ВЕРТИКАЛЬНЫЙ ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР Российский патент 2010 года по МПК H01L29/772 

Изобретение относится к области твердотельной электроники и может использоваться при создании устройств, предназначенных для усиления, генерирования и преобразования ВЧ- и СВЧ-колебаний.

Известен вертикальный полевой транзистор (Ф.Хасэгава. Мощные GaAs ПТШ. Полевые транзисторы на арсениде галлия. Принципы работы и технология изготовления / Сб. статей под редакцией Д.В.Ди Лоренцо и Д.Д.Канделуола. М.: Радио и связь, 1988. С.112-131), содержащий последовательно соединенные слой металла, являющийся выводом стока, подложку, изготовленную из GaAs n⁺-типа, слой из GaAs n-типа, слой из GaAs р-типа, слой из GaAs n-типа, омический контакт к слою из GaAs n-типа и металлический слой, являющийся выводом истока. Металлический вывод истока выполнен в виде узкого ленточного проводника, металлический вывод стока - в виде широкого ленточного проводника. Продольные оси обоих проводников лежат в одной вертикальной плоскости. Вывод затвора образован в виде двух V-образных металлизированных канавок, расположенных с обеих сторон ленточного истока над продольными краями ленточного стока и заходящих внутрь верхнего слоя из GaAs n-типа и слоя из GaAs р-типа. Наружные поверхности металлизированных канавок окружены слоями омических контактов к двум верхним слоям, выполненным из GaAs. Обе металлизированные канавки гальванически соединены между собой. Управляемый вертикальный канал расположен между V-образными металлизированными канавками.

Недостатками такого транзистора являются относительно низкая верхняя рабочая частота, обусловленная относительно большими значениями его паразитных параметров, низкий коэффициент использования поверхности полупроводниковой пластины (из-за относительно большого значения площади, занимаемой затвором), относительно высокое тепловое сопротивление полупроводниковой структуры, ограничивающее выходную мощность прибора, и высокие механические напряжения на границе слоев, возникающие из-за структурных неоднородностей соседних слоев.

Известен вертикальный транзистор с проницаемой базой (М.Шур. Современные приборы на основе арсенида галлия. М.: Мир, 1991), содержащий плоский катод (отрицательный электрод), плоский анод (положительный электрод), расположенный параллельно катоду, управляющий электрод, выполненный в виде плоской металлической решетки, расположенный параллельно плоскому катоду (на меньшем расстоянии от катода, чем от анода) и полупроводниковый материал, заполняющий все пространство между тремя названными электродами. Транзистор управляется пространственным зарядом, образующимся в полупроводниковом материале вокруг плоской металлической решетки (объемным зарядом барьера Шоттки).

Недостатком такого транзистора являются относительно невысокая выходная мощность, высокие механические напряжения на границах электродов с полупроводниковым материалом и невысокий коэффициент полезного действия.

Наиболее близким к заявляемому объекту по наибольшему числу существенных признаков является вертикальный полевой транзистор (пат. США №4903089, МПК: Н01L 29/80, заявл. 02.02.1988, опубл. 20.02.1990), содержащий последовательно соединенные полупроводниковую подложку, сток, выполненный из полупроводника n⁺-типа, вертикальные проводящие каналы, выполненные из полупроводника n-типа, затвор, выполненный в виде металлической ленты, перфорированной в пределах полупроводниковой структуры, слои диэлектрика, расположенные с нижней и верхней поверхностей перфорированной металлической ленты и прилегающие к боковым поверхностям вертикальных проводящих каналов, исток, выполненный из полупроводника n⁺-типа, омический контакт к истоку и вывод истока. Транзистор-прототип изготовлен из арсенида галлия (GaAs).

Недостатками данного устройства являются относительно низкая теплопроводность полупроводникового подложечного материала, через который отводится значительная часть выделяемой в малом объеме полупроводниковой структуры тепловой энергии, и значительные механические напряжения на границе полупроводниковой подложки и стока, имеющие различные кристаллические структуры, что ухудшает электрические характеристики прибора и уменьшает надежность и долговечность его работы.

Основной технической задачей предложенного решения является повышение выходной мощности вертикального полевого транзистора за счет снижения его теплового сопротивления и увеличение надежности и долговечности его работы за счет уменьшения в нем механических напряжений.

