Особливості роботи арсенід-галієвих польових транзисторів шоткі у напружених режимах

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ

УДК 621.382.323

ОСОБЛИВОСТІ РОБОТИ АРСЕНІД-ГАЛІЄВИХ ПОЛЬОВИХ ТРАНЗИСТОРІВ ШОТКІ У НАПРУЖЕНИХ РЕЖИМАХ

05.27.01 - твердотільна електроніка

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ЗУЄВ СЕРГІЙ ОЛЕКСАНДРОВИЧ

Харків - 2007

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі "Радіофізика та електроніка" аврійського національного університету ім. В.І. Вернадського (м. Сімферополь), Міністерство освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, доцент

Старостенко Володимир Вікторович,

Таврійський національний університет ім. В.І. Вернадського, завідувач кафедри радіофізики та електроніки.

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор

Аркуша Юрій Васильович,

Харківський національний університет

ім. В.Н. Каразіна, професор кафедри напівпровідникової і вакуумної електроніки;

кандидат технічних наук,

Карушкін Микола Федорович,

завідувач відділу державного підприємства НДІ “Оріон” (м. Київ).

Провідна установа: науково-виробниче підприємство “Карат” (м. Львів).

Захист відбудеться 29 березня 2007 р. о 15-й годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 64.052.04 при Харківському національному університеті радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, просп. Леніна, 14, ауд.13.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Харківського національного університету радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, просп. Леніна, 14.

Автореферат розісланий “26” лютого 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, Б.Г. Бородін

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Арсенід-галієві ПТШ-структури сьогодні є фундаментальною основою розвитку твердотільної НВЧ електроніки й зверхшвидкодіючих інтегральних схем. НВЧ напівпровідникові прилади (НПП) та елементи на основі польових транзисторів із затвором Шоткі (ПТШ) функціонують у режимах, обумовлених не тільки штатним живленням і навантаженням, але й навколишньою електромагнітною обстановкою. Тому найчастіше реальні робочі режими виявляються близькими до перенапруженого.

Поза залежністю від причини виникнення напруженого режиму, у ПТШ проходять ті самі фізичні процеси, суть яких зводиться до того, що до електродів додається додаткова напруга. Під впливом зовнішніх електромагнітних полів, значення додаткової напруги обумовлюється як власними геометричними розмірами, так і розмірами підвідних провідників. З великими довжинами підвідних провідників, значення додаткової напруги, що додається до активного приладу, може досягати пробійних значень і призводити як до поступової деградації мікроструктурних елементів приладів, так і до їхньої катастрофічної відмови.

Всі дані про пробій у ПТШ, як правило, отримано експериментальними шляхом і носять описовий характер. З експериментальних досліджень не є можливим визначити тип пробою, дослідити розвиток процесу пробою в часі (дослідити динаміку процесів), визначити що саме пробивається: канал або білястокова область.

Теорія й моделі класичних Si та GaAs ПТШ у звичайних режимах досить добре розроблені, однак у зв'язку з безперервним прагненням до збільшення швидкодії приладів, чинними стають ефекти, що вимагають додаткового розгляду.

Задача підвищення швидкодії сучасних транзисторів та інтегральних схем вирішується, як правило, шляхом зменшення довжини каналу. З одного боку це призводить до високої напруженості поля в каналі й виникнення ефектів, пов'язаних по-перше, з обмеженням рухливості носіїв і виходом швидкості дрейфу в режим насичення (ефект гарячих електронів), по-друге, - з тим, що на малих довжинах у результаті пробою струм стоку не насичується й гранична напруга залежить від довжини каналу. З іншого боку можливість зменшення довжини каналу обмежена збільшенням впливу паразитної ємності на електродах. У ПТШ вплив паразитної ємності трохи менший, ніж в інших структурах (наприклад, у МОН) за рахунок відсутності p-n переходів, що дозволяє значно зменшувати довжину каналу. Таке зниження довжини каналу поряд з використанням, в альтернативу Si, напівпровідників з високою рухливістю носіїв, наприклад GaAs, призводить до того, що питання дослідження короткоканальних ефектів стоїть досить гостро.

Традиційно використовувані класичні методи моделювання не дозволяють здійснювати дослідження поведінки транзисторів у напружених режимах роботи та в умовах пробою існуючими чисельними моделями ПТШ. Для опису процесів, у тому числі пробою, у короткоканальних приладах слід досліджувати специфіку розсіювання й розігріву носіїв заряду в арсеніді галію, можливість переходу транзистора в балістичний режим переносу зарядів, перенапружені струмові й теплові умови роботи, що є актуальним розвитком існуючих моделей.

Таким чином, задача роботи - виявити особливості статичних і динамічних характеристик GaAs ПТШ в області входження у перенапружений режим, включаючи пробій, і створити практично експлуатаційну модель для урахування цих особливостей під час проектування відповідних компонентів та елементів інтегральних мікросхем. Ця задача є актуальною, складає теоретичний інтерес і має практичне застосування.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана у рамках держбюджетної теми кафедри радіофізики й електроніки Таврійського національного університету ім. В.І. Вернадського “Дослідження впливу імпульсних електромагнітних полів на мікроструктури та моделювання електронних приладів” (номер держреєстрації №0101U005650) і відповідно до госпдоговірної теми з Науково-дослідним інститутом телевізійних апаратур “Фотон” (м. Сімферополь).

Мета та задача дослідження. Метою дисертаційної роботи є розвиток загальної теорії GaAs ПТШ у напрямку врахування специфіки розігріву й розсіювання носіїв при напружених режимах роботи й формуванні струмового й теплового пробоїв.

Об'єкт досліджень - швидкозмінні фізичні процеси і явища переносу заряду, що визначають динаміку процесів вмикання, вимикання й розвитку лавинного пробою в ПТШ.

Предмет досліджень - напівпровідникові структури з бар'єром Шоткі, ПТШ у дискретному й інтегральному виконанні.

Задача досліджень - розкрити особливості статичних і динамічних характеристик GaAs ПТШ в області входження у перенапружений режим, включаючи пробій, і створити практично експлуатаційну модель для урахування цих особливостей під час проектування відповідних компонентів і елементів інтегральних мікросхем.

