RU2654296C1

RU2654296C1 - Film field transistor with metal channel

Info

Publication number: RU2654296C1
Application number: RU2017113048A
Authority: RU
Inventors: Альфред Габдуллович Габсалямов; Генрих Габдуллович Габсалямов
Original assignee: Альфред Габдуллович Габсалямов; Генрих Габдуллович Габсалямов
Priority date: 2017-04-14
Filing date: 2017-04-14
Publication date: 2018-05-17

Abstract

FIELD: microelectronics.

SUBSTANCE: invention relates to microelectronics and can be used in the design and manufacture of devices based on transistors with a metal channel. Film field-effect transistor with a metal channel that contains source and drain electrodes formed on the insulating substrate, between which is a gate electrode covered by a gate insulator, and on the gate isolator and on the source and drain electrodes, forming with them ohmic contacts, there is a layer of a metal channel in which the resistivity ρ metal channel is 0.1–10 Ω⋅m, the thickness L of the metal channel is selected in a thickness range of 30–150 nm according to a certain condition. Metals from which the gate electrode and the metal channel are formed are selected to provide a contact potential difference between the gate electrode and the metal channel, and a space charge is located in the metal channel for controlling the channel current, which is induced by the voltage of the contact potential difference.

EFFECT: such a film field effect transistor with a metal channel allows to provide a technical result consisting in increasing the speed, output power and expanding the field of application of the transistor.

3 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано при разработке и изготовлении приборов на основе пленочных полевых транзисторов с металлическим каналом.The invention relates to microelectronics and can be used in the development and manufacture of devices based on film field effect transistors with a metal channel.

Масштабирование с целью уменьшения занимаемой полевыми транзисторами площади позволило достичь в металл-окисел-полупроводник (МОП) структурах 90 нм и 50 нм линейных размеров элементов. Однако при этом появились проблемы: эффект короткого канала, токи утечки затвора, пробои, увеличенное рассеяние мощности, т.к. при уменьшенных длинах канала транзистор невозможно закрыть полностью и между р-n переходами истока и стока протекает ток. Происходит деградация отношения токов в состояниях on и off. При попытках уменьшить толщину и длину канала появились трехмерные эффекты на окантовке и углах р-n переходов, в комплементарных схемах на МОП транзисторах (КМОП) усилилось взаимовлияние соседних транзисторов друг на друга.Scaling to reduce the area occupied by field-effect transistors made it possible to achieve linear dimensions of elements in metal-oxide-semiconductor (MOS) structures of 90 nm and 50 nm. However, problems arose in this case: the effect of a short channel, gate leakage currents, breakdowns, increased power dissipation, because with reduced channel lengths, the transistor cannot be completely closed and a current flows between the pn junctions of the source and drain. The current ratio degrades in the on and off states. When trying to reduce the thickness and length of the channel, three-dimensional effects appeared on the edging and angles of pn junctions, in the complementary circuits on MOS transistors (CMOS), the mutual influence of neighboring transistors on each other intensified.

С целью устранения перечисленных проблем появились предложения использовать в пленочных полевых транзисторах вместо полупроводниковых слоев металлические слои. Однако, известно, что в металлах в связи с высокой концентрацией свободных электронов 10²⁸м^-3 в отличие от полупроводников избыточный заряд (по закону Кулона) концентрируется с очень высокой плотностью в очень тонком поверхностном слое толщиной атомарных размеров. Этот заряд экранирует внешнее электрическое поле и полевой эффект близок к нулю.In order to eliminate these problems, proposals have appeared to use metal layers in film field-effect transistors instead of semiconductor layers. However, it is known that in metals, due to the high concentration of free electrons 10 ²⁸ m ^-3 , unlike semiconductors, an excess charge (according to the Coulomb law) is concentrated with a very high density in a very thin surface layer with a thickness of atomic dimensions. This charge shields the external electric field and the field effect is close to zero.

В связи с этим появились технические решения, в которых предлагается использовать нанесенные сверхтонкие слои для образования металлического канала полевого транзистора. Предполагалось, что напряжения, приложенные к электроду стока и к электроду затвора, обеднят металлический канал электронами настолько, что поле электрода затвора "преодолеет" сверхтонкий заряженный слой металлического канала и сможет контролировать ток в металлическом канале. В этом случае появится возможность использовать преимущества металлического канала пленочного плевого транзистора - высокую проводимость, высокое быстродействие и высокую предельную частоту.In this regard, technical solutions have appeared in which it is proposed to use deposited ultrathin layers to form a metal channel of a field-effect transistor. It was assumed that the voltages applied to the drain electrode and to the gate electrode deplete the metal channel by electrons so that the field of the gate electrode “overcomes” the ultrathin charged layer of the metal channel and can control the current in the metal channel. In this case, it will be possible to use the advantages of the metal channel of the film-type transistor - high conductivity, high speed and high limit frequency.

Известен транзистор (US 8354725, «МIМ transistor», МПК H01L 27/088, опубл. 28.04.2011), который представляет собой структуру из двух комплементарных транзисторов. Первый транзистор включает в себя первую часть сплошного общего проводящего металлического слоя толщиной от 1 до 5 атомов, (т.е. толщиной не более, примерно, 0,1-0,3 нм) и первый изолированный затвор, сформированный на первой части общего проводящего металлического слоя. Второй транзистор включает в себя вторую часть общего проводящего металлического слоя и второй изолированный затвор, расположенный на втором участке проводящего металлического слоя. Общий проводящий металлический слой находится на изолирующем слое, который расположен на первом N-типа и втором Р-типа проводимости смежных участках полупроводниковой подложки из кремния. Эти участки расположены под первым и вторым транзисторами и на них подается электрическое смещение такой полярности, что стык между участками должен быть непроводящим. Заряды этих участков обедняют проводящий слой на глубину одного или двух атомных слоев кристаллической решетки, т.е на 0,1-0,3 нм. Между изолированными затворами, которые электрически соединены между собой, расположен общий стоковый электрод «OUT», электрически соединенный с общим проводящим металлическим слоем. За затворами относительно общего стока на проводящем металлическом слое расположены электроды истоков. На первом и втором участках кремниевой подложки создаются, соответственно, N+ и Р+ контактные области, которые электрически соединяются с истоками второго и первого транзисторов, соответственно. Таким образом, транзисторы имеют по одному электроду истока, по одному изолированному электроду затвора, электрически соединенных между собой и подключенных к общему входу инвертора, и общий стоковый электрод выхода «OUT».Known transistor (US 8354725, "MIM transistor", IPC H01L 27/088, publ. 04/28/2011), which is a structure of two complementary transistors. The first transistor includes the first part of a continuous common conductive metal layer with a thickness of 1 to 5 atoms (i.e., a thickness of not more than about 0.1-0.3 nm) and a first insulated gate formed on the first part of a common conductive metal layer. The second transistor includes a second portion of a common conductive metal layer and a second insulated gate located in a second portion of the conductive metal layer. The common conductive metal layer is located on the insulating layer, which is located on the first N-type and second P-type conductivity of adjacent sections of the silicon semiconductor substrate. These sections are located under the first and second transistors and they are supplied with an electric bias of such polarity that the joint between the sections must be non-conductive. The charges of these sites deplete the conductive layer to a depth of one or two atomic layers of the crystal lattice, i.e., 0.1-0.3 nm. Between the insulated gates, which are electrically connected to each other, there is a common drain electrode "OUT", electrically connected to a common conductive metal layer. Behind the gates, relative to the total drain, source electrodes are located on the conductive metal layer. In the first and second sections of the silicon substrate, respectively, N + and P + contact areas are created, which are electrically connected to the sources of the second and first transistors, respectively. Thus, the transistors have one source electrode, one isolated gate electrode, electrically connected to each other and connected to the common input of the inverter, and a common drain electrode of the output “OUT”.

Недостатком такого транзистора является сложность конструкции, обусловленная необходимостью создания двух соприкасающихся областей в подложке с различными проводимостями, с контактными областями и дополнительными проводящими линиями для перекрестного соединения N- и Р-типа участков подложки с истоками, соответственно, второго и первого транзисторов и подачи на них соответствующих потенциалов.The disadvantage of this transistor is the design complexity, due to the need to create two contacting areas in the substrate with different conductivities, with contact areas and additional conductive lines for cross-connecting the N- and P-type sections of the substrate with the sources of the second and first transistors, respectively, and supplying them corresponding potentials.

Сложной является, соответственно, и технология изготовления, требующая значительное число дополнительных операций. Необходимы два полных цикла операций для создания легированием двумя различными примесями участков подложки с различным типом проводимости, для создания в них дополнительно высоко легированных контактных областей. Необходимо вскрытие окон в изолирующем слое к этим контактным площадкам, изготовление дополнительных проводников межсоединений этих контактных областей с истоками второго и первого транзисторов. Кроме того, в процессе литографии необходима непростая операция совмещения границы раздела N- и Р-областей в подложке со стоковым общим электродом «OUT» на поверхности проводящего слоя. Сложной является и схема электропитания транзистора, что может привести к усложнению топологии схемы за счет увеличения числа проводников и занимаемой площади.The manufacturing technology, which requires a significant number of additional operations, is also complex. Two complete cycles of operations are needed to create, by doping with two different impurities, sections of the substrate with different types of conductivity, and to create additionally highly doped contact regions in them. It is necessary to open the windows in the insulating layer to these contact pads, to produce additional conductors for the interconnections of these contact areas with the sources of the second and first transistors. In addition, the lithography process requires a difficult operation of combining the interface between the N- and P-regions in the substrate with the drain common electrode “OUT” on the surface of the conductive layer. The power supply circuit of the transistor is also complicated, which can lead to a complication of the circuit topology by increasing the number of conductors and the occupied area.

