Полевой транзистор

 

ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР, выполненный на полупроводниковой подложке и содержащий изолированный электрод затвора, электроды стока и истока, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия , электроды стока и истока отделены от подложки туннельно-прозрачным диэлектриком и выполнены из материала, работа выхода 9 которого определяется из соотношения .,,,,Е, « Ое работа выхода с энергетигде ческого уровня, расположенного в середине запрещенной зоны полупроводниковой подложки Я Q величина заряда электрода, заряд., встроенный в туннельно-прозрачный диэлектрик; J толщина туннельно-прозрачного диэлектрика, g -эе диэлектрическая проницае (П мость туннельно-прозрачного диэлектрика; лЕррасстояние между уровнем Ферми и серединой запрещенной зоны в полупроводникос вой подложке. со

COOS СОВЕТСКИХ

Р

PECllVSËÈÊ

0% (11) А

gyp Н 01 L 29/78

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

flO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИ (21) 3572324/18-25 (22) 04.04.83 (46) 07.01.86. Бюл. ¹ 1 (72) Б.С.Борисов, А.А.Васенков, Э.А.Полторацкий, В.В.Ракитин, Р;А.Сурис и Б.И.Фукс (53) 621. 382 (088. 8) (56) Зи С.М. Физика полупроводниковых приборов. — М.: Энергия, 1973, гл. 10, с. 437.

Патент Франции № 1600568, кл. Н 01 L 11/00, 1970. (54) (57) ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР, выполненный на полупроводниковой подложке и содержащий изолированный электрод затвора, электроды стока и истока, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия, электроды стока и истока отделены от подложки туннельно-прозрачным диэлектриком .и выполнены. из материала, работа выхода Р> кото- рого определяется из соотношения О 3) - - — />аЕ

x (- ) ° где Ф; — работа выхода с энергетического уровня, расположенного в середине запрещенной зоны полупроводниковой подложки, — величина заряда электрода, 6 — заряд, встроенный в туннельно-прозрачный диэлект3—

PHK — толщина туннельно-прозрачного диэлектрика, а

Ж вЂ” диэлектрическая проницаемость туннельно-прозрачного диэлектрика; — расстояние между уровнем

Ферми и серединой запрещенной эоны в полупроводниковой подложке.

1103762

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано для создания усилителей аналоговых и цифровых сигналов, логических и запоминающих элементов, интегральных схем, в том числе больших интегральных схем (БИС) и сверхскоростных интегральных схем (СИС).

Известен полевой транзистор, выполненный на полупроводниковой подложке, содержащий изолированный .электрод затвора, а также сток и исток, выполненный.в виде полупроводниковых областей с противоположным подложке типом проводимости.

Недостатком этого прибора является ограниченное быстродействие, так как оно зависит от расстояния между стоком и истоком, которое не может быть уменьшено ниже определенного предела из-за пробоя (прокола) прибора. Кроме того, такие транзисторы требуют высококачественных

Р- -переходов, получение которых у ряда полупроводников представляет большие трудности. Создание областей разного типа проводимости,,как правило, связано с высокотемпературными процессами, ухудшающими качество приборов и затрудняющими контроль геометрических размеров.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является полевой транзистор, выполненный на полупроводниковой подложке, содержащий изолированный электрод затвора, электроды стока и истока.

Однако в этом полевом транзисторе канал отделен от источника носителей (электрода истока) барьером Шоттки, для снижения которого требуется достаточно высокое поле, создаваемое между электродами истока и стока.

Поэтому такая структура требует приложения значительных напряжений между электродами стока и истока и на изолированном электроде. затвора, что,в свою очередь снижает ее быстродействие.

Цель изобретения — повьппение быстродействия полевого транзистора.

Цель достигается тем, что элект-. роды стока и истока отделены от подложки туннельно-прозрачным диэлектриком и выполнены из материала, работа выхода „, которого определяется из соотношения -P.- >aE

1О

15 где Ф; — работа выхода с энергетического уровня, расположен5 ного в середине запрещенной эоны полупроводниковой подложки; — величина заряда электрона, Ц вЂ” заряд, встроенный в тун нельно-прозрачный диэлектрик, д — толщина туннельно-прозрачного диэлектрика, М вЂ” диэлектрическая проницаемость туннельно-прозрачного диэлектрика, А — расстояние между уровнем

Ферми и серединой запрещенной эоны в полупровод20 никовой подложке.

