СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №3/2013

РЫНОК ническимпотенциалом, который, к со жалению, тает с каждым годом. В ЫСОКОВОЛЬТНАЯ СВЧ ГЕТЕРОЭЛЕКТРОНИКА «Щит» государства – СВЧ техника, «меч» государства – достижения в тера герцовой области электромагнитного излучения (0,5…2 ТГц). Полупроводни ковые материалы, «игроки» на этом по ле, давно известны, это InP, GaAs, SiC, GaN, C (алмаз), BN (по возрастанию запрещённой энергетической зоны). Впечатляющиеуспехиздесьдостигну ты на GaN, также у HEMT AlGaN/GaN с большой плотностью 2D электронного газа(3…4 × 10 13 см –2 ), ещёбольшепоража ет словацкая структура InAlN/AlN/GaN/ SiC. GaNHEMT взяли барьер f гр. ≈ 300 ГГц (0,3 ТГц) и достигли значений показате ля качества терагерцового диапазона JFoM = 5 ТГц × В [4]. Но есть и вопросы по стабильнойработеGaNHEMTприболь шихрабочихнапряжениях, в связисне совершенством кристаллографической решётки GaN слоя – носителя 2D элек тронногогазаиз засложностейсSiC, AlN «подушками», а также очень внушитель ной N ss на границе гетероперехода (в зоне2D газа).Крометого,существует«за цикленность»наHEMTсобеднением2D газа, GaN приборы с глубоким обогаще ниемотсутствуют, нетпокаиHBTсболее высокой плотностью 3D электронного газа.ЧтокасаетсяССИС,тоони,вероятно, есть, как на HEMT, так и на MOSFET. Но, видимо, вышеуказанные проблемы всё таки помешали GaN HEMT попасть в аппаратуру Eurofighter – истребителей перехватчиковНАТО,планируемыхквы пуску в 2013 г. Предпочтение было отда ноGaAs HEMT. MESFET SiC– это своего рода «джинн» в L и S диапазонах. Снизу егоограничи вают кремниевые BIT и MOSFET, свер ху – MESFET на GaAs, поэтому он нахо дитсявдиапазоне1,0…2,5ГГц.Новреаль ности, видимо, существует гетеро HEMT 3C SiC/4H (6H)SiCсрабочейтемперату рой +250…300 ° С и граничной частотой 100 ГГц, что может оказаться неожидан ным. С учетом того, что критическая электропрочность, подвижность и ско рость насыщения электронов практи чески идентичны у SiC иGaN, то они со ставят пару, видимо, с GaN HEMT, с его «потолком» ≈ 0,5…0,8 ТГц (5 ТГц В), с той лишь разницей, что теплопроводность SiC в 3 с лишним раза лучше, чем у GaN. К «элите» всё таки можно отнести InP [4] и, по мнению авторов, GaAs. На томинадругомможносоздаватьиHEMT, и HBT. На InP HEMT достигнуты сегодня такие рекордные характеристики, как 385 ГГц; 2,5 В, и есть нацеленность на 1,0…2 ТГц. А что с вариантом GaAs? Пока цепочка рассуждений следующая: мил лиметровый и субмиллиметровый GaAs выполняется на i подложке, не на обще принятой, анаподложке с n × p ≥ 10 30 , т.е. при наличии экситонов с N = 10 15 cм –3 и выше. Если зафиксировать плоскость (111) в i слое, тоэтобудетозначать, чтов объёме «висит» 3D электронно дыроч ное «облачко» с поперечной (плоскост ной) 2D плотностью газа 10 14 см –2 (!). А у GaN высоким показателем считается 3,5 × 10 13 см –2 .Аесли«нагрузить»наi слой AlGaAs с х = 0,28…0,6 (технологически возможно и 0,8), то получится зонный разрывс Δ E g =0,4…0,6.Этонеплохой«при горок», скоторогодовольноэффективно слетят электроны в 2D канал, а факти ческив3D канал(поплотностиэлектро нов). Необходимо признать, что, кроме обеднённого режима работы, хорошо всемизвестного,можнозанятьсяиобога щённым режимом, когда о 2D придётся забыть. Это 3D, с плотностью выше (на порядокиболее), чемвGaNHEMT(!). Для тогочтобы«ртутные»лёгкиеэлектроныс эффективноймассой m */ m 0 =0,068,были «заперты» внижнейдолине, можнопри думатьспособы, чтобыверхняядолинас Δ E g = 0,36 эВ была непривлекательна для лёгкихэлектронов,гделёгкийэлектронс m * =0,068перейдётвтяжёлыйс m * 2 =1,2с малой подвижностью. Существует два способа: первый – короткий пролёт, где появляетсядругаяквантоваямеханика– баллистическая, второй – «запломбиро вать» верхние долины тяжёлыми элек тронами с созданием дипольных полей тяжёлый лёгкийэлектрон/электрон.Оба метода применяются на практике. Какие же преимущества выявляются перед InP? Если не брать интегральное соотношение запрещённых зон, под вижностей, скоростей, электропроч ности (они почти такие же, как у «вто рой лиги» (GaN : SiC), то сильнейший фактор – совершенный по структуре i изолятор, в тоже время залитый элек тронно дырочнойпарой (экситонами) на уровне 10 15 см –3 , хотя экситонную массу можно достаточно хорошо регу лировать. В начале уже было сказано, если в i области два квазиуровня Фер ми Е p и E n , когда , то это непло хо. Существует абсолютно совершен ная граница раздела AlGaAs/GaAs. Не возможно пока обо всём рассказать, но в данном случае, кроме EHEMT и DHEMT, HBT, можно найти и другие баллистические варианты. Исходя из вышесказанного, попытаемся реализо вать два графика (см. рис. 2 и 3). Исходя из графиков на рисунках 2 и 3 необходимо ввести новый фактор JFoM 2 в ТГц × Вт, где i GaAs в нашей вер сии займёт верхнюю строчку. При наличиифактора «встроенных» электронов и дырок ~ 10 15 см –3 можно предполагать создание непрерывной цепочки Ганновских диполей, частота генерации которых будет очень высо кой, поскольку V дип. / L канала при длине свободного пробега L n > V дип. / L канала , можно надеяться, что график на рисунке 2 будет иметь вид характе ристики en μ 1 E без en μ 2 E . С учётом «пломбирования» верхних долин и L n > V дип. / L канала – это реально. Возникает вопрос – зачемже амери канцы создали GaAs HEMT с L = 10 нм? Может быть, с целью перекрытия диа пазона субмиллиметр инфракрасная зона? Если это так, то нужно торопить ся, российская i структура – лучше и динамичнее. Учитывая всё вышесказанное, стано вится очевидно, чтоможнореализовать диоды Ганна, p–i–n диоды, ЛПД диоды для миллиметрового диапазона, МЭМС и СВЧ коммутаторы (AlGaAs и GaAs – анизотропные с позиции объёмного разделительного удаления материалы как в ВЧ плазме, так и в «мокрой» хи мии). Интерес представляет и быстро ходная оптико квантовая память, ещё более перспективные СВЧ высоко 15 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 3 2013 en μ 1 E → Вновь создаваемая плотность (новая модель) j Е кВ/см 20 кВ/см 3,2 кВ/В en μ 2 E → Старая модель Рис. 2. Новая плотность тока еn μ 1 E, которая «уходит в отрыв» U, В 600 500 400 300 200 100 50 0 ТГц (1,0 ÷ 2,0) 1000 100 106 1,0 Рис. 3. График зависимости граничной частоты от предельного напряжения в i GaAs HEMT, HBT и др.