ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР С УПРАВЛЯЮЩИМ P-N-ПЕРЕХОДОМ Советский патент 1996 года по МПК H01L29/808 

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, а именно к конструкции полевых транзисторов с управляющим р-n- переходом (ПТУП) и двумя затворами.

Цель изобретения расширение динамического диапазона напряжения сток-исток при одновременном улучшении электрофизических параметров.

На фиг. 1 представлен поперечный разрез структуры ПТУП; на фиг. 2 его топология: на фиг. 3 выходная вольт-амперная характеристика (ВАХ) - зависимость тока стока I_с от напряжения сток-исток U_си для ПТУП по прототипу; на фиг. 4 ВАХ ПТУП по изобретению; на фиг. 5 эквивалентная электрическая схема устройства.

На эквивалентной схеме (фиг. 5) ПТПУ1 основной транзистор - соответствует первому затвору, ПТУП2 задающий режим транзистора-соответствует второму затвору настоящего решения. В прототипе (фиг. 3) линейный участок на выходной ВАХ реализуется при U_си < U_зиотс1 (U_зиотс1 -напряжение отсечки основного транзистора).

Перечень позиций на фиг. 1, 2: полупроводниковая подложка 1 первого типа проводимости, полупроводниковый слой 2 второго типа проводимости, изолирующая область 3 первого типа проводимости; замкнутая область первого затвора 4 первого типа проводимости; второй затвор 5 первого типа проводимости, пересекающийся концами с изолирующей областью, область 6 истока второго типа проводимости, область 7 второго типа проводимости, окно 8 в пассивирующем покрытии изолирующей области, соединяющей область второго затвора с подложкой, металлические контакты 9 к области источника, стока, первого и второго затворов, а также шина, соединяющая шток с вторым затвором и подложкой. Принцип работы конструкции заключается в следующем. Поскольку подложка выполнена из полупроводникового материала, а область второго затвора через изолирующие области соединена с ней, то управление толщиной происходит одновременно сверху и снизу. В результате, эффективная толщина канала ПТУП2 задающего режим транзистора меньше, чем у ПТУП1 основного транзистора, и, следовательно, напряжение отсечки у основного транзистора больше, чем у задающего режим транзистора, т. е. U_зиотс1 > U_зиотс2. Но для того, чтобы основной транзистор находился на линейном участке, независимо от напряжения сток-исток всего устройства, начальный ток с тока по первому затвору должен быть больше, чем по второму затвору (ПТЦП2 задающий режим транзистора), (фиг. 4). В результате, в основном транзисторе линейный участок реализуется в диапазоне напряжения U_си всего устройства от нуля до пробивных напряжений. А при изменении U_cи устройства от U_cи U_зиотс2 до пробивных изменение напряжения сток-исток основного транзистора составит мизерную величину ΔU_си (фиг. 4).

Низкоомная полупроводниковая подложка первого типа проводимости обеспечивает выполнение условия U_зиотс1 > U_3иотс2, а изменения концентрации примеси в подложке регулируют требуемое отношение U_зиотс1/U_зиотс2. При концентрации примеси первого типа проводимости в подложке, превышающей на порядок концентрацию в полупроводниковом слое второго типа проводимости (канале) и при соединении второго затвора с подложкой справедливо следующее соотношение:

где Φ_к контактная разность потенциалов р-n-перехода затвор-канал ( Φ_к 0,8 В). Из (1) U_зиотс1 ≃ (2,2 2,5) U_зиотс2.

При одинаковой концентрации только 50% области пространственного заряда (ОПЗ) р-n-перехода распространяется в канал, а остальная часть ОПЗ распространяется в подложку. Это приведет к увеличению U_cи по первому затвору, а следовательно, к увеличению неравномерности преобразования на резистивном участке ВАХ. В этом случае U_зиотс1 ~ (1,6 1,9) U_зиотс2, если же концентрация примеси в канале превышает концентрацию примеси в подложке, то почти вся ОПЗ р-n-перехода будет распространяться в подложку, что еще больше увеличит U_си по первому затвору, а U_зиотс1 ~ (1,1 1,3 U_зиотс2.

В настоящем решении выполняются основные требования, предъявляемые к ПТУП входным транзистором электрометрического усилителя: обеспечение на выходной ВАХ линейного участка при изменении в широком диапазоне напряжения сток-исток: минимизация токов утечки затвора.

1.В настоящем решении U_зиотс1 связано с U_зиотс2 соотношением (2)

В настоящем решении U_зиотс2 ≃ (2,2 2,5) U_зиотс2, так как U_зиотс1 определяет только одна область затвора, а U_зиотс2 определяет как область второго затвора, так и подложка. При любом изменении значения U_зиотс2, U_зиотс1 всегда в (2,2 2,5) раз будет больше, т.е. ПТУП1- основной транзистор всегда будет работать на линейном участке выходной ВАХ. И реализуется резистивный режим работы основного транзистора ПТУП1. Требования к замкнутой области первого затвора связаны с ключевым режимом ПТУП. В аналоговом режиме требование к области первого затвора одно: располагаться между истоком и вторым затвором, то есть, как правило, транзистор в этом случае работает при напряжении затвор-исток U_зи, близком к нулю.

