ПОЛЕВОЙ СВЧ-ТРАНЗИСТОР Советский патент 1995 года по МПК H01L29/812 

Изобретение относится к электронной технике, а именно к полупроводниковым приборам, предназначенным для усиления СВЧ-электромагнитных колебаний.

Одной из основных задач современной полупроводниковой электроники является поиск конструкторских решений приборов, обеспечивающих усиление электромагнитных колебаний в коротковолновой части СВЧ-диапазона с высоким коэффициентом усиления и низкими шумами. Эта задача решается, в частности, путем совершенствования конструкций полевых транзисторов.

Известен полевой транзистор, содержащий полуизолирующую подложку, на поверхности которой сформированы буферный и активный слои, выполненные из различных полупроводниковых материалов, причем ширина запрещенной зоны материала буферного слоя больше ширины запрещенной зоны материала активного слоя, а на поверхности активного слоя расположены электроды истока, стока и затвора.

Однако поскольку буферный слой выполнен из высокоомного материала с малой концентрацией примесей, введение этого слоя не влечет за собой повышение подвижности электронов в активном слое, а улучшение параметров транзистора достигается только за счет устранения проникновения электронов в подложку.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является полевой СВЧ-транзистор, содержащий подложку, на которой сформирован буферный слой из широкозонного полупроводника, на котором расположен активный слой из узкозонного полупроводника с электродами истока, стока и затвора. В полевом транзисторе такой конструкции электроны, стремясь занять положение с минимальной потенциальной энергией, переходят из буферного в активный слой, в результате чего их концентрация в последнем оказывается большой, а концентрация рассеивающих центров остается малой. Таким образом удается значительно (в два раза при температуре Т=300К и на порядок при Т=77К) увеличить подвижность электронов μ. Поскольку в достаточно слабых электрических полях дрейфовая скорость электронов v=μE, а максимальные частоты усиления по току f_т и по мощности f_max обратно пропорциональны времени пролета электронов под затвором τ(f_т, f_max ≈τ^-1 ≈ v≈μ), то при одной и той же длине затвора более высокие максимальные частоты могут быть достигнуты за счет большей подвижности электронов. Действительно, с использованием транзисторов подобной конструкции в качестве логических элементов вычислительной техники, работающих при малых напряжениях, были достигнуты рекордно малые вpемена переключения.

Вместе с тем использование полевых транзисторов с подобной конструкцией в СВЧ-технике не привело к заметному увеличению их максимальных частот усиления по току f_т и по мощности f_max, поскольку в СВЧ-устройствах транзисторы работают при больших напряжениях между истоком и стоком. В этих условиях поле в канале транзистора велико, электроны, обладая высокой подвижностью, быстро разогреваются и переходят обратно в буферный слой. Таким образом эффект увеличения подвижности проявляется лишь в сpавнительно малой части канала, где электрическое поле меньше порогового поля перехода электpонов из указанного материала в широкозонный.

Целью изобpетения является увеличение максимальных частот усиления по току и по мощности полевых СВЧ-транзисторов.

Поставленная цель достигается тем, что в известном полевом СВЧ-транзистое, содержащем подложку, на которой сформирован буферный слой из широкозонного полупроводника, на котором расположен активный слой из узкозонного полупроводника с электродами истока, стока и затвора, активный слой под электродом затвора выполнен неравномерно-легированным, при этом концентрация легирующей примеси в направлении электрод истока-электрод стока монотонно возрастает от значения соответствующего концентрации остаточных примесей до значения соответствующего концентрации примесей в буферном слое, а концентрация примесей в буферном слое на 4-5 порядков превышает концентрацию остаточных примесей в активном слое.

