ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР Российский патент 1997 года по МПК H01L29/812 

Изобретение относится к электронной технике, а именно к полупроводниковым транзисторам.

Известны полевые транзисторы с барьером Шотки (ПТШ), в которых активный (рабочий) слой полупроводника расположен на полуизолирующей подложке, а на свободной поверхности этого слоя, то есть на поверхности, противоположной поверхности, соприкасающейся с полуизолирующей подложкой, расположены исток, сток, а также затвор, образующий с полупроводником барьер Шотки (фиг.1). Как правило, в таких ПТШ используется однородное легирование активного слоя атомами примеси, обеспечивающее необходимую концентрацию свободных носителей тока (обычно электронов) в активном слое [1] Такие транзисторы обладают низким уровнем шума на сверхвысоких (СВЧ) частотах и широко используются для создания малошумящих усилителей СВЧ и ряде других СВЧ- устройств.

Одним из недостатков таких транзисторов с однородным профилем легирования является уменьшение крутизны с увеличением отрицательного напряжения смещения на затворе относительно истока (U_из), приводящее к снижению коэффициента усиления в рабочем режиме и к его зависимости от амплитуды СВЧ- сигнала, что ухудшает характеристики (коэффициент усиления, линейность) СВЧ- усилителей. Другим недостатком ПТШ с однородным профилем легирования является сильная зависимость от напряжения U_из входной емкости C_из, также ухудшающая линейность усилителей на ПТШ и других СВЧ-устройств. Наконец, существенным недостатком известных ПТШ 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 т.ч. фазовых шумов [2, 3]
Известен полевой транзистор [4] содержащий полуизолирующую подложку с размещенным на ней активным полупроводниковым слоем, на свободной поверхности которого расположен исток, затвор и сток, при этом активный полупроводниковый слой выполнен с неоднородным по толщине легированием его атомами примеси. В этом транзисторе, выбираемом в качестве прототипа, для повышения линейности передаточной характеристики, т.е. для уменьшения зависимости крутизны транзистора от напряжения U_из, концентрацию легирующей примеси в активном слое увеличивают в направлении от затвора к подложке либо плавно, либо ступенчато. Однако в прототипе не реализован оптимальный профиль легирования активного слоя, обеспечивающий минимизацию зависимости входной емкости от напряжения U_из и влияние флуктуаций концентрации и подвижности носителей тока в активном слое на параметры эквивалентной схемы ПТШ крутизну, входную емкость и др.

Техническим результатом от реализации изобретения будет улучшение линейности характеристик устройств на полевых транзисторах путем уменьшения зависимости входной емкости от напряжения на затворе и снижение модуляционных шумов СВЧ-устройств на ПТШ путем уменьшения влияния флуктуаций концентрации и подвижности носителей тока в активном слое на параметры эквивалентной схемы транзистора.

Эти результаты достигаются тем, что в известной конструкции полевого транзистора с затвором Шотки, содержащей полуизолирующую подложку, неоднородно-легированный активный слой, а также исток, сток и затвор, расположенные на свободной поверхности активного слоя, часть активного слоя под затвором, расположенная на расстоянии от затвора, превышающем 0,08 мкм, выполнена с концентрацией легирующей примеси, большей 2•10¹⁷ см^-3, и поверхностной плотностью этой примеси (1,3 - 2,5)•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 [5]), а часть активного слоя между упомянутой частью и затвором выполнена со средней концентрацией примеси ≅ 2•10¹⁷ см^-3.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 дано схематическое изображение полевого транзистора, где 1 - полуизолирующая подложка, 2 активный слой, 3 исток, 4 затвор, 5 сток.

На фиг.2 даны возможные профили легирования активного слоя предлагаемого транзистора, где N_D концентрация доноров в активном слое, y - расстояние до поверхности.

На фиг.3 дана расчетная зависимость входной емкости C_из от напряжения на затворе U_из для ПТШ с оптимизированным, согласно перечисленным в заявке требованиям, профилем легирования с длинами затвора L 0,9 мкм (кривая 1), L 0,7 мкм (кривая 2), 3 L 0,5 мкм (кривая 3).

На фиг.4 дана расчетная зависимость входной емкости C_из от напряжения на затворе U_из для ПТШ с различными профилями легирования, использованными в аналогах и прототипе, где кривая 1 ПТШ с однородным профилем легирования; кривая 2 ПТШ с концентрацией доноров, плавно возрастающей к подложке. Поверхностная плотность доноров в слое с концентрацией, превышающей 2•10¹⁷ см^-3, составляет 0,5•10¹² см^-2; кривая 3 ПТШ, в котором средняя концентрация доноров между затвором и слоем с повышенной концентрацией составляет 4•10¹⁷ см^-3.

