ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР С РАЗМЕРНЫМ КВАНТОВАНИЕМ ЭНЕРГИИ Российский патент 2005 года по МПК H01L27/105 

Предлагаемое изобретение относится к области вычислительной техники и интегральной электроники, а более конкретно - к интегральным полевым транзисторным структурам СБИС.

Известен полевой транзистор на основе эффекта Штарка (см. Пожела Ю. Физика быстродействующих транзисторов: Монография / АН ЛитССР. Ин-т физики полупроводников. - Вильнюс: Мокслас, 1989. - 264 с.: ил., с.225, рис.9.20а), содержащий металлический затвор, расположенную на нем полупроводниковую GaAs область затвора второго типа проводимости, соединенную с металлическим затвором, расположенную на ней полупроводниковую AlGaAs область управляющего барьера второго типа проводимости, образующую резкий гетеропереход с полупроводниковой GaAs областью затвора второго типа проводимости, расположенную на ней полупроводниковую GaAs область канала второго типа проводимости, образующую резкий гетеропереход с полупроводниковой AlGaAs областью управляющего барьера второго типа проводимости, расположенную на ней полупроводниковую AlGaAs область туннельного барьера собственной проводимости, образующую резкий гетеропереход с полупроводниковой GaAs областью канала второго типа проводимости и выполненную в мезаобласти, расположенную на ней слаболегированную полупроводниковую GaAs область истока второго типа проводимости, образующую резкий гетеропереход с полупроводниковой AlGaAs областью туннельного барьера собственной проводимости и выполненную в мезаобласти, расположенную на ней сильнолегированную полупроводниковую GaAs область истока второго типа проводимости, расположенный на ней металлический контакт истока, соединенный с сильнолегированной полупроводниковой GaAs областью истока второго типа проводимости, металлический контакт стока, расположенный на полупроводниковой GaAs области канала второго типа проводимости и соединенный с ней.

Недостатками являются невозможность интегрального исполнения вследствие расположения металлического затвора и металлических контактов стока и истока на противоположных гранях полупроводникового кристалла; сложность технологической реализации низкоомного невыпрямляющего контакта стока со слаболегированной полупроводниковой GaAs областью канала второго типа проводимости; снижение подвижности электронов вследствие легирования полупроводниковой GaAs области канала второго типа проводимости; туннельный механизм образования тока стока, приводящий к триодным выходным вольт-амперным характеристикам, затрудняющим использование транзисторов в интегральных логических элементах.

Функциональным аналогом заявляемого объекта является планарный гетеропереходный селективно легированный полевой транзистор с управляющим переходом Шоттки (см. Шур М. Современные приборы на основе арсенида галлия: Пер. с англ. - М.: Мир, 1991. - 632 с., с.572, рис.10.16.1), содержащий полуизолирующую полупроводниковую GaAs-подложку, расположенный на ней полупроводниковый слой GaAs собственной проводимости, расположенный на нем полупроводниковый слой AlGaAs собственной проводимости, образующий резкий гетеропереход с нижележащим полупроводниковым слоем GaAs собственной проводимости и выполняющий роль спейсера, расположенный на нем полупроводниковый слой AlGaAs второго типа проводимости, выполняющий роль источника электронов проводимости, расположенный на нем металлический затвор, образующий переход Шоттки с полупроводниковым слоем AlGaAs второго типа проводимости, полупроводниковые области стока и истока второго типа проводимости, самосовмещенные с краями металлического затвора и расположенные во всех полупроводниковых слоях транзистора, металлический контакт стока, расположенный над полупроводниковой областью стока второго типа проводимости и соединенный с ней, металлический контакт истока, расположенный над полупроводниковой областью истока второго типа проводимости и соединенный с ней.

Недостатками являются невозможность получения передаточных вольт-амперных характеристик λ-типа; ограничение минимальной длины канала эффектом модуляции области пространственного заряда управляющего перехода Шоттки напряжением сток-исток, приводящим к триодным выходным вольт-амперным характеристикам короткоканальных транзисторов; сложность технологической реализации управляющего перехода Шоттки с полупроводниковым слоем широкозонного AlGaAs второго типа проводимости с воспроизводимостью характеристик, достаточной для реализации интегральных схем на основе данных транзисторов, нестабильность поверхности AlGaAs, приводящая к быстрой деградации характеристик транзистора.

