ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР С БАРЬЕРОМ ШОТКИ Российский патент 2021 года по МПК H01L29/812 

Изобретение относится к электронной технике СВЧ, а именно к полупроводниковом приборам, полевым транзисторам с барьером Шотки.

Полевой транзистор с барьером Шотки (ПТШ) - полевой транзистор, в котором управляющим элементом является барьер Шотки на границе металл-полупроводник.

Усилительные свойства ПТШ целесообразно характеризовать крутизной проходной характеристики S - отношение ΔI_c/ΔU_зи, где

I_c - ток стока,

U_зи - напряжение затвор-исток.

При этом передаточная характеристика устройств СВЧ на ПТШ линейна в области, где крутизна проходной характеристики постоянна.

Известны полевые транзисторы с барьером Шотки с однородным распределением легирующей примеси в активном полупроводниковом слое, обеспечивающим необходимую концентрацию основных носителей заряда и - протекание электрического тока при подаче управляющего напряжения. В которых активный полупроводниковый слой выполнен на полуизолирующей подложке, а на противоположной поверхности активного полупроводникового слоя выполнены электроды истока, затвора, стока, при этом электрод затвора образует с активным полупроводниковым слоем барьер Шотки [Зи С. Физика полупроводниковых приборов. М, Мир, 1984, т. 1 с. 330].

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

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].

Недостаток этих ПТШ заключается:

во-первых, малом коэффициенте усиления в рабочем режиме и его зависимости от амплитуды сигнала СВЧ из-за уменьшения крутизны проходной характеристики ПТШ при увеличении отрицательного напряжения затвор-исток,

во-вторых, высоком уровне низкочастотных шумов (на частотах ниже 1 МГц), обусловленных сильной зависимостью входной емкости (С_вх) от напряжения затвор-исток (U_зи), что в свою очередь обусловлено флуктуацией концентрации и подвижности основных носителей заряда в активном полупроводниковом слое и соответственно высоком уровне низкочастотных шумов устройств СВЧ на ПТШ, ограничивающих применение ПТШ в ряде устройств СВЧ, и прежде всего, в усилителях и генераторах СВЧ.

Известен полевой транзистор с барьером Шотки, содержащий полуизолирующую подложку с выполненным на ней активным полупроводниковым слоем, на противоположной поверхности которого выполнены электроды истока, затвора, стока.

В котором, с целью повышения линейности передаточной характеристики путем уменьшения зависимости крутизны проходной характеристики от напряжения затвор-исток, активный полупроводниковый слой выполнен неоднородно легированным, при этом концентрация основных носителей заряда в активном полупроводниковом слое увеличивается в направлении от электрода затвора к полуизолирующей подложке, либо плавно, либо ступенчато [Зи С. Физика полупроводниковых приборов. М, Мир, 1984, т.1, с. 348].

Неоднородно легированный активный полупроводниковый слой позволил устранить недостатки характерные для ПТШ с однородно легированным активным полупроводниковым слоем, но недостаточно в ряде случаев его применения в устройствах СВЧ.

Известен полевой транзистор с барьером Шотки, содержащий полуизолирующую подложку с выполненным на ней активным полупроводниковым слоем, на противоположной поверхности которого выполнены электроды истока, затвора и стока. При этом активный полупроводниковый слой выполнен, как и в предыдущем аналоге, неоднородно легированным.

В котором, как и в предыдущем аналоге, с целью повышения линейности передаточной характеристики, часть активного полупроводникового слоя, расположенная на расстоянии от электрода 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 полупроводникового слоя между упомянутой его частью и электродом затвора выполнена с концентрацией легирующей примеси менее 2×10¹⁷ см^-3 [/Патент 2093925 РФ. Полевой транзистор / Богданов Ю.М., Пашковский А.Б. Тагер А.С., Яцюк Ю.А., Петров К.И. // Бюл. - 1997 г. - №29/] - прототип.