Таким образом, предлагаемая в этом патенте конструкция оказывается сложнее двух обычных полевых транзисторов, имеет много паразитных емкостей и, практически, не дает выигрыша по занимаемой площади, имеет более сложный технологический процесс изготовления и в принципе, в связи с большими паразитными емкостями, должна иметь низкие технические параметры по быстродействию и частоте и низкую надежность.Thus, the design proposed in this patent is more complicated than two conventional field-effect transistors, has many spurious capacitances and practically does not give a gain in occupied space, has a more complicated manufacturing process and, in principle, due to large stray capacitances, should have low technical parameters for speed and frequency and low reliability.

Известен полевой транзистор (US 20030155591, «Field effect transistor and method for producing a field effect transistor», МПК H01L 21/28, H01L 21/283, опубл. 21.08.2003), который содержит изолирующую подложку, электроды истока и стока, выполненные в металлическом слое, сверхтонкий металлический слой (в котором образуется металлический канал между электродами истока и стока) из платины толщиной от одного или более атомных слоев металла, причем, слой может состоять из одного или нескольких слоев различных металлов, например Pt, Au, Ag, Ti, Та, Pd, Bi, In, Cr, V, Mn, Fe, Co, Ni, Y, Zr, Nb, Mo, Те, Hf, W или сплавов, по крайней мере, из двух упомянутых металлов. Транзистор содержит первый металлический электрод затвора, расположенный над слоем металлического канала и отделенный от него слоем изолирующего диэлектрика толщиной 1-50 нм, второй металлический электрод затвора, расположенный под слоем металлического канала и встроенный в специальную канавку в подложке и отделенный от металлического канала изолирующим слоем диэлектрика также толщиной 1-50 нм. Второй электрод затвора создается методом "насечки" с последующей химико-механической полировкой подложки. Диэлектрик изолирующего слоя имеет высокую диэлектрическую постоянную от 1 до 1000 и может быть ферроэлектриком.Known field transistor (US 20030155591, "Field effect transistor and method for producing a field effect transistor", IPC H01L 21/28, H01L 21/283, publ. 08/21/2003), which contains an insulating substrate, source and drain electrodes made in a metal layer, an ultrathin metal layer (in which a metal channel is formed between the source and drain electrodes) of platinum with a thickness of one or more atomic layers of the metal, and the layer can consist of one or more layers of different metals, for example Pt, Au, Ag, Ti, Ta, Pd, Bi, In, Cr, V, Mn, Fe, Co, Ni, Y, Zr, Nb, Mo, Te, Hf, W or alloys, at least , Of the two mentioned metals. The transistor contains a first metal gate electrode located above the layer of the metal channel and separated from it by an insulating dielectric layer 1-50 nm thick, a second metal gate electrode located under the layer of the metal channel and built into a special groove in the substrate and separated from the metal channel by an insulating dielectric layer also 1-50 nm thick. The second gate electrode is created by the "notch" method, followed by chemical-mechanical polishing of the substrate. The dielectric of the insulating layer has a high dielectric constant from 1 to 1000 and can be a ferroelectric.

Недостатками такого транзистора, являются сложность его конструкции, которая требует дополнительных технологических операций для изготовления второго металлического электрода затвора в специальной канавке в подложке под изолирующим слоем методом "насечки" с последующей химико-механической полировкой подложки и точного совмещения с металлическим каналом и с первым электродом затвора, низкая воспроизводимость, нестабильность и ненадежность сверхтонких слоев металлического канала толщиной от одного до нескольких атомных слоев, которые из-за электромиграции атомов и молекул при высоких плотностях токов в рабочих режимах приводят к быстрому разрушению транзистора.The disadvantages of such a transistor are the complexity of its design, which requires additional technological operations for the manufacture of the second metal gate electrode in a special groove in the substrate under the insulating layer by the “notch” method, followed by chemical-mechanical polishing of the substrate and precise alignment with the metal channel and the first gate electrode , low reproducibility, instability and unreliability of ultrathin layers of a metal channel with a thickness of one to several atomic layers, which Due to the electromigration of atoms and molecules at high current densities in operating modes, they lead to the rapid destruction of the transistor.

Известен транзистор (US 2014080274, «Method of forming channel layer of electric device and method of manufacturing electric device using the same», МПК C25D 5/02, H01L 21/336, опубл. 20.03.2014), который содержит металлические электроды истока и стока, расположенные на изолирующем слое на некотором расстоянии друг от друга, соединяющий их металлический канал в виде тонкого металлического слоя, который образуется на изолирующем слое окисла электролитическим способом, «нижний» электрод затвора, выполненный в проводящей кремниевой подложке, и «верхний» электрод затвора, выполненный в нанесенном металлическом слое, расположенном на нанесенном на поверхность металлического канала слое подзатворного изолирующего диэлектрика.A known transistor (US 2014080274, "Method of forming channel layer of electric device and method of manufacturing electric device using the same", IPC C25D 5/02, H01L 21/336, publ. 03.20.2014), which contains the source metal electrodes and drain located on the insulating layer at some distance from each other, connecting their metal channel in the form of a thin metal layer, which is formed on the insulating oxide layer by the electrolytic method, the “lower” gate electrode made in a conductive silicon substrate, and the “upper” gate electrode made in applied metal layer located on the metal deposited on the surface of the channel insulating gate dielectric layer.

Металлический слой для канала полевого транзистора толщиной от нескольких атомных слоев до 10 нм формируется путем электролитического осаждения и нейтрализации ионов металла электронами туннельного тока через изолирующий слой от кремниевой подложки при приложенном напряжении. Электрическая цепь от кремниевой подложки сквозь изолирующий слой замыкается через образующийся металлический слой и через электролит на погруженный в него электрод из соответствующего металла, ионы которого должны образовать слой канала. Электрод может быть выполнен из золота, серебра, платины, алюминия, свинца, гафния, тантала, титана, меди, олова или палладия. Электролит может, соответственно, представлять собой раствор HAuCl₄, AgNO₃, H₂Pt(NO₂)₂SO₄ или H₂PtCl₆. Длина и ширина образуемого металлического канала определяется рисунком в нанесенном и проявленном после экспонирования слое фоторезиста. Толщина металлического слоя в пределах от моноатомного слоя до 10 нм контролируется по величине тока, туннельным образом проходящего через изолирующий слой и затем через этот осаждаемый металлический слой на контрольную аппаратуру, которая автоматически выключает процесс осаждения при достижении заданной толщины металлического слоя.The metal layer for the field-effect transistor channel with a thickness of several atomic layers up to 10 nm is formed by electrolytic deposition and neutralization of metal ions by tunneling current electrons through an insulating layer from a silicon substrate at an applied voltage. The electrical circuit from the silicon substrate through the insulating layer is closed through the formed metal layer and through the electrolyte to the immersed electrode in it from the corresponding metal, the ions of which must form the channel layer. The electrode may be made of gold, silver, platinum, aluminum, lead, hafnium, tantalum, titanium, copper, tin or palladium. The electrolyte may, respectively, be a solution of HAuCl ₄ , AgNO ₃ , H ₂ Pt (NO ₂ ) ₂ SO ₄ or H ₂ PtCl ₆ . The length and width of the formed metal channel is determined by the pattern in the layer of photoresist deposited and developed after exposure. The thickness of the metal layer in the range from the monoatomic layer to 10 nm is controlled by the magnitude of the current passing through the insulating layer in a tunnel manner and then through this deposited metal layer to the control apparatus, which automatically switches off the deposition process when the specified thickness of the metal layer is reached.

Недостатком такого транзистора является низкое качество слоя металлического канала, т.к. при его изготовлении неизбежны вторичные процессы диссоциации растворителей, которые вносят в структуру слоя металлического канала включения посторонних атомов и молекул, создают структурные дефекты и дислокации. Высокие электрические поля до 10⁶-10⁷ В/м и высокие плотности тока до 10⁹ А/м², возникающие при работе транзистора, вызывают усиленную электродиффузию и электромиграцию этих дефектов и включений, что приводит к нестабильности характеристик, низкой надежности и к быстрой электрической эрозии сверхтонкого металлического канала и, следовательно, к разрушению транзистора.The disadvantage of this transistor is the low quality of the layer of the metal channel, because during its manufacture, secondary processes of dissociation of solvents are inevitable, which introduce foreign atoms and molecules into the layer structure of the metal channel, create structural defects and dislocations. High electric fields up to 10 ⁶ -10 ⁷ V / m and high current densities up to 10 ⁹ A / m ² that occur during the operation of the transistor cause enhanced electrodiffusion and electromigration of these defects and inclusions, which leads to instability of characteristics, low reliability and fast electrical erosion of an ultrathin metal channel and, consequently, to the destruction of the transistor.

Наиболее близким к заявляемому является транзистор (US 20110180867 «Metal transistor device», МПК H01L 29/78, H01L 21/8238, H01L 21/336, опубл. 28.07.2011), содержащий подложку из кремниевой пластины с выращенным на нем изолирующим слоем, на котором расположены электроды истока и стока из n-типа металла с промежутком между ними, в котором на изолирующем слое в контакте с электродами истока и стока расположен слой металлического канала из р-типа металла, на котором расположен слой подзатворного изолятора, а на подзатворном изоляторе расположен электрод затвора. Толщина слоя металлического канала выбрана в диапазоне от 0,05 нм до 5 нм. Металлический канал может состоять из материала, выбранного из группы чистых металлов, сплавов, по крайней мере, из двух чистых металлов, из проводящего силицида металла, из проводящего салицида металла, из проводящего селенида металла и проводящего теллурида металла.Closest to the claimed one is a transistor (US 20110180867 "Metal transistor device", IPC H01L 29/78, H01L 21/8238, H01L 21/336, publ. 07.28.2011) containing a silicon wafer substrate with an insulating layer grown on it, on which are located the source and drain electrodes of n-type metal with a gap between them, in which on the insulating layer in contact with the source and drain electrodes there is a layer of a metal channel of p-type metal, on which a gate insulator layer is located, and on the gate insulator The gate electrode is located. The thickness of the layer of the metal channel is selected in the range from 0.05 nm to 5 nm. The metal channel may consist of a material selected from the group of pure metals, alloys, at least two pure metals, a conductive metal silicide, a conductive metal salicide, a conductive metal selenide and a conductive metal telluride.

