ТРАНЗИСТОР Российский патент 1996 года по МПК H01L29/73 

Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано при создании сверхбыстродействующих транзисторов, в особенности транзисторов для интегральной микроэлектроники.

Известна конструкция транзистора с металлической базой [1] имеющая структуру GaAs-W-GaAs, где в качестве базы использован супертонкий (≈ 10 нм) слой поликристаллического вольфрама. Горячие электроны из прямосмещенного эмиттерного перехода GaAs-W баллистически (без столкновений с решеткой) пролетают тонкую вольфрамовую базу и попадают в коллекторный слой из GaAs. Принципиальным достоинством транзистора является сверхвысокое быстродействие. Так, время пролета базы толщиной ≈ 10 нм для горячего электрона составляет ≈ 10^-13с, области объемного заряда коллектора 10^-12 10^-13с и примерно такой же порядок имеет время перезарядки эмиттерной емкости благодаря малому тангенциальному cопротивпению металлической базы. Основными недостатками являются малый коэффициент усиления по току (α ≅ 0,4 в схеме с общей базой) из-за квантово-механического отражения электронов на барьерах, образующихся на переходах GaAs-W, большая технологическая сложность.

Технологически более простой является взятая нами за прототип конструкция транзистора [2] содержащая эмиттерный переход, базу из материала с металлической проводимостью и коллекторный переход из полупроводникового материала, в котором эмиттерный переход выполнен в виде перехода кремний-силицид металла, база выполнена из силицида металла, а коллектор из кремния с более высоким уровнем легирования, чем в эмиттерном переходе. Основным преимуществом прототипа перед аналогом является меньшая технологическая сложность, а главным недостатком, как и у аналога, малый (α ≅ 0,6) коэффициент усиления по тем же причинам. Этот недостаток является фундаментальным, поскольку обусловлен фундаментальным физическим явлением - квантовомеханическим отражением от барьеров.

Задачей предлагаемого решения является создание транзистора с коэффициентом усиления по току α ≥ 0,9.

Указанная задача решается в транзисторе, содержащем эмиттерный переход, базу из материала с металлической проводимостью и коллектор из полупроводникового материала.

Новым является то, что эмиттерный переход выполнен в виде туннельного перехода проводник-диэлектрик, причем диэлектрик примыкает к базе и имеет толщину d_g, отвечающую соотношению
d ≥ E_i/qε_np,
где E_i энергия ионизации материала коллектора,
ε_np напряженность поля при пробое диэлектрика,
q заряд электрона.

Указанная задача решается также при выполнении эмиттерного перехода из металла, легированного до концентрации 10²⁰-10²¹ см^-3, поликремния, диэлектрика из диоксида кремния, базы из силицида металла, а коллектора из кремния.

Суть изобретения поясняется чертежами фиг.1 и 2.

На фиг.1 приведена конструктивная схема транзистора, а на фиг.2 его зонная диаграмма при рабочих смещениях, где 1 проводниковый слой эмиттерного перехода, 2 диэлектрический слой эмиттерного перехода, 3 база из материала с металлической проводимостью, 4 коллектор из полупроводникового материала, 5 токоподводящие контакты, E_fэ уровень Ферми эмиттерного перехода, E_fб уровень Ферми базы, E_fк уровень Ферми коллекторного слоя, U_эб смещение эмиттер-база, U_эк смещение эмиттер-коллектор, d - толщина диэлектрического слоя, L толщина базы, W_ооз толщина области объемного заряда в коллекторе, E_д ширина запрещенной зоны диэлектрика, E_дк ширина запрещенной зоны коллектора.

Суть предлагаемой конструкции транзистора состоит в том, что эмиттерный переход выполнен в виде туннельного перехода проводник-диэлектрик, что позволяет приложить к нему смещение, величина которого достаточна для того, чтобы сообщить инжектируемым электронам энергию, необходимую для ионизации материала коллектора и образования там электронно-дырочных пар, что приводит к увеличению коэффициента усиления по току. Минимальная толщина диэлектрического слоя выбирается из соотношения
d ≥ E_i/qε_np,
означающего, по сути, что эта толщина должна обеспечивать возможность приложения к этому слою без пробоя такого напряжения U_ЭБ = ε_np•d, чтобы электрон мог набрать энергию ионизации E_i. Максимальная толщина, естественно, не должна превышать предельно допустимую для туннелирования ( практически для всех материалов).

Толщина базового слоя транзистора, как и у всех известных транзисторов с базой из материала с металлической проводимостью, должна быть порядка длины свободного пробега электрона, т.е. порядка .

В предлагаемом транзисторе в качестве материала базы могут быть использованы силициды кобальта, титана, меди, а также чистые металлы, не реагирующие с материалом коллектора (например, вольфрам).

В качестве диэлектрика могут быть использованы диоксид и нитрид кремния, оксинитрид кремния, окислы алюминия, магния и других металлов.

В качестве коллектора могут быть использованы кремний, арсенид и фосфид галлия, фосфид индия, карбид кремния, GaAlAs, GaSb и другие полупроводники.

Далее покажем, что предлагаемое решение отвечает изобретательскому уровню.

В известных решениях [1, 2] эмиттерный переход выполнен в виде перехода полупроводник материал с металлической проводимостью, что позволяет осуществить инжекцию в коллекторный спой электронов, имеющих энергию не большую, чем ширина запрещенной зоны полупроводника. Это делает принципиально невозможной ионизацию материала коллекторного слоя и поэтому не позволяет получить большой коэффициент усиления.