Оптимизация профиля легирования активного полупроводникового слоя обеспечила уменьшение:

- зависимости входной емкости, крутизны проходной характеристики и линейности передаточной характеристики от напряжения затвор-исток.

- влияния флуктуаций концентрации и подвижности основных носителей заряда в активном полупроводниковом слое на параметры эквивалентной схемы ПТШ и соответственно снижение низкочастотных шумов ПТШ и устройств СВЧ на ПТШ.

Однако, при уменьшении длины электрода затвора менее 1 мкм (типичная длина электрода затвора современных ПТШ менее 0,5 мкм) в заявленных границах, не всегда удается обеспечить область постоянной крутизны проходной характеристики и линейности передаточной характеристики и соответственно - высокий коэффициент усиления и низкий уровень низкочастотных шумов ПТШ и устройств СВЧ на ПТШ.

Техническим результатом изобретения является повышение коэффициента усиления, снижение уровня низкочастотных шумов полевых транзисторов с барьером Шотки и устройств СВЧ на них.

Указанный технический результат достигается заявленным полевым транзистором с барьером Шотки, содержащим полуизолирующую подложку, электроды истока, затвора, стока, на полуизолирующей подложке выполнен неоднородно легированный активный полупроводниковый слой из двух частей - первой и второй, первая часть -на заданном расстоянии от электрода затвора, с концентрацией легирующей примеси более 2×10¹⁷ см^-3 и заданной поверхностной плотностью этой примеси, вторая часть - между первой частью и электродом затвора, с концентрацией легирующей примеси менее 2×10¹⁷ см^-3, электрод затвора выполнен на противоположной поверхности активного полупроводникового слоя.

В котором

полуизолирующая подложка выполнена из монокристаллического арсенида галлия,

упомянутая первая часть неоднородно легированного активного полупроводникового слоя выполнена на расстоянии от электрода затвора более 0,05 мкм, толщиной менее 0,07 мкм, с поверхностной плотностью легирующей примеси (0,6-3,0)×10¹² см^-2,

полевой транзистор с барьером Шотки дополнительно содержит буферный и контактный слои,

при этом буферный слой выполнен между упомянутой полуизолирующей подложкой и неоднородно легированным активным полупроводниковым слоем, толщиной более 0,2 мкм,

контактный слой выполнен на второй части неоднородно легированного активного полупроводникового слоя, толщиной более 0,01 мкм, с концентрацией легирующей примеси более 2×10¹⁸ см^-3, на противоположной его поверхности выполнены электроды истока и стока, расстояние между границами контактного слоя под электродами истока и стока более 0,8 мкм,

упомянутый электрод затвора выполнен длиной менее 0,7 мкм, на равном расстоянии от центра между границ контактного слоя под электродами истока и стока, либо смещен в сторону электрода истока.

Раскрытие сущности изобретения.

Выполнение:

полуизолирующей подложки из монокристаллического арсенида галлия,

первой части неоднородно легированного активного полупроводникового слоя на расстоянии от электрода затвора более 0,05 мкм, толщиной менее 0,07 мкм, с поверхностной плотностью легирующей примеси (0,6-3,0)×10¹² см^-2.

Наличие в полевом транзисторе с барьером Шотки дополнительно буферного и контактного слоев, при этом когда:

буферный слой выполнен между упомянутой полуизолирующей подложкой и неоднородно легированным активным полупроводниковым слоем, толщиной более 0,2 мкм,

контактный слой выполнен на второй части неоднородно легированного активного полупроводникового слоя, толщиной более 0,01 мкм, с концентрацией легирующей примеси более 2×10¹⁸ см^-3,

на противоположной его поверхности выполнены электроды истока и стока, расстояние между границами контактного слоя под электродами истока и стока более 0,8 мкм,

электрод затвора выполнен длиной менее 0,7 мкм, на равном расстоянии от центра между границами контактного слоя под электродами истока и стока, либо смещен в сторону электрода истока.

