SLOVENSKÁ TECHNICKÁ UNIVERZITA V BRATISLAVE FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A INFORMATIKY MERANIE A ANALÝZA ELEKTRICKÝCH VLASTNOSTÍ TRANZISTOROV TYPU HEMT Dip

Prepis

1 SLOVENSKÁ TECHNICKÁ UNIVERZITA V BRATISLAVE FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A INFORMATIKY MERANIE A ANALÝZA ELEKTRICKÝCH VLASTNOSTÍ TRANZISTOROV TYPU HEMT Diplomová práca Študijný program: mikroelektronika Študijný odbor: elektronika Školiace pracovisko: Katedra mikroelektroniky Školiteľ: prof. Ing. Jaroslav Kováč, PhD. Konzultant: prof. Ing. Jaroslav Kováč, PhD Bc. Pavol Hronec

2

3 ANOTÁCIA SLOVENSKÁ TECHNICKÁ UNIVERZITA V BRATISLAVE Fakulta elektrotechniky a informatiky Katedra mikroelektroniky Študijný program: MIKROELEKTRONIKA Autor: Bc. Pavol Hronec Názov bakalárskej práce: MERANIE A ANALÝZA ELEKTRICKÝCH VLASTNOSTÍ TRANZISTOROV TYPU HEMT Vedúci bakalárskej práce: prof. Ing. Jaroslav Kováč, PhD. Termín odovzdania: 20. máj 2011 Práca sa zaoberá základnými teoretickými poznatkami a charakteristickými vlastnosťami polovodičov typu III-N, ktoré určujú základné elektrické parametre tranzistorov s vysokou pohyblivosťou elektrónov (HEMT), najmä tranzistormi na báze InAlN/GaN. Výstupné voltampérové charakteristiky HEMT-ov v DC a impulznom režime umožňujú charakterizáciu základných parametrov. Z tohto hľadiska bolo cieľom práce vyvinúť metodiku merania, zahŕňajúcu zostavenie meracieho systému, vývoj programu v prostredí LabVIEW, pomocou ktorého sa zostavený merací systém riadi, ako aj metodiku pre vyhodnotenie impulzných výstupných charakteristík tranzistorov. Impulzná charakterizácia je dôležitá najmä z hľadiska vplyvu impulzného hradlového napätia na prúdový kolaps. Experimentálna časť práce je venovaná DC a impulznej charakterizácii tranzistorov HEMT. V prípade DC charakterizácie boli merané a vyšetrované vlastnosti kolektorového prúdu, prahového napätia a zvodových prúdov pre rôzne vzorky tranzistorov na báze InAlN/GaN. Porovnanie DC a impulzných výstupných charakteristík tranzistorov preukázalo potlačenie alebo úplnú elimináciu tepelného prúdového kolapsu v prípade impulzných meraní. Ďalej bola vzorka tranzistora HEMT podrobená stresu tak, že medzi kolektor a emitor tranzistora bolo pripojené napätie blízke prieraznému napätiu tranzistora po dobu 60 minút. Meraním výstupných charakteristík po strese bol preukázaný výraznejší pokles kolektorového prúdu v prípade impulzných charakteristík v porovnaní s DC výstupnými charakteristikami. Zmenou parametrov impulzného signálu pripojeného na hradlo tranzistora bola preukázaná frekvenčná závislosť kolektorového prúdu na rozhraní lineárnej a saturačnej oblasti výstupnej charakteristiky tranzistorov HEMT. Stresové merania a meranie frekvenčnej závislosti kolektorového prúdu je dôležité z hľadiska vplyvu na prúdový kolaps spôsobený zachytávaním nosičov náboja do pascových centier. Výsledky meraní boli v zhode s teoretickými očakávaniami. 3

4 ANNOTATION SLOVAK UNIVERSITY OF TECHNOLOGY IN BRATISLAVA Faculty of Electrical Engineering and Information Technology Department of Microelectronics Curriculum: MICROELECTRONICS Author: Bc. Pavol Hronec Title of the bachelor thesis: MEASUREMENT AND ANALYSIS OF ELECTRICAL PROPERTIES OF HEMT TRANSISTORS Supervisor: prof. Ing. Jaroslav Kováč, PhD. Date of the submission: 20 May 2011 This work deals with basic properties of III-N semiconductors determining of basic electrical properties of the high electron mobility transistors (HEMT) mainly based on InAlN/GaN structure. The DC and pulse output characteristics of HEMTs enable their basic characterization. For the measurement of output pulse characteristics the measurement methodology was developed, including measuring system arrangement, development of the program within the LabVIEW environment to control measuring system as well as the methodology for the evaluation of impulse output characteristics of transistors. Pulse characterization is important in view of the impact pulse gate voltage to the current collapse. The experimental part of this work is dedicated to DC and pulse characterization of HEMTs based on material system of InAlN/GaN. In the case of the DC characterization the drain currents, threshold voltages and leakage currents were investigated for different samples of the transistors. Comparison of DC and pulse output characteristics showed suppression or total elimination of thermal current collapse in the case of the pulse measurements. In next, samples of HEMT transistors were stressed so that between drain and source of transistors was applied voltage, which is close to breakdown voltage of the transistors for 60 minutes. Investigation of output characteristics after stress showed larger decrease of drain current in the case of the pulse output characteristics in comparison with DC output characteristics. Also was demonstrated the frequency dependence of the drain current on the interface of the linear and saturation area of output characteristics of HEMT transistors by changing the parameters of the signal applied to the gate of the transistors. Stress measurements and the measurement of frequency dependence of the drain current is important in the point of view of the impact on current collapse caused by capturing carriers into the trap centers. The results of these measurements were consistent with theoretical expectations. 4

5 Poučenie Vychádzajúc z dokumentov 1. Zákon o autorskom práve a právach súvisiacich s autorským právom (Autorský zákon) č. 618/2003 Zb. z. 2. Pokyn dekana FEI STU č. 1/2006 a tiež z faktu, že výsledkom diplomovej práce môže byť v zmysle vyššie citovaného zákona tzv. "školské dielo", považuje FEI STU za potrebné upozorniť všetkých autorov diplomových prác, že v zmysle 51, odseky (1) a (2) (1) škola môže uzatvoriť s autorom licenčnú zmluvu o použití školského diela za zvyčajných podmienok; ak autor bez závažného dôvodu odmieta licenčnú zmluvu uzatvoriť, môže sa škola domáhať, aby obsah tejto zmluvy určil súd (2) ak nie je dohodnuté inak, autor "školského diela" môže použiť svoje dielo alebo poskytnúť licenciu inému, ak to nie je v rozpore s oprávnenými záujmami školy. Potvrdzujem vlastnoručným podpisom, že som zobral na vedomie vyššie citované informácie zo zákona č. 618/2003 Zb. z..... vlastnoručný podpis študenta V Bratislave, dňa... 5

6 Čestné prehlásenie Prehlasujem, že som diplomovú prácu vypracoval samostatne s využitím uvedených zdrojov literatúry.... vlastnoručný podpis V Bratislave, dňa... 6

7 Poďakovanie Chcel by som sa poďakovať prof. Ing. Jaroslavovi Kováčovi, PhD. za pomoc a odborné vedenie pri realizácii tejto diplomovej práce a za odovzdané vedomosti, ako aj Ing. Martinovi Florovičovi, PhD. za ochotu a pomoc pri realizácii niektorých meraní. Ďalej sa chcem poďakovať Ing. Jaroslavovi Kováčovi, PhD. a Ing. Martinovi Guldanovi za cenné rady v oblasti práce a programovania v prostredí LabVIEW a doc. Ing. Petrovi Kordošovi, DrSc. za vzorky tranzistorov HEMT na báze InAlN/GaN. Zároveň by som sa rád poďakoval aj rodičom, bratovi a celej svojej rodine za podporu počas celého štúdia. 7

8 Obsah Obsah Zoznam príloh Zoznam použitých obrázkov Zoznam použitých tabuliek Zoznam použitých symbolov Zoznam použitých skratiek Úvod Polovodiče skupiny III-N Kryštalická mriežka polovodičov skupiny III-N Vlastnosti III-N polovodičov GaN AlN InN Ternárne zlúčeniny Polarizácia v III-N materiáloch Spontánna polarizácia Piezoelektrická polarizácia Polarizácia na rozhraní heteroštruktúr Tranzistor s vysokou pohyblivosťou elektrónov (HEMT) Štruktúra a princíp tranzistorov typu HEMT Substráty pre tranzistory HEMT Ohmické kontakty Schottkyho kontakt Heteroprechod a vznik dvojdimenzionálneho elektrónového plynu 2DEG Charakterizácia tranzistorov HEMT DC charakterizácia Prúdový kolaps Impulzná charakterizácia Program pre meranie impulzných charakteristík Prostredie LabVIEW

9 Obsah 3.2 Možnosti programu a jeho ovládanie Spôsob vyhodnotenia nameraných údajov Charakterizácia tranzistorov HEMT na báze InAlN/GaN DC charakterizácia Porovnanie DC a impulzných charakteristík tranzistorov HEMT Vplyv stresového napätia na DC a impulzné charakteristiky Vplyv parametrov impulzného signálu na výstupné charakteristiky tranzistorov HEMT Záver Zoznam použitej literatúry

10 Zoznam príloh Zoznam príloh PRÍLOHA 1 CD s vyvinutým programom na meranie impulzných výstupných charakteristík a program na vyhodnotenie frekvenčnej závislosti kolektorového prúdu tranzistorov HEMT. 10

11 Zoznam použitých obrázkov Zoznam použitých obrázkov OBRÁZOK 1 Jeden z prvých náčrtov pásmového diagramu Takashiho Mimuru, troch rôznych štruktúr tranzistora HEMT. [2] OBRÁZOK 2 Kryštalická mriežka a možné spôsoby kryštalizácie polovodičov III-N. Mriežka typu a) wurtzite, b) zinc blende, c) kamenná soľ. [8] OBRÁZOK 3 Mriežka typu wurtzite s vyznačenými mriežkovými parametrami a a c. [1] OBRÁZOK 4 Závislosť veľkosti šírky zakázaného pásma od mriežkovej konštanty a pre konvenčne používané polovodiče a pre III-N polovodiče. [3] OBRÁZOK 5 Vypočítané rýchlosti elektrónov v závislosti od intenzity elektrického poľa pre vybrané polovodiče. [10] OBRÁZOK 6 Smer polarizácie mriežky GaN-u pre a) Ga- polárny povrch, b) N- polárny povrch. [5] OBRÁZOK 7 Polarizácia na rozhraniach pre rôzne heteroštruktúry. OBRÁZOK 8 Štruktúra tranzistora HEMT na báze AlInN/GaN. OBRÁZOK 9 Rôzne technologické postupy vytvárania ohmických kontaktov. [5] OBRÁZOK 10 Energetický pásmový diagram kontaktu kov-polovodič (n-typ) v termodynamickej rovnováhe [3] OBRÁZOK 11 Typy heteroštruktúr: a) typ I, b) typ II, c) typ III [14] OBRÁZOK 12 Pásmový diagram heteroštruktúry AlInN/GaN. OBRÁZOK 13 Charakterizačné techniky a analýzy rozložené vo frekvenčnom spektre. [5] OBRÁZOK 14 Schémy zapojenia pre meranie a) DC b) impulzných charakteristík. OBRÁZOK 15 Ideálna a) výstupná b) prevodová charakteristika tranzistora HEMT. [16] OBRÁZOK 16 Schéma meracieho systému pre DC charakterizáciu. OBRÁZOK 17 Prúdový kolaps v AlGaN/GaN štruktúre HEMT-u ako dôsledok zachytávania nosičov náboja do pascí. [18] OBRÁZOK 18 Výstupná voltampérová charakteristika HEMT-u, na ktorej sa prejavuje prúdový kolaps. OBRÁZOK 19 Schéma meracieho systému pre meranie impulzných IV charakteristík. OBRÁZOK 20 Priebehy napätí z generátorov napätia a výstupný priebeh meraný na odpore R. 11

12 Zoznam použitých obrázkov OBRÁZOK 21 Prostredie LabVIEW [17] OBRÁZOK 22 OBRÁZOK 23 OBRÁZOK 24 OBRÁZOK 25 Predný panel programu na meranie impulzných IV charakteristík nazvaného PulsoftIV. Položky menu. Dialógové okná pre všetky položky pod záložkou Setup. Nastavenie parametrov pre a) impulzné napätie b) krokované napätie c) vyhodnocovanie výstupnej charakteristiky. Časový interval priemerovania nameraných hodnôt napätia. OBRÁZOK 26 Štruktúra meraných vzoriek tranzistorov HEMT na báze In x Al 1-x N/GaN. OBRÁZOK 27 Porovnanie výstupných charakteristík vybraných tranzistorov. OBRÁZOK 28 Porovnanie prevodových charakteristík vybraných tranzistorov. OBRÁZOK 29 Porovnanie voltampérových charakteristík Schottkyho diód tvoriacich hradlo tranzistorov. OBRÁZOK 30 Porovnanie DC a impulzných výstupných charakteristík tranzistora zo OBRÁZOK 31 OBRÁZOK 32 OBRÁZOK 33 OBRÁZOK 34 OBRÁZOK 35 OBRÁZOK 36 OBRÁZOK 37 OBRÁZOK 38 OBRÁZOK 39 vzorky A. Porovnanie DC a impulzných výstupných charakteristík tranzistora zo vzorky B. Porovnanie DC a impulzných výstupných charakteristík tranzistora zo vzorky C. DC výstupné charakteristiky tranzistora HEMT namerané pred a po pripojení stresového napätia. Impulzné výstupné charakteristiky tranzistora HEMT namerané pred a po pripojení stresového napätia. Predný panel programu na vyhodnotenie frekvenčných závislostí kolektorového prúdu. Frekvenčná závislosť kolektorového prúdu na rozhraní lineárnej a saturačnej oblasti výstupnej charakteristiky. Priebeh nameraných hodnôt kolektorového prúdu v čase na rozhraní lineárnej a saturačnej oblasti výstupnej charakteristiky. Frekvenčná závislosť kolektorového prúdu v saturačnej oblasti výstupnej charakteristiky. Priebeh nameraných hodnôt kolektorového prúdu v čase v saturačnej oblasti výstupnej charakteristiky. 12

