интегральный полевой транзистор шоттки со статической индукцией

Формула изобретения

Полевой транзистор Шоттки со статической индукцией, содержащий полупроводниковую область стока второго типа проводимости, полупроводниковую область истока второго типа проводимости, металлический контакт стока, расположенный под полупроводниковой областью стока и соединенный с ней, металлический контакт истока, расположенный над полупроводниковой областью истока и соединенный с ней, полупроводниковую область канала второго типа проводимости, имеющую вертикальную ориентацию, два металлических затвора, отличающийся тем, что в него введены четыре области разделительного диэлектрика, первая из которых расположена между полупроводниковой областью стока и первым металлическим затвором Шоттки, вторая - между полупроводниковой областью стока и вторым металлическим затвором Шоттки, третья - между первым металлическим затвором Шоттки и полупроводниковой областью истока, четвертая - между вторым металлическим затвором Шоттки и полупроводниковой областью истока, причем поперечное сечение полупроводниковой области канала второго типа проводимости имеет форму равнобедренной трапеции, большое основание которой граничит с полупроводниковой областью стока второго типа проводимости, а малое основание граничит с полупроводниковой областью истока второго типа проводимости, металлические затворы имеют трапециевидную форму поперечного сечения, расположены слева и справа от полупроводниковой области канала второго типа проводимости и образуют с ней боковыми сторонами переходы Шоттки, высота полупроводниковой области канала второго типа проводимости, определяющая длину канала транзистора, равна высоте металлических затворов Шоттки.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к области вычислительной техники и интегральной электроники, а более конкретно к интегральным полевым транзисторным структурам СБИС.

Известен интегральный полевой транзистор с управляющим переходом Шоттки (см. S.Tyc, C.Arnodo. High-frequency MESFETs in 6H-SiC // Proceedings of the Fifth Conference "Silicon Carbide and Related Materials", 1-3 November 1993, Washington, DC, USA, p.688, fig.2), содержащий полупроводниковую подложку второго типа проводимости, расположенный на ней полупроводниковый буферный слой первого типа проводимости с расположенными в нем областями стока, истока и канала второго типа проводимости, имеющими прямоугольную форму поперечного сечения, металлический контакт стока, расположенный над областью стока второго типа проводимости и соединенный с ней, металлический контакт истока, расположенный над областью истока второго типа проводимости и соединенный с ней, металлический затвор прямоугольной формы, расположенный над областью канала второго типа проводимости и образующий с ней переход Шоттки, причем область канала второго типа проводимости имеет горизонтальную ориентацию.

Недостатками являются низкое быстродействие интегрального транзистора вследствие высоких емкостей переходов сток - буферный слой и исток - буферный слой, ограничение длины горизонтально ориентированного канала минимальным топологическим размером, а также эффектом модуляции канала напряжением сток-исток, приводящим к триодным выходным вольт-амперным характеристикам короткоканальных транзисторов; нерациональное использование площади кристалла, обусловленное планарным расположением областей стока, истока и канала транзистора; низкая термостабильность и узкий диапазон рабочих температур, обусловленные температурной зависимостью порогового напряжения транзистора, зависимость удельной емкости и токов утечки переходов сток - буферный слой и исток - буферный слой от напряжений на внешних выводах транзистора.

Функциональным аналогом заявляемого объекта является интегральный полевой транзистор с управляющим переходом Шоттки (см. Шур М. Современные приборы на основе арсенида галлия: Пер. с англ. - М.: Мир, 1991. - 632 с., с.472, рис. 9.6.4г), содержащий полупроводниковую полуизолирующую подложку с расположенными в ней областями, стока, истока и канала второго типа проводимости, имеющими прямоугольную форму поперечного сечения, металлический контакт стока, расположенный над областью стока второго типа проводимости и соединенный с ней, металлический контакт истока, расположенный над областью истока второго типа проводимости и соединенный с ней, металлический затвор прямоугольной формы, расположенный над областью канала второго типа проводимости и образующий с ней переход Шоттки, причем область канала второго типа проводимости имеет горизонтальную ориентацию.

Недостатками являются пониженное быстродействие интегрального транзистора вследствие ограничения длины горизонтально ориентированного канала минимальным топологическим размером, а также эффектом модуляции канала напряжением сток-исток, приводящим к триодным выходным вольт-амперным характеристикам короткоканальных транзисторов; нерациональное использование площади кристалла, обусловленное планарным расположением областей стока, истока и канала транзистора; низкая термостабильность и узкий диапазон рабочих температур, обусловленные температурной зависимостью порогового напряжения транзистора.

