RU2093924C1 - Field-effect transistor on heterostructure - Google Patents

Abstract

FIELD: electronic engineering. SUBSTANCE: transistor has part to semiconductor material layer placed at distance greater than 30 nm from gate whose dope concentration is higher than 3·10¹⁷cm^-3 and surface area of this dope is greater than 10¹²cm^-2; semiconductor material layer between mentioned part and gate has mean dope concentration ≅3·10¹⁷cm^-3. EFFECT: improved linear characteristics of device built around these transistors and reduced modulation noise of such devices. 5 dwg

Description

Изобретение относится к электронной технике, а именно к полевым транзисторам на гетероструктурах с селективным легированием (ПТ ГСЛ). The invention relates to electronic equipment, namely to field-effect transistors based on heterostructures with selective doping (PT GSL).

Известен ПТ ГСЛ, состоящий из высокоомной подложки, двух или более чередующихся слоев широкозонного и узкозонного материалов с согласованными (изоморфными) или несогласованными (псевдоморфными) кристаллическими решетками. На наружной поверхности полупроводниковой гетероструктуры расположены исток, сток и затвор. Последний образует с полупроводником барьер Шотки [1] (фиг. 1). Слой узкозонного материала не легирован, слой широкозонного материала легирован сильно (с концентрацией примеси ≈ 10¹⁸ см^-3) с однородным распределением примеси по толщине слоя. Между сильнолегированным широкозонным и нелегированным узкозонным материалами расположен тонкий ≈ 1,0 5,0 нм слой чистого широкозонного материала (спейсер). Электроны, стремясь занять положение с минимальной потенциальной энергией, переходят с примесных атомов широкозонного полупроводника в узкозонный, образуя у границы гетероперехода потенциальную яму с двумерным электронным газом. Для увеличения крутизны расстояние между затвором и двумерным электронным газом (границей гетероперехода) делают минимальным (не более 40 нм). Такой транзистор обладает низким уровнем шума на сверхвысоких частотах (СВЧ) и широко используется для создания малошумящих усилителей и ряда других СВЧ-устройств [1]
Одним из недостатков ПТ ГСЛ с однородным профилем легирования широкозонного материала является сильная зависимость крутизны (g_m) и входной емкости (C_из) от напряжения смещения на затворе (U_из) [1] приводящая к зависимости коэффициента усиления от амплитуды СВЧ-сигнала, что ухудшает характеристики (коэффициент усиления, линейность) СВЧ-усилителей и других СВЧ -устройств.Known PT GSL, consisting of a high-resistance substrate, two or more alternating layers of wide-gap and narrow-gap materials with matched (isomorphic) or mismatched (pseudomorphic) crystal lattices. On the outer surface of the semiconductor heterostructure are the source, drain and gate. The latter forms a Schottky barrier [1] with the semiconductor (Fig. 1). The narrow-gap material layer is not doped, the wide-gap material layer is heavily doped (with an impurity concentration of ≈ 10 ¹⁸ cm ^-3 ) with a uniform distribution of the impurity over the layer thickness. Between the heavily doped wide-gap and undoped narrow-gap materials, there is a thin ≈ 1.0 5.0 nm layer of pure wide-gap material (spacer). In an attempt to occupy a position with a minimum potential energy, electrons pass from impurity atoms of a wide-gap semiconductor to a narrow-gap semiconductor, forming a potential well with a two-dimensional electron gas at the boundary of the heterojunction. To increase the steepness, the distance between the gate and the two-dimensional electron gas (heterojunction boundary) is minimized (no more than 40 nm). Such a transistor has a low noise level at microwave frequencies and is widely used to create low-noise amplifiers and a number of other microwave devices [1]
One of the drawbacks of the GSL FC with a uniform doping profile for wide-gap material is the strong dependence of the slope (g _m ) and input capacitance (C _out ) on the bias voltage at the gate (U _out ) [1] leading to the dependence of the gain on the amplitude of the microwave signal, which degrades the characteristics (gain, linearity) of microwave amplifiers and other microwave devices.