13 Zoznam použitých tabuliek Zoznam použitých tabuliek TABUĽKA 1 Základné parametre binárnych III-N polovodičov. TABUĽKA 2 Parameter pohyblivosti ternárnych polovodičov. [5] TABUĽKA 3 Parametre interpolácie efektívnych hmotností nosičov náboja a šírky zakázaného pásma ternárnych polovodičov. [5] TABUĽKA 4 Koeficienty spontánnej polarizácie pre III-N polovodiče. [5] TABUĽKA 5 Piezoelektrické konštanty a relatívne permitivity III-N polovodičov. TABUĽKA 6 Jednotlivé zložky tenzora elasticity III-N polovodičov. [5] TABUĽKA 7 Základné vlastnosti substrátových materiálov pre III-N polovodiče. [5] TABUĽKA 8 Parametre meraných vzoriek s tranzistormi HEMT. 13

14 Zoznam použitých symbolov Zoznam použitých symbolov a c m 0 P P SP P PZ μ AB μ A μ B C μ,n,ab C μ,p,ab m ν,ab m ν,a m ν,b C mν,ab C mν,a C mν,b E g,ab E g,a E g,b C Egap,AB ε 11 ε 33 e 33 e 31 e 15 mriežkový parameter hexagonálnej elementárnej bunky (vzdialenosť medzi atómami v jednej rovine mriezky) mriežkový parameter hexagonálnej elementárnej bunky (výška elementárnej bunky) hmotnosť elektrónu polarizácia spontánna polarizácia piezoelektrická polarizácia pohyblivosť nosičov náboja v ternárnej zlúčenine A x B 1-x N pohyblivosť nosičov náboja v binárnej zlúčenine AN pohyblivosť nosičov náboja v binárnej zlúčenine BN parameter pohyblivosti elektrónov v ternárnej zlúčenine A x B 1-x N parameter pohyblivosti dier v ternárnej zlúčenine A x B 1-x N efektívna hmotnosť nosičov náboja v ternárnej zlúčenine A x B 1-x N efektívna hmotnosť nosičov náboja v binárnej zlúčenine AN efektívna hmotnosť nosičov náboja v binárnej zlúčenine BN konštanta pre interpoláciu efektívnych hmotností nosičov náboja v ternárnej zlúčenine A x B 1-x N konštanta pre interpoláciu efektívnych hmotností nosičov náboja v binárnej zlúčenine AN konštanta pre interpoláciu efektívnych hmotností nosičov náboja v binárnej zlúčenine BN šírka zakázaného pásma ternárneho polovodiča A x B 1-x N šírka zakázaného pásma binárneho polovodiča AN šírka zakázaného pásma binárneho polovodiča BN konštanta interpolácie šírky zakázaného pásma ternárneho polovodičaa x B 1-x N zložka tenzora relatívnej permitivity zložka tenzora relatívnej permitivity zložka tenzora piezoelektrických konštánt zložka tenzora piezoelektrických konštánt zložka tenzora piezoelektrických konštánt 14

15 Zoznam použitých symbolov e 14 C 11 C 33 C 12 C 13 C 44 L G W G L SD L SG L DG V th V bi q Φ M Φ B T k B n A * E C E F E V J J S V ΔE c ΔE v ε 0 ε GaN ε ABN (x) d ABN d GaN zložka tenzora piezoelektrických konštánt zložka tenzora elasticity zložka tenzora elasticity zložka tenzora elasticity zložka tenzora elasticity zložka tenzora elasticity dĺžka hradla tranzistora šírka hradla tranzistora vzdialenosť medzi kolektorom a emitorom tranzistora vzdialenosť medzi emitorom a hradlom tranzistora vzdialenosť medzi kolektorom a hradlom tranzistora prahové napätie tranzistora (threshold voltage) vstavaný potenciál elementárny náboj výstupná práca elektrónov z kovu výška Schottkyho bariéry teplota Boltzmannova konštanta faktor ideálnosti modifikovaná Richardsonova konštanta energia vodivostného pásma energia Fermiho hladiny energia valenčného pásma prúdová husotota saturačná prúdová hustota napätie rozdiel energií dolných okrajov vodivostného pásma v heteroštruktúre rozdiel energií horných okrajov valenčného pásma v heteroštruktúre permitivita vákua permitivita GaN permitivita ternárneho polovodiča v závislosti od množstva prvku v zlúčenine hrúbka vrstvy ternárneho polovodiča hrúbka vrstvy GaN eφabn (x) výška Schottkyho bariéry hradlového kontaktu tranzistora HEMT 15

16 Zoznam použitých symbolov Δ(x) energia dolného okraja vodivostného pásma na rozhraní ABN/GaN vzhľadom k energii Fermiho hladiny v závislosti od množstva prvku v zlúčenine μ n pohyblivosť elektrónov ΔE C ABN (x) rozdiel energií dolného okraju vodivostného pásma v závislosti od množstva prvku v zlúčenine n s (x) plošnú hustotu nosičov náboja v závislosti od množstva prvku v ternárnej zlúčenine σ ABN/GaN (x) polarizáciou vybudený náboj v závislosti od množstva prvku v ternárnej e R sheet W v sat E c I D V G σ S v(x) V(x) Φ b V off ΔE c W d N d d d n p N B V DS L I D,sat g m sat g m g m max zlúčenine elementárny náboj odpor kanála šírka hradla tranzistora saturačná rýchlosť nosičov náboja kritická elektrická intenzita poľa kolektorový prúd napätie medzi hradlom a emitorom plošná hustota náboja rýchlosť nosičov náboja v kanáli potenciál v kanáli výška Schottkyho bariéry napätie zahŕňajúce vplyv polarizáciou indukovaného náboja, výšku Schottkyho bariéry a nespojitosť vodivostného pásma rozdiel energií dolných okrajov vodivostného pásma hrúbka ochudobnenej vrstvy vo vrstve s kanálom koncentrácia donorov v bariérovej vrstve hrúbka dopovanej bariérovej vrstvy polarizáciou indukovaný náboj koncentrácia donorov kolektorové napätie dĺžka hradla tranzistora saturačný prúd tranzistora transkonduktancia transkonduktancia v saturačnej oblasti maximálna transkonduktancia 16

17 Zoznam použitých skratiek Zoznam použitých skratiek HEMT Tranzistor s vysokou pohyblivosťou elektrónov (High Electron Mobility Transistor) MOSFET Poľom riadený tranzistor so štruktúrou kov-oxid-polovodič (Metal Oxid Semiconductor Field Effect Transistor) 2DEG Dvojdimenzionálny elektrónový plyn (Two Dimensional Electron Gas) fcc Plošne centrovaná kubická mriežka (Face-centered cubic) hcp Hexagonálna tesne usporiadaná mriežka (Hexagonal close-packed) MOCVD Chemická depozícia z pár organokovových zlúčenín (Metal-Organic Chemical Vapour Deposition) MBE Molekulová zväzková epitaxia (Molecular Beam Epitaxy) DC Jednosmerný prúd (Direct Current) PC Osobný počítač (Personal computer) GPIB Zbernica s univerzálnym rozhraním (General Purpose Interface Bus) SMU Riadený zdroj s meracím systémom (Source Monitor Unit) PGU Generátor impulzných signálov (Pulse Generator Unit) USB Univerzálna sériová zbernica (Universal Serial Bus) LabVIEW Programovacie prostredie využívajúce grafické programovanie (Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench) MOVPE Epitaxia organokovových zlúčenín z plynnej fázy (Metal-Organic Vapour Phase Epitaxy) 17

18 Úvod Úvod Tranzistory s vysokou pohyblivosťou elektrónov (High Electron Mobility Transistors - HEMTs) na báze GaN sú v súčasnosti perspektívne pre mikrovlnné a vysoko výkonové zosilňovače. Typické oblasti použitia týchto tranzistorov sú vesmírne rádio teleskopy a mobilné telefóny. Konvenčné dostupné HEMT-y na trhu využívali ako substrát GaAs s vrchnou vrstvou AlGaAs. [1] Prvá myšlienka realizácie tranzistora s vysokou pohyblivosťou elektrónov vznikla v roku 1979 počas výskumu MOSFET-u na báze GaAs. Jej autorom bol Takashi Mimura, ktorý pracoval pre Fujitsu laboratories v Japonsku. Na Obr. 1 je jeden z prvých náčrtov Takashiho Mimuru znázorňujúci energetické diagramy troch štruktúr s rôznymi hrúbkami n-typu vrstvy AlGaAs. Prvý HEMT bol pripravený o necelý rok neskôr, v roku 1980 a bol založený na báze AlGaAs/GaAs. Jeho štruktúru tvoril Schottkyho kontakt medzi kovovými kontaktami na vrstve AlGaAs-u. Obr. 1 Jeden z prvých náčrtov pásmového diagramu Takashiho Mimuru, troch rôznych štruktúr tranzistora HEMT. [2] Hrubá vrstva AlGaAs-u (štruktúra vľavo) neumožňuje úplnú kontrolu elektrónov na rozhraní AlGaAs/GaAs, nakoľko efektívne odtieňuje elektrické pole na hradle. Je to možné len pri zvyšných dvoch štruktúrach, pričom výhodou štruktúry s tenkou vrstvou AlGaAs-u (štruktúra vpravo) je použitie iba kladného napätia. [2] Výskum uvedeného materiálového systému sa však už priblížil k teoretickým limitom, preto je pre zachovanie technologického pokroku potrebný vývoj nových 18

19 Úvod materiálov. Takýmito materiálmi sú polovodiče zo skupiny III-N (GaN, InN, AlN). Tieto materiály sú charakteristické veľkou šírkou zakázaného pásma, schopnosťou pracovať pri oveľa vyšších teplotách ako kremík, germánium alebo GaAs, veľkou saturačnou rýchlosťou elektrónov a vysokým prierazným napätím. Polovodiče zo skupiny III-N sú tiež využívané ako ďalšia generácia optoelektronických materiálov. Tieto materiály s veľkou šírkou zakázaného pásma umožňujú konštrukciu modrých elektroluminiscenčných diód, čo otvára nové možnosti výroby farebných displejov a modrých laserov. Tieto už boli skomercionalizované ako blue ray. [1] Dôležitú úlohu vo vývoji elektronických a optoelektronických súčiastok na báze polovodičov III-N zohrali bezpochyby roky 1992 a Najskôr sa v roku 1992 podarilo nájsť spôsob, akým sa dá dosiahnuť p-typ dopovania GaN. Tento objav bol kľúčový pre aplikácie v optoelektronike. Odvtedy je možná konštrukcia elektroluminiscenčných a laserových diód v spektrálnom rozsahu, ktorý nebolo možné dosiahnuť konvenčnými polovodičmi ako sú kremík, (Al)GaAs alebo AlInGaP. O rok neskôr bol po prvýkrát realizovaný HEMT tranzistor so štruktúrou AlGaN/GaN, ktorý je vďaka prítomnosti dvojdimenzionálneho elektrónového plynu (2DEG) v kombinácii s výbornými vlastnosťami materiálu predurčený pre použitie v elektronike. Nakoľko sú polovodiče zo skupiny III-N silne polarizované materiály, vytvorenie dvojdimenzionálneho elektrónového plynu je možné bez akéhokoľvek dopovania vrstiev štruktúry. Ďalej pnutie pochádzajúce z mriežkového neprispôsobenia medzi vrstvami použitých materiálov indukuje tiež piezoelektrický náboj, ktorý je zdrojom ďalších elektrónov v kanáli HEMT-u. Tento celkový náboj je 4 až 5-krát väčší ako pri HEMT-och na báze AlGaAs/GaAs. Od prvej demonštrácie HEMT-u na báze AlGaN/GaN bol zaznamenaný významný pokrok, avšak obrovský potenciál tejto technológie nebol dodnes vyčerpaný, nakoľko existujú oblasti, ktoré potrebujú ďalší vývoj a výskum pre zlepšovanie dosahovaných parametrov a vyššiu stabilitu. [3] 19

