تستخدم ترانزستورات الترانزستورات عالية الحركة الإلكترونية المعتمدة على فوسفيد الإنديوم (InP) على نطاق واسع في التطبيقات عالية التردد المتطلبة، خاصة حيث يكون الأداء المنخفض الضوضاء وعالي نقل الإلكترونات ضروريا. وهي ذات صلة خاصة بالمضخمات منخفضة الضوضاء بالتبريد (LNAs) في علم الفلك الراديوي، وقراءة الحوسبة الكمومية، وأنظمة الموجة المليمترية وتحت المليمترية.

يعتمد أداء جهاز InP HEMT ليس فقط على طول البوابة، ومقاومة التلامس، ومعالجة الجهاز، بل أيضا على البنية الإبيزيالية الأساسية. تحدد قناة InGaAs، وحاجز InAlAs، وطبقة الفاصل، وملف التطعيم معا غاز الإلكترون ثنائي الأبعاد (2DEG)، مما يؤثر على حركة الحامل، وجهد العتبة، أداء الضوضاء، وتوافق التصنيع.

بالنسبة لمطوري الأجهزة، يتطلب تحسين إبيتاكسي InP HEMT تحقيق توازن بين نقل الإلكترونات، والتحكم الكهروستاتيكي، وتكامل العمليات. تستعرض هذه المقالة اعتبارين مهمين: هندسة طبقة الفاصل لأداء منخفض الضوضاء بالتجميد واستقرار طبقة الغطاء أثناء تصنيع الجهاز.

1. هياكل الإبتاكسي في INP HEMT

تستخدم رقائق InP HEMT فوق التاكسي عادة قناة InGaAs وحاجز InAlAs ينمو على ركيزة InP شبه عازلة. يدعم الهيكل غير المتجانس المتطابق مع الشبكة نقل الإلكترونات عالي الحركة، بينما يساعد ملف التطعيم وتصميم الفاصل في التحكم في نقل الإلكترونات وتكوين 2DEG.

اعتمادا على متطلبات الجهاز، قد يشمل المكدس الفوق التاكسي طبقة سقف InGaAs، طبقة توقف InP، حاجز InAlAs، طبقة فاصل، قناة InGaAs، ومخزن InAlAs.

تم توضيح هيكلين تمثيليين أدناه. تعتمد السماكات الدقيقة وتركيزات التطعيم على بنية الجهاز المقصود ويجب تحديدها من خلال تصميم خاص بالمشروع.

1.1 INGaAs/InAlAs/INP HEMT المنشط بدلتا

يستخدم الهيكل المطعم بالدلتا مستوى تطعيم رقيق وموضعي للغاية لتزويد القناة. يفصل فاصل غير مدم الدوبانت عن InGaAs الكمومي بشكل جيد، مما يساعد في تقليل تشتت الشوائب المؤينة مع الحفاظ على تركيز حاملات عالي.

يجب تحسين تركيز منشطات الدلتا وسمك الفاصل معا. القرب المفرط بين المدمنين والقناة يمكن أن يزيد من تشتت الشوائب، بينما قد يغير فاصل سميك جدا نقل الإلكترونات وخصائص الجهاز الكهروستاتيكية.

1.2 INGAAs/InAlAs/INP HEMT للتطبيقات منخفضة الضوضاء

تستخدم أجهزة InP HEMT منخفضة الضوضاء بنية غير متجانسة مشابهة، مع تسلسلات الطبقات وملف التطعيم المصممة لتناسب درجة حرارة التشغيل المستهدفة، ونطاق التردد، ومتطلبات الضوضاء. هيكل تمثيلي كالتالي:

بالنسبة للحمض النووي المنخفض البارد، يجب أن يأخذ التصميم الإبيتاكسي في الاعتبار حركة الحامل عند درجات الحرارة المنخفضة، وجهد العتبة، التحكم في البوابة، وضوضاء القناة الداخلية. بالنسبة لأجهزة الموجة المليمترية، قد تشمل المقايضات ذات الصلة أيضا كثافة الحامل، ومقاومة الوصول، والسعة الطفيلية، وكسب التردد العالي.

يمكن ل PWG مناقشة متطلبات النمو الإبيتاكسي المخصصة المعتمدة على InP وفقا لتسلسل الطبقة المستهدفة، والسماكة، وملفات التطعيم، ومواصفات الركيزة.

2. سمك طبقة الفضاء وأداء الضوضاء المبردة

في HEMT النموذجي ل InP، تنتقل الإلكترونات التي توفرها طبقة مطعمة بدلتا Si إلى بئر كمومي InGaAs، مكونة 2DEG بالقرب من واجهة InAlAs/InGaAs غير المتجانسة. تعرف منطقة InAlAs غير المغطاة بين مستوى المدم والقناة بطبقة الفاصل.

