Полевой транзистор шоттки

 

Применение: относится к микроэлектронике и может быть использовано для изготовления полевых транзисторов Шоттки. Сущность: полевой транзистор Шоттки, у которого исток, сток и электрод затвора выполнены на -легированной структуре, включающей полуизолированную подложку из арсенида галлия и d-легированный слой n - типа проводимости, отделенный от подложки и свободной поверхности слоями арсенида галлия. Между электродом затвора и d-легированным слоем расположен слой арсенида галлия p - типа проводимости, легированный до вырождения и имеющий общую границу с электродом затвора. 1 ил.

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано для изготовления полевых транзисторов Шоттки с повышенной крутизной и рабочей частотой.

Известен полевой транзистор Шоттки (ПТШ), у которого сток, исток и электрод затвора выполнены на структурах с однородным легированием. Однако предельная собственная крутизна короткоканальных ПТШ на таких структурах не превышает 200 мА/В мм, что ограничивает рабочие частоты ПТШ и ИС на их основе.

Известен ПТШ ( -ПТШ), у которого сток, исток и электрод затвора выполнены на -легированной структуре, включающей полуизолирующую подложку арсенида галлия и -легированный слой, отделенный от подложки и свободной поверхности буферными слоями нелегированного арсенида галлия. Оценки показывают, что в таких транзисторах значительного увеличения собственной крутизны следует ожидать 500 мА/В мм при расстояниях от электрода затвора до канала менее 300 .

Однако в реальных -ПТШ собственная крутизна лишь незначительно (30-50%) превышает соответствующие значения ПТШ на однороднолегированных структурах, что примерно в три раза меньше расчетных значений. Причины столь значительного расхождения расчетных и реальных значений крутизны для -ПТШ не известны.

Проведенные нами исследования малосигнальных С-Y и G-Y характеристик, а также частотной зависимости крутизны в малосигнальном режиме и I-V характеристик затворов в режиме постоянных обратных смещений показали, что резкое несоответствие величины расчетной и реальных значений собственной крутизны в -ПТШ является следствием присутствия в приповерхностном слое структуры глубоких ловушек. Их существование в условиях интенсивной туннельной эмиссии носителей через барьер из-за малых расстояний до электрода затвора и больших концентраций центров (соответственно 50-150 и 5 10¹⁸см^-3приводит к сильной частотной дисперсии емкости, проводимости и полной крутизны в малосигнальных режимах и к значительному уменьшению полной крутизны при работе в цифровом режиме (в режиме больших амплитуд). Из ВФХ и I-V характеристик несложно оценить, что обсуждаемые ловушки расположены в приповерхностном слое структуры на глубинах 50-150 .

В профильных исследованиях элементного состава в приповерхностных слоях до глубин 200 регистрируются нарушения стехиометричности состава (вакансии по мышьяку и избыток кислорода), а исследования зависимости подвижности в структурах при различных расстояниях от электрода до -слоя указывают на резкое уменьшение подвижности при приближении -слоя к поверхности уже на расстояниях меньше 400 . Все это позволяет утверждать, что причина резкого ограничения крутизны в реальных -ПТШ (S 120-140 мА/В мм; S_m 250 мА/В мм, при расчетных значениях S_m 450 мА/В мм) связана с присутствием ловушечных центров в приповерхностных слоях структуры. Они же являются причиной частотных дисперсий емкости, проводимости и крутизны в малосигнальных режимах и причиной ограничения крутизны на столь низком уровне значений в цифровом режиме, т.е. соответствующая конструкция -ПТШ не может реализовать потенциальные возможности в повышении крутизны в -ПТШ.

Целью изобретения является повышение крутизны -ПТШ.

Цель достигается тем, что в ПТШ, у которого исток, сток и затвор выполнены на структуре, включающей полуизолирующую подложку и -легированный слой, отделенный от подложки и свободной поверхности слоями арсенида галлия, между электродом затвора и -легированным слоем располагают слой арсенида галлия р-типа проводимости, легированный до вырождения и имеющий общую границу с электродом затвора. При этом уровень легирования, Р_р р-слоя выбирают таким, чтобы P_p , а толщина d_р р-слоя превышала значение d_p , где - диэлектрическая проницаемость полупроводника; m* - эффективная масса электрона; _к - контактная разность потенциалов; h - постоянная Планка; q - элементарный заряд.