20 Polovodiče skupiny III-N 1 Polovodiče skupiny III-N 1.1 Kryštalická mriežka polovodičov skupiny III-N Tieto materiály môžu kryštalizovať v troch typoch mriežky: wurtzite zinc blende kamenná soľ Na Obr. 2 sú zobrazené všetky tieto typy mriežok, pričom pri izbovej teplote a atmosférickom tlaku je stabilná štruktúra s typom mriežky wurtzite pre všetky tri zmieňované binárne zlúčeniny (GaN, AlN, InN). Kryštalická mriežka typu zinc blende bola pre GaN a InN stabilizovaná epitaxným rastom tenkých vrstiev v kryštalografickej rovine {011} na substrátoch s kubickou mriežkou, akými sú Si, SiC, MgO a GaAs. Kryštalizácia vo forme mriežky kamennej soli je možná len pri vysokých tlakoch, preto je uskutočniteľná len v laboratórnych podmienkach. Binárne zlúčeniny s touto mriežkou nie je možné pripraviť epitaxným rastom. [9] Obr. 2 Kryštalická mriežka a možné spôsoby kryštalizácie polovodičov III-N. Mriežka typu a) wurtzite, b) zinc blende, c) kamenná soľ. [8] Mriežka zinc blende má kubickú elementárnu bunku, ktorá pozostáva zo štyroch atómov prvkov z tretej skupiny a štyroch atómov dusíka. Pozícia atómov v kryštalickej mriežke je identická s pozíciou atómov v diamantovej mriežke. V oboch prípadoch 20

21 Polovodiče skupiny III-N mriežka pozostáva z dvoch plošne centrovaných kubických mriežok (fcc) posunutých v smere telesovej uhlopriečky o jednu štvrtinu veľkosti tejto uhlopriečky. Na každý atóm je možné nazerať akoby bol umiestnený v strede štvorstena, pričom štyri k nemu najbližšie atómy sú umiestnené v jeho vrcholoch. Mriežka typu wurtzite má šesťuholníkovú elementárnu bunku, a preto má dva mriežkové parametre (a a c). Každá elementárna bunka obsahuje šesť atómov prvkov z tretej skupiny a šesť atómov dusíka. Mriežka pozostáva z dvoch navzájom posunutých hexagonálnych tesne usporiadaných mriežok (hcp), každá s jedným druhom atómu. Posunutie je v smere osi c o vzdialenosť veľkosti 5/8 výšky elementárnej bunky [9]. Takáto mriežka je pre GaN znázornená na Obr. 3. Obr. 3 Mriežka typu wurtzite s vyznačenými mriežkovými parametrami a a c. [1] Najbežnejšou formou kryštalickej mriežky u III-N polovodičov je wurtzite, preto je ďalej v práci venovaná pozornosť len III-N polovodičom s týmto typom mriežky. 1.2 Vlastnosti III-N polovodičov Všetky základné parametre binárnych III-N polovodičov sú uvedené v Tab. 1. Ďalej v práci budú popísané vzťahy na charakterizáciu niektorých ďalších vlastností binárnych aj ternárnych zlúčenín, ktoré využívajú niektoré zo základných parametrov uvedených v tejto tabuľke. Na Obr. 4 sú zobrazené závislosti mriežkového parametra a a veľkosti šírky zakázaného pásma pre konvenčne používané polovodiče a pre polovodiče skupiny III-N. Úsečky medzi jednotlivými binárnymi zlúčeninami zodpovedajú príslušným ternárnym 21

22 Polovodiče skupiny III-N zlúčeninám (ich vlastnosti budú popísané v kapitole Ternárne zlúčeniny), pričom plocha medzi týmito úsečkami zodpovedá rôznym zloženiam kvaternárnych zlúčením. Tab. 1 Základné parametre binárnych III-N polovodičov. Materiál GaN AlN InN Ref. Šírka energetickej medzery (ev) 3,4 6,2 0,7 [4] Mriežkový parameter a 0 (Å) 3,189 3,11 3,54 [4] Mriežkový parameter c 0 (Å) 5,185 4,98 5,7 [4] Efektívna hmotnosť elektrónov (x m 0 ) 0,2 0,48 0,11 [4] Degenerácia vodivostného pásma [4] Efektívna hmotnosť ťažkých dier (x m 0 ) 1,3 3,53 1,63 [4] Efektívna hmotnosť ľahkých dier (x m 0 ) 0,19 3,53 0,27 [4] Energia donorov (ev) [4] Koncentrácia donorov (cm -3 ) [4] Energia akceptorov (ev) [4] Koncentrácia akceptorov (cm -3 ) [4] Energia hlbokých donorov (ev) [4] Koncentrácia hlbokých donorov (cm -3 ) [4] Energia hlbokých akceptorov (ev) [4] Koncentrácia hlbokých akceptorov (cm -3 ) [4] Výška bariéry (ev) 1,7 3,1 1 [4] Pohyblivosť elektrónov (cm 2 /Vs) [4] Pohyblivosť dier (cm 2 /Vs) [4] Rekombinačný čas elektrónov (ns) [4] Rekombinačný čas dier (ns) [4] Absorpčný koeficient [4] Prierazné napätie (MV/cm) 3,3 8,4 1,2 [3] Saturačná rýchlosť elektrónov (x10 7 cm/s) 2,5 2,16 1,8 [3] 22

23 Polovodiče skupiny III-N Obr. 4 Závislosť veľkosti šírky zakázaného pásma od mriežkovej konštanty a pre konvenčne používané polovodiče a pre III-N polovodiče. [3] GaN Hneď potom, ako bol GaN prvýkrát syntetizovaný v roku 1932 všetko nasvedčovalo tomu, že je to mimoriadne stabilná zlúčenina vykazujúca významnú tvrdosť. Práve tieto vlastnosti spravili z GaN atraktívny materiál pre ochranné povlaky. Avšak má aj excelentné polovodivé vlastnosti, ktoré vzbudili záujem výskumníkov. Teplotná stabilita GaN dovoľuje použitie vysokoteplotných procesov, zatiaľ čo chemická stabilita predstavuje technologickú výzvu. Konvenčné techniky mokrého leptania používané pri výrobe polovodičov nie sú použiteľné na výrobu prvkov na báze GaN. GaN nízkej kvality bol leptaný pri uspokojivých leptacích rýchlostiach v NaOH, H 2 SO 4 a H 3 PO 4. Tieto leptacie procesy sú veľmi užitočné pri identifikovaní defektov a odhadovaní ich hustôt v tenkých vrstvách GaN. Ako sľubné možnosti sa ukazujú rôzne procesy suchého leptania. [9] GaN má veľkú efektívnu hmotnosť elektrónov na úrovni 0,2m 0, ktorá je približne trikrát väčšia ako u GaAs. To vedie k menšej pohyblivosti elektrónov pre nízke intenzity elektrického poľa v porovnaní s GaAs. Jej hodnota sa pri izbovej teplote pohybuje v rozmedzí hodnôt 1000 až 1500 cm 2 V -1 s -1. Pohyblivosť dier v GaN je oveľa nižšia, jej maximálna hodnota je 175 cm 2 V -1 s

24 Polovodiče skupiny III-N Javov ovplyvňujúcich pohyblivosť je niekoľko. Sú to: rozptyl na akustických a optických fonónoch rozptyl na ionizovaných prímesiach rozptyl na dislokáciách rozptyl na prímesiach [5] Pri vysokých intenzitách elektrického poľa nie je výkon HEMT-ov na báze GaN limitovaný pohyblivosťou, ale rýchlosťou elektrónov. Na Obr. 5 je porovnanie vypočítaných rýchlostí elektrónov pre GaN, Si a GaAs. Z obrázku je zrejmé, že maximálna rýchlosť elektrónov v GaN pri vyšších intenzitách elektrického poľa je približne 1,5-krát vačšia ako v GaAs. Obr. 5 Vypočítané rýchlosti elektrónov v závislosti od intenzity elektrického poľa pre vybrané polovodiče. [10] V GaN môže dôjsť k javu pozorovateľnému u III-V polovodičov, ktoré vykazujú zápornú diferenciálnu vodivosť. Jeho podstatou je, že rýchlosť elektrónov môže narásť nad hodnotu v rovnovážnom stave počas krátkeho časového úseku po pripojení elektrického poľa. V prípade GaAs sa tento jav prejavuje už pri intenzite elektrického poľa 10 kvcm -1. Pri GaN je podľa teoretických štúdií táto hodnota podstatne vyššia, a to 300 kvcm -1. [10] 24

25 Polovodiče skupiny III-N AlN AlN vykazuje mnoho užitočných mechanických a elektrických vlastností. Napríklad tvrdosť, vysokú tepelnú vodivosť a odolnosť voči vysokým teplotám. Jeho piezoelektrické vlastnosti z neho robia vhodný materiál pre aplikácie využívajúce povrchové akustické vlny. Po GaN je AlN druhou najdôležitejšou binárnou zlúčeninou spomedzi III-N polovodičov. Je charakterizovaný ako izolant z dôvodu veľkej šírky zakázaného pásma (6,2 ev) a veľkej aktivačnej energie donorov. AlN sa zvyčajne necháva rásť ako zárodočná vrstva pre rast na SiC a Al 2 O 3 substrátoch a medzivrstva na rozhraní kanál/bariéra v HEMT-och. Jeho vysoká tepelná vodivosť je lepšia ako u iných polovodičov s výnimkou BN, SiC a diamantu. Toto robí z AlN potenciálne atraktívny substrátový materiál. Veľká šírka zakázaného pásma umožňuje modifikáciu šírky zakázaného pásma Al x Ga 1-x N-u v širokom rozsahu hodnôt (od 3,4 ev pre GaN až po 6,2 ev pre AlN). Ešte väčší rozsah hodnôt je možný pri použití InN, kde môže byť šírka zakázaného pásma ternárnej alebo kvaternárnej zlúčeniny menšia ako u GaN-u. [5],[9] InN Tretím z diskutovaných III-N polovodičov je InN. prvýkrát bol syntetizovaný v roku V porovnaní s GaN a AlN je technologicky veľmi náročné vytvoriť kvalitné vrstvy, čo je spôsobené samotnou jeho povahou. Rozdielnosť vo veľkosti, elektronegativite a veľmi vysoký tlak pár dusíka oproti indiu spôsobujú problémy pri raste kryštálu. Šírka zakázaného pásma InN je podľa skorších štúdií 1,8-2 ev. V súšasnosti sa v mnohých publikáciách uvádza hodnota 0,7-0,8 ev, avšak tieto hodnoty sú stále predmetom diskusií. Všetky základné parametre sú uvedené v Tab. 1. Nameraná pohyblivosť elektrónov v InN je v širokom rozsahu hodnôt od použitého substrátu a použitej depozičnej techniky na prípravu vrstiev. Táto pohyblivosť môže byť pri izbovej teplote až 3000 cm 2 V -1 s -1, možno dokonca ešte vyššia. Maximálna rýchlosť elektrónov, určená teoreticky, je 4, cm s -1 pri predpokladanej intenzite elektrického poľa 65 kv cm -1, čo je vyššia hodnota ako u GaN-u. V InN taktiež dochádza k javu zápornej diferenciálnej vodivosti. Práve v tomto materiáli sa prejavuje najviac spomedzi III-N polovodičov. [9] 25

26 Polovodiče skupiny III-N 1.3 Ternárne zlúčeniny Existencia ternárnych materiálov v materiálovom systéme III-N polovodičov je základnou výhodou v porovnaní s inými polovodičmi s veľkou šírkou zakázaného pásma, ako napríklad SiC. Možnosť rastu Al x Ga 1-x N, In x Ga 1-x N a In x Al 1-x N v heteroštruktúrach s binárnymi III-N materiálmi umožňuje modifikáciu profilu pásmového diagramu štruktúry. Toto má obrovský význam v elektronických a optoelektronických aplikáciách. Materiálový parameter ternárnej zlúčeniny A x B 1-x N vyjadrený veličinou Z je určený pomocou kvadratickej interpolácie pomocou nasledujúcich dvoch priblížení: (1) V druhom priblížení môže byť napísaný ako. (2) Niekedy je rovnica (2) rozšírená na polynóm tretieho stupňa: (3) Pohyblivosť nosičov náboja ternárnych zlúčenín je možné určiť z nasledujúcej rovnice: (4) kde μ A a μ B sú pohyblivosti nosičov náboja v binárnych zlúčeninách AN a BN uvedené v Tab. 1, C μ,ab je konštanta uvedená v Tab. 2 a μ AB ternárneho polovodiča. je výsledná pohyblivosť nosičov náboja Tab. 2 Parameter pohyblivosti ternárnych polovodičov. [5] C μ,n,ab C μ,p,ab [cm -2 V -1 s -1 ] [cm -2 V -1 s -1 ] AlxGa 1-x N In x Ga 1-x N In x Al 1-x N Pre efektívne hmotnosti nosičov náboja m ν v ternárnych polovodičoch a šírku zakázaného pásma E g môžeme zovšeobecnenú rovnicu (1) napísať v tvare (5) (6) 26

