ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ СЕПАРАТОР МИКРОЧАСТИЦ Российский патент 1997 года по МПК H01L49/00 G01N27/00 

Изобретение относится к полупроводниковой электронике, а именно к конструированию полупроводниковых датчиков. Изобретение может быть использовано для создания газоанализаторов.

Известен полупроводниковый прибор [1] в виде пластины с цилиндрическими отверстиями и сформированными в этих отверстиях цилиндрическими р-n переходами. Существенным недостатком таких приборов является низкое обратное напряжение вследствие сужения области пространственного заряда цилиндрического р-n перехода в месте выхода на поверхность пластины. Кроме того, создание металлического контакта на внутренней поверхности отверстия связано со значительными технологическими трудностями.

Целью изобретения является создание электрического поля с напряженностью, направленной вдоль оси канала, и увеличение коэффициента разделения микрочастиц.

Для достижения поставленной цели полупроводниковый сепаратор микрочастиц (ПСМ) выполняют в виде полупроводниковой пластины со сквозными каналами р-n переходами, выходящими на боковую поверхность канала, причем один из них изгибаясь выходит на поверхность канала вблизи линии пересечения поверхности пластины и канала.

Выходящие на боковую поверхность канала p-n переходы позволяют при их обратном смещении получать распределение электрического поля в канале, способствующее перемещению микрочастиц электростатическими силами. В зависимости от конфигурации р-n переходов, распределения легирующей примеси, формы канала создается такое распределение электрического поля, которое способствует продвижению микрочастиц с определенным дипольным моментом, электрическим зарядом, массой и размерами.

Для захвата микрочастиц, движущихся вблизи поверхности полупроводниковой пластины, один из однотипных р-n переходов изгибаясь выходит на поверхность в области пересечения поверхностей пластины и канала. Образующееся над устьем канала при обратном смещении этого р-n перехода приповерхностное электрическое поле способствует попаданию микрочастиц в канал.

Для создания осенесимметричного электрического поля с целью повышения избирательности ПСМ в приповерхностной области создаются два или более р-n переходов, например планарных, которые выходят на поверхность отверстия не пересекаясь. В этом случае распределение электрического поля формируется за счет изменения диаметра и расположения планарных р-n переходов относительно оси канала, за счет расположения планарных р-n переходов в различных плоскостях друг относительно друга, за счет различных по величине напряжений смещения.

Для увеличения эффективности разделения близких по параметрам молекул веществ сепаратор выполняется с удлиненным каналом в виде стопы пластин с однотипным р-n переходами и соосными каналами. При движении по удлиненному каналу, даже при небольшом различии в дрейфовых и диффузионных скоростях молекул, время их перехода через канал будет различным.

Для создания распределения электрического поля, соответствующего электрофизическим параметрам молекул, сечения каналов в плоскости р-n переходов выполняются овальными, клинообразными или щелевидными. В этом случае распределение электрического поля в канале таково, что через канал проходят только молекулы, имеющие соответствующую форму и соответствующее собственное электрическое поле.

Для увеличения напряжения р-n переходов каналы в области выхода объемного заряда на поверхность выполняются конусными. При этом их конусность должна быть такова, чтобы ширина области пространственного заряда на поверхности канала была больше, чем в объеме полупроводниковой пластины.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где изображено: на фиг.1 - часть полупроводниковой пластины с плоскими и планарными р-n переходами, выходящими на поверхность цилиндрического канала; на фиг. 2 границы трех планарных р-n переходов, прилежащих к устью канала (а), и часть сечения канала (б); на фиг. 3 удлиненный канал, сформированный из однотипных р-n переходов; на фиг. 4 конфигурации сечений каналов (а овальная, б клиновидная, в щелевидная); на фиг. 5 конический канал.

На рисунках приняты следующие обозначения: 1 сквозной канал; 2 - планарный р-n переход, прилежащий к устью канала; 3, 4 плоские р-n переходы; 5, 6, 7 планарные р-n переходы, прилежащие к устью канала; 8, 10, 11 - плоские р-n переходы; 9 соединительный слой.

Предлагаемое устройство состоит из полупроводниковой пластины, например кремниевой, в которой выполнены сквозные каналы 1 (фиг. 1). В устье канала сформирован планарный р-n переход 2, граница которого располагается вблизи или совпадает с линией пересечения канала и поверхности пластины. Ниже располагаются два плоских р-n перехода 3 и 4. Р-n переходы 2 и 4 являются однотипными по расположению р- и n-слоев. Например, как показано на фиг. 1, р-n переходы 2 и 4 выполняются с n-слоем, расположенным под р-слоем.

Полупроводниковый сепаратор с осенесимметричным электрическим полем в канале выполняют с несколькими планарными р-n переходами 5, 6, 7, которые выходят на поверхность канала 1 вблизи его устья (фиг. 2).

Увеличение длины активной части канала достигается увеличением числа однотипных р-n переходов 4, 8, 10, 11 (фиг. 3), которые формируются либо в одной полупроводниковой пластине, либо в различных пластинах. В последнем случае пластины соединяются между собой в единый блок.

Для молекулярного сепаратора каналы выполняют с конфигурацией, соответствующей параметрам отдельных молекул овальной, клиновидной, щелевидной (фиг. 4) и т.п.

Сепаратор с повышенной напряженностью поля создается на базе конусных каналов (фиг. 5).

