Особенности расчёта приборов на основе гетероструктур Al Ga

Особенности расчёта приборов на основе гетероструктур Al. Ga. N/Ga. N в САПР приборно-технологического моделирования Д. Г. Дроздов 1, 2, Е. М. Савченко 1, 2, В. О. Сиомко 1, 2 1 - ФГУП "НПП "Пульсар", г. Москва, 2 - МГТУ МИРЭА, г. Москва 1

Транзисторы на основе Al. Ga. N/Ga. N q q q Преимущества: Высокие значения как пробивного напряжения, так и плотности тока; Возможность работать в условиях повышенной температуры (до 400 o. C); Возможность работать в условиях повышенного уровня радиации (); Недостатки: q Отсутствие собственной подложки (промышленных образцов), что приводит к механическим напряжениям при росте на подложках из других материалов (Si. C, Al 2 O 3, высокоомный (>104 Ом·см) кремний); q Существенно более сильное влияние поверхностных и объемных ловушек на статические и динамические характеристики по сравнению с транзисторами на основе Ga. As. Примеры современных транзисторов а) б) в) Рис. 1 Транзисторы Toshiba TGI 5896 -50 (а), Nitronex NPTB 00004 (б), ФГУП «НПП «Пульсар» (в) 2

Цель работы q Рассмотреть существующие модели для описания гетероструктур и транзисторов на основе нитрида галлия; q Сформировать методику моделирования подобных приборов в САПР приборнотехнологического моделирования; q Провести оптимизацию конструкции гетероструктуры с использованием разработанной методики. 3

Особенности гетероструктур Al. Ga. N/Ga. N q Спонтанная и пьезоэлектрическая поляризации; q Квантовые эффекты; q Подвижность носителей заряда; q Объемные и поверхностные ловушки, фоновое легирование; q Туннелирование. 4

Спонтанная и пьезоэлектрическая поляризации Модель Амбахера 1, 2 : Рис. 2 Зависимость заряда от мольной доли Al 1. O. Ambacher et al. Two-dimensional electron gases induced by spontaneous and piezoelectric polarization charges in N- and Ga-face Al. Ga. N/Ga. N heterostructures. // Journal of Applied Physics, Vol. 85, NO. 6, 1999. P. 3222– 3233. 2. O. Ambacher et al. Two dimensional electron gases induced by spontaneous and piezoelectric polarization in undoped and doped Al. Ga. N/Ga. N heterostructures. // Journal of Applied Physics, Vol. 87, NO. 1, 2000. P. 334– 344. 5

Квантовые эффекты Двумерное уравнение Шредингера: Рис. 3 Распределение концентрации электронов Квантовый потенциал Бома: Где h – постоянная Планка, α и γ – поправочные коэффициенты, M-1 - тензор обратной эффективной массы, n - плотность носителей заряда. Рис. 4 Распределение концентрации электронов 6

Подвижность носителей заряда Модель Фарахманда (модифицированная модель Коэ - Томаса)1 Рис. 5 Зависимость скорости носителей заряда от электрического поля, полученная с помощью модели Фарахманда 1. Maziar Farahmand, et al. Monte Carlo Simulation of Electron Transport in the III-Nitride Wurtzite Phase Materials System: Binaries and Ternaries // IEEE Transactions on electron devices, Vol. 48, No. 3, March 2001. P 535 -542. 7

Объемные ловушки в Ga. N Рис. 6 Энергетические уровни глубоких ловушек в Ga. N Рис. 7 Распределение концентрации электронов с учетом ловушек Таблица 11 1. Aditya Kalavagunta. Understanding the impact of bulk traps on Ga. N HEMT DC and RF characteristics (dissertation) 8

