Лебедев А.И. Физика полупроводниковых приборов

Подождите немного. Документ загружается.

292

Гл. 4. Полевые транзисторы

элементов памяти диаметр квантовых точек должен быть нм, а их

плотность — 10

СМ"

Поскольку получение квантовых точек указанного размера метода-

ми современной литографии пока слишком сложно, можно попробовать

использовать более технологичные решения и работать с массивами

нанокристаллов приблизительно одинакового размера и формы (см.

подробнее [198]). В частности, для создания таких массивов нано-

кристаллов для экспериментальных образцов запоминающих устройств

использовались технология выращивания островков кремния на по-

верхности SiOj в процессе эпитаксии MOCVD и явление образования

преципитатов из внедренных в подзатворный окисел атомов кремния

в процессе термообработки после ионной имплантации [199, 200].

Для увеличения плотности записи информации в флэш-

памяти фирма Intel в 1998 г. реализовала предложенную в па-

тенте [201] идею записывать в каждую ячейку памяти сразу

несколько битов информации, кодируя кодовые комбинации (00,

01, 10 и 11 в случае одновременной записи двух битов) раз-

ной величиной заряда на плавающем затворе и затем считывая

эту информацию путем измерения тока насыщения открытого

транзистора. Эта технология хранения получила название MLC

(multi-level cell) и широко используется в настоящее время фир-

мами Intel, Toshiba, Samsung, Hynix, Micron в производстве

флэш-памяти [196]. Примером таких микросхем может служить

флэш-память StrataFlash фирмы Intel. Другим подходом, также

позволяющим удвоить объем флэш-памяти, является создание

двух ячеек памяти под одним затвором около истока и стока

транзистора; этот подход развивается фирмами AMD (конструк-

ция MirrorBit) и Infineon (конструкция TwinFlash).

Для микросхем с логикой NAND достаточно характерным видом

ошибок является искажение отдельных битов данных. Характерная

частота этих ошибок составляет 10~

для ячеек с двумя уровнями

логических сигналов и 10~

для ячеек MLC с четырьмя уровнями.

Для борьбы с этими ошибками при записи каждого блока данных в

микросхему одновременно записывается несколько байтов ЕСС (кода,

исправляющего ошибки); при чтении данных этот код используется для

проверки правильности считанной информации и при необходимости

искаженные биты исправляются. Если число ошибок в блоке стано-

вится слишком большим, то блок может быть помечен как дефектный

и заменен резервным блоком. Микросхемы с ячейками памяти MLC

выдерживают 10

циклов перепрограммирования, что примерно на по-

рядок меньше, чем для микросхем с обычными ячейками.

В 2005 году максимальная емкость однокристалльных мик-

росхем флэш-памяти, выпускаемых в промышленном масштабе,

составляла: с логикой NOR — 512 Мбит (S29GL512N фирмы

4.2. Элементы интегральных схем на МОП-транзисторах

293

Spansion), с логикой NAND - 4 Гбит (K9K4G08U0M фирмы

Samsung). Минимальный топологический размер при производ-

стве микросхем NAND в настоящее время составляет 55 нм.

МНОП-структуры. Полевые транзисторы с двухслойным

диэлектриком, исследование которых было начато в 1967 г. [202],

также используются для создания постоянных запоминающих

устройств с электрической перезаписью информации. Наиболее

распространенными среди них являются транзисторы со струк-

турой МНОП (металл-нитрид-окисел-полупроводник)

В отличие от МОП-транзисторов с плавающим затвором,

в МНОП-структурах заряд, кодирующий логическую информа-

цию, хранится на глубоких ловушках в примыкающем к окислу

слое нитрида кремния. Типичная толщина окисла в МНОП-

структурах составляет 20-100 А, толщина слоя Si3N4 — 100-

1000 А. Как и в рассмотренной выше структуре ЭППЗУ, для

перемещения заряда на уровни ловушек достаточно приложить

к затвору транзистора высокое напряжение, и за счет туннелиро-

вания ловушки начинают заполняться или опустошаться (в зави-

симости от полярности приложенного напряжения). Характерное

время записи составляет ~10 мс.

