ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ НА AlGaN/GaN –
ГЕТЕРОСТРУКТУРАХ (обзор)


Материалы группы GaN, помимо оптоэлектронных приборов (светодиодов,
лазеров, ультрафиолетовых фотоприемников) открыли уникальные возможности
для создания высокочастотных, мощных, высокотемпературных электронных
приборов, прежде всего, полевых транзисторов (HFET) на основе AlGaN/GaN-
гетероструктур.
Следующие свойства AlGaN/GaN- гетероструктур выгодно отличают их от
AlGaAs/GaAs для реализации полевых транзисторов. Ширина запрещенной зоны
Eg нитридных полупроводников обеспечивает большой разрыв зон проводимости
на гетерогранице AlGaN/GaN, ∆Ec > 0.5 эВ, что резко уменьшает токи утечки через
затвор; с увеличением мольной доли Al ∆Ec растет. Плотность электронов в 2D-
канале, ns > 1⋅1013 см-2, на порядок выше, чем в GaAs; она обусловлена как
модулированным легированием из широкозонного слоя AlGaN, так и
пьезоэлектрической поляризацией - положительным зарядом на гетерогранице
AlGaN. Скорость насыщения vs > 2.5⋅107 см/с в больших электрических полях E в
GaN также выше, чем в GaAs; она остается высокой и при увеличении
температуры. Пробивные поля в GaN в 8 раз выше, чем в GaAs (33⋅105 В/см и 4⋅105
В/см, соответственно), что при большом барьере на затворе позволяет
прикладывать напряжения сток-исток Vsd до 100÷400 В/см.
Большие значения ns в сочетании с высокими пробивными полями
обеспечивают плотность СВЧ-мощности в GaN- полевых транзисторах в 10 раз
больше, чем в GaAs; GaN- транзисторы имеют более высокие эффективность,
ширину полосы частот и выходной импеданс. Созданы GaN-HFET, имеющие на
частоте 8.2 ГГц плотность СВЧ- мощности 9.1 Вт/мм и эффективность 47%; на 10
ГГц – 7 Вт/мм и 62% [1].
Пролетные времена в субмикронном канале (Ld < 1 мкм) при высоких полях
уменьшены из-за баллистического эффекта, который облегчен отсутствием
неупругих столкновений (энергия оптических фононов в GaN ηΩo=91 мэВ, а в
GaAs ηΩo=36 мэВ). В GaN пренебрежимо мала вероятность междолинных
переходов горячих электронов, т.к. ближайшие экстремумы зоны проводимости в
других точках зоны Бриллюэна находятся выше Ec на ≈6 эВ. Для приборов из GaN
с длиной канала Ld = 0.1 мкм достигнута предельная частота 106 ГГц.
Генерационно-рекомбинационные процессы через межграничные и
поверхностные уровни в GaN-приборах ослаблены из-за больших значений Eg;
меньшая чувствительность к таким дефектам способствует уменьшению уровня
шумов (приборы с Ld = 0.1 мкм имеют уровень шумов 0.6 дБ). Повышенная
теплопроводность GaN (1.7 Вт/см⋅К) по сравнению с GaAs (0.53 Вт/см⋅К)
обеспечивает работоспособность приборов вплоть до 400оС [2]. Большая
эффективная масса электрона (0.2 m0 у GaN и 0.067 m0 у GaAs) обеспечивает
меньшую вероятность рассеяния при повышенных температурах.
Выходная вольт-амперная характеристика GaN-HFET при больших токах Isd
имеет участок отрицательной дифференциальной проводимости, причиной
которой может быть переход носителей в GaN из 2D-канала в 3D- состояния.
4-ое Всероссийское совещание «Нитриды галлия, индия и алюминия – Структуры и приборы»
83
Энергетическая диаграмма AlGaN/GaN-HFET, отличающаяся от AlGaAs/GaAs,
допускает возможность таких переходов [3].
Использование напряженного пассивирующего слоя из Si3N4 повышает ns из-за
эффекта поляризации. Структура SiO2/AlGaN/GaN характеризуется низкими
токами утечки и малым уровнем шума.
На первом этапе создания оказалась пригодной технология MOCVD на
подложках из сапфира. Однако, из-за лучшего теплоотвода, более высокими
параметрами обладают приборы на подложках из SiC [4]. Имеются примеры
создания GaN-HFET с использованием молекулярно-лучевой эпитаксии.
Трудности создания GaN- приборов, реализующих в полной мере свойства
материала, обусловлены проблемами уменьшения контактных и проходных
сопротивлений, повышения структурного совершенства слоев, получения базового
i-слоя GaN.
В течение ближайших лет полевые транзисторы в различных диапазонах частот
будут разрабатываться на основе разных структур: Si-LDMOS < 2 ГГц, SiC-
MESFET – 4÷7 ГГц; далее AlGaN/GaN –HFET будут вытеснять приборы на GaAs,
по крайней мере, до 45 ÷ 70 ГГц. Основным применением GaN-HFET будут
мощные генераторы СВЧ.

1. R.Pengelly, Comp. Semicond., 6 (4), 36 (2000).
2. A.Vescan et al., J. Cryst. Growth, 201/202, 327 (1999).
3. J.Deng et al., MIJ-NSR, 5, W4.5 (2000).
4. L.Eastman et al, MIJ-NSR,2,17 (1997);EGW-4,Nottingham, July 2000, Abstr.I-T-13.