Для досягнення поставленої мети слід вирішити такі основні задачі:

обґрунтування окремих формулювань у загальній чисельно-аналітичній моделі GaAs ПТШ, що враховує розігрів, механізми розсіювання носіїв і розвиток струмово-теплового пробою;

розробка оптимальної чисельної реалізації програми досліджень характеристик GaAs ПТШ у напружених і перенапружених режимах з урахуванням тепловиділення і його локалізації;

виконання чисельних досліджень залежності експлуатаційних характеристик GaAs ПТШ від параметрів структури й режиму роботи.

Методи дослідження:

Моделювання процесів у ПТШ, чисельне моделювання процесів струму та множення носіїв у напівпровідниковій структурі з урахуванням інтегралів зіткнень та обміну енергією між електронним газом і кристалічною решіткою, перенесення заряду на контактах метал-напівпровідник різного типу, для чого використовувалися:

FACR, метод кінцевих різниць для розв'язання рівняння Пуассона;

модифікований метод Ейлера для розв'язання рівнянь руху;

неявний метод прогону для розв'язання рівняння теплопровідності;

метод великих часток (Монте-Карло) для розв'язання рівняння Больцмана.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що:

Створено й реалізовано нову чисельно-аналітичну модель GaAs ПТШ структур, що забезпечує можливість аналізу їхнього функціонування в переднапружених і напружених режимах, що базується на загальному розв'язанні кінетичної та теплової задач із урахуванням специфіки розігріву й механізмів розсіювання носіїв у каналі.

Установлено вплив режиму роботи й параметрів напівпровідникової структури (НПС) на межу балістичного транспорту вільних носіїв. Визначено залежність динаміки зміни рухливості вільних носіїв від збільшення температури кристала в режимі великих струмів.

З урахуванням оцінки впливу додаткових механізмів розсіювання досліджено статичні та динамічні характеристики ПТШ у номінальному режимі та показано, що їхній вплив проявляється тільки в переднапруженому та напруженому режимах. Шумові характеристики ПТШ і внесок різноманітних механізмів розсіювання в них обумовлюються довжиною каналу: для каналів до 0,2 мкм домінантним є розсіювання на іонах домішок і дефектах решітки, для каналів довжиною більше 0,5 мкм додатковими джерелами шуму є: розсіювання на оптичних фононах і перехід електронів у бічні долини. При певних геометріях додатковим джерелом шуму в транзисторі є механізм створення статичних доменів у каналі.

Визначено умови виникнення й показано у динаміці процес створення струмового шнура в каналі ПТШ в області входження в перенапружений режим. У результаті проведених досліджень динаміки розвитку лавинного струмового й теплового пробою каналу, що призводять до деградації транзистора й виходу його з ладу, показано, що у випадку активних приладів з різною довжиною робочої області критерій стійкості приладів Вунша-Бела потребує уточнення. Отримані результати чисельних експериментів, по-перше, збігаються з експериментальними даними за характеристиками ПТШ у тих режимах, де експеримент можливий та проводився, по-друге, розширюють уявлення про характеристики й особливості його роботи там, де експерименти не проводилися або принципово неможливі.

Практичне значення отриманих результатів: обумовлюється створенням пакета програм моделювання напружених струмових режимів ПТШ та отриманими під час розв'язання поставлених задач результатами чисельних експериментів.

Найбільше значення мають такі результати:

розроблено методику оцінки межі балістичного транспорту носіїв у приладі й отримано розрахункові залежності рухливості вільних носіїв від параметрів матеріалу дозволяють дати рекомендації розроблювачам балістичних і швидкодіючих ПТШ на гарячих електронах за оптимальними співвідношеннями рівня легування матеріалу, температурного режиму роботи та розмірів активної області приладу;

розроблена чисельно-аналітичну модель забезпечила можливість створення програмного комплексу з моделювання й проектування короткоканальних уніполярних напівпровідникових приладів, що працюють як у номінальному, так і напруженому режимах;

створений пакет програм моделювання арсенід-галієвих уніполярних НПП субміліметрового діапазону є засобом кількісного і якісного аналізу для розроблювачів НПП, дозволяє здійснювати чисельні експерименти щодо виявлення впливу різноманітних режимних, розмірних і технологічних параметрів на електрофізичні та теплові характеристики приладу, дає можливість здійснювати оптимізацію приладу за визначеними критеріями;

отримано зв'язок між параметрами прикладеного імпульсу напруги, під зовнішнім впливом на ПТШ електромагнітних полів, зі стійкістю даного типу приладів; отримано критеріальні характеристики стійкості транзисторів, аналогічні критерію Вунша-Бела, але зі своєю специфікою; виявлено зв'язок часу виходу приладу з ладу в перенапруженому режимі роботи від довжини каналу; визначено умови виникнення струмового шнура в каналі ПТШ;

розроблена модель і програмне забезпечення може знайти застосування в навчальному процесі технічних спеціальностей електронного напрямку.

Особистий внесок здобувача. У працях, опублікованих зі співавторами, здобувачеві належить: [1-5, 7-10, 13, 15-21, 23-24] - розробка математичної моделі, розробка алгоритмів обчислень і програмного забезпечення, здійснення чисельних розрахунків та аналіз отриманих результатів; [6, 11-12, 14, 22, 25] - участь у дослідженнях і написанні робіт.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи докладено й обговорено на таких конференціях і семінарах: щорічних професорсько-викладацьких конференціях Таврійського національного університету; наукових семінарах кафедри радіофізики Таврійського національного університету; Міжнародних науково-технічних семінарах “Шумові та деградаційні процеси в напівпровідникових приладах” (Москва, Росія, 1997, 1998); International School-Conference for Young Scientists “Solid State Physics: Fundamentals & Applications” (Katsyveli, Crimea, Ukraine, 1997); 5-й, 6-й, 8-й, 15-й Міжнародних кримських конференціях “НВЧ-техніка й телекомунікаційні технології” (Севастополь, 1995, 1996, 1998, 2005, 2006 р.), 2-му Міжнародному форумі “Прикладна радіоелектроніка. Стан і перспективи розвитку” (МРФ). - Харків. - 2005.