Из известных наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является полевой транзистор Шоттки со статической индукцией (см. Пожела Ю. Физика быстродействующих транзисторов: Монография / АН ЛитССР. Ин-т физики полупроводников. - Вильнюс: Мокслас, 1989. - 264 с.: ил., с.195, рис. 8.6б), содержащий полупроводниковую область стока второго типа проводимости, полупроводниковую область истока второго типа проводимости, металлический контакт стока, расположенный под полупроводниковой областью стока и соединенный с ней, металлический контакт истока, расположенный над полупроводниковой областью истока и соединенный с ней, слаболегированную полупроводниковую область канала второго типа проводимости с двумя прямоугольными канавками, поперечное сечение которой имеет форму буквы Ш, расположенную между полупроводниковыми областями стока и истока второго типа проводимости, два металлических затвора, имеющих прямоугольную форму поперечного сечения и расположенные на дне канавок полупроводниковой области канала второго типа проводимости, образующие с ней нижними и боковыми сторонами переходы Шоттки, причем область канала второго типа проводимости имеет вертикальную ориентацию.

Недостатками являются наличие пассивных зон в области канала и пассивных областей управляющих переходов Шоттки, образуемых нижними гранями затворов, приводящих к увеличению занимаемой площади, паразитной емкости затвор-сток и снижению быстродействия транзистора; эффект модуляции высоты потенциального барьера в области канала напряжением сток-исток, приводящий к триодным выходным вольт-амперным характеристикам, затрудняющим использование транзисторов в интегральных логических элементах.

Задачей предлагаемого изобретения является сокращение занимаемой площади, повышение быстродействия и термостабильности интегрального полевого транзистора Шоттки со статической индукцией, расширение диапазона рабочих температур и обеспечение пентодных выходных характеристик, позволяющих проектировать интегральные логические элементы на основе транзисторов Шоттки со статической индукцией.

Для достижения необходимого технического результата в полевой транзистор Шоттки со статической индукцией, содержащий полупроводниковую область стока второго типа проводимости, полупроводниковую область истока второго типа проводимости, металлический контакт стока, расположенный под полупроводниковой областью стока и соединенный с ней, металлический контакт истока, расположенный над полупроводниковой областью истока и соединенный с ней, полупроводниковую область канала второго типа проводимости, имеющую вертикальную ориентацию, два металлических затвора, введены четыре области разделительного диэлектрика, первая из которых расположена между полупроводниковой областью стока и первым металлическим затвором Шоттки, вторая - между полупроводниковой областью стока и вторым металлическим затвором Шоттки, третья между первым металлическим затвором Шоттки и полупроводниковой областью истока, четвертая - между вторым металлическим затвором Шоттки и полупроводниковой областью истока, причем поперечное сечение полупроводниковой области канала второго типа проводимости имеет форму равнобедренной трапеции, большое основание которой граничит с полупроводниковой областью стока второго типа проводимости, а малое основание граничит с полупроводниковой областью истока второго типа проводимости, металлические затворы имеют трапециевидную форму поперечного сечения, расположены слева и справа от полупроводниковой области канала второго типа проводимости и образуют с ней боковыми сторонами переходы Шоттки, высота полупроводниковой области канала второго типа проводимости, определяющая длину канала транзистора, равна высоте металлических затворов Шоттки.

Сравнивая предлагаемое устройство с прототипом, видим, что оно содержит новые признаки, то есть соответствует критерию новизны. Проводя сравнение с аналогами, приходим к выводу, что предлагаемое устройство соответствует критерию "существенные отличия", так как в аналогах не обнаружены предъявляемые новые признаки. За счет введения в конструкцию четырех областей разделительного диэлектрика, первая из которых расположена между полупроводниковой областью стока и первым металлическим затвором Шоттки, вторая - между полупроводниковой областью стока и вторым металлическим затвором Шоттки, третья - между первым металлическим затвором Шоттки и полупроводниковой областью истока, четвертая - между вторым металлическим затвором Шоттки и полупроводниковой областью истока, а также за счет того, что поперечное сечение полупроводниковой области канала второго типа проводимости имеет форму равнобедренной трапеции, большое основание которой граничит с полупроводниковой областью стока второго типа проводимости, а малое основание граничит с полупроводниковой областью истока второго типа проводимости, металлические затворы имеют трапециевидную форму поперечного сечения, расположены слева и справа от полупроводниковой области канала второго типа проводимости и образуют с ней боковыми сторонами переходы Шоттки, причем высота полупроводниковой области канала второго типа проводимости, определяющая длину канала транзистора, равна высоте металлических затворов Шоттки, получен положительный эффект, заключающийся в сокращении занимаемой площади, повышении быстродействия и термостабильности интегрального полевого транзистора Шоттки со статической индукцией, расширении диапазона рабочих температур и обеспечении пентодных выходных характеристик, позволяющих проектировать интегральные логические элементы на основе предлагаемого транзистора.

