ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР ШОТТКИ Российский патент 1994 года по МПК H01L29/06 

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано для изготовления полевых транзисторов Шоттки с повышенной крутизной и рабочей частотой.

Известен полевой транзистор Шоттки (ПТШ), у которого сток, исток и электрод затвора выполнены на структурах с однородным легированием. Однако предельная собственная крутизна короткоканальных ПТШ на таких структурах не превышает 200 мА/В мм, что ограничивает рабочие частоты ПТШ и ИС на их основе.

Известен ПТШ (δ -ПТШ), у которого сток, исток и электрод затвора выполнены на δ -легированной структуре, включающей полуизолирующую подложку арсенида галлия и σ -легированный слой, отделенный от подложки и свободной поверхности буферными слоями нелегированного арсенида галлия. Оценки показывают, что в таких транзисторах значительного увеличения собственной крутизны следует ожидать ≈500 мА/В мм при расстояниях от электрода затвора до канала менее 300 .

Однако в реальных δ -ПТШ собственная крутизна лишь незначительно (30-50%) превышает соответствующие значения ПТШ на однороднолегированных структурах, что примерно в три раза меньше расчетных значений. Причины столь значительного расхождения расчетных и реальных значений крутизны для δ -ПТШ не известны.

Проведенные нами исследования малосигнальных С-Y и G-Y характеристик, а также частотной зависимости крутизны в малосигнальном режиме и I-V характеристик затворов в режиме постоянных обратных смещений показали, что резкое несоответствие величины расчетной и реальных значений собственной крутизны в δ -ПТШ является следствием присутствия в приповерхностном слое структуры глубоких ловушек. Их существование в условиях интенсивной туннельной эмиссии носителей через барьер из-за малых расстояний до электрода затвора и больших концентраций центров (соответственно 50-150 и ≈ 5 ˙10¹⁸см^-3приводит к сильной частотной дисперсии емкости, проводимости и полной крутизны в малосигнальных режимах и к значительному уменьшению полной крутизны при работе в цифровом режиме (в режиме больших амплитуд). Из ВФХ и I-V характеристик несложно оценить, что обсуждаемые ловушки расположены в приповерхностном слое структуры на глубинах 50-150 .

В профильных исследованиях элементного состава в приповерхностных слоях до глубин ≈ 200 регистрируются нарушения стехиометричности состава (вакансии по мышьяку и избыток кислорода), а исследования зависимости подвижности в структурах при различных расстояниях от электрода до δ-слоя указывают на резкое уменьшение подвижности при приближении δ-слоя к поверхности уже на расстояниях меньше ≈400 . Все это позволяет утверждать, что причина резкого ограничения крутизны в реальных δ -ПТШ (S≈ 120-140 мА/В˙ мм; S_m≈ 250 мА/В ˙мм, при расчетных значениях S_m ≈ 450 мА/В ˙мм) связана с присутствием ловушечных центров в приповерхностных слоях структуры. Они же являются причиной частотных дисперсий емкости, проводимости и крутизны в малосигнальных режимах и причиной ограничения крутизны на столь низком уровне значений в цифровом режиме, т.е. соответствующая конструкция δ-ПТШ не может реализовать потенциальные возможности в повышении крутизны в δ-ПТШ.

Целью изобретения является повышение крутизны δ-ПТШ.

Цель достигается тем, что в ПТШ, у которого исток, сток и затвор выполнены на структуре, включающей полуизолирующую подложку и δ-легированный слой, отделенный от подложки и свободной поверхности слоями арсенида галлия, между электродом затвора и δ-легированным слоем располагают слой арсенида галлия р-типа проводимости, легированный до вырождения и имеющий общую границу с электродом затвора. При этом уровень легирования, Р_р р-слоя выбирают таким, чтобы P_p, а толщина d_р р-слоя превышала значение d_p, где ε - диэлектрическая проницаемость полупроводника;
m* - эффективная масса электрона;
ϕ_к - контактная разность потенциалов;
h - постоянная Планка;
q - элементарный заряд.