Другим существенным недостатком известных ПТ ГСЛ является высокий уровень низкочастотного (НЧ) шума (на частотах ниже 1 МГц), ограничивающий их применение в СВЧ-генераторах и ряде других устройств, в которых он приводит к высокому уровню модуляционных, в том числе фазовых шумов. Another significant drawback of the well-known GSL DTs is the high level of low-frequency (LF) noise (at frequencies below 1 MHz), limiting their use in microwave generators and a number of other devices in which it leads to a high level of modulation, including phase noise.

Известен ПТ ГСЛ с неоднородным профилем легирования, принятый нами за прототип [2] В нем для увеличения поверхностной плотности электронов в потенциальной яме узкая часть широкозонного материала толщиной ≈ 1 нм легирована до концентрации ≈ 10¹⁹ см^-3 (так называемый ПТ ГСЛ с δ- легированием). Однако в прототипе не реализован оптимальный профиль легирования активного слоя, обеспечивающий минимизацию зависимости входной емкости от напряжения U_из и влияния флуктуаций концентрации и подвижности носителей тока в канале на параметры эквивалентной системы ПТ ГСЛ крутизну, входную и проходную емкость и др.There is a known GSL PT with an inhomogeneous doping profile, which we adopted as a prototype [2] In it, to increase the surface density of electrons in a potential well, a narrow part of a wide-gap material with a thickness of ≈ 1 nm is doped to a concentration of ≈ 10 ¹⁹ cm ^-3 (the so-called GFS with δ- alloying). However, in the prototype, the optimum profile of the active layer doping is not implemented, which minimizes the dependence of the input capacitance on the voltage U _from and the influence of fluctuations in the concentration and mobility of current carriers in the channel on the parameters of the equivalent GS GSL system, the slope, input and passage capacitance, etc.

Техническим результатом от реализации изобретения будет улучшение линейности характеристик устройств на ПТ ГСЛ путем уменьшения входной емкости от напряжения на затворе и снижения модуляционных шумов СВЧ-устройств на ПТ ГСЛ путем уменьшения влияния флуктуаций концентрации и подвижности носителей тока в канале на параметры эквивалентной схемы ПТ ГСЛ. The technical result from the implementation of the invention will be to improve the linearity of the characteristics of devices on a PT GSL by reducing the input capacitance from the gate voltage and reducing the modulation noise of microwave devices on a PT GSL by reducing the influence of fluctuations in the concentration and mobility of current carriers in the channel on the parameters of the equivalent circuit of the GSL.

Эти результаты достигаются тем, что в известной конструкции гетероструктурного полевого транзистора с селективным легированием, содержащей высокоомную подложку и по крайней мере один слой широкозонного и один слой узкозонного полупроводниковых материалов с согласованными и несогласованными кристаллическими решетками, а также исток, затвор и сток, расположенные на наружной поверхности полупроводникового материала, часть слоя полупроводникового материала, расположенная на расстоянии от затвора, превышающем 30 нм, выполнена с концентрацией легирующей примеси, большей 3•10¹⁷ см^-3, и поверхностной плотностью этой примеси, большей 10¹² см^-2 (под поверхностной плотностью подразумевается количество легирующей примеси во всей толщине слоя, приходящееся на единицу поверхности и определяемое выражением:

где N_(y) зависимость концентрации легирующей примеси от расстояния до поверхности, a, b границы слоя [3]), а средняя концентрация легирующей примеси между упомянутой частью слоя полупроводникового материала и затвором не превышает 3•10¹⁷ см^-3.These results are achieved by the fact that in the known design of a heterostructured field-effect transistor with selective doping, containing a high-resistance substrate and at least one layer of wide-gap and one layer of narrow-gap semiconductor materials with matched and inconsistent crystal lattices, as well as a source, gate, and drain located on the outer the surface of the semiconductor material, a portion of the semiconductor material layer located at a distance from the gate in excess of 30 nm is made with concent atsiey dopant greater than 3 • 10 ¹⁷ cm ^-3, and an areal density of impurities greater than 10 ¹² cm ^-2 (a surface density is meant an amount of the dopant throughout the thickness of the layer per unit surface and defined by the expression:

where N _{(y) is the} dependence of the dopant concentration on the distance to the surface, a, b of the layer boundary [3]), and the average dopant concentration between the mentioned part of the semiconductor material layer and the gate does not exceed 3 • 10 ¹⁷ cm ^-3 .