К сожалению, в структурах с толщиной окисла менее 50 А

вероятность туннельной утечки электронов с ловушек в под-

ложку достаточно высока, что ограничивает время хранения,

а в структурах с толщиной окисла более 50 А работа ячеек

памяти осложняется тем, что при записи логической 1 электро-

ны туннелируют по механизму Фаулера-Нордгейма и сначала

попадают в зону проводимости SiC>2, а затем, пробретя высокую

энергию за счет разрыва зон на гетерогранице Si02~Si3N4 и став

горячими, уходят от границы раздела далеко в глубь нитрида.

Поэтому последующее удаление этого заряда с ловушек при

записи логического 0 происходит с большим трудом.

В работе [203] было предложено решение этой проблемы,

состоявшее в преднамеренном легировании границы двух ди-

электриков примесями, создающими уровни глубоких ловушек.

В качестве примесей были успешно использованы W и 1г с по-

верхностной концентрацией 10

-10

см

-2

. Легирование гра-

ницы раздела позволило одновременно существенно уменьшить

') Вместо нитрида кремния в подобных структурах может также исполь-

зоваться AI2O3, ТагОй или Т[Ог [14]. Общим свойством этих диэлектриков

является высокая концентрация присутствующих в них глубоких ловушек. Так,

в Si

их концентрация превышает 10

см

-3

294

Гл. 4. Полевые транзисторы

и время программирования. Примером отечественных микросхем

с МНОП-структурой могут служить микросхемы серии К558.

В последнее время большое распространение получила разно-

видность МНОП-структуры, называемая SONOS (silicon—oxide—

nitride—oxide—silicon), в которой слой Si3N4 с глубокими ловуш-

ками отделен от кремниевой подложки и затвора из поликристал-

лического кремния тонкими (20-50 А) слоями из SiC>2. Структу-

ра SONOS, в частности, используется в качестве запоминающей

среды в некоторых типах флэш-памяти.

4.3. Полевые транзисторы с управляющим

р-п-переходом и барьером Шоттки

Как мы уже говорили в начале главы, кроме полевых тран-

зисторов с изолированным затвором существуют еще две кон-

струкции полевых транзисторов: транзисторы с управляющим р-

n-переходом и транзисторы с барьером Шоттки. Мы рассмотрим

обе эти конструкции транзисторов вместе, поскольку они раз-

личаются только способом создания обедненного слоя, а теория

Исторически первыми

были разработаны полевые

транзисторы с управ-

ляющим р-п-переходом.

Теория такого транзисто-

ра была развита в 1952 г.

Шокли [204], а первый

транзистор был изготов-

лен Дейки и Россом [171]

в 1953 году. Схематиче-

ски устройство полевого

транзистора с управляю-

щим p-n-переходом пока-

зано на рис. 4.26. На бо-

ковых гранях бруска из

полупроводника толщины 2а и ширины W диффузией создаются

р-

.переходы. Обе диффузионные области соединяются между

собой и образуют вывод затвора; истоком и стоком транзистора

служат омические контакты, изготовленные на торцевых гранях

образца. Работа этого прибора основана на изменении толщи-

ны проводящего канала в середине бруска за счет изменения

толщины обедненных слоев р-п-переходов при подаче на затвор

работы этих приборов одна и та же.

затвор

Рис. 4.26. Полевой транзистор с управляю-

щим р-п-переходом (171]

4.3. Полевые транзисторы с р-п-переходом и барьером Шоттки 295

напряжения смещения. С ростом приложенного к затвору обрат-

ного смещения толщина обедненных слоев возрастает, вызывая

сужение проводящего канала и уменьшение протекающего через

него тока. В определенном смысле работа этого транзистора

напоминает работу электронной лампы, в которой управляющее

напряжение на сетке модулирует ток электронов, движущихся

от катода к аноду. Поскольку проводимость канала определя-

ется главным образом основными носителями, этот тип поле-

вых транзисторов также называют униполярными транзисторами

(в отличие от биполярных транзисторов, рассмотренных нами

в гл. 2).

