pozitív feszültség csökkent, negatív feszültség növel. Ha ez a kiürítés a réteg bel sejében úgy ér véget, hogy a h e t e r o á t m e n e t h e z tar tozó kiürítést nem befolyásolja — a viszonyok olya nok, mint a termikus egyensúty esetében. Ha azonban a kiürítés ennél a h a t á r é r t é k n é l , amely természetesen az AlGaAs réteg adalékolásától és vastagságától is függ, nagyobb m é r t é k ű (nagyobb pozitív töltésre van szükség), akkor m á r átterjed a h e t e r o á t m e n e t r e is, és — mivel az AlGaAs oldalon m á r ú g y sincsenek elektronok — a GaAs oldal elekt ronrétegének felületi sűrűségét csökkenti. A sávgörbülés t ö b b i részét a m é l y e b b e n fekvő tér töltés réteg veszi fel. Még n e g a t í v a b b á t é v e a vezérlő elektróda feszültségét, végül oda j u t u n k , hogy az adalékolt AlGaAs réteg teljes d v a s t a g s á g á b a n a k i ürítés érvényesül, annyira, hogy a vezetési sáv U h a t á r a m é g a h e t e r o á t m e n e t n é l is A U magasságban van a Fermi-szint fölött (56 ábra). Ez m á r kizárja azt, hogy a GaAs felületén kétdimenziós elektrongáz alakuljon k i . Ez a vezérlő feszültség, amely megfelel a MOS tranzisztorok küszöbfeszültségének, a követ k e z ő k b e n írható fel: c
e
U =U =0 -AU -?^f, G
T
M
(12)
c
M
(iá)
H
U -U =U GS
csaí
(14)
T
beálljon, t e h á t az elektrongáz által alkotott jó vezetés véget érjen. A MOS tranzisztornál megismert m ó d o n a fennmaradó rövid útszakaszon e x t r é m nagy t é r erősség röpíti á t az elektront a nyelőhöz, telítési se bességgel. A pálya valamely (elzáródás előtti) x p o n t j á b a n a töltéssűrűség értéke egységnyi szélességre vonatkoz tatva : qn (x) = Q(x)=±
[ U -U ~
s
as
U
T
csat
(x)].
(15)
I t t d a vezérlő elektróda és az elektrongáz k ö z ö t t i teljes t á v o l s á g : d^d+e. 1
Az á r a m (a parazita elemek h a t á s á n a k elhanyago lásával) I=Q(x) v(x) (16) és kis térerősségeknél v(x)=juE(X) alapján a klasszi kus MOS tranzisztorhoz hasonlóan
I
=
s
m
i
U
a
s
-
Ü
T
y
i
-
( 1 7 )
Nagy térerősségeknél m á r a pálya korai szakaszán beáll a sebesség v maximális értéke és az á r a m füg gése Í 7 vezérlő feszültségtől fokozatosan lineárissá válik. sai
GS
ahol 0
a vezérlő elektróda S c h o t t k y - á t m e n e t é n e k
M
A
Gyakorlati viszonyok
d
Az új tranzisztor valóban sok előnyt mutat fel a GaAs MESFET-tel szemben.
e
T
í _
T
\^
.w
__
Elérhető igen nagy meredekség, mert a vezérlő elektróda és csatorna közti távolság nagyon kicsi, 30—60 nm körül van. Még ennél kisebb is lehet az E—MESFET-hez hasonló megoldásban, mikor t e h á t vezérlőfeszültség nélkül nincs elektrongáz és pozitív az U küszöbfeszültség. Ha még emellett igen nagy az AlGaAs réteg adalékolása, a vastagság egy számítás szerint a k á r 15 nm-re is csökkenthető.
B e
T
Á
u
c
Uc
Lényeges, hogy a karakterisztika kezdő szakasza kevéssé görbült, ami azt jelenti, hogy a nagyjelű terjedési késés kifejezésében szereplő G értéke job ban megközelíti a kisjelű g értéket, mint a MESFETnél. Különösen az integrálás szempontjából nagy előny m
[H59-51
5. ábra. Energiaviszonyok a vezérelt tranzisztorban. A — elektrongáz létrejön, B—Uc túlságosan negatív
390
m
Híradástechnika
XXXVI.