Это обеспечивает:

во-первых, исключение миграции неконтролируемых примесей из полуизолирующей подложки в активный полупроводниковый слой, в том числе канал полевого транзистора с барьером Шотки и, тем самым обеспечивает:

а) высокую подвижность основных носителей заряда в активном полупроводниковом слое и, соответственно, - увеличение выходного тока в канале полевого транзистора с барьером Шотки и, как следствие, -повышение коэффициента усиления ПТШ,

б) дальнейшее уменьшение влияния флуктуаций концентрации и подвижности основных носителей заряда в активном полупроводниковом слое на параметры эквивалентной схемы ПТШ и, как следствие, -снижение низкочастотных шумов устройств СВЧ на ПТШ,

во-вторых, оптимизацию конструкции полевого транзистора с барьером Шотки и, тем самым - возможность подбора для каждой любой длины электрода затвора соответствующих параметров активного полупроводникового слоя, обеспечивающих постоянство входной емкости при изменении напряжения затвор-исток и при достаточно высоком пробивном напряжении (U_пр) и, тем самым - увеличение области постоянной крутизны проходной характеристики (линейности передаточной характеристики) и, как следствие, -

во-первых, повышение коэффициента усиления ПТШ,

во-вторых, снижение уровня низкочастотных шумов ПТШ.

И соответственно указанное выше и в устройствах СВЧ на ПТШ.

Выполнение первой части неоднородно легированного активного полупроводникового слоя:

на расстоянии от электрода затвора менее 0,05 мкм, равно как толщиной более 0,07 мкм и поверхностной плотностью легирующей примеси менее 0,6×10¹² см^-2 не допустимо, из-за возникающей сильной зависимости входной емкости и крутизны проходной характеристики от напряжения затвор-исток.

с поверхностной плотностью легирующей примеси более 3,0×10¹² см^-2 не желательно из-за:

а) увеличения напряжения отсечки (U_отс) ПТШ и соответственно падения его рабочего напряжения,

б) проявления краевых эффектов, приводящих к более сильной зависимости входной емкости от напряжения на электродах затвор-исток.

Выполнение буферного слоя толщиной менее 0,2 мкм не желательно из-за потери его функциональности.

Выполнение контактного слоя на второй части неоднородно легированного активного полупроводникового слоя толщиной менее 0,01 мкм, равно как с концентрацией легирующей примеси менее 2×10¹⁸ см^-3 нежелательно из-за увеличения сопротивления электрода истока и соответственно уменьшения коэффициента усиления ПТШ.

Выполнение расстояния между границами контактного слоя под электродами истока и стока менее 0,8 мкм нежелательно из-за уменьшения пробивного напряжения ПТШ.

Выполнение электрода затвора длиной более 0,7 мкм нежелательно из-за уменьшения коэффициента усиления ПТШ.

Итак, совокупность существенных признаков заявленного полевого транзистора с барьером Шотки, в полной мере, обеспечивает указанный технический результат, а именно повышение коэффициента усиления, снижение уровня низкочастотных шумов ПТШ и устройств СВЧ на ПТШ.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1. Дано схематическое изображение заявленного полевого транзистора с барьером Шотки, где

- полуизолирующая подложка из монокристаллического арсенида галлия - 1,

электроды истока, затвора, стока - 2, 3, 4 соответственно,

неоднородно легированный активный полупроводниковый слой - 5, из двух частей: первой - 5 а и второй - 5 б.

дополнительно буферный - 6 и контактный - 7 слои.

На фиг. 2. Дана реализация профиля концентрации легирующей (донорной) примеси по глубине активного полупроводникового слоя от электрода затвора.

На фиг. 3. Даны зависимости входной емкости (С_вх) от напряжения затвор-исток (U_зи) заявленного полевого транзистора с барьером Шотки (сплошная линия) и полевого транзистора с барьером Шотки - прототипа (пунктирная линия).

Примеры реализации заявленного полевого транзистора с барьером Шотки.

