Полевой транзистор Советский патент 1986 года по МПК H01L29/78 

« Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использова но для создания усилителей аналоговых и цифровых сигналов, логических и запоминающих элементов, интеграль ньк схем, в том числе больших интег ральных схем (БИС) и сверхскоростны интегральных схем (СИС). Известен полевой транзистор, выполненный на полупроводниковой подложке, содержащий изолированньй .электрод затвора, а TdRke сток и исток, выполненный.в виде полупроводниковых областей с противоположным подложке типом проводимости. Недостатком этого прибора является ограниченное быстродействие, так как оно зависит от расстояния между стоком и истоком, которое не может быть уменьшено ниже определен ного предела из-за пробоя (прокола) прибора. Кроме того, такие транзисторы требуют высококачественных р-п-переходов, получение которых у ряда полупроводников представляет большие трудности. Создание областей разного типа проводимости, как правило, связано с высокотемператур ньми процессами, ухудшающими качество приборов и затрудняющими контроль геометрических размеров. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является полевой транзистор, выполненный на полупроводниковой подложке, содержащий изолированный электрод затвора, электроды стока и истока. Однако в этом полевом транзистор канал отделен оТ источника носителе (электрода истока) барьером Шоттки, для снижения которого требуется дос таточно высокое поле, создаваемое между электродами истока и стока. Поэтому такая структура требует приложения значительных напряжений между электродами стока и истока и на изолированном электроде затвора, что.в свою очередь снижает ее быстродействие. Цель изобретения - повышение быстродействия полевого транзистора Цель достигается тем, что электроды стока и истока отделены от под ложки туннельно-прозрачным диэлектр ком и выполнены из материала, работа выхода jv, которого определяется из соотношения 22 /«.. где Ф, - работа выхода с -энергетического уровня, расположенного в середине запрещенной зоны полупроводниковой подложки; Ч - величина заряда электрона/ Q - заряд, встроенный в туннельно-прозрачный диэлектрико - толщина туннельно-прозрачного диэлектрика; К - диэлектрическая проницаемость туннельно-прозрачного диэлектрикаi ДЕр,- расстояние между уровнем Ферми и серединой запре щенной зоны в полупроводниковой подложке. Приведенное условие означает, что из-за разности работ выхода материалов истока (и стока) и полупроводниковой подложки (а, кроме того, под влиянием заряда, встроенного в туннельно-прозрачный диэлектрик, либо вопреки этому влиянию) в приповерхностных областях подложки под туннельно-прозрачньм диэлектриком электродов истока и стока образуются слои, обогащенные свободными носителями. Эти слои примечательны тем, что являются хорошими инжекторами свободных носителей в индуцированный канал (в отличие от барьеров Шоттки под электродами истока и стока известного транзистора). Под действием электрического поля электрода затвора свободные носители вытекают из-под электрода истока в сторону электрода стока, двигаясь по индуцировалному поверхностному каналу и ускоряясь полем, создаваемым напряжением, прикладьгоаемым межДУ электродами стока и истока. Восполнение носителей под туннельнопрозрачным диэлектриком электрода истока происходит благодаря протеканию туннельного тока основных носителей заряда (по отношению к типу проводимости подложки) через этот диэлектрик из электрода истока. Отсутствие потенциального барьера между индуцированным каналом и обогащенным (вырожденным) слоем в подложке под электродом истока позволяет прибору работать при низких напряжениях, а однородность ползтаро3

водникового материала подложки допускает уменьшение длины канала полевого транзистора. В результате быстродействие палевого транзистора будет существенно выше, чем у известных приборов подобного типа.

На фиг. 1 показан предложенный полевой транзисторj на фиг. 2 - зонная диаграмма поверхности полупроводниковой подложки в приборе, в состоянии теплового равновесия} на фиг. 3 - то же, при положительном смещении.

Прибор содержит полупроводниковую подложку 1, например, из кремния, слой, диэлектрика 2 (например, из SiOj толщиной 1000 А), используемый в качестве изолятора электрода затвора 3, туннельно-прозрачные сло диэлектрика 4 и 5 (SiO толщиной 10-30 А), электроды стока 6 и истока 7 . В качестве проводящего материала электродов истока и стока для полевого транзистора М-типа (изображенного на фиг. 1 и 2) может использоваться, например А1 (а также Ti, Be, Nb, In, Cr, Hf, Zr, т.п a для полевого транзистора р-типа может использоваться, например, Pt (а также Ag, Аи, Ра, 1г, Re, SnOj и т.п.).

Прибор работает следующим образо

Пусть внач.але на электродах истока 7, затвора 3, стока 6 напряжения равны нулю. В состоянии теплового ; равновесия (см.фиг.2) из-за разности работ выхода материалов электродов истока (стока) например А1, и материала подножки, например Si, дно зоны проводимости поверхностного слоя, полупроводниковой подложки например р-типа, лежит ниже уровня Ферми в электродах стока и истока. Поэтому в приповерхностных областях под электродами 6 и 7 образуются

3762

заряды электронов, отделенные барьером под электродом затвора. При положительном смещении на электродах 6 и 3 (см.фиг.3) барьер понизился

5 иэлектроны из-под электрода 7 начнут перетекать под электрод 6. Уход электродов из-под электрода 7 будет восполняться туннельным током через диэлектрик 5. При низком (нулевом)

10 напряжении на электроде 3 носители в канале двигаться не будут, так как потенциальный барьер изменится только вблизи электрода стока 6. Таким образом, прибор работает как

J5 обычный полевой транзистор, но в качестве истока и стока в нем используются ОДП-структуры с туннельно-тонким диэлектриком и материалом электродов истока и стока, удовлет20 воряющим условию

/V,.

Вместе с тем он имеет однородную полупроводниковую подложку, в кото25 рой отсутствуют легированные области отличного от нее Типа проводимости. Прибор может использовать большинство известных полупроводниковых материалов и может быть изго3Q товлен на кремнии без использования высокотемпературных процессов. Конструкция прибора допускает уменьшение длины канала вплоть до сотен ангстрем, чтр позволяет увеличить верхнюю частоту его функционирования

35 до 100 ГГц.

Хорошие инжектирующие свойства ЩП-структур с туннельно-прозрачным диэлектриком для стока и истока позволяют работать при низких напряже40ниях питания (единицах вольт), что снижает мощность, потребляемую прибором.

Прибор перспективен для использования в БИС и СИС.

у

Фиг,1

ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР, выполненный на полупроводниковой подложке и содержащий изолированный электрод затвора, электроды стока и истока, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия, электроды стока и истока отделены от подложки туннельно-прозрачным диэлектриком и выполнены из материала, работа выхода 9 которого определяется из соотношения .,,,,Е, « Ое работа выхода с энергетигде ческого уровня, расположенного в середине запрещенной зоны полупроводниковой подложки Я Q величина заряда электрода, заряд., встроенный в туннельно-прозрачный диэлектрик; J толщина туннельно-прозрачного диэлектрика, g -эе диэлектрическая проницае(П мость туннельно-прозрачного диэлектрика; лЕр- расстояние между уровнем Ферми и серединой запрещенной зоны в полупроводникос вой подложке. со

UH-O

Фиг.3