Из известных наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является интегральный селективно легированный полевой транзистор с управляющим переходом Шоттки (см. Пожела Ю. Физика быстродействующих транзисторов: Монография / АН ЛитССР. Ин-т физики полупроводников. - Вильнюс: Мокслас, 1989. - 264 с.: ил., рис.5.19), содержащий полуизолирующую полупроводниковую GaAs-подложку, расположенный на ней первый полупроводниковый слой GaAs собственной проводимости, расположенный на нем первый полупроводниковый слой AlGaAs собственной проводимости, образующий резкий гетеропереход с первым полупроводниковым слоем GaAs собственной проводимости, расположенный на нем первый полупроводниковый слой AlGaAs второго типа проводимости, расположенный на нем второй варизонный полупроводниковый слой AlGaAs второго типа проводимости, расположенный на нем второй полупроводниковый слой AlGaAs собственной проводимости, расположенный на нем второй полупроводниковый слой GaAs собственной проводимости, образующий резкий гетеропереход со вторым полупроводниковым слоем AlGaAs собственной проводимости, расположенный на нем металлический затвор, образующий переход Шоттки со вторым полупроводниковым слоем GaAs собственной проводимости, полупроводниковые области стока и истока второго типа проводимости, расположенные во всех полупроводниковых слоях транзистора, металлический контакт стока, расположенный над полупроводниковой областью стока второго типа проводимости и соединенный с ней, металлический контакт истока, расположенный над полупроводниковой областью истока второго типа проводимости и соединенный с ней.

Недостатками являются невозможность получения передаточных вольт-амперных характеристик λ-типа; ограничение минимальной длины канала эффектом модуляции области пространственного заряда управляющего перехода Шоттки напряжением сток-исток, приводящим к триодным выходным вольт-амперным характеристикам короткоканальных транзисторов; низкая крутизна, обусловленная значительной шириной области пространственного заряда управляющего перехода Шоттки в полупроводниковом слое GaAs собственной проводимости.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение быстродействия транзистора за счет обеспечения высокой подвижности электронов в канале при высокой их концентрации, снижение скорости деградации характеристик транзистора, обеспечение пентодных выходных характеристик короткоканального транзистора, позволяющих проектировать интегральные логические элементы на его основе; обеспечение возможности реализации трех технологически совместимых вариантов транзистора с различными передаточными вольт-амперными характеристиками с целью повышения эффективности использования устройства в интегральных схемах.

Для достижения необходимого технического результата в интегральный полевой транзистор с размерным квантованием энергии, содержащий полуизолирующую полупроводниковую GaAs-подложку, расположенный на ней первый полупроводниковый слой GaAs собственной проводимости, расположенный на нем первый полупроводниковый слой AlGaAs собственной проводимости, образующий резкий гетеропереход с первым полупроводниковым слоем GaAs собственной проводимости, расположенный на нем первый полупроводниковый слой AlGaAs второго типа проводимости, расположенный на нем второй полупроводниковый слой AlGaAs собственной проводимости, металлический затвор, полупроводниковые области стока и истока второго типа проводимости, расположенные во всех полупроводниковых слоях транзистора, металлический контакт стока, расположенный над полупроводниковой областью стока второго типа проводимости и соединенный с ней, металлический контакт истока, расположенный над полупроводниковой областью истока второго типа проводимости и соединенный с ней, введены полупроводниковый слой GaAs собственной проводимости, образующий резкий гетеропереход с нижележащим вторым полупроводниковым слоем AlGaAs собственной проводимости, расположенный на нем третий полупроводниковый слой AlGaAs собственной проводимости, образующий резкий гетеропереход с нижележащим полупроводниковым слоем GaAs собственной проводимости, расположенный на нем в мезаобласти второй полупроводниковый слой AlGaAs второго типа проводимости, расположенный на нем в мезаобласти четвертый полупроводниковый слой AlGaAs собственной проводимости, расположенная на нем в мезаобласти сильнолегированная полупроводниковая область затвора второго типа проводимости, расположенная под металлическим затвором и соединенная с ним, причем, соотношение между высотой первого потенциального барьера и высотой второго потенциального барьера задается процентным содержанием Аl и Ga в первом полупроводниковом слое AlGaAs собственной проводимости, первом полупроводниковом слое AlGaAs второго типа проводимости и втором полупроводниковом слое AlGaAs собственной проводимости, с одной стороны, и в третьем полупроводниковом слое AlGaAs собственной проводимости, втором полупроводниковом слое AlGaAs второго типа проводимости и четвертом полупроводниковом слое AlGaAs собственной проводимости с другой стороны.