В отличие от известных в предлагаемом решении эмиттерный переход выполнен в виде туннельного перехода проводник диэлектрик. Большая по сравнению с полупроводниками (7-12 эВ по сравнению с 1-2 эВ) ширина запрещенной зоны E_д и, следовательно, большая величина критического поля при пробое (более 10⁷ В/см в тонких слоях) позволяет приложить к туннельно-тонкому диэлектрическому слою смещение U_ЭБ ≃ 2-5 B и, следовательно, сообщить электронам, попадающим в коллекторный слой, энергию в 2-5 эВ, что вполне достаточно для ионизации.

Таким образом, несмотря на то, что сами по себе транзистор с металлической базой известен с 1979 г. а туннельный МОП-переход с 1973 г. решить проблему создания транзистора с металлической базой оказалось возможным лишь в настоящее время путем использования в качестве эмиттера для такого транзистора именно МОП-перехода, причем с такой толщиной диэлектрика, которая позволила приложить к нему напряжение, достаточное для инжекции высокоэнергетичных ионизирующих электронов.

Работает предлагаемый транзистор следующим образом (см. фиг. 2). К коллекторному слою 4 и базе 3 прикладывается положительное смещение относительно эмиттерного перехода 1. Благодаря тому, что к туннельнотонкому окислу 2 можно приложить напряжение в несколько вольт, уровень Ферми базы E_fб и нижняя граница зоны проводимости коллекторного слоя оказываются ниже уровня Ферми эмиттерного перехода на несколько электронвольт. Поэтому электрон, инжектированный этим переходом, после туннелирования через окисел и баллистического пролета тонкой металлической базы (толщина L ≅ 20 нм) попадает в коллектор, имея энергию в несколько эВ. Этой энергии достаточно для ударной ионизации, поскольку обычно энергия ионизации в полупроводнике E_i ≃ 1,5E_g и для кремния составляет ≈ 1,6 эВ. Электрон с такой энергией производит одну либо даже несколько электронно-дырочных пар. Появившиеся горячие носители быстро термализуются и уходят электроны в коллектор, а дырки в базу, вследствие чего коэффициент усиления по току α транзистора резко возрастает и даже может превысить единицу, несмотря на сильное квантовомеханическое отражение туннелирующих электронов от барьеров.

Конкретный пример изготовления.

Согласно предлагаемому изобретению были изготовлены транзисторы по следующей технологической схеме. На кремниевой n⁺-подложке с эпитаксиальным споем толщиной 0,7 мкм и удельным сопротивлением 0,2 Ом•см методом молекулярно-пучковой эпитаксии был выращен слой монокристаллического силицида кобальта толщиной 15 нм с удельным сопротивлением 16 мОм•см. Поверх этого слоя методом пиролитического разложения тетраэтоксисилана при температуре 700^oС был выращен слой диоксида кремния толщиной 0,5 мкм, в нем вскрыты окна 1Ox1O мкм и в них тем же методом выращен слой туннельно-тонкого диоксида кремния толщиной при температуре 500^oС. Затем методом магнетронного распыления алюминия на окна нанесен проводниковый эмиттерный слой толщиной 0,2 мкм, а затем методом термического распыления алюминия нанесены контактные слои толщиной 0,5 мкм к эмиттеру, базе и коллектору. Напряжение пробоя коллектора U_эк изготовленного транзитора было ≈ 7 В, напряжение на туннельно-тонком окисле ≈ 2 В при токе базы 1 мкА, коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером при плотности тока ≈2•10² А/см², что соответствует .

Таким образом, предлагаемое изобретение позволило резко увеличить коэффициент усиления транзисторов с базой из материала с металлической проводимостью, что открывает возможность их широкого использования в микроэлектронике.

Технология изготовления транзистора достаточно проста и заключается в использовании обычных методов полупроводниковой микроэлектроники.

Использование: интегральная микроэлектроника, конструкция сверхбыстродействующих транзисторов. Сущность изобретения: транзистор содержит коллектор из полупроводникового материала, базу из материала с металлической проводимостью и эмиттер, состоящий из проводящего материала и дополнительного слоя туннельнотонкого диэлектрика толщиной, отвечающей соотношению d больше или равно E_i/q ε_пр, где E_i - энергия ионизации материала коллектора (Дж), ε_пр - напряженность поля при пробое диэлектрика (В/м), q - заряд электрона (кул). Дополнительный слой туннельнотонкого диэлектрика примыкает к базе, в качестве проводящего материала эмиттера используется металл или поликремний с концентрацией примеси 10²⁰ -10²¹ см^-3, а в качестве туннельнотонкого диэлектрика используется оксид кремния. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Транзистор, содержащий эмиттер из проводящего материала, базу из материала с металлической проводимостью и коллектор из полупроводникового материала, отличающийся тем, что эмиттер содержит дополнительный слой туннельно-тонкого диэлектрика толщиной, отвечающей соотношению
d ≥ E_i/qε_np,
где E_i энергия ионизации материала коллектора, Дж;
ε_np напряженность поля при пробое диэлектрика, В/м;
q заряд электрона, нул. 2. Транзистор по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала эмиттера использован металл или поликремний с концентрацией легирующей примеси 10²⁰ 10²¹ см^-3, а в качестве туннельно-тонкого диэлектрика - оксид кремния.