A shallow-diffused and self-aligned Metal-JFET(MJFET) for GaAs digital and power integrated circuits is proposed and fabricated. It uses an elemental Zn metal as a diffusion source to a form shallow $p^+$-gate. This approach allows us to pattern the diffusion source together with the gate metal. Therefore $p^+$-gate is self-aligned to the gate metal. Moreover, this shallow diffusion technology using RTA (Rapid Thermal Annealing) makes it possible to obtain a very shallow $p^+$layer typically less than 50nm. This MJFET shows about 0.3V higher gate turn-on voltage and much larger reverse breakdown voltage than the conventional MESFET based on Al-Schottly. Furthermore, both shallow and self-aligning of $p^+$-n junction with gate metal lead MJFET electrical performance comparable to MESFET. For example, MJFET shows transconductances of typically 200mS/mm for $1.5\mu$m-gate length quasi-enhancement device ($V_{th}$ = -0.4V), and 90mS/mm for $4\mu$m gate length deep depletion device at room temperature which are comparable to the conventional Al-gate MESFET. In addition, MJFET shows much better unifomity than MESFET. This is because MESFET characteristics are very much dependent on the Schottky/GaAs interface quality, while MJFET depends much less on surface conditions since its $p^+$-n junction is formed in bulk GaAs.
The temperature sensitivity of MJFET's is examined and analyzed. MJFET achieved -1.79mV/K and -2.36mV/K for temperature coefficients of threshold voltage ($V_{th}$) and turn-on voltage ($V_f$), respectively, over the temperature coefficients of 27℃-128℃. The reliability of MJFET at the channel temperature 200℃ is tested and two distinct degradation modes are observed. During the initial 1 hr. stress time, the Zn diffuses fast. This is followed by a very slow diffusion. In spite of these two degradation modes, it can be concluded that MJFET has sufficient reliability. Moreover, the first fast degradation can be avoided by a proper annealing during RTA diffusion.
MJFET technology is expected to have much more potential importance for InP based FET devices where it is difficult to form reliable Schotty barrier.
GaAs디지탈 회로 및 고출력 회로 응용에 유용한 얇게 Zn 확산된 자기정렬 Metal-JFET(MJFET)을 제안하고 제작하였다. 얇은 $p^+$-gate을 형성시키기 위하여 확산원으로서 Zn금속을 사용하였다. 이 방법에 의하면 Zn 금속이 gate 전극 역할을 하면서도 확산원으로 사용되므로 자동적으로 자기정렬이 된다. 더우기 짧은 확산시간과 낮은 온도(400℃)에서 확산시키므로 50mm 미만의 얇은 $p^+$-층을 얻을 수 있다. 이 기술을 이용하여 제작한 MJFET은 여러가지 향상된 특성을 보였다. Al-Schottky 정합보다 0.3V정도의 더 높은 값을 갖는 turn-on 전압과 훨씬 높은 항복 전압을 갖는다. 또한 JFET의 문제점인 낮은 성능 문제도 해결되어 MESFET과 비교될 정도의 좋은 DC 특성을 보였다. 1.5㎛ gate 길이를 갖고 enhancement 동작을 하는 ($V_{th}$ = -0.4V) MJFET이 약 200 mS/mm의 transconductance 값을 보였고, 4 ㎛ gate길이를 갖는 depletion 동작의 소자는 90mS/mm정도였다. 이 값들은 기존의 Al Schottky MESFET의 성능과 비슷한 특성 값이다. 또한 p-n 정합은 균일성 및 표현 효과 감소의 장점을 갖고 있다.
MESFET의 온도에 대한 신뢰성을 조사하고 그 특성들을 해석하였다. Threshold 전압과 turn-on 전압의 온도 계수는 27 -128℃범위에서 각각 1.79mV/K, -2.36mV/K값을 보였다. 200℃에서의 MJFET 신뢰성 실험에 의하면 두가지 단계의 성능 퇴화 특성이 있음을 확인되었으며, 첫단계의 퇴화는 처음 1시간 정도에서만 나타나고 그 이후에는 낮은 확산 계수를 갖는 두번째 성능 퇴화 특성이 나타난다. 첫단계의 Zn확산은 두번째와 비교하여 높은 확산계수를 갖지만 $p^+$-층 형성을 위한 RTA확산 공정에서 층계식 온도 처리를 함으로서 피할 수가 있다.
MJFET기술은, 안정된 Schottky 정합을 얻기 힘든 반면 여러가지 장점들을 갖고 있는 InP 계에서 더 큰 중요성을 갖을 것으로 기대된다.