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи відображені в 25 публікаціях, у тому числі в 15 статтях у наукових фахових журналах, одному депонованому рукописі, 9 матеріалах і доповідях на міжнародних семінарах і конференціях, три роботи, що вийшли в Україні, продубльовані в Telecommunications and Radio Engineering.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків і списку використаних джерел. Повний обсяг дисертації - 158 сторінок, у тому числі 121 сторінка тексту, 49 рисунків, дві таблиці, 178 найменувань використаних джерел на 19 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі відзначена актуальність теми дослідження, показано зв'язок дисертаційної роботи з науковим напрямком кафедри радіофізики Таврійського національного університету ім. В.І. Вернадського, зазначено мету роботи й методи досліджень, відзначено її новизну й практичне значення, розглянутий особистий внесок автора в друкованих працях зі співавторами.

У першому розділі “Огляд стану питання й вибір методу моделювання” зроблено огляд і проведено аналіз існуючих пакетів програм моделювання НПП. Розглянуто загальноприйняті наближення та методи, використовувані під час моделювання НПП. Показано необхідність розробки окремого пакета програм для моделювання динаміки розвитку процесів струму в режимі великих струмів для швидкодіючих ПТШ, розміри яких порівнянні з довжинами вільного прольоту електронів. Обґрунтовано вибір для розв'язання поставлених задач кінетичного наближення. У рамках даного наближення, поведінки НПП описується самоузгодженою системою рівнянь Больцмана, Пуассона та теплопровідності з відповідними граничними й початковими умовами. Обговорено межі застосовності розробленої моделі ПТШ. Показано, що для розв'язання поставленої системи рівнянь із достатнім ступенем точності ефективним є метод макрочастинок.

У другому розділі “Розвиток чисельно-аналітичної моделі ПТШ для аналізу короткоканальних ефектів” розглянуто основні методи, алгоритми та допущення, використовувані під час розв'язання рівнянь моделі, розроблений пакет програм чисельного моделювання струмопереносу й процесів розсіювання в ПТШ на GaAs. Описано інтерфейс пакета програм.

Традиційно використовувані класичні моделі НПП не можуть бути безпосередньо перенесені для розв'язання поставленої задачі. Під час моделювання короткоканальних GaAs ПТШ доцільно використовувати кінетичне наближення, у рамках якого процеси струмопереносу в кристалі транзистора описуються з урахуванням розсіювань і складної зонної структури арсеніду галію. Для урахування процесів теплопереносу дана система доповнена рівнянням теплопровідності, поєднаним через джерела тепловиділення з рівнянням Больцмана. У цілому, модель ПТШ є системою кінетичних рівнянь Больцмана для функцій розподілу вільних носіїв заряду, рівняння Пуассона для розподілу електричного поля в активній області транзистора та рівняння теплопровідності.

Рівняння Больцмана записується у такому вигляді: , де хвильова функція носія заряду, його тип, швидкість його руху, сила, що діє на носій заряду з боку електричних полів у приладі, інтеграли зіткнень, що описують взаємодію носіїв заряду з решіткою й один з одним.

Сила , що діє на частки, визначалася методом CIC з розподілу в приладі зовнішніх і внутрішніх електричних полів, що знаходилися з рівняння Пуассона: , де концентрація іонів домішки в активній області приладу, діелектрична проникність кристала.

Обмін енергією між газом вільних носіїв заряду й кристалічною решіткою враховувався через рівняння теплопровідності: , де питома теплоємність кристала напівпровідника, його щільність, коефіцієнт теплопровідності, щільність джерел тепловиділення.

Функція розподілу вільних носіїв у координатному й імпульсному просторах подається ансамблем макрочастинок. Відношення заряду до маси відповідає такому ж відношенню для електрона провідності. Поводження ансамблю макрочастинок з достатньою точністю описує поводження реальних частинок.

Інтеграл зіткнень у рівнянні Больцмана подавався ймовірностями розсіювання: , де підсумовування проводиться за всіма типами зіткнень; імовірність переходу носія зі стану із квазіімпульсом у стан з . Імовірність переходу пов'язана з часом між актами розсіювання на однакових центрах формулою , щільність імовірності розсіювання вільного електрона визначалася як , де сума частот всіх діючих механізмів розсіювання. При цьому передбачалося, що імпульс макрочастинки мінявся відповідно до гамільтоніану розсіювання. Стосовно до структури на GaAs розглянуто такі механізми розсіювання:

на оптичних та акустичних фононах кристалічної решітки;

міждолинний перехід з основної Г-долини в бічні L- і Х-долини зі зміною ефективної маси електрона;

на іонах домішки;

електрон-електронне та на точкових дефектах кристалічної решітки, викликаних впровадженням нейтральних атомів домішок;

на протяжних дефектах кристалічної решітки дислокаціях.

Проведено аналіз залежності частот розсіювання на різних центрах у НПС від енергії електронів, що, зокрема, дозволив оцінити межу балістичного ефекту в напівпровідникових матеріалах ПТШ. Розрахована функція залежності сумарної частоти розсіювання електронів у НПС від енергії електрона має мінімум в області середніх енергій, що дозволяє знайти оптимальну швидкість електронів, при якій вони можуть рухатися на найбільшу відстань без зіткнень.

Використані в моделі рівняння описують у загальному випадку довільні НПС. Електроди обумовлюють граничні умови й конкретизують прилад. У рамках кінетичного наближення, рівняння Больцмана не дозволяє описати з достатньою точністю явища переносу зарядів через контакти. Процеси переносу носіїв через контакт метал-напівпровідник, включаючи бар'єр Шоткі, описуються методом макрочастинок у рамках моделі НПС та уточнюються, використовуючи експериментально одержані ВАХ реальних контактів. Для цього, ті електрони, які попадають на контакт із напівпровідника, враховуються під час розв'язання рівняння Больцмана, а кількість електронів емісії розраховується за ВАХ контактом.

Геометрія ПТШ у планарному виконанні дозволяє використовувати двовимірне наближення, вважаючи макрочастинки циліндрами в напрямку , рекомбінацію й генерацію враховувати за допомогою відповідних часів у моделі розсіювання.