27 Polovodiče skupiny III-N kde parameter a je parameter pre interpoláciu efektívnych hmotností, resp. pre interpoláciu šírky zakázaného pásma a je uvedený v Tab. 3. [5] Tab. 3 Parametre interpolácie efektívnych hmotností nosičov náboja a šírky zakázaného pásma ternárnych polovodičov. [5] C mn,ab C mp,ab C Egap,AB Al x Ga 1-x N 0, ,7; -1,33 In x Ga 1-x N 0 0-1,4 In x Al 1-x N 0 0-2,5 1.4 Polarizácia v III-N materiáloch III-N polovodiče vykazujú významnú elektrickú polarizáciu, ktorá sa prejavuje najmä na ich rozhraniach. Tento jav si zaslúži veľkú pozornosť, nakoľko sa prejavuje v oveľa väčšej miere ako u ostatných doteraz používaných polovodičoch. Celková polarizácia je (7) kde je spontánna polarizácia a je piezoelektrická polarizácia Spontánna polarizácia Spontánna polarizácia vzniká v smere osi c mriežky typu wurtzite a vedie k prítomnosti silných elektrických polí s intenzitou až 3 MV cm -1. Zistenia ohľadom spontánnej polarizácie vrstiev III-N polovodičov narastených pomocou dvoch najdôležitejších techník (MOCVD, MBE) sú nasledovné: absolútne hodnoty piezoelektrických konštánt III-N polovodičov sú desaťkrát vyššie ako u konvenčných III-V a II-VI polovodičov pomocou techník MOCVD a MBE boli pre III-N polovodiče dosiahnuté veľmi podobné hodnoty pohyblivosti a plošnej hustoty nosičov náboja a kvality materiálu na rozhraní heteroštruktúry Al x Ga 1-x N/GaN je spontánna polarizácia dôležitejšia ako piezoelektrická polarizácia 27

28 Polovodiče skupiny III-N na rozhraní In(Al)N/GaN môže byť spontánna polarizácia taká dôležitá ako piezoelektrická, alebo dôležitejšia a stále bude viesť k vysokej plošnej hustote nosičov náboja polarita polarizácie môže byť ovplyvnená a zmenená mechanickým pnutím medzi vrstvami, ako aj zložením materiálu Medzi materiálom narasteným pomocou MOCVD a MBE existujú rozdiely pokiaľ ide o polaritu na rozhraní nábojov teoretické a experimentálne výsledky sa zhodujú v plnom rozsahu nepresnosti pochádzajú z vplyvu podmienok na povrchu, spojenia Fermiho hladín na rozhraniach pasivácie, dislokácií a možných premiešavaní polarít predpokladá sa, že drsnosť povrchu a neúplne strmé rozhranie nemá veľký vplyv na plošnú hustotu nosičov náboja Vrstvy GaN-u môžu byť rastené Ga - polárny povrch alebo N - polárny povrch. Ich porovnanie je na Obr. 6. Kladný smer polarizácie je pozdĺž osi c od kovového katiónu (Ga, In, Al) k dusíkovému aniónu (N). Takže v prípade Ga - polárneho povrchu má polarizácia smer k substrátu, zatiaľ čo pri N - polárnom povrchu má polarizácia smer k povrchu vrstvy. Parametre spontánnej polarizácie pre III-N polovodiče sú uvedené v Tab. 4. Pre všetky materiály je spontánna polarizácia záporná a jej hodnota narastá od GaN cez InN až k AlN. [5] Obr. 6 Smer polarizácie mriežky GaN-u pre a) Ga- polárny povrch, b) N- polárny povrch. [5] 28

29 Polovodiče skupiny III-N Tab. 4 Koeficienty spontánnej polarizácie pre III-N polovodiče. [5] P P SP SP (Cm (Cm GaN AlN InN Ref. -2 ) -0,029-0,081-0,032 [6] -2 ) -0,034-0,09-0,042 [11] Pre spontánnu polarizáciu na rozhraní GaN a ternárnych polovodičov je možné použiť nasledujúcu interpoláciu [5]: (8) (9) (10) Piezoelektrická polarizácia Okrem spontánnej polarizácie kryštál vykazuje aj piezoelektrickú polarizáciu. Jej pôvod je v mechanickom pnutí na kryštál a posunutí aniónovej mriežky voči katiónovej. Toto môže viesť k veľmi silným elektrickým poliam s hodnotami intenzity na úrovni 2 MV/cm. V Tab. 5 je zhrnutie piezoelektrických konštánt pre rôzne III-N polovodiče. Tab. 5 Piezoelektrické konštanty a relatívne permitivity III-N polovodičov. e e e e Materiál GaN AlN InN Ref (C/m (C/m (C/m (C/m 2 ) 0,73 1,46 0,97 [6] 2 ) -0,49-0,6-0,57 [6] 2 ) -0,48-0,58 - [4] 2 ) 0,375 0,92 0,375 [4] ε 11 (-) 9,5 9 13,8 [5],[7] ε 33 (-) 10,4 10,7 13,8 [5],[7] Pnutím indukovaná piezoelektrická polarizácia III-N polovodičov v smere osi c a mriežke typu wutzite je daná vzťahom (11) kde e 31 a e 33 sú príslušné piezoelektrické konštanty a C 13 a C 33 predstavujú elastické konštanty, ktoré sú súčasťou tenzora elasticity. Všetky nenulové zložky tohto tenzora sú 29

30 Polovodiče skupiny III-N pre III-N polovodiče uvedené v Tab. 6. a a a 0 materiálu, resp. naňho narastenej vrstvy. sú mriežkové parametre podkladového Tab. 6 Jednotlivé zložky tenzora elasticity III-N polovodičov. [5] GaN AlN InN C 11 (Gpa) C 33 (Gpa) C 44 (Gpa) C 12 (Gpa) C 13 (Gpa) Dôsledkom rovnice (11) a lineárnej interpolácie elastických a piezoelektrických konštánt je nelineárna závislosť piezoelektrickej polarizácie od relatívneho množstva tretieho prvku v ternárnej zlúčenine. Táto závislosť môže byť aproximovaná pomocou nasledujúcich kvadratických rovníc s presnosťou lepšou ako 1 %. (12) (13) (14) (15) (16) (17) (18) (19) [12] (20) Polarizácia na rozhraní heteroštruktúr Pre mriežku typu wurtzite je možné náboj σ B na rozhraní heteroštruktúry určiť podľa vzťahu: (21) 30

31 Polovodiče skupiny III-N (22) (23) Štruktúry na báze transportu dier sa nepoužívajú z dôvodu ich zlých transportných vlastností v materiálovom systéme III-N. Pre vytvorenie elektrónového kanálu musia byť splnené dve nasledujúce podmienky: výsledkom celkovej polarizácie na rozhraní musí byť kladný náboj šírka zakázaného pásma polovodiča, do ktorého sú vháňané elektróny, musí byť menšia ako šírka zakázaného pásma polovodiča v druhej vrstve heteroštruktúry Polarizácia na rozhraniach pre jednotlivé heteroštruktúry je znázornená na Obr. 7. I: Al x Ga 1-x N/GaN heteroprechod Pre vrstvu Al x Ga 1-x N-u narastenú navrchu vrstvy GaN-u je spontánna a piezoelektrická polarizácia paralelná a pod deformáciou v ťahu. V závislosti na podmienkach rastu môžu nastať tieto situácie: a) V prípade Ga - polárneho povrchu, t.j. aniónov na povrchu, polarita paralelných zložiek celkovej polarizácie vedie k vytvoreniu elektrónového kanálu v GaN-e. b) V prípade N - polárneho povrchu sa orientácia oboch zložiek polarizácie zmenila a z tohto dôvodu nedochádza k vytvoreniu kanála na rozhraní heteroštruktúry. Dôležitým pre túto analýzu náboja na rozhraní je fakt, že na vrchu vrstvy AlGaN-u neboli narastené žiadne iné vrstvy. Ďalšie rozhrania majú vplyv na koncentráciu nosičov náboja na rozhraní heteroprechodu. Toto tiež platí pre zárodočnú vrstvu rastenú za účelom kompenzácie mriežkového neprispôsobenia na rozhraní substrátu a základnej vrstvy GaN-u. II: GaN/In x Ga 1-x N heteroprechod V tomto prípade je vrstva In x Ga 1-x N-u namáhaná v tlaku pre akékoľvek zloženie zlúčeniny. Spontánna a piezoelektrická polarizácia sú antiparalelné, pričom piezoelektrická polarizácia je väčšia ako spontánna. V závislosti na podmienkach rastu môžu nastať tieto situácie: 31

32 Polovodiče skupiny III-N a) V prípade Ga - polárneho povrchu, výsledná polarizácia smeruje ku GaN-u, takže náboj na rozhraní je záporný a nie je vytvorený žiadny elektrónový kanál b) V prípade N - polárneho povrchu, náboj na rozhraní je kladný, čo vedie k vytvoreniu elektrónového kanála vo vrstve In x Ga 1-x N-u. III: InxAl 1-x N/GaN heteroprechod In x Al 1-x N vytvárajú binárne polovodiče InN a AlN, z ktorých prvý má menšiu a druhý väčšiu šírku zakázaného pásma ako GaN, čo komplikuje situáciu. Vrstva In x Al 1-x N-u je pod rôznym pnutím s výnimkou In 0,17 Al 0,83 N, ktorý je ku GaN-u mriežkovo prispôsobený. a) V prípade Ga - polárneho povrchu sú obe zložky polarizácie paralelné pre x < 0,17, elektrónový kanál sa vytvára vo vrstve GaN-u pre x < 0,3 z dôvodu výslednej polarizácie b) V prípade N - polárneho povrchu vzniká zaujímavá situácia pre x > 0,3. Oba typy polarizácie sú v In x Al 1-x N-e antiparalelné s nasledujúcim rozdielom: 1. Pre 0,3 < x < 0,6 sa v InxAl 1-x N-e nevytvára žiadny elektrónový kanál, nakoľko je šírka zakázaného pásma In x Al 1-x N-u stále väčšia ako šírka zakázaného pásma GaN-u. 2. Pre 0,6 x 1 je šírka zakázaného pásma GaN-u väčšia ako šírka zakázaného pásma In xal 1-x N-u, preto sa v In x Al 1-x N-e vytvorí elektrónový kanál. [5] Obr. 7 Polarizácia na rozhraniach pre rôzne heteroštruktúry. 32

33 Tranzistor s vysokou pohyblivosťou elektrónov (HEMT) 2 Tranzistor s vysokou pohyblivosťou elektrónov (HEMT) 2.1 Štruktúra a princíp tranzistorov typu HEMT Tranzistory typu HEMT sú trojpólové súčiastky, ktoré sú z geometrického hľadiska charakterizované dĺžkou hradla (L G ), šírkou hradla (W G ), vzdialenosťou emitorového a kolektorové kontaktu (L SD ), hradlového a emitorového kontaktu (L SG ) a hradlového a kolektorového kontaktu (L DG ). Transport náboja je uskutočňovaný cez dvojdimenzionálny elektrónový plyn (2DEG) medzi kolektorom a emitorom. Veľkosť prúdu tečúceho cez tranzistor je riadený napätím na hradlovej elektróde, ktorá je umiestnená medzi spomínanými dvomi ohmickými kontaktmi. Táto hradlová elektróda je realizovaná Schottkyho kontaktom. [13] Pripojením kladného napätia na hradlo sa kanál otvára, pripojením záporného napätia sa, naopak, kanál uzatvára, až kým záporné napätie nedosiahne hodnotu prahového napätia V th, kedy kanál medzi kolektorom a emitorom tranzistora je zatvorený. Príklad štruktúry HEMT-u na báze AlInN/GaN s vyznačenými charakteristickými rozmermi je na Obr. 8. Obr. 8 Štruktúra tranzistora HEMT na báze AlInN/GaN. 33

34 Tranzistor s vysokou pohyblivosťou elektrónov (HEMT) Substráty pre tranzistory HEMT substrát pre epitaxný rast GaN vrstiev by bol teoreticky najvhodnejší GaN. Avšak zatiaľ takýto substrát s dostatočne veľkou plochou, kvalitou a za nízku cenu nie je komerčne dostupný. Preto sa pre výrobu súčiastok na báze polovodičov III-N bežne používa heteroepitaxia. Najbežnejšie používanými substrátmi sú karbid kremíka (SiC), zafír (Al 2 O 3 ) a kremík (Si). [1] Pri voľbe substrátu je potrebné vziať do úvahy nasledujúce vlastnosti: mriežkové neprispôsobenie vzhľadom k materiálu, ktorý naň bude nanesený tepelná vodivosť a koeficient teplotnej rozťažnosti maximálny merný elektrický odpor (pri rôznych teplotách) cena a cena za jednotku plochy dostupnosť s prihliadnutím na priemer substrátu (2-8 palcov) kvalita kryštálu a hustota defektov deformácia wafer-u mechanické a chemické vlastnosti [5] V Tab. 7 sú najdôležitejšie fyzikálne vlastnosti substrátových materiálov, ktoré prichádzajú do úvahy pre súčiastky na báze III-N polovodičov. Tab. 7 Základné vlastnosti substrátových materiálov pre III-N polovodiče. [5] GaN 6H SiC Al 2 O 3 Si AlN Mriežkový parameter a Mriežkové neprispôsobenie (Å) 3,189 3,08 4,758/ 3 5,4301 3,112 (%) 0 3, Tepelná vodivosť (Wm -1 K -1 ) Koeficient teplotnej (10-6 K -1 ) 5,59 4,2 7,5 3,59 4,2 rozťažnosti Merný elektrický odpor (Ωcm) x

