Надвисокочастотний метал-діелектрик-напівпровідник-транзистор

1. Надвисокочастотний метал-діелектрикнапівпровідник-транзистор (НВЧ МДН-транзистор), що містить високоомну підкладку із напівізолюючо+ го напівпровідника, вироджену n -область "витік", вироджену n+-область "стік", затвор, ізольований від каналу діелектриком SiO2, омічні контакти і електроди, який відрізняється тим, що з метою збільшення крутості і розширення частотного діапазону (підвищення граничної частоти) канал провідності між витоком і стоком виготовлений із виродженого компенсованого напівпровідника з вбудованим (внутрішнім) поперечним електричним полем. 2. НВЧ МДН-транзистор за п. 1, який відрізняється тим, що з метою збільшення крутості і розширення частотного діапазону канал конструктивно U 2 (19) 1 3 провідник с-типу) з технологічно створеним в ньому поперечним внутрішнім електричним полем Ев. Наявність поля Ев в каналі с-типу необхідна для зменшення опору каналу в початковому стані (при Uзв=0), оскільки повністю компенсований вироджений напівпровідник при відсутності внутрішнього поля є високоомним. Напрям внутрішнього поля повинен бути протилежним зовнішньому полю Ез. При негативній напрузі на затворі Uзв поле Ев напрямлено від затвора до підкладки. Технічною задачею корисної моделі є формування в МДН-транзисторі активного каналу с-типу товщиною hк з сформованим поперечним внутрішнім (градієнтним) електричним полем Ев. Для створення в активному каналі такого поля на його поверхні формується пасивний канал із виродженого напівпровідника n-типу товщиною h1 , в якому к градієнт концентрації донорів напрямлений від підкладки до затвора, а градієнт концентрації акцепторів направлений протилежно. Технічна задача корисної моделі реалізується сучасними технологіями виготовлення напівпровідникових структур [3]. На Фіг.1 показана конструкція надвисокочасто+ тного(НВЧ)МДН-транзистора: 1 - вироджена n область і омічний контакт «витік» (В); 2 - активний канал (вироджений компенсований напівпровідник с-типу); 21 - пасивний канал (вироджений напівпровідник n-типу); 3 - діелектрик SiO2; 4 - металічний контакт «затвор» (3); 5 - електрод «витік»(В); 6 - електрод «затвор»(3); 7 - електрод «стік» (С); 8 електрод «підкладка»(П); 9 - вироджена n+область і омічний контакт «стік»; 10 - підкладка (напівізолюючий напівпровідник); 11 - металічний контакт «підкладка». На Фіг.2 показано: а) поперечний розподіл напруженості електричного поля (внутрішнього Ев, зовнішнього ЕЗ і результуючого Е) в каналі; б) поперечний розподіл концентрації донорів ND і акцепторів NA в активному і пасивному каналах: ND.C, NA.С - відповідно концентрація донорів, акцепторів в активному каналі с-типу: Nmin , Nmin n p відповідно мінімальне значення концентрації електронів, дірок, при якому настає виродження напівпровідника; ND, NA - відповідно концентрація донорів, акцепторів в напівпровіднику n-типу на границі між пасивним каналом і діелектриком SiО2. На Фіг.3 показані теоретично розраховані передаточна (а) і стокові (б) характеристики НВЧ МДН-транзистора на основі арсеніду галію при Т=300 К за формулою U U − ЗВ ⎛ − СВ ⎞ φ∑ ⎜ φ ⎟ IC = ICO e ⎜1 − e ∑ ⎟ , ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ де Ісo - початковий струм стоку, рівний 44мА; φ∑ - сумарний градієнтний потенціал в активному і пасивному каналах, рівний 0,16В. Відомості, які