Розрахунок ПТШ проводився для активної області приладу, що охоплює частину витоку, надзатворну область із каналом і частину стоку. Як початкові умови для носіїв зарядів задавався рівномірний розподіл концентрації носіїв в активній області приладу та максвелівський розподіл за швидкостями поблизу температури кристалічної решітки. На кожному часовому кроці вирішувалися послідовно рівняння Пуассона, Больцмана, після чого - рівняння теплопровідності із джерелами, характеристики яких обумовлюються фононним обміном енергією між газом вільних електронів і кристалічною решіткою. Після цього моделювалася емісія електронів з електродів і оброблялися результати даного часового кроку.

На кожному часовому кроці виконувався такий алгоритм: 1) для кожної макрочастинки за обчислювався випадковий час вільного прольоту , що залежить від енергії макрочастинки й параметрів матеріалу; 2) вирішувалися рівняння руху за час ; 3) за частотами розсіювання методом Монте-Карло визначався випадковий механізм розсіювання й змінювалися відповідно до типу центра, що розсіює, енергія й квазіімпульс макрочастинки. Під час комп'ютерної реалізації моделі розсіювання розглядалися ті центри, розсіювання на яких найбільш імовірно, а саме: заряджені іони домішки, нейтральні іони домішки, дефекти кристалічної решітки, оптичні й акустичні фонони, електрони провідності й міждолинні фонони, на яких відбувається перехід між нееквівалентними долинами.

Взаємодія носіїв заряду між собою й із зовнішнім полем ураховувалося методом частка-сітка. В області приладу вводиться просторова сітка, на якій розв'язувалися методом FACR рівняння Пуассона й неявним методом рівняння теплопровідності з відповідними граничними умовами. Щільність розподілу заряду на сітці в рівнянні Пуассона визначалася методом просторового зважування. З розподілу поля обчислювалася сила, що діє на кожну макрочастинку в даний часовий інтервал. Запропоновано ряд способів оптимізації моделі й прискорення процесу моделювання.

У результаті моделювання перебуває загальна функція розподілу носіїв в активній області приладу . Вона дозволяє визначити всі необхідні фізичні й схемотехнічні параметри, такі як щільність електронів провідності , щільність струмів , щільність і потік кінетичної енергії:

, , , .

Чисельною реалізацією даної моделі є пакет програм, призначений для моделювання ПТШ, написаний мовою програмування Borland Delphi з урахуванням особливостей об'єктно-орієнтованого програмування. Модель для розрахунку ПТШ розбита на такі частини: модель НПС і моделі контактів метал-напівпровідник різного типу. У відповідність із таким розбиванням, загальна модель розрахунку ПТШ створена із трьох рівнів. На першому рівні розв'язуються методом макрочастинок рівняння Больцмана для необмеженої НПС. На другому рівні моделюється обмежена НПС, модель якої є системою рівнянь Больцмана, Пуассона та теплопровідності з відповідними граничними умовами. Третій рівень модель ПТШ. При цьому, модель другого рівня доповнена моделями контактів метал-напівпровідник. Дана модель розроблена для ПТШ на GaAs, зміна робочих виразів для частот розсіювання та зміна деяких коефіцієнтів, пов'язаних з матеріалом, дозволяє адаптувати дану модель під інші напівпровідникові матеріали.

У третьому розділі “Особливості функціонування й характеристики GaAs ПТШ у номінальному режимі” наведено результати апробації моделі під час розрахунку характеристик НПС і ПТШ у номінальному режимі роботи.

Проведено аналіз впливу параметрів легування та температури кристала на дрейфові характеристики НПС. Час виходу на пік дрейфових характеристик більшою мірою залежить від концентрації домішок, ніж від температури (рис.1). Це обумовлено тим, що при малих енергіях електронів істотну роль відіграють процеси розсіювання на іонах домішки, отже, при низьких рівнях легування електрони встигають розігнатися до більших швидкостей, поки не набуло чинності розсіювання на фононах. Отримана залежність швидкості дрейфу від температури в режимі насичення для напруженості 1-5 кВ/см має максимум в області температур порядку 200К.

Далі в даному розділі наведено результати розрахунку рухливості носіїв у напівпровідниковій структурі при різних режимах роботи. отримано залежності швидкості дрейфу під час роботи в режимі сильних струмів. Показано, що в цьому режимі струм вільних носіїв розігріває кристалічну решітку, у результаті чого змінюються частоти розсіювання, і, отже, швидкість дрейфу.

Для перевірки вірогідності моделі проведений чисельний розрахунок інтегральних характеристик ПТШ із довжиною затвора 30 нм. Отримані вольтамперні й частотні характеристики модельного транзистора з точністю збігаються з експериментально обмірюваними характеристиками відповідного транзистора (рис.2). На рис.2,б крива 1 отримана з експериментальних даних, крива 2 розрахункова.

Виконано також дослідження шумових характеристик ПТШ. Отримано спектральну щільність шуму транзистора. Запропоновано методику оцінки динамічних і шумових властивостей каналу НПП шляхом аналізу розтікання -імпульсу струму в каналі. Наведено результати відповідних чисельних експериментів. Виявлено, що загальний шум транзистора субмікронних розмірів складається із дробового шуму та шумів, обумовлених розсіюванням на оптичних фононах. З довжиною каналу більше мікрона, внесок розсіювання на оптичних фононах у шум каналу слабшає, але виникає додаткове джерело шуму, пов'язане з переходом електронів у бічні долини.

Проведено аналіз модуляційних властивостей ПТШ заданої геометрії. Отримано статичні та динамічні модуляційні характеристики. Даний транзистор доцільно використати як модулятор у схемі модуляції напругою на затворі.

У четвертому розділі “Особливості функціонування GaAs ПТШ у напружених струмових режимах” досліджено лавинні процеси в ПТШ, аж до теплового пробою приладу.

Проведено дослідження імпульсних характеристик ПТШ із урахуванням процесів розігріву кристала напівпровідника. Аналіз результатів розрахунку реакції транзистора на імпульси напруги малої тривалості дозволив визначити для нього критичний час (транзистор не реагує на зміну сигналу, що відбувається за менший час).