Сравнивая предлагаемое устройство с прототипом, видим, что оно содержит новые признаки, то есть соответствует критерию новизны. Проводя сравнение с аналогами, приходим к выводу, что предлагаемое устройство соответствует критерию "существенные отличия", так как в аналогах не обнаружены предъявляемые новые признаки. За счет введения в конструкцию полупроводникового слоя GaAs собственной проводимости, выполняющего роль канала с размерным квантованием энергии и образующего резкий гетеропереход с нижележащим вторым полупроводниковым слоем AlGaAs собственной проводимости, выполняющим роль спейсера, расположенного на нем третьего полупроводникового слоя AlGaAs собственной проводимости, выполняющего роль спейсера и образующего резкий гетеропереход с нижележащим полупроводниковым слоем GaAs собственной проводимости, выполняющим роль канала с размерным квантованием энергии, расположенного на нем в мезаобласти второго полупроводникового слоя AlGaAs второго типа проводимости, выполняющего роль источника электронов проводимости, расположенного на нем в мезаобласти четвертого полупроводникового слоя AlGaAs собственной проводимости, необходимого для формирования требуемой формы второго потенциального барьера, расположенной на нем в мезаобласти сильнолегированной полупроводниковой области затвора второго типа проводимости, расположенной под металлическим затвором и соединенной с ним, причем соотношение между высотой первого потенциального барьера и высотой второго потенциального барьера задается процентным содержанием Аl и Ga в первом полупроводниковом слое AlGaAs собственной проводимости, первом полупроводниковом слое AlGaAs второго типа проводимости и втором полупроводниковом слое AlGaAs собственной проводимости, с одной стороны, и в третьем полупроводниковом слое AlGaAs собственной проводимости, втором полупроводниковом слое AlGaAs второго типа проводимости и четвертом полупроводниковом слое AlGaAs собственной проводимости с другой стороны, получен положительный эффект, заключающийся в повышении быстродействия транзистора за счет обеспечения высокой подвижности электронов в канале при высокой их концентрации, снижении скорости деградации характеристик транзистора, обеспечении пентодных выходных характеристик короткоканального транзистора, позволяющих проектировать интегральные логические элементы на его основе; обеспечении возможности реализации трех технологически совместимых вариантов транзистора с различными передаточными вольт-амперными характеристиками с целью повышения эффективности использования устройства в интегральных схемах.

На фиг.1 приведена структура предлагаемого интегрального полевого транзистора с размерным квантованием энергии, на фиг.2 - зонная диаграмма транзистора (рельеф дна зоны проводимости) вдоль координаты Х (от поверхности кристалла вглубь), соответствующая равенству высот первого и второго потенциальных барьеров при нулевых напряжениях на внешних контактах, на фиг.3 - зонная диаграмма транзистора вдоль координаты X, соответствующая высоте второго потенциального барьера, превышающей высоту первого потенциального барьера при нулевых напряжениях на внешних контактах, на фиг.4 - зонная диаграмма транзистора вдоль координаты X, соответствующая высоте первого потенциального барьера, превышающей высоту второго потенциального барьера при нулевых напряжениях на внешних контактах, на фиг.5 - передаточная вольт-амперная характеристика (ВАХ) транзистора (зависимость тока стока I_C от напряжения затвор-исток U₃), соответствующая равенству высот первого и второго потенциальных барьеров при нулевых напряжениях на внешних контактах, на фиг.6 - передаточная ВАХ транзистора, соответствующая высоте второго потенциального барьера, превышающей высоту первого потенциального барьера при нулевых напряжениях на внешних контактах, на фиг.7 - передаточная ВАХ транзистора, соответствующая высоте первого потенциального барьера, превышающей высоту второго потенциального барьера при нулевых напряжениях на внешних контактах, на фиг.8 - выходная ВАХ предлагаемого устройства (зависимость тока стока I_C от напряжения сток-исток U_C).

