ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР С БАРЬЕРОМ ШОТКИ
FIELD-EFFECT TRANSISTOR WITH SCHOTTKY BARRIER

Изобретение относится к электронной технике СВЧ, а именно к полупроводниковом приборам, полевым транзисторам с барьером Шотки.
Полевой транзистор с барьером Шотки (ПТШ) - полевой транзистор, в котором управляющим элементом является барьер Шотки на границе металл-полупроводник.
c
зи
Усилительные свойства ПТШ целесообразно характеризовать крутизной проходной характеристики S - отношение ΔI/ΔU, где
c
I - ток стока,
зи
U - напряжение затвор-исток.
При этом передаточная характеристика устройств СВЧ на ПТШ линейна в области, где крутизна проходной характеристики постоянна.
Известны полевые транзисторы с барьером Шотки с однородным распределением легирующей примеси в активном полупроводниковом слое, обеспечивающим необходимую концентрацию основных носителей заряда и - протекание электрического тока при подаче управляющего напряжения. В которых активный полупроводниковый слой выполнен на полуизолирующей подложке, а на противоположной поверхности активного полупроводникового слоя выполнены электроды истока, затвора, стока, при этом электрод затвора образует с активным полупроводниковым слоем барьер Шотки [Зи С. Физика полупроводниковых приборов. М, Мир, 1984, т. 1 с. 330].
th
Camiade М. Bert A. Graffeuil J. Pataut G. Low noise FET oscilators // 13 microwave Conf. Dig. 1983, p. 297-302].
Rohdin H. Su C.Y. Sfolte C. A study of the relation between device low-frequency noise and oscilator phas noise for GaAs MESFET's // IEEE MTT-Dig. Conf. 1984, p. 267-269].
Недостаток этих ПТШ заключается:
во-первых, малом коэффициенте усиления в рабочем режиме и его зависимости от амплитуды сигнала СВЧ из-за уменьшения крутизны проходной характеристики ПТШ при увеличении отрицательного напряжения затвор-исток,
вх
зи
во-вторых, высоком уровне низкочастотных шумов (на частотах ниже 1 МГц), обусловленных сильной зависимостью входной емкости (С) от напряжения затвор-исток (U), что в свою очередь обусловлено флуктуацией концентрации и подвижности основных носителей заряда в активном полупроводниковом слое и соответственно высоком уровне низкочастотных шумов устройств СВЧ на ПТШ, ограничивающих применение ПТШ в ряде устройств СВЧ, и прежде всего, в усилителях и генераторах СВЧ.
Известен полевой транзистор с барьером Шотки, содержащий полуизолирующую подложку с выполненным на ней активным полупроводниковым слоем, на противоположной поверхности которого выполнены электроды истока, затвора, стока.
В котором, с целью повышения линейности передаточной характеристики путем уменьшения зависимости крутизны проходной характеристики от напряжения затвор-исток, активный полупроводниковый слой выполнен неоднородно легированным, при этом концентрация основных носителей заряда в активном полупроводниковом слое увеличивается в направлении от электрода затвора к полуизолирующей подложке, либо плавно, либо ступенчато [Зи С. Физика полупроводниковых приборов. М, Мир, 1984, т.1, с. 348].
Неоднородно легированный активный полупроводниковый слой позволил устранить недостатки характерные для ПТШ с однородно легированным активным полупроводниковым слоем, но недостаточно в ряде случаев его применения в устройствах СВЧ.
Известен полевой транзистор с барьером Шотки, содержащий полуизолирующую подложку с выполненным на ней активным полупроводниковым слоем, на противоположной поверхности которого выполнены электроды истока, затвора и стока. При этом активный полупроводниковый слой выполнен, как и в предыдущем аналоге, неоднородно легированным.
17
-3
12
-2
17
-3
В котором, как и в предыдущем аналоге, с целью повышения линейности передаточной характеристики, часть активного полупроводникового слоя, расположенная на расстоянии от электрода затвора превышающем 0,08 мкм, выполнена с концентрацией легирующей примеси большей 2×10 см и поверхностной плотностью этой примеси (1,3-2,5)×10 см, а часть активного полупроводникового слоя между упомянутой его частью и электродом затвора выполнена с концентрацией легирующей примеси менее 2×10 см [/Патент 2093925 РФ. Полевой транзистор / Богданов Ю.М., Пашковский А.Б. Тагер А.С., Яцюк Ю.А., Петров К.И. // Бюл. - 1997 г. - №29/] - прототип.
