ТРАНЗИСТОР Российский патент 1998 года по МПК H01L29/72 

Изобретение относится к области полупроводниковой техники и микроэлектроники, а именно к биполярным транзисторам. Изобретение может быть использовано при построении усилителей различного назначения: в каскадах операционных усилителей, в качестве линейного усилителя и смесителя сигналов с частотой от низкой до СВЧ.

Под транзистором обычно понимают полупроводниковый прибор, имеющий три или более выводов для подачи управляющего напряжения, предназначенный для усиления генерирования и преобразования электрических колебаний ("Электроника". Энциклопедический словарь. М., Сов. Энциклопедия, 1991).

Как известно (см. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. Т. 1. М.: Мир, 1984, стр. 325-375), передаточные характеристики полевых транзисторов, как правило, нелинейны. Исключение составляют короткоканальные транзисторы на основе GaAs с большим напряжением перекрытия, в качестве затвора у которых используется p-n переход либо барьер Шоттки (см. М.Шур. Современные приборы на основе арсенида галлия. М.: Мир, 1991, стр. 306-311, 314-316) с каналом неоднородно легированным по толщине, у которых область насыщения дрейфовой скорости электронов распространяется на всю длину канала. В этом случае имеем:

dI/dh = V_sZNi(h)q,

dU/dh = q h N_i(h)/E_s,
G_m = dI/dU = V_sZE_s/h(U_g+U_k), (1)
K=G_mR,
где
I - ток стока;
V_s - скорость насыщения электронов;
Z - ширина канала;
q - элементарный заряд;
a - толщина канала;
h - толщина той части канала, которая обеднена основными носителями заряда,
U -напряжение на затворе;
N_i - концентрация легирующей примеси;
U_k - встроенный потенциал p-n перехода либо барьера Шоттки; U_g - внешнее напряжение между истоком и затвором;
ε_s - диэлектрическая проницаемость полупроводника;
G_m - крутизна;
K - коэффициент усиления по напряжению;
R - сопротивление нагрузки, включенное в цепь стока транзистора.

Если h(U_g+U_k) слабо зависит от U_g, что возможно при выполнении условия:
(a-h(U_k)/a<<1 (2)
Последнее реализуется, когда большая часть канала легирована слабо, а небольшая часть канала вблизи полуизолирующей (изолирующей) подложки легирована сильно. В этом случае коэффициент усиления по напряжению практически не зависит от U_g:
K = R•V_sZε_s/a (3)
Что подтверждается экспериментальными результатами (см. например Williams R. E. , Shaw D.W., Guided channel FETs: Improved linearity and noise figure, IEEE Trans Electron Devices, ED-25 (6), 600-605, 1978).

Очевидным недостатком таких конструкций является очень низкое значение крутизны и коэффициента усиления по напряжению по сравнению с приборами, у которых канал однородно легирован либо неоднородно с увеличением степени легирования от подложки к затвору (следует из (1), (2), (3)). Второй недостаток связан с ухудшением частотных свойств таких транзисторов, поскольку для эффективной работы затвора необходимо превышение его длины над толщиной канала, но в этом случае толщина активной части канала (сильнолегированной области вблизи изолирующей подложки) много меньше полной толщины канала, которая и определяет длину, а следовательно, и лимитирует граничную частоту прибора (см. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. Т. 1.- М.: Мир, 1984, стр. 355-358).

Передаточные характеристики биполярных транзисторов, как правило, экспоненциальны.

Линейных передаточных характеристик в усилителях, собранных как на полевых, так и на биполярных транзисторах, добиваются, как правило, за счет резкого снижения коэффициента усиления путем введения отрицательной обратной связи, путем включения в истоковую цепь у полевых либо в эмиттерную цепь у биполярных транзисторов дополнительного балластного сопротивления. (см., например, Гринфилд Дж. Транзисторы и линейные ИС.- М.: Мир, 1992, стр. 186-187, 306). Снижение коэффициента усиления нежелательное явление, кроме того, для транзисторных усилителей, работающих на СВЧ, где коэффициент усиления по мощности и без того низкий (на частотах порядка 10 ГГц и выше составляет несколько единиц на каскад при удельной выходной мощности порядка одного ватта на мм затвора, см., например, Шур М. Современные приборы на основе арсенида галлия. - М.: Мир, 1991, стр. 383-403), такой способ линеаризации передаточной характеристики не подходит в принципе.