Основная техническая задача достигается тем, что в вертикальном полевом транзисторе, содержащем металлический вывод истока, омический контакт к истоку, исток, выполненный из полупроводника n⁺-типа, вертикальные проводящие каналы, выполненные из полупроводника n-типа, затвор, выполненный в виде металлической ленты, перфорированной в пределах полупроводниковой структуры, сток, выполненный из полупроводника n⁺-типа, первый и второй слои диэлектрика, расположенные с верхней и нижней поверхностей металлической ленты и прилегающие к боковым поверхностям вертикальных проводящих каналов, и подложку, согласно предложенному решению, на нижнюю поверхность стока последовательно нанесены слой омического контакта, контактный слой пластичного металла и демпфирующий слой пластичного металла, на нижнюю поверхность неперфорированного конца металлической ленты последовательно нанесены первый технологический слой, выполненный из того же материала, что и омический контакт к стоку, второй технологический слой, выполненный из того же пластичного металла, что и контактный слой к омическому контакту к стоку, и подставка для неперфорированного конца металлической ленты, выполненная из пластичного металла, подложка выполнена из диэлектрического материала, на верхнюю сторону подложки нанесены первая и вторая контактные площадки, выполненные из пластичного металла, первая и вторая контактные площадки подложки гальванически соединены с нижними поверхностями соответственно демпфирующего слоя и металлической подставки, и все элементы транзистора, размещенные на диэлектрической подложке, за исключением вывода истока, окружены защитным диэлектрическим заполнением, при этом роли выводов стокам затвора выполняют части первой и второй контактных площадок подложки, расположенные вне поверхностей их соединения с демпфирующим слоем и подставкой.

В частном случае вертикальные проводящие каналы расположены в форме прямоугольной матрицы.

В частном случае длина и ширина вывода истока, омического контакта к истоку, истока, стока, омического контакта к стоку и слоя пластичного металла, нанесенного на омический контакт к стоку, совпадают с длиной и шириной прямоугольной матрицы вертикальных проводящих каналов, измеряемых между крайними стенками проводящих каналов.

В частном случае все его металлические элементы выполнены из одного и того же пластичного металла, а именно: из меди, или золота, или алюминия. В частном случае диэлектрическая подложка выполнена из оксида бериллия, или нитрида алюминия, или карбида кремния, или на их основе.

Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественными всем признакам заявляемого устройства, отсутствуют.

Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа заявляемого изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники.

Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками изобретения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».

На фиг.1 представлен общий вид устройства, на фиг.2 - разрез А-А и фиг.3 - разрез Б-Б.

Вертикальный полевой транзистор состоит из металлического вывода истока 1, омического контакта к истоку 2, истока 3, выполненного из полупроводника n⁺-типа, вертикального проводящего канала 4, выполненного из полупроводника n-типа, затвора 5, выполненного в виде металлической перфорированной ленты, оканчивающейся неперфорированным концом, выходящим за пределы полупроводниковой структуры, стока 6, выполненного из полупроводника n⁺-типа, омического контакта к стоку 7, контактного слоя пластичного металла 8, нанесенный на омический контакт к стоку 7, первого диэлектрического слоя 9 и второго диэлектрического слоя 10, расположенных с обеих сторон металлической перфорированной ленты и прилегающих к боковым поверхностям вертикальных проводящих каналов 4, диэлектрической подложки 11, первой контактной площадки 12 и второй контактной площадки 13, выполненных из пластичного металла (нанесены на верхнюю поверхность диэлектрической подложки 11), выводы (отводы) 14 и 15 стока 6 и затвора 5, являющиеся продолжением первой контактной металлической площадки 12 и второй контактной металлической площадки 13, технологического слоя 16, выполненного из того же материала, что и омический контакт к стоку 7, технологического слоя 17, выполненного из того же пластичного металла, что и контактный слой к омическому контакту к стоку 8, демпфирующего слоя 18, выполненного из пластичного металла, уменьшающий механические напряжения в слоях полупроводниковой структуры при изменении ее температуры, подставки для неперфорированного конца металлической ленты 19, выполненная из пластичного металла, защитного диэлектрического заполнения 20.