évfolyam 1985. 9. szám
az is, hogy az á r a m / i g é n y b e v e t t terület h á n y a d o s a magasabb, mint m á s tranzisztoroknál. Végső, de nem utolsó előny a nagyobb mozgékony ság alapján v á r h a t ó nagyobb sebesség. Igaz, hogy i t t az első lelkesedést bizonyos kiábrándulás k ö v e t t e . Való t é n y , hogy 8 — 10 000 cm /Vs tényleg elérhető volt szobahőmérsékleten. I t t m á r a mozgékonyságot a rács hőrezgései, a fononok által okozott szóródás korlátozza. E z é r t is előnyös (de elvileg m á s szem pontból is kedvező) a h ű t é s , mégpedig 77 K-re, ami k ö n n y e n megoldható folyékony nitrogénnel. Az így l e h ű t ö t t elektrongázban a mozgékonyság (kis tér erősséggel mérve) t ö b b mint tízszeresére emelkedik, ami még nagyobb v á r a k o z á s t keltett. I t t azonban rendkívül nagy térerősségek lépnek fel a gyakorlatban m á r azért is, mert éppen a (4) egyenletre való tekintettel célszerű a műszakilag megvalósítható legrövidebb csatornahosszat válasz tani. (Megjegyezzük, hogy a kis méretekkel járó kis feszültségek miatt i t t nem k e r ü l sor arra, hogy az elektronok átkerüljenek a fő völgyből a mellékvöl gyekbe, t e h á t a csatornában felléphet nagyobb tér erő a „ k r i t i k u s " értéknél, anélkül, hogy instabilitás ra kerülne sor.) így például a ma m á r az elektronsugaras technoló gia eszközeivel elérhető L —0,25 u.m és U = 0,5 V esetében a térerősség átlaga 20 k V / c m . A csatorna m e n t é n természetesen a nyelő felé növekvő az érték. A leegyszerűsített számításból adódó 2X10 cm/s vagy éppen 2X10 cm/s sebességre persze nem szá m í t h a t u n k , hiszen az — amint l á t t u k (1) — fizikailag lehetetlen is lenne. Elméleti számítások szerint azon ban (8) körülbelül 4 x l 0 cm/s a v á r h a t ó tényleges telítési sebesség. Ügy t ű n i k viszont a kísérletek alap ján, hogy az elektronsebesség ennél alacsonyabb telítési é r t é k e t mutat, ez szobahőmérsékleten mint egy I , 5 x l 0 cm/s és 77 K hőmérsékleten 2 x l 0 cm/s. Egy durva bécslés a (4) egyenlet szerint ennek alapján is 100 GHz fölötti határfrekvenciát mutatna k i . A valóságban azonban a parazita mellékhatások némileg lerontják a nagyfrekvenciás viselkedést. (Ilyen p l . a forrás és nyelő kontaktusellenállása és a nyelő-vezérlőelektróda k ö z ö t t i C visszacsatoló ka pacitás.) Azt is meg kell jegyeznünk, hogy ez a nagy elektron mozgékonyságú tranzisztor m é g rendelkezik bizo^ nyos gyerekbetegségekkel. Ez különösen áll az ala csony hőmérsékletű ü z e m m ó d r a , melytől pedig olyan sokat v á r n a k . Egyes kísérletekben tapasztalnak i t t a k a r a k t e r i s z t i k á b a n instabilitást, hiszterézist, esetleg a karakterisztika „összeomlását". Az u t ó b b i szem léletes kifejezés azt jelenti, hogy az á r a m alacsony értéken marad és nem vezérelhető. Az okok felderíté sére és a kiküszöbölésére élénk k u t a t á s folyik. A n n y i m á r bizonyos, hogy — bármilyen jó eljárás is a mo lekuláris n y a l á b epitaxia: a k é t félvezető h a t á r felülete így is bővelkedik m é g hibahelyekben, csap d á k b a n , és ezek zavarják az alacsony hőmérsékletű m ű k ö d é s t (9). Van egy szempont, amelyből nézve az új tranzisz tor mindenképpen alul marad a GaAs MESFET-tel szemben. Ez pedig a sugárzásokkal szemben való ellenállás. Az AlGaAs ugyanis kellemetlenül sugár érzékeny anyag. Ez erősebb árnyékolást tesz szük ségessé. 2
DS
8
9
7
7
7
DG
Híradástechnika
XXXVI.