підтверджують можливість здійснення корисної моделі. В заявленому транзисторі для збільшення крутості S і розширення частотного діапазону (збільшення граничної частоти fГР) 44829 4 канал між витоком і стоком виготовляється в виді двох шарів. Нижній шар (активний канал)товщиною hK призначений для створення регульованої напругою затвора провідності між стоком і витоком (струму стоку IС). Верхній шар (пасивний канал)товщиною h1 призначений для к створення в каналі внутрішнього поперечного електричного поля Ев, направленого від затвора до підкладки. Наявність поля Ев зменшує електричний опір активного каналу до мінімального значення завдяки ослабленню ефекту прямого перехоплення акцепторами донорних електронів (ППАДЕ) в напівпровіднику с-типу при температурній іонізації атомів домішок. Таким чином, в початковому стані (при UЗК=0) електричний опір каналу мінімальний. Будова пристрою. Заявлений транзистор (Фіг.1) містить: високоомну (напівізолюючу) напівпровідникову підкладку 10 товщиною dn з металізованою нижньою поверхнею 11; витік 1 і його електрод 5; стік 9 і його електрод 7; затвор 4 і його електрод 6; активний канал 2 товщиною hk, довжи1 ною lк шириною wk; пасивний канал 2 товщиною h1 , довжиною lк, шириною wk; діелектрик SiO2 3 к товщиною dD. Основні технологічні етапи виготовлення. A. Підготовка поверхні підкладки 10 до епітаксіального нарощування. Б. Формування на підкладці активного каналу 2 товщиною hk (епітаксіальне нарощування напівпровідника с-типу з майже рівними концентраціями донорів ND.C і акцепторів NA.С (Фіг.2). Примітка. Формування повністю компенсованого напівпровідника є трудною заданою, оскільки складним виявляється контроль концентрації донорів і акцепторів. B. Формування на поверхні активного каналу 1 шару пасивного каналу 2 товщиною h1 (епітаксік альне нарощування виродженого напівпровідника n-типу з заданими градієнтами концентрацій: до норів (ND − ND.C ) / h1 і акцепторів (NA − NA.C ) / h1 . k k Величини концентрацій домішок ND, NA, ND,C, NA,C і їх хімічна природа визначаються видом напівпровідника і їх розчинністю в ньому. Г. Епітаксіальне нарощування на поверхні каналу діелектрика (наприклад двоокису кремнію) товщиною dD. Д. Формування на поверхні діелектрика металічного контакту 4. Е. Вертикальне вилучення матеріалу(травлення) транзисторної структури в місцях розміщення електродів «витік», «стік» на глубину, рівну 1.3 h1 . к Є. Молекулярно-променеве легування n+областей витоку і стоку. Ж. Формування металічних контактів і електродів «стік»,«затвор», «витік». Робота пристрою (динаміка). При подачі негативної відносно підкладки напруги на затвор його зовнішнє електричне поле Е3 зменшує напруженість внутрішнього поля Ев в активному шарі каналу. Оскільки активний канал є напівпровідником с 5 44829 типу, то в ньому почне проявлятися ефект прямого перехоплення акцепторами донорних електронів (ППАДЕ). Цей процес супроводжується різким зменшенням концентрації дірок і вільних електронів. Останнє пояснюється тим ,що заповнення акцепторних рівнів донорними електронами проходить без участі в цьому процесі базових атомів напівпровідника. Якщо на затвор одночасно з постійною подати змінну напругу, то виникне модуляція опору каналу, що приведе, при наявності в колі стоку резистора навантаження і позитивної стокової напруги живлення, до утворення змінної (вихідної) напруги на стоку. Технічним результатом корисної моделі є: 1. Збільшення (один-два порядки) граничної частоти із-за зменшення опору каналу; 2. Збільшення (один-два порядки) крутості ізза збільшення ефективності впливу напруги затвору на величину опору каналу внаслідок ефекту ППАДЕ. Обґрунтування причинно-наслідкового зв’язку між технічним завданням і технічнім результатом. На основі аналізу ППАДЕ в каналі НВЧ МДНтранзистора залежність струму стоку 1с від напруги на затворі UЗВ і напруги на стоку UСВ має вид IC = zK ⋅ hK ρ0 ⋅ lK UСВ ∫ 0 ⎧ ⎛ ⎪ U + ϕc (x ) ⎞ ⎟ exp⎨− ⎜ ЗВ ⎟ ⎜ ϕ∑ ⎪ ⎝ ⎠ ⎩ γ⎫ ⎪ ⎬dϕc (x ) ⎪ ⎭ (1) де ρ0 - початковий питомий опір активного шару каналу; γ - коефіцієнт прямого перехоплення електронів 2 NA.C N N γ = β ⋅ α n ⋅ αp = × D.C. × A.C. (2) min ND.C + NA.C Nn Nmin p β - коефіцієнт компенсації домішок, αn – електронний коефіцієнт виродження, αр – дірковий коефіцієнт виродження, N 2 NA.C N ; αn = D.C. ; αp = A.C. β= (3) ND.C + NA.C Nmin Nmin n p φ∑ - сумарний градієнтний потенціал каналу ⎛ N ⎞ N1 NA.C N φ∑ = φT ⎜ ln D.C + ln D + ln min + ln A.C ⎟ min 1 ⎟ ⎜ N ND.C NP NA ⎠ n ⎝ (4) φ T - температурний потенціал, рівний при кімнатній температурі 0,026 В; φC (x ) - потенціал точок каналу вздовж його довжини відносно витоку при наявності напруги UCB. Значення коефіцієнта γ при кімнатній температурі в германії, кремнії і арсеніді галію лежить в межах 0,5-2. При γ=1 рівняння (1) приймає вид U U − ЗВ ⎛ − СВ ⎞ φ∑ ⎜ φ ⎟ IC = ICO e (5) ⎜1 − e ∑ ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ де ІСО - початковий струм транзистора 6 φ∑ × ZK × hK (6) ρ0 × lK Із формули (5) одержуємо крутість транзистоICO = ра dIC S= dUЗВ UЗВ UСВ −const − I φ = − CO e ∑ φ∑ (7) Модуль максимального значення крутості при UЗВ=0 I SМАКС = CO (8) φ∑ Ємність затвор-канал ε ε z l СЗК = 0 D K K (9) dD Початковий опір каналу ρ l rk = 0 K (10) hK zK Гранична частота 1 fГР = (11) 2πСЗКrK Приклад розрахунку параметрів заявляемого пристрою. Матеріал напівпровідника: арсенід галію. Акцептор: цинк. Донор: олово. Початкові параметри: ND.C=2×1019см-3; NA.C=1019см-3; Nmin = 2 × 1018 см−3 ; n Nmin = 2 × 1019 см−3 ; ND=1020см-3; NA=1018см-3; lK=10p h1 = 10−5 см ; см; zK=5×10-2см; hK=2×10-5см; k -5 -14 dD=3×10 см; εD=3,5 для SiO2; ε0=8,86×10 Ф/см; -4 ρ0=3,8×10 Ом см - взято із [2] для сильнолегованого GaAs при Т=300К з врахуванням пониженої рухливості носіїв заряду. Розраховані параметри: - коефіцієнт прямого перехоплення γ=1; - сумарний градієнтний потенціал φ ∑ = 0,16 В ; ф-ла (4) - початковий струм транзистора ІСО=44мА; (6) - модуль максимальної крутості Sмакс=275мА/В, (8) -12 - ємність затвор-канал СЗК=5×10 Ф; (9) - початковий опір каналу rк=3,8Ом; (10) - гранична частота fГР=8×109Гц; (11) На основі одержаних параметрів в відповідності з рівнянням (5) побудовані статичні (передаточна і стокові) вольт-амперні характеристики заявляемого МДН-транзистора (Фіг.3). Література до опису винаходу "Надвисокочастотний МДН-транзистор": 1. И.П.Степаненко. Основы микроэлектроники. Советское радио. М. 1980. 2. Я.Ф.Федотов. Основи фізики напівпровідникових приладів. Вища школа. К. 1972. 3. Сборник переводных статей под редакцией А.Я.Нашельского "Технология полупроводниковых соединений" Металлургия. М. 1967. 2 7 Комп’ютерна верстка Н. Лиcенко 44829 8 Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601