CARACTERIZACIÓN ELÉCTRICA DE TRANSISTORES BASADOS EN NITRUROS

Los transistores más rápidos se consiguen gracias al crecimiento de diferentes semiconductores apilados. Entre los semiconductores es posible confinar una elevada concentración de electrones de alta movilidad, dando lugar a transistores con gran velocidad de respuesta. Cuando se emplea el sistema AlGaN/GaN, los enlaces interatómicos poseen un elevado carácter iónico. Estos iones generan intensos campos eléctricos internos, que inducen entre el AlGaN y el GaN una concentración de electrones de 1013 cm-2, un orden de magnitud superior a la alcanzada con otras estructuras típicas (AlGaAs/GaAs, AlGaAs/InGaAs/GaAs, GaInP/InGaAs/GaAs, etc.).

En la actualidad Los transistores más rápidos son los HFETs (Heterostructure Field Effect Transistors). Ello es posible gracias al crecimiento de semiconductores con diferentes gap de energía, mediante técnicas como la MBE (Molecular Beam Epitaxial) o la MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition). En la interfase entre dos semiconductores con gap diferente es posible confinar una elevada concentración de electrones. Los electrones, al ser separados de sus átomos donadores, aumentan significativamente su movilidad y, por tanto, la rapidez del dispositivo. Por ello, los HFETs son transistores apropiados en aplicaciones donde se requiere alta velocidad (microondas, optoelectrónica).

Cuando se emplea el sistema AlGaN/GaN para formar la discontinuidad del gap, los enlaces interatómicos del cristal poseen un elevado carácter iónico. Estos iones generan intensos campos eléctricos de dos formas: por vibración térmica (efecto que se conoce como polarización espontánea) y por tensión mecánica en la interfase, como consecuencia de que dichos semiconductores poseen una constante de red diferente (efecto conocido como polarización piezoeléctrica). Los campos eléctricos originados por las polarizaciones espontánea y piezoeléctrica son perpendiculares a la interfase y consiguen confinar en ella una concentración de electrones típica de 1013 cm-2, un orden de magnitud superior a la alcanzada con otras heteroestructuras (AlGaAs/GaAs, AlGaAs/InGaAs/ GaAs, GaInP/InGaAs/GaAs, etc.). Además, debido a su gran estabilidad térmica, los HFETs basados en AlGaN/GaN prometen ser transistores candidatos en aplicaciones donde se requiere, conjuntamente, velocidad y potencia elevadas, por ejemplo, en etapas de amplificación para terminales móviles.

Mediante simulaciones numéricas es posible conocer el funcionamiento de los dispositivos desde un punto de vista físico. Además, permiten establecer interdependencias entre las propiedades geométricas o materiales y la respuesta eléctrica. De esta forma, la simulación permite optimizar dispositivos en aplicaciones específicas, reduciendo costes y tiempo de producción. Para ello se necesita disponer de resultados experimentales que den validez a las simulaciones. Para simular la distribución de los electrones en el interior del HFET se requiere de un programa informático que resuelva numéricamente las ecuaciones de Schrödinguer y Poisson, fijada una tensión en la puerta del transistor.

Los transistores basados en nitruros poseen una concentración de electrones superior, gracias a los intensos campos eléctricos internos. Debido a su estabilidad térmica, estos transistores prometen ser candidatos en aplicaciones donde se requiera velocidad y potencia

Para simular autoconsistentemente las ecuaciones de Schrödinguer y Poisson se necesita conocer las constantes materiales propias del GaN y el AlxGa1-xN, así como sus campos de polarización espontánea y los que resultan de formar la heterounión: los campos piezoeléctricos. Por ello, se ha realizado una búsqueda bibliográfica exhaustiva, actualizada, del estado del arte de las heteroestructuras basadas en nitruros y de los HFETs basados en ellas [3], [4], [5] [6] y [7]. El principal inconveniente encontrado es, por la novedad del tema, la dispersión de los valores publicados por los distintos autores, siendo adoptados los predominantes o, en su defecto, la media de los encontrados.

La distribución de electrones en el transistor se obtiene resolviendo las ecuaciones de Poisson y Schrödinguer, incluyendo las densidades equivalentes de carga de polarización.

Fuente:

http://www.fulp.ulpgc.es/files/webfm/File/web/publicaciones/vectorplus/articulos/vp29_05_articulo01.pdf

Gerald Soto, CRF 2010-1.

http://gerald-ees.blogspot.com/