Интегральный полевой транзистор с размерным квантованием энергии (фиг.1-4) содержит полуизолирующую полупроводниковую GaAs-подложку 1, расположенный на ней первый полупроводниковый слой GaAs собственной проводимости 2, расположенный на нем первый полупроводниковый слой AlGaAs собственной проводимости 3, необходимый для формирования требуемой формы первого потенциального барьера 4 и образующий резкий гетеропереход с первым полупроводниковым слоем GaAs собственной проводимости 2, расположенный на нем первый полупроводниковый слой AlGaAs второго типа проводимости 5, выполняющий роль источника электронов проводимости, расположенный на нем второй полупроводниковый слой AlGaAs собственной проводимости 6, выполняющий роль спейсера, металлический затвор 7, полупроводниковые области стока 8 и истока 9 второго типа проводимости, расположенные во всех полупроводниковых слоях транзистора, металлический контакт стока 10, расположенный над полупроводниковой областью стока второго типа проводимости 8 и соединенный с ней, металлический контакт истока 11, расположенный над полупроводниковой областью истока второго типа проводимости 9 и соединенный с ней, полупроводниковый слой GaAs собственной проводимости 12, выполняющий роль канала с размерным квантованием энергии и образующий резкий гетеропереход с нижележащим вторым полупроводниковым слоем AlGaAs собственной проводимости 6, выполняющим роль спейсера, расположенный на нем третий полупроводниковый слой AlGaAs собственной проводимости 13, выполняющий роль спейсера и образующий резкий гетеропереход с нижележащим полупроводниковым слоем GaAs собственной проводимости 12, выполняющим роль канала с размерным квантованием энергии, расположенный на нем в мезаобласти второй полупроводниковый слой AlGaAs второго типа проводимости 14, выполняющий роль источника электронов проводимости, расположенный на нем в мезаобласти четвертый полупроводниковый слой AlGaAs собственной проводимости 15, необходимый для формирования требуемой формы второго потенциального барьера 16, расположенная на нем в мезаобласти сильнолегированная полупроводниковая область затвора второго типа проводимости 17, расположенная под металлическим затвором 7 и соединенная с ним, причем соотношение между высотой первого потенциального барьера 4 и высотой второго потенциального барьера 16 задается процентным содержанием Аl и Ga в первом полупроводниковом слое AlGaAs собственной проводимости 3, первом полупроводниковом слое AlGaAs второго типа проводимости 5 и втором полупроводниковом слое AlGaAs собственной проводимости 6, с одной стороны, и в третьем полупроводниковом слое AlGaAs собственной проводимости 13, втором полупроводниковом слое AlGaAs второго типа проводимости 14 и четвертом полупроводниковом слое AlGaAs собственной проводимости 15 с другой стороны.

Работает устройство следующим образом. В первом варианте технологической реализации высота первого потенциального барьера 4 равна высоте второго потенциального барьера 16 за счет равных процентных долей Аl в первом полупроводниковом слое AlGaAs собственной проводимости 3, образующем резкий гетеропереход с первым полупроводниковым слоем GaAs собственной проводимости 2, расположенным на полуизолирующей полупроводниковой GaAs-подложке 1, первом полупроводниковом слое AlGaAs второго типа проводимости 5 и втором полупроводниковом слое AlGaAs собственной проводимости 6, с одной стороны, и в третьем полупроводниковом слое AlGaAs собственной проводимости 13, втором полупроводниковом слое AlGaAs второго типа проводимости 14 и четвертом полупроводниковом слое AlGaAs собственной проводимости 15 с другой стороны, при нулевом напряжении между металлическим затвором 7, соединенным с расположенной в мезаобласти сильнолегированной полупроводниковой областью затвора второго типа проводимости 17, и металлическим контактом истока 11, соединенным с полупроводниковой областью истока второго типа проводимости 9, и положительном напряжении на металлическом контакте стока 10, соединенном с полупроводниковой областью стока второго типа проводимости 8, относительно металлического контакта истока 11, в полупроводниковом слое GaAs собственной проводимости 12, выполняющем роль канала с размерным квантованием энергии в направлении оси Х (фиг.2), имеется не менее одного разрешенного энергетического уровня.

Поскольку полупроводниковый слой GaAs собственной проводимости 12, выполняющий роль канала с размерным квантованием энергии, является квантовой ямой для электронов, электроны проводимости из первого полупроводникового слоя AlGaAs второго типа проводимости 5 и второго полупроводникового слоя AlGaAs второго типа проводимости 14, выполняющих роль источников электронов проводимости, заполняют разрешенные энергетические уровни в канале, что определяет высокую концентрацию электронов в канале.

Отсутствие легирующих примесей в полупроводниковом слое GaAs собственной проводимости 12, выполняющем роль канала с размерным квантованием энергии, втором полупроводниковом слое AlGaAs собственной проводимости 6, выполняющем роль спейсера, и третьем полупроводниковом слое AlGaAs собственной проводимости 13, выполняющем роль спейсера, определяет высокую подвижность электронов в канале, изолированных спейсерами 6 и 13 от ионов примесей в слоях AlGaAs второго типа проводимости 5 и 14, выполняющих роль источников электронов.

Таким образом, высокая концентрация и высокая подвижность электронов в канале определяют высокую проводимость канала, что соответствует открытому состоянию транзистора и протеканию соответствующего тока стока I_C.

При незначительном увеличении отрицательного напряжения на металлическом затворе 7 относительно металлического контакта истока 11 напряженность поперечной составляющей электрического поля в канале (направленной вдоль оси X) будет возрастать. При этом высота второго потенциального барьера 16 будет увеличиваться по сравнению с высотой первого потенциального барьера 4, а форма потенциальной ямы в полупроводниковом слое GaAs собственной проводимости 12, выполняющем роль канала с размерным квантованием энергии, станет треугольной, что будет приводить к увеличению энергии разрешенных уровней в потенциальной яме и, следовательно, к соответствующему уменьшению вероятности их заполнения, уменьшению концентрации электронов, уменьшению проводимости канала и тока стока.