У роботі наведено результати чисельних розрахунків зародження й динаміки розвитку лавинного пробою в ПТШ на арсеніді галію залежно від електричних режимів і розмірів активної області. Під час моделювання, після того як функція розподілу носіїв в активній області приладу встановлювалася, що відповідало роботі ПТШ у номінальному режимі, на вхід транзистора подавався додатковий імпульс напруги, що емітує зовнішній вплив у вигляді функції Хевісайда. Досліджувалися фізичні електротеплові процеси в ПТШ аж до його теплового пробою.

Під час чисельних експериментів відслідковувалися такі параметри як струм, температура, розподіл щільності носіїв заряду, розподіл поля й ін. Як критерій виходу приладу з ладу використовувалася температура плавлення контактних площадок. З досягненням температури плавлення, фіксувався час, обчислювалася виділювана потужність.

На рис.3 наведено розподіл макрочасток у ПТШ на початковому етапі (порядку 0.1 пс) і в момент утворення лавини поблизу затвора (0.8 пс). Як видно з рис.3,а в початковий момент часу сформувалася область просторового заряду, формується потік електронів уздовж каналу. Під час впливу зовнішнього імпульсу напруги в області затвора спостерігається початок формування підвищеної щільності електронів, утворених у результаті іонізації атомів решітки, про що свідчить і поява надлишкових дірок у цій області (рис.3,б). Дана картина відповідає пробою затвора ПТШ.

Чисельні розрахунки показали, що лавинний пробій у ПТШ зароджується в області затвора та носить електростатичний характер. Згодом, область лавинного множення носіїв поширюється на весь канал, відбувається локальний перегрів кристалічної решітки. Одержані результати погодяться з відомими результатами експериментальних досліджень.

У результаті дослідження транзисторів з різною довжиною каналу отримано сімейство кривих, що описують час виходу з ладу ПТШ на арсеніді галію від потужності впливу зовнішнім імпульсним електромагнітним полем, що є аналогами критеріальних залежностей Вунша-Белла (рис.4). Видно, що час виходу з ладу через лавинний пробій експоненційно зменшується зі збільшенням напруги поданого імпульсу.

Одержані криві добре погодяться з експериментальними даними. Як видно, зі збільшенням довжини каналу, незважаючи на те, що поперечний переріз приладу залишається незмінним, залежності зміщуються в область більших часів і зі збільшенням довжини каналу, збільшується й час виходу приладу з ладу (рис.4,а). Всі криві, побудовані для потужності струму, наведеного до одиниці об'єму, практично збіглися. Таким чином, як критерій стійкості напівпровідникових приладів під зовнішнім впливом електромагнітних полів необхідно використовувати значення питомої об'ємної, а не поверхневої щільності потужності, що розсіюється струмом приладу, тобто показано, що критерій Вунша-Белла вимагає уточнення.

У результаті чисельних розрахунків показано, що наявність неоднорідності в каналі у вигляді області з надлишковою концентрацією домішок призводить до збільшення крутості вихідної характеристики та струму стоку. Як показав детальний аналіз, збільшення струму стоку в області робочих напруг у випадку дефекту з надлишковим легуванням обумовлено додатковою генерацією електронів з області дефекту. Однак збільшення кількості розсіювань у каналі призводить до істотного збільшення коефіцієнта шуму й вигину полички ВАХ при робочих напругах. Лавинний пробій у цьому випадку починається раніше, причому зародження лавини відбувається в області дефекту, що призводить до швидкого перегріву всієї зони канал-стік і катастрофічної відмови. За наявності дефекту в каналі транзистора у вигляді області з недостатнім легуванням, струм стоку збільшується, що обумовлено збільшенням довжини вільного прольоту носіїв струму. У цьому випадку електрони, пролітаючи канал, практично не випробовують зіткнень із іонами домішки, відповідно час релаксації імпульсу більший, і вони встигають набрати більшу енергію. У результаті лавинний пробій починається, як і за наявності дефекту з надлишковим легуванням у каналі, з більш низькими напругами, ніж при однорідному каналі. Однак він починається в області стоку, нерівновагі електрони встигають швидко потрапити на стік, струмовий шнур виходить коротким, і пробій не носить настільки різкий і критичний характер. Час виходу транзистора з ладу в результаті пробою в цьому випадку трохи вище, однак, в області робочих напруг наявність дефекту з недостатнім легуванням призводить до погіршення чутливості транзистора.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ Й ВИСНОВКИ

Розроблено динамічну модель для розрахунку в кінетичному наближенні НПП із субмікронними розмірами як усього приладу в цілому, так і його елементів. Модель є сукупністю системи рівнянь Больцмана та Пуассона, що для обліку теплових процесів у кристалі напівпровідника доповнена нестаціонарним рівнянням теплопровідності та моделями контактів метал-напівпровідник омічного типу й з бар'єром Шоткі для обліку особливостей нерівновагої плазми поблизу контактів. Під час розв'язку рівнянь моделі використовується метод макрочастинок. Для опису процесів переносу електронів в арсенід-галієвій НПС необхідно й достатньо урахувати такі механізми розсіювання: розсіювання на оптичних і акустичних фононах кристалічної решітки, міждолинний перехід, розсіювання на іонах домішок, електрон-електронне розсіювання, розсіювання на точкових дефектах кристалічної решітки та розсіювання на дислокаціях. Під час опису контактів метал-напівпровідник можна використовувати як ВАХ контактів табульовані функції, отримані експериментальним шляхом.

Проведені тестові дослідження показали, що розроблена модель адекватно описує процеси дрейфу електронів у ПТШ і дає досить високу точність (у межах 7%) при розрахунках його інтегральних і диференціальних характеристик. Таким чином, дана модель може виступати як інструмент для чисельного розрахунку, аналізу й оптимізації НПП під час конструювання транзисторів субмікронних розмірів і швидкодіючих приладів на гарячих електронах.