На фиг.1 приведена структура предлагаемого интегрального полевого транзистора Шоттки со статической индукцией, на фиг.2 - зависимость потенциала в области канала транзистора от координаты Х в направлении от области истока к области стока (от поверхности кристалла вглубь) при различных напряжениях сток-исток, на фиг. 3 - передаточная вольт-амперная характеристика (ВАХ) транзистора (зависимость тока стока I_C от напряжения затвор-исток U_З), на фиг. 4 - выходные ВАХ предлагаемого устройства (зависимости тока стока I_C от напряжения сток-исток U_C).

Интегральный полевой транзистор Шоттки со статической индукцией (фиг.1) содержит полупроводниковую область стока второго типа проводимости 1, полупроводниковую область истока второго типа проводимости 2, металлический контакт стока 3, расположенный под полупроводниковой областью стока 1 и соединенный с ней, металлический контакт истока 4, расположенный над полупроводниковой областью истока 2 и соединенный с ней, полупроводниковую область канала второго типа проводимости 5, поперечное сечение которой имеет форму равнобедренной трапеции, большое основание которой граничит с полупроводниковой областью стока второго типа проводимости 1, а малое основание граничит с полупроводниковой областью истока второго типа проводимости 2, металлический затвор 6, имеющий трапециевидную форму поперечного сечения, расположенный слева от полупроводниковой области канала второго типа проводимости 5 и образующий с ней правой боковой стороной переход Шоттки, металлический затвор 7, имеющий трапециевидную форму поперечного сечения, расположенный справа от полупроводниковой области канала второго типа проводимости 5 и образующий с ней левой боковой стороной переход Шоттки, область разделительного диэлектрика 8, расположенная между полупроводниковой областью стока 1 и металлическим затвором Шоттки 6, область разделительного диэлектрика 9, расположенная между полупроводниковой областью стока 1 и металлическим затвором Шоттки 7, область разделительного диэлектрика 10, расположенная между полупроводниковой областью истока 2 и металлическим затвором Шоттки 6, область разделительного диэлектрика 11, расположенная между полупроводниковой областью истока 2 и металлическим затвором Шоттки 7, причем полупроводниковая область канала второго типа проводимости 5 имеет вертикальную ориентацию, высота полупроводниковой области канала второго типа проводимости 5, определяющая длину канала транзистора, равна высоте металлических затворов Шоттки 6, 7.

Работает устройство следующим образом. При подаче нулевых напряжений на металлический контакт стока 3, соединенный с полупроводниковой областью стока второго типа проводимости 1, и на металлические затворы Шоттки 6, 7, изолированные от полупроводниковой области стока 1 областями разделительного диэлектрика 8, 9, относительно металлического контакта истока 4, соединенного с полупроводниковой областью истока второго типа проводимости 2, области пространственного заряда управляющих переходов Шоттки перекрываются и заполняют весь объем полупроводниковой области канала второго типа проводимости 5. При этом в полупроводниковой области канала второго типа проводимости 5 образуется потенциальный барьер 12 треугольной формы, высота которого определяется контактной разностью потенциалов управляющих переходов Шоттки и разностью в положении уровня Ферми относительно середины запрещенной зоны в полупроводниковой области канала 5 и в полупроводниковых областях стока 1 и истока 2, которая является следствием различной степени легирования области канала 5 и сток-истоковых областей 1, 2. В таком устройстве контактная разность потенциалов управляющих переходов Шоттки уменьшается с ростом температуры, а разность в положении уровня Ферми относительно середины запрещенной зоны в полупроводниковой области канала 5 и в полупроводниковых областях стока 1 и истока 2 возрастает, что позволяет повысить термостабильность и расширить диапазон рабочих температур предлагаемого полевого транзистора Шоттки со статической индукцией. Треугольная форма потенциального барьера 12 обусловлена трапециевидной формой поперечного сечения полупроводниковой области канала 5.