Широко известен биполярный p-n-p или n-p-n транзистор, выбранный в качестве прототипа, (см., например, Зи С. Физика полупроводниковых приборов. Т. 1. М.: Мир, 1984, стр. 142-161), содержащий эмиттерную и коллекторную области с одним типом проводимости, между которыми находится базовая область с другим типом проводимости. Все три области снабжены омическими контактами для подачи управляющего напряжения.

Задачей данного изобретения является создание биполярного транзистора с любым наперед заданным, в том числе линейным, видом передаточной характеристики и создание эффективных конструкций таких транзисторов.

Поставленная задача обеспечивается тем, что у транзистора p-n-p или n-p-n типа, содержащего области эмиттера, базы и коллектора с омическими контактами к ним, поверх эмиттерного слоя (y<0), сформированного в рабочей области (0≤ x ≤ x₀, F₁(x) ≤ z ≤ F₂(x), 0 ≤ y ≤ D(x)), сформирован управляющий электрод, выполненный из полупроводникового материала противоположного с эмиттером типа проводимости с омическим контактом к нему либо из металла, образующего с эмиттером барьер Шоттки, причем эмиттер сформирован в виде пленки либо с неоднородной толщиной D(x) вдоль поверхностной координаты x либо с неоднородным профилем легирования N_i(x,y) либо с неоднородной толщиной D(x) и с неоднородным профилем легирования N_i(x,y), выбор толщины пленки эмиттерного слоя D(x) и профиля легирования ограничены условием полного обеднения части эмиттерной области основными носителями заряда до пробоя p-n перехода (барьера Шоттки), образованного между управляющим электродом и эмиттером

где
U_i(x) - напряжение пробоя полупроводниковой пленки в сечении xy;
y - координата, отсчитываемая от поверхности пленки вдоль ее толщины;
q - элементарный заряд;
ε_s - диэлектрическая проницаемость эмиттера;
U_k - встроенный потенциал перехода управляющий электрод-эммитер,
при этом передаточная характеристика транзистора (отношение величины входного сигнала, подаваемого между управляющим электродом и эмиттером к выходному) определяется выбором функциональной зависимости размера эмиттерной области F(x) в направлении z(F(x) = F₂(x) - F₁(x)), где x, z - координаты в плоскости поверхности эмиттерной пленки, в том числе и прямоугольные, причем эмиттерная и базовая области транзистора выполнены либо из различных полупроводниковых материалов (с различной величиной запрещенной зоны), либо из одного полупроводникового материала. Кроме того, транзистор может отличаться тем, что в эмиттерной области вдоль направления x или вдоль периметра эмиттерной области сформирована одна или несколько высокопроводящих полосок, соединенных с эмиттерным омическим контактом, вдоль направления z в эмиттерной области выполнены высокопроводящие области с зазором относительно полоски (полосок), омического контакта и друг друга. Кроме того, транзистор может отличаться тем, что между контактами (эмиттерным, коллекторным, базовым контактами и контактом управляющего электрода) сформирован диэлектрический слой, причем контактные площадки сформированы либо на полупроводнике, либо на диэлектрическом слое. Кроме того, транзистор может отличаться тем, что коллектор сформирован на высокопроводящей области.

То есть суть изобретения заключается в использовании возможности изменения эффективной площади эмиттера при изменении между эмиттерным переходом и управляющим электродом внешнего смещения.

На фиг. 1 приведен усилитель на предлагаемом транзисторе. На фиг. 2 приведен вид эмиттерной области со стороны базы транзистора с высокой эффективностью эмиттера. На фиг. 3 приведено устройство планарного транзистора. На фиг. 4 приведено устройство планарного транзистора с низким сопротивлением коллектора. На фиг. 5 приведена экспериментальная зависимость коллекторного тока от напряжения между управляющим электродом и эмиттером.

Транзистор содержит (см. фиг. 1) коллекторную - 1, базовую - 2, эмиттерную - 3 и управляющего электрода - 4 области, легированные соответственно примесями n, p, n, p типа, с омическими контактами к ним. Усилитель на транзисторе содержит источник входного напряжения - 5, источник смещения между эмиттером и базой - 6, источник смещения между коллектором и базой - 7, сопротивление нагрузки - 8. Эмиттерная область транзистора с высокоэффективным эмиттером содержит (см. фиг. 2, 3) высокопроводящую область - 9, легированную примесями n+типа, высокопроводящие области - 10, легированные n+примесью, омический контакт - 11, диэлектрический слой - 12. Транзистор с низким коллекторным сопротивлением (фиг. 4) содержит также высокопроводящий (n+)слой - 13.

Транзистор работает следующим образом.