35 Tranzistor s vysokou pohyblivosťou elektrónov (HEMT) Karbid kremíka (SiC) Najžiadanejším substrátovým materiálom je semi-izolačný karbid kremíka kombinácii svojho mriežkového neprispôsobenia, izolačných vlastností a tepelnej vodivosti. Používa sa typ 4H-SiC, ako aj 6H-s.i. SiC. Naopak, v optoelektronických aplikáciách sa pre III-N polovodiče používa vodivý SiC. Jeho vodivosť je možné dosiahnuť dopovaním a je dostupné so všetkými úrovňami a typmi dopácie, od nízko dopovaných semi-izolačných až po vysoko dopované n++ a p++ substráty. Avšak stále je nutná komplexná analýza substrátu, nakoľko stále zostávajú nezodpovedané otázky ohľadom rastu SiC. Tieto otázky sa týkajú najmä: kontroly a redukcie priemernej hustoty rastových defektov, redukcie defektov všeobecne odstránenia podpovrchových poškodení leštenia povrchu za účelom zmenšenia priemernej drsnosti dostupnosti 2-6 palcových waferov so zvýšenou a rovnomernou kvalitou Rast vrstiev GaN na SiC je problematický, nakoľko priľnavosť medzi týmito dvomi materiálmi je zlá. Tomuto problému je možné predísť použitím zárodočnej vrstvy z AlN alebo Al x Ga 1-x N. Vrstva AlN-u zlepšuje priľnavosť medzi GaN vrstvou a substrátom a umožňuje rast požadovanej štruktúry. Vďaka tejto vrstve dochádza k zmenšovaniu počtu dislokácií a iných defektov z dôvodu zlepšeného mriežkového neprispôsobenia medzi AlN a GaN. Zafír (Al 2 O 3 ) Zafír je sľubný materiál vďaka jeho rentabilite a dostupnosti s priemerom substrátu 2-4 palce. Je široko používaný pri vývoji elektronických súčiastok a aj napriek jeho mriežkovému neprispôsobeniu boli dosiahnuté hodnoty výkonovej hustoty V prípade zafíru tiež existujú problémy, ktoré musia byť riešené: tepelný manažment z dôvodu nízkej tepelnej vodivosti redukcia hrúbky waferu 12 W.mm mriežkovým neprispôsobením indukované pnutie a ohýbanie stenčeného zafírového substrátu z dôvodu veľkého mriežkového neprispôsobenia ku GaN problémy pri výrobe, napr. pri litografii z dôvodu ohýbania waferu [1] [5]

36 Tranzistor s vysokou pohyblivosťou elektrónov (HEMT) Kremík (Si) Vzhľadom na svoju rozšírenosť a ekonomický význam je kremík najdôležitejší polovodič a substrátový materiál. Použitie kremíka ako substrátového materiálu je žiaduce najmä z dôvodu jeho rentability. Avšak použitie kremíka prináša aj isté problémy a výzvy pri výrobe prvkov na báze III-N polovodičov, akými sú: dopad mriežkového neprispôsobenia ku GaN-u s prihliadnutím na materiálové defekty, kvalitu a spoľahlivosť súčiastky rozdiel medzi koeficientmi tepelnej rozťažnosti, zvlášť pri použití vo vysoko výkonových aplikáciách dostupnosť a cena 2-6 palcových nevodivých kremíkových substrátov s merným elektrickým odporom kω.cm Mriežkové neprispôsobenie k III-N polovodičom je v zásade nevýhoda, ale kvalita substrátu s prihliadnutím na defekty je neporovnateľne lepšia ako u ostatných substrátových materiáloch. Kremíkové substráty sú prakticky bez defektov, čo významne zlepšuje spoľahlivosť súčiastky. [5] Ohmické kontakty Vytvorenie ohmického kontaktu pre III-N polovodiče vyžaduje riešenie a zvládnutie nasledujúcich podmienok a technológie: zvýšenie hustoty stavov na rozhraní pre polovodiče s veľkou šírkou zakázaného pásma so šírkou 3,4 ev príprava povrchu polovodiča pred depozíciou kovu kontrola nad morfológiou kovu kvôli vysokým teplotám žíhania (minimálne 600 C), nevyhnutná vzhľadom k veľkej šírke zakázaného pásma; zahŕňa: kontrolu nad vertikálnou difúziou kovu pri vysokých teplotách žíhania kontrolu nad laterálnou difúziou kovových kontaktov z dôvodu zníženia zvodových prúdov na hradle precíznu kontrolu litografických procesov prípravy kontaktov 36

37 Tranzistor s vysokou pohyblivosťou elektrónov (HEMT) Na Obr. 9 je zobrazených šesť najpoužívanejších technologických postupov vytvárania ohmických kontaktov: a) Kov je deponovaný na povrchu bariérovej vrstvy bez použitia žíhania. b) Kov je žíhaný do bariérovej vrstvy. c) Žíhanie pokračuje až do vrstvy s kanálom d) Kov je deponovaný na vysoko dopovanú kontaktovaciu vrstvu e) Zapustenie ohmického kontaktu do vysoko dopovanej kontaktovacej vrstvy pred žíhaním f) Zapustenie do GaN vrstvy cez bariérovú vrstvu pred žíhaním Obr. 9 Rôzne technologické postupy vytvárania ohmických kontaktov. [5] Vo všeobecnosti, formovanie ohmických kontaktov na povrchu polovodiča vyžaduje vysokú hustotu stavov na rozhraní, čo posúva Fermiho hladinu v polovodiči blízko k vodivostnému pásmu.v III-N polovodičoch, ktoré majú veľkú šírku zakázaného pásma sa to dosahuje ťažšie. Na riešenie týchto problémov môžu byť využité polárne vlastnosti týchto polovodičov. Vysokú hustotu stavov na rozhraní je možné dosiahnuť supermriežkou v krycích vrstvách pod ohmickým kontaktom. V prvých experimentoch boli na prípravu ohmických kontaktoch pre n-typ GaN použité kontakty Ti/Al zažíhané pri 900 C počas 30 s. Zlepšenie stability ohmických kontaktov prinieslo použitie Ti/Al/Pt/Au v porovnaní s Ti/Al/Au. Platina je použitá ako difúzna bariéra pre difúziu zlata a rozsah teplôt žíhania je C. Ti/Al/Ni/Au kontakty sa používajú v priemyselnom spracovaní a dosahujú merný elektrický odpor 0,75 Ω.cm. 37

38 Tranzistor s vysokou pohyblivosťou elektrónov (HEMT) Na p-type ohmických kontaktov sa robil rozsiahly výskum, nakoľko sú veľmi dôležité pre optoelektronické aplikácie. Niektoré pre optoelektronické aplikácie dôležité vlastnosti, ako napríklad priehľadnosť, nehrajú pre elektronické súčiastky úlohu, preto v nich môžu byť použité iné materiálové systémy pre ohmické kontakty. Merný elektrický odpor p-typu kontaktov je typicky o dva rády vyšší ako pri najlepších n-typoch kontaktov. Nízky merný elektrický odpor bol zaznamenaný pre systém kovov Ni/Pd/Au. Na Mgdopovanom GaN sú to hodnoty 10-4 Ω.cm 2 a pre ťažko Be-dopovaný GaN rekordne nízke hodnoty na úrovni 4, Ω.cm 2. Pre sucho leptané p-typy ohmických kontaktov sa používa materiálový systém Ni/Pt/Au. [5] Schottkyho kontakt Schottkyho kontakt (kontakt kov-polovodič) vzniká keď sa kov dostane do kontaktu s n-typom polovodiča, pričom výstupná práca elektrónov z kovu je väčšia ako z polovodiča. Fermiho hladiny oboch materiálov sa v termodynamickej rovnováhe vyrovnajú a energetické pásmo polovodiča sa zakriví smerom nahor, čo vedie k vzniku vstavaného potenciálu V bi. Tento prípad je zobrazený na Obr. 10, kde qφ M je výstupná práca elektrónov z kovu a qφ B je výška Schottkyho bariéry. Obr. 10 Energetický pásmový diagram kontaktu kov-polovodič (n-typ) v termodynamickej rovnováhe [3] 38

39 Tranzistor s vysokou pohyblivosťou elektrónov (HEMT) Existuje niekoľko spôsobov transportu elektrónov cez potenciálovú bariéru v prechode kov-polovodič: a) termoemisiou, t.j. transportom elektrónov z polovodiča do kovu ponad potenciálovú bariéru b) tunelovanie excitovaných elektrónov z polovodiča cez stenčenú bariéru c) tunelovanie elektrónov s energiami blízkymi energii Fermiho hladiny [3] Schottkyho kontakt kov-polovodič je najkritickejšia časť štruktúry poľom riadených tranzistorov, ktoré nemajú kontakt kov-oxid. Pre Schottkyho kontakty sa zavádza faktor ideality n, ktorý je pre ideálny kontakt rovný 1. Pre neideálne kontakty je nutné faktor ideality zahrnúť ho do rovnice pre výpočet hradlovej prúdovej hustoty, ktorá má tvar: (24) kde T je teplota, k B výrazom je Boltzmannova konštanta. Saturačná prúdová hustota je daná (25) kde T je teplota a A * je modifikovaná Richardsonova konštanta. Pre pripojené napätia vyššie ako 3k B T/q môže byť prúdová hustota aproximovaná zjednodušenou rovnicou. (26) Poľom riadené tranzistory na báze GaN majú z viacerých dôvodov relatívne veľký faktor ideality. Sú to najmä: vysoká drsnosť povrchu negatívne ovplyvňujúca morfológiu rozhrania kovpolovodič problémy s izoláciou na rozhraní povrchu polovodiča a pasivácie bez zapustenia hradla alebo ohmického kontaktu veľké kolektorové prúdy vďaka veľkej polarizácii a dopovaniu prímesami neohmické správanie miest prístupu počas meraní Schottkyho diód Tieto problémy sú nezávislé od návrhu kovovej vrstvy Schottkyho kontaktu. Technologické procesy vytvárania kontaktu zahrňujú problémy: znižovania zvodového prúdu pri aplikácii vysokých napätí až do 300 V stabilita s prihliadnutím na vysoké prevádzkové teploty efekty vyplývajúce z vytvárania Schottkyho hradla na polárnych polovodičoch 39

40 Tranzistor s vysokou pohyblivosťou elektrónov (HEMT) zachytávanie nosičov náboja pascami a tvorba dipólov blízko rozhrania problémy s adhéziou hradlových kontaktov na relatívne drsné rozhrania mechanickú stabilitu hradla [5] Heteroprechod a vznik dvojdimenzionálneho elektrónového plynu 2DEG Umiestnením dvoch rôznych polovodičov do kontaktu vzniká heteroštruktúra. Nakoľko sú tieto materiály rôzne ich rôzne vlastnosti budú mať rozdielny vplyv na vlastnosti heteroštruktúry ako celku. V tomto smere sú najdôležitejšími vlastnosťami mriežkové parametre, šírka zakázaného pásma, koncentrácia dopantov a rozdiel medzi výstupnými prácami elektrónov z jednotlivých polovodičov. Rôzne materiály majú aj rôznu šírku zakázaného pásma, preto vodivostné a valenčné pásmo neprechádzajú cez celú heteroštruktúru kontinuálne. Aspoň jedno z týchto pásiem musí mať na rozhraní polovodičov nespojitosť. Rozdiel medzi energiami vodivostného pásma sa označuje ako ΔE c a valenčného ΔE v. Existujú tri možné typy nespojitostí pásmového diagramu heteroštruktúry na rozhraní medzi dvomi polovodičmi. Zobrazené sú na Obr. 11. Najbežnejšie sa vyskytuje typ I, ktorý tvoria aj všetky III-N polovodiče. [14] Obr. 11 Typy heteroštruktúr: a) typ I, b) typ II, c) typ III [14] V tranzistoroch typu HEMT vzniká na rozhraní heteroštruktúry dvojdimenzionálny elektrónový plyn (2DEG). Na rozhraní sa energetické pásma zakrivia smerom nadol a nakoľko energia Fermiho hladiny v celej heteroštruktúre musí byť rovnaká, tak na tomto rozhraní vzniká úzka vrstva polovodiča, kde je energia Fermiho hladiny vyššia ako energia dolného okraja vodivostného pásma daného polovodiča. Je to potenciálová jama s najnižším energetickým stavom v heteroštruktúre, preto je jej obsadenie elektrónmi 40