Положительный эффект достигается тем, что область с нестехиометрией (область локализации ловушек) располагают в сильно вырожденном полупроводнике р-типа, так что при приложении внешнего поля к электроду затвора область сканирования ОПЗ со стороны металла в р-слое не превышает толщины туннельной прозрачности для электронов металла, в силу чего ловушки приповерхностной области заполнены.

Действительно, туннельно прозрачную толщину приповерхностного слоя можно определить из выражения для коэффициента прозрачности D треугольного барьера ≅ 10^-2, ΔE = D = D_o·exp- ,где Е - энергия электрона;
Е_m - максимальное значение энергии барьера металл-полупроводник;
b_o - толщина барьера на уровне Ферми в металле;
F - энергия Ферми. Барьер туннельно прозрачен, если ≅ 1. Так как ϕ_к ≈ 0,8 эВ, то в предположении, что туннеллируют электроны с уровня Ферми (большие отрицательные смещения), имеем: b_o ≅ h·(ϕ_k·q·2m^*)^-1/2. В этом случае необходимая концентрация легирующей примеси определяется как Дебаевская длина экранирования и равна P_p ≥ .

С учетом того, что обеднение р-слоя со стороны n-слоя не будет превышать определенного выше значения b_o, толщина (приемлемая) р-слоя d_p равна: d_p ≥ 2·b_o ≈ (ϕ_k·q·2*m

На чертеже изображена предлагаемая конструкция транзистора.

Транзистор состоит из полуизолирующей подложки 1 и последовательно расположенных на ней слоев: буферного нелегированного слоя 2 арсенида галлия толщиной 0,7 мкм с концентрацией фоновой примеси ≈ 10¹⁵см^-3; δ-слой 3 с концентрацией доноров 2,5˙ 10¹²см^-2; слой 4 арсенида галлия толщиной 500 с концентрацией доноров 10¹⁷см^-3; слой 5 р-типа проводимости с концентрацией акцепторов (дырок 10¹⁹см^-3 толщиной 500 , а также из областей истока 6, стока 7 и электрода 8 затвора. При этом электрод затвора имеет общую границу с р-слоем, а области истока и стока выполнены в виде контактов с омическими характеристиками к части структуры с n-типом проводимости, для чего слой р-типа проводимости удален.

Технические преимущества заявляемой конструкции по сравнению с прототипом заключаются в расширении рабочей полосы частот как за счет повышения крутизны ПТШ f_m = , где S_m - собственная крутизна;
С_вх - входная емкость, так и за счет улучшения переключательных характеристик ключей на ПТШ и ИС (повышенные токи насыщения канала и крутизна).

Применение: относится к микроэлектронике и может быть использовано для изготовления полевых транзисторов Шоттки. Сущность: полевой транзистор Шоттки, у которого исток, сток и электрод затвора выполнены на δ-легированной структуре, включающей полуизолированную подложку из арсенида галлия и d-легированный слой n - типа проводимости, отделенный от подложки и свободной поверхности слоями арсенида галлия. Между электродом затвора и d-легированным слоем расположен слой арсенида галлия p - типа проводимости, легированный до вырождения и имеющий общую границу с электродом затвора. 1 ил.

ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР ШОТТКИ, у которого исток, сток и электрод затвора выполнены на δ-легированной структуре, включающей полуизолирующую подложку из арсенида галлия и δ-легированный слой n-типа проводимости, отделенный от подложки и свободной поверхности слоями арсенида геллия, отличающийся тем, что, с целью увеличения крутизны транзистора, между электродом затвора и δ-легированным слоем расположен слой p-типа проводимости, легированный до вырождения, при этом концентрация акцепторов в p-слое определеяется выражением
P_p ≈ · ,
а его толщина
d_p ≥ · (ϕ_k·q·2*m