Пример 1.

На полуизолирующей подложке из монокристаллического арсенида галлия - 1 с атомарно гладкой поверхностью (АГПЧ-76,2-450-(100)2,5 град.(110)-ЕJ-ДСП ТУ6365-01-52692510-2010) посредством метода газофазной эпитаксии (установка AEXTRON) формируют следующую прямую последовательность сплошных технологических слоев полевого транзистора с барьером Шотки:

- буферный слой 6 толщиной 0,6 мкм;

- неоднородно легированный активный полупроводниковый слой 5 из двух частей:

первой 5 а - на расстоянии от электрода затвора - 0,07 мкм, толщиной 0,04 мкм, с поверхностной плотностью легирующей примеси 1,8×10¹² см^-2,

второй 5 б - с концентрацией легирующей примеси 1,0×10¹⁷ см^-3;

- контактный слой 7 толщиной 0,02 мкм, с концентрацией легирующей примеси 5×10¹⁸ см^-3, расстояние между его границами под электродами истока 2 и стока 4 - 1,0 мкм.

Далее формируют топологию полевого транзистора с барьером Шотки посредством методов литографии и травления.

При этом:

первая часть неоднородно легированного активного полупроводникового слоя 5 а выполнена на расстоянии от электрода затвора 3 - 0,07 мкм,

контактный слой 7 выполнен на второй части неоднородно легированного активного полупроводникового слоя 5 б, толщиной 0,02 мкм, с концентрацией легирующей примеси 5×10¹⁸ см^-3, на противоположной его поверхности выполнены электроды истока 2 и стока 4, на расстоянии между границами контактного слоя 7 под электродами истока 2 и стока 4 - 1,0 мкм,

электрод затвора 3 выполнен длиной 0,3 мкм, на равном расстоянии от центра между границами контактного слоя 7 под электродами истока 2 и стока 4.

Примеры 2-5.

Примеры выполнены аналогично примеру 1, но при других конструкционных параметрах полевого транзистора с барьером Шотки, как указанных в формуле изобретения (примеры 2-3), так и выходящих за ее пределы (примеры 4-5), при этом, когда электрод затвора 3 выполнен на равном расстоянии от границ контактного слоя 7 под электродами истока 2 и стока 4 (частный случай).

Примеры 6-10.

Примеры выполнены аналогично (примерам 1-5) каждый соответственно, при этом, когда электрод затвора 3 смещен в сторону электрода истока 2 (частный случай).

Пример 6 соответствует данным прототипа.

На изготовленных образцах полевого транзистора с барьером Шотки измерены:

1. Коэффициент усиления ПТШ на частоте 10 ГГц (Векторный анализатор цепей Agilent - PNA - L - N5230C).

2. Низкочастотные шумы (фазовые шумы) усилителя СВЧ на этих ПТШ при отстройке от несущей частоты на 10 кГц (Анализатор сигналов Agilent - Е5052 В - Е5052А).

Данные представлены в таблице и на фиг. 3.

Как видно из таблицы образцы полевых транзисторов с барьером Шотки, выполненные согласно заявленной формуле изобретения имеют:

- коэффициент усиления примерно 11 дБ на частоте 10 ГГц;

- уровень низкочастотных шумов усилителя СВЧ на этих ПТШ при отстройке частоты от несущей частоты 10 кГц благодаря постоянной входной емкости (фиг. 3) составляет порядка 145-155 дБ/Гц (примеры 1-3, 6-8).

В отличие от образцов, выполненных с конструкционными параметрами за пределами формулы изобретения, равно как и образец - прототипа, которые имеют:

- коэффициент усиления 3-10 дБ на частоте 10 ГГц,

- уровень низкочастотных шумов усилителя СВЧ на этих ПТШ при отстройке частоты от несущей частоты 10 кГц составляет порядка 125-140 дБ/Гц (примеры 4-5, 9-10).