41 Tranzistor s vysokou pohyblivosťou elektrónov (HEMT) najpravdepodobnejšie. Pohyb elektrónov je možný len pozdĺž roviny yz, pohyb pozdĺž osi x je nepravdepodobný, nakoľko elektróny by museli obsadiť menej pravdepodobný energetický stav. V tomto má pôvod označenie 2DEG a v štruktúre HEMT-u vytvára vodivý kanál medzi kolektorom a emitorom tranzistora. Príklad pásmového diagramu heteroštruktúry AlInN/GaN je na Obr. 12. V prípade heteroštruktúr na báze III-N polovodičov má na zakrivenie pásmového diagramu a veľkosť potenciálovej jamy vplyv aj spontánna a piezoelektrická polarizácia jednotlivých polovodičov. V ideálnom prípade majú oba tieto typy polarizácie rovnaký smer. Obr. 12 Pásmový diagram heteroštruktúry AlInN/GaN. Pre nedopovanú štruktúru AlGaN/GaN alebo AlInN/GaN rastenú na Ga-polárnom povrchu môžeme plošnú hustotu nosičov náboja aproximovať nasledujúcou rovnicou (27) kde ε 0 je permitivita vákua, ε GaN a ε ABN (x) sú relatívne permitivity príslušných materiálov, d ABN a d GaN je hrúbka vrstvy ternárnej zlúčeniny a základovej vrstvy. E F je energia Fermiho hladiny vzhľadom k dolnému okraju vodivostného pásma blízko rozhrania GaN/substrát, eφ ABN (x) je výška Schottkyho bariéry hradlového kontaktu, je rozdiel energií dolného okraju vodivostného pásma a Δ(x) je energia dolného okraja vodivostného pásma na rozhraní ABN/GaN vzhľadom k energii Fermiho hladiny. [12] Odpor kanála je potom možné vypočítať ako (28) kde μ n je pohyblivosť elektrónov. [15] 41

42 Tranzistor s vysokou pohyblivosťou elektrónov (HEMT) 2.2 Charakterizácia tranzistorov HEMT Pre charakterizáciu elektrických parametrov tranzistorov sa používajú signály s rôznymi frekvenciami, od jednosmerných až po vysokofrekvenčné signály. Na Obr. 13 sú znázornené rôzne charakterizačné techniky ako aj ciele skúmania rozložené vo frekvenčnom spektre. Táto práca sa zaoberá jednosmernou IV (DC) charakterizáciou a charakterizáciou impulzných vlastností tranzistorov HEMT, ktorých techniky sú na Obr. 13 označené modrou farbou. Na Obr. 14 je zapojenie HEMT-u pre meranie DC a impulzných charakteristík. V prípade impulzných meraní je výstupný signál meraný osciloskopom na zaťažovacom odpore R. Podrobnejšie bude toto meranie popísané v kapitole venovanej charakterizácii tranzistorov pomocou impulzných meraní. Obr. 13 Charakterizačné techniky a analýzy rozložené vo frekvenčnom spektre. [5] Obr. 14 Schémy zapojenia pre meranie a) DC b) impulzných charakteristík. 42

43 Tranzistor s vysokou pohyblivosťou elektrónov (HEMT) DC charakterizácia Pre analytický popis jednosmerných IV charakteristík musia byť zavedené nasledujúce predpoklady: 1. Hradlový kontakt a pod ním ležiaci kanál s 2DEG je považovaný za doskový kondenzátor a predpokladá sa lineárna závislosť medzi n S a V GS. 2. Separácia pôvodne 2-dimenzionálneho poľa a problému transportu náboja do dvoch 1-dimenzionálnych rovníc. Predpokladá sa, že priečne pole v smere toku prúdu je výrazne väčšie ako pozdĺžne pole. 3. Prúd tečúci cez hradlo je zanedbateľný. [3] Prúd kanálom I D je potom daný jednoducho nasledujúcou rovnicou (29) kde x je vzdialenosť v smere osi x medzi kolektorom a emitorom tranzistora, W je šírka hradla, σs je plošná hustota náboja a v(x) je rýchlosť nosičov náboja pri pripojenom napätí. Rýchlosť nosičov náboja je daná empirickým vzťahom (30), ktorý platí pre rýchlosť menšiu ako je saturačná rýchlosť v sat. (30) kde V(x) je potenciál kanála medzi kolektorom a emitorom tranzistora, μ je pohyblivosť nosičov náboja a E vyjadrená vzťahom c je kritická elektrická intenzita poľa. Plošná hustota náboja je (31) kde ε2 je permitivita bariérovej vrstvy, d je súčet hrúbok dopovanej bariérovej vrstvy a nedopovanej vrstvy na rozhraní heteroštruktúry, V G je napätie na hradle, V(x) je potenciál kanála a V off je napätie zahŕňajúce vplyv polarizáciou indukovaného náboja a je vyjadrené vzťahom (32) kde Φb je výška Schottkyho bariéry, ΔE c je rozdiel energií dolných okrajov vodivostného pásma, n p je polarizáciou indukovaný náboj, N B je koncentrácia donorov a W d je hrúbka ochudobnenej vrstvy vo vrstve s kanálom. V p2 je definované ako (33) 43

44 Tranzistor s vysokou pohyblivosťou elektrónov (HEMT) kde N d je koncentrácia donorov v bariérovej vrstve a d d je hrúbka dopovanej bariérovej vrstvy. Po vyjadrení rovnice (31) dosadením rovníc (32) a (33) túto rovnicu dosadíme spolu s rovnicou (30) do rovnice (29) a kolektorový prúd dostaneme vyjadrený ako (34) Integrovaním rovnice (34) od emitora (x=0) po kolektor (x=l) a zobratím do úvahy, že kolektorový prúd musí byť konštantný cez celý kanál dostaneme pre kolektorový prúd vzťah (35) kde V DS je napätie medzi kolektorom a emitorom tranzistora a L je dĺžka hradla. Saturačný prúd bude potom (36) kde (37) a (38) kde a F je získané z interpolácie podľa [12]. Kolektorový prúd sa vynáša do závislostí, ktoré charakterizujú vlastnosti tranzistora. Najdôležitejšími sú výstupná a prevodová charakteristika. Ich ideálne priebehy sú zobrazené na Obr. 15 s vyznačeným saturačným prúdom, saturačným napätím a prahovým napätím. Výstupná charakteristika znázorňuje závislosť kolektorového prúdu od napätia medzi kolektorom a emitorom pri rôznych pripojených napätiach na hradle. Prevodová charakteristika je zase závislosť kolektorového prúdu od napätia pripojeného na hradle pri zmene napätia medzi kolektorom a emitorom. Z tejto charakteristiky je možné určiť ako rýchlo sa tranzistor zatvára, resp. otvára. Určuje to transkonduktancia, ktorá je definovaná ako. (39) Ak I D nahradíme I D,sat, tak dostaneme transkonduktanciu v saturačnej oblasti, ktorá je vyjadrená vzťahom 44

45 Tranzistor s vysokou pohyblivosťou elektrónov (HEMT) (40) Maximálna transkonduktancia je daná vzťahom [12] (41) Obr. 15 Ideálna a) výstupná b) prevodová charakteristika tranzistora HEMT. [16] Pre DC charakterizáciu bolo použité zapojenie meracieho systému podľa Obr. 16 využitím parametrického analyzátora Agilent 4155C ovládaného pomocou PC a príslušného softvéru cez GPIB zbernicu. Obr. 16 Schéma meracieho systému pre DC charakterizáciu. 45

46 Tranzistor s vysokou pohyblivosťou elektrónov (HEMT) Prúdový kolaps Pri výrobe HEMT-ov vznikajú v štruktúre tzv. pasce. Vyskytujú sa najmä vo vrstve GaN a sú to v podstate atómy neželaných prímesí alebo defekty v kryštalickej mriežke, ktoré zachytávajú nosiče náboja a lokalizujú ich v blízkosti pascového centra. V energetickom diagrame sa prímesové hladiny týchto porúch nachádzajú relatívne hlboko v zakázanom pásme polovodiča, a preto sa zvyknú označovať aj ako hlboké prímesi. Práve tieto prímesi spôsobujú prúdový kolaps, čo je skreslenie výstupnej voltampérovej charakteristiky tranzistora, ktorá má osobitný význam, pretože v konečnom dôsledku obmedzuje jeho výstupný výkon. Prúdový kolaps vzniká pri zapojení veľkého napätia medzi kolektor a emitor tranzistora HEMT. Elektróny vo vodivostnom kanáli sú týmto elektrickým poľom prudko urýchlené, čím získajú dostatočnú kinetickú energiu na to, aby vnikli do susednej vrstvy v štruktúre tranzistora. Ak sa v tejto oblasti nachádzajú pasce, nosiče náboja sa v nich zachytávajú. Výsledkom týchto javov je pokles kolektorového prúdu, ktorý sa označuje ako prúdový kolaps. Na Obr. 17 môžeme vidieť princíp zachytávania nosičov náboja vo vysokorezistívnej vrstve GaN v štruktúre HEMT-u, o ktorej je známe, že obsahuje vysokú koncentráciu pascí. Obr. 17 Prúdový kolaps v AlGaN/GaN štruktúre HEMT-u ako dôsledok zachytávania nosičov náboja do pascí. [18] 46

47 Tranzistor s vysokou pohyblivosťou elektrónov (HEMT) Poklesnutý kolektorový prúd môže byť obnovený, ak vrstvu so zachytenými nosičmi náboja osvetlíme. Ak toto svetlo odovzdá dostatočnú energiu zachyteným nosičom náboja, tak tieto nosiče vniknú naspať do vodivostného kanála, kde sa opäť podieľajú na prenose náboja medzi kolektorom a emitorom. Týmto svetlom indukovaný nárast poklesnutého kolektorového prúdu je základom pre fotoionizačnú spektrometrickú techniku, ktorá umožňuje detekciu a charakterizáciu pascí, v ktorých boli nosiče náboja zachytené. Na Obr. 18 je znázornené, ako sa prúdový kolaps prejavuje na tvare výstupnej voltampérovej charakteristike tranzistora. [18] Prúdový kolaps môže spôsobiť tiež zahrievanie aktívnej vrstvy v štruktúre tranzistora HEMT, ktoré je spôsobené narastajúcim prúdom cez jeho kanál. Obr. 18 Výstupná voltampérová charakteristika HEMT-u, na ktorej sa prejavuje prúdový kolaps. 47

48 Tranzistor s vysokou pohyblivosťou elektrónov (HEMT) Impulzná charakterizácia Pri meraní impulzných IV charakteristík je na hradlo tranzistora privedené impulzné napätie z napäťového zdroja PGU parametrického analyzátora Agilent 4155C a na kolektor je privedené krokované napätie zo zdroja SMU5 tohto analyzátora. Výstupné napätie sa meria osciloskopom Agilent DSO5054A na zaťažovacom odpore R podľa schémy na Obr. 14 b). Osciloskop je pripojený k PC cez USB zbernicu. Voľba veľkosti zaťažovacieho odporu závisí najmä od veľkosti pretekajúceho prúdu cez kanál tranzistora. Je vhodné voliť čo najmenší odpor, avšak pri malých prúdoch na ňom vznikne malý úbytok napätia, ktorý je obtiažne merať. Schéma meracieho systému pre meranie impulzných IV charakteristík je na Obr. 19 a jednotlivé priebehy napätí sú zobrazené na Obr. 20. Obr. 19 Schéma meracieho systému pre meranie impulzných IV charakteristík. 48

49 Tranzistor s vysokou pohyblivosťou elektrónov (HEMT) Pre meranie impulzných IV charakteristík bol vyvinutý program v prostredí LabVIEW. Jeho podrobnejšiemu popisu, ako aj spôsobu vyhodnocovania charakteristík v ňom je venovaná nasledujúca kapitola. Obr. 20 Priebehy napätí z generátorov napätia a výstupný priebeh meraný na odpore R. 49

50 Program pre meranie impulzných charakteristík 3 Program pre meranie impulzných charakteristík Program pre meranie imlulzných IV charakteristík bol vyvinutý v prostredí LabVIEW a jeho úlohou je riadenie napäťových generátorov parametrického analyzátora Agilent 4155C, zbieranie a následné vyhodnotenie údajov nameraných osciloskopom Agilent DSO5054A. 3.1 Prostredie LabVIEW LabVIEW je grafické programovacie prostredie bežne používané na zber dát, riadenie prístrojov a priemyselnú automatizáciu. Programovanie cez grafické rozhranie je intuitívne, kód je prehľadný a čas vývoja aplikácie oveľa kratší v porovnaní so štandardnými programovacími jazykmi. Programovacie prostredie je zobrazené na Obr. 21. V popredí je Blokový diagram, ktorý je v podstate kódom programu. Jednotlivé funkcie sú reprezentované ikonami, ktoré sú pospájané vláknami. Tie zas reprezentujú tok dát medzi spojenými funkciami. V pozadí na Obr. 21 je Predný panel, na ktorom sú všetky ovládacie a zobrazovacie prvky, ktoré slúžia na ovládanie programu užívateľom. Všetky tieto prvky sú v Blokovom diagrame reprezentované príslušnými ikonami. Obr. 21 Prostredie LabVIEW [17] 50

51 Program pre meranie impulzných charakteristík 3.2 Možnosti programu a jeho ovládanie Predný panel programu je zobrazený na Obr. 22. Nachádza sa tu okno, ktoré zobrazuje aktuálny snímaný priebeh napätia z osciloskopu. Toto okno je možné prepínať na záložku s tabuľkou hodnôt z jednotlivých kanálov osciloskopu alebo na vykreslenú voltampérovú charakteristiku, ktorá sa zobrazí po odmeraní a vyhodnotení nameraných dát. Ďalej je tu zobrazená cesta pre uloženie nameraných údajov do súboru. Poslednými prvkami na hlavnom paneli programu sú tri tlačidlá. Dva sú na reštartovanie osciloskopu, resp. parametrického analyzátora, ktoré je možné použiť v prípade problémov pri komunikácii medzi programom a daným zariadením. Ich použitie je možné len ak práve neprebieha meranie. Keď je meranie spustené, tak sú tieto tlačidlá šedé a nie je možné ich zatlačenie. Tretím tlačidlom je tlačidlo START, ktorým sa spúšťa meranie. Obr. 22 Predný panel programu na meranie impulzných IV charakteristík nazvaného PulsoftIV. 51

