УДК 621.382:323
БОЧАРОВА И.А., МАЛЫШЕВ С.А.
ВЛИЯНИЕ ГЛУБОКИХ УРОВНЕЙ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ
GaAs ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ
Институт электроники НАН Беларуси, 220090, Минск, Логойский тракт, 22, тел.: (017) 2653327,
fax: (017) 2652541, e-mail: photon@inel.bas-net.by
Полевые транзисторы с затвором Шоттки (ПТШ) являются одним из
основных активных элементов интегральной микро- и оптоэлектроники. Наличие
глубоких уровней (ГУ) в запрещенной зоне GaAs, приводит к появлению
существенных особенностей в работе приборов (гистерезис ВАХ, ухудшение
шумовых параметров, повышение токов утечки, к появлению примесной полосы
поглощения и др.) [1].
Проблемы, связанные с флуктуацией различных параметров ПТШ и, прежде
всего шумовых, несмотря на огромное число работ в этой области, остаются по-
прежнему актуальными. Так как электронный канал полевого транзистора
ограничен потенциальными барьерами со стороны затвора и стороны подложки, на
функционирование ПТШ большое влияние оказывают границы раздела. В связи с
этим особый интерес представляет исследование механизмов, обусловливающих
флуктуации потенциала в обедненных областях, ограничивающих канал.
В работе рассмотрен туннельный механизм переноса носителей в области
пространственного заряда (ОПЗ) барьера Шоттки (БШ), определен энергетический
спектр глубоких уровней и установлена взаимосвязь токов утечки и крутизны ПТШ
с концентрацией ГУ в ОПЗ БШ.
Исследованные
транзисторы
были
сформированы
на
основе
газоэпитаксиальных структур GaAs с концентрацией свободных носителей в канале
1,5-2 1017 см-3 и толщиной активного слоя 0,15 мкм. Толщина буферного слоя
составляла 0,5-0,6 мкм. Эпитаксиальные слои выращивались на полуизолирующей
подложке GaAs, компенсированной хромом. Омические контакты истока и стока
были сформированы на основе эвтектического сплава Au-Ge (88%, 12%). Барьер

Шоттки был сформирован на основе двойной металлизации Ti-Au. Длина и ширина
затвора составляли 0,5 10-4 см и 200 10-4 см соответственно.
В работе были исследованы транзисторы, изготовленные в одной партии. Для
исследованных транзисторов были определены значения крутизны при отсутствии
смещения на затворе (Ug=0). В этом случае значительное влияние на изменение
крутизны будет оказывать граница раздела канал - ОПЗ барьера Шоттки. Значения
крутизны достаточно резко различаются (табл.).
Таблица
ПТШ
1
2
3
4
g, мА/Вмм
27.2
41.2
16
21
I0, мкА при U0= -5В
48
2.7
54
36
d2I/dU2
191.2
69.2
312
205
Nт, см-3
1.841014
1.031014
5.71015
11015
Для уточнения влияния границы раздела канал - ОПЗ БШ на крутизну ПТШ
были выполнены измерения прямых и обратных характеристик затворов полевых
транзисторов. Типичные ВАХ БШ, построенные в координатах lg(I,U2)
соответствующих туннельному току [ 2], линейны, что подтверждает туннельный
характер обратного тока и избыточного тока на прямой ВАХ (рис.1).
В соответствие с туннельным механизмом переноса носителей, переходы
электронов с участием глубоких уровней, вызывают появление дополнительных
каналов проводимости, которые соответствуют строго определенным напряжениям
смещения на затворе [3]. Это позволяет определять энергию ионизации глубоких
уровней по значениям напряжения, соответствующим максимумам в туннельных
спектрах (ТС). В работе ТС получали двойным дифференцированием прямых ВАХ
БШ [4,5]. Из анализа туннельных спектров следует, что в ОПЗ БШ в основном
присутствуют ГУ с энергией ионизации i = 0,7 эВ (рис.2). Глубокие уровни с такой
энергией ионизации идентифицируются как глубокие акцепторы и могут быть
связаны либо с дефектами стехиометрического состава, либо с атомами хрома,
замещающими атомы галлия в решетке GaAs [6].
Наиболее вероятным является глубокий центр, получающийся в результате
замещения хромом атома галлия в решетке GaAs, что подтверждает активную
диффузию хрома к поверхности [7].

Рис.1
Рис.2
При воздействии электрического поля однократно ионизованные атомы Cr2+
отдают один свободный электрон и переходят в нейтральное состояние Cr3+ , что
приводит к возрастанию плотности положительного заряда и усилению процессов
туннелирования носителей. Величина туннельного тока зависит от плотности ГУ
[2,3], следовательно, и величины максимумов в туннельных спектрах определяются
концентрацией глубоких уровней. Оценка концентрации глубоких уровней в ОПЗ
БШ, выполненная по формулам, приведенным в работе [8], подтвердила, что
наибольшая концентрация ГУ в ОПЗ БШ соответствует транзисторам в туннельных
спектрах ОПЗ БШ которых наблюдаются наибольшие величины максимумов (табл.
ПТШ 3). Следует отметить, что анализ ТС является простым и эффективным
методом для определения энергетического спектра ГУ и позволяет оценить их
влияние на характеристики и работоспособность полевых транзисторов.
Для транзисторов, в ТС которых величины максимумов наибольшие,
наблюдаются наименьшие значения крутизны и наибольшие токи утечки. Напротив,
наибольшая крутизна и минимальный ток утечки у ПТШ, в ТС БШ которого
величина максимума с i = 0,7 эВ минимальна (табл. ПТШ 2).
Установленная определенная корреляция этих параметров с присутствием
глубоких акцепторов в ОПЗ БШ, свидетельствует о том, что флуктуации потенциала
в этой области, вследствие изменения зарядового состояния ГУ являются одной из
причин, обусловливающей дисперсию крутизны и возрастание токов утечки
полевых транзисторов с затвором Шоттки.
1. Graffeuil J.,Rossel P., Martinot M. Electron Lett., v.15 (1979), 439-441

2. Гергель В.А., Ильичев Э.А., Полторацкий Э.А. и др. ФТП, 25 (1991), 1870-1875
3. Chynowelth A. G., Feldmann W. L.,. Logan L. A. Phys. Rev.. v.121. (1961) 684
4. Бочарова И.А., Малышев С.А., Апанасевич В.И. Тез. докл. IХ Всерос. конф.
"Датчики и преобразователи информации систем измерения контроля и
управления". Гурзуф. (1997), 411-412.
5. Апанасевич В.И., Бочарова И.А., Малышев С.А. Журн. прикл. спектр. т. 65
(1998), 2 298-302
6. Mitonneau A., Martin G.M., Mircia A. Electron Lett., v.13 (1977), 439-441
7. Picoli G., Deveand B., Galland D. J. Phys. C. V.42 (1981), 33
8. Бочарова И.А., Осиннский В.И., Рыжков М.П. Электронная техника, Сер. 3.
Микроэлектроника, в.1 (1989), 11-16.