Для пояснения работы транзистора обратимся к фиг. 1, на которой представлено усилительное устройство, содержащее транзистор, который включает в себя коллекторную - 1, базовую - 2, эмиттерную - 3 и управляющего электрода - 4 области, легированные соответственно примесями n, p, n, p типа, с омическими контактами к ним. Усилитель на транзисторе содержит источник входного напряжения - 5, источник прямого смещения между эмиттером и базой - 6, источник обратного смещения между коллектором и базой - 7, сопротивление нагрузки - 8. Причем эмиттерная область, сформированная методом ионной имплантации, легирована неоднородно вдоль поверхностной координаты x. Поверх эмиттерного слоя (y < 0), сформированного в рабочей области (0 ≤ x ≤ x₀, 0 ≤ z ≤ F(x), 0 ≤ y ≤ D)), сформирован управляющий электрод, выполненный из полупроводникового материала противоположного с эмиттером типа проводимости с омическим контактом к нему либо из металла, образующего с эмиттером барьер Шоттки. Причем доза имплантации возрастает от X₀ к 0. Причем по крайней мере часть рабочей области обедняется полностью основными носителями заряда при подаче запирающего напряжения на переход управляющий электрод-эмиттер до пробоя. По мере увеличения запирающего напряжения U на переходе эмиттер - управляющий электрод размер вдоль x области нейтральности H(U) и эффективная площадь эмиттера S(U) непрерывно уменьшается, что приводит к пропорциональному уменьшению эмиттерного и коллекторного тока (I_k ≈ S(U)) и снимаемого с нагрузки 8 выходного сигнала. При этом функциональная зависимость эмиттерного и коллекторного тока от напряжения определяется функциональной зависимостью размера эмиттерной области F(x) вдоль z

где x, z - прямоугольные координаты в плоскости поверхности эмиттерной пленки.

То есть, задавая ту или иную форму эмиттерной области, можно менять зависимость коллекторного тока от напряжения. Очевидно, что аналогичного изменения эффективной площади эмиттера можно добиться при однородном по площади легировании эмиттера, если толщина эмиттерной области неоднородна и также при неоднородной толщине и уровне легирования вдоль поверхностной координаты x. Для преобладания эмиттерного тока над базовым (увеличения эффективности эмиттера) необходимо преобладание степени легирования эмиттерной области над базовой. Либо эмиттер должен быть выполнен из полупроводникового материала с шириной запрещенной зоны больше чем ширина запрещенной зоны полупроводника, из которого выполнена базовая область (см. Из С. Физика полупроводниковых приборов. Т. 1. М.: Мир, 1984, стр. 150, 195). Если степень легирования эмиттера по всей площади существенно выше степени легирования базы, то это по многим причинам хуже, чем когда эмиттер выполнен с чередованием вдоль x большого числа слаболегированных областей и сильнолегированных участков - 10 (фиг. 2, 3, 4). Если в неоднородно легированной эмиттерной области сформировано дополнительно большое число высокопроводящих участков 10, которые выполнены из сильнолегированного материала того же типа проводимости, что и слаболегированная основа эмиттерной области, и участки 10 сформированы с зазором относительно омического контакта 11 и вспомогательной высокопроводящей области 9 (которая на фиг. 3, 4 выполнена вдоль периметра эмиттерной области), работа транзистора не отличается от вышеописанного случая. По мере увеличения запирающего напряжения U на переходе эмиттер - управляющий электрод размер области нейтральности вдоль x слаболегированной основы эмиттерного перехода (легированной неоднородно вдоль x) уменьшается. Те сильнолегированные участки 10, которые находятся внутри той части слаболегированной основы, которая полностью обеднена основными носителями заряда, как бы отсекаются от эмиттера. Конструкция транзистора с чередованием сильнолегированных слоев в неоднородно слаболегированной основе эмиттерной области позволяет:
1. Расширить область подаваемых напряжений (электрический пробой толстых слаболегированных переходов наступает при существенно больших входных напряжениях, чем у сильнолегированных).

2. Снизить емкость управляющий электрод-эмиттер путем формирования более толстых эмиттеров.

3. Повысить коэффициент усиления транзистора (возможно управление эффективной площадью эмиттера при существенно меньших входных напряжениях при тонкой неоднородно легированной основе).

4. Снизить объемное сопротивление эмиттера.