سمك الفاصل، ويرمز له عادة ب d_SP، يؤثر على التوازن بين تركيز الحامل، والحركة، والتحكم الكهروستاتيكي. يضع فاصل أرق المذبعات المؤينة أقرب إلى القناة، مما قد يزيد من تشتت الشوائب. زيادة سمك الفاصل يمكن أن تحسن الحركة، لكن القيمة المثلى تعتمد على البنية غير المتجانسة الكاملة وظروف تشغيل الجهاز.

2.1 التأثير على التنقل وخصائص التيار المستمر

قام لي وآخرون (2022) بدراسة مستويات InP HEMTs ذات سماكات فواصل 1، 3، 5، و7 نانومتر. تم معايرة تركيزات التعقيم الدلتا للحفاظ على تركيز إلكترونات سطحية يقارب 2.5 × 10¹²سم⁻².

عند درجات الحرارة المنخفضة، زادت حركة هول المبلغ عنها من حوالي 17,000 سم²/فولت لمفاصل 1 نانومتر إلى 53,000 سم²/فولت لمفاصل 5 نانومتر، مع تحسين إضافي يقترب من التشبع عند 7 نانومتر.

تشير النتائج إلى أن فاصل رفيع جدا يمكن أن يزيد من تشتت الشوائب ويحد من نقل الإلكترونات. ومع ذلك، فإن تعظيم التنقل وحده لا يعني بالضرورة أفضل أداء عام للجهاز.

عند 5 كيلومتر، أظهر جهاز فاصل 1 نانومتر قدرة أقل على دفع التيار. حقق جهاز فاصل 5 نانومتر تأرجحا تحت العتبة حوالي 12 mV/dec وجهد عتبة 0.1 فولت، مما أظهر تحكما مفضلا في البوابة تحت ظروف الاختبار المبلغ عنها.

2.2 سمك الفاصل وضوضاء درجات الحرارة المنخفضة

لتقييم التأثير العملي على الضوضاء، دمج الباحثون HEMTs ذات سماكات فواصل مختلفة في شبكات LNA ثلاثية المراحل تعمل على ارتفاع 4–8 جيجاهرتز وقاسوا درجات حرارة الضوضاء عند 5 كلفن.

كان متوسط درجات حرارة الضوضاء المقاسة في LNA كالتالي:

من بين الهياكل التي تم اختبارها، قدم فاصل 5 نانومتر أدنى درجة حرارة ضوضاء متوسطة. كما وصلت درجة حرارة ضوضاء المصرف المستخرجة إلى أدنى مستوى لها في هذا الهيكل، مما يشير إلى انخفاض ضوضاء القناة الجوهرية تحت ظروف التشغيل التي تم دراستها.

تظهر هذه النتائج أن تحسين طبقة الفاصل يمكن أن يؤثر بشكل مباشر على أداء الضوضاء منخفضة الحرارة لأجهزة InP HEMTs. كما توضح لماذا يجب تقييم التصميم الإبيتاكسي مقابل متطلبات التشغيل على مستوى الجهاز بدلا من تنقل الحامل فقط.

2.3 النقل في الفضاء الحقيقي وسمك الفاصل الأمثل

إحدى الآليات التي ناقشها لي وآخرون هي الانتقال في الفضاء الحقيقي (RST)، حيث تعبر إلكترونات القناة الطاقية حاجز الجهد وتدخل طبقة الحاجز. يمكن أن تؤدي هذه العملية إلى ضوضاء إضافية وتقلل من كفاءة نقل القناة المقصودة.

في الدراسة المبلغ عنها، أظهرت الأجهزة التي تحتوي على فواصل 1 و3 نانومتر مقاومة تفاضلية سالبة تحت جهد بوابة عالي، في حين أن الأجهزة 5 و7 نانومتر لم تظهر نفس السلوك تحت الظروف المختبرة.

كما وجد الباحثون أن هيكل الفاصل بحجم 5 نانومتر كان لديه أدنى جهد تجاوز بوابة عند الانحياز الأمثل للضوضاء. وكان هذا متوافقا مع تقليل نقل الفضاء الحقيقي وانخفاض درجة حرارة الضوضاء المقاسة.

تسلط النتائج الضوء على التفاعل بين سمك الفاصل، جهد العتبة، نقل الحامل، وتوليد الضوضاء. بالنسبة لأجهزة InP HEMTs المبردة، فإن الفاصل الأمثل هو معامل تصميم خاص بالجهاز وليس قيمة ثابتة تنطبق على كل هيكل إبيتاكسي.

3. استقرار طبقة الغطاء ومقاومة التلامس في معالجة InP HEMT

الأداء الكهربائي هو جزء واحد فقط من نجاح اختبار InP HEMT المغناطيسي. يجب أن تظل طبقة الغطاء متوافقة أيضا مع مراحل التصنيع اللاحقة، وإزالة المقاومة، وغيرها من خطوات التصنيع.

قام Saranovac وآخرون (2019) بدراسة النقش الكهروكيميائي في تصنيع InP HEMT وأبلغوا أن تلوث الرطوبة أثناء رفع المعادن قد يضر بهياكل الأغطية المبنية على GaInAs/InGaAs عالية التطعيم، وذلك حسب نظام المادة وظروف المعالجة.

