Полевой транзистор с увеличенным напряжением пробоя

Полезная модель относится к полупроводниковым приборам, а именно к мощным СВЧ - полевым транзисторам с барьером Шотки. Полевой транзистор с увеличенным напряжением пробоя содержит полуизолирующую подложку, расположенный на ней активный слой полупроводника, а также исток, сток и затвор, расположенные на свободной поверхности полупроводника. Затвор образует с полупроводником контакт Шотки. В активном слое полупроводника выполнена выемка переменной глубины, в которой расположена нижняя часть затвора. Полезная модель позволяет повысить напряжение пробоя.

Полезная модель относится к полупроводниковым приборам, а именно к мощным СВЧ-полевым транзисторам с потенциальным барьером Шотки.

Известен полевой транзистор с барьером Шотки (ПТШ), содержащий полуизолирующую подложку, расположенный на ней активный слой полупроводника, а также исток, сток и затвор, расположенные на свободной поверхности полупроводника, при этом затвор образует с полупроводником контакт Шотки (см. патент RU 2093925, кл. H01L 27/095, опубл. 20.10.1997). В известном устройстве часть активного слоя, расположенная на расстоянии от 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 слоя между упомянутой частью активного слоя и затвором выполнена со средней концентрацией легирующей примеси 2·10¹⁷ см^-3.

Недостатком известной конструкции ПТШ является то, что контакт Шотки в затворе имеет плоскую геометрию, причем плоскость контакта Шотки параллельна слоям в эпитаксиальной структуре. Эта особенность приводит к тому, что начало обеднения канала электронами при увеличении напряжения на стоке и при фиксированном напряжении на затворе происходит под стоковым краем затвора. Дальнейшее увеличение напряжения на стоке приводит к формированию области сильного поля, к насыщению дрейфовой скорости электронов в этой области и далее, к развитию лавинного пробоя под стоковым краем затвора. Размеры области сильного поля, где развивается лавина, малы и слабо увеличиваются при увеличении напряжения на стоке, что приводит к сравнительно малым величинам напряжения лавинного пробоя. Например, в гетероэпитксиальной структуре с каналом из InGaAs с долевым содержанием индия, равным 0,165, напряжение лавинного пробоя в запертом транзисторе составляет 11÷12 В. Таким образом, основным недостатком известной конструкций ПТШ является сравнительно низкая величина напряжения лавинного пробоя.

Задачей полезной модели является устранение указанного недостатка. Технический результат заключается в повышении напряжения пробоя. Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что полевой транзистор с увеличенным напряжением пробоя содержит полуизолирующую подложку, расположенный на ней активный слой полупроводника, а также исток, сток и затвор, расположенные на свободной поверхности полупроводника, при этом затвор образует с полупроводником контакт Шотки, а в активном слое полупроводника выполнена выемка переменной глубины, в которой расположена нижняя часть затвора. Участок выемки с максимальной глубиной предпочтительно расположен между серединой контакта Шотки и краем контакта Шотки со стороны истока, при этом глубина выемки предпочтительно увеличивается от нуля под краем контакта Шотки со стороны истока до максимальной глубины и уменьшается от максимальной глубины до нуля под краем контакта Шотки со стороны стока.

На чертеже представлена схема предлагаемого транзистора.

Линия «АВС» демонстрирует вид сечения подзатворной выемки, сформированной в верхнем нелегированном слое активного слоя полупроводника и вид сечения основания затвора.

Позициями 1, 2, 3, 4 обозначены распределения напряженности электрического поля в канале в зависимости от напряжения на стоке ПТШ. Распределение 1 - малые напряжения на стоке, омический участок вольт-амперной характеристики (ВАХ) «исток-сток». Распределение 2 - средние напряжения на стоке, режим насыщения дрейфовой скорости электронов, сублинейный участок ВАХ (до начала лавинного пробоя). Распределение 3 - большие напряжения на стоке, суперлинейный участок ВАХ, лавинный пробой, работает механизм ограничения развития лавины. Распределение 4 - лавинный пробой в области сильного поля под затвором, механизм ограничения развития лавины не работает.

Позицией 5 обозначена затворная группа широкозонных слоев, а позицией 6 - буферная группа широкозонных слоев.

На чертеже приняты следующие обозначения.

Точка «А» - край контакта Шоттки со стороны истока,

Точка «В» - точка, в которой выемка, сформированная в активном слое полупроводника, имеет максимальную глубину.

Точка «С» - край контакта Шоттки со стороны стока.

Точка «D» - граница области сильного поля, величина которого достаточна для поддержания лавины при работающем механизме ограничения тока лавины. Стрелкой показано направление смещения этой границы при увеличении напряжения на стоке.

Точка «Е» - предельное положение границы области сильного поля, при котором механизм ограничения тока лавины перестает работать и развивается лавинный пробой.

E(x) - напряженность электрического поля.

E_S - напряженность электрического поля, при которой дрейфовая скорость электронов насыщается.

E _i - напряженность электрического поля, при которой начинается формирование лавины.