Выполнение слоя полупроводника между узкозонным материалом и затвором с предлагаемым профилем легирования (см. например, фиг.2) при определенных напряжениях на затворе обеспечивает существенное уменьшение зависимости крутизны и входной емкости по сравнению с прототипом, что обеспечивает улучшение линейности устройств на таких ПТ ГСЛ и приводит к снижению в них модуляционных шумов, основным источником которых является нелинейность входной емкости. The implementation of the semiconductor layer between the narrow-gap material and the gate with the proposed alloying profile (see, for example, Fig. 2) at certain gate voltages provides a significant reduction in the dependence of the slope and the input capacitance in comparison with the prototype, which improves the linearity of devices on such GSL and leads to reduce modulation noise in them, the main source of which is the nonlinearity of the input capacitance.

Изобретение поясняется чертежами. The invention is illustrated by drawings.

На фиг. 1 дано схематическое изображение одного из вариантов выполнения полевого транзистора на гетероструктуре с селективным легированием, где показаны высокоомная подложка 1, нелегированный узкозонный материал 2, нелегированный широкозонный материал (спейсер) 3, сильнолегированный широкозонный материал 4, исток 5, затвор 6, сток 7. In FIG. 1 shows a schematic representation of one embodiment of a field effect transistor on a selective doping heterostructure, where a high-resistance substrate 1, undoped narrow-gap material 2, undoped wide-gap material (spacer) 3, high-alloy wide-gap material 4, source 5, gate 6, drain 7 are shown.

На фиг.2 дан один из возможных профилей легирования предлагаемого транзистора, где N_D концентрация доноров в активном слое, y -расстояние до поверхности.Figure 2 shows one of the possible doping profiles of the proposed transistor, where N _{D is the} concentration of donors in the active layer, y is the distance to the surface.

На фиг.3 дана расчетная зависимость входной емкости C_из (____) и крутизны g_m (- - - -) от напряжения смещения на затворе U_из для Al_0,3Ga_0,7As/GaAs ПТ ГСЛ с оптимизированными согласно перечисленным требованиям профилями легирования с длинами затвора L 0,5 мкм (кривая 1), 2 L 0,3 мкм (кривая 2), и ПТ ГСЛ с однородно легированным широкозонным материалом и длиной затвора L 0,5 мкм (кривая 3).Figure 3 shows the calculated dependence of the input capacitance C _of (____) and the slope g _m (- - - -) on the bias voltage at the gate U _of for Al _0.3 Ga _0.7 As / GaAs PT GSL with optimized according to the listed requirements doping profiles with gate lengths L 0.5 μm (curve 1), 2 L 0.3 μm (curve 2), and GSL PT with uniformly doped wide-gap material and a gate length L 0.5 μm (curve 3).

На фиг. 4 дана расчетная зависимость входной емкости C_из (____) и крутизны g_m (- - - -) от напряжения смещения на затворе U_из для Al_0,2Ga_0,8As/In_0,15Ga_0,85As/GaAs ПТ ГСЛ с оптимизированными, согласно перечисленным требованиям, профилями легирования широкозонного материала при длине затвора L 0,3 мкм.In FIG. Figure 4 shows the calculated dependence of the input capacitance C _from (____) and the slope g _m (- - - -) on the bias voltage at the gate U _from for Al _0.2 Ga _0.8 As / In _0.15 Ga _0.85 As / GaAs PT GSL with optimized, according to the listed requirements, alloying profiles of wide-gap material with a gate length L of 0.3 μm.