В р-типа металлическом канале, который контактирует с электродами истока и стока, изготовленных в слое из n-типа металла, создается инверсионный слой.An inversion layer is created in the p-type metal channel that contacts the source and drain electrodes made in the n-type metal layer.

Недостатками такого транзистора являются низкое быстродействие, низкая выходная мощность и низкий предел частоты, что ограничивает области применения такого транзистора.The disadvantages of such a transistor are low speed, low output power and a low frequency limit, which limits the scope of such a transistor.

Причиной низких характеристик транзистора является диапазон толщин металлического канала от 0,05 нм до 5 нм, который оказался меньше критической толщины, т.е. меньше 10-15 нм. [И.В. Антонец и др. Проводящие свойства тонких металлических пленок. Сыктывкарский госуниверситет, 16.03.2004, e-mail: Kotov@syktsu.ru].The reason for the low characteristics of the transistor is the thickness range of the metal channel from 0.05 nm to 5 nm, which turned out to be less than the critical thickness, i.e. less than 10-15 nm. [I.V. Antonets et al. Conducting properties of thin metal films. Syktyvkar State University, March 16, 2004, e-mail: Kotov@syktsu.ru].

Очень тонкие и сверхтонкие пленки, полученные осаждением на подложку, представляют собой микрокристаллические термодинамически незавершенные неустойчивые образования. При этом толщина пленки и размеры микрокристаллитов оказываются меньше длины свободного пробега электронов. Поэтому высокая плотностью дефектов, разнонаправленных дислокаций, большое количество межкристаллитного аморфного материала приводят к повышенному числу столкновений электронов с дефектами и поверхностью пленки, к уменьшению времени жизни электронов, к снижению их энергии и подвижности. В таких условиях электронный ток не подчиняется закону Ома и в основном обеспечивается туннельной проводимостью между зачатками микрокристалликов. В результате резко увеличивается удельное сопротивление и уменьшается ток в металлическом канале. В условиях эксплуатации транзистора с такими пленками, например, в интегральных микросхемах, высокие электрические поля до 10⁷ В/м и токи плотностью до 10⁶ А/м² должны быстро разрушить такие сверхтонкие пленки за счет электромиграции заряженных частиц и электрической эрозии токопроводящих деталей. Дефекты, дислокации и сорбированные на поверхности пленки молекулы образуют для электронов целый спектр ловушечных состояний, в которых времена захвата электронов и их регенерации имеют длительности от долей секунды до минут и часов. Эти состояния являются одной из причин нестабильности, т.е. длительных изменений характеристик транзистора, релаксаций, т.е. искажений формы сигналов и низкого быстродействия, т.е. увеличения времени переключения транзистора из одного состояния в другое и снижение верхней границы частоты.Very thin and ultrathin films obtained by deposition on a substrate are microcrystalline thermodynamically incomplete unstable formations. In this case, the film thickness and the size of microcrystallites are less than the mean free path of electrons. Therefore, the high density of defects, multidirectional dislocations, and a large amount of intergranular amorphous material lead to an increased number of collisions of electrons with defects and the surface of the film, to a decrease in the electron lifetime, and to a decrease in their energy and mobility. Under such conditions, the electron current does not obey Ohm's law and is mainly ensured by tunneling conductivity between the rudiments of microcrystals. As a result, the resistivity sharply increases and the current in the metal channel decreases. Under operating conditions of a transistor with such films, for example, in integrated circuits, high electric fields of up to 10 ⁷ V / m and currents with a density of up to 10 ⁶ A / m ² should quickly destroy such ultra-thin films due to the electromigration of charged particles and electrical erosion of conductive parts. Defects, dislocations, and molecules adsorbed on the film surface form an entire spectrum of trap states for electrons in which the electron capture and regeneration times last from fractions of a second to minutes and hours. These conditions are one of the causes of instability, i.e. long-term changes in the characteristics of the transistor, relaxations, i.e. waveform distortion and low speed, i.e. increasing the time the transistor switches from one state to another and lowering the upper frequency limit.

Высокое сопротивление сверхтонкой пленки R обусловливает и высокое значение минимального проходного сопротивления канала транзистора и, следовательно, высокую постоянную времени τ=RC, где С - межэлектродная емкость транзистора и, в результате, транзистор по прототипу должен иметь длительное время переключения τ, т.е. низкое быстродействие t, и низкий предел частоты f.The high resistance of the ultrathin film R determines the high value of the minimum transmission resistance of the transistor channel and, therefore, the high time constant τ = RC, where C is the interelectrode capacitance of the transistor and, as a result, the prototype transistor must have a long switching time τ, i.e. low speed t, and low frequency limit f.

Кроме того, поскольку ток в сверхтонком металлическом канале существенно ограничен его очень высоким сопротивлением, то известный транзистор должен иметь низкую удельную выходную мощность N.In addition, since the current in the ultrathin metal channel is substantially limited by its very high resistance, the known transistor must have a low specific output power N.

Ограничение областей применения обусловлено невозможностью использования транзистора в импульсных цифровых схемах вследствие длительных релаксационных процессов, невозможностью использования транзистора в малосигнальных схемах из-за высокого шумового тока генерационно-рекомбинационного процесса, который неизбежно должен присутствовать в р-n переходах.The application is limited due to the impossibility of using a transistor in pulsed digital circuits due to lengthy relaxation processes, the impossibility of using a transistor in low-signal circuits due to the high noise current of the generation-recombination process, which must inevitably be present in pn junctions.

Задачей заявленного изобретения является создание пленочного полевого транзистора с металлическим каналом, позволяющего обеспечить технический результат, заключающийся в повышении быстродействия, повышении выходной удельной мощности транзистора и расширении областей применения транзистора.The objective of the claimed invention is the creation of a film field effect transistor with a metal channel, which allows to provide a technical result, which consists in increasing speed, increasing the output specific power of the transistor and expanding the scope of the transistor.

Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что в пленочном полевом транзисторе с металлическим каналом, содержащем сформированные на изолирующей подложке электроды истока и стока, между которыми расположен затвор, покрытый слоем изолятора затвора, а на изоляторе затвора и на электродах истока и стока, образуя с ними омические контакты, расположен слой металлического канала, причем, удельное сопротивление металлического канала ρ составляет 0,1-10 Ом.м, толщину L металлического канала выбирают в диапазоне толщин 30-150 нм по условию:The essence of the claimed invention lies in the fact that in a film field effect transistor with a metal channel containing source and drain electrodes formed on an insulating substrate, between which there is a gate covered with a layer of a gate insulator, and on the gate insulator and on the source and drain electrodes, forming with them ohmic contacts, a layer of the metal channel is located, moreover, the specific resistance of the metal channel ρ is 0.1-10 Ohm.m, the thickness L of the metal channel is selected in the thickness range 30-150 nm according to the condition:

L=(cερ)^1/2 , гдеL = (cερ) ^1/2 , where

L - толщина металлического канала;L is the thickness of the metal channel;

с - постоянная металла;c is the metal constant;

ε - проницаемость металла в металлическом канале;ε is the permeability of the metal in the metal channel;

ρ - удельное сопротивление;ρ is the resistivity;

металлы, из которых сформированы электрод затвора и металлический канал, выбирают с обеспечением контактной разности потенциалов между электродом затвора и металлическим каналом, для образования области объемно-пространственного заряда в металлическом канале.the metals from which the gate electrode and the metal channel are formed are selected to provide a contact potential difference between the gate electrode and the metal channel to form a space-spatial charge region in the metal channel.

Для обеспечения на затворе положительной контактной разности потенциалов между электродом затвора и металлическим каналом выбирают для затвора материал с пониженной работой выхода электронов из металлов: Cs, Pr, Hf, Si, In, Mg, Ga, Tl, V, Be, Pb, Та, Al, Zn, Sn, Bi, Cu, Cd, Nd, Sr, Rb, La, Sc, лантанидов, их сплавов и проводящих соединений, а для металлического канала выбирают материал с повышенной работой выхода электронов из металлов Hg, Fe, Сu, Ag, Аu, Pt, Pd, (As), Те, Os. (С), Ti, Ni, Cr, Co, W, Mo, Ir, их сплавов и проводящих соединений.To ensure a positive contact potential difference between the gate electrode and the metal channel on the gate, a material with a reduced electron work function from metals is selected for the gate: Cs, Pr, Hf, Si, In, Mg, Ga, Tl, V, Be, Pb, Ta, Al, Zn, Sn, Bi, Cu, Cd, Nd, Sr, Rb, La, Sc, lanthanides, their alloys and conductive compounds, and for the metal channel, a material with an increased electron work function of the metals Hg, Fe, Cu, Ag , Au, Pt, Pd, (As), Te, Os. (C) Ti, Ni, Cr, Co, W, Mo, Ir, their alloys and conductive compounds.

Для обеспечения на затворе отрицательной контактной разности потенциалов между электродом затвора и металлическим каналом для затвора выбирают материал с повышенной работой выхода электронов из металлов: Hg, Fe, Сu, Ag, Аu, Pt, Pd, (As), Те, Os. (С), Ti, Ni, Cr, Co, W, Mo, Ir, их сплавов и проводящих соединений, а для металлического канала выбирают материал с пониженной работой выхода электронов из металлов Cs, Pr, Hf, Si, In, Mg, Ga, TI, V, Be, Pb, Та, Al, Zn, Sn, Bi, Cu, Cd, Nd, Sr, Rb, La, Sc, лантанидов, их сплавов и проводящих соединений.To ensure a negative contact potential difference between the gate electrode and the metal channel for the gate, a material with an increased work function of electrons from metals is selected for the gate: Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pd, (As), Te, Os. (C), Ti, Ni, Cr, Co, W, Mo, Ir, their alloys and conductive compounds, and for a metal channel, a material with a reduced electron work function of metals Cs, Pr, Hf, Si, In, Mg, Ga is selected , TI, V, Be, Pb, Ta, Al, Zn, Sn, Bi, Cu, Cd, Nd, Sr, Rb, La, Sc, lanthanides, their alloys and conductive compounds.