Таким образом, заявленный полевой транзистор с барьером Шотки по сравнению с прототипом обеспечит:

- повышение коэффициента усиления примерно на 80 процентов,

- снижение уровня низкочастотных шумов устройств СВЧ на заявленных ПТШ примерно на 10-20 дБ/Гц.

Заявлен полевой транзистор с барьером Шотки, содержащий полуизолирующую подложку, электроды истока, затвора, стока, на полуизолирующей подложке выполнен неоднородно легированный активный полупроводниковый слой из двух частей - первой и второй, первая часть - на заданном расстоянии от электрода затвора, с концентрацией легирующей примеси более 2×10¹⁷ см^-3 и заданной поверхностной плотностью этой примеси, вторая часть - между упомянутой первой частью и электродом затвора, с концентрацией легирующей примеси менее 2×10¹⁷ см^-3, электрод затвора выполнен на противоположной поверхности активного полупроводникового слоя. Полуизолирующая подложка выполнена из монокристаллического арсенида галлия, упомянутая первая часть неоднородно легированного активного полупроводникового слоя выполнена на расстоянии от электрода затвора более 0,05 мкм, толщиной менее 0,07 мкм, с поверхностной плотностью легирующей примеси (0,6-3,0)×10¹² см^-2, полевой транзистор с барьером Шотки дополнительно содержит буферный и контактный слои, при этом буферный слой выполнен между упомянутой полуизолирующей подложкой и неоднородно легированным активным полупроводниковым слоем, толщиной более 0,2 мкм, контактный слой выполнен на второй части неоднородно легированного активного полупроводникового слоя, толщиной более 0,01 мкм, с концентрацией легирующей примеси более 2×10¹⁸ см^-3, на противоположной его поверхности выполнены электроды истока и стока, расстояние между границами контактного слоя под электродами истока и стока более 0,8 мкм, упомянутый электрод затвора выполнен длиной менее 0,7 мкм, на равном расстоянии от центра между границами контактного слоя под электродами истока и стока, либо смещен в сторону электрода истока. Технический результат - повышение коэффициента усиления полевого транзистора с барьером Шотки, снижение уровня низкочастотных шумов устройств СВЧ на ПТШ. 3 ил., 1 табл.

Полевой транзистор с барьером Шотки, содержащий полуизолирующую подложку, электроды истока, затвора, стока, на полуизолирующей подложке выполнен неоднородно легированный активный полупроводниковый слой из двух частей - первой и второй, первая часть - на заданном расстоянии от электрода затвора, с концентрацией легирующей примеси более 2×10¹⁷ см^-3 и заданной поверхностной плотностью этой примеси, вторая часть - между упомянутой первой частью и электродом затвора, с концентрацией легирующей примеси менее 2×10¹⁷ см^-3, электрод затвора выполнен на противоположной поверхности активного полупроводникового слоя, отличающийся тем, что полуизолирующая подложка выполнена из монокристаллического арсенида галлия, упомянутая первая часть неоднородно легированного активного полупроводникового слоя выполнена на расстоянии от электрода затвора более 0,05 мкм, толщиной менее 0,07 мкм, с поверхностной плотностью легирующей примеси (0,6-3,0)×10¹² см^-2, полевой транзистор с барьером Шотки дополнительно содержит буферный и контактный слои, при этом буферный слой выполнен между упомянутой полуизолирующей подложкой и неоднородно легированным активным полупроводниковым слоем, толщиной более 0,2 мкм, контактный слой выполнен на второй части неоднородно легированного активного полупроводникового слоя, толщиной более 0,01 мкм, с концентрацией легирующей примеси более 2×10¹⁸ см^-3, на противоположной его поверхности выполнены электроды истока и стока, расстояние между границами контактного слоя под электродами истока и стока более 0,8 мкм, упомянутый электрод затвора выполнен длиной менее 0,7 мкм, на равном расстоянии от центра между границами контактного слоя под электродами истока и стока, либо смещен в сторону электрода истока.