ПОЛЕВОЙ ВЕРТИКАЛЬНЫЙ ТРАНЗИСТОР Российский патент 1995 года по МПК H01L29/80 

Изобретение относится к полевым транзисторам и предназначено для работы в преобразователях частоты миллиметрового диапазона длин волн.

Наиболее близким к изобретению является полевой вертикальный транзистор, предназначенный для работы в широкополосных устройствах в миллиметровом диапазоне длин волн. Транзистор содержит монокристаллическую подложку, состоящую из двух слоев n-типа, на верхнем слое которой сформирована двухслойная мезаструктура. Верхний слой мезаструктуры выполнен из полупроводникового материала n⁺⁺-типа, а нижний слой из материала n-типа. На нижнем слое мезаструктуры сформированы симметричные барьерные контакты, служащие затворами, которые электрически соединены. На верхней грани верхнего слоя мезаструктуры сформирован омический контакт стока. На нижнем слое подложки сформирован омический контакт истока.

Недостаток прототипа состоит в ограничении предельной частоты, обусловленном тем, что входной ток транзистора содеpжит основную гармонику на частоте входного сигнала.

Целью изобретения является повышение предельной частоты при тех же, что и у прототипа предельных геометрических размерах.

Цель достигается за счет того, что одновременно с усилением входного сигнала СВЧ осуществляется удвоение частоты транзистора.

Сущность изобретения заключается в том, что в полевом вертикальном транзисторе, содержащем подложку из полупроводника n⁺⁺-типа, сформированные на ее верхней стороне электрод истока с балочным выводом, двухслойную мезаструктуру, верхний слой которой выполнен из полупроводника n-типа, а нижний из полупроводника n⁺⁺-типа, и расположенные по краям боковых граней верхнего слоя мезаструктуры, снабженные балочными выводами барьерные контакты, один из которых выполняет роль затвора, в отличие от прототипа омический контакт стока, снабженный балочным выводом, сформирован на верхней грани мезаструктуры, а второй барьерный контакт на ней, выполненный симметрично первому, служит вторым затвором транзистора, при этом входной сигнал СВЧ подается одновременно на два затвора в противофазе, а сигнал удвоенной частоты снимается с омического контакта стока.

На фиг. 1 изображена конструкция предложенного транзистора, вид сверху; на фиг.2 разрез А-А на фиг.1.

Конструкция транзистора содержит монокристаллическую подложку 1 из GaAs^' n⁺⁺-типа с выполненной на ней мезаструктурой 2, состоящей из двух слоев: внутреннего слоя 3 из материала подложки и наружного эпитаксиального слоя 4 из GаAs^' n-типа. По краям боковых граней мезаструктуры 2 на слое 4 выполнены барьерные контакты 5 и 6, расположенные выше границы слоев 3 и 4. Барьерные контакты 5 и 6 соединены со своими балочными выводами 7 и 8 соответственно. Оба контакта 5 и 6 включены в обратном направлении и являются затворами. Омический контакт 9 истока сформирован на подложке 1 и имеет балочный вывод 10, являющийся продолжением омического контакта 9. Выбор размеров площади омического контакта 9 источника определяется необходимостью обеспечения его малого контактного сопротивления, которое обратно пропорционально его площади. Из этого соотношения выбираются и планарные размеры кристалла подложки 1, на котором сформирована мезаструктура 2. Выбор толщины подложки определяется толщиной скин-слоя в n++ GaAs' на рабочей частоте. Ширина мезаструктуры 2 определяется размерами области пространственного заряда, образуемого барьерными контактами 5 и 6. Высота мезаструктуры 2 определяется технологией изготовления барьерных контактов 5 и 6 субмикронных размеров. Выбор площади контактов 5 и 6 определяется величиной барьерной емкости и зависит от диапазона рабочих частот прибора. Плавные треугольные переходы от контактов к соответствующим балочным выводам необходимы для уменьшения сопротивления транзистора и паразитной емкости между балочными выводами. На верхней грани мезаструктуры 2 наносится омический контакт стока 11, причем ширина контакта стока должна быть меньше ширины мезаструктуры 2, чтобы избежать замыкания контактов 5 и 6 с контактом стока 11. Омический контакт стока 11 имеет плавный треугольный переход, переходящий в балочный вывод 12. Выбор толщины балочных выводов 7, 8 и 12 связан с обеспечением надежной пайки этих выводов в схему какого-либо устройства и необходимостью уменьшения их сопротивления.