Совокупность перечисленных существенных отличительных признаков необходима и достаточна для создания пленочного полевого транзистора с металлическим каналом и достижения заявленных технических результатов: повышение быстродействия, повышение выходной удельной мощности и расширение областей применения.The combination of these essential distinguishing features is necessary and sufficient to create a film field effect transistor with a metal channel and to achieve the claimed technical results: increased speed, increased specific power output and expanded areas of application.

Пленочный полевой транзистор с металлическим каналом может быть изготовлен в конструкции объемной, планарной, обратно-объемной и обратно-планарной, в зависимости от взаиморасположения пленочных электродов транзистора. Из технических соображений в одном приборе могут быть использованы одновременно различные конструкции транзистора.A film field effect transistor with a metal channel can be made in a three-dimensional, planar, back-volume and back-planar designs, depending on the relative position of the film electrodes of the transistor. For technical reasons, in one device, different transistor designs can be used simultaneously.

Экспериментально транзисторы с металлическим каналом были реализованы в обратно-планарной конструкции.Experimentally, metal channel transistors were implemented in a reverse planar design.

Изобретение поясняется следующими чертежами:The invention is illustrated by the following drawings:

Фиг. 1 - схематическое изображение поперечного сечения обратно-планарной конструкции пленочного полевого транзистора с металлическим каналом;FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an inverse planar structure of a film field effect transistor with a metal channel;

Фиг. 2 - номограмма для определения параметров транзистора с металлическим каналом, связывающая относительную электрическую постоянную или проницаемость, удельное сопротивление металлического канала, концентрацию электронов в слое металлического канала, и толщину металлического канала. Прямые графики номограммы 1-4 соответствуют значениям параметра L, т.е. слоям металлического канала толщиной 30, 50, 70 и 90 нм в слое золота насыщенного кислородом;FIG. 2 is a nomogram for determining the parameters of a transistor with a metal channel, relating the relative electric constant or permeability, the resistivity of the metal channel, the concentration of electrons in the layer of the metal channel, and the thickness of the metal channel. Direct graphs of nomograms 1-4 correspond to the values of the parameter L, i.e. layers of a metal channel with a thickness of 30, 50, 70 and 90 nm in a layer of gold saturated with oxygen;

Фиг. 3 - семейство вольт-амперных характеристик пленочного полевого транзистора с металлическим каналом (фотография с экрана осциллографа), по оси абсцисс отложено напряжение на электроде стока 0.7 В/см, по оси ординат - ток электрода стока 1,8 мА/см, ступенчатое напряжение, подаваемое на электрод затвора составляет 0,25 В/ступень;FIG. 3 - a family of current-voltage characteristics of a film field effect transistor with a metal channel (photo from the screen of the oscilloscope), the abscissa axis shows the voltage on the drain electrode 0.7 V / cm, the ordinate axis - the drain electrode current 1.8 mA / cm, step voltage, supplied to the gate electrode is 0.25 V / stage;

Фиг. 4 - импульсная характеристика пленочного полевого транзистора с металлическим каналом (фотография с экрана осциллографа), по оси абсцисс отложена длительность импульса 0,005 мкс/дел., по оси ординат - амплитуда импульса 0,7 В/деление.FIG. 4 - pulse characteristic of a film field effect transistor with a metal channel (photo from the oscilloscope screen), the abscissa axis shows the pulse duration of 0.005 μs / div., The ordinate axis shows the pulse amplitude of 0.7 V / division.

Пленочный полевой транзистор с металлическим каналом, показанный на фиг. 1, содержит изолирующую подложку 1, необходимую для механической прочности и отвода тепла, на которой расположен электрод затвора 5 покрытый слоем изолятора затвора 4 и размещенный в промежутке между электродом истока 2 и электродом стока 6. На электродах истока 2 и стока бив промежутке между ними на изоляторе затвора 4 расположен металлический канал 3, образующий с электродами истока 2 и стока 6 омические контакты. В металлическом канале 3 напротив электрода затвора 4 образована область объемно-пространственного заряда 7, индуцированная контактной разностью потенциалов между электродом затвора и металлическим каналом.The metal channel film field effect transistor shown in FIG. 1, contains an insulating substrate 1, necessary for mechanical strength and heat dissipation, on which the gate electrode 5 is located, coated with a layer of gate insulator 4 and placed in the gap between the source electrode 2 and the drain electrode 6. At the source electrodes 2 and the drain, there is a gap between them at the gate insulator 4 is a metal channel 3, forming ohmic contacts with the source 2 and drain 6 electrodes. In the metal channel 3 opposite the gate electrode 4, a space-spatial charge region 7 is formed, induced by the contact potential difference between the gate electrode and the metal channel.

Подложку 1 выполняют из боросиликатного стекла, пирекса, ситалла, кварца, сапфира, кремниевой пластины с выращенным на нем изолирующим слоем окиси кремния.The substrate 1 is made of borosilicate glass, pyrex, glass, quartz, sapphire, a silicon wafer with an insulating layer of silicon oxide grown on it.

Заявленный в изобретении диапазон толщин металлического канала составляет от 30 нм до 150 нм, в отличие от известного изобретения (прототип), где диапазон толщин сверхтонких металлических слоев выбран произвольно от 0,25 до 5 нм и находится ниже критической толщины металлических пленок, лежащей в интервале 10-15 нм, от чего резко на несколько порядков возрастает их удельное сопротивление и ухудшаются их электрофизические свойства. В связи с этим диапазон толщин металлического канала в заявленном изобретении ограничен минимальным значением около 30 нм, что гарантированно выше критической толщины. В этом случае толщина металлического канала и кристаллиты в нем, успевшие образоваться при нанесении, имеют размеры больше средней длины свободного пробега электронов, время жизни электронов выше, концентрация свободных электронов проводимости становится нормальной и удельное сопротивление в выбранном диапазоне 0,1-10 Ом.м подчиняется закону Ома.Claimed in the invention, the range of thicknesses of the metal channel is from 30 nm to 150 nm, in contrast to the known invention (prototype), where the thickness range of ultrathin metal layers is chosen arbitrarily from 0.25 to 5 nm and is below the critical thickness of metal films lying in the range 10-15 nm, from which their resistivity sharply increases by several orders of magnitude and their electrophysical properties deteriorate. In this regard, the thickness range of the metal channel in the claimed invention is limited to a minimum value of about 30 nm, which is guaranteed above the critical thickness. In this case, the thickness of the metal channel and crystallites in it, which have formed during deposition, are larger than the average mean free path of the electrons, the electron lifetime is higher, the concentration of free conduction electrons becomes normal, and the resistivity in the selected range is 0.1-10 Ohm.m obeys Ohm's law.

С другой стороны, слишком большая толщина металлического канала может оказаться, при данной концентрации электронов в металле, больше глубины проникновения управляющего поля объемно-пространственного заряда (ОПЗ), который создается в транзисторе по изобретению контактной разностью потенциалов между электродом затвора и металлическим каналом, и часть канала, не охваченная полем ОПЗ, может стать неконтролируемым электрическим шунтом. Наличие шунта отражается на характеристике транзистора появлением начального тока стока при нулевом напряжении на электроде затвора. Условие формулы для определения толщины металлического канала показывает, что вне предела заявленного диапазона толщин по мере уменьшения его стационарного удельного сопротивления увеличивается концентрация свободных электронов проводимости таким образом, что "излишние" электроны начинают экранировать поле электрода затвора, т.е. уменьшают роль ОПЗ и полевого эффекта в объеме металлического канала. При некоторой толщине и некотором значении удельного сопротивления за пределами заявленных диапазонов транзистор может превратиться в обычный конденсатор с обкладкой из "чистого" металла. Поэтому в заявленном изобретении диапазон толщины ограничен максимальным значением 150 нм, что подтверждается условием формулы при предельных значениях диапазонов удельного сопротивления и толщины.On the other hand, too large a thickness of the metal channel may, at a given electron concentration in the metal, be greater than the depth of penetration of the control field of the space-spatial charge (SCR), which is created in the transistor according to the invention by the contact potential difference between the gate electrode and the metal channel, and part a channel not covered by the SCR field may become an uncontrolled electric shunt. The presence of a shunt is reflected in the characteristic of the transistor by the appearance of an initial drain current at zero voltage at the gate electrode. The condition of the formula for determining the thickness of the metal channel shows that outside the stated thickness range, as the stationary resistivity decreases, the concentration of free conduction electrons increases in such a way that the "excess" electrons begin to shield the gate electrode field, i.e. reduce the role of SCR and the field effect in the volume of the metal channel. With a certain thickness and a certain value of resistivity outside the declared ranges, the transistor can turn into a conventional capacitor with a lining of "pure" metal. Therefore, in the claimed invention, the thickness range is limited to a maximum value of 150 nm, which is confirmed by the condition of the formula at the limit values of the ranges of resistivity and thickness.