Сущность изобретения состоит в том, что электроны, стремясь занять положение с минимальной потенциальной энергией, переходят из буферного слоя в активный, в результате чего их концентрация в последнем велика. Величина электрического поля растет от истокового края затвора к стоковому. Соответственно возрастает и средняя энергия электронов ε где q заряд электронов, а ν_ε частота их релаксации по энергии. При εε ≃ Δ Δ- разрыва дна зоны проводимости на границе активного и буферного слоев начинается интенсивный переход электронов из первого слоя в последний и подвижность электронов при этом резко падает за счет высокой концентрации примесей N₂ в буферном слое. Но, поскольку в полевом транзисторе данной конструкции концентрация примесей от истокового края затвора к стоковому возрастает примерно на три-пять порядков, одновременно падает подвижность электронов (в два раза при температуре Т=300 К и на порядок при Т=77К). Соответственно уменьшается ε, а энергия равная Δ достигается при больших напряженностях электрического поля Е, а значит и более высоких напряжениях исток-сток. Поскольку даже при равных концентрациях примеси, подвижность электронов в активном слое выше, чем в буферном (из-за их меньшей эффективной массы), то эффективная подвижность электронов во всей структуре оказывается выше, чем у прототипа.

Один из возможных вариантов конструкции транзистора представлен на фиг. 1, где буферный слой 1, активный слой 2, подложка 3, электроды истока 4, затвора 5, стока 6.

Распределение примеси N по длине Х активного слоя представлено на фиг.2 сплошной линией. Здесь штриховая линия соответствует концентрации остаточных примесей в активном слое, а штрих-пунктирная концентрации примеси в буферном слое.

Один из вариантов транзистора состоит из высокоомной подложки 3 из GaAs, на которую нанесен буферный слой 1 Al_0,3Ga_0,7As с концентрацией примеси N₂= 10¹⁸, 10¹⁹ cм^-3, а затем активный слой 2 GaAs с концентрацией примеси, изменяющейся от N₁=10¹⁴-10¹⁵ см^-3 до N₂=10¹⁸-10¹⁹ см^-3. На активном слое 2 расположены электроды истока 4, затвора 5, стока 6.

Концентрация примеси в активном слое 2 распределена так, как показано на фиг. 2, возрастая от истокового края затвора к стоковому, а затем вновь уменьшаясь до первоначального значения.

В отсутствии напряжения U_ис между электродами истока 4 и стока 6 электроны, стремясь занять положение с минимальной потенциальной энергией, переходят из буферного слоя 1 Al_0,3Ga_0,7As, где их концентрация высока, в активный слой 2 GaAs. В результате активный слой приобретает высокую проводимость. При U_ис>0 электроны в активном слое при движении от электрода истока 4 к электроду стока 6 начинают разогpеваться, приобретая энергию, достаточную для перехода обратно в буферный слой 1. Возрастание концентрации примеси в активном слое 2 на 3-5 порядков уменьшает подвижность электронов (в 2 раза при Т=300К и примерно в 10 раз при Т=77К), примерно во столько же раз при этом падает и энергия электронов. Последнее затрудняет переход электронов в буферный слой 1 и способствует увеличению средней подвижности электронов во всей транзисторной структуре в целом. В результате уменьшается время пролета электронов под затвором и увеличиваются максимальные частоты усиления по току и по мощности полевого СВЧ-транзистора.

Исполнение активного слоя неоднородно легированным с увеличением концентрации примеси к стоковому краю затвора, у которого электрическое поле максимально, позволяет уменьшить разогрев электронов в этой области и воспрепятствовать обратному переходу электронов в буферный слой, это позволяет увеличить среднюю подвижность электронов во всей транзисторной структуре в целом. В результате уменьшается время пролета электронов под затвором и увеличиваются максимальные частоты усиления по току и по мощности полевого СВЧ-транзистора.

По сравнению с прототипом при изменении концентрации примеси в активном слое на 3-5 порядков максимальные частоты усиления по току и по мощности полевого СВЧ-транзистора данной конструкции выше в 1,5-2 раза при температуре Т=300К и в 5-3 раз при Т=77К.

ПОЛЕВОЙ СВЧ-ТРАНЗИСТОР, содержащий подложку, на которой сформирован буферный слой из широкозонного полупроводника, на котором расположен активный слой из узкозонного полупроводника с электродами истока, стока и затвора, отличающийся тем, что, с целью увеличения максимальных частот усиления по току и по мощности, активный слой под электродом затвора выполнен неравномерно-легированным, при этом концентрация легирующей примеси в направлении электрод истока-электрод стока монотонно возрастает от значения соответствующего концентрации остаточных примесей до значения соответствующего концентрации примесей в буферном слое, а концентрация примесей в буферном слое на 4 5 порядков превышает концентрацию остаточных примесей в активном слое.