évfolyam
1985. 9. szám
Az első megvalósított tranzisztorok J a p á n b a n születtek meg, 27 elemből álló integrált g y ű r ű s osz cillátor formájában (9), mégpedig 17, ps kapcsolási idővel. E z t az é r t é k e t később 10 ps alá sikerült le szorítani, különböző k u t a t ó i n t é z e t e k közlései szerint. A g y ű r ű s oszcillátor azonban csupán az eszköz lehe tőségeinek b e m u t a t á s á r a alkalmas, m á s haszna nincs. K é s ő b b készítettek m á r háromfokozatú integrált erősítőt 20 GHz frekvenciára és integrált frekvencia osztó logikai k ö r ö k e t is, amelyekben a terjedési késés 20 ps alatt volt. 1984 még gyorsabb kapcsoló á r a m k ö r ö k e t és meglepően kis zajú m i k r o h u l l á m ú tran zisztorokat hozott [10].
További fejlemények A h e t e r o á t m e n e t bevonulása a t r a n z i s z t o r t e c h n i k á b a érdekes t o v á b b i fejlődési i r á n y o k a t i n d í t o t t el. A z egyik sokat ígérő új lépés a Bell laboratóriumból szármezik [11]. Lényege az, hogy GaAs alápon a CMOShoz hasonló, integrálható komplementer tranzisztor p á r a t a l a k í t a n a k k i . Ennek azelőtt azért nem v o l t gyakorlati realitása, mert a lyukvezetéses M E S F E T ben a lyukak sebessége az alacsony mozgékonyság m i a t t nagyon kicsi volt. T ö r t é n t e k azonban sikeres kísérletek olyan h e t e r o á t m e n e t e s F E T előállítására^ amelyben a nem adalékolt GaAs réteg egy vele h a t á ros p-AlGaAs rétegből kap l y u k a k a t és ezek alkotnak az á t m e n e t közelében elfajult rétegben kétdimenziós „ l y u k g á z t " . Ezzel sikerült 77 K hőmérsékleten 5000 cm /Vs mozgékonyságot elérni. Az integrálás azonban nem v o l t m a g á t ó l é r t e t ő d ő en megoldható. A z t a zsebtechnikát, amely a szilí cium CMOS készítésében szokásos, a GaAs-nál nem lehet alkalmazni. Végül is megszületett a megoldás. A tranzisztor párja i t t egy olyan elektronvezetéses GaAs M E S F E T , amelynek a k t í v rétege nem közvetlenül a félszigetelő hordozó, hanem egy k ö z b e i k t a t o t t p-AlGaAs rétegen foglal helyet. Ez a réteg nincs káros hatással a M E S F E T működésére, sőt a kialakuló nagy potenci álgát a szokásosnál bizosabban zárja el az elektronok ú t j á t a hordozó felé. Az AlGaAs réteg pedig ugyan az, amely a másik tranzisztorban j u t tényleges sze rephez. E b b ő l persze az is k ö v e t k e z i k , hogy alatta nem közvetlenül a félszigetelő hordozó van. K ö z v e t lenül a hordozóra először (körülbelül 1 [xm vastag ságban) nem adalékolt GaAs kerül, majd erre a szo kásos p á r nm vastag, nem adalékolt AlGaAs u t á n az előbb említett p-típusú AlGaAs réteg, amelynek adalékolása a megvalósított kísérletben 2 X 1 0 atom/cm Be volt. Ezzel képezik k i a lyukvezetéses tranzisztort. Az alsó GaAs rétegbe is mélyen benyúló mart árok választja el a k é t eszközt egymástól. Az elektronvezetéses M E S F E T a k t í v rétege körül belül 0,5 [xm vastag n GaAs. Ebben a csatorna klaszszikus m ó d o n alakul k i , a fölötte levő vezérlő elektró da feszültségének h a t á s á r a . A ' l y u k v e z e t é s e s eszköz tetejéről ezt a GaAs réteget eltávolítják, és a vezérlő elektróda természetesen közvetlenül az AlGaAs ré teggel alkot S c h o t t k y - á t m e n e t e t (6. á b r a ) . Szobahőmérsékleten nagyon kicsi a lyukvezetéses eszköz meredeksége, de 77 K hőmérsékleten m á r meg közelíti az elektronvezetéses elemét. A z előállított 2
18
3
391