Из-за довольно высокой емкости затвора и низкой крутиз-

ны вольт-амперной характеристики первые кремниевые полевые

транзисторы с управляющим р-п-переходом имели невысокую

предельную частоту fx (см. формулу (4.21)) и применялись

в основном для усиления сигналов в области низких и сред-

них частот. В середине 60-х гг. стало понятным, что фактором,

ограничивающим быстродействие полевых транзисторов, являет-

ся не слишком высокая подвижность электронов в Si. Поэтому

для увеличения быстродействия этих приборов было предложено

использовать синтезированные в это время новые полупровод-

никовые материалы с более высокой подвижностью и скоростью

насыщения электронов — GaAs и другие соединения A

К сожалению, термодинамическая и химическая нестабильность

собственного окисла, его недостаточно высокое сопротивление,

а также высокая плотность поверхностных состояний на границе

полупроводника с собственным окислом и другими диэлектрика-

ми (10

см

-2

в случае GaAs и 10

см"

в случае InP (141])

не позволяли получить на основе этих полупроводников хорошие

МОП-транзисторы.

Чтобы сохранить основные преимущества полевых транзи-

сторов (работа на основных носителях заряда) и использовать

новые, более перспективные материалы, была предложена дру-

гая конструкция полевого транзистора — полевой транзистор

с барьером Шоттки. Работоспособность такого транзистора из

GaAs была продемонстрирована Мидом [172], а первый прибор

из GaAs, в котором крутизна вольт-амперной характеристики

была в 5 раз выше, чем в приборе из Si идентичной геомет-

рии, был создан в 1967 году [205]. В настоящее время именно

такую конструкцию имеют СВЧ полевые транзисторы из GaAs.

В этих приборах с длиной канала 0,25 мкм получена предель-

ная частота fx — 106 ГГц; логические элементы на транзисто-

рах с длиной канала 0,3 мкм имели задержку распространения

296 Гл. 4. Полевые транзисторы

сток

16 пс/вентиль [156]. Более высокое быстродействие имеют

только полевые транзисторы с НЕМТ-структурой (см. с. 298).

На основе полевых транзисторов с барьером Шоттки в настоящее

время налажен выпуск мощных высокочастотных транзисторов

из GaAs, а недавно появились и аналогичные транзисторы на

основе карбида кремния SiC. Эти приборы позволяют получить

выходную мощность 25-50 Вт на частотах до 2-4 ГГц.

Устройство полевого

? ^ транзистора с барьером

Шоттки (см. рис. 4.27)

качественно похоже на

устройство рассмотренного

выше полевого транзистора

с управляющим р-п-пере-

ходом. Отличием является

то, что в этом транзисторе

затвором является кон-

такт металл-полупровод-

ник (барьер Шоттки), а

тонкий слой проводящего

полупроводника с харак-

терной концентрацией п ~

подложка

Рис. 4.27. Схематическое устройство поле-

вого транзистора с барьером Шоттки. Ха-

рактерные размеры прибора: а = 0,3 мкм,

L = 0,25-1,5 мкм

~ 3 • 10

см

-3

получен эпитаксиальным наращиванием на

полуизолирующую подложку, изготовленную из высокоомных

GaAs(Cr) или InP(Fe).

