Транзисторы с высокой подвижностью электронов

Требование высокой проводимости канала транзистора для обеспечения быстродействия связано с высокой степенью легирования примесью. Повышение степени легирования области канала необходимо и при масштабировании транзисторов с целью повышения степени интеграции и быстродействия, а также снижения энергии переключения. Однако, повышение концентрации примеси приводит к снижению подвижности электронов вследствие их рассеянии на ионах примеси. Поскольку подвижность в знсчительной степени определяет время пролета канала, то требование увеличения подвижности при одновременном повышении степени легирования является противоречивым.

Преодолеть это противоречие удалось в гетероструктурных полевых транзисторах Шоттки. На рисунке приведено схематическое изображение транзистора на основе многослойной структуры AlGaAS – GaAs. Такой тран-зистор получил название - транзистор с высокой подвижностью электронов - ВПЭТ

Основной принцип повышения быстродействия ВПЭТ состоит в пространственном разделении подвижных носителей заряда и породивших их примесных атомов.

Пусть имеется гетеропереход на основе GaAs и материала с большей шириной запрещенной зоны, например – AlGaAs. В последний введена донорная примесь. Так как дно зоны проводимости у GaAs лежит ниже чем у AlGaAs, то электроны создаваемые донорной примесью будут из n+ AlGaAs проникать в зону проводимости GaAs. Поэтому в n+ AlGaAs образуется область пространственного неподвижного заряда. В то же время электроны проводимости GaAs электростатически притягиваются этой областью положительного заряда. В результате чего в GaAs на границе раздела с AlGaAs формируется область отрицательного подвижного пространственного заряда и распределение потенциала в области гетероперехода примет вид как показано на рисунке.

Электроны зоны проводимости в GaAs оказываются заключенными в потенциальный колодец с формой близкой к треугольной. Он расположен вблизи с границей раздела с AlGaAs. На границе раздела GaAs и AlGaAs между потенциальным барьером и и дном зоны проводимости GaAs возникает стоячая волна электронов проводимости. Поэтому указанные электроны утрачивают способность движения в ортогональном границе раздела направлении. Создаются двумерные условия. Важно учитывать, что электроны зоны проводимости и донорные ионы пространственно разделены, поэтому рассеяние электронов на ионах пренебрежимо мало, что обеспечивает высокую подвижность носителей заряда, соответствующую массивному кристаллу.

Тонкий слой нелегированного AlGaAs, называемый спейсером, используется для дополнительного ослабления влияния кулоновского поля ионов донорной примеси.

Таким образом, использование гетероперехода позволяе достичь высокой подвижности электронов при их высокой концентрации в канале ВПЭТ и обеспечивает время задержки на вентиль менее 10 пс и граничные частоты 80 – 120 ГГц.

Углеродные нанотрубки.

Долгие годы считалось, что углерод может образовывать только две кристаллические структуры – алмаз и графит. Кристаллы алмаза хорошо известны. Их кристаллическая структура подобна кремнию. Кристаллическая структура графита слоистая: атомы углерода находятся в одной плоскости и образуют прочные связи между собой. Сами же атомные плоскости сравнительно далеко расположены друг от друга и слабо связаны между собой и образуют слоистый углеродный материал, называемый пиролитическим графитом. Этот материал можно найти в природе, как и слюду, являющимся также слоитым материалом. Кристаллы графита легко делятся на листы или чешуйки.

Важно отметить, что углеродные нанотрубки – это кристаллические структуры, в которых углерод проявляется в виде своей новой аллотропной модификации,. в форме так называемых фуллеренов.

Углеродные нанотрубки представляются одним из наиболее перспективных и ценных материалов для развития нанотехнологии. Перечислим только некоторые из направлений, которые уже в ближайшее время могут привести к промышленнму внедрению: модификация электроники (диоды, полевые транзисторы, экраны дисплеев сверхвысокого разрешения, увеличение степени интеграции в больших интегральных схемах), водородная энергетика (аккумуляция водорода как путь к созданию источников тока нового поколения, в частности – в автомобильной промышленности), сверхчувствительные быстродействующие миниатюрные сенсоры (обнаружение газов – NO ₂ , NH ₃ , O₂ и других), генераторы микроволн, эмиссионные и магнитные материалы, катализаторы (для полимерных материалов), использование зондовых микроскопов для сборки наноструктур из отдельных атомов и молекул с помощью зондов из нанотрубок.

Оказалось, что однослойные углеродные листы могут скручиваться в виде трубок в один или несколько слоев. Такие образования называют однослойными и, соответственно, многослойными трубками.

Диаметр таких трубок лежит от 0,5 нм до нескольких нанометров. Длина трубок может достигать десятков микрон. Из-за таких размеров углеродных трубок они и получили название нанотрубок.

Существует ограниченное число схем, с помощью которых можно из графитового листа выстроить нанотрубку. Можно сворачивать графитовый лист под разными углами, относительно оси графитового листа. Угол может принимать только дискретные значения и он называется углом хиральности Q.

Таким образом, все многообразие свойств нанотрубок определяется исключительно геометрией, которая единственным образом задается углом хиральности Q и диаметром d нанотрубки

По значению параметров Q и d различают:

- прямые (ахиральные) нанотрубки Q=0;

- спиральные (хиральные) нанотрубки Q≠0.