Металлический слой с толщиной в диапазоне от 30 до 150 нм, использованный для формирования канала, имеет более совершенную поликристаллическую структуру с размерами кристаллических зерен (доменов), превышающими среднюю длину свободного пробега электронов, с хорошо сформированной кристаллической решеткой в доменах, с уменьшенным количеством дислокаций, дискретных поверхностных ловушечных состоянии и уменьшенным количеством межкристаллических прослоек. Электроны сохраняют подвижность и энергию, соответствующую приложенному к металлическому каналу напряжению. Это обеспечивает "омичность" контактов между кристаллами (доменами) и проводимость значительно большую, в отличие от проводимости полупроводниковых пленок и в отличие от туннельной проводимости сверхтонких металлических пленок ранее известных транзисторов. Поэтому диапазон толщин металлического канала от 30 до 150 нм является отличительным признаком, позволяющим индуцировать в металлическом канале соразмерную управляющую область ОПЗ.The metal layer with a thickness in the range from 30 to 150 nm, used to form the channel, has a more perfect polycrystalline structure with crystalline grains (domains) exceeding the mean free path of electrons, with a well-formed crystal lattice in the domains, with a reduced number of dislocations, discrete surface trapped state and a reduced number of intercrystalline interlayers. Electrons retain mobility and energy corresponding to the voltage applied to the metal channel. This ensures the "ohmicity" of contacts between crystals (domains) and the conductivity is much greater, in contrast to the conductivity of semiconductor films and in contrast to the tunneling conductivity of ultrathin metal films of previously known transistors. Therefore, the range of thicknesses of the metal channel from 30 to 150 nm is a hallmark that allows you to induce a commensurate control region of the SCR in the metal channel.

Кроме того, для создания ОПЗ в металлическом канале необходимо повысить его удельное сопротивление. Другими словами, необходимо до такой степени понизить концентрацию электронов проводимости металлического канала, чтобы потенциальное поле контактной разности потенциалов могло проникнуть, а оно может проникнуть только в этом случае, в металлический канал на глубину, предусмотренную заявленным диапазоном толщин, и создать, индуцировать в нем область ОПЗ. Диапазон удельных сопротивлений, в котором возможно создание области ОПЗ и управление током в металлическом канале транзистора составляет 0,1-10 Ом⋅м.In addition, to create an SCR in a metal channel, it is necessary to increase its resistivity. In other words, it is necessary to reduce the concentration of conduction electrons of the metal channel to such an extent that the potential field of the contact potential difference can penetrate, and it can penetrate only in this case, into the metal channel to the depth provided by the claimed thickness range, and create and induce a region in it SCF. The range of resistivities in which it is possible to create an SCR region and control the current in the metal channel of the transistor is 0.1-10 Ohm⋅m.

При значениях удельного сопротивления меньших минимального, указанного в диапазоне (0,1 Ом⋅м), начинается экранизация, снижение полевого эффекта и, следовательно, снижение коэффициента усиления транзистора.When the resistivity values are less than the minimum specified in the range (0.1 Ohm⋅m), the screen begins to reduce the field effect and, consequently, reduce the gain of the transistor.

При значениях удельного сопротивления больших максимального (10 Ом⋅м), указанного в диапазоне, начинается ухудшение характеристик транзистора, например, быстродействия, так как возрастает длительность постоянной времени τ=RC, где С - межэлектродная емкость, за счет высокого сопротивления R металлического канала.When the resistivities are large maximum (10 Ohm⋅m) indicated in the range, the transistor's characteristics, for example, performance, deteriorate, since the time constant τ = RC increases, where C is the interelectrode capacitance due to the high resistance R of the metal channel.

Обеспечение необходимого удельного сопротивления металлического слоя в заявленном транзисторе осуществляется либо за счет подготовки исходного материала для создания металлического канала, либо введением примеси в парогазовой фазе при нанесении металлического канала в вакууме, либо имплантацией ионов примеси в кристаллическую решетку доменов металлического канала с последующим отжигом и разгонкой примеси. Это сохраняет регулярность кристаллической решетки доменов металлического канала, омическую проводимость и омические закономерности. Благодаря этому возникает возможность создания области ОПЗ, точно совпадающей с толщиной металлического канала, у которого она, согласно условию формулы, лежит в диапазоне 30-150 нм, и контролирования тока в металлическом канале.The necessary resistivity of the metal layer in the claimed transistor is provided either by preparing the starting material to create the metal channel, or by introducing an impurity in the vapor-gas phase when applying the metal channel in vacuum, or by implanting impurity ions into the crystal lattice of the metal channel domains, followed by annealing and distillation of the impurity . This preserves the regularity of the crystal lattice of the metal channel domains, ohmic conductivity, and ohmic patterns. This makes it possible to create an SCR region that exactly matches the thickness of the metal channel, in which, according to the condition of the formula, it lies in the range of 30-150 nm, and control the current in the metal channel.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

В заявляемом транзисторе использован новый механизм управления, позволяющий использовать металлический канал высокой проводимости с толщиной, лежащей в диапазоне 30-150 нм.In the inventive transistor uses a new control mechanism that allows you to use a metal channel of high conductivity with a thickness lying in the range of 30-150 nm.

Новый механизм управления в транзисторе по заявленному изобретению поясняется на фиг. 1, где показана область управляющего объемно-пространственный заряда (ОПЗ) 7. Область ОПЗ создают и удерживают в металлическом канале 3 с помощью контактной разности потенциалов U_krp (КРП), которую создают между металлическим каналом 3 и электродом затвора 5 при изготовлении транзистора путем специального подбора металлов, сплавов или проводящих соединений с максимальной разностью работ выхода электронов. Толщина области ОПЗ 7 соразмерно соответствует толщине металлического канала 3, благодаря выбору удельного сопротивления ρ в указанном в формуле изобретения диапазоне и, соответственно, проницаемости ε металлического канала 3 с пониженной концентрацией электронов. Выбор одной из величин ε, ρ или L в пределах его диапазона, определяет соразмерные значения других величин этой группы ε, ρ и L, согласно условию формулы изобретения. Напряженность электрического поля объемно-пространственного заряда Е_ОПЗ достаточна, чтобы управлять движением электронов, составляющих ток электрода стока I_с и достаточна чтобы полностью перекрыть металлический канал 3. Это видно из характеристик, показанных на фиг. 3 и фиг. 4. На фиг. 3 на электрод стока из характериографа подано пилообразное напряжение с амплитудой 6 вольт. При нулевом напряжении на электроде затвора ток стока под действием Е_ОПЗ равен нулю. При подаче на электрод затвора ступенчатого напряжения по 0,25 вольт/ступень возникает ток электрода стока и образуется показанное на фиг. 3 семейство вольт-амперных характеристик. На фиг. 4 на электрод стока подано 6 вольт. Ток через сопротивление нагрузки 3 кОм в цепи электрода стока равен нулю. При подаче на электрод затвора прямоугольного импульса с амплитудой 60 милливольт и длительностью 0,01 мкс на нагрузке получен четкий прямоугольный импульс с амплитудой около 2,0 вольт.The new control mechanism in the transistor of the claimed invention is illustrated in FIG. 1, where the region of the controlling space-spatial charge (SCR) is shown 7. The SCR region is created and held in the metal channel 3 by means of the contact potential difference U _krp ( _KRC ), which is created between the metal channel 3 and the gate electrode 5 when manufacturing the transistor by means of a special selection of metals, alloys or conductive compounds with a maximum difference in electron work function. The thickness of the SCR 7 region is proportional to the thickness of the metal channel 3, due to the choice of resistivity ρ in the range specified in the claims and, accordingly, the permeability ε of the metal channel 3 with a low electron concentration. The choice of one of the values of ε, ρ or L within its range determines the proportional values of the other values of this group ε, ρ and L, according to the conditions of the claims. The electric field strength of the space-space charge E _{SCR is} sufficient to control the motion of the electrons making up the drain electrode current I _s and sufficient to completely block the metal channel 3. This can be seen from the characteristics shown in FIG. 3 and FIG. 4. In FIG. 3, a sawtooth voltage with an amplitude of 6 volts is applied to the drain electrode from the characterograph. At zero voltage at the gate electrode, the drain current under the action of E _SCR is zero. When a step voltage of 0.25 volts / step is applied to the gate electrode, a drain electrode current occurs and the one shown in FIG. 3 family of current-voltage characteristics. In FIG. 4 6 volts are applied to the drain electrode. The current through the load resistance of 3 kΩ in the drain electrode circuit is zero. When a rectangular pulse with an amplitude of 60 millivolts and a duration of 0.01 μs was applied to the gate electrode, a clear rectangular pulse with an amplitude of about 2.0 volts was obtained at the load.

Управление током металлического канала 3 происходит путем изменения, плотности заряда области ОПЗ 7 за счет внешнего напряжения, подаваемого на электрод затвора 5. Таким образом, максимальное быстродействие, т.е. скорость переключения транзистора из закрытого состояния в открытое и наоборот определяются емкостью С_зк между металлическим каналом 3 и электродом затвора 5 и весьма низким проходным сопротивлением R_k металлического канала 3 в открытом состоянии. Время перезарядки емкости электрода затвора С_зк определяет быстродействие транзистора. В изготовленном транзисторе быстродействие оказалось достаточно высоким, т.к. время переключения составило 0,001 мкс (фиг. 4). Это обусловлено отличительной особенностью изобретения, а именно, практически безинерционной областью ОПЗ 7, созданной контактной разностью потенциалов между электродом затвора 5 и металлическим каналом 3.The current control of the metal channel 3 occurs by changing the charge density of the SCR area 7 due to the external voltage supplied to the gate electrode 5. Thus, the maximum speed, i.e. the switching speed of the transistor from the closed state to the open and vice versa is determined by the capacitance C _c between the metal channel 3 and the gate electrode 5 and a very low passage resistance R _{k of the} metal channel 3 in the open state. The recharge time of the gate electrode capacitance C _sk determines the speed of the transistor. In the manufactured transistor, the speed turned out to be quite high, because the switching time was 0.001 μs (Fig. 4). This is due to the distinguishing feature of the invention, namely, the practically inertia-free region of the SCR 7 created by the contact potential difference between the gate electrode 5 and the metal channel 3.