На фиг. 5 дана экспериментальная зависимость емкости C_из от напряжения U_из на затворе ПТШ с длиной затвора L 0,7 мкм и оптимизированным профилем легирования.

На фиг.6 дана зависимость относительной спектральной плотности мощности фазового шума (СПМШ) для тестового генератора от сдвига частоты F_м анализа относительно несущей, где кривая 1 случайная выборка из 4-х ПТШ с профилем легирования, близким к однородному; кривая 2 выборка из 4-х ПТШ с предложенным в данной заявке профилем легирования.

Выполнение активного слоя ПТШ с предлагаемым профилем легирования (фиг. 2) при определенных напряжениях на затворе обеспечивает существенное уменьшение зависимости входной емкости транзистора от напряжения на затворе по сравнению с прототипом и другими конструкциями (фиг.3,4), отличными от предлагаемой, что обеспечивает улучшение линейности устройств на таких ПТШ. Этот вывод подтверждается экспериментальной зависимостью C_из(U_из), показанной на фиг.5 для транзисторов с профилем легирования, изготовленным в соответствии с упомянутыми выше условиями.

Пример.

Рассмотрим пример конкретного выполнения ПТШ с затвором Шотки на GaAs с полуизолирующей подложкой на i-GaAs, активный слой которого неоднородно легирован в соответствии с фиг.2а со следующими параметрами: N₁ 5•10¹⁶ см^-3, N₂ 3•10¹⁷ см^-3, A₁ 0,15 мкм, A₂ 0,05 мкм, что соответствует поверхностной плотности 1,5•10¹² см^-2. Затвор транзистора имеет длину 0,7 мкм, ширину 300 мкм.

На данном транзисторе изготовлен тестовый генератор с последовательной обратной связью, стабилизированный диэлектрическим резонатором с нагруженной добротностью Q_н 1500, включенной в цепь затвора. Результаты измерений относительно спектральной плотности мощности фазового шума данного генератора приведены на фиг.6.

Таким образом, как видно на фиг.6, предлагаемая конструкция полевого транзистора позволит улучшить характеристики устройств на данных ПТШ и снизить их модуляционные шумы.

На экспериментальных образцах генераторов, изготовленных на ПТШ данной конструкции, получена относительная спектральная плотность мощности фазовых шумов на 6 12 дБ меньше по сравнению с генераторами на транзисторах, использующих структуру прототипа.

Источники информации
1. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. М. Мир, 1984, т.1, с. 330.

2. Camiade M. Bert A. Graffeuil J. Pataut G. Low noise FET oscilators // 13^th microwave Conf. Dig. 1983, p.297 -302.

3. Rohdin H. Su C.Y. Sfolte C. A study of the relation between device low-frequency noise and oscilator phas noise for GaAs MESFET's // IEEE MTT-Dig. Conf. 1984, p.267 269.

4. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. М. Мир, 1984, т.1, с. 348.

5. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. М. Мир, 1984, т.1, с. 333.

Использование: микроэлектроника. Сущность изобретения: в полевом транзисторе с затвором Шотки, выполненном на полуизолирующей подложке с неоднородно легированным активным слоем, часть активного слоя, расположенная на расстоянии от затвора, превышающем 0,08 мкм, выполнена с концентрацией легирующей примеси, большей 2•10¹⁷ см^-3, и поверхностной плотностью этой примеси /1,3 - 2,5/ • 10¹² см^-2, а часть активного слоя между упомянутой частью и затвором выполнена со средней концентрацией примеси ≅2•10¹⁷ см^-3. 6 ил.

Полевой транзистор с затвором Шотки, содержащий полуизолирующую подложку, неоднородно легированный активный слой, а также исток, затвор и сток, расположенный на свободной поверхности активного слоя, отличающийся тем, что часть активного слоя, расположенная на расстоянии от затвора, превышающем 0,08 мкм, выполнена с концентрацией легирующей примеси, большей 2 • 10^1 7 см^- 3, и поверхностной плотностью этой примеси (1,3 ^oC 2,5) • 10^1 2 см^- 2, а часть активного слоя между упомянутой частью активного слоя и затвором выполнена со средней концентрацией легирующей примеси ≅ 2 • 10^1 7 см^- 3.