Вольт-амперная характеристика полевого транзистора

с барьером Шоттки. Рассчитаем вольт-амперную характери-

стику полевого транзистора с барьером Шоттки в случае од-

нородно легированного канала n-типа проводимости 0. Пусть,

как показано на рис.4.27, к стоку относительно истока прило-

жено напряжение V

, а к затвору — V

. Протекающий в ка-

нале электрический ток вызывает в нем падение напряжения

V(x), которое увеличивается при перемещении от истока к сто-

ку. Поскольку напряжение во всех точках затвора одинаково,

то локальная толщина обедненного слоя h(x), и, следователь-

но, толщина проводящего канала [а~/г(гс)], также изменяются

вдоль образца. Будем считать, что канал достаточно длинный

(L » а), а продольная компонента напряженности электриче-

ского поля £

намного меньше поперечной компоненты £

') Решение задачи для произвольного профиля легирования можно найти

в [14].

4.3. Полевые транзисторы с р-п-переходом и барьером Шоттки 297

возникающей в обедненном слое. Эти условия позволяют прене-

бречь эффектами двумерности в распределении электрического

поля в приборе и свести задачу к одномерной, то есть рассмат-

ривать ее в уже известном нам приближении плавного канала.

Границу обедненной области будем считать резкой. Кроме того,

будем считать, что напряженность продольного электрического

поля невелика, так что зависимостью подвижности электронов

Рп от напряженности поля можно пренебречь.

В соответствии с формулой (1.102), локальная толщина обед-

ненного слоя в барьере Шоттки в приближении плавного канала

равна

(4.24)

где Nd — концентрация легирующей примеси в канале, а Уы —

величина встроенного потенциала.

Учитывая, что ток стока /

одинаков во всех сечениях образ-

ца и вдоль образца меняется лишь толщина канала [а

—

/i(x)],

нетрудно найти распределение электрического поля в канале:

dx qpnN^Wla - /i(x)] ' (4.25)

где W — ширина канала. Исключим из уравнения (4.25) пе-

ременную V. Для этого возведем в квадрат обе части урав-

нения (4.24) и, переходя к дифференциалам, получим dV =

= {AirqNdle)hdh. Подставляя эту величину в уравнение (4.25)

и перегруппировывая сомножители, приходим к следующему

дифференциальному уравнению:

dx =

g -

h)dh

. (4.26)

£l

Интегрируя это уравнение по х от истока (х = 0) до стока (я =

— L) с учетом вытекающих из (4.24) граничных условий,

/1(0) = ^(Ф^ШУЬг ~ К,] ,

ЦЬ) = yJ{e!2*qN

)

4- V

- VJ,

в итоге получаем вольт-амперную характеристику полевого тран-

зистора с барьером Шоттки:

/с -

27)

зъ

298

Гл.

Полевые транзисторы

где V^o =

27гqNja

/е

— напряжение перекрытия (отсечки) ка-

нала. Полученная формула справедлива при таких напряжениях

на затворе и стоке, при которых канал не перекрывается да-

же в самой узкой его части вблизи стока. За этой границей

(при V > У

нас

= Vpo - Vbi + V

) ток стока выходит на насы-

щение; как и в МОП-транзисторе, в этой области напряжений

ток стока определяется инжекцией электронов из проводящего

канала в обедненный слой.

Из формулы (4.27) нетрудно вычислить крутизну вольт-

амперной характеристики транзистора, которая равна

9т =

dV,

VcSS const

= qp

1/2

(4.28)

в линейной области и

Ятмьс

= q^nNd

v..;

(4.29)

771.

нас

точности

в области насыщения. Интересно, что величина д

равна проводимости канала транзистора при V

—>

Транзисторы с высокой подвижностью электронов

(НЕМТ-транзисторы). Для увеличения быстродействия

полевых транзисторов с барьером Шоттки необходимо увели-

чивать подвижность электронов в канале. В так называемых

транзисторах с высокой подвижностью электронов (НЕМТ-

транзисторах) *) для этого используется обсуждавшаяся на

с. 115 возможность увеличения подвижности носителей в струк-

турах с гетеропереходом за счет пространственного разнесения

области полупроводника, содержащей легирующие примеси, и

канала, в котором движутся носители заряда [69, 156]

Конструкция полевого транзистора, канал которого распола-

гается в потенциальной яме на границе двух полупроводников,

была предложена в 1980 г. почти одновременно в пяти лабора-

ториях мира, но первенство закреплено за Мимурой с соавтора-

ми [206), работавшими в фирме Fujitsu. Они-то и предложили

называть эти приборы транзисторами с высокой подвижностью

электронов (НЕМТ-транзисторами). Другим распространенным

') НЕМТ = high electron mobility transistor.

