МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2007, том 36, № 6, с. 472-478
ДИАГНОСТИКА ИС
УДК 621.382
ИССЛЕДОВАНИЕ ОБРАТНЫХ ВАХ ГЕТЕРОСТРУКТУРНОГО ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА С ЗАТВОРОМ ШОТТКИ В ДИОДНОМ ВКЛЮЧЕНИИ
© 2007 г. С. Б. Бурзин, В. И. Старосельский, С. С. Шмелев
Московский государственный институт электронной техники (Технический университет) E-mail: vistar2000@mail.ru Поступила в редакцию 26.11.2006 г.
Представлены результаты экспериментального исследования обратного тока затвора в гетеро-структурных полевых транзисторах с затвором Шоттки. Показано, что характер обратной ВАХ хорошо соответствует туннельному механизму тока. Анализируются особенности обратной ВАХ с учетом особенностей планарной структуры прибора - полного обеднения электронами легированного полупроводникового слоя и 5-видного примесного профиля.
Наиболее высокие характеристики аналого-цифровых ИС СВЧ-диапазона достигаются при использовании в качестве исходного материала полупроводниковых соединений А3В5 и гетеро-структур на их основе.
Активными элементами таких ИС являются полевые транзисторы с затвором Шоттки (ПТШ) или гетеропереходные полевые транзисторы (НЕМТ) [1]. Отдельные блоки таких ИС весьма чувствительны к токам утечки обратно смещенных барьерных переходов. Примером может служить блок хранения аналоговой информации устройства выборки и хранения аналоговых сигналов, где информационный сигнал в течение длительного времени должен сохраняться в виде заряда на накопительном конденсаторе малой емкости [1, 2]. Объектом исследования данной работы являются диоды на основе гетероструктурных полевых транзисторов с затвором Шоттки (ГПТШ) и 5-легированным каналом.
В качестве вероятного механизма обратного тока рассмотрена туннельная эмиссия электронов из металла в полупроводник, хотя представляются возможными еще два механизма: ток в полуизолирующую подложку и ток по поверхности обедненного слоя на краях затвора. Детальный анализ обратной ВАХ туннельного тока содержится в работах [3, 4], однако в них не учитываются особенности планарной структуры прибора -полное обеднение электронами легированного полупроводникового слоя и 5-видный примесный профиль.
1. СТРУКТУРА ГПТШ
Структура ГПТШ представлена на рис. 1а. Ее
особенностями являются сравнительно высокоом-
ный барьерный «-слой = 5 х 1016 см 3), тонкий сильно легированный канал 1и0Л5Оа0.85А8 с поверхностной дозой легирования 1.5 х 1012 см-2 (5-канал) и нелегированный изолирующий слой А103Оа0.7А8 (~0.4 мкм). Изолирующий слой предотвращает ин-жекцию горячих электронов из канала в подложку и способствует снижению выходной проводимости ГПТШ [1]. Введение индия в 5-канал также препятствует инжекции электронов в подложку за счет некоторого сужения запрещенной зоны и повышает подвижность электронов в канале.
2. ТУННЕЛЬНЫЙ ТОК
ВАХ туннельного тока в контактах металл-однородный полупроводник большой толщины хорошо исследована. Показано, что при ширине барьера (ОПЗ) меньшей ~100 нм для расчета туннельной прозрачности барьера справедлива теория ВКБ. В работах [3, 4] приведены математические соотношения для численного расчета ВАХ, подтвержденные результатами экспериментов. Результаты работы [4] положены в основу математической модели туннельного тока через барьеры Шоттки для программ 3-мерного моделирования полупроводниковых приборов и структур ТСАБ [5].
Показано, что при Т = Т0 = 300 К в ограниченном диапазоне обратных напряжений ВАХ тока туннельной тока эмиссии из металла в полупроводник хорошо описывается полуэмпирическим соотношением
-Л(V, Т0) = 1{)вУ'(1)
где параметры у0 и V) зависят от свойств материалов контакта и барьерного потенциала. Анализ
Рис. 1. Структура ГПТШ с 8-легированным каналом (а) и фрагмент краевой области затвора при перекрытом канале (б). Пунктир - линии тока.