Полевой транзистор с увеличенным напряжением пробоя выполнен на основе эпитаксиальной структуры, содержащей последовательно расположенные подложку (на чертеже не показана), буферный слой 7, буферную группу широкозонных слоев 6, нелегированный слой 8 узкозонного полупроводника, являющийся каналом транзистора и затворную группу широкозонных слоев 5. Буферный слой 7, буферная группа широкозонных слоев 6, нелегированный слой 8 узкозонного полупроводника, являющийся каналом транзистора и затворная группа широкозонных слоев 5 образуют активный слой полупроводника.

На свободной поверхности полупроводника расположены исток 9, сток 10 и затвор 11. Нижняя часть затвора расположена на поверхности выемки «АВС» переменной глубины, сформированной в верхнем нелегированном слое затворной группы широкозонных слоев 5 полупроводника. Затвор образует с полупроводником контакт Шотки.

Выемку «АВС» изготавливают следующим образом.

На активный слой полупроводника наносится слой резиста, толщина которого превышает длину затвора L_g. Далее методами оптической или электронно-лучевой литографии проводится экспонирование резиста и вскрытие в нем окна для формирования выемки. На следующей операции пластина с транзисторными структурами помещается в камеру для реактивного ионного травления так, чтобы между потоком ионов и плоскостью пластины был угол, величина которого меньше 90°. Величина этого угла подбирается так, чтобы край резиста в окне защищал от воздействия потока ионов большую часть поверхности активного слоя в окне со стороны стока. Далее проводится ионное травление материала активного слоя полупроводника. Таким образом, в процессе ионного травления сначала начинает формироваться незащищенный истоковым краем резиста участок «АВ» поверхности активного слоя, затем, по мере одновременного травления стокового края резиста, начинает формироваться также и участок «ВС» поверхности активного слоя. Оптимальная величина угла ориентации пластины подбирается экспериментально, например, для L_g =0.4 мкм при толщине резиста, равной 2·L_g, величина этого угла составляет 70÷75 град. Далее с помощью операции взрывной литографии формируется контакт Шотки на участке «АВС» выемки.

Преимущества предлагаемого полевого транзистора обусловлены переменной глубиной выемки «АВС».

Развитие лавинного процесса увеличения тока стока в транзисторе при увеличении напряжения на стоке ослабляется расширением области сильного поля, (величина которого достаточна для начала процесса формирования лавины) в области «ВС» под затвором в сторону стока. При этом правая граница области формирования лавины смещается из точки «D» в точку «E». Это смещение на чертеже показано стрелкой. Механизм расширения области сильного поля следующий.

Благодаря специфике геометрии подзатворной выемки АВС, лавина начинает зарождаться под той частью затвора, где глубина расположения контакта Шоттки максимальна, т.е. под точкой «В» (распределения 2 и 3). При начале лавинного пробоя ток стока начинает возрастать. Этот рост тока приводит к увеличению отрицательного потенциала затвора по отношению к каналу (транзисторный эффект), что, в свою очередь, приводит к значительному уменьшению роста концентрации электронов на участке канала под затвором «ВС» при лавинном пробое. При этом лавинный пробой сопровождается перемещением правой границы области формирования лавины в сторону стока из точки «D» в точку «Е». Характерное для лавинного пробоя резкое нарастание концентрации электронов подавляется транзисторным эффектом: нарастание концентрации электронов вызывает рост тока, а рост тока приводит к увеличению отрицательного потенциала затвора и, как следствие, к уменьшению концентрации электронов в канале. Таким образом, при таких специфичных условиях существования лавинного пробоя, рост концентрации электронов при увеличении напряжения на стоке эффективно сдерживается процессом обеднения канала электронами за счет увеличения отрицательного потенциала на затворе.

Расширение области сильного поля (т.е. области формирования лавины под затвором) при увеличении напряжения на стоке происходит до тех пор, пока правая граница области сильного поля не совпадет со стоковым краем затвора (распределение 4). После этого процесс развития лавины в канале под затвором уже не сдерживается транзисторным эффектом (краевой эффект может работать очень неэффективно) и происходит развитие лавинного пробоя с резким нарастанием тока стока.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет значительно повысить напряжение пробоя за счет обеспечения увеличения размера области сильного поля, где развивается лавина с ростом напряжения на стоке транзистора.

1. Полевой транзистор с увеличенным напряжением пробоя, содержащий полуизолирующую подложку, расположенный на ней активный слой полупроводника, а также исток, сток и затвор, расположенные на свободной поверхности полупроводника, при этом затвор образует с полупроводником контакт Шоттки, отличающийся тем, что в активном слое полупроводника выполнена выемка переменной глубины, в которой расположена нижняя часть затвора.

2. Полевой транзистор по п.1, отличающийся тем, что участок выемки с максимальной глубиной расположен между серединой контакта Шоттки и краем контакта Шоттки со стороны истока.

3. Полевой транзистор по п.2, отличающийся тем, что глубина выемки увеличивается от нуля под краем контакта Шоттки со стороны истока до максимальной глубины и уменьшается от максимальной глубины до нуля под краем контакта Шоттки со стороны стока.