ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР НА ГЕТЕРОСТРУКТУРЕ Российский патент 1997 года по МПК H01L29/772 

Изобретение относится к электронной технике, а именно к полевым транзисторам на гетероструктурах с селективным легированием (ПТ ГСЛ).

Известен ПТ ГСЛ, состоящий из высокоомной подложки, двух или более чередующихся слоев широкозонного и узкозонного материалов с согласованными (изоморфными) или несогласованными (псевдоморфными) кристаллическими решетками. На наружной поверхности полупроводниковой гетероструктуры расположены исток, сток и затвор. Последний образует с полупроводником барьер Шотки [1] (фиг. 1). Слой узкозонного материала не легирован, слой широкозонного материала легирован сильно (с концентрацией примеси ≈ 10¹⁸ см^-3) с однородным распределением примеси по толщине слоя. Между сильнолегированным широкозонным и нелегированным узкозонным материалами расположен тонкий ≈ 1,0 5,0 нм слой чистого широкозонного материала (спейсер). Электроны, стремясь занять положение с минимальной потенциальной энергией, переходят с примесных атомов широкозонного полупроводника в узкозонный, образуя у границы гетероперехода потенциальную яму с двумерным электронным газом. Для увеличения крутизны расстояние между затвором и двумерным электронным газом (границей гетероперехода) делают минимальным (не более 40 нм). Такой транзистор обладает низким уровнем шума на сверхвысоких частотах (СВЧ) и широко используется для создания малошумящих усилителей и ряда других СВЧ-устройств [1]
Одним из недостатков ПТ ГСЛ с однородным профилем легирования широкозонного материала является сильная зависимость крутизны (g_m) и входной емкости (C_из) от напряжения смещения на затворе (U_из) [1] приводящая к зависимости коэффициента усиления от амплитуды СВЧ-сигнала, что ухудшает характеристики (коэффициент усиления, линейность) СВЧ-усилителей и других СВЧ -устройств.

Другим существенным недостатком известных ПТ ГСЛ является высокий уровень низкочастотного (НЧ) шума (на частотах ниже 1 МГц), ограничивающий их применение в СВЧ-генераторах и ряде других устройств, в которых он приводит к высокому уровню модуляционных, в том числе фазовых шумов.

Известен ПТ ГСЛ с неоднородным профилем легирования, принятый нами за прототип [2] В нем для увеличения поверхностной плотности электронов в потенциальной яме узкая часть широкозонного материала толщиной ≈ 1 нм легирована до концентрации ≈ 10¹⁹ см^-3 (так называемый ПТ ГСЛ с δ- легированием). Однако в прототипе не реализован оптимальный профиль легирования активного слоя, обеспечивающий минимизацию зависимости входной емкости от напряжения U_из и влияния флуктуаций концентрации и подвижности носителей тока в канале на параметры эквивалентной системы ПТ ГСЛ крутизну, входную и проходную емкость и др.

Техническим результатом от реализации изобретения будет улучшение линейности характеристик устройств на ПТ ГСЛ путем уменьшения входной емкости от напряжения на затворе и снижения модуляционных шумов СВЧ-устройств на ПТ ГСЛ путем уменьшения влияния флуктуаций концентрации и подвижности носителей тока в канале на параметры эквивалентной схемы ПТ ГСЛ.

Эти результаты достигаются тем, что в известной конструкции гетероструктурного полевого транзистора с селективным легированием, содержащей высокоомную подложку и по крайней мере один слой широкозонного и один слой узкозонного полупроводниковых материалов с согласованными и несогласованными кристаллическими решетками, а также исток, затвор и сток, расположенные на наружной поверхности полупроводникового материала, часть слоя полупроводникового материала, расположенная на расстоянии от затвора, превышающем 30 нм, выполнена с концентрацией легирующей примеси, большей 3•10¹⁷ см^-3, и поверхностной плотностью этой примеси, большей 10¹² см^-2 (под поверхностной плотностью подразумевается количество легирующей примеси во всей толщине слоя, приходящееся на единицу поверхности и определяемое выражением: где N_(y) зависимость концентрации легирующей примеси от расстояния до поверхности, a, b границы слоя [3]), а средняя концентрация легирующей примеси между упомянутой частью слоя полупроводникового материала и затвором не превышает 3•10¹⁷ см^-3.