расчетных данных работы [3] показывает, что для заданного напряжения температурная зависимость тока хорошо описывается соотношением
т/т
I,(V, т) = I,(V, 0) е '. (2)
Параметры V) и имеют смысл напряжения и температуры активации туннельного тока. Для напряжения V = -3В значения параметров составили: V) = 0.45 В; Т( = 109 К. Слабая температурная зависимость обратного тока указывает на то, что значительная доля электронов инжектируется из металла ниже уровня Ферми.
Особенность диодов Шоттки на основе ГПТШ состоит в том, что при достаточно большом обратном напряжении канал транзистора полностью перекрывается, и туннельный ток протекает через краевые области затвора с эффективной длиной Ь^ ~ а (рис. 16). Тот же порядок величины имеет эффективная ширина барьера по основанию dеf ~ а. Ее значение не должно сильно зависеть от напряжения, так как высокая степень легирования контактного «+-слоя и 5-«+-слоя исключает заметное изменение ширины ОПЗ.
Таким образом, краевая составляющая туннельного тока составляет
1Л(У) = е^шп (За)
где ъ - ширина канала. Коэффициент включения 0 зависит от способа диодного включения ПТШ: при объединении электродов стока и истока (УВ8 = 0) ток протекает через оба боковых участка (0 = 2), а при обрыве одного из электродов стока или истока (Ьс 3 = 0) - через один из боковых участков (0 = 1). '
Если обратное напряжение -V не достаточно для полного перекрытия канала, то для тока 1а остается в силе соотношение (За), но коэффициент включения 0 = 2 не зависит от способа диодного включения ПТШ. Кроме того, электроны инжектируются сквозь барьер в канал по всей площади затвора. Этому процессу соответствует торцевая составляющая туннельного тока
ип = ^ЬШП (Зб)
где Ь - длина канала.
В общем случае ВАХ туннельного тока можно представить в виде:
-V/V 0
I,(V) ~]оъ[Ье/[2- (2- 0)А(V)] + Ь[ 1- V)]](е °-1), МИКРОЭЛЕКТРОНИКА том 36 < 6 2007
где - зависящий от напряжения коэффициент перекрытия канала. Функция Ф(У) должна быть равна нулю при напряжениях, больших порогового напряжения ПТШ V и стремиться к 1 с ростом обратного напряжения при V < V. Отметим, что канал не перекрывается полностью при пороговом напряжении ПТШ Vt < 1), т.к. проводимость канала остается достаточной для пропускания малого обратного тока. (Строго говоря, параметры у0 и V0 для краевой и торцевой составляющих тока различны. Это различие, однако, не должно быть большим, так как форма напряженность электрического поля на краях существенно больше, чем в торцевой области, только вблизи вершины барьера, а туннельная эмиссия имеет максимум вблизи уровня Ферми в металле. Таким образом, для оценочных расчетов можно полагать, что различие параметров ]'0 и V0 учитывается корректировкой значения Ьф.)
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Экспериментальные исследования включали измерения ВАХ диодов на основе ГПТШ с шири-
ной 5-легированного канала V = 50 мкм в трех схемах включения: а) сток соединен с истоком (Уо5 = 0); б) сток "оборван" (1я = 0); в) исток "оборван" (1к = 0). Исследовались тестовые образцы с длиной затвора Ь1 = 0.8 мкм и Ь2 = 10 мкм. На рис. 3 а показаны типичные обратные ВАХ диода (образец 08-08; Ь = 0.8 мкм) при включениях Уш = 0 (4 - як), = 0 (1о - як) и 4 = 0 (1а - 0).
На рис. 2 представлены результаты измерения обратных ВАХ 8-ми образцов (Уок = 0, Ь = 0.8 мкм, V = 50 мкм) в диапазоне напряжений 2В < -V < 4В.