Особенностью предлагаемого вертикального полевого транзистора является то, что диэлектрическая подложка 11 с нанесенными на нее первой и второй контактными металлическими площадками 12 и 13, оканчивающимися плоскими выводами стока 14 и затвора 15, изготавливается сначала отдельно от остальной части транзистора. Остальная часть транзистора также сначала изготавливается на полупроводниковой подложке из GaAs, при этом нижним элементом такой структуры является металлический вывод истока 1, а верхними элементами - демпфирующий слой 18 и подставка 19. Альтернативная технология выращивания полупроводниковых эпитаксиальных слоев на поверхности монокристаллических диэлектрических подложек, которые обладают высокой теплопроводностью, но отличны по своему составу от состава эпитаксиальных слоев, не достигла уровня серийного производства для изделий твердотельной ВЧ- и СВЧ-электроники. Кроме этого в такую технологию очень трудно включить формирование встроенных металлических слоев между полупроводниковыми слоями и диэлектрической подложкой. Выращивание демпфирующего слоя 18 и подставки 19 осуществляется гальваническим методом или методом вакуумного напыления. После гальванического соединения демпфирующего слоя 18 с первой контактной площадкой 12 и подставки 19 со второй контактной площадкой 13 диэлектрической подложки 11, например, низкотемпературным ультразвуковым методом посадки полупроводниковой структуры на диэлектрическую подложку 11, производится заполнение полимерной диэлектрической жидкостью окружающего элементы структуры пространства от нижнего уровня, совпадающего с верхней поверхностью диэлектрической подложки 11, до верхнего уровня, совпадающего с верхней поверхностью металлического вывода к истоку 1. Затем производится процесс полимеризации диэлектрической жидкости и превращение ее в твердое защитное диэлектрическое заполнение 20.

Предлагаемый вертикальный полевой транзистор работает следующим образом. При подаче положительного напряжения на вывод стока 14 (положительного электрода) относительно металлического вывода истока 1 (отрицательного электрода) и при подаче положительного смещения на металлический вывод затвора 15 (также относительно металлического вывода истока 1) через транзистор начинает протекать ток, ограниченный пространственными прямоугольно-петлеобразными зарядами, образуемыми вокруг каждого выступа затвора 5, расположенного в каждом отдельном вертикальном проводящем канале 4. Эти пространственные заряды являются объемными зарядами барьера Шоттки, формируемыми в монокристаллическом полупроводниковом материале вертикальных проводящих каналов 4, примыкающих к выступам затвора 5. С изменением напряжения на затворе 5 изменяется площадь сечения каждого пространственного заряда, что приводит к изменению суммарного слоя сечения вертикального проводящего канала 4 и к изменению тока транзистора. При постоянном напряжении на затворе 5 и малом напряжении на стоке 6 ток стока возрастает с увеличением напряжения на стоке 6, затем происходит его насыщение, что связано с насыщением дрейфовой скорости электронов в электрическом поле. С дальнейшим увеличением напряжения на стоке 6 ток стока либо не возрастает, либо увеличивается незначительно.

Повышение выходной мощности у предлагаемого вертикального полевого транзистора по отношению к транзистору-прототипу достигается за счет замены подложки из арсенида галлия, имеющей низкую теплопроводность, на диэлектрическую подложку 11 из оксида бериллия (ВеО), нитрида алюминия (AlN) или карбида кремния (SiC) или материала, выполненного на их основе и имеющего значительно более высокую теплопроводность. От теплопроводности подложки, через которую производится отвод тепла, зависит максимальная рабочая мощность транзистора, Теплопроводность вещества определяется коэффициентом теплопроводности λ, измеряемой в Вт/(м·К), где К - температура вещества в градусах Кельвина. Коэффициент теплопроводности подложки транзистора-прототипа при 300 К не превышает λ(GaAs)=55 Вт/(м·К). Для реальных изолирующих подложек из GaAs λ не превышает 40 Вт/(м·К). Коэффициенты теплопроводности подложек, изготавливаемых из оксида бериллия, нитрида алюминия или карбида кремния при 300 К, равны: λ(ВеО)=250 Вт/(м·К), λ(AlN)=170 Вт/(м·К) и λ(SiC)=150 Вт/(м·К), то есть превышают λ(GaAs) не менее чем в 4,5, 3,1 и 2,7 раз. В предлагаемом транзисторе в качестве пластичного металла используются медь, золото или алюминий, имеющие при 300 К λ(Cu)=401 Вт/(м·К), λ(Au)=317 Вт/(м·К) и λ(Al)=237 Вт/(м·К), и значения λ которых могут превышать λ(GaAs) более чем в 7,3, 5,8 и 4,3 раз.

Увеличение надежности и долговечности работы предлагаемого транзистора осуществляется за счет введения демпфирующего слоя 18 из пластичного металла, располагаемого между полупроводниковой структурой и диэлектрической подложкой 11, что уменьшает механические напряжения в полупроводниковой структуре при изменении ее температуры.