Туннелирование посредством фононов (Ph. AT)1, 2 Рис. 8 Обратная вольт-амперная характеристика диода Шоттки сток-затвор Рис. 9 Прямая вольт-амперная характеристика диода Шоттки сток-затвор 1. P. Pipinys, V. Lapeika. Analysis of reverse-bias leakage current mechanisms in metal/Ga. N Schottky diodes // Advances in Condensed Matter Physics. - 2010. 2. Wei Lu, Lingquan Wang, Siyuan Gu, Aplin D. P. R. , Estrada D. M. , Yu P. K. L. , Asbeck P. M. Analysis of reverse leakage current and breakdown voltage in Ga. N and In. Ga. N/Ga. N Schottky barriers // Electron Devices, IEEE Transactions on. - 2011. - V. 58, - № 7. - P. 1986 – 1994. 9

Конструкции гетероструктур Nitronex corp. и ФГУП «НПП «Пульсар» Параметры транзистора: Ширина затвор Wg = 1000 мкм. Длина затвора Lg = 0. 5 мкм. Расстояние затвор/исток Lси =1 мкм. Расстояние сток/исток Lси =4 мкм. Параметры транзистора: Ширина затвор Wg = 60 мкм. Длина затвора Lg = 0. 5 мкм. Затвор расположен по середине. Расстояние сток/исток Lси =4 мкм. Рис. 10 Конструкции гетероструктур Al. Ga. N/Ga. N, используемых для производства транзисторов Nitronex corp. и ФГУП «НПП «Пульсар» 10

Сопоставление результатов: транзистор NPTB 00004 а) б) Рис 11. Сравнение входных (а) и выходных (б) вольт-амперных характеристик реального транзистора (сплошная линия) и результатов расчетов (пунктирная линия) Рис 12. Сравнение коэффициентов передачи реального транзистора (красная линия) и результатов расчетов (синяя линия) 11

Сопоставление результатов: транзистор ФГУП «НПП «Пульсар» а) б) Рис 13. Сравнение входных (а) и выходных (б) вольт-амперных характеристик реального транзистора (пунктирная линия) и результатов расчетов (сплошная линия) 12

Моделирование вольт-фарадных и импульсных характеристик а) б) Рис. 14 Зависимость Cз = f (Uзи) при различных концентрациях объемных ловушек (Uси=5 В) Рис. 15 Импульсные вольт-амперные характеристики 13

Математические основы расчёта коэффициента шума Локальные источники шума: Флуктуации напряжения: Коэффициент шума: Fmin – минимальный коэффициент шума; Z 0 – оптимальный импеданс источника; gn – шумовая проводимость. 1. 2. F. Bonani, G. Ghione, M. R. Pinto, and R. K. Smith, “An efficient approach to noise analysis through multidimensional physicsbased models, ” IEEE Trans. Electron Devices, vol. 45, pp. 261– 269, Jan 1998. T. C. Mc. Gill, M. -A. Nicolet, and K. K. Thornber, “Equivalence of the Langevin method and the impedance-field method of calculating noise in devices, ” Solid-State Eletronics, vol. 17, pp. 107– 108, 1974. 14

Источники шума Диффузионный шум: Коэффициент диффузии: Шум генерации-рекомбинации: 1) Прямая генерация-рекомбинация Скорость генерации-рекомбинации: 2) Генерация-рекомбинация с помощью ловушек Скорость генерации-рекомбинации: 1. Muth, J. , et. al. , "Absorption Coefficient, Energy Gap, Exciton Binding Energy, and Recombination Lifetime of Ga. N Obtained from Transmission Measurements", Appl. Phys. Lett. Vol. 71 (1997): 2572 -2574. 2. Zhou, B. , Butcher, K. , Li, X. , Tansley, T. , "Abstracts of Topical Workshop on III-V Nitrides". TWN '95, Nagoya, Japan, 1995. 3. Walker, D. , Zhang, X. , Saxler, Z. , Kung, P. , Xj, J. , Razeghi, M. , "Alx. Ga(1 -x)N(0<=x, =1)Ultraviolet Photodetectors Grown on Sapphire by Metal-Organic Chemical-Vapor Deposition", Appl. Phys. Lett. Vol. 70, No. 8 (1997): 949 -951. 15