При подаче положительного напряжения на металлический контакт стока 3 и нулевых напряжениях на металлических затворах Шоттки 6, 7 относительно металлического контакта истока 4 уменьшится угол при вершине треугольного потенциального барьера 13. При этом высота потенциального барьера 13 не изменится по сравнению с высотой потенциального барьера 12. Следовательно, высота потенциального барьера не зависит от напряжения сток-исток, что достигается малым по сравнению с длиной канала, определяемой высотой полупроводниковой области канала 5, расстоянием между металлическими затворами Шоттки 6, 7 вблизи их границ с областями разделительного диэлектрика 10, 11, изолирующими металлические затворы Шоттки 6, 7 от полупроводниковой области истока 2. При этом через канал будет протекать ток стока за счет надбарьерного перехода электронов, определяемый напряжением сток-исток, высотой потенциального барьера в области канала 5 и средней энергией электронов в зоне проводимости полупроводниковой области истока 2, зависящей от температуры.

При увеличении равных по величине положительных напряжений на металлических затворах Шоттки 6, 7 и действующем неизменном положительном напряжении на металлическом контакте стока 3 относительно металлического контакта истока 4 высота потенциального барьера 13 будет уменьшаться, что приведет к нелинейному увеличению тока стока 14. Нелинейный характер передаточной ВАХ 14 определяется неравномерным заполнением электронами энергетических состояний в зоне проводимости полупроводниковой области истока 2. При увеличении положительного напряжения на металлическом контакте стока 3 и равных по величине действующих положительных напряжениях на металлических затворах Шоттки 6, 7 относительно металлического контакта истока 4 ток стока будет возрастать, как показано на фиг.4, поз.15.

Если напряженность электрического поля в области канала 5 меньше критической напряженности Е_кр, при которой проявляется эффект насыщения скорости дрейфа электронов, то вследствие независимости высоты потенциального барьера в области канала 5 от напряжения сток-исток, выходная ВАХ 15 будет линейной при малых напряжениях сток-исток.

При напряжениях сток-исток, соответствующих напряженностям электрического поля в области канала 5, близким и превышающим Екр, выходная ВАХ 15 будет насыщаться вследствие эффекта насыщения скорости дрейфа электронов, то есть будет иметь пентодный характер. При этом треугольная форма потенциального барьера 13 обеспечивает равномерное распределение напряженности поля в канале, благодаря чему снижается вероятность возникновения эффекта лавинной ионизации.

Уменьшение длины канала, определяемой высотой полупроводниковой области 5 второго типа проводимости, будет приводить к увеличению напряженности электрического поля в канале и, как следствие, к более пентодному виду выходной ВАХ 15, что позволяет использовать предлагаемый транзистор в интегральных логических элементах СБИС.

Минимальная длина канала определяется шириной потенциального барьера 13, при которой туннельная составляющая тока стока будет значительно превосходить его надбарьерную составляющую.

Таким образом, предлагаемое устройство представляет собой интегральный полевой транзистор Шоттки со статической индукцией, характеризующийся повышенным быстродействием, пентодными выходными ВАХ, высокой термостабильностью и расширенным диапазоном рабочих температур.

Отсутствие пассивных зон в полупроводниковых областях канала, стока и истока позволяет сократить площадь, занимаемую транзистором на кристалле интегральной схемы. Использование области канала трапециевидной формы с вертикальной ориентацией обеспечивает независимость длины канала от разрешающей способности процесса литографии, устраняет влияние напряжения сток-исток на высоту потенциального барьера в области канала и позволяет повысить быстродействие транзистора за счет сокращения длины канала и при этом обеспечить пентодный характер выходных ВАХ благодаря эффекту насыщения скорости дрейфа электронов. Треугольная форма потенциального барьера обеспечивает равномерное распределение напряженности поля в канале, благодаря чему снижается вероятность возникновения эффекта лавинной ионизации, что позволяет повысить максимально допустимое напряжение сток-исток. Противоположный характер температурных зависимостей контактной разности потенциалов управляющих переходов Шоттки и разности в положении уровня Ферми относительно середины запрещенной зоны в области канала и в сток-истоковых областях позволяет повысить термостабильность и расширить диапазон рабочих температур предлагаемого устройства. Пентодный характер выходных ВАХ позволяет использовать предлагаемый полевой транзистор Шоттки со статической индукцией в интегральных логических элементах СБИС.