Заметим, что при использовании предлагаемого транзистора в интегральной схеме, содержащей диэлектрическую подложку 11, между всеми элементами интегральной схемы резистивной связи через диэлектрическую подложку 11 не будет (в отличие от интегральной схемы, изготовленной на подложке из полупроводника).

Изобретение относится к области твердотельной электроники и может использоваться при создании устройств, предназначенных для усиления, генерирования и преобразования ВЧ- и СВЧ-колебаний. Сущность изобретения: в вертикальном полевом транзисторе, содержащем вывод истока, омический контакт к истоку, исток, вертикальные проводящие каналы, затвор, выполненный в виде металлической ленты, сток, первый и второй слои диэлектрика, расположенные с верхней и нижней поверхностей металлической ленты и прилегающие к боковым поверхностям вертикальных проводящих каналов, и подложку, на нижнюю поверхность стока последовательно нанесены слой омического контакта, контактный слой пластичного металла и демпфирующий слой пластичного металла, на нижнюю поверхность неперфорированного конца металлической ленты последовательно нанесены первый технологический слой, второй технологический слой и подставка для неперфорированного конца металлической ленты, подложка выполнена из теплопроводного диэлектрического материала, на верхнюю сторону подложки нанесены первая и вторая контактные площадки, которые гальванически соединены с нижними поверхностями соответственно демпфирующего слоя и металлической подставки, и все элементы транзистора, размещенные на диэлектрической подложке, за исключением вывода истока, окружены защитным диэлектрическим заполнением. Изобретение позволяет повысить выходную мощность транзистора и увеличить надежность и долговечность его работы. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Вертикальный полевой транзистор, содержащий металлический вывод истока, омический контакт к истоку, исток, выполненный из полупроводника n⁺-типа, вертикальные проводящие каналы, выполненные из полупроводника n-типа, затвор, выполненный в виде металлической ленты, перфорированной в пределах полупроводниковой структуры, сток, выполненный из полупроводника n⁺-типа, первый и второй слои диэлектрика, расположенные с верхней и нижней поверхностей металлической ленты и прилегающие к боковым поверхностям вертикальных проводящих каналов, и подложку, отличающийся тем, что на нижнюю поверхность стока последовательно нанесены слой омического контакта, контактный слой пластичного металла и демпфирующий слой пластичного металла, на нижнюю поверхность неперфорированного конца металлической ленты последовательно нанесены первый технологический слой, выполненный из того же материала, что и омический контакт к стоку, второй технологический слой, выполненный из того же пластичного металла, что и контактный слой к омическому контакту к стоку, и подставка для неперфорированного конца металлической ленты, выполненная из пластичного металла, подложка выполнена из диэлектрического материала, на верхнюю сторону подложки нанесены первая и вторая контактные площадки, выполненные из пластичного металла, первая и вторая контактные площадки подложки гальванически соединены с нижними поверхностями соответственно демпфирующего слоя и металлической подставки, и все элементы транзистора, размещенные на диэлектрической подложке, за исключением вывода истока, окружены защитным диэлектрическим заполнением, при этом роли выводов стока и затвора выполняют части первой и второй контактных площадок подложки, расположенные вне поверхностей их соединения с демпфирующим слоем и подставкой.

2. Транзистор по п.1, отличающийся тем, что вертикальные проводящие каналы расположены в форме прямоугольной матрицы.

3. Транзистор по п.2, отличающийся тем, что длина и ширина вывода истока, омического контакта к истоку, истока, стока, омического контакта к стоку и контактного слоя пластичного металла, нанесенного на омический контакт к стоку, совпадают с длиной и шириной прямоугольной матрицы вертикальных проводящих каналов, измеряемых между крайними стенками проводящих каналов.

4. Транзистор по п.3, отличающийся тем, что все его металлические элементы выполнены из одного и того же пластичного металла.

5. Транзистор по п.4, отличающийся тем, что все его металлические элементы выполнены из меди.

6. Транзистор по п.4, отличающийся тем, что все его металлические элементы выполнены из золота.

7. Транзистор по п.4, отличающийся тем, что все его металлические элементы выполнены из алюминия.

8. Транзистор по п.5, либо 6, либо 7, отличающийся тем, что диэлектрическая подложка выполнена из оксида бериллия, или нитрида алюминия, или карбида кремния или на их основе.