Оптимизация профиля легирования активного полупроводникового слоя обеспечила уменьшение:
- зависимости входной емкости, крутизны проходной характеристики и линейности передаточной характеристики от напряжения затвор-исток.
- влияния флуктуаций концентрации и подвижности основных носителей заряда в активном полупроводниковом слое на параметры эквивалентной схемы ПТШ и соответственно снижение низкочастотных шумов ПТШ и устройств СВЧ на ПТШ.
Однако, при уменьшении длины электрода затвора менее 1 мкм (типичная длина электрода затвора современных ПТШ менее 0,5 мкм) в заявленных границах, не всегда удается обеспечить область постоянной крутизны проходной характеристики и линейности передаточной характеристики и соответственно - высокий коэффициент усиления и низкий уровень низкочастотных шумов ПТШ и устройств СВЧ на ПТШ.
Техническим результатом изобретения является повышение коэффициента усиления, снижение уровня низкочастотных шумов полевых транзисторов с барьером Шотки и устройств СВЧ на них.
17
-3
17
-3
Указанный технический результат достигается заявленным полевым транзистором с барьером Шотки, содержащим полуизолирующую подложку, электроды истока, затвора, стока, на полуизолирующей подложке выполнен неоднородно легированный активный полупроводниковый слой из двух частей - первой и второй, первая часть -на заданном расстоянии от электрода затвора, с концентрацией легирующей примеси более 2×10 см и заданной поверхностной плотностью этой примеси, вторая часть - между первой частью и электродом затвора, с концентрацией легирующей примеси менее 2×10 см, электрод затвора выполнен на противоположной поверхности активного полупроводникового слоя.
В котором
полуизолирующая подложка выполнена из монокристаллического арсенида галлия,
12
-2
упомянутая первая часть неоднородно легированного активного полупроводникового слоя выполнена на расстоянии от электрода затвора более 0,05 мкм, толщиной менее 0,07 мкм, с поверхностной плотностью легирующей примеси (0,6-3,0)×10 см,
полевой транзистор с барьером Шотки дополнительно содержит буферный и контактный слои,
при этом буферный слой выполнен между упомянутой полуизолирующей подложкой и неоднородно легированным активным полупроводниковым слоем, толщиной более 0,2 мкм,
18
-3
контактный слой выполнен на второй части неоднородно легированного активного полупроводникового слоя, толщиной более 0,01 мкм, с концентрацией легирующей примеси более 2×10 см, на противоположной его поверхности выполнены электроды истока и стока, расстояние между границами контактного слоя под электродами истока и стока более 0,8 мкм,
упомянутый электрод затвора выполнен длиной менее 0,7 мкм, на равном расстоянии от центра между границ контактного слоя под электродами истока и стока, либо смещен в сторону электрода истока.
Раскрытие сущности изобретения.
Выполнение:
полуизолирующей подложки из монокристаллического арсенида галлия,
12
-2
первой части неоднородно легированного активного полупроводникового слоя на расстоянии от электрода затвора более 0,05 мкм, толщиной менее 0,07 мкм, с поверхностной плотностью легирующей примеси (0,6-3,0)×10 см.
Наличие в полевом транзисторе с барьером Шотки дополнительно буферного и контактного слоев, при этом когда:
буферный слой выполнен между упомянутой полуизолирующей подложкой и неоднородно легированным активным полупроводниковым слоем, толщиной более 0,2 мкм,
18
-3
контактный слой выполнен на второй части неоднородно легированного активного полупроводникового слоя, толщиной более 0,01 мкм, с концентрацией легирующей примеси более 2×10 см,
на противоположной его поверхности выполнены электроды истока и стока, расстояние между границами контактного слоя под электродами истока и стока более 0,8 мкм,
электрод затвора выполнен длиной менее 0,7 мкм, на равном расстоянии от центра между границами контактного слоя под электродами истока и стока, либо смещен в сторону электрода истока.