Приведенное условие означает, что из-за разности работ выхода материалов истока (и стока) и полупроводниковой подложки (a, кроме того, под влиянием заряда, встроенного в туннельно-прозрачный диэлектрик, либо вопреки этому влиянию) в приповерхностных областях подложки под туннельно-прозрачным диэлект30 риком электродов истока и стока обра зуются слои, обогащенные свободными носителями. Эти слои примечательны тем, что являются хорошими инжекторами свободных носителей в индуцированный канал (в отличие от барьеров

Шоттки под электродами истока и стока известного транзистора). Под действием электрического поля электрода затвора свободные носители вы40 текают из-под электрода истока в сторону электрода стока, двигаясь по индуцированному поверхностному каналу и ускоряясь полем, создаваемым напряжением, прикладываемым меж45 ду электродами стока и истока. Восполнение носителей под туннельнопрозрачным диэлектриком электрода истока происходит благодаря протеканию туннельного тока основных но50 сителей заряда (по отношению к типу .проводимости подложки) через этот диэлектрик из электрода истока. Отсутствие потенциального барьера между индуцированным каналом и обо55 гащенным (вырожденным) слоем в подложке под электродом истока позволяет прибору работать при низких напряжениях, а однородность полупро1103762.водникового материала подложки допускает уменьшение длины канала полевого транзистора. В результате быстродействие полевого транзистора будет существенно выше, чем у известных приборов подобного типа.

На фиг. 1 показан предложенный полевой транзистор, на фиг. 2 — зонная диаграмма поверхности полупроводниковой. подложки в приборе, в состоянии теплового равновесия1 на фиг. 3 — то же, при положительном смещении.

Прибор содержит полупроводниковую подложку 1, например, из кремния, слой диэлектрика 2 (например, о из SiO толщиной 1000 А), используемый в качестве изолятора электрода затвора 3, туннельно-прозрачные слои диэлектрика 4 и 5 (SiO> толщиной 10-30 А), электроды стока 6 и истока 7. В качестве проводящего материала электродов. истока и стока для полевого транзистора И -типа (изображенного на фиг. 1 .и 2) может использоваться, например Al (а также Ti

Be, Nb, Еп, Cr, Hf, Zr, ТпдОэ и т.п. а для полевого транзистора р-типа может использоваться, например, Pt (а также Ag, Au, Pa, Ir, Re, Sn0< и т.п.).

Прибор работает следующим образом.

Пусть вначале на электродах истока 7, затвора 3, стока 6 напряжения равны нулю. В состоянии теплового равновесия (см.фиг.2) из-за разности работ выхода материалов электродов истока (стока) например Al u материала подложки, например Si дно зоны проводимости поверхностного слоя, полупроводниковой подложки, например Р -типа, лежит ниже уровня

Ферми в электродах стока и истока.

Поэтому в приповерхностных областях под электродами 6 и 7 образуются заряды электронов, отделенные барьером под электродом затвора. При положительном смещении на электродах

6 и 3 (см.фиг.З) барьер понизился и электроны из-под электрода 7 начнут перетекать под электрод 6. Уход электродов из-под электрода 7 будет восполняться туннельным током через диэлектрик 5. При низком (нулевом)

10 напряжении на электроде 3 носители в канале двигаться не будут, так как потенциальный барьер изменится только вблйзи электрода стока 6. Таким образом, прибор работает как обычный полевой транзистор, но в качестве истока и стока в нем используются ИДП-структуры с туннельно-тонким диэлектриком и материалом электродов истока и стока, удовлет2р воряющим условию

r аа

Ф -У - — >аЕ м с у

Вместе с тем он имеет однородную полупроводниковую подложку, в которой отсутствуют легированные области отличного от нее типа проводимости. Прибор может использовать большинство известных полупроводниковых материалов и может быть изготовлен на кремнии без использования высокотемпературных процессов. Конструкция прибора допускает уменьшение длины канала вплоть до сотен ангстрем, что позволяет увеличить

35 верхнюю частоту его функционирования до 100 ГГц.

Хорошие инжектирующие свойства

14ЩП-структур с туннельно-прозрачным диэлектриком для стока и истока позволяют работать при низких напряжениях питания (единицах вольт), что снижает мощность, потребляемую прибором.

Прибор перспективен для использо45 вания в БИС и СИС.

1103762

Фиг.8

Составитель

Техред О.Вашишийа редактор С.Титова

Корректор Г. Решетник

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Заказ 8555/5 Тираж 678 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5