2. Минимизация токов утечки затворов решается одновременно по двум путям. 2.1 ПТУП1 основной транзистор образован как и в прототипе (2), верхним затвором, при близкой площади и одинаковой крутизне они имеют близкие значения утечки. 2.2. Так как и в прототипе(2). и в настоящем решении второй затвор соединен с истоком, то максимальное напряжение сток-исток U_си1 ~ U_си2. В прототипе (2) < U_зиотс1 <U_зиотс2, а в настоящем решении U_зиотс1 < U_зиотс2, поэтому при одинаковых напряжениях в соответствии с выражениями (1), (2) более, чем в 4 раза ниже в настоящем решении, чем в прототипе. Соответственно в нашем решении уменьшается напряжение U_зс и снижается значение I_ут.з в активном (рабочем) режиме ПТУП. Кроме уменьшения абсолютного значения U_{си1макс} в решении по изобретению осуществляется более жесткая стабилизация режима работы на участке насыщения участок ΔU_си1 (фиг. 4).

На подложке 1 р-типа (фиг. 1. 2) кремниевой монокристаллической пластине с ориентацией <111>, толщиной 360 мкм и удельным сопротивлением ρ 0,5 Ом•см выращивают эпитаксиальный слой 2 n-типа проводимости толщиной 3,5 4,0 ммк и r= 0,8 Ом•см (марка пластины ). В эпитаксиальном слое 2 путем локальной диффузии бора в две стадии при температуре Т 1000^oС длительностью t 27 30 мин на первой стадии и при Т 1200^oС и длительностью 4 ч на второй стадии создают изолирующую область 3 р⁺-типа проводимости с поверхностным сопротивлением ρ_□= 70 Oм/□ и глубиной 3,7 4,2 мкм. Последующей локальной диффузия бора и две стадии при Т 950^oС и t 27 30 мин на первой стадии при Т 1100^oC c t 60 мин на второй стадии одновременно создают область первого 4 и второго 5 затворов р⁺-типа проводимости с поверхностным сопротивлением ρ_□= 80 Oм/□ и глубиной 1,0 1,5 мкм. Затем путем локальной диффузии фосфора при Т 1000^oС и t 30 мин одновременно создают области 6 и 7 истока и стока n⁺ типа-проводимости с глубиной залегания 0,8 1,3 мкм с поверхностным сопротивлением ρ_□= 20 Oм/□.. К затвору 4 и области 7 изготавливают омические контакты 9, а к областям 3 (через окно 8 в диэлектрике) и 6 формируют один общий металлический контакт 9. Все контакты выполняют из пленки алюминия толщиной 1,0 мкм. Область (второй затвор 5) не имеет собственного омического контакта, так как она контактирует с изолирующей областью 3 (фиг. 1), которая, в свою очередь, соединена с подложкой 1 р-типа, выполняющей функцию нижнего затвора ПТУП2 каскадной схемы ПТУП1 + ПТУП2.

Таким образом, преимуществами конструкции ПТУП с двумя затворами по сравнению с прототипом являются: расширение динамического диапазона напряжения сток-исток свыше напряжения отсечки по первому затвору при работе на резистивном участке ВАХ всего устройства; снижение максимального напряжения сток-исток (сток-затвор) по первому значительно уменьшает ток утечки первого затвора; выполнение областей первого и второго затворов в одном процессе значительно сокращается длительность технологического процесса, при этом уменьшается количество дислокаций и нарушений кристаллической решетки, увеличивающих ток утечки; выполнение подложки из полупроводника первого типа проводимости с концентрацией, превышающей концентрацию примеси в слое второго типа проводимости, позволяет уменьшить величину U_зи, по которому стабилизируется U_си первого затвора, что также уменьшает как ток утечки, так и его зависимость от напряжения стокзатвор (сток-исток).

Использование: микроэлектроника. Сущность изобретения: на полупроводниковой подложке первого типа проводимости сформирован полупроводниковый слой второго типа проводимости. Подложка содержит концентрацию примеси не менее, чем полупроводниковый слой на ней. С помощью области первого типа проводимости, смыкающейся с подложкой, сформирована изолированная область, в которой сформированы области истока, стока второго типа проводимости, области первого и второго и второго затворов первого типа проводимости. Область истока имеет гальваническую связь с областью второго затвора. Первый затвор выполнен в виде замкнутой области, окружающей область источника. Область второго затвора соприкасается с изолирующей областью, образуя замкнутый контур вокруг области истока. Транзистор всегда работает на линейном участке выходной ВАХ, т.е. реализуется резистивный режим работы, снижаются токи утечки. 5 ил.

Полевой транзистор с управляющим р-n-переходом, содержащий подложку со сформированным на ее поверхности полупроводниковым слоем второго типа проводимости, изолированную область первого типа проводимости, смыкающуюся с подложкой, в слое второго типа проводимости сформированы области истока и стока второго типа проводимости, области первого и второго затворов первого типа проводимости, причем область истока имеет гальваническую связь с областью второго затвора, отличающийся тем, что, с целью расширения динамического напряжения сток-исток при одновременном улучшении электрофизических параметров, подложка выполнена из полупроводникового материала первого типа проводимости с концентрацией примеси не меньшей, чем у полупроводникового слоя второго типа проводимости, первый затвор выполнен в виде замкнутой области, окружающей область истока, область второго затвора соприкасается с изолирующей областью, образуя замкнутый контур вокруг области стока.