На фиг. 5 дан пример конкретной структуры ПТ ГСЛ, удовлетворяющей перечисленным выше требованиям. Высокоомная подложка (i-GaAs) 1, нелегированный GaAs 2, нелегированный Al_0,3Ga_0,7As 3, сильнолегированный слой Al_0,3Ga_0,7As с концентрацией доноров 10¹⁸ см^-3 4, слой Al_0,3Ga_0,7As, легированный до N_D 2•10¹⁷ см^-3 5, исток 6, затвор 7, сток - 8.In FIG. 5 gives an example of a specific structure of the GSL FS, which satisfies the requirements listed above. High-resistance substrate (i-GaAs) 1, unalloyed GaAs 2, unalloyed Al _0.3 Ga _0.7 As 3, highly doped Al _0.3 Ga _0.7 As layer with a donor concentration of 10 ¹⁸ cm ^-3 4, Al ₀ layer _{, 3} Ga _0.7 As, doped to N _D 2 • 10 ¹⁷ cm ^-3 5, source 6, shutter 7, drain - 8.

Пример. Как пример конкретного исполнения ПТ ГСЛ, согласно перечисленным выше требованиям, можно предложить следующую конструкцию транзистора фиг.5, имеющую параметры гетероструктуры: полуизолирующая подложка из i-GaAs 1, нелегированный GaAs с концентрацией остаточных примесей N_p ≅ 10¹⁵ см^-3 2, нелегированный Al_0,3Ga_0,7As с концентрацией примеси <10¹⁵ см^-3 толщиной 3 нм 3, сильнолегированный слой Al_0,3Ga_0,7As с концентрацией доноров 10¹⁸ см^-3 толщиной 15 нм 4, слой Al_0,3Ga_0,7As, легированный до N_D 2•10¹⁷ см^-3 толщиной 50 нм 5, исток 6, затвор 7, сток 8.Example. As an example of a specific embodiment of a GSL PT, according to the requirements listed above, one can propose the following design of the transistor of Fig. 5, having heterostructure parameters: a semi-insulating substrate of i-GaAs 1, undoped GaAs with a concentration of residual impurities N _p ≅ 10 ¹⁵ cm ^-3 2, undoped Al _0.3 Ga _0.7 As with an impurity concentration of <10 ¹⁵ cm ^-3 with a thickness of 3 nm 3, a highly doped layer of Al _0.3 Ga _0.7 As with a donor concentration of 10 ¹⁸ cm ^-3 with a thickness of 15 nm 4, an Al ₀ layer _{, 3} Ga _0.7 As, doped to N _D 2 • 10 ¹⁷ cm ^-3 with a thickness of 50 nm 5, source 6, gate 7, drain 8.

Claims (1)

Полевой транзистор на гетероструктуре, содержащий высокоомную подложку и по крайней мере один слой широкозонного и один слой ускозонного полупроводниковых материалов с согласованными или несогласованными кристаллическими решетками, а также исток, затвор и сток, расположенные на наружной поверхности полупроводникового материала, отличающийся тем, что часть слоя полупроводникового материала, расположенная на расстоянии от затвора, превышающем 30 нм, выполнена с концентрацией легирующей примеси большей 3 • 10^1 7 см^- 3 и поверхностной плотностью этой примеси большей 10^1 2 см^- 2, а средняя концентрация легирующей примеси между упомянутой частью слоя полупроводникового материала и затвором не превышает 3 • 10^1 7 см^- 3.A field transistor on a heterostructure containing a high-resistance substrate and at least one layer of wide-gap semiconductor materials with matched or non-matched crystal lattices, as well as a source, gate, and drain located on the outer surface of the semiconductor material, characterized in that a part of the semiconductor layer material located at a distance from the gate in excess of 30 nm, made with a concentration of dopant greater than 3 • 10 ^{1 7} cm ^{- 3} and surface density this impurity is larger than 10 ^{1 2} cm ^{- 2} , and the average concentration of the dopant between the mentioned part of the semiconductor material layer and the gate does not exceed 3 • 10 ^{1 7} cm ^{- 3} .

Images