專利名稱：載流子提取晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及提取晶體管、即、本征電導(dǎo)率因載流子的提取而降低的晶體管。
在考慮先有技術(shù)之前，討論一下半導(dǎo)體的專用術(shù)語和特性。晶體管的工作有賴于半導(dǎo)體材料中的電輸送效應(yīng)，廣義來說，有三種重要的導(dǎo)電狀態(tài)即不飽和非本征態(tài)、飽和非本征態(tài)和本征態(tài)，這三種導(dǎo)電狀態(tài)分別發(fā)生在低溫、中溫和高溫。在不飽和非本征狀態(tài)下，熱能不足以電離所有的雜質(zhì)，且載流子濃度與溫度有關(guān)，因?yàn)闇囟壬邥r(shí)有更多的雜質(zhì)被電離。載流子從單一種類的摻雜劑雜質(zhì)、即施主或受主熱激活。電導(dǎo)實(shí)質(zhì)上是由能帶中的一種載流子、即導(dǎo)帶中的電子或價(jià)帶中的空穴、但不是二者引起的。飽和非本征狀態(tài)的情況類似，但它發(fā)生在較高溫度下，此時(shí)實(shí)際上所有雜質(zhì)都已被電離但沒有足夠的熱能來電離大量的價(jià)帶狀態(tài)以形成電子-空穴對此時(shí)載流子的濃度基本上與溫度無關(guān)。
在本征狀態(tài)，除了因雜質(zhì)激活而產(chǎn)生的一種類型的載流子外，產(chǎn)生兩種類型的載流子、即電子-空穴對的價(jià)帶狀態(tài)的熱電離對導(dǎo)電有顯著的貢獻(xiàn)。電導(dǎo)是由兩個(gè)能帶中的兩種載流子，即導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴引起的。在此狀態(tài)下導(dǎo)電率隨溫度而變，因?yàn)殡娮?空穴對的濃度與溫度有關(guān)。在非本征狀態(tài)和本征狀態(tài)之間有一個(gè)中間過渡區(qū)，此時(shí)電導(dǎo)部分是非本征的，部分是本征的，導(dǎo)致一種類型的載流子多于另一種載流子，即多數(shù)載流子和少數(shù)載流子鍺(Ge)在環(huán)境溫度或接近環(huán)境溫度的條件下根據(jù)摻雜情況就是這樣的。本征導(dǎo)電的開始溫度取決于帶隙和摻雜濃度；在低摻雜的窄能隙半導(dǎo)體中可以發(fā)生在遠(yuǎn)低于環(huán)境溫度，甚至低達(dá)150K。
環(huán)境溫度下具有飽和非本征狀的諸如Si和GaAs等材料雖然它們的遷移特性較差但在晶體管的應(yīng)用中仍較多采用，這是因?yàn)樵谄骷挠性磪^(qū)需要很低的本征載流子濃度。高純度鍺在環(huán)境溫度下是本征的，按此推論，弱摻雜的Si有時(shí)也被錯(cuò)誤地稱為本征的，例如在PIN二極管中高電阻率I(“本征”)區(qū)實(shí)際上在環(huán)境溫度下是非本征的。目前可用的最純的Si其不純度在環(huán)境溫度下也比真正本征的高約一個(gè)數(shù)量級(jí)。
窄帶隙半導(dǎo)體，例如銻化銦(InSb)，具有一些很有用的特性，例如很低的電子有效質(zhì)量，很高的電子遷移率以及高的飽和速度。這些對于超高速晶體管應(yīng)用具有巨大的潛在吸引力。InSb特別對于快速、極低功率耗散晶體管是一種很有希望的材料，因?yàn)樗诘碗妶鰰r(shí)的電子遷移率μe是GaAs的9倍，其飽和速度Vsat比GaAs高5倍，盡管GaAs在這些方面的特性比Si更好。預(yù)計(jì)InSb具有超過0.5μm的大的沖擊(ballistic)平均自由程。這就提示InSb有可能適合于很低電壓下的高速工作，這樣功耗就很低，這對便攜式及高密度的應(yīng)用是十分理想的。硅，砷化鉀和銻化銦在295K(環(huán)境溫度)時(shí)的某些特性比較示于表1。
表1InSb在295K時(shí)的特性參數(shù) 硅 GaAs InSb單位EG帶隙 1.12 1.43 0.175 eVme*電子有效質(zhì)量 0.19 0.072 0.013 M0μe電子遷移率1,500 8,500 78,000 cm2V-1S-1Vsat飽和速度 1×1071×107＞5×107cms-1Ie電子平均自由路程 0.04 0.15 0.58μmni本征載流子濃度 1.6×10101.1×1071.9×1016cm-3直到最近，InSb這些在環(huán)境溫度下有價(jià)值的特性未能被利用，這是由于其低帶隙和必然的高本征載流子濃度(～2×1016cm-3)，這比Si和GaAs分別高出6和9個(gè)數(shù)量級(jí)。這導(dǎo)致InSb器件在295K的環(huán)境溫度或接近環(huán)境溫度下的正常工作溫度時(shí)具有高的漏電流，此時(shí)少數(shù)載流子的濃度比正常摻雜等級(jí)時(shí)的所需值高出很多。許多年來都認(rèn)為這是阻礙InSb和其它窄帶隙材料在環(huán)境溫度或稍高溫度下用于器件的一個(gè)根本問題。
這個(gè)問題在美國專利5382814的發(fā)明中得到一定程度的解決該專利公開了一種利用載流子排斥和提取現(xiàn)象將載流子濃度的本征成分降低到平衡水平以下的非平衡金屬-絕緣體-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MISFET)。該MISFET是一種反偏置p+p+p-n+結(jié)構(gòu)，其中p表示InSb層，p是應(yīng)變的(strained)In1-xAlxSb層(帶下劃線的p表示比P的帶隙寬些)，p-表示在環(huán)境工作溫度下為本征的弱摻雜p型區(qū)，上標(biāo)+表示高摻雜物濃度；這四層形成相鄰層對之間的三個(gè)結(jié)，即分別為p+p+結(jié)，p+p-結(jié)和p-n+結(jié)。器件的有源區(qū)是p-區(qū)，在作為提取接點(diǎn)的p-n+結(jié)處從p-區(qū)中去除少數(shù)載流子。p+p-結(jié)是一個(gè)排斥接點(diǎn)，它禁止重新引入這些載流子。結(jié)果，在加有偏壓時(shí)在有源區(qū)少數(shù)載流子濃度下降，且多數(shù)載流子的濃度也隨之下降到同等程度以保持電荷中性。這就使電子和空穴的濃度減少了相同的數(shù)量，相當(dāng)于減少了導(dǎo)電率的本征部分(電子-空穴對)，使有源區(qū)進(jìn)入類似非本征狀態(tài)。
根據(jù)2003年7月9日 申請日期2001年5月2日 優(yōu)先權(quán)日2000年5月19日
發(fā)明者T·J·菲利普斯 申請人:秦內(nèi)蒂克有限公司