52 Program pre meranie impulzných charakteristík V hornej časti okna sa nachádza menu so záložkami Program a Setup. Pod nimi sa nachádzajú položky, ktoré sú zobrazené na Obr. 23 a ktoré sú popísané ďalej. Každá táto položka má priradenú príslušnú klávesovú skratku, čo umožňuje rýchly prístup k nastaveniam. Obr. 23 Položky menu. Prvou možnosťou pod záložkou Program je tlačidlo Save results as (Ctrl+S) pre uloženie súboru s nameranými údajmi. Po jeho stlačení sa otvorí štandardné dialógové okno systému Windows pre ukladanie súborov. Program ukladá výsledky meraní len vo formáte *.txt. Ak za názvom súboru táto prípona nie je, tak ju tam program automaticky doplní. Cestu pre uloženie výsledkov merania aj s názvom súboru je nutné zadať pred začiatkom samotného merania. Pod zadaným názvom program ukladá dáta namerané osciloskopom. Avšak okrem tohto súboru program vytvorí ešte jeden súbor s vyhodnotenou IV charakteristikou. Miesto uloženia tohto súboru je zhodné so zadaným miestom uloženia, k zadanému názvu je automaticky pripojená koncovka *_IVchar.txt. Stop VI execution pod záložkou Program má tú istú funkciu ako červené tlačidlo Abort execution of..., jeho výhodou je, že je preň priradená klávesová skratka (Ctrl+X). Posledná možnosť pod touto záložkou, Quit LabVIEW (Ctrl+Q), ukončí program a následne aj celé prostredie LabVIEW. Pod záložkou Setup sú umiestnené dialógové okná pre nastavenie všetkých potrebných parametrov napäťových zdrojov ako aj nastavenia pre vyhodnocovanie IV charakteristiky. Všetky tieto dialógové okná sú na Obr. 24. Po zvolení PGU (Ctrl+P) je možné v dialógovom okne (Obr. 24 a) ) nastaviť parametre impulzného napätia generovaného z napäťového zdroja PGU. V položke Channel je možnosť výberu medzi dvomi zdrojmi impulzného napätia, ktoré parametrický analyzátor obsahuje. V položke Mode je možnosť výberu medzi režimom generovania impulzného a konštantného napätia. V závislosti od tejto voľby sa potom nepotrebné kolónky zmenia na sivé a nastavenie ich hodnoty nebude umožnené. V položke Source name je možné nastaviť ľubovoľný názov, pod ktorým bude zdroj impulzného napätia vystupovať. Maximálna dĺžka názvu je 6 znakov. Táto kolónka nesmie zostať prázdna, pretože zdroj pri spustení merania nezačne generovať napätie. Ale táto možnosť 52

53 Program pre meranie impulzných charakteristík je ošetrená a v prípade, že kolónka zostane prázdna, program na to upozorní v dialógovom okne ešte pred tým, ako sa začne vykonávať meranie. V poslednej položke v tomto oddiely okna je možné nastaviť výstupnú impedanciu zdroja buď na nízku hodnotu, alebo na hodnotu 50 Ω. V druhom oddiely okna sú položky pre nastavenie parametrov impulzu (trvanie impulzu, periódy, nábežnej a dobežnej hrany impulzu, hodnota dolnej a hornej napäťovej úrovne impulzu, čas oneskorenia impulzu a počet impulzov). Pokiaľ je počet impulzov nastavený na nulu, tak zdroj generuje impulzy nepretržite, až kým nie je zastavený. Tretí oddiel obsahuje len kolónku pre nastavenie hodnoty konštantného napätia, ale táto možnosť je k dispozícii len v prípade, ak je v položke Mode zvolená možnosť Vconstant. Nastavené hodnoty sú potvrdené stlačením tlačidla OK. Obr. 24 Dialógové okná pre všetky položky pod záložkou Setup. Nastavenie parametrov pre a) impulzné napätie b) krokované napätie c) vyhodnocovanie výstupnej charakteristiky. Po zvolení položky SMU (Ctrl+T) v záložke Setup sa zobrazí dialógové okno umožňujúce nastaviť parametre schodovitého napätia (Obr. 24 b) )generovaného zo zdroja SMU (Source Monitor Unit), ktorý je súčasťou parametrického analyzátora. V prvom oddiely okna je možnosť výberu jedného z piatich zdrojov SMU a tiež možnosť generovať 53

54 Program pre meranie impulzných charakteristík napätie alebo prúd. Ak sa očakávajú prúdy väčšie ako 100 ma, tak je potrebné zvoliť ako zdroj krokovaného napätia zdroj SMU5, nakoľko všetky ostatné zdroje napätia majú maximálne prúdové obmedzenie 100 ma. Zdroj SMU5 má maximálne prúdové obmedzenie až 1 A. V druhom oddiely sú kolónky pre nastavenie parametrov schodovitého napätia, resp. prúdu (začiatočná a konečná hodnota, krok, s akým bude hodnota narastať, čas oneskorenia, ktorý je v podstate čas trvania jednej úrovne signálu, čas oneskorenia začiatku generovania signálu a prúdové, resp. napäťové obmedzenie). Nastavenia sa opäť potvrdia stlačením tlačidla OK. V dialógovom okne Characteristics (Ctrl+C) v záložke Setup (Obr. 24 c) ) je možné upraviť nastavenia pre vyhodnotenie IV charakteristiky. V prvých troch položkách v okne sa volia kanály osciloskopu, na ktorých sa merajú príslušné priebehy napätí. V prvej položke je potrebné zvoliť kanál, na ktorom sa meria priebeh napätia na rezistore R, v druhej položke je potrebné vybrať kanál merajúci impulzný signál zo zdroja PGU a v tretej položke sa volí kanál snímajúci priebeh krokovaného napätia zo zdroja SMU. Do nasledujúcej kolónky je nutné zapísať odpor rezistora R, na ktorom sa meria napätie. V kolónke Timebase range je možné nastaviť rozsah časovej základne, čo je 10- krát väčšia hodnota ako hodnota časovej základne na jeden dielik. Možnosť nastavenia tejto položky je výhodná vtedy, ak impulzný signál z PGU má malú striedu. Potom nastavením vhodného rozsahu časovej základne je možné impulz roztiahnuť, čo umožní presnejšie zmerať hornú úroveň signálu a následne aj presnejšie vyhodnotiť IV charakteristiku. Zároveň časť dolnej úrovne signálu nie je vôbec meraná, čo nemá vplyv na vyhodnotenie výstupnej charakteristiky, nakoľko tieto údaje nie sú potrebné. Pre správne vyhodnotenie IV charakteristiky je v takomto prípade vhodné, aby rozsah časovej základne bol aspoň dvakrát väčší ako je šírka impulzu. Položky Save data from DSO a Save*_IVchar.txt určujú, či sa uložia namerané údaje z osciloskopu, resp. či sa uloží vypočítaná IV charakteristika. Označenie, resp. neoznačenie Output characteristics určuje, či program má vyhodnotiť a vykresliť IV charakteristiku z nameraných údajov. Tieto tri položky je dobré nechať neoznačené v prípade, že sa vykonávajú skúšobné merania a nie je potrebné výsledky meraní zaznamenať. Položka Fit timebase to pulse period prispôsobuje časovú základňu osciloskopu k dĺžke trvania periódy impulzu tak, že je na obrazovke osciloskopu zobrazená práve jedna perióda. Táto voľba je vhodná ak je strieda impulzného signálu zo zdroja PGU veľká (približne 50 % a viac). Táto položka má väčšiu prioritu ako položka Timebase range, to znamená, že položku Timebase range je možné nastaviť, len ak položka Fit timebase to pulse period nie je označená. 54

55 Program pre meranie impulzných charakteristík Po ukončení všetkých nastavení sa meranie spustí stlačením tlačidla START na prednom paneli programu. 3.3 Spôsob vyhodnotenia nameraných údajov Osciloskopom boli merané tri priebehy napätia naznačené na Obr. 14 b). Bolo to napätie u R (t) na rezistore R, priebeh impulzného napätia u PGU (t) zo zdroja napätia PGU a schodovité napätie u SMU5 (t) zo zdroja napätia SMU5. Z Obr. 14 b) je zrejmé, že medzi kolektorom a emitorom HEMT tranzistora nebude napätie u SMU5 (t), nakoľko na rezistore R vzniká úbytok napätia ktorý meriame. Veľkosť odporu tohto rezistora je potrebné optimalizovať z hľadiska presnosti merania. Čím väčší je jeho odpor, tým väčší je aj úbytok napätia na ňom a tým menej výrazný je vplyv šumu pri meraní. Avšak z hľadiska pretekajúceho prúdu cez kanál je veľký odpor nevhodný, nakoľko veľký odpor tento prúd obmedzuje. Preto veľkosť odporu volíme kompromisom medzi odporom kanála tranzistora a odporom rezistora R, ktoré vytvárajú napäťový delič, takže (42) Konštantné napätie U R na rezistore R pri danom napätí na kolektore sa vypočíta ako priemer hodnôt nameraných medzi časmi t 1 a t 2 uvedených na Obr. 25. Hodnoty sa spriemerujú v tom istom časovom intervale aj pre napätie zo zdroja SMU5, čím vznikne hodnota napätia U SMU5. Obr. 25 Časový interval priemerovania nameraných hodnôt napätia. Pre jednotlivé časové intervaly na Obr. 25 platia nasledujúce vzťahy: (43) (44) 55

56 Program pre meranie impulzných charakteristík Tieto hodnoty časových intervalov boli zvolené z toho dôvodu, že priebeh napätia zo zdroja SMU5 sa ukázal ako nie úplne nezávislý od priebehu napätia u PGU (t). Pri nábežných a dobežných hranách napätia u PGU (t) sa na schodovitom napätí u SMU5 (t) objavili zákmity, ktoré sa voľbou vhodného časového intervalu eliminovali, a tým nemali vplyv na vyhodnotenie IV charakteristiky. Po takto spracovaných hodnotách bolo napätie U DS prislúchajúce jednému bodu IV charakteristiky vypočítané ako (45) Hodnoty priebehov namerané z jednotlivých kanálov osciloskopu si program ukladá do polí hodnôt a následne tieto polia ukladá do tabuľky, pričom v každom stĺpci v tabuľke sú uložené dáta z jedného kanála osciloskopu. Po skončení merania program vyhodnotí hodnoty v poliach. Postup vyhodnotenia je zvolený tak, že najskôr vyčíta hodnoty priebehu napätia usmu5(t). Keď program vyhodnotí, že sa napätie zvýšilo o zvolený napäťový krok, tak v tom istom časovom bode začína program vyčítavať pole s hodnotami napätí u PGU (t) až kým identifikuje nábežnú hranu. Potom začína spracovávať dáta z poľa hodnôt napätia u R (t) hore uvedeným spôsobom. Keď program vyhodnotí prvý impulz, tak pokračuje v spracovaní poľa hodnôt s napätím u SMU5 (t). Napätia pre IV charakteristiku potom program vypočíta podľa rovnice (45) a prúdy vypočíta podľa vzťahu (46) 56

57 Charakterizácia tranzistorov HEMT na báze InAlN/GaN 4 Charakterizácia tranzistorov HEMT na báze InAlN/GaN Pre meranie boli k dispozícii 3 vzorky s tranzistormi HEMT na báze In x Al 1-x N/GaN na kremíkovom substráte s kryštalografickou orientáciou (111) pripravené pomocou MOVPE s rôznym množstvom india v zlúčenine. Vzorky sú označené ako A, B a C. Ich parametre sú v Tab. 8. Štruktúra meraných vzoriek je na Obr. 26. Metalizácia ohmického kontaktu bola vytvorený použitím kombinácie kovov Ti/Al/Ni/Au (12/200/40/100 nm) žíhaných pri teplote 850 C počas 40 s. Hradlový kontakt bol vytvorený použitím Ni/Au (10/300 nm) metalizácie. Tab. 8 Parametre meraných vzoriek s tranzistormi HEMT. vzorka x W g [μm] L g [μm] n s [cm -2 ] A 0, ,9 0, B 0, ,9 2, C 0, ,9 1, Obr. 26 Štruktúra meraných vzoriek tranzistorov HEMT na báze In x Al 1-x N/GaN. 57