При увеличении отрицательного напряжения на металлическом затворе 7 относительно металлического контакта истока 11 выше определенного значения, называемого пороговым напряжением U_П1, изменение формы потенциальной ямы в полупроводниковом слое GaAs собственной проводимости 12, выполняющем роль канала с размерным квантованием энергии, и увеличение разности высот второго и первого потенциальных барьеров 16 и 4 приведет к полному вытеснению разрешенных энергетических уровней из квантовой ямы. При этом ток стока будет мал, поскольку он при отсутствии разрешенных энергетических уровней в канале будет определяться малой концентрацией и низкой подвижностью электронов в первом полупроводниковом слое AlGaAs второго типа проводимости 5 и втором полупроводниковом слое AlGaAs второго типа проводимости 14, что будет соответствовать закрытому состоянию транзистора.

Таким образом, в первом варианте технологической реализации, когда высота первого потенциального барьера 4 равна высоте второго потенциального барьера 16 при нулевом напряжении между металлическим затвором 7 и металлическим контактом истока 11, передаточная ВАХ 18 (фиг.5) будет соответствовать нормально открытому транзистору.

Во втором варианте технологической реализации высота второго потенциального барьера 16 превышает высоту первого потенциального барьера 4 на определенное значение за счет различных процентных долей Аl в первом полупроводниковом слое AlGaAs собственной проводимости 3, образующем резкий гетеропереход с первым полупроводниковым слоем GaAs собственной проводимости 2, расположенным на полуизолирующей полупроводниковой GaAs-подложке 1, первом полупроводниковом слое AlGaAs второго типа проводимости 5 и втором полупроводниковом слое AlGaAs собственной проводимости 6, с одной стороны, и в третьем полупроводниковом слое AlGaAs собственной проводимости 13, втором полупроводниковом слое AlGaAs второго типа проводимости 14 и четвертом полупроводниковом слое AlGaAs собственной проводимости 15 с другой стороны, при нулевом напряжении между металлическим затвором 7, соединенным с расположенной в мезаобласти сильнолегированной полупроводниковой областью затвора второго типа проводимости 17, и металлическим контактом истока 11, соединенным с полупроводниковой областью истока второго типа проводимости 9, и положительном напряжении на металлическом контакте стока 10, соединенном с полупроводниковой областью стока второго типа проводимости 8, относительно металлического контакта истока 11, в полупроводниковом слое GaAs собственной проводимости 12, выполняющем роль канала с размерным квантованием энергии в направлении оси Х (фиг.3), разрешенные энергетические уровни будут отсутствовать. При этом ток стока будет мал, поскольку он при отсутствии разрешенных энергетических уровней в канале будет определяться малой концентрацией и низкой подвижностью электронов в первом полупроводниковом слое AlGaAs второго типа проводимости 5 и втором полупроводниковом слое AlGaAs второго типа проводимости 14, что будет соответствовать закрытому состоянию транзистора.

При увеличении положительного напряжения на металлическом затворе 7 относительно металлического контакта истока 11 до определенного значения, называемого пороговым напряжением U_П2, напряженность поперечной составляющей электрического поля увеличится, форма потенциальной ямы в полупроводниковом слое GaAs собственной проводимости 12, выполняющем роль канала с размерным квантованием энергии, станет треугольной, а высота второго потенциального барьера 16 станет равной высоте первого потенциального барьера 4. Это приведет к появлению разрешенных уровней в потенциальной яме, увеличению концентрации электронов, увеличению проводимости канала и тока стока, что соответствует открытому состоянию транзистора.

При дальнейшем увеличении положительного напряжения на металлическом затворе 7 относительно металлического контакта истока 11 выше порогового напряжения U_П2, высота второго потенциального барьера 16 будет уменьшаться, энергия дна потенциальной квантовой ямы будет понижаться, что будет приводить к уменьшению энергии разрешенных уровней в потенциальной яме и, следовательно, к соответствующему увеличению вероятности их заполнения, возрастанию концентрации электронов, увеличению проводимости канала и тока стока. При этом высота второго потенциального барьера 16 станет меньше высоты первого потенциального барьера 4, но форма второго потенциального барьера 16 станет треугольной и увеличится вероятность туннелирования электронов через второй потенциальный барьер 16, что приведет к появлению дополнительных разрешенных энергетических состояний в квантовой яме, возрастанию концентрации электронов в канале и дополнительному увеличению проводимости канала и тока стока.

Таким образом, во втором варианте технологической реализации, когда высота второго потенциального барьера 16 превышает высоту первого потенциального барьера 4 на определенное значение при нулевом напряжении между металлическим затвором 7 и металлическим контактом истока 11, передаточная ВАХ 19 (фиг.6) будет соответствовать нормально закрытому транзистору.