Температурные зависимости обратного тока иллюстрируются рис. 36.
Результаты остальных экспериментов сведены в таблицу, где указаны средние значения пороговых напряжений ГПТШ, параметров VG0 и 01а0м, (0 = 2), а также отношения тока при объединенных электродах стока и истока к полусумме токов при обрыве одного из электродов стока или истока для напряжения V = -3В:
К(У) = 21а - Вк/(1а-к + 1а_0). (5)
- V, В
Рис. 2. Обратные ВАХ 8-ми образцов диодов (Уак = 0, V = 50 мкм, Ь = 0.8 мкм). Жирная линия - соотношение (1) при 10м, = 1.4 х 10-2 мА/мкм, 0 = 2, V,, = 0.72 В.
-1С, нА
(а)
3
1
-1, нА 103
(б)
4
V, В
2
1
0
4
2
3
Рис. 3. Типичные обратные ВАХ диода (^ = 50 мкм; Ь = 0.8 мкм): (а) - образец 08-08 для трех схем включения при Т = 300 К; (б) - образец 12-08 для трех температур.
4. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ
При анализе экспериментальных результатов учитывать следующие факторы:
- характер ВАХ и значения параметров ВАХ;
- различие ВАХ диодов при разных способах диодного включения ПТШ;
- различие ВАХ диодов с разной длиной затвора;
- зависимость характера и параметров ВАХ от температуры.
Полученные результаты позволяют сделать ряд заключений.
Средние значения измеренных параметров обратных ВАХ (2В < -V < 4В, Т = 300 К)
№ Пластины
Длина затвора Ь, мкм (число образцов)
Параметр ВАХ (среднее значение ±о)
V, В VGo, В 0lGOw, нА/мкм = 0, 0 = 2) К(-3 В)
-0.90 ± 13% - 7.3 х 10-3 ± 68% 1.859 ± 2%
-0.78 ± 26% 0.724 (1 шт.) 4.0 х 10-2 ± 155% 1.965 ± 2.5%
-0.78 ± 20% 0.719 ± 5% 2.9 х 10-2 ± 70% 1.869 ± 7%
- 0.708 ± 9% 7.8 х 10-2 ± 56% 1.934 ± 6%
-0.81 ± 20% 0.716 ± 6% 3.9 х 10-2 ± 87% 1.905 ± 4.7%
-0.81 ± 20% 0.72 ± 5% 2.8 х 10-2 ± 98% 1.898 ± 4.4%
3
14 11
0.8 (4 шт.) 0.8 (6 шт.) 0.8 (8 шт.) 10 (4 шт.)
Среднее значение Среднее для Ь = 0.8 мкм
1) В таблице указаны среднеквадратические отклонения значений параметров от среднего (±).
2) Значения К(-3 В) определены в (5).
4.1. Характер и параметры ВАХ
Данные рис. 2, 3а и таблицы показывают, что при 2В < -V < 4В (канал перекрыт) усредненная обратная ВАХ затворного тока хорошо описывается соотношением
1а = ^1аок (е~У' ), (6)
где = 1.4 х 10-2 нА/мкм, VG0 = 0.72В, 0 = 2. В диапазоне 1В < -V < 2В также справедливо соотношение (6) с параметрами 1*0 = 1.1 х 10-3 нА/мкм,
V* = 0.41В (эти данные в таблице не указаны). Таким образом, характер ВАХ обратного тока соответствует расчетным соотношениям (1), (4) и экспериментальным результатам, полученным в [3]. Напряжение активации обратного тока для диапазона 2В < -V < 4В в 1.6 раза превышает расчетное значение в [3] (0.45В), а для диапазона 1В < -V < 2В почти точно ему соответствует.
Эти факты свидетельствуют в пользу туннельного механизма обратного тока. Косвенное подтверждение того факта - во всех экспериментах не было обнаружено заметного различия между током затвора 1С и суммарным током стока/истока 10 + 18. Таким образом, ток в подложку не о
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.