В отличие от транзистора по прототипу, в котором управляющий объемный заряд р-n перехода образуется ионизацией доноров или акцепторов, которые объективно создают "встроенный" заряд, и который совместно с ловушечными состояниями образует пороговое напряжение, в заявленном транзисторе пороговое напряжение отсутствует, т.к. область объемно-пространственного заряда 7 создается из свободных электронов проводимости в металлическом канале индукцией и удерживается с помощью напряжения контактной разности потенциалов.Unlike the transistor of the prototype, in which the controlling space charge of the pn junction is formed by the ionization of donors or acceptors that objectively create a “built-in” charge, and which together with trap states forms a threshold voltage, there is no threshold voltage in the claimed transistor, because . the space-space charge region 7 is created from free conduction electrons in a metal channel by induction and is held by the voltage of the contact potential difference.

Устранение р-n переходов позволило полностью устранить и генерационно-рекомбинационный шумовой ток транзистора. Это позволяет использовать транзистор с металлическим каналом по изобретению в высокочувствительных малосигнальных устройствах радиоастрономии и космической аппаратуры, где полезный сигнал "тонет" в шумовом фоне.Elimination of pn junctions made it possible to completely eliminate the generation and recombination noise current of the transistor. This makes it possible to use the transistor with a metal channel according to the invention in highly sensitive low-signal devices of radio astronomy and space equipment, where the useful signal drowns in the noise background.

При выбранной в указанном диапазоне толщине L на затвор подают напряжение сигнала противоположное по знаку напряжению контактной разности потенциалов. Когда поданный сигнал полностью скомпенсирует напряжение контактной разности потенциалов транзистор будет полностью открыт.Проходное сопротивление R_k металлического канала открытого транзистора, будет иметь минимально низкое значение равное омическому сопротивлению металлического канала. Это позволяет получить максимально высокий ток стока I _c и, соответственно, максимально высокую выходную мощность N=I _c _⋅U_c=U_c ²/R_k.When the thickness L is selected in the indicated range, the signal voltage opposite the sign of the voltage of the contact potential difference is applied to the gate. When the applied signal fully compensates for the voltage of the contact potential difference, the transistor will be fully open. The passage resistance R _{k of the} metal channel of the open transistor will have a minimum low value equal to the ohmic resistance of the metal channel. This allows you to obtain the highest possible drain current I _c and, accordingly, the highest possible output power N = I _c _⋅ U _c = U _c ² / R _k .

Для примера проведена оценка выходной мощности на основании вольт-амперных характеристик транзистора, показанных на фиг. 3. Транзистор имеет толщину металлического канала 50 нм при ширине 10^-3 м, следовательно, поперечное сечение металлического канала составит 5⋅10^-11 м². Минимальное сопротивление металлического канала составило около 150-200 Ом. Это означает, что при напряжении на электроде стока 6 В и токе электрода стока 20 мА выходная мощность составит не менее 120 мВт, что равнозначно удельной мощности 240 кВт/см² или 2400 МВт/м².As an example, the output power is estimated based on the current-voltage characteristics of the transistor shown in FIG. 3. The transistor has a thickness of the metal channel of 50 nm with a width of 10 ^-3 m, therefore, the cross section of the metal channel will be 5⋅10 ^-11 m ² . The minimum resistance of the metal channel was about 150-200 ohms. This means that when the voltage at the drain electrode is 6 V and the drain electrode current is 20 mA, the output power will be at least 120 mW, which is equivalent to a specific power of 240 kW / cm ² or 2400 MW / m ² .

При этом, благодаря низкому проходному сопротивлению металлического канала R_k, время перезарядки емкости между электродом затвора и металлическим каналом С_зк достаточно мало, поскольку постоянная времени τ=R_k .C_зк имеет очень низкое значение, и поэтому экспериментальный транзистор даже с достаточно протяженным каналом 10^-5м и значительной емкостью С_з _к, около 30 пФ, имеет достаточно высокое быстродействие 0,003 мкс и, следовательно, высокую предельную частоту f=1/τ Гц, которая составила в изготовленных образцах около 0,33 ГГц (см. фиг. 4).Moreover, due to the low passage resistance of the metal channel R _k , the time for recharging the capacitance between the gate electrode and the metal channel C _{zk is} quite short, since the time constant is τ = R _k . _Sk C has a very low value, and therefore the pilot transistor even from a extended channel 10 ^-5 m and a significant capacitance C _s _to about 30 pF, has a sufficiently high speed of 0,003 microseconds and therefore a high threshold frequency f = 1 / τ Hz , which amounted to about 0.33 GHz in the manufactured samples (see Fig. 4).

В ключевых и комплементарных приборах крайне важно не только быстродействие, но и полное закрытие и открытие транзистора и для выполнения этого условия устанавливают максимальную контактную разность потенциалов U_krp между электродом затвора и металлическим каналом, которая создает область ОПЗ. Для этого подбирают материалы, используемые для электрода затвора и металлического канала, с максимальной разностью работ выхода.In key and complementary devices, it is extremely important not only speed, but also complete closing and opening of the transistor, and to fulfill this condition, the maximum contact potential difference U _krp between the gate electrode and the metal channel is established, which creates the SCR region. For this, the materials used for the gate electrode and the metal channel are selected with the maximum difference in the work function.

Управление током стока I_с производят путем изменения концентрации электронов в области ОПЗ 7 внешним напряжением U_з, который подают на электрод затвора 5.The drain current I _{c is} controlled by changing the concentration of electrons in the SCR region 7 by an external voltage U _s , which is supplied to the gate electrode 5.

Например, транзистор полностью открыт при |U_krp|-|U_з|=0, т.е. когда контактная разность потенциалов скомпенсирована напряжением сигнала и индуцированный заряд области ОПЗ 7 исчезает. В этом случае максимальный ток электрода стока открытого транзистора определяется законом Ома в зависимости от напряжения на электроде стока U_c и низкого сопротивления металлического канала R_k, которое обеспечивают выбором толщины металлического канала в диапазоне от 30 до 150 нм и, строго определяемым по условию формулы, значением соответствующего удельного сопротивления металлического канала в диапазоне от 0,1 до 10 Ом⋅м.For example, the transistor is fully open when | U _krp | - | U _s | = 0, i.e. when the contact potential difference is compensated by the signal voltage and the induced charge of the SCR 7 region disappears. In this case, the maximum drain electrode current of the open transistor is determined by Ohm’s law depending on the drain electrode voltage U _c and low resistance of the metal channel R _k , which is ensured by the choice of the thickness of the metal channel in the range from 30 to 150 nm and strictly determined by the condition of the formula, the value of the corresponding specific resistance of the metal channel in the range from 0.1 to 10 Ohm⋅m.

Транзистор полностью закрыт, когда U_krp максимально, а напряженность электрического поля области ОПЗ Е_ОПЗ>Е_с, и ток электрода стока равен нулю I_с=0. Здесь Е_с - напряженность поля, направленного вдоль металлического канала, Е_с=U_c/d, где d - длина металлического канала, т.е. расстояние между электродами истока и стока. U_c - напряжение на электроде стока.The transistor is completely closed when U _{krp is} maximum, and the electric field strength of the SCR region is E _SC > E _s , and the drain electrode current is zero I _s = 0. Here, E _c is the field strength directed along the metal channel, E _c = U _c / d, where d is the length of the metal channel, i.e. distance between the source and drain electrodes. U _c is the voltage at the drain electrode.

В пленочном полевом транзисторе с металлическим каналом по заявляемому изобретению возможно путем выбора металлов для электрода затвора и металлического канала устанавливать положительную или отрицательную контактную разность потенциалов относительно электрода затвора. Это позволяет эффективно использовать транзисторы с различной полярностью затворов в комплементарных схемах вычислительной техники, что значительно расширяет область их применения.In a film field effect transistor with a metal channel according to the claimed invention, it is possible by selecting metals for the gate electrode and the metal channel to establish a positive or negative contact potential difference relative to the gate electrode. This allows you to effectively use transistors with different gate polarity in complementary circuits of computer technology, which greatly expands the scope of their application.

Пример реализации устройства, предлагаемого по изобретению. Для реализации транзистора по изобретению необходимо для расчетов установить значение электрической постоянной или проницаемости с (отсутствует в справочниках). Для получения значения проницаемости преобразуют логарифмированием формулу (условие) определения толщины металлического канала L=(сερ)^1/2 в простое линейное параметрическое уравнение lgε=-lgρ+(2lgL - lgc), где параметром выступает толщина металлического канала L в диапазоне значений 30-150 нм. Уравнение связывает удельное сопротивление ρ, проницаемость ε, толщину металлического канала L и позволяет сопоставить концентрацию электронов η в металлическом канале. На фиг. 2 показана номограмма lgε=f(lgρ, (L)), построенная с использованием полученного уравнения для золота насыщенного кислородом. Такую номограмму строят для каждого металла, применяемого для металлического канала. Значение проницаемости для металлического канала толщиной, например, 50 нм из золота, насыщенного кислородом, при удельном сопротивлении 0,1 Ом⋅м по номограмме составило около 23. Порядок определения показан на фиг. 2. Прямые графики 1-4 в номограмме построены для значений параметра (толщины слоя) 30, 50, 70 и 90 нм соответственно.An example implementation of the device proposed according to the invention. To implement the transistor according to the invention, it is necessary for calculations to establish the value of the electric constant or permeability c (not in the references). To obtain the permeability, the formula (condition) for determining the thickness of the metal channel L = (сερ) ^1/2 is transformed by logarithm into a simple linear parametric equation logε = -lgρ + (2lgL - logc), where the parameter is the thickness of the metal channel L in the range of 30- 150 nm. The equation relates the resistivity ρ, the permeability ε, the thickness of the metal channel L and allows you to compare the concentration of electrons η in the metal channel. In FIG. Figure 2 shows the nomogram logε = f (logρ, (L)) constructed using the obtained equation for oxygen-saturated gold. Such a nomogram is built for each metal used for the metal channel. The permeability value for a metal channel, for example, 50 nm thick of gold, saturated with oxygen, at a resistivity of 0.1 Ohm⋅ from the nomogram was about 23. The determination procedure is shown in FIG. 2. Direct graphs 1–4 in the nomogram are plotted for parameter values (layer thickness) of 30, 50, 70, and 90 nm, respectively.

