بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسي مشخصات الکتريکي ترانزيستور با قابليت حرکت بالامبتني بر ساختار ناهمگون
چکيده – در اين مقاله ترانزيستوري با قابليت حرکت بالا (HEMT) مبتني بر ساختار ناهمگون AlGaN/GaN/AlInN/GaN ارائه مي شود و با استفاده از شبيه سازي عددي ، مشخصات الکتريکي آن مورد بررسي قرار مي گيرد. با استفاده از لايه با ميدان قطبي شدگي قويتر و شکاف انرژي بزرگتر در آن نسبت به مقادير متناظر در لايه مقدار بار هاي قطبي شدگي و همچنين ميزان ناپيوستگي در باند هدايت در فصل مشترک AlInN/GaN افزايش يافته که منجر به تشکيل چاه کوانتومي عميق با وجود تراکم بالايي از الکترون ها در اين فصل مشترک به عنوان کانال دوم مي گردد. نتايج شبيه سازي نشان مي دهند که در افزاره ارائه شده ، بيشينه جريان درين A.mm٢٨ در ولتاژ درين V١٠و ولتاژ گيت V0 و بيشينه هدايت انتقالي mS.mm٤٠٠ در ولتاژ گيت V٢- حاصل مي شود. همچنين رفتار سيگنال کوچک ، مقدار فرکانس قطع GHz٣٥ به ازاي ولتاژ درين V١٠و ولتاژ گيت -سورس متناظر با ماکزيمم مقدار ترارسانايي را براي اين افزاره نشان مي دهد.
کليد واژه - ترانزيستور با قابليت حرکت الکترون بالا، ساختار هاي ناهمگون ،گاز الکترون دوبعدي .
١- مقدمه
امروزه با پيشرفت تکنولوژي و نياز به سيستم هاي مخابراتي با سرعت بالا، طراحي و ساخت مدارهاي ماکروويو و موج ميليمتري ضروري به نظر مي رسد، نتيجه اصلي تکنولوژي مدرن الکترونيکي ، نشان دادن افزاره هايي است که داراي سرعت خيلي زياد و نويز کم هستند [٤‐١]. در اين راستا، اگر چه کاهش طول گيت يکي از راه هاي رسيدن به اين هدف است ، ليکن استفاده از مواد و افزاره هايي که به دليل سرعت بالاي الکترون ، توانايي کار کردن در فرکانسهاي بالا را دارند ضروري مي باشد. پهناي باند وسيع افزاره هاي ناهمگون مبتني بر گاليم نايترايد و عملکرد عالي اين افزاره ها در فرکانس هاي ماکروويو، باعث شده اين افزاره ها جايگزين خوبي براي نسل آينده در محدوده فرکانس راديويي و تقويت کننده توان ماکروويو باشند. در کنار پهناي باند، مهم ترين مزيت ساختار AlGaN/GaN بارهاي قطبي شدگي در ناحيه گاز الکترون دوبعدي (DEG-٢) در کانال است [٧-٥]. با وجود عملکرد عالي که افزاره هاي مبتني بر AlGaN/GaN به نمايش گذاشته اند، قرار گرفتن AlGaN بر روي GaN باعث ايجاد نقص هايي در شبکه بلور و به وجود آمدن خاصيت پيزو الکتريک مي شود. جايگزين کردن AlGaN به وسيله AlInN باعث کاهش نقص شبکه و خاصيت پيزوالکتريک مي شود. با وجود کاهش اثرات پيزو الکتريک ، بارهاي قطبي شدگي ساختار AlInN نسبت به ساختار AlGaN بيش تر است که اين به دليل افزايش مقدار درصد Al در اين ساختار است که باعث افزايش بارهاي قطبي شدگي خود به خودي مي شود[١١-٨]. ساختار هاي متفاوتي از ترانزيستورهاي مبتني بر قابليت حرکت بالا (HEMT) براي بهتر کردن عملکرد اين افزاره ها معرفي شده است . از جمله اين ساختارها، افزارهاي با چند ساختار ناهمگون است که به دليل داشتن دو کانال در اين افزاره ها، مشخصه خروجي اين افزاره ها نسبت به افزاره هاي HEMT با ساختار استاندارد بهبود پيدا کرده است [١٤-١٢]. هدف ما در اين مقاله معرفي افزاره HEMT با ساختار ناهمگون مبتني بر بر روي زير لايه ياقوت کبود (SAPPHIRE) و بررسي تاثير لايه InAlN در کانال دوم بر روي مشخصه هاي خروجي افزاره است . اين مقاله به صورت زير سازماندهي شده است : در قسمت ٢، ساختار افزاره ناهمگون ارائه گرديده و جزييات فيزيکي آن بيان شده است . در بخش ٣، نتايج شبيه سازي بيان شده و سرانجام در قسمت ٤، نتيجه گيري آمده است .