В третьем варианте технологической реализации высота первого потенциального барьера 4 превышает высоту второго потенциального барьера 16 за счет различных процентных долей Аl в первом полупроводниковом слое AlGaAs собственной проводимости 3, образующем резкий гетеропереход с первым полупроводниковым слоем GaAs собственной проводимости 2, расположенным на полуизолирующей полупроводниковой GaAs-подложке 1, первом полупроводниковом слое AlGaAs второго типа проводимости 5 и втором полупроводниковом слое AlGaAs собственной проводимости 6, с одной стороны, и в третьем полупроводниковом слое AlGaAs собственной проводимости 13, втором полупроводниковом слое AlGaAs второго типа проводимости 14 и четвертом полупроводниковом слое AlGaAs собственной проводимости 15 с другой стороны, при нулевом напряжении между металлическим затвором 7, соединенным с расположенной в мезаобласти сильнолегированной полупроводниковой областью затвора второго типа проводимости 17, и металлическим контактом истока 11, соединенным с полупроводниковой областью истока второго типа проводимости 9, и положительном напряжении на металлическом контакте стока 10, соединенном с полупроводниковой областью стока второго типа проводимости 8, относительно металлического контакта истока 11, в полупроводниковом слое GaAs собственной проводимости 12, выполняющем роль канала с размерным квантованием энергии в направлении оси Х (фиг.4), разрешенные энергетические уровни будут отсутствовать. При этом ток стока будет мал, поскольку он при отсутствии разрешенных энергетических уровней в канале будет определяться малой концентрацией и низкой подвижностью электронов в первом полупроводниковом слое AlGaAs второго типа проводимости 5 и втором полупроводниковом слое AlGaAs второго типа проводимости 14, что будет соответствовать закрытому состоянию транзистора.

При незначительном увеличении отрицательного напряжения на металлическом затворе 7 относительно металлического контакта истока 11 напряженность поперечной составляющей электрического поля в канале (направленной вдоль оси X) будет возрастать. При этом форма потенциальной ямы в полупроводниковом слое GaAs собственной проводимости 12, выполняющем роль канала с размерным квантованием энергии, станет треугольной, а высота второго потенциального барьера 16 будет увеличиваться, что будет приводить к увеличению глубины потенциальной квантовой ямы. При отрицательном напряжении на металлическом затворе 7 относительно металлического контакта истока 11, равным первому пороговому напряжению U_П3, уменьшение разности высот первого и второго потенциальных барьеров 4 и 16, а также увеличение глубины потенциальной квантовой ямы приведет к появлению в ней разрешенных уровней, увеличению концентрации электронов, увеличению проводимости канала и тока стока, то есть приведет к отпиранию транзистора.

При дальнейшем увеличении отрицательного напряжения на металлическом затворе 7 относительно металлического контакта истока 11 выше напряжения U_П3 высота второго потенциального барьера и глубина потенциальной квантовой ямы будут продолжать увеличиваться, что будет приводить к уменьшению энергии разрешенных уровней в потенциальной яме и, следовательно, к соответствующему увеличению вероятности их заполнения, возрастанию концентрации электронов, увеличению проводимости канала и тока стока.

При увеличении отрицательного напряжения на металлическом затворе 7 относительно металлического контакта истока 11 выше значения U_ЗМ (фиг.7), высота второго потенциального барьера 16 превысит высоту первого потенциального барьера 4, глубина потенциальной квантовой ямы перестанет увеличиваться, а ее ширина (вдоль направления X) в области дна будет продолжать уменьшаться за счет ее треугольной формы, вызванной увеличением поперечной составляющей электрического поля в канале, что будет приводить к увеличению энергии разрешенных уровней в потенциальной яме и, следовательно, к соответствующему уменьшению вероятности их заполнения, уменьшению концентрации электронов, уменьшению проводимости канала и тока стока.

При увеличении отрицательного напряжения на металлическом затворе 7 относительно металлического контакта истока 11 выше определенного значения, называемого вторым пороговым напряжением U_П4, изменение формы потенциальной ямы в полупроводниковом слое GaAs собственной проводимости 12, выполняющем роль канала с размерным квантованием энергии, и увеличение разности высот второго и первого потенциальных барьеров 16 и 4 приведет к полному вытеснению разрешенных энергетических уровней из квантовой ямы. При этом ток стока будет мал, поскольку он при отсутствии разрешенных энергетических уровней в канале будет определяться малой концентрацией и низкой подвижностью электронов в первом полупроводниковом слое AlGaAs второго типа проводимости 5 и втором полупроводниковом слое AlGaAs второго типа проводимости 14, что будет соответствовать закрытому состоянию транзистора.