Положительный эффект достигается тем, что область с нестехиометрией (область локализации ловушек) располагают в сильно вырожденном полупроводнике р-типа, так что при приложении внешнего поля к электроду затвора область сканирования ОПЗ со стороны металла в р-слое не превышает толщины туннельной прозрачности для электронов металла, в силу чего ловушки приповерхностной области заполнены.

Действительно, туннельно прозрачную толщину приповерхностного слоя можно определить из выражения для коэффициента прозрачности D треугольного барьера 10^-2, E = D = D_oexp- ,где Е - энергия электрона; Е_m - максимальное значение энергии барьера металл-полупроводник; b_o - толщина барьера на уровне Ферми в металле; F - энергия Ферми. Барьер туннельно прозрачен, если 1. Так как _к 0,8 эВ, то в предположении, что туннеллируют электроны с уровня Ферми (большие отрицательные смещения), имеем: b_o h(_kq2m^*)^-1/2. В этом случае необходимая концентрация легирующей примеси определяется как Дебаевская длина экранирования и равна P_p .

С учетом того, что обеднение р-слоя со стороны n-слоя не будет превышать определенного выше значения b_o, толщина (приемлемая) р-слоя d_p равна: d_p 2b_o (_kq2^*_m)^-1/2.. В частности, для _к 0,8 эВ, =11 (барьер на GaAs) имеем: b_o 50 ; d_p 100 ; Р_р 10¹⁹см^-3. Толщина буферного слоя, расположенного между -слоем и р-слоем, выбирается традиционно из расчета требуемых значений пороговых напряжений при заданном заряде в -легированном слое канала ПТШ (заданном токе насыщения ПТШ).

На чертеже изображена предлагаемая конструкция транзистора.

Транзистор состоит из полуизолирующей подложки 1 и последовательно расположенных на ней слоев: буферного нелегированного слоя 2 арсенида галлия толщиной 0,7 мкм с концентрацией фоновой примеси 10¹⁵см^-3; -слой 3 с концентрацией доноров 2,5 10¹²см^-2; слой 4 арсенида галлия толщиной 500 с концентрацией доноров 10¹⁷см^-3; слой 5 р-типа проводимости с концентрацией акцепторов (дырок 10¹⁹см^-3 толщиной 500 , а также из областей истока 6, стока 7 и электрода 8 затвора. При этом электрод затвора имеет общую границу с р-слоем, а области истока и стока выполнены в виде контактов с омическими характеристиками к части структуры с n-типом проводимости, для чего слой р-типа проводимости удален.

Технические преимущества заявляемой конструкции по сравнению с прототипом заключаются в расширении рабочей полосы частот как за счет повышения крутизны ПТШ f_m = , где S_m - собственная крутизна; С_вх - входная емкость, так и за счет улучшения переключательных характеристик ключей на ПТШ и ИС (повышенные токи насыщения канала и крутизна).

Формула изобретения

ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР ШОТТКИ, у которого исток, сток и электрод затвора выполнены на -легированной структуре, включающей полуизолирующую подложку из арсенида галлия и -легированный слой n-типа проводимости, отделенный от подложки и свободной поверхности слоями арсенида геллия, отличающийся тем, что, с целью увеличения крутизны транзистора, между электродом затвора и -легированным слоем расположен слой p-типа проводимости, легированный до вырождения, при этом концентрация акцепторов в p-слое определеяется выражением
P_p ,
а его толщина
d_p (_kq2^*_m)^-1/2,
где - диэлектрическая проницаемость полупроводника;
m^* - эффективная масса электрона;
_к - контактная разность потенциалов;
- постоянная Планка;
q - электрический заряд.

РИСУНКИ

Рисунок 1