Это обеспечивает:
во-первых, исключение миграции неконтролируемых примесей из полуизолирующей подложки в активный полупроводниковый слой, в том числе канал полевого транзистора с барьером Шотки и, тем самым обеспечивает:
а) высокую подвижность основных носителей заряда в активном полупроводниковом слое и, соответственно, - увеличение выходного тока в канале полевого транзистора с барьером Шотки и, как следствие, -повышение коэффициента усиления ПТШ,
б) дальнейшее уменьшение влияния флуктуаций концентрации и подвижности основных носителей заряда в активном полупроводниковом слое на параметры эквивалентной схемы ПТШ и, как следствие, -снижение низкочастотных шумов устройств СВЧ на ПТШ,
пр
во-вторых, оптимизацию конструкции полевого транзистора с барьером Шотки и, тем самым - возможность подбора для каждой любой длины электрода затвора соответствующих параметров активного полупроводникового слоя, обеспечивающих постоянство входной емкости при изменении напряжения затвор-исток и при достаточно высоком пробивном напряжении (U) и, тем самым - увеличение области постоянной крутизны проходной характеристики (линейности передаточной характеристики) и, как следствие, -
во-первых, повышение коэффициента усиления ПТШ,
во-вторых, снижение уровня низкочастотных шумов ПТШ.
И соответственно указанное выше и в устройствах СВЧ на ПТШ.
Выполнение первой части неоднородно легированного активного полупроводникового слоя:
12
-2
на расстоянии от электрода затвора менее 0,05 мкм, равно как толщиной более 0,07 мкм и поверхностной плотностью легирующей примеси менее 0,6×10 см не допустимо, из-за возникающей сильной зависимости входной емкости и крутизны проходной характеристики от напряжения затвор-исток.
12
-2
с поверхностной плотностью легирующей примеси более 3,0×10 см не желательно из-за:
отс
а) увеличения напряжения отсечки (U) ПТШ и соответственно падения его рабочего напряжения,
б) проявления краевых эффектов, приводящих к более сильной зависимости входной емкости от напряжения на электродах затвор-исток.
Выполнение буферного слоя толщиной менее 0,2 мкм не желательно из-за потери его функциональности.
18
-3
Выполнение контактного слоя на второй части неоднородно легированного активного полупроводникового слоя толщиной менее 0,01 мкм, равно как с концентрацией легирующей примеси менее 2×10 см нежелательно из-за увеличения сопротивления электрода истока и соответственно уменьшения коэффициента усиления ПТШ.
Выполнение расстояния между границами контактного слоя под электродами истока и стока менее 0,8 мкм нежелательно из-за уменьшения пробивного напряжения ПТШ.
Выполнение электрода затвора длиной более 0,7 мкм нежелательно из-за уменьшения коэффициента усиления ПТШ.
Итак, совокупность существенных признаков заявленного полевого транзистора с барьером Шотки, в полной мере, обеспечивает указанный технический результат, а именно повышение коэффициента усиления, снижение уровня низкочастотных шумов ПТШ и устройств СВЧ на ПТШ.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1. Дано схематическое изображение заявленного полевого транзистора с барьером Шотки, где
- полуизолирующая подложка из монокристаллического арсенида галлия - 1,
электроды истока, затвора, стока - 2, 3, 4 соответственно,
неоднородно легированный активный полупроводниковый слой - 5, из двух частей: первой - 5 а и второй - 5 б.
дополнительно буферный - 6 и контактный - 7 слои.
На фиг. 2. Дана реализация профиля концентрации легирующей (донорной) примеси по глубине активного полупроводникового слоя от электрода затвора.
вх
зи
На фиг. 3. Даны зависимости входной емкости (С) от напряжения затвор-исток (U) заявленного полевого транзистора с барьером Шотки (сплошная линия) и полевого транзистора с барьером Шотки - прототипа (пунктирная линия).
Примеры реализации заявленного полевого транзистора с барьером Шотки.
Пример 1.