Аналіз частот розсіювання електронів на різних розсіюваних центрах, у НПС показав, що існує оптимальна енергія електрона, що залежить від концентрації домішок і температури кристалічної решітки, за якої довжина вільного прольоту буде найбільшою. Отже, можна поставити на вході в активну область потенційний бар'єр відповідної величини для обмеження за швидкостями потоку електронів, розігнати попередньо електрони й отримати в активній області балістичний ефект на досить протяжних відстанях (аж до 0,5 мкм). Дана обставина має величезне значення під час конструювання балістичних приладів. Отримано чисельні оцінки межі балістичного ефекту в GaAs з різними параметрами легування й режимах роботи.

У результаті досліджень залежності швидкості дрейфу електронів у НПС під дією зовнішнього електричного поля від часу було встановлено, що спад швидкості дрейфу електронів і наступний вихід на ділянку насичення обумовлений не тільки переходом у бічні долини, але й збільшенням, із зростанням швидкості, частоти розсіювання на фононах кристалічної решітки. Одержані залежності швидкості дрейфу електронів від часу для різних режимів роботи НПС і при різних параметрах легування дозволяють оцінити середню швидкість ансамблю носіїв у будь-який момент часу протягом усього приладу й вибрати оптимальне поєднання конструктивних і режимних параметрів надшвидкодіючих приладів.

Проведено чисельні дослідження впливу різних режимних і конструктивних параметрів ПТШ на його характеристики:

установлено, що шум у каналі транзистора складається із дробового шуму й шуму міждолинних переходів. Через ємнісний зв'язок каналу із затвором, шум каналу обумовлює шум наведеного струму на затворі транзистора. Виявлено, що основний внесок у розкид ансамблю за швидкістю, і, отже, у шум каналу для транзисторів з довжиною каналу менш 0,5 мкм вносить розсіювання електронів на іонах домішки, а з більшими довжинами каналу розсіювання електронів на оптичних фононах і міждолинний перехід;

отримані модуляційні характеристики ПТШ із субмікронною довжиною каналу дозволяють стверджувати, що даний транзистор може використовуватися як модулятор на частотах порядку 100ГГц. Переважніше його використання при амплітудній модуляції в схемі модуляції напругою на затворі;

дослідження теплових процесів під час впливу потужних імпульсів, тривалість яких менше часу поширення тепла за структурою, на вхідні системи, що включають елементи на основі ПТШ, дозволяють зробити висновок, що характер відмови визначається не інтегральною потужністю, що розподіляється в просторі, а локальним розігрівом структури. Область локалізації тепла перебуває поблизу стоку. Цей факт може призводити до відхилення від загальноприйнятого критерію Вунша-Белла для НПП. Наявність неоднорідності в каналі призводить до погіршення експлуатаційних характеристик транзистора, але збільшує при цьому час виходу транзистора з ладу.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Зуев С.А., Шадрин А.А., Старостенко В.В. Модель расчета полевых транзисторов на GaAs субмикронных размеров // Радиотехника. - Харьков: Всеукр. межвед. научн.-техн. Сборник. - 2001. - Вып.121. - С.146-152.

1.а. Zuev S.A., Starostenko V.V., Shadrin A.A. A Calculation Model for Submicron Field-Effect Transistors Based on GaAs // Telecommunications and Radio Engineering. - 2002. - 58(7-8). - P.90-98.

Зуев С.А., Шадрин А.А. Исследование свойств СВЧ полевого транзистора на GaAs, связанных с междолинными переходами носителей // Радиоэлектроника и информатика. - Харьков. - 2001. - №2. - С.19-20.

Зуев С.А. Оценка границы баллистического переноса носителей в приборах субмикронных размеров на GaAs // Вісник ХНУ ім. В.Н.Каразіна. - 2002. - Вип.1, № 544. - С.148-152.

3.а. Zuev S.A., Starostenko V.V., Shadrin A.A. Boundary Estimation of Ballistic Transport in the GaAs Devices with Submicron Dimensions // Telecommunications and Radio Engineering. - 2002. - 57(8-9). - P.99-104.

Зуев С.А., Старостенко В.В., Шадрин А.А., Терещенко В.Ю. Модуляционные характеристики СВЧ полевого транзистора с затвором Шоттки // Радиотехника. - Харьков: Всеукр. межвед. научн.-техн. сборник. - 2002. - Вып.129. - С.107-109.

Зуев С.А., Старостенко В.В., Шадрин А.А. Дельта-импульс тока в канале полупроводниковой структуры // Вісник ХНУ ім. В.Н. Каразіна. - 2002. - Вип.2, № 570. - С.70-73.

Зуев С.А., Старостенко В.В., Таран Е.П., Чурюмов Г.И., Ахрамович Л.Н. Влияние толщины металлизации на стойкость интегральных микросхем при воздействии электромагнитных полей // Прикладная радиоэлектроника. - Харьков. - 2003. - Т.2, №1. - С.88-92.

Зуев С.А., Терещенко В.Ю., Старостенко В.В., Шадрин А.А. Влияние тепловых процессов на дрейфовые характеристики полупроводниковых структур // Радиофизика и электроника. - 2004. - Т.9, №1. - С.271-274.

8.а. Zuev S.A., Tereshchenko V.Yu., Starostenko V.V. and Shadrin A.A. An Influence of Heat Processes on the Drift Characteristics of Semiconductor Structures // Telecommunications and Radio Engineering. - 2003. - 59(10-12). - P.133-137.

Зуев С.А., Таран Е.П., Шадрин А.А., Старостенко В.В., Чурюмов Г.И., Терещенко В.Ю. Исследование тепловых режимов работы ПТШ при воздействии короткого импульса напряжения большой амплитуды // Прикладная радиоэлектроника. - Харьков. - 2003. - Т.2, №2. - С.164-168.

Зуев С.А., Старостенко В.В., Терещенко В.Ю., Чурюмов Г.И., Шадрин А.А. Модель ПТШ субмикронных размеров на кремнии. Ч.1 // Радиоэлектроника и информатика. - Харьков. - 2004. - №3. - С.47-53.

Зуев С.А., Старостенко В.В., Терещенко В.Ю., Чурюмов Г.И., Шадрин А.А. Модель ПТШ субмикронных размеров на кремнии. Ч.2 // Радиоэлектроника и информатика. -Харьков.- 2004. - №4. - С.31-33.