Очевидно, что объемное сопротивление эмиттера пропорционально ~ ρF/D/x₀ в случае конструкции транзистора при отсутствии высокопроводящих участков 10 и пропорционально ~ ρΔ/D/x₀ при наличии высокопроводящих областей 10 (F - среднее значение F(x), ρ - величина среднего удельного сопротивления области нейтральности эмиттера, Δ - величина зазора межу полосками 10 и полоской 9, D - средняя толщина эмиттерной области). То есть введение полосок позволяет снизить объемное сопротивление эмиттера в F/Δ раз.
При производстве кремниевых транзисторов посредством планарно-эпитаксиальной технологии все контакты, как правило, формируются на одной из поверхностей полупроводниковой пластины, причем контакты отделены друг от друга диэлектрической прослойкой - 12 (SiO₂). Минимальная эффективная площадь эмиттера определяется площадью омического контакта и площадью вспомогательной полоски 9. С целью уменьшения величины минимальной эффективной площади эмиттера необходимо выносить контактную эмиттерную площадку (которая может иметь относительно большую площадь) на диэлектрический слой. Если требуется транзистор с пониженным объемным сопротивлением коллектора, то коллектор необходимо формировать на высокопроводящей основе (см. Маллер Р., Кейминс Т. Элементы интегральных схем, стр. 361-367 М.: Мир, 1989). Коллектор предлагаемого транзистора с низким коллекторным сопротивлением (фиг. 4) выполнен на высокопроводящем (n+) слое - 13.

Поскольку функциональная зависимость эмиттерного и коллекторного тока от напряжения определяется функциональной зависимостью размера эмиттерной области F(x) вдоль z можно, задавшись необходимой зависимостью (например, линейной) коллекторного тока от напряжения, подобрать под эту зависимость необходимую форму эмиттерной области. В дальнейшем будем полагать, что слаболегированная основа эмиттерной области легирована много слабее, чем область базы. Для напряжения перекрытия (минимального внешнего напряжения U на переходе управляющий электрод-эмиттер, при котором в сечении H(U),у наступает полное обеднение эмиттерной пленки основными носителями заряда) в этом случае можно, пренебрегая падением напряжения в базовой области, записать

U₂ - внешнее напряжение между базой и эмиттером;
U_k2 - встроенный потенциал перехода эмиттер-база;
U_k - встроенный потенциал перехода управляющий электрод-эмиттер.

В качестве примере приведем решение (4, 5) для линейной зависимости S(U) ≈ U
а) при однородном профиле легирования эмиттерной области, и линейно изменяющейся вдоль x толщине эмиттерной области D(x) ≈ x₀-x, интегрируя (5), получим
U + U_k + U_k2 - U₂ ≈ (x₀-x)²
Линейные изменения напряжения должны приводить к линейному уменьшению эффективной площади:
dU ≈ -(x₀-x) = -F(x)dx; F(x) = -dU/dx ≈ x₀-x
То есть в этом случае мы имеем треугольную форму эмиттерной области.

б) при однородной толщине пленки (D(x)=D) и линейно спадающей вдоль x дозе имплантации (5) получим
U + U_k + U_k2 - U₂ ≈ x₀-x
аналогично для линейного транзистора имеем
dU ≈ -1 = -F(x)dx, F(x)=-dU/dx ≈ 1
То есть в этом случае мы имеем прямоугольную форму эмиттерной области.

Заметим, что схема усилителя, изображенного на фиг. 1, может использоваться в качестве смесителя при включении дополнительного источника электрических колебаний в цепь между эмиттером и базой.

Пример (см. фиг. 3, на которой n+ область 9 выполнена вдоль периметра эмиттерной области). В подложке n-типа (КЭС-3) диффузией бора был изготовлен p-n переход, поверх p-области которого методом молекулярно-лучевой эпитаксии была выращена слаболегированная пленка n-типа с концентрацией примеси ≈ 1•10¹⁵/см³ и толщиной 0,6 мкм, в которой методом ионной имплантации фосфора (200 кэВ) был сформирован неоднородный профиль распределения примеси, причем имплантационная доза линейно на промежутке 2 мм спадала от 4•10¹¹ ион/см² до 1,5•10¹⁰ ион/см², после окисления и фотолитографического изготовления маскирующего покрытия ионной имплантацией фосфора при дозе 4,5•10¹² ион/см², энергии ионов 100 кэВ были сформированы на участке квадратной формы (2 x 2 мм) n+ области 9, 10 с шириной полоски 4 мкм и с таким же зазором друг относительно друга, предварительно посредством диффузии бора через маскирующее покрытие SiO₂ была сформирована p-область в слаболегированной эпитаксиальной пленке для формирования на ней базового контакта, а n+ для формирования на ней коллекторного контакта изготавливалась при помощи диффузии фосфора. Металлизация изготавливалась из алюминия. На фиг. 5 приведена экспериментальная зависимость коллекторного тока (I_k) от напряжения между управляющим электродом и эмиттером (U) при величине источника коллекторного смещения - 12B, при величине прямого смещения между управляющим электродом и эмиттером 0,45B. (Транзистор включен согласно схеме фиг. 1). Как видно, зависимость почти линейна. Входное сопротивление транзистора по постоянному току при входном напряжении 1,5B (U=1,5B) составило ≈ 10⁹Ом.