يمكن أن يقلل هذا الضرر من منطقة التلامس الفعالة ويزيد من مقاومة التلامس الأومي، مما يقوض الفوائد الكهربائية لهيكل إبيتاكسي مصمم بشكل جيد.

3.1 النقش المرتبط بالرطوبة أثناء رفع المعدن

في التجارب المبلغ عنها، زادت مقاومة التلامس مع زيادة محتوى الماء في مذيب الإقلاع N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) ومع أوقات التعريض الأطول.

كشفت الملاحظات المقطعية العرضية والسطحية للموجات السطحية عن نقش جانبي تحت الحواف المعدنية، مما خلق فراغات في طبقة الغطاء وقلل من مساحة التلامس الفعال.

تشير هذه النتائج إلى أن سلامة طبقة الغطاء يمكن أن تتأثر بالتفاعلات بين بيئة أشباه الموصلات والمعدن والمعالجة. لذلك، تستحق ظروف التحكم في الرطوبة والإقلاع اهتماما عند تطوير عمليات تصنيع موثوقة لتقنية InP HEMT.

3.2 العلاقة بين التطعيم والنقش الكهروكيميائي

اقترحت الدراسة أن كيمياء المذيب المرتبطة بالرطوبة والتفاعلات الكهروكيميائية بين المعدن وأشباه الموصلات ساهمت في تلف طبقة الغطاء الملحوظة.

يمكن لطبقات الغطاء المطعمة بشدة أن توفر مسارا منخفض المقاومة لتكوين التلامس الأومي، لكن يجب أيضا مراعاة سلوكها أثناء المعالجة الرطبة. في ظل الظروف التي تم دراستها، ارتبط معدل التطعيم الأعلى بحفر أكثر شدة، مما يوضح وجود توازن محتمل بين مقاومة التلامس واستقرار العملية.

الآثار الداعمة مهمة لتصميم الغطاء السطحي: لا ينبغي اعتبار زيادة المنشطات في طبقة الغطاء حلا معزولا لمقاومة التلامس. يجب النظر في تركيب المادة المختارة، ملف التطعيم، نظام المعادن، وبيئة التصنيع معا.

هذه الملاحظات لا تعني أن طبقات الغطاء المكثفة بشكل كبير غير مناسبة بطبيعتها. بل يؤكدون على ضرورة مطابقة المواصفات الإبيتاكسية مع عملية التصنيع المقصودة والتحكم في تعرض الرطوبة أثناء خطوات المعالجة الحساسة.

4. اعتبارات رئيسية لتصميم InP HEMT الفوق العرضي

يعتمد أداء HEMTs في InP على التفاعل بين البنية السطحية، ونقل الحامل، وظروف التصنيع. تسلط الدراسات التي نوقشت أعلاه الضوء على عدة اعتبارات مهمة:

• هندسة 2DEG:يؤثر تركيب القناة، وبنية الحاجز، وملف التطعيم على تركيز الحامل وحجمه.
• تحسين طبقة الفراغ:يؤثر سمك الفاصل على تشتت الشوائب، وحركة الإلكترونات، وجهد العتبة، وأداء الضوضاء التبريدية.
• التشغيل في درجات حرارة منخفضة:يجب تقييم معايير الإبتاكسي مقابل متطلبات درجة حرارة التشغيل المستهدفة، ونطاق التردد، ومتطلبات الضوضاء.
• استقرار طبقة الغطاء:يجب أخذ تركيب الغطاء والتطعيم في الاعتبار إلى جانب التمعدن، ومقاومة التلامس، وظروف الإقلاع.
• توافق العمليات:يجب تحسين عمليات التصميم والتصنيع الإبيتاكسي معا لتحقيق التوازن بين الأداء الكهربائي وموثوقية التصنيع.

لا يوجد هيكل إبيتاكسي واحد مثالي لكل تطبيق InP HEMT. يعتمد المزيج المناسب من سماكة الطبقات، وملفات التطعيم، وتركيبات المواد على بنية الجهاز المقصود وظروف التشغيل. لذلك فإن التصميم التفصيلي الدقيق ضروري لتحقيق التوازن المطلوب بين الضوضاء المنخفضة، وحركة الإلكترونات العالية، والتحكم الكهروستاتيكي، وتوافق العمليات.

المراجع

1. لي، ج.، بوركابيريان، أ.، بيرغستن، ج.، وادفالك، ن.، & غران، ج. (2022). تأثير سمك الفاصل على أداء الضوضاء في InP HEMTs للحمض النووي المنخفض المبرد.حروف جهاز الإلكترونات IEEE, 43(7), 1029–1032.
2. سارانوفاك، ت.، رويز، د. س.، هان، د.، أرابهافي، أ. م.، أوستينيلي، أو.، & بولونيسي، س. ر. (2019). تأثيرات النقش الكهروكيميائي على تصنيع InP HEMT.معاملات IEEE حول تصنيع أشباه الموصلات, 32(4), 496–501.