Далее для каждого применяемого металла вычисляют по справочным данным постоянную металла, которая входит в условие формулы:Next, for each metal used, the metal constant is calculated from the reference data, which is included in the condition of the formula:

с=ε_o k Т/4πе²ρ_oη_o м⋅Ом^-1=121,6⋅10³/ρ_oη_o м⋅Ом^-1, гдеc = ε _o k T / 4πе ² ρ _o η _o m⋅Om ^-1 = 121.6⋅10 ³ / ρ _o η _o m⋅Om ^-1 , where

ε_o- диэлектрическая постоянная вакуума (8,85⋅10^-12 Ф/м);ε _o is the dielectric constant of the vacuum (8.85⋅10 ^-12 F / m);

k - постоянная Больцмана (1,38⋅10^-23 Дж/К);k is the Boltzmann constant (1.38⋅10 ^-23 J / K);

Т - температура по шкале Кельвина (320К);T - temperature on the Kelvin scale (320K);

е - заряд электрона (1,6⋅10^-19 кулон):e - electron charge (1.6рона10 ^-19 pendant):

ρ_o- удельное сопротивление металла по справочнику (для Аu=2,25⋅10^-8 Ом⋅м);ρ _o - resistivity of the metal according to the directory (for Au = 2.25⋅10 ^-8 Ohm⋅m);

η_о- концентрация электронов в металле по справочнику (для Аu=5,9⋅10²⁸ м^-3).η _about - the concentration of electrons in the metal according to the directory (for Au = 5.9⋅10 ²⁸ m ^-3 ).

Для золота c=91,6⋅10¹⁸ м⋅Ом^-1. Далее, полученное значение используют для построения номограммы по параметрическому уравнению и определения проницаемости ε. Значения проницаемости или электрической постоянной и постоянной металла необходимы для расчетов транзисторов по изобретению с заданными характеристиками для различного назначения.For gold, c = 91.6⋅10 ¹⁸ m⋅Ohm ^-1 . Further, the obtained value is used to construct the nomogram according to the parametric equation and determine the permeability ε. The values of permeability or electric constant and constant metal are necessary for the calculation of the transistors according to the invention with the given characteristics for various purposes.

При изготовлении пленочного полевого транзистора с металлическим каналом выбор материала в качестве металлического канала очень широк: с учетом технологических свойств может быть использован слой любого металла или сплава, или соединения, обладающего удельным сопротивлением в указанных пределах и высокой или низкой работой выхода электронов Например, металлический канал может быть выполнен в слое сплава нихром, удельное сопротивление которого можно изменять в широких пределах изменением процентного содержания никеля и хрома. При этом работа выхода электронов сохраняет значение более 5.01-5,15 эВ. В этом случае электрод затвора может быть выполнен из алюминия, работа выхода которого составляет 4,2 эВ.In the manufacture of a film field effect transistor with a metal channel, the choice of material as a metal channel is very wide: taking into account the technological properties, a layer of any metal or alloy, or a compound having a resistivity in the specified range and a high or low electron work function can be used. For example, a metal channel can be made in the alloy layer with nichrome, the resistivity of which can be changed over a wide range by changing the percentage of nickel and chromium. In this case, the electron work function remains more than 5.01-5.15 eV. In this case, the gate electrode may be made of aluminum, the work function of which is 4.2 eV.

В изготовленных транзисторах для металлического канала использован слой золота с паро-газовым способом введения примеси, который осуществлен при нанесении золота в атмосфере кислорода. В зависимости от установленного давления кислорода в вакуумной камере и скорости осаждения может быть получен слой с удельным сопротивлением в диапазоне (0.1-10) Ом⋅м и с работой выхода электронов более 4,9 эВ, поскольку известно, что кислород на поверхности металлов повышает работу выхода.In the manufactured transistors for the metal channel, a gold layer with a vapor-gas method of introducing an impurity, which was carried out by applying gold in an oxygen atmosphere, was used. Depending on the set oxygen pressure in the vacuum chamber and the deposition rate, a layer with a resistivity in the range of (0.1-10) Ohm )m and with an electron work function of more than 4.9 eV can be obtained, since it is known that oxygen on the metal surface increases the work exit.

Для изготовления электрода затвора выбран алюминий, работа выхода которого составляет 4,2 эВ. Контактная разность потенциалов между золотом, насыщенным кислородом, и алюминием составляет более 0,7 эВ, что вполне достаточно для создания области ОПЗ в металлическом канале и контроля тока электрода стока.For the manufacture of the gate electrode, aluminum was selected, the work function of which is 4.2 eV. The contact potential difference between gold, saturated with oxygen, and aluminum is more than 0.7 eV, which is quite enough to create an SCR region in the metal channel and control the current of the drain electrode.

Экспериментально были изготовлены пленочные полевые транзисторы с металлическим каналом обратно-планарной конструкции, которая схематически в разрезе показана на фиг. 1.Experimentally, film field effect transistors with a metal channel of an inverse planar design, which are shown schematically in section in FIG. one.

Процесс изготовления заявляемого транзистора (фиг. 1) состоит в следующем: на подложку 1 из боросиликатного стекла нагретую до 120°С наносят слой алюминия толщиной 0.7 мкм. На слой алюминия наносят фоторезист и формируют маскирующий рисунок, через который в комплексных травителях формируют матрицу электродов затвора 5 в виде полосок шириной (длиной по металлическому каналу 3)⋅10 мкм, соединенных с общей проводящей шиной. После удаления фоторезиста на поверхности электродов затвора 5 создают изолирующий слой изолятора затвора 4 из окиси алюминия толщиной 30 нм путем анодирования матрицы электродов затвора 5 в плазме тлеющего разряда в кислороде при давлении (4-6)⋅10^-1 мм рт.ст. и напряжении +5 В на матрице электродов затвора 5 в течение 45-50 минут. Затем на электроды затвора 5, покрытых слоем изолятора затвора 4, наносят слой фоторезиста, экспонируют светом через тыльную сторону прозрачной подложки 1, проявляют и удаляют экспонированную часть фоторезиста. Матрица электродов затвора 5 в этом случае играет роль маски и на поверхности изолятора затвора 4 остаются участки не экспонированного фоторезиста. Затем в вакуумной камере наносят слой золота толщиной около 0,7 мкм. Толщину контролируют интерферометрическим микроскопом МИИ-4. После чего наносят фоторезист и через фотошаблон экспонируют и проявляют его, создавая маскирующий рисунок, через который в слое нанесенного золота формируют участки в виде полосок для будущих электродов истока 2 и стока 6. Затем, при удалении в растворителях фоторезиста с маскирующим рисунком удаляют и участки фоторезиста, оставшегося на изоляторе затвора 4, вместе с лежащими на них узкими участками полосок из золота, создавая таким образом электрод истока 2 и электрод стока 6 и промежуток между ними шириной 10 мкм, точно совпадающий по расположению с электродом затвора 5. Происходит "самосовмещение" электрода затвора 5 и промежутка между электродами истока 2 и стока 6. Затем через маскирующий рисунок, сформированный в нанесенном слое фоторезиста, выполняют операцию нанесения в вакуумной камере магнетронным распылением слоя золота для металлического канала 3 в атмосфере кислорода при давлении (7-8)⋅10^-4 мм рт.ст. Скорость осаждения около 1 нм/сек и конечную толщину слоя золота контролируют кварцевым датчиком прибора КИТ-2. Сопротивление слоя во время осаждения контролируют по "спутнику", представляющим собой полоску, вырезанную из материала подложки 1, с заранее подготовленными контактами. Полоска тонкого слоя золота металлического канала 3 заданной ширины оказывается лежащей на электроде истока 2, электроде стока 6 и на изоляторе затвора 4 в промежутке между этими электродами. С электродами истока 2 и стока 6 металлический канал 3 образует омические контакты и не требует для этого никаких специальных операций. Таким образом, процесс изготовления транзистора с металлическим каналом является более простым и менее затратным, чем изготовление полупроводникового аналога и транзистора по известному изобретению с металлическим каналом и с металлическими р-n переходами. В связи с этим промышленное освоение и выпуск приборов с пленочными полевыми транзисторами с металлическим каналом по изобретению потребует существенно меньше затрат и времени.The manufacturing process of the inventive transistor (Fig. 1) is as follows: on a substrate 1 of borosilicate glass heated to 120 ° C, a layer of aluminum with a thickness of 0.7 μm is applied. A photoresist is applied to the aluminum layer and a masking pattern is formed, through which a gate electrode 5 matrix is formed in complex etchants in the form of strips (10 μm wide (length along the metal channel 3) connected to a common conductive bus. After removing the photoresist on the surface of the gate electrode 5, an insulating layer of the gate insulator 4 of aluminum oxide with a thickness of 30 nm is created by anodizing the matrix of the gate electrode 5 in a glow discharge plasma in oxygen at a pressure of (4-6) × 10 ^-1 mm Hg. and a voltage of +5 V on the gate electrode array 5 for 45-50 minutes. Then, a photoresist layer is applied to the shutter electrodes 5 coated with a shutter insulator 4, exposed through the back side of the transparent substrate 1, the exposed part of the photoresist is developed and removed. The matrix of the gate electrodes 5 in this case plays the role of a mask, and on the surface of the gate insulator 4 there are areas of an unexposed photoresist. Then in a vacuum chamber, a layer of gold with a thickness of about 0.7 μm is applied. The thickness is controlled by an MII-4 interferometric microscope. Then a photoresist is applied and exposed through a photomask and creating it, creating a masking pattern through which sections in the form of a deposited gold are formed into strips for future electrodes of source 2 and drain 6. Then, when the photoresist with masking pattern is removed in solvents, the sections of photoresist are also removed remaining on the gate insulator 4, together with the narrow sections of gold strips lying on them, thus creating a source electrode 2 and a drain electrode 6 and a gap between them of a width of 10 μm, exactly matching the distribution position with the gate electrode 5. There is a "self-alignment" of the gate electrode 5 and the gap between the source electrodes 2 and drain 6. Then, through the masking pattern formed in the deposited layer of the photoresist, the operation of applying a gold layer for the metal channel 3 in the atmosphere by magnetron sputtering in a vacuum chamber oxygen at a pressure of (7-8) ⋅10 ^-4 mm Hg The deposition rate of about 1 nm / s and the final thickness of the gold layer are controlled by a quartz sensor of the KIT-2 device. The resistance of the layer during deposition is controlled by a "satellite", which is a strip cut from the material of the substrate 1, with pre-prepared contacts. A strip of a thin layer of gold of a metal channel 3 of a given width is lying on the source electrode 2, drain electrode 6 and on the gate insulator 4 in the gap between these electrodes. With the electrodes of the source 2 and drain 6, the metal channel 3 forms ohmic contacts and does not require any special operations. Thus, the manufacturing process of a transistor with a metal channel is simpler and less expensive than the manufacture of a semiconductor analog and a transistor according to the known invention with a metal channel and with metal pn junctions. In this regard, the industrial development and production of devices with film field effect transistors with a metal channel according to the invention will require significantly less cost and time.