٢- ساختار افزاره و مدل هاي به کار رفته درشبيه سازي
شبيه سازي براي بررسي مشخصه خروجي افزاره HEMT
مبتني بر ساختار انجام گرفته است . ساختار به ترتيب داراي لايه با ضخامت -٣ nm بر روي لايه سد کننده با ضخامت nm١٥با آلايش يکنواخت بر روي لايه بدون آلايش و با ضخامت nm-٣ به عنوان لايه حايل قرارگرفته که اين لايه ها بر روي لايه GaN با ضخامت nm-١٥ که کانال اول در آن شکل مي گيرد قرار ميگيرند. در زير، لايه با ضخامت nm-٣ براي ايجاد کانال دوم ، بر روي لايه GaN با ضخامت μm-٢٥ به عنوان لايه اي که کانال دوم در آن شکل مي گيرد قرار دارد. با توجه به وجود تنش کششي در لايه AlInN قرار داده شده بر روي GaN به ازاي مقادير در صد مولي In کمتر از ١٧% و پيدايش تنش فشاري در اين لايه براي مقادير در صد مولي بالاتر از ١٨%[١٦]، در ساختار افزاره ارائه شده ، مقدار در صد مولي ١٧% براي In در لايه AlInN استفاده مي گردد. زيرا با توجه به در نظر گرفتن نماي رشد گاليوم (Ga-face) در ساختار افزاره مورد نظر ، به منظور بالابردن ميدان قطبي شدگي در لايه AlInN و افزايش بارهاي قطبي شدگي مثبت در فصل مشترک AlInN.GaN که خود منجر به افزايش الکترون ها در اين فصل مشترک به عنوان محل تشکيل کانال دوم در افزاره مي گردد، مقدار در صد مولي ١٧% اتخاذ مي گردد. ساختار بر روي زير لايه ياقوت کبود قرار گرفته است . ساختار افزاره در شکل ١ نشان داده شده است . اتصالات اهمي سورس و درين به طول μm٠١ ، و فاصله هر کدام از گيت ، μm١ است و اتصال گيت به صورت شاتکي و طول آن μm١ مي باشد. مقدار تابع کار براي فلز گيت eV ٤.٨ در نظر گرفته شده است . همچنين در شبيه سازي ها از مدل باز ترکيب شاکلي –ريد-هال (-SHOCKLY READ-HALL) براي توليد و بازترکيب حاملها، مدل Albrechtبراي وابستگي قابليت حرکت به تراکم ناخالصي در ميدان هاي الکتريکي پايين و مدل وابستگي به ميدان هاي جانبي براي قابليت حرکت در شرايط باياس شده استفاده شده است . مقادير شکاف انرژي براي لايه هاي مختلف در اين افزاره در جدول ١ نشان داده شده است [١٧].
٣- نتايج شبيه سازي
٣-١- دياگرام نوار انرژي و توزيع بارها در ساختار افزاره
به دليل وجود اثرات قطبي شدگي خودبه خودي و پيزوالکتريک در افزاره هاي اثر ميدان مبتني بر يک ساختار ناهمگون ، اين افزاره ها داراي تراکم الکترون بالا در لايه نازک کانال موجود در فصل مشترکشان هستند. ميزان قطبي شدگي خود به خودي به قدرت الکترونگاتيوي بستگي دارد هر چه پيوند ها از خاصيت يوني بيشتري برخوردار باشند ميزان قطبي شدگي خود به خودي افزايش مي يابد. براي قطبي شدگي خود به خودي از رابطه زير بدست مي آيد[١٥] :
و براي قطبي شدگي خود به خودي از رابطه زير بدست مي آيد[١٦]:
طبق روابط بالا مشاهده مي شود که در AlInN به دليل انتخاب Al با مقدار %٨٣ ميزان قطبي شدگي خود به خودي خيلي بيشتر از AlGaN مي باشد. شکل ٢ بارهاي قطبي شدگي موجود در فصل مشترک لايه هاي ناهمگون را در راستاي عمق ساختار به ازاي نشان مي دهد.
همان طور که مشاهده مي شود ميزان اين بارها در فصل مشترک AlInN.GaN يعني محل تشکيل کانال دوم با مقدار بيشتر از ميزان متناظر در فصل مشترک AlGaN.GaN يعني محل تشکيل کانال اول با مقدار مي باشد. اين افزايش بار در فصل مشترک AlInN.GaN به دليل تقويت ميدان قطبي شدگي خوبي که از خود نشان مي دهد، مي باشد.
افزاره هاي دو کاناله (DC-HEMT)، در ساختار نوار هدايتشان دو چاه پتانسيل در فصل مشترک خود دارند، که در آن ها نوار هدايت زير سطح فرمي قرار مي گيرند و در نتيجه دو کانال پر از الکترون در اين ناحيه ها ايجاد مي شود. شکل (٣)، نوار هدايت از کنار فلز گيت و در راستاي عمق ساختار را براي به ازاي نشان مي دهد. همان طور که در شکل مشاهده مي شود، قرار گرفتن لايه با شکاف انرژي بر روي GaN با شکاف انرژي
باعث مي شود تا در مقايسه با کانال اول موجود در فصل مشترک ALGaN.GaN، چاه کوانتومي عميق تر با قابليت محدود کردن بيشتر الکترون ها در کانال موجود در فصل مشترک AlInN.GaN ايجاد شود که اين نيز به سبب ناپيوستگي بيشتر نوار هدايت و همچنين وجود بارهاي قطبي شدگي قويتر در فصل مشترک AlInN.GaN مي باشد. در نتيجه اين ويژگي ها، گاز الکترون دوبعدي با تراکم بالاتري در کانال دوم موجود در فصل مشترک AlInN.GaN، همان طور که در شکل ٤ نشان داده شده است حاصل مي گردد.