Зуев С.А., Григорьев Е.В., Мазинов А.С., Старостенко В.В., Чурюмов Г.И., Унжаков Д.А. Воздействие импульсных электромагнитных полей на бытовые приборы с жидкокристаллическими экранами // Прикладная радиоэлектроника. - Харьков. - 2005. - Т.4, №2. - С.232-235.

Зуев С.А., Старостенко В.В., Таран Е.П., Чурюмов Г.И. Влияние параметров импульсных электромагнитных полей на стойкость проводящих микроструктурных элементов интегральных схем // Прикладная радиоэлектроника. - Харьков. - 2005. - Т.4, №4. - С.447-450.

Зуев С.А., Старостенко В.В., Терещенко В.Ю., Чурюмов Г.И., Унжаков Д.А., Григорьев Е.В. Лавинный пробой в полевых транзисторах с затвором Шоттки на GaAs по результатам численного моделирования // Прикладная радиоэлектроника. - Харьков. - 2005. - Т.4, №3. - С.353-356.

Зуев С.А., Грибский М.П., Григорьев Е.В., Войтович А.К., Старостенко В.В., Чурюмов Г.И. Воздействие импульсных электромагнитных полей на современные микроконтроллеры // Прикладная радиоэлектроника. - Харьков. - 2006. - Т.5, №2. - С.294-297.

Зуев С.А., Шадрин А.А. Кинематика носителей в прямозонных полупроводниках // Симферопольский госуниверситет. - Симферополь, 1996. - 16 с. - Рус. - Деп. в ГНТБ Украины 29.04.96. №1073 - Ук96.

Зуев С.А., Шадрин А.А. Модель Монте-Карло для исследования шумовых и усилительных характеристик полевых СВЧ-транзисторов // Материалы докладов 6-й Международной крымской конференции “СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии”. - Севастополь: Вебер. - 1996. - С.337-339.

Zuev S.A., Shadrin A.A. Monte Carlo model for a research of noise and amplifiers characteristics of microwaves field transistor // Proceedings of the International School-Conference for Young Scientists “Solid State Physics: Fundamentals & Applications”.-Katsyveli.Crimea (Ukraine).-1997.- P.37-39.

Зуев С.А., Шадрин А.А. Модель Монте-Карло для исследования шумовых и усилительных характеристик полевых СВЧ транзисторов // Материалы докладов Международного научно-технического семинара “Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах (метрология, диагностика, технология)” - Москва: МНТОРЭС им. А.С. Попова. - 1997. - С.81-85.

Зуев С.А., Шадрин А.А. Численный анализ шумов полевого транзистора на GaAs с затвором Шоттки на частотах порядка 100ГГц // Материалы докладов международного научно-технического семинара “Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах (метрология, диагностика, технология)” - Москва: МНТОРЭС им. А.С. Попова. - 1998. - С.50-54.

Зуев С.А., Шадрин А.А. Исследование свойств СВЧ полевого транзистора на GaAs, связанных с междолинными переходами носителей // Материалы докладов 8-ой Международной крымской конференции “СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии”. - Севастополь: Вебер. - 1998. - Т.1.- С.156-157.

Зуев С.А., Гордиенко Ю.Е., Старостенко В.В., Терещенко В.Ю., Шадрин А.А., Осадчук А.Е. Критериальная зависимость Вунша-Белла для ПТШ на кремнии // 15-я Международная крымская конференция “СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии” (КрыМиКо'2005). - Материалы конференции. - Севастополь: Вебер. - 2005. - Т.2. - С.697-698.

Зуев С.А., Борисов А.А., Старостенко В.В., Григорьев Е.В., Мазинов А.С., Чурюмов Г.И., Унжаков Д.А. Влияние мощных импульсных электромагнитных полей на электронные бытовые приборы // 15-я Международная Крымская конференция “СВЧ-техника и телекоммуника-ционные технологии” (КрыМиКо'2005). Материалы конференции. - Севастополь: Вебер. - 2005. - Т.2. - С.699-700.

Зуев С.А., Гордиенко Ю.Е., Старостенко В.В., Терещенко В.Ю., Шадрин А.А. Особенности лавинного пробоя в кремниевых ПТШ // 2-й Международный форум “Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития” (МРФ). - Харьков. - 2005. - Т5. - С.95-97.

Зуев С.А., Ахрамович Л.Н., Старостенко В.В., Терещенко В.Ю., Чурюмов Г.И., Борисов А.А., Петров А.М. Влияние неоднородности в активной области ПТШ на ВАХ и критериальную зависимость Вунша-Белла // 16-я Международная крымская конференция “СВЧ-техника и телекоммуника-ционные технологии” (КрыМиКо'2006). Материалы конференции. - Севастополь: Вебер. - 2006. - Т.2. - С.699-700.

Зуев С.А., Ахрамович Л.Н., Грибский М.П., Григорьев Е.В., Старостенко В.В., Чурюмов Г.И., Борисов А.А., Петров А.М. Воздействие импульсных электромагнитных полей на интегральные микросхемы памяти // 16-я Международная крымская конференция “СВЧ-техника и телекоммуника-ционные технологии” (КрыМиКо'2006). Материалы конференции. - Севастополь: Вебер. - 2006. - Т.2. - С.699-700.

АНОТАЦІЯ

транзистор шотка польовий

Зуєв С.А. Особливості роботи арсенід-галієвих ПТШ у напружених режимах. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.27.01 - твердотільна електроніка. - Харківський національний університет радіоелектроніки, Харків, 2007.

Дисертаційна робота присвячена чисельному дослідженню особливостей характеристик GaAs ПТШ в області входження в перенапружений режим, включаючи пробій. Створено й реалізовано нову чисельно-аналітичну модель GaAs ПТШ, що забезпечує можливість аналізу функціонування в напружених режимах. Модель базується на розв'язанні кінетичної та теплової задач із урахуванням специфіки розігріву й механізмів розсіювання носіїв у каналі, є сукупністю системи рівнянь Больцмана й Пуассона, доповненою нестаціонарним рівнянням теплопровідності та моделями контактів метал-напівпровідник. Система вирішується методом макрочастинок. Показано адекватність моделі. Проведено чисельні дослідження впливу різних режимних і конструктивних параметрів ПТШ на його характеристики в номінальному й напруженому режимах роботи ПТШ аж до його теплового пробою.