Таким образом, в третьем варианте технологической реализации, когда высота первого потенциального барьера 4 превышает высоту второго потенциального барьера 16 при нулевом напряжении между металлическим затвором 7 и металлическим контактом истока 11, интегральный полевой транзистор с размерным квантованием энергии будет иметь передаточную ВАХ λ-типа 20 (фиг.7).

Для всех перечисленных выше вариантов технологической реализации и соответствующих соотношений между высотами первого и второго потенциальных барьеров 4 и 16 при фиксированном напряжении на металлическом затворе 7 относительно металлического контакта истока 11, соответствующем открытому состоянию транзистора, увеличение напряжения на металлическом контакте стока 10 относительно металлического контакта истока 11 при напряженности продольной (направленной вдоль канала) составляющей электрического поля в канале ниже критической напряженности E_кр, при которой проявляется эффект насыщения скорости дрейфа электронов, приведет к линейному увеличению тока стока, соответствующему крутой области выходной ВАХ 21 (фиг.8).

При напряжениях на металлическом контакте стока 10 относительно металлического контакта истока 11, соответствующих напряженностям продольной составляющей электрического поля в канале, близким и превышающим Е_кр, выходная ВАХ 21 будет насыщаться вследствие эффекта насыщения скорости дрейфа электронов, то есть будет иметь пентодный характер (фиг.8).

Уменьшение длины канала, определяемой расстоянием между полупроводниковыми областями стока 8 и истока 9 второго типа проводимости, будет приводить к увеличению напряженности продольной составляющей электрического поля в канале и, как следствие, к более пентодному виду выходной ВАХ 21, что позволяет использовать предлагаемый транзистор в интегральных логических элементах СБИС.

Минимальная длина канала определяется шириной в направлении протекания тока стока потенциального барьера в первом полупроводниковом слое AlGaAs собственной проводимости 3, первом полупроводниковом слое AlGaAs второго типа проводимости 5 и втором полупроводниковом слое AlGaAs собственной проводимости 6 между полупроводниковыми областями стока 8 и истока 9 второго типа проводимости, при которой туннельная составляющая тока стока будет значительно превосходить его надбарьерную составляющую.

Таким образом, предлагаемое устройство представляет собой интегральный полевой транзистор с размерным квантованием энергии, характеризующийся повышенной технологичностью в интегральном исполнении, низкой скоростью деградации характеристик, повышенным быстродействием за счет обеспечения высокой подвижности электронов в канале при высокой их концентрации, пентодными выходными ВАХ, позволяющими проектировать интегральные логические элементы на его основе, возможностью технологической реализации трех технологически совместимых вариантов транзистора с различными передаточными вольт-амперными характеристиками с целью повышения эффективности использования устройства в интегральных схемах.

Использование высоколегированной полупроводниковой области GaAs второго типа проводимости, соединенной с металлическим затвором, и отсутствие управляющего перехода Шоттки позволяет повысить технологичность транзистора в интегральном исполнении и уменьшить скорость деградации его характеристик.

Использование в качестве канала квантовой потенциальной ямы и в качестве источников электронов проводимости в канале легированных полупроводниковых слоев AlGaAs второго типа проводимости, образующих потенциальные барьеры, обеспечивает высокую проводимость канала в открытом состоянии.

Использование нелегированного слоя GaAs канала и нелегированных спейсеров AlGaAs, изолирующих электроны проводимости в канале от ионов примесей в легированных полупроводниковых слоях, обеспечивает высокую подвижность электронов.

Использование эффекта насыщения скорости дрейфа электронов при высокой напряженности продольной составляющей электрического поля обеспечивает пентодный характер выходных ВАХ, позволяющий использовать данные транзисторы для создания интегральных логических элементов СБИС, причем отсутствие управляющего перехода Шоттки и соответствующей области пространственного заряда обеспечивает усиление пентодного характера выходных ВАХ при уменьшении длины канала, вследствие увеличения напряженности продольной составляющей электрического поля в канале. В результате минимальная длина канала ограничивается лишь возможностями технологического оборудования, используемого для изготовления интегральных транзисторов, и эффектом туннелирования электронов из полупроводниковой области истока в полупроводниковую область стока в закрытом состоянии транзистора через соответствующий потенциальный барьер в полупроводниковых слоях AlGaAs, разделяющий данные области, что в сочетании с высокой подвижностью электронов в канале при высокой их концентрации в открытом состоянии позволяет повысить быстродействие транзистора.