4.3. Полевые транзисторы с р-п-переходом и барьером Шоттки 299

названием этой структуры является MODFET — modulation-

doped field-effect transistor.

исток затвор сток

ra-AlGaAs

i-AlGaAs

какал

тг-GaAs

подложка

GaAs(Cr)

7r-GaAs

а о

Рис. 4,28. Поперечное сечение (а) и энергетическая диаграмма

(б)

транзистора

с высокой подвижностью электронов

Рассмотрим один из вариантов конструкции НЕМТ-

транзистора, в котором используется гетеропереход GaAs-

AlsGai-zAs (см. рис. 4.28). На полуизолирующей подложке

из GaAs(Cr) методами молекулярно-лучевой эпитаксии или

MOCVD сначала выращивается тонкий (1-2 мкм) эпитак-

сиальный слой нелегированного 7r-GaAs с концентрацией

дырок р < 10

см~

. Далее на этом слое наращиваются

сверхтонкий (30-60 А) слой нелегированного твердого раствора

i-Alo,3Gao.7As («спейсер»), а затем более толстый (500-700 А)

слой того же твердого раствора, легированного кремнием (A

j ~

« 2 • 10

см"

). На поверхности структуры затем создается

затвор (барьер Шоттки из А1). Далее, используя затвор

в качестве маски, с помощью ионной имплантации формируются

сильно легированные п

-области стока и истока, и, наконец,

к ним создаются омические контакты из AuGe/Ni.

При комнатной температуре донорные уровни в п-

Ga]_

As ионизуются, а электроны с них переходят в кванто-

вую яму с треугольным профилем, образованную в GaAs вблизи

гетерограницы. Пространственное разнесение с помощью слоя

спейсера канала, в котором движутся электроны, и области,

в которой остались ионизованные атомы доноров, резко

ослабляет рассеяние электронов ионизованными примесями и

увеличивает подвижность электронов в канале до значений,

характерных для нелегироваиного материала (~9000 см

/В

•

при 300 К). Это значение почти вдвое выше характерной

подвижности электронов в канале полевого транзистора из

300 Гл. 4. Полевые транзисторы

GaAs с барьером Шоттки и в 10-20 раз выше, чем в канале

кремниевого МОП-транзистора. Особенно разительное различие

подвижностей наблюдается при понижении температуры:

при 4,2 К подвижность электронов в канале может достигать

6,4- 10

см

/В

с [85].

Энергетическая диаграмма НЕМТ-транзистора показана на

рис. 4.286. Ее отличительной особенностью является наличие

двух взаимодействующих областей пространственного заряда —

области, создаваемой барьером Шоттки к n-AlxGai-zAs, и об-

ласти, создаваемой анизотипным гетеропереходом. Уровни леги-

рования и толщины слоев в транзисторе, энергетическая диа-

грамма которого изображена на рисунке, могут быть подобра-

ны так, чтобы транзистор работал как в режиме обогащения,

так и в режиме обеднения. Для цифровых ИС, работающих

от источника питания одной полярности, удобнее использовать

транзисторы, работающие в режиме обогащения (то есть когда

при V

= 0 транзистор закрыт), а для СВЧ ИС — транзисторы,

работающие в режиме обеднения. Взаимодействие двух областей

пространственного заряда обеспечивает то, что при подаче на

затвор положительного смещения уровень размерного квантова-

ния в квантовой яме (обозначенный на рисунке Eq) опускается

ниже уровня Ферми в 7r-GaAs и канал заполняется электронами.