Изготовленные пленочные полевые транзисторы с металлическим каналом исследованы в нормальных условиях.The fabricated film field effect transistors with a metal channel were investigated under normal conditions.

На фиг. 3 на фотографии с экрана осциллографа показано семейство статических вольт-амперных характеристик пленочного полевого транзистора с металлическим каналом, измеренных при напряжениях 6 Вольт на электроде стока и до 2 Вольт на электроде затвора, при этом ток электрода стока составил 18 миллиампер.In FIG. Figure 3 shows a family of static current-voltage characteristics of a film field effect transistor with a metal channel, measured at voltages of 6 volts on the drain electrode and up to 2 volts on the gate electrode, the drain electrode current being 18 milliamps.

Крутизна характеристики в точке насыщения тока составила 10 мА/В. Проходное сопротивление транзистора в закрытом состоянии составило более 10 МОм, сопротивление открытого канала - около 150-200 Ом.The steepness of the characteristic at the current saturation point was 10 mA / V. The throughput resistance of the transistor in the closed state was more than 10 MΩ, the open channel resistance was about 150-200 Ohms.

На фотографии с экрана осциллографа, показанной на фиг. 4, представлена проходная импульсная характеристика пленочного полевого транзистора с металлическим каналом. Длительность прямоугольного входного сигнала составляла 0,01 мксек при скважности 300 кГц. На выходной нагрузке в 3 кОм получен такой же прямоугольной формы выходной сигнал амплитудой 2 вольта, свидетельствующий о частотных и релаксационных свойствах транзистора. Передний и задний фронты импульса служат показателями скорости переключения транзистора в прямом и обратном направлении (быстродействие). Если принять длительность импульса за масштаб времени, то можно судить о длительности (скорости быстродействия) переключений на фронтах импульса, которая составила около 0,001 мксек (10^-9 сек). Гармоники на фронтах импульса обусловлены паразитными емкостями и индуктивностями контактной системы измерительного комплекса. Достижимая частота данного экземпляра транзистора составила более 0,33 ГГц.In the screen shot of the oscilloscope shown in FIG. 4, the impulse response of a film field effect transistor with a metal channel is shown. The duration of the rectangular input signal was 0.01 μs at a duty cycle of 300 kHz. An output signal of 2 volts amplitude of the same rectangular shape was obtained at an output load of 3 kOhm, indicating the frequency and relaxation properties of the transistor. The leading and trailing edges of the pulse serve as indicators of the switching speed of the transistor in the forward and reverse directions (speed). If we take the pulse duration as a time scale, then we can judge the duration (speed) of switching at the edges of the pulse, which amounted to about 0.001 μs (10 ^-9 sec). The harmonics at the pulse fronts are due to stray capacitances and inductances of the contact system of the measuring complex. The achievable frequency of this instance of the transistor was more than 0.33 GHz.

Релаксационные явления, практически, отсутствуют, что позволяет использовать пленочный полевой транзистор с металлическим каналом в цифровых быстродействующих процессорах интегральных микросхем.There are practically no relaxation phenomena, which makes it possible to use a film field effect transistor with a metal channel in digital high-speed processors of integrated circuits.

Транзистор с металлическим каналом по заявленному изобретению существенно отличается от известных и эти отличия позволили обеспечить заявленный технический результат.The transistor with a metal channel according to the claimed invention differs significantly from the known ones and these differences made it possible to provide the claimed technical result.

Отличительный признак изобретения - диапазон толщин металлического канала от 30 до 150 нм, который позволил "вписать" область ОПЗ в согласованный размер металлического канала и обеспечить высокое быстродействие и высокую частоту транзистора, что позволяет применить пленочный транзистор с металлическим каналом в микроэлектронике в производстве БИС и СБИС.A distinctive feature of the invention is the range of thicknesses of the metal channel from 30 to 150 nm, which made it possible to "fit" the SCR region into the agreed size of the metal channel and provide high speed and high frequency of the transistor, which allows the use of a film transistor with a metal channel in microelectronics in the production of LSI and VLSI .

Отличительный признак, диапазон удельных сопротивлений 0.1-10 Ом⋅м благодаря низкому выходному сопротивлению металлического канала по всему диапазону позволил обеспечить быстродействие и высокую выходную удельную мощность.A distinctive feature, the range of specific resistances 0.1-10 Ohm⋅m due to the low output impedance of the metal channel over the entire range, allowed to provide speed and high output specific power.

Высокая контактная разность потенциалов между электродом затвора и металлическим каналом позволила обеспечить стабильную индукционную область ОПЗ в металлическом канале, а наличие индукционной области ОПЗ позволило обеспечить безинерционное управление металлическим каналом, высокое быстродействие, полное запирание и отпирание металлического канала и высокую рабочую частоту.The high contact potential difference between the gate electrode and the metal channel made it possible to ensure a stable induction region of the SCR in the metal channel, and the presence of the induction region of the SCR made it possible to provide inertial-free control of the metal channel, high speed, complete locking and unlocking of the metal channel, and a high operating frequency.

Контактная разность потенциалов различной полярности позволяют использовать заявленный транзистор в комплементарных схемах, тем самым расширить область их применения в устройствах вычислительной техники.The contact potential difference of different polarity allows you to use the claimed transistor in complementary circuits, thereby expanding the scope of their application in computer devices.

Транзисторы по изобретению с высоким быстродействием, с высокой рабочей частотой, с высокой выходной мощностью пригодны для применения в аналоговых, в цифровых схемах, в больших и сверхбольших интегральных схемах микроэлектроники.The transistors according to the invention with high speed, high operating frequency, high output power are suitable for use in analog, digital circuits, in large and ultra-large microelectronic integrated circuits.

Важной областью применения таких малошумящих транзисторов является высокочувствительная малосигнальная аппаратура в радиоастрономии и космонавтике, поскольку устранение р-n переходов позволило полностью устранить генерационно-рекомбинационный шумовой ток.An important field of application of such low-noise transistors is highly sensitive low-signal equipment in radio astronomy and astronautics, since the elimination of pn junctions made it possible to completely eliminate the generation-recombination noise current.

Claims

1. A film field effect transistor with a metal channel, containing source and drain electrodes formed on an insulating substrate, between which there is a gate covered with a layer of a gate insulator, and a layer of a metal channel is located on the gate insulator and on the source and drain electrodes, forming ohmic contacts with them , characterized in that the specific resistance of the metal channel ρ is 0.1-10 Ohm⋅m, the thickness L of the metal channel is selected in the range of thicknesses 30-150 nm according to the condition:

L = (cερ) ^{l / 2} , where

L is the thickness of the metal channel;

c is the metal constant;

ε is the permeability of the metal in the metal channel;

ρ is the resistivity;

the metals from which the gate electrode and the metal channel are formed are selected to provide a contact potential difference between the gate electrode and the metal channel to form a space-spatial charge region in the metal channel.

2. A film field effect transistor with a metal channel according to claim 1, characterized in that in order to provide a positive contact potential difference between the metals of the gate electrode and the metal channel on the gate electrode, a material with a reduced electron work function from the metals is selected for the gate: Cs, Pr, Hf , Si, In, Mg, Ga, Tl, V, Be, Pb, Ta, Al, Zn, Sn, Bi, Cu, Cd, Nd, Sr, Rb, La, Sc, lanthanides, their alloys and conductive compounds, and for the metal channel, a material with an increased electron work function of the metals Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pd, (As), Te, Os. (C), Ti, Ni, Cr, Co, W, Mo, Ir, their alloys and conductive compounds.

3. A film field effect transistor with a metal channel according to claim 1, characterized in that to provide the gate electrode with a negative contact potential difference between the metals of the gate electrode and the metal channel, a material with an increased electron work function from the metals is selected for the gate: Hg, Fe, Cu , Ag, Au, Pt, Pd, (As), Te, Os. (C), Ti, Ni, Cr, Co, W, Mo, Ir, their alloys and conductive compounds, and for a metal channel, a material with a reduced electron work function of metals Cs, Pr, Hf, Si, In, Mg, Ga is chosen , Tl, V, Be, Pb, Ta, Al, Zn, Sn, Bi, Cu, Cd, Nd, Sr, Rb, La, Sc, lanthanides, their alloys and conductive compounds.