Использование эффекта размерного квантования энергии в узкой потенциальной яме, изменения энергии разрешенных уровней, а также эффекта вытеснения и появления разрешенных уровней в квантовой яме при изменении напряженности поперечной составляющей электрического поля в канале обеспечивает возможность получения трех вариантов транзистора с различными передаточными вольт-амперными характеристиками путем технологической реализации определенных долей Аl и Ga в первом полупроводниковом слое AlGaAs собственной проводимости 3, первом полупроводниковом слое AlGaAs второго типа проводимости 5 и втором полупроводниковом слое AlGaAs собственной проводимости 6, с одной стороны, и в третьем полупроводниковом слое AlGaAs собственной проводимости 13, втором полупроводниковом слое AlGaAs второго типа проводимости 14 и четвертом полупроводниковом слое AlGaAs собственной проводимости 15 с другой стороны с целью расширения функциональных возможностей предлагаемого транзистора.

Использование: изобретение относится к области вычислительной техники и интегральной электроники, а более конкретно - к интегральным полевым транзисторным структурам СБИС. Техническим результатом заявленного изобретения является повышение быстродействия транзистора за счет обеспечения высокой подвижности электронов в канале при высокой их концентрации, снижения скорости деградации характеристик транзистора, обеспечения пентодных выходных характеристик короткоканального транзистора, позволяющих проектировать интегральные логические элементы на его основе, обеспечения возможности реализации трех технологически совместимых вариантов транзистора с различными передаточными вольт-амперными характеристиками для повышения эффективности использования устройства в интегральных схемах. Сущность изобретения: в интегральный полевой транзистор с размерным квантованием энергии, содержащий полуизолирующую полупроводниковую GaAs-подложку, полупроводниковый слой GaAs собственной проводимости, полупроводниковые слои AlGaAs, металлический затвор, полупроводниковые области стока и истока второго типа проводимости, металлические контакты стока и истока, полупроводниковые области стока и истока второго типа проводимости, введены полупроводниковый слой GaAs собственной проводимости, полупроводниковые слои AlGaAs собственной проводимости, полупроводниковый слой AlGaAs второго типа проводимости, сильнолегированная полупроводниковая область затвора второго типа проводимости, позволяющие использовать эффекты размерного квантования и вытеснения энергетических уровней из квантовой ямы. 8 ил.

Интегральный полевой транзистор с размерным квантованием энергии, содержащий полуизолирующую полупроводниковую GaAs-подложку, расположенный на ней первый полупроводниковый слой GaAs собственной проводимости, расположенный на нем первый полупроводниковый слой AlGaAs собственной проводимости, образующий резкий гетеропереход с первым полупроводниковым слоем GaAs собственной проводимости, расположенный на нем первый полупроводниковый слой AlGaAs второго типа проводимости, расположенный на нем второй полупроводниковый слой AlGaAs собственной проводимости, металлический затвор, полупроводниковые области стока и истока второго типа проводимости, расположенные во всех полупроводниковых слоях транзистора, металлический контакт стока, расположенный над полупроводниковой областью стока второго типа проводимости и соединенный с ней, металлический контакт истока, расположенный над полупроводниковой областью истока второго типа проводимости и соединенный с ней, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия транзистора за счет обеспечения высокой подвижности электронов в канале при высокой их концентрации, снижения скорости деградации характеристик транзистора, обеспечения пентодных выходных характеристик короткоканального транзистора, позволяющих проектировать интегральные логические элементы на его основе, обеспечения возможности реализации трех технологически совместимых вариантов транзистора с различными передаточными вольт-амперными характеристиками для повышения эффективности использования устройства в интегральных схемах, в него введены полупроводниковый слой GaAs собственной проводимости, образующий резкий гетеропереход с нижележащим вторым полупроводниковым слоем AlGaAs собственной проводимости, расположенный на нем третий полупроводниковый слой AlGaAs собственной проводимости, образующий резкий гетеропереход с нижележащим полупроводниковым слоем GaAs собственной проводимости, расположенный на нем в мезаобласти второй полупроводниковый слой AlGaAs второго типа проводимости, расположенный на нем в мезаобласти четвертый полупроводниковый слой AlGaAs собственной проводимости, расположенная на нем в мезаобласти сильнолегированная полупроводниковая область затвора второго типа проводимости, расположенная под металлическим затвором и соединенная с ним, причем соотношение между высотой первого потенциального барьера и высотой второго потенциального барьера задается процентным содержанием Аl и Ga в первом полупроводниковом слое AlGaAs собственной проводимости, первом полупроводниковом слое AlGaAs второго типа проводимости и втором полупроводниковом слое AlGaAs собственной проводимости, с одной стороны, и в третьем полупроводниковом слое AlGaAs собственной проводимости, втором полупроводниковом слое AlGaAs второго типа проводимости и четвертом полупроводниковом слое AlGaAs собственной проводимости с другой стороны.