tranzisztorpárok, amelyekben a csatornahossz 2 u.m volt, m á r 1 V tápfeszültség alatt is jól m ű k ö d t e k . Ez a friss eredmény azért figyelemreméltó, mert az új k o m p l e m e n t e r p á r a szokásos szilícium CMOSnál gyorsabb, fogyasztása pedig kisebb. A k é t menynyiség s z o r z a t á b a n t a l á n még nagyságrendi javulás is elérhető lenne. Egy m á s i k ú j , érdekes e r e d m é n y : az I B M labora t ó r i u m á b a n a h e t e r o á t m e n e t felhasználásával telje sen egykristályos szerkezetben állítottak elő a MOS tranzisztorhoz hasonló elvű eszközt. Nagy előnye, hogy a tolerancia szempontjából kevésbé kényes, mint a nagy elektronmozgékonyságú tranzisztor, vagy a k á r a GaAs M E S F E T . Alapja az a felismerés, hogy a kellő tisztaságú AlGaAs nagy t i l t o t t sávszéles sége és kis elektronmozgékonysága m i a t t igen jó szigetelő. Lehet t e h á t olyan tranzisztort kialakítani, amelyben a félvezető nem-adalékolt GaAs; a d i elektrikum nem-adalékolt AlGaAs, a vezérlő elektró da pedig igen erősen adalékolt n+ GaAs réteg, amely nek ohmos kontaktusa van (7. á b r a ) . A hordozó félszigetelő GaAs. A molekuláris nyaláb epitaxia m ó d o t ad az egyes rétegek felvitelére úgy, hogy azok egykristályos szerkezetet alkotnak a hor dozóval. A szilícium MOS szerkezete ezzel szemben bonyolult: kristály, amorf, polikristály rétegeződés: ez elvi h á t r á n y a bipoláris tranzisztorhoz képest. E z t a h á t r á n y t az új szerkezet kiküszöböli. Sokkal fontosabb az a gyakorlati előny, hogy a küszöbfeszültség beállítása nem kényes. A
B
s
AuGel
0
s
H59-6 6. ábra. Komplementer térvezérlésű tranzisztorpár heteroátmenetes p-eszközzel. 1 — hordozó, 2 — nem adalékolt GaAs, i? — p AlGaAs, 4 — n-GaAs A — elektronvezetéses, B — lyukvezetéses eszköz +
A m i n t l á t t u k , a nagy elektronmozgékonyságú tranzisztorban a küszöbfeszültség (12) szerint: U =0 -AU T
M
c
qN d* 2e ' D
(18)
I t t 0 a vezérlő elektróda és az n AlGaAs közötti potenciálgát, AU az elektronaffinitásbeli ugrás, N az AlGaAs réteg adalékolása, d a vastagsága. A k í v á n t küszöbfeszültség beállítása N és d értékének megfelelő megválasztásával lehetséges, ezért mind k é t p a r a m é t e r t kis toleranciával kell megvalósítani. Az új eszközben azonban 0 és AU majdnem azonos, mivel m i n d k é t oldalon ugyanaz az anyag van, ugyanis a h e t e r o á t m e n e t n é l i t t is kialakul az elektron gáz, amely az elektronokat i t t a forrás és nyelő z ó nákból nyeri. I t t t e h á t a vezetési sáv h a t á r a mini mális m é r t é k b e n van a Fermi-szint felett, míg a vezérlő elektróda oldalán az erős adalékolás m i a t t s á v h a t á r és Fermi-szint közel egybeesik. M
C
D
D
M
C
A (12) egyenlet jobb oldalának harmadik tagja nem veszélyes t ö b b é , mert annyira kicsi, hogy N szórásának sincs jelentős befolyása. A küszöbfeszült ség közel 0 [12]. Előny az is, hogy az AlGaAs rétegben nem folyhat a hasznos á r a m m a l p á r h u z a m o s parazita á r a m , és — mivel a réteg nem adalékolt — a k é t á t m e n e t e n kevesebb lesz a csapda. Az elkészítés pedig lényegé ben homogén m ű v e l e t ; egyetlen, programozott, molekuláris n y a l á b epitaxiás eljárás. D
A kísérleti eszközök egyelőre elsősorban alacsony hőmérsékleten (77 K ) mutattak k i t ű n ő m ű k ö d é s t . Összehasonlítás k e d v é é r t k i t é r ü n k a heteroátmenetes bipoláris tranzisztorra is, b á r az i t t t á r g y a l t új irányzatokkal szemben az a gondolat, hogy a heteroá t m e n e t e t bipoláris tranzisztorban hasznosítsák, nagyon régi. Már felmerült Shockley 1948-as szaba dalmi bejelentésében. Krömer 1957-ben javasolt olyan tranzisztort, amelyben az emitter t i l t o t t sáv szélessége nagyobb, mint a bázisé. Ebben (példának npn