Выполнение слоя полупроводника между узкозонным материалом и затвором с предлагаемым профилем легирования (см. например, фиг.2) при определенных напряжениях на затворе обеспечивает существенное уменьшение зависимости крутизны и входной емкости по сравнению с прототипом, что обеспечивает улучшение линейности устройств на таких ПТ ГСЛ и приводит к снижению в них модуляционных шумов, основным источником которых является нелинейность входной емкости.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 дано схематическое изображение одного из вариантов выполнения полевого транзистора на гетероструктуре с селективным легированием, где показаны высокоомная подложка 1, нелегированный узкозонный материал 2, нелегированный широкозонный материал (спейсер) 3, сильнолегированный широкозонный материал 4, исток 5, затвор 6, сток 7.

На фиг.2 дан один из возможных профилей легирования предлагаемого транзистора, где N_D концентрация доноров в активном слое, y -расстояние до поверхности.

На фиг.3 дана расчетная зависимость входной емкости C_из (____) и крутизны g_m (- - - -) от напряжения смещения на затворе U_из для Al_0,3Ga_0,7As/GaAs ПТ ГСЛ с оптимизированными согласно перечисленным требованиям профилями легирования с длинами затвора L 0,5 мкм (кривая 1), 2 L 0,3 мкм (кривая 2), и ПТ ГСЛ с однородно легированным широкозонным материалом и длиной затвора L 0,5 мкм (кривая 3).

На фиг. 4 дана расчетная зависимость входной емкости C_из (____) и крутизны g_m (- - - -) от напряжения смещения на затворе U_из для Al_0,2Ga_0,8As/In_0,15Ga_0,85As/GaAs ПТ ГСЛ с оптимизированными, согласно перечисленным требованиям, профилями легирования широкозонного материала при длине затвора L 0,3 мкм.

На фиг. 5 дан пример конкретной структуры ПТ ГСЛ, удовлетворяющей перечисленным выше требованиям. Высокоомная подложка (i-GaAs) 1, нелегированный GaAs 2, нелегированный Al_0,3Ga_0,7As 3, сильнолегированный слой Al_0,3Ga_0,7As с концентрацией доноров 10¹⁸ см^-3 4, слой Al_0,3Ga_0,7As, легированный до N_D 2•10¹⁷ см^-3 5, исток 6, затвор 7, сток - 8.

Пример. Как пример конкретного исполнения ПТ ГСЛ, согласно перечисленным выше требованиям, можно предложить следующую конструкцию транзистора фиг.5, имеющую параметры гетероструктуры: полуизолирующая подложка из i-GaAs 1, нелегированный GaAs с концентрацией остаточных примесей N_p ≅ 10¹⁵ см^-3 2, нелегированный Al_0,3Ga_0,7As с концентрацией примеси <10¹⁵ см^-3 толщиной 3 нм 3, сильнолегированный слой Al_0,3Ga_0,7As с концентрацией доноров 10¹⁸ см^-3 толщиной 15 нм 4, слой Al_0,3Ga_0,7As, легированный до N_D 2•10¹⁷ см^-3 толщиной 50 нм 5, исток 6, затвор 7, сток 8.

Использование: электронная техника. Сущность изобретения: изобретение обеспечивает улучшение линейности характеристик устройств на гетероструктурных полевых транзисторах и снижение модуляционных шумов этих устройств. В полевом транзисторе на гетероструктуре часть слоя полупроводникового материала, расположенная на расстоянии от затвора, превышающем 30 нм, выполнена с концентрацией легирующей примеси большей 3•10¹⁷ см^-3 и поверхностной плотностью этой примеси большей 10¹² см^-2, а слой полупроводникового материала между упомянутой частью и затвором выполнен со средней концентрацией примеси ≅ 3•10¹⁷ см^-3. 5 ил.

Полевой транзистор на гетероструктуре, содержащий высокоомную подложку и по крайней мере один слой широкозонного и один слой ускозонного полупроводниковых материалов с согласованными или несогласованными кристаллическими решетками, а также исток, затвор и сток, расположенные на наружной поверхности полупроводникового материала, отличающийся тем, что часть слоя полупроводникового материала, расположенная на расстоянии от затвора, превышающем 30 нм, выполнена с концентрацией легирующей примеси большей 3 • 10^1 7 см^- 3 и поверхностной плотностью этой примеси большей 10^1 2 см^- 2, а средняя концентрация легирующей примеси между упомянутой частью слоя полупроводникового материала и затвором не превышает 3 • 10^1 7 см^- 3.