Надвисокочастотний мдн-транзистор

Надвисокочастотний МДН-транзистор, сформований на високоомній напівпровідниковій підкладці, який містить витік, стік та затвор, ізольований від каналу провідності МДН-транзистора діелектриком SiO2, омічні контакти і електроди, який відрізняється тим, що канал провідності МДН-транзистора між витоком і стоком сформований з активного, межуючого з підкладкою, і пасивного, межуючого з діелектриком SiО2, шарів, при цьому активний шар каналу провідності створений із виродженого компенсованого напівпровідника, а пасивний шар каналу провідності створений із виродженого напівпровідника n-типу провідності з поперечним градієнтом розподілу концентрації донорів, який спрямований від поверхні підкладки до затвора. (19) (21) a200906098 (22) 15.06.2009 (24) 10.01.2011 (46) 10.01.2011, Бюл.№ 1, 2011 р. (72) ГЛАДКИЙ БОГДАН ІВАНОВИЧ, ГЛАДКИЙ РОМАН БОГДАНОВИЧ (73) ГЛАДКИЙ БОГДАН ІВАНОВИЧ, ГЛАДКИЙ РОМАН БОГДАНОВИЧ (56) EP 063221 A2, 27.10.1982; DE 2824026 A1, 20.12.1979; UA 69554 A, 15.09.2004; SU 1812898 A1, 27.03.1995; RU 2257642 C1, 27.07.2005; RU 2340040 C2, 20.06.2008; GB 1321503, 27.06.1973. 3 рення в активному каналі такого поля на його поверхні формується пасивний канал із виродженого напівпровідника n-типу товщиною h l , в якому к градієнт концентрації донорів напрямлений від підкладинки до затвора, а градієнт концентрації акцепторів направлений протилежно. Технічна задача винаходу реалізується сучасними технологіями виготовлення напівпровідникових структур [3]. На Фіг.1 показана конструкція надвисокочастотного (НВЧ) МДН-транзистора: 1 - вироджена n+область і омічний контакт «витік» (В); 2 - активний канал (вироджений компенсований напівпровідник с-типу); 2l - пасивний канал (вироджений напівпровідник n-типу); 3 - діелектрик SiO2; 4 - металічний контакт «затвор» (З); 5 - електрод «витік» (В); 6 електрод «затвор» (З); 7-електрод «стік» (С); 8 електрод «підкладинка» (П); 9 - вироджена n+ область і омічний контакт «стік»; 10 - підкладинка (напівізолюючий напівпровідник); 11 - металічний контакт «підкладинка». 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.C - 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 SiO2. 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 ЗВ  U    СВ      , IC  ICO e 1 e       де Ісo - початковий струм стоку, рівний 44мА;   - сумарний градієнтний потенціал в активному і пасивному каналах, рівний 0,16В. В заявленому транзисторі для збільшення крутості S і розширення частотного діапазону(збільшення граничної частоти fГР) 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 ІС). Верхній шар (пасивний канал)товщиною h l призначений для створення в каналі внутрішк нього поперечного електричного поля Ев, направленого від затвора до підкладинки. 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 чи 93121 4 ном, в початковому стані (при UЗК=0) електричний опір каналу мінімальний. Будова пристрою. Заявлений транзистор (Фіг.1) містить: високоомну (напівізолюючу) напівпровідникову підкладинку 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, довжиною lк, шириною wk; пасивний канал 2l товщиною h l , довжиною lк, шириною wk; діелектрик SiO2 3 к товщиною dD. Основні технологічні етапи виготовлення. A. Підготовка поверхні підкладинки 10 до епітаксіального нарощування. Б. Формування на підкладинці активного каналу 2 товщиною hk (епітаксіальне нарощування напівпровідника с-типу з майже рівними концентраціями донорів ND.C і акцепторів NA.C) (Фіг.2). Примітка. Формування повністю компенсованого напівпровідника є трудною задачею, оскільки складним виявляється контроль концентрації донорів і акцепторів. B. Формування на поверхні активного каналу шару пасивного каналу 2l товщиною h l (епітаксіак льне нарощування виродженого напівпровідника n-типу з заданими градієнтами концентрацій: донорів ND  ND.C  / hl і акцепторів NA  NA.C  / hl . 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 h l . 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 підкладинки напруги на затвор його зовнішнє електричне поле ЕЗ зменшує напруженість внутрішнього поля Ев в активному шарі каналу. Оскільки активний канал є напівпровідником с-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. 5 93121 Технічним результатом винаходу 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 ІС від напруги на затворі UЗВ і напруги на стоку UСВ має вид   U z K  hK СВ   U ЗВ   c x      d c x  (1) IC  exp    0  lK       0   де ρ0 - початковий питомий опір активного шару каналу;  - коефіцієнт прямого перехоплення електронів 2NA.C N N     n  p   D.C  A.C (2) ND.C  NA.C Nmin Nmin n p β - коефіцієнт компенсації домішок, αn - електронний коефіцієнт виродження, αр - дірковий коефіцієнт виродження, 2NA.C N N  ; n  D.C ; p  A.C (3) ND.C  NA.C Nmin Nmin n p  - сумарний градієнтний потенціал каналу  N1  N N N     T 1n D.C  1n D  1n A.C  1n A.C min min ND.C  Nn N N1 P A     (4)    T - температурний потенціал, рівний при кімнатній температурі 0,026 В;  C x  - потенціал точок каналу вздовж його довжини відносно витоку при наявності напруги UCB. Значення коефіцієнта  при кімнатній температурі в германії, кремнії і арсеніді галію лежить в межах 0,5-2. При =1 рівняння (1) приймає вид U ЗВ  U    СВ      (5) IC  ICO e 1 e       де Ісо - початковий струм транзистора   ZK  hK (6) ICO   0  lK Із формули (5) одержуємо крутість транзистора U  ЗВ dIC ICO  (7) S  e  dUЗВ  UС В  const  6 Модуль максимального значення крутості при UЗВ=0 I SМАКС  CO (8)  Ємність затвор-канал   z l СЗК  0 D K K (9) dD Початковий опір каналу  l rk  0 K (10) hK zK Гранична частота 1 fГР  (11) 2СЗКrK Приклад розрахунку параметрів заявляємого 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 min  2  1019 см3 ; ND=1020см-3; NA=1018см-3; Np lK=10-2см; zK=5×10-2см; hK=2×10-5см; h1  10 5 см ; k dD=3×10-5см; εD=3,5 для SiO2; ε0=8,86×10-14Ф/см; ρ0=3,8×10-4Ом см - взято із [2] для сильнолегованого GaAs при Т=300 К з врахуванням пониженої рухливості носіїв заряду. Розраховані параметри: - коефіцієнт прямого перехоплення =1; - сумарний градієнтний потенціал   0,16 В ; ф-ла (4) - початковий струм транзистора ІСО=44мА; (6) - модуль максимальної крутості Sмакс=275мА/В, (8) - ємність затвор-канал СЗК=5×10-12Ф; (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. 7 93121 8 9 Комп’ютерна верстка Т. Чепелева 93121 Підписне 10 Тираж 26 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