Полевой транзистор Советский патент 1979 года по МПК H01L29/80 

1

Изобретение относится к планарным полевым транзисторам, предназначенным для работы Б диапазоне высоких и сверхвысоких частот.

Как известно, основной способ повышения рабочего диапазона частот и снижения коэффициента шума полевых транзисторов (ПТ) состоит в уменьшении длины канала. В большинстве известных конструкций планарных ПТ это достигается путем уменьшения ширины металлического электрода затвора, имеюш.его форму узкого полоска, нанесенного на поверхность эпитаксиальной полупроводниковой структуры 1. Наименьшие значения длины канала, которые удается реализовать с помощью современной фотолитографической техники, составляют около 1 мкм. Транзисторы с таким каналом перекрывают диапазон частот до 10-15 ГГц.

Наиболее близкой к изобретению является конструкция полевого транзистора, выполненного из нескольких полупроводниковых материалов с эпитаксиальным каналом и содержащего на активной поверхности структуры электроды истока, стока и затвора 2.

Использование свойства избирательного травления одного из полупроводниковых материалов позволяет в принципе уменьшить длину канала. В конструкции, принятой за прототип, затвор из p-GaAlAs имеет форму полоска, расположенного на плоской поверхности эпитаксиального арсенида галлия п-типа. Электрод затвора отделен от p-GaAlAs слоем p-GaAs, играющим роль маски при избирательном травлении p-GaAlAs в процессе формирования затвора.

Эта конструкция имеет существенные недостатки. К ним относятся, в частности, трудность контроля и воспроизведения размеров затвора в процессе травления.

Конструкция не позволяет полностью

исключить прецизионные фотолитографические операции при изготовлении транзистора, что ограничивает возможность увеличения поперечных размеров транзисторной структуры и, следовательно, мощности

транзистора.

Цель изобретения - увеличение мощности и расширение рабочего диапазона частот транзистора. Указанная цель достигается тем, что полупроводниковая структура содержит по крайней мере три параллельных слоя, из которых внутренний слой выполнен из полупроводникового материала, отличного от материала соседних слоев, границы между

всеми слоями нормальны к активной поверхности пластины и контактной поверхности электрода затвора, перекрывающей поперечное сечение упомянутого внутреннего слоя.

На чертеже схематически изображена предлагаемая конструкция, один нз возможных вариантов.

В этом варианте транзистор изготовлен на основе трехслойной эпитаксиальной структуры, содержащей два слоя 1, 2 одного полупроводникового материала, между которыми расположен тонкий слой 3 другого полупроводникового материала. Все три слоя выполнены в основном из высокоомных материалов, за исключением узких низкоомных участков 4-6, расположенных вдоль активной поверхности структуры, нормальной к границам слоев. Низкоомные участки 4 и 6 вместе с металлическими электродами 7 и 8 играют роль истока и стока соответственно, в участке 5 внутреннего слоя 3 с помощью металлического затвора 9, образующего с полупроводниковой поверхностью этого участка барьер Шоттки, формируется проводящий канал. Электрод стока 8 находится в тепловом контакте как с низкоомным участком 6, так и с высокоомной частью полупроводниковой пластины, что улучшает условия теплоотвода в транзисторе.

Как видно из чертежа, в предлагаемой конструкции транзистора длина канала определяется только толщиной промежуточного эпитаксиального слоя 3. Это позволяет уменьшить длину канала до величин, существенно меньших 1 мкм, при значительно лучшей воспроизводимости этого размера, чем в прототипе. Кроме того, в предлагаемой конструкции полупроводниковая часть затвора не выступает над поверхностью полупроводниковой структуры, как в прототипе, а напротив, «утоплена относительно этой поверхности в глубину пластины, что обеспечивает большую механическую жесткость прибора.

Наряду с указанными, предлагаемая конструкция обладает н рядом других преимуществ перед прототипом. К ним, в частности, относится, возможность реализации массивного металлического электрода стока, обеспечивающего эффективный отвод тепла не от одной поверхности активного полупроводникового слоя, как в прототипе и других известных планарных приборах, а по крайней мере от двух поверхностей этого слоя.