Процесс удвоения частоты в транзисторе происходит следующим образом: на два симметрично расположенных затвора подается СВЧ сигнал в противофазном включении. В этом случае проводящий канал электронного тока будет модулирован по положению в структуре. За счет симметричности характеристики тока стока от напряжения на затворах выходной ток будет иметь удвоенную частоту, а также четные высшие гармонические составляющие. Из-за слабой нелинейности проходной характеристики (ток стока от напряжения на затворах) основная энергия выходного тока сосредоточена в основном во второй гармонике. При этом гармонические составляющие тока основной частоты, а также все нечетные гармоники тока в выходном токе будут отсутствовать.

Типичные параметры транзистора, работающего в режиме удвоения частоты следующие: монокристаллическая подложка 1 представляет собой квадрат 100х100 мкм² из GaAs^' n⁺⁺-типа (концентрация носителей 2х10¹⁸ см^-3) и имеет толщину 10 мкм. Мезаструктура 2 имеет размеры 0,5х0,5х50 мкм. При этом эпитаксиальный слой 4 из GaAs^' n-типа (концентрация носителей 2х10¹⁶ см^-3) имеет толщину 0,3 мкм. Барьерные контакты 5 и 6 затворов, выполненные из золота Au, имеют размеры 0,25х0,25х50 мкм и расположены на боковых гранях мезаструктуры 2 на эпитаксиальном слое 4 выше границы раздела слоев 3 и 4. Омические контакты стока и истока выполнены путем вжигания сплава Au и Ge последующим нанесением Au. Размеры стока 0,25х0,25х50 мкм. Исток расположен на той же стороне подложки 1, что и мезаструктура 2, и имеет форму прямоугольника с пазом шириной 10 мкм и глубиной 60 мкм, в котором расположена мезаструктура 2. Балочный вывод 10 является продолжением омического контакта 9.

На транзисторе с указанными размерами, выполненном из указанных материалов, был смоделирован численно на ЭВМ процесс удвоения частоты. При этом на частоте 100 ГГц при напряжении на затворах 1,5 В потери преобразования составили 2,62 дБ, т.е. происходит усиление выходного сигнала, что соответствует потерям преобразования в транзисторе-прототипа. Однако в отличие от прототипа в выходном токе отсутствует первая гармоника, амплитуда второй гармоники тока при этом составила 20,3 мА.

Использование: в полупроводниковых приборах. Сущность изобретения: транзистор содержит монокристаллическую подложку из полупроводника n⁺⁺ -типа, на которой сформированы омический контакт истока и мезаструктура, состоящая из двух слоев: верхний слой из полупроводника n-типа, нижний из полупроводника n⁺⁺ -типа. По краям боковых граней верхнего слоя мезаструктуры выполнены симметрично расположенные барьерные контакты, являющиеся затворами транзистора. На верхней грани мезаструктуры сформирован омический контакт стока. 2 ил.

ПОЛЕВОЙ ВЕРТИКАЛЬНЫЙ ТРАНЗИСТОР, содержащий подложку, на которой сформированы омический контакт истока и двухслойная мезаструктура с n- и n⁺⁺-типами проводимости, причем на верхней грани верхнего слоя мезаструктуры сформирован омический контакт стока, а на боковых гранях с n-типом проводимости сформированы барьерные контакты, служащие затворами, отличающийся тем, что затворы включены в обратном направлении, при этом верхний слой мезаструктуры выполнен из полупроводника n-типа, а нижний из полупроводника n⁺⁺-типа, все контакты снабжены балочными выводами и расположены по одну сторону подложки, выполненной из полупроводника n⁺⁺-типа.