Изобретение простыми технологическими средствами позволяет создавать линейные транзисторы с высоким входным сопротивлением.

Промышленная применимость. Изобретение может быть использовано в электронной промышленности.

Использование: микроэлектроника и полупроводниковая техника. Сущность изобретения: транзистор содержит области эмиттера, базы и коллектора с омическими контактами к ним. Поверх эмиттерного слоя (y < 0), сформированного в рабочей области (0 ≤ x ≤ x₀, F₁ (x) ≤ z ≤ F₂(x), 0 ≤ y ≤ D(x)), выполнен управляющий электрод, который выполнен из полупроводникового материала противоположного с эмиттером типа проводимости с омическим контактом к нему либо из металла, образующего с эмиттером барьер Шоттки. Эмиттерная область сформирована в виде пленки либо с неоднородной толщиной D(x) вдоль поверхностной координаты Х, либо с неоднородным профилем легирования N_i (x, y), либо с неоднородной толщиной D(x) и с неоднородным профилем легирования N_i (x, y), выбор толщины пленки эмиттерного слоя D(x) и профиля легирования ограничены условием полного обеднения части эмиттерной области основными носителями заряда до пробоя p-n-перехода или барьера Шоттки, образованного между управляющим электродом и эмиттером. Техническим результатом изобретения является создание биполярного транзистора с любым заранее заданным, в том числе линейным, видом передаточной характеристики. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Транзистор, содержащий эмиттерную, коллекторную и базовую области с омическими контактами к ним, у которого базовая область расположена между двумя другими областями и сформирована с противоположным типом проводимости по сравнению с эмиттерной и коллекторной областями, отличающийся тем, что поверх эмиттерной области, сформированной в рабочей области: 0 ≤ x ≤ x₀, F₁(x) ≤ z ≤ F₂(x), 0 ≤ y ≤ D(x), сформирован управляющий электрод, выполненный из полупроводникового материала противоположного с эмиттерной областью типа проводимости с омическим контактом к нему либо из металла, образующего с эмиттерной областью барьер Шоттки, причем эмиттерная область сформирована в виде пленки либо с неоднородной толщиной D(x) вдоль поверхности координаты x, либо с неоднородным профилем легирования N_i(x,y), либо с неоднородной толщиной D(x) и с неоднородным профилем легирования N_i(x,y), выбор толщины пленки D(x) и профиля легирования ограничены условием полного обеднения части эмиттерной области основными носителями заряда до пробоя p-n-перехода при формировании управляющего электрода из полупроводникового материала или до пробоя барьера Шоттки при выполнении управляющего электрода из металла:

где U_i(x) - напряжение пробоя полупроводниковой пленки в сечении xy, y - координата, отсчитываемая от поверхности пленки вдоль ее толщины;
q - элементарный заряд;
ε_s - диэлектрическая проницаемость эмиттерной области;
U_k - встроенный потенциал перехода управляющий электрод - эмиттерная область, при этом передаточная характеристика транзистора определяется выбором функциональной зависимости размера эмиттерной области F(x) в направлении z;
F(x) = F₂(x) - F₁(x),
где x, z - координаты плоскости поверхности пленки, в том числе прямоугольные,
причем эмиттерная и базовая области транзистора выполнены либо из различных полупроводниковых материалов с различной величиной запрещенной зоны, либо из одного полупроводникового материала. 2. Транзистор по п.1, отличающийся тем, что в эмиттерной области вдоль направления x или вдоль периметра эмиттерной области сформирована одна или несколько высокопроводящих полосок, соединенных с омическим контактом к эмиттерной области, вдоль направления z в эмиттерной области выполнены высокопроводящие области с зазором относительно высокопроводящей полоски или высокопроводящих полосок, омического контакта и друг друга. 3. Транзистор по пп.1 и 2, отличающийся тем, что между контактами сформирован диэлектрический слой. 4. Транзистор по пп.1 - 3, отличающийся тем, что коллекторная область сформирована на высокопроводящем слое.