На полуизолирующей подложке из монокристаллического арсенида галлия - 1 с атомарно гладкой поверхностью (АГПЧ-76,2-450-(100)2,5 град.(110)-ЕJ-ДСП ТУ6365-01-52692510-2010) посредством метода газофазной эпитаксии (установка AEXTRON) формируют следующую прямую последовательность сплошных технологических слоев полевого транзистора с барьером Шотки:
- буферный слой 6 толщиной 0,6 мкм;
- неоднородно легированный активный полупроводниковый слой 5 из двух частей:
12
-2
первой 5 а - на расстоянии от электрода затвора - 0,07 мкм, толщиной 0,04 мкм, с поверхностной плотностью легирующей примеси 1,8×10 см,
17
-3
второй 5 б - с концентрацией легирующей примеси 1,0×10 см;
18
-3
- контактный слой 7 толщиной 0,02 мкм, с концентрацией легирующей примеси 5×10 см, расстояние между его границами под электродами истока 2 и стока 4 - 1,0 мкм.
Далее формируют топологию полевого транзистора с барьером Шотки посредством методов литографии и травления.
При этом:
первая часть неоднородно легированного активного полупроводникового слоя 5 а выполнена на расстоянии от электрода затвора 3 - 0,07 мкм,
18
-3
контактный слой 7 выполнен на второй части неоднородно легированного активного полупроводникового слоя 5 б, толщиной 0,02 мкм, с концентрацией легирующей примеси 5×10 см, на противоположной его поверхности выполнены электроды истока 2 и стока 4, на расстоянии между границами контактного слоя 7 под электродами истока 2 и стока 4 - 1,0 мкм,
электрод затвора 3 выполнен длиной 0,3 мкм, на равном расстоянии от центра между границами контактного слоя 7 под электродами истока 2 и стока 4.
Примеры 2-5.
Примеры выполнены аналогично примеру 1, но при других конструкционных параметрах полевого транзистора с барьером Шотки, как указанных в формуле изобретения (примеры 2-3), так и выходящих за ее пределы (примеры 4-5), при этом, когда электрод затвора 3 выполнен на равном расстоянии от границ контактного слоя 7 под электродами истока 2 и стока 4 (частный случай).
Примеры 6-10.
Примеры выполнены аналогично (примерам 1-5) каждый соответственно, при этом, когда электрод затвора 3 смещен в сторону электрода истока 2 (частный случай).
Пример 6 соответствует данным прототипа.
На изготовленных образцах полевого транзистора с барьером Шотки измерены:
1. Коэффициент усиления ПТШ на частоте 10 ГГц (Векторный анализатор цепей Agilent - PNA - L - N5230C).
2. Низкочастотные шумы (фазовые шумы) усилителя СВЧ на этих ПТШ при отстройке от несущей частоты на 10 кГц (Анализатор сигналов Agilent - Е5052 В - Е5052А).
Данные представлены в таблице и на фиг. 3.
Как видно из таблицы образцы полевых транзисторов с барьером Шотки, выполненные согласно заявленной формуле изобретения имеют:
- коэффициент усиления примерно 11 дБ на частоте 10 ГГц;
- уровень низкочастотных шумов усилителя СВЧ на этих ПТШ при отстройке частоты от несущей частоты 10 кГц благодаря постоянной входной емкости (фиг. 3) составляет порядка 145-155 дБ/Гц (примеры 1-3, 6-8).
В отличие от образцов, выполненных с конструкционными параметрами за пределами формулы изобретения, равно как и образец - прототипа, которые имеют:
- коэффициент усиления 3-10 дБ на частоте 10 ГГц,
- уровень низкочастотных шумов усилителя СВЧ на этих ПТШ при отстройке частоты от несущей частоты 10 кГц составляет порядка 125-140 дБ/Гц (примеры 4-5, 9-10).
Таким образом, заявленный полевой транзистор с барьером Шотки по сравнению с прототипом обеспечит:
- повышение коэффициента усиления примерно на 80 процентов,
- снижение уровня низкочастотных шумов устройств СВЧ на заявленных ПТШ примерно на 10-20 дБ/Гц.