Ключові слова: польовий транзистор із затвором Шоткі, процеси розсіювання, метод великих частинок, лавинний пробій, тепловий пробій.

АННОТАЦИЯ

Зуев С.А. Особенности работы арсенид-галлиевых ПТШ в напряженных режимах. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.27.01 - твердотельная электроника. - Харьковский национальный университет радиоэлектроники, Харьков, 2007.

Диссертационная работа посвящена численному исследованию особенностей статических и динамических характеристик GaAs ПТШ в области вхождения в перенапряженный режим, включая пробой, и разработке практически эксплуатируемой модели для учета этих особенностей при проектировании соответствующих компонент и элементов интегральных микросхем. Эта задача является актуальной, представляет теоретический интерес и имеет практическое применение.

В ходе работы создана и реализована новая численно-аналитическая модель GaAs ПТШ структур, обеспечивающая возможность анализа их функционирования в преднапряженных и напряженных режимах, базирующаяся на общем решении кинетической и тепловой задач с учетом специфики разогрева и механизмов рассеяния носителей в канале. Модель представляет собой совокупность системы уравнений Больцмана и Пуассона, которая для учета тепловых процессов в кристалле полупроводника дополнена нестационарным уравнением теплопроводности, и моделями контактов металл-полупроводник омического типа и с барьером Шоттки для учета особенностей неравновесной плазмы вблизи контактов. Данная система решается методом крупных частиц. Проведенные тестовые исследования показали, что разработанная модель адекватно описывает процессы дрейфа электронов в ПТШ и дает достаточную точность при расчетах его характеристик.

Анализ частот рассеяния электронов на различных рассеивающих центрах позволил оценить границу баллистического эффекта в GaAs при различных параметрах легирования и режимах работы. Показано, что существует оптимальное значение энергии электрона, зависящее от концентрации примесей и температуры кристаллической решетки, при котором длина свободного пролета будет наибольшей. Таким образом, разогнав предварительно электроны, можно получить в активной области баллистический эффект на достаточно протяженных расстояниях (вплоть до 0,5 мкм). Данное обстоятельство может быть использовано при конструировании баллистических приборов.

В результате исследований зависимости скорости дрейфа электронов в кристалле полупроводника под действием внешнего электрического поля от времени получены характеристики скорость-время и скорость-поле для GaAs в различных режимах. Показано, что влияние дополнительных механизмов рассеяния на характеристики скорость-время проявляется в напряженных режимах работы. Рост дрейфовой скорости, дальнейший ее спад и последующий выход на участок насыщения обусловлены особенностями зонной структуры и динамикой рассеяния электронов в арсениде галлия.

Проведены численные исследования влияния различных режимных и конструктивных параметров ПТШ на его характеристики. Установлено, что шум в канале транзистора складывается из дробового шума и шума междолинных переходов. Из-за емкостной связи канала с затвором, шум канала обусловливает шум наведенного тока на затворе транзистора. Выявлено, что основной вклад в разброс ансамбля по скорости, и, следовательно, в шум канала для транзисторов с длиной канала менее 0,5 мкм вносит рассеяние электронов на ионах примеси, а при больших длинах канала - рассеяние электронов на оптических фононах и междолинный переход. Получены модуляционные характеристики ПТШ с субмикронной длиной канала, которые позволяют утверждать, что данный транзистор может использоваться в качестве модулятора в схеме модуляции напряжением на затворе на частотах порядка 100ГГц.

В работе приведены результаты численных расчетов зарождения и динамики развития лавинного пробоя в ПТШ на арсениде галлия в зависимости от электрических режимов и размеров активной области. При моделировании, после того как функция распределения носителей в активной области прибора устанавливалась, что соответствовало работе ПТШ в номинальном режиме, на вход транзистора подавался дополнительный импульс напряжения, эмитирующий внешнее воздействие в виде функции Хевисайда. Исследовались физические электротепловые процессы в ПТШ вплоть до его теплового пробоя. Исследования тепловых процессов при воздействии мощных импульсов, длительность которых меньше времени распространения тепла по структуре, на входные системы, включающие элементы на основе ПТШ, позволяют сделать вывод, что характер отказа определяется не интегральной мощностью, распределяемой в пространстве, а локальным разогревом структуры. Область локализации тепла находится вблизи стока. Этот факт может приводить к отклонению от общепринятого критерия Вунша-Белла для ППП. Наличие неоднородности в канале приводит к ухудшению эксплуатационных характеристик транзистора, но увеличивает при этом время выхода транзистора из строя.

Ключевые слова: полевой транзистор с затвором Шоттки, процессы рассеяния, метод крупных частиц, лавинный пробой, тепловой пробой.

ABSTRACT

Zuev S.A. Dynamic model of physical processes in the field transistors with the Shcottky gate submicron sizes. - Manuscript.

Features of Schottki GaAs field transistors work in busy schedules

Thesis for candidate's degree by specialty 05.27.01 - Solid-state electronics. - Kharkiv National University of Radio electronics, Kharkiv, 2007.

The thesis is devoted to numerical research of GaAs transistors static and dynamic characteristics features in the high field mode, including breakdown. The new GaAs FETs numerically-analytical model providing an opportunity of the analysis of functioning in busy schedules is created and realized.

The model is based on the kinetic and thermal problems decision in view of warming up specificity and carriers dispersions mechanisms in the channel, represents set of Boltzmann and Poisson equations system, added by the non-stationary equation of heat conductivity and the contacts metal-semiconductor models. The macro particles approach is used to system solving. Adequacy of model is shown. The numerical researches of influence various regime and design data transistor on its characteristics in nominal and intense operating modes down to its thermal breakdown are carried out.

Key words: field electron transistor with Shcottky gate, scattering process, drift velocity, the macroparticle approach, avalanche breakdown, thermal breakdown.

Размещено на Allbest.ru