58 Charakterizácia tranzistorov HEMT na báze InAlN/GaN 4.1 DC charakterizácia Na Obr. 27 sú výstupné charakteristiky jednotlivých vzoriek tranzistorov namerané v DC režime pri napätí na hradle 1 V. Prúdový kolaps sa podľa očakávaní najviac prejavuje na vzorke s najvyšším kolektorovým prúdom. Tento prúd je najvyšší pri tranzistoroch zo vzorky B s podielom india v zlúčenine In x Al 1-x N x = 0,13, ktorá má najvyššiu koncentráciu nosičov náboja v kanáli, čo potvrdili aj kapacitné merania. Tá závisí od výslednej polarizácie na rozhraní heteroštruktúry a mení sa s percentuálnym podielom india v zlúčenine In x Al 1-x N v dôsledku mriežkového neprispôsobenia. Vplyv podielu india na polarizáciu a v konečnom dôsledku aj na kolektorový prúd korešponduje s teoretickými predpokladmi. Podľa nich sú pre vzorku B obe zložky polarizácie paralelné a sčítavajú sa, zatiaľ čo v prípade vzorky A sú zložky polarizácie antiparalelné a odčítavajú sa. Na Obr. 28 sú prevodové charakteristiky tranzistorov HEMT namerané pri napätí medzi kolektorom a emitorom 10 V. Ich prahové napätie je výrazne odlišné najmä z dôvodu zmienenej rôznej koncentrácie nosičov náboja v kanáli. Čím je koncentrácia nosičov náboja vyššia, tým je vyššie aj prahové napätie, ktoré je potrebné na vyčerpanie náboja z kanála tranzistora. Najvyššie prahové napätie má vzorka s najmenším podielom india v zlúčenine In x Al 1-x N na úrovni -5 V, najnižšie zase naopak vzorka s najväčším podielom india, s prahovým napätím -1,5 V. Vzorka s mriežkovo prispôsobeným heteroprechodom má prahové napätie -4 V. Na Obr. 29 sú porovnané voltampérové charakteristiky Schottkyho diód tvoriacich hradlo tranzistorov. Zvodový prúd meraných vzoriek tranzistorov je pri hradlovom napätí -7 V 0,071 ma (vzorka C), 0,111 ma (vzorka A) a 0,243 ma (vzorka B). Hoci výška Schottkyho bariéry narastá so znižujúcim sa podielom india v zlúčenine In x Al 1-x N, najnižší zvodový prúd bol zaznamenaný pri vzorke s mriežkovo prispôsobenou vrstvou InAlN-u k vrstve GaN-u. Dôvodom je pravdepodobne počet defektov v kryštalickej mriežke pri mriežkovo neprispôsobených vrstvách InAlN a GaN, ktoré majú vplyv na veľkosť zvodového prúdu. 58

59 Charakterizácia tranzistorov HEMT na báze InAlN/GaN Obr. 27 Porovnanie výstupných charakteristík vybraných tranzistorov. Obr. 28 Porovnanie prevodových charakteristík vybraných tranzistorov. 59

60 Charakterizácia tranzistorov HEMT na báze InAlN/GaN Obr. 29 Porovnanie voltampérových charakteristík Schottkyho diód tvoriacich hradlo tranzistorov. 4.2 Porovnanie DC a impulzných charakteristík tranzistorov HEMT Kapitola sa zaoberá vplyvom impulzného signálu pripojeného na hradlo tranzistora na jeho výstupnú charakteristiku. Očakáva sa, že čím menšia je strieda signálu, tým viac sa eliminuje zahrievanie kanála, a teda aj prúdový kolaps tranzistorov HEMT. Preto bola zvolená strieda signálu 1 %. Najmenšia možná šírka impulzu, ktorú je možné vygenerovať generátorom PGU parametrického analyzátora Agilent 4155C je 1 μs. Avšak táto hodnota je porovnateľná s dĺžkou nábežnej a dobežnej hrany impulzu, preto bol na porovnanie impulzných a DC charakteristík zvolený impulz so šírkou 5 μs. Napätie sa menilo od -5 V do 1 V. Aby bolo možné porovnanie DC a impulzných charakteristík, tak aj DC výstupné charakteristiky boli merané cez zaťažovací odpor R. V prípade vzorky s najnižším kolektorovým prúdom (vzorka A), kde sa neprejavoval prúdový kolaps, nebol zaznamenaný vplyv na tvar priebehu výstupnej charakteristiky v lineárnej ani v saturačnej oblasti, avšak došlo k poklesu samotného saturačného prúdu (Obr. 30). V prípade ostatných vzoriek sa prúdový kolaps prejavoval v DC režime, avšak v impulznom režime bol buď potlačený (vzorka B, Obr. 31), alebo úplne eliminovaný (vzorka C, Obr. 32). Pri 60

61 Charakterizácia tranzistorov HEMT na báze InAlN/GaN vzorke B sa však zvýšilo saturačné napätie. Tento výsledok je podľa očakávania z dôvodu obmedzeného zahrievania aktívnej vrstvy na rozhraní heteroštruktúry InAlN/GaN. Obr. 30 Porovnanie DC a impulzných výstupných charakteristík tranzistora zo vzorky A. Obr. 31 Porovnanie DC a impulzných výstupných charakteristík tranzistora zo vzorky B. 61

62 Charakterizácia tranzistorov HEMT na báze InAlN/GaN Obr. 32 Porovnanie DC a impulzných výstupných charakteristík tranzistora zo vzorky C. 4.3 Vplyv stresového napätia na DC a impulzné charakteristiky Táto časť práce sa zaoberá DC a impulznou charakterizáciou tranzistorov HEMT po pripojení stresového napätia medzi kolektor a emitor tranzistora. Stresové napätie je relatívne vysoké napätie (rádovo desiatky voltov), blízke prieraznému napätiu tranzistora. Pre meranie bola použitá nasledujúca metodika: a) najskôr boli namerané DC a impulzné charakteristiky pred stresovaním tranzistora. b) medzi kolektor a emitor tranzistora zo vzorky C bolo pripojené stresové napätie 30 V; hradlové napätie bolo v blízkosti prahového napätia danej vzorky tak, aby kanál tranzistora nebol zatvorený; stresové napätie bolo pripojené počas 60 minút c) stresovanie bolo prerušené po 10 minútach, aby boli namerané DC a impulzné charakteristiky, ktoré boli namerané aj po uplynutí 60 minút d) DC a impulzná charakterizácia bola urobená aj po uplynutí 30 minút od stresovania za účelom zistenia návratnosti prípadných zmien v charakteristikách tranzistora 62

63 Charakterizácia tranzistorov HEMT na báze InAlN/GaN Pri meraní impulzných charakteristík bol na hradlo tranzistora pripojený impulzný signál so šírkou impulzu 10 μs a periódou 1 ms. Jeho napätie sa menilo od -5 V do 1 V. Všetky merania výstupných charakteristík vrátane charakteristík v DC režime boli namerané cez zaťažovací odpor (10 Ω), aby bolo možné ich vzájomné porovnanie. Z priebehov na Obr. 33 a Obr. 34 je možné vidieť, že už po 10 minútach pripojeného stresového napätia došlo k poklesu kolektorového prúdu v DC aj v impulznej charakteristike, pričom viac sa pokles prejavil v impulznej charakteristike. Najvýraznejší bol v oblasti saturačného napätia, kde dosiahol 0,513-násobok hodnoty nameranej pred pripojením stresového napätia. Tento trend pokračoval aj pri ďalších meraniach. Pokles kolektorového prúdu po 60 minútach pripojeného stresového napätia bol ešte výraznejší ako po 10 minútach pre DC, ako aj impulznú charakteristiku. Meranie impulznej charakteristiky po 30 minútach od skončenia stresovania ukázalo mierny nárast kolektorového prúdu v porovnaní s predchádzajúcim meraním, avšak hodnoty kolektorového prúdu nedosiahli jeho pôvodné hodnoty. Obr. 33 DC výstupné charakteristiky tranzistora HEMT namerané pred a po pripojení stresového napätia. 63

64 Charakterizácia tranzistorov HEMT na báze InAlN/GaN Obr. 34 Impulzné výstupné charakteristiky tranzistora HEMT namerané pred a po pripojení stresového napätia. 4.4 Vplyv parametrov impulzného signálu na výstupné charakteristiky tranzistorov HEMT V tejto časti práce je skúmaný vplyv parametrov impulzného signálu pripojeného na hradlo tranzistora HEMT. Pri meraní boli menené nasledovné parametre signálu: strieda signálu šírka impulzu perióda (frekvencia) Pred impulznými meraniami bola najprv nameraná výstupná charakteristika v DC režime. Výstupné charakteristiky boli v impulznom režime namerané pre sedem rôznych stried impulzného signálu (postupne pre striedy 1 %, 2 %, 5 %, 10 %, 20 %, 50 %, 80 %) s jedenástimi rôznymi šírkami impulzov od 100 μs do 4 μs, čo predstavuje 77 meraní na jeden tranzistor. Napätie impulzného signálu sa menilo od -5 V do 1 V. Vplyv impulzov s rôznymi parametrami bol vyhodnotený pre dve rôzne napätia tranzistora zo vzorky C pripojené medzi kolektor tranzistora a zem, pričom sa sledovala závislosť kolektorového prúdu od frekvencie impulzu pri týchto napätiach. Napätia boli 64

65 Charakterizácia tranzistorov HEMT na báze InAlN/GaN zvolené podľa toho, kde sa môže vyskytnúť výrazný vplyv parametrov impulzu na kolektorový prúd. Pre vyhodnotenie bolo zvolené napätie 5 V, kde sa môže prejaviť vplyv frekvencie signálu na kolektorový prúd na rozhraní lineárnej a saturačnej oblasti výstupnej charakteristiky a napätie 15 V, ktorého vyhodnotenie ukáže vplyv parametrov signálu na veľkosť saturačného prúdu tranzistora. Frekvencia vynesená na os x sa vypočítala zo šírky impulzu a striedy signálu pomocou vzťahu (47) kde f je frekvencia signálu, D je jeho strieda a t imp šírka impulzu. Na jednu hodnotu striedy pripadá jedenásť meraní s rôznymi šírkami impulzov, ktoré zodpovedajú jedenástim hodnotám frekvencie a v konečnom dôsledku rovnakému počtu bodov vo frekvenčnej závislosti kolektorového prúdu. Pri meraní frekvenčnej závislosti kolektorového prúdu tak, ako je to popísané vyššie pripadá na jeden tranzistor 77 meraní, čo predstavuje 77 súborov s nameranými charakteristikami. Vyhodnotenie takéhoto množstva súborov by bolo prácne a časovo veľmi náročné, preto bol na to v prostredí LabVIEW vytvorený program, ktorý dokáže zo zadaných súborov spracovať skúmanú frekvenčnú závislosť pre danú striedu signálu a zvolené napätie pripojené medzi kolektor tranzistora a zem. Predný panel tohto programu je zobrazený na Obr. 35. Program funguje tak, že do stĺpca Šírka impulzu sa pred vyhodnotením zapíšu hodnoty šírok impulzov v μs, pre ktoré boli namerané výstupné charakteristiky. V tomto prípade sú to tie šírky impulzov, ktoré sú zapísané v tabuľke na Obr. 35. Do okna Strieda sa zapíše strieda signálu, pre ktorú je práve potrebne vyhodnotiť závislosť, do okna Šírka hradla sa zapíše šírka hradla meraného tranzistora v μm, aby bolo možné prepočítať namerané prúdy na prúdy na jednotku šírky hradla. Do kolónky Číslo riadku sa zapíše poradie riadku v textovom súbore nameraných výstupných charakteristík, ktoré prislúcha určitému napätiu medzi kolektorom tranzistora a zemou. Napríklad ak sa schodovité napätie pripojené na kolektor tranzistora mení s krokom 0,5 V, tak číslo riadku prislúchajúce 5 V je 10 a 15 V je 30. Ďalej je kliknutím na ikonu zložky nutné zvoliť textový súbor, do ktorého sa uloží vyhodnotená frekvenčná závislosť. To je ale možné len keď je zaškrtnutý štvorček pod ikonou, ktorý povoľuje uloženie frekvenčnej závislosti do zvoleného súboru. Prázdny textový súbor však musí byť vopred vytvorený. Nakoniec je ešte potrebné vybrať samotné textové súbory s nameranými výstupnými charakteristikami, z ktorých sa vyhodnotí frekvenčná závislosť kolektorového prúdu. To sa urobí tlačidlom +, po stlačení ktorého sa otvorí dialógové okno pre výber súboru. Takto sa postupne 65

66 Charakterizácia tranzistorov HEMT na báze InAlN/GaN načíta súbor pre každú šírku impulzu, pričom do tabuľky Prúdová hustota sa načítajú príslušné namerané hodnoty kolektorového prúdu z uvedeného čísla riadku v súbore prepočítané na prúdovú hustotu použitím hodnoty v kolónke Šírka hradla. Obr. 35 Predný panel programu na vyhodnotenie frekvenčných závislostí kolektorového prúdu. Stlačením tlačidla OK sa vykreslí charakteristika a uloží sa do vybraného súboru. Teraz je možné meniť číslo riadku a vykresľovať a ukladať frekvenčné závislosti pre rôzne napätia výstupnej charakteristiky pri danej striede signálu. Po stlačení tlačidla Stop sa tabuľka Prúdová hustota vynuluje a je možné zadať súbory pre vyhodnotenie frekvenčnej závislosti pre ďalšiu striedu signálu. Vyhodnotenia pri napätí 5 V ukázali závislosť kolektorového prúdu od frekvencie impulzného signálu. Na Obr. 36 je z dôvodu prehľadnosti táto závislosť zobrazená len pre štyri striedy signálu, pričom klesajúci trend so vzrastajúcou frekvenciou sa prejavuje pri všetkých meraných striedach, s výnimkou striedy 1 %, kde sa hodnota kolektorového 66