szerkezetet véve) potenciálgát tartja vissza a bázisban a lyukakat attól, hogy az emitterbe lépje nek, t e h á t az emitterhatásfok értéke 100% lesz. E z é r t a bázist erősen, az emitternél is sokkal erő sebben lehet adalékolni. Ha pedig ez így van, a bázis lehet nagyon vékony (pl. 10 nm) anélkül, hogy ve szedelmesen megnőne a bázisellenállás. A vékony bázisban viszont kicsi lesz a rekombináció valószínű sége, és így a t r a n s z p o r t t é n y e z ő is megközelítheti a 100%-ot. Ez viszont azt jelenti, hogy /? áramerősítési tényező k ö n n y e n 1000, fölé emelkedhet. Ha az á t menetnél a kétféle anyag összetétele nem hirtelen, hanem fokozatosan megy á t egymásba (ami a mole kuláris nyaláb epitaxiával megvalósítható), t o v á b b i előny lép fel: az elektronok nagy energiával lépnek be a bázisba. Ilyen esetben kisebb a szóródás és az elektronok szinte ballisztikusan mozognak, sebessé gük a bázisban is t o v á b b nő, még 4 X 1 0 cm/s értéket is elhagyhat. 7
7. ábra. Heteroátmenetes térvezérlésű tranzisztor GaAs ve zérlő elektródával. 1 — hordozó, 2 — nem adalékolt GaAs, 3 — nem adalékolt AlGaAs, 4 — erősen túladalékolt n GaAs, 5 — ohmos kontaktus a vezérlő elektródához, 6' — implantált zónák +
392
A (4) összefüggést ugyan nem alkalmazhatjuk minden t o v á b b i nélkül a parazita mellékhatások miatt, a határfrekvencia azonban elvi számítások szerint így is megközelítheti, vagy elhagyhatja a 100 GHz értéket. Híradástechnika
XXXVI.
évfolyam 1985. 9. szám
Nagyjelű kapcsoló m ű k ö d é s b e n viszont kisebb a heteroátmenetes bipoláris tranzisztor fölénye, mert az (5) egyenlet a töltéstárolási késleltető h a t á s o k a t nem veszi figyelembe. Igaz, hogy ezeket az E C L á r a m k ö r kiküszöböli, de a m e g n ö v e k e d e t t fogyasztás miatt ez nem mindig h a s z n á l h a t ó . Technológiai szempontból a bipoláris t í p u s még sokkal nehezebb feladatot jelent, mint a h e t e r o á t menetes térvezérlésű tranzisztor.
IRODALOM [1] J. B, Socha, L . F. Eastman: Comment on single carrier space charge controlled conduction vsballistic transport in GaAs devices at 77K. Elect. Dev. Lett. E D L 3, p. 27, 1982. [2] Gottwald, P.: Mikrohullámú félvezető eszközök, p. 173. Műszaki Kiadó, Budapest, 1985. [3] P. M. Solomon: A comparison of semiconductor devices for high speed logic. Proc. I E E E 70, pp. 489-609, 1982. [4] L . Esaki and R. Tsu: Superlattice and negatíve differential conductivity in semiconductors. I B M J. Res. Develop. 14, pp. 61 — 68, 1970.
[5] Tomizawa et al.: Monte-Carlo simulation of AlGaAs/GaAs heterojunction bipolar transistors. I E E E Trans. E l . Dev. ED31, pp. 382-385, 1984. [6] T. C. Hsieh et al.: Carrier density distribution in modulation doped GaAs —AlGaAs quantum well heterostructures. Solid State E l . 26, pp. 1173 — 1180, 1983. [7] D. Delagebeaudeuf, N. T. Linh: Metál (n) AlGaAsGaAs two dimensional Electron Gas F E T . I E E E Trans. E l . Dev. ED29, pp. 955—960, 1982. [8] B. R. Nag, M. Debroy: Electron Transport in submicron GaAs channels at 300 K . Appl. Phys. A. Solids and Surfaces, 31, pp. 65 — 70, 1983. [9] T. Mimura et al.: A new field-effect transistor w i t h selectivity doped GaAs/n AlGaAs hetero junction. Jap. J. Appl. Phys. 19, pp. L 225 — L 227, 1980. [10] R. Chao et ál.: Quarter micron gate length microwave HEMT's. E l . Lett. 19, pp. 894-896, 1983. [11] R. A. Kiehl, A. C. Gossard: Complementary pMESFET and n H B MESFET (AlGa) As Transistor. E l . Dev. Let. EDL-5, pp. 521 — 523, 1984. [12] P. M. Solomon et al.: A GaAs gate heterojunc tion FET. E l . Dev. Let. EDL-5, pp. 379-382, 1984.