Из-за большой высоты барьера Шоттки к Al

Gai _xAs ток в цепи

затвора даже при V

„ > 0 остается малым.

Особенностью фор-

мирования энергетиче-

ской диаграммы НЕМТ-

60 транзистора является то,

что при достаточно боль-

q < ших прямых смещениях

на затворе край зоны

проводимости в широ-

козонном полупроводни-

ке может опуститься ни-

0 же уровня Eq и тогда

электроны начнут пере-

текать из квантовой ямы

в яму, образующуюся в

n-слое. Это приводит к

уменьшению эффектив-

ной подвижности элек-

«л

-2 —1,5

1 1

Ки = 3 В

•

J i

-1 -0,5

ЗН1

0 0,5

Рис. 4.29, Зависимость тока стока 1

и кру-

тизны д

вольт-амперной характеристики от

напряжения на затворе в НЕМТ-транзисторе

2SK3001 фирмы Hitachi

тронов (заметная часть электронов движется в области, в кото-

рой велико примесное рассеяние) и ослаблению управляемости

4.3. Полевые транзисторы с р-п-переходом и барьером Шоттки 301

характеристиками транзистора со стороны затвора (электроны

экранируют электрическое поле затвора). Оба эффекта приводят

к ослаблению зависимости тока стока от напряжения на затворе

и уменьшению крутизны вольт-амперной характеристики (см.

рис. 4.29).

Расчеты показывают, что в НЕМТ-транзисторах с коротким

каналом крутизна вольт-амперной характеристики в области на-

сыщения определяется скоростью насыщения v

и почти не за-

висит от подвижности электронов в слабом электрическом поле.

Поэтому может показаться, что большого смысла бороться за

увеличение подвижности нет. Однако это не так: увеличение

подвижности немного увеличивает значение v

и приводит к

заметному уменьшению сопротивлений областей истока и стока

(эти сопротивления, как мы отмечали на с. 258, оказывают

негативное влияние на крутизну вольт-амперной характеристи-

ки). Поэтому стремление создавать все более высокочастотные

приборы с неизбежностью приводит к поиску полупроводников с

высокими значениями и ц

С другой стороны, для создания мощных транзисторов необ-

ходимо, чтобы удельный ток стока на единицу ширины канала

в открытом состоянии транзистора был как можно выше. Чтобы

добиться этого, необходима высокая поверхностная плотность

электронов n

в канале. К сожалению, описанный выше эф-

фект перетекания электронов в широкозонную часть структуры

не позволяет сколь угодно сильно увеличивать n

\ типичное

значение п

в НЕМТ-транзисторах на основе GaAs/AIGaAs со-

ставляет ~10

см""

в то время как в полевых транзисторах

из GaAs с барьером Шоттки эта величина на порядок выше.

Нетрудно показать, что максимальное значение n

возраста-

ет с увеличением энергии разрыва зон ДЕ

на гетерограни-

це. Однако увеличивать АЕ

путем увеличения доли алюми-

ния в твердом растворе n-Al

Gai_a;As выше х = 0,25 нельзя

из-за возникновения в нем глубоких донорных уровней. По-

этому разработчики НЕМТ-транзисторов обратились к поиску

других гетеропереходных пар с большим значением

АЕ

Так

были получены НЕМТ-транзисторы на основе структуры InP-

Alo,48lno,52As-Ino,53Gao,47As-Alo,48lno,52As, согласованной по па-

раметру решетки. Однако решением проблемы стал полный отказ

от согласованных по параметру решетки гетеропереходных пар и

переход к использованию очень тонких напряженных (псевдо-

морфных) слоев в качестве узкозонной части структуры. Транзи-

сторы с таким напряженным слоем называют псевдоморфными

НЕМТ-транзисторами (рНЕМТ). В качестве узкозонного слоя