Распределение источников шума по структуре Рис. 16 Распределение источников шума по структуре Рис. 17 Распределение источников шума по структуре (увеличенный масштаб) 16

Характеристики транзистора ФГУП «НПП «Пульсар» (Wg=1000 мкм) Рис. 19 Зависимость Ic=f(Uзи) Рис. 18 Зависимость Iс=f(Uси) Рис. 20 Зависимость gm=f(Uзи) 17

Характеристики транзистора Рис. 22 Зависимость h 21=f(f) Uси = 10 В, Uзи = 0 В Рис. 21 Зависимость NFmin=f(f) Uси = 10 В Рис. 23 Зависимость Gma=f(f) Uси = 10 В, Uзи= 0 В 18

Оптимизация спейсерного слоя Al. Ga. N Рис. 24 Зависимость Iс=f(Uси) Uзи= 0 В Рис. 25 Зависимость NFmin=f(f) Uси = 10 В, Uзи= 0 В Отсутствие модели учета различных механизмов рассеяния носителей заряда приводит к тому, что мы нее можем промоделировать рост рассеяния носителей заряда на примесях в сильнолегированном слое Al. Ga. N и, соответственно, снижение подвижности в области двумерного электронного газа. Таким образом, оптимальной толщиной спейсерного слоя представляется толщина = 1 -2 нм. 19

Спейсерный слой Al. Ga. N а) б) в) Рис. 26 Распределение волновых функций электронов по координате y а) без спейсерного слоя; б) d (Al. Ga. N) = 1 нм; в) d (Al. N) = 1 нм 20

Влияние объемных ловушек и фонового легирования Объемные ловушки Фоновое легирование Рис. 27 зависимость NFmin=f(f) Uси=10 В, Uзи=0 В Рис. 28 зависимость NFmin=f(f) Uси=10 В, Uзи=0 В Рис. 29 зависимость Gma=f(f) Uси=10 В, Uзи=0 В Рис. 30 зависимость Gma=f(f) Uси=10 В, Uзи=0 В 21

Влияние барьерного и сильнолегированного слоев Al. Ga. N Барьерный слой Al. Ga. N Сильнолегированный слой Al. Ga. N Рис. 31 зависимость Iс=f(Uси) Uси=10 В, Uзи=0 В Рис. 32 зависимость Iс=f(Uси) Uси=10 В, Uзи=0 В Рис. 33 зависимость NFmin=f(f) Uси=10 В, Uзи=0 В Рис. 34 зависимость NFmin=f(f) Uси=10 В, Uзи=0 В 22

Оптимизация конструкции гетероструктуры Рис. 35 Зависимость Nfmin = f (f) от толщины барьерного слоя при толщине легированного слоя = 15 нм Uзи = 0 В, Uси = 10 В Рис. 36 Зависимость Gma= f (f) от толщины барьерного слоя при толщине легированного слоя = 15 нм Uзи = 0 В, Uси = 10 В 23

Оптимизация конструкции гетероструктуры Рис. 37 Зависимость тока стока от толщин слоев Al. Ga. N при Uзи = 0 В, Uси = 10 В Рис. 38 Зависимость NFmin от толщин слоев Al. Ga. N при Uзи = 0 В, Uси = 10 В, f =10 ГГц Вывод: оптимальная конструкция гетероструктуры по результатам расчёта с использованием представленной модели следующая: - толщина барьерного Al. Ga. N слоя = 5 нм - толщина легированного Al. Ga. N слоя = 18 нм; - толщина спейсерного Al. Ga. N слоя = 2 нм. 24

Выводы q Представлена модель для расчёта Al. Ga. N/Ga. N транзисторов с конструкцией, содержащей три слоя Al. Ga. N. q По результатам моделирования получены оптимальные значения толщин слоев Al. Ga. N для построения малошумящих транзисторов. q Необходимо проводить дальнейшую коррекцию модели для адекватного моделирования гетероструктур более сложной конструкции, а также таких физических эффектов как фликер-шум, отрицательная дифференциальная проводимость, и т. д. 25

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ! 26