Кроме того, изготовление транзистора без нрименения прецизионной фотолитографии не только упрощает технологический цикл, но и позволяет создавать транзисторы с поперечными размерами, по крайней мере на порядок большими, чем в прототипе и других известных конструкциях. Действительно, фотолитографическими методами невозможно создание структур с отношением наибольщего размера к наименьшему, превышающим некоторую определенную величину. Поэтому в известных конструкциях СВЧ-транзисторов с длиной канала порядка 1 мм ширина канала и, следовательно, поперечный размер транзистора не превышают обычно 1 мкм. В предлагаемой же конструкции, в которой длина канала задается толщиной эпитаксиальной

10 пленки, а его ширина - поперечным размером этой пленки, поперечные размеры транзисторной структуры могут превышать 10 мм. Это открывает возможность значительного увеличения мощности транзисто15 ра.

Чтобы пояснить методы реализации предлагаемого изобретения, приведем примерную схему процесса изготовления конструкции.

0 Одним из известных методов эпитаксиального выращивания гетероструктур (газофазным, жидкостным или молекулярным) формируется трехслойная структура. Основным критичным параметром в этой

5 структуре является толщина внутреннего полупроводникового слоя 3, определяющая длину канала затвора транзистора. Исходными материалами для этой структуры могут служить полупроводниковые соедине0 НИН с близкими постоянными решетки, например высокоомные арсенид галлия и твердый раствор арсенид галлия - арсенид алюминия. Многослойную полупроводниковую пластину разрезают на отдельные кристаллы; одну из поверхностей каждого кристалла, нормальную к границам эпитаксиальных слоев, подвергают чистовой обработке (шлифовке, полировке), обеспечиваюшей

0 обычное для полупроводниковых приборов качество активной поверхности.

Методами ионного внедрения вдоль обработанной поверхности создают тонкий участок 4 низкоомного полупроводника л-типа

5 с требуемой концентрацией примесн (для

приборов сантиметрового диапазона эта

концентрация должна составлять около

5-101-5-10 см-з).

Методом избирательного травления вытравливают часть низкоомного участка внутреннего слоя 3. Если, в частности, внешний из арсенида галлия - арсенида алюминия, то для избирательного травления можно использовать, например, горя5 чую смесь соляной и фосфорной кислот.

На активную поверхность кристалла напыляют слой металла, образующего с материалом слоя 3 барьер Шоттки. Затем напылением и гальваническим наращиванием

0 толщина металлического покрытия увеличивается, после чего с большей части активной поверхности (поверхности слоев 1 и 2) металл удаляется (шлифовкой или травлением), так что металлическое покрытие остается только на поверхности поперечного сечения внутреннего слоя 3, под которой располагается канал.

Гальванически наращивается электрод затвора 9.

На поверхность участков с использованием экранируюндего действия электрода напыляют металл и гальваническим наращиванием формируют электроды истока 7 н стока 8.

Наряду с этими вариантами возможны и другие варианты предлагаемой конструкнии транзистора. В частности, в затворе может быть нрименен не барьер Шоттки, а р-л-нереход, сформированный диффузией или ионным легированием; электрод затвора может быть изолирован от полупроводника диэлектрической пленкой и т. п. Возможно использование структур с обратной комбинацией полупроводниковых материалов, затвор молсет быть выполнен в арсениде галлия, а исток и сток - в твердом растворе арсенид галлия-арсенид алюминия. В случае исходную полупроводниковую структуру целесообразно изготовить не трехслойной, а четырехслойной, используя в качестве основы высокоомную пластину арсенида галлия. Возможно применение и других нар полупроводниковых соединений с близкими постоянными решетками, перспективной, например, является пара фосфид индия - твердый раствор арсенид галлия - фосфид индия.

Формула изобретения

Полевой транзистор, выполненный нз нескольких полупроводниковых материалов с эпитаксиальным каналом и содержащий на

активной поверхности структуры электроды истока, стока и затвора, отличающ и и с я тем, что, с целью увеличения мощности и повышения рабочего диапазона частот, полунроводниковая структура содержит но крайней мере три параллельных слоя, из которых внутренний слой выполнен из полупроводникового материала, отличного от материала соседних слоев, границы между всеми слоями нормальны к

активной поверхности пластины и контактной поверхности электрода затвора, перекрывающей поперечное сечение упомянутого внутреннего слоя.

Источники информации,

принятые во внимание при экспертизе

1.Натент США № 3946415, кл. 357-15, опублик. 1976.

2.Натент Франции № 2268363, кл. Н OIL 29/76, опублик. 1975.