Полупроводниковый сепаратор функционирует следующим образом. Электрозаряженная частица, диффундирующая вблизи поверхности полупроводниковой пластины, попадая в электрическое поле обратносмещенного р-n перехода 2, дрейфует в устье канала (фиг. 1). Далее она диффундирует к прямосмещенному р-n переходу 3, который создает слабое встречное поле, не оказывающее влияние на движущуюся частицу. При достижении частицей обратносмещенного р-n перехода 4 она вновь ускоряется полем и, диффундируя вдоль канала, выходит из него. В зависимости от параметров частицы (заряда, дипольного момента, массы, радиуса, атомной восприимчивости и др.), а также в зависимости от распределения электрического поля в объеме канала скорость движения частиц в канале будет различной. Частицы идентифицируют по факту прохождения канала, по времени прохождения канала, а также по изменению электрических характеристик р-n переходов (току утечки, емкости, электрическому заряду и др.). Поскольку предлагаемое устройство позволяет создавать в канале электрические поля высокой напряженности в микрообъемах, то это позволяет оказывать силовое воздействие и на нейтральные молекулы и идентифицировать их по тем же параметрам, что и электрозаряженные частицы.

Для увеличения времени задержки частиц в канале к р-n переходам прикладывается переменное напряжение. Степень воздействия электрического поля на движение частиц в канале, кроме перечисленных параметров, будет определяться и частотой его изменения.

Разделение частиц, имеющих различную конфигурацию заряда, т.е. пропускание через канал одних и задержка других, осуществляется путем создания осенесимметричного поля, соответствующего электрическим параметрам пропускаемой частицы. Асимметрия распределения электрического поля в устье канала создается за счет различных размеров планарных р-n переходов 5, 6, 7 (фиг. 2), а также за счет различия приложенных к ним напряжений. Молекулы веществ, структура которых соответствует жесткому диполю, и обладающие, соответственно, электрическим моментом, перемещаются за счет изменения направления вектора напряженности электрического поля во времени. Изменение напряжения на р-n переходах приводит к тому, что возникающий момент силы поворачивает диполь так, чтобы вектор его дипольного электрического момента был направлен параллельно вектору напряженности поля, существующего в данный момент времени. Изменение вектора и градиента поля способствуют движению молекул с электрическими характеристиками, соответствующими изменяющемуся во времени электрическому полю.

При движении по многослойному удлиненному каналу (фиг. 3) электрозаряженные частицы ускоряются электрическими полями обратносмещенных р-n переходов. Это позволяет разделить во времени частицы, имеющие близкие электрические характеристики.

При выполнении канала овальной, клиновидной или щелевидной форм (фиг. 4) в канал попадают только частицы с конфигурацией, соответствующей сечению канала. Для создания высокой напряженности электрического поля в канале он выполняется конусным (фиг. 5), что включает поверхностный пробой обратносмещенных р-n переходов.

Изобретение может быть использовано для разделения частиц с различными электрофизическими параметрами и их последующей идентификации или в качестве датчика частиц с заданными характеристиками, содержащимися как в газе, так и в жидкости.

Пример практической реализации.

Для изготовления ПСМ используют монокристаллический полупроводниковый материал, например кремний. После резки на пластины проводят двусторонние диффузию с целью получения р-n переходов 3 и 4 (фиг. 1). После проведения фотолитографии формируется планарные области с р-n переходами 2. Затем с помощью лазера пробиваются отверстия, которые травятся и пассивируются. При необходимости на этой стадии могут быть получены отверстия с заданной конусностью (фиг. 5). С помощью следующей фотолитографии на поверхности пластины создаются контакты к р ⁺ и n ⁺⁺ областями.

При подаче обратного смещения на р-n переходы 2 и 4 частицы затягиваются в устье канала электрическим полем р-n перехода 2 и далее диффундируются вдоль канала. Прямосмещенный переход 3 оказывает слабое влияние на движение частиц и они, достигнув области электрического поля р-n перехода 4, вновь ускоряются и выходят из канала.

Поскольку частицы различных веществ имеют и отличные друг от друга электрофизические параметры, то их продвижение по каналу будет осуществляться с различной скоростью, зависящей от распределения напряженности электрического поля. Меняя частоту и полярность питающего напряжения, можно также замедлить или ускорить движение частиц. Кроме того, смещая р-n переход 3 в прямом или обратном направлении, можно блокировать или открывать канал для частиц различного знака, что еще больше увеличивает разделение частиц по времени.

На выходе из канала устанавливают датчик на определяемые микрочастицы вещества, который с учетом прохождения частицами канала позволяет определить состав анализируемой смеси.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого устройства определяется увеличением коэффициента разделения частиц за счет создания управляемых микрополей высокой напряженности в малом объеме. Кроме того, изменяя электрические характеристики сепаратора, можно разделить частицы при отсутствии информации о составе смеси. По сравнению с хромотографом, имеющим сорбционные колонки, время разделения различных веществ во времени существенно ниже за сет большой скорости диффузии и наличия ускоряющего поля.

Изобретение относится к полупроводникой электронике. Сущность изобретения: для создания электрического поля с конфигурацией, соответствующей электрофизическим характеристикам микрочастиц, используют планарные р-n переходы, расположенные в устье сквозного канала, выполненного в полупроводниковой пластине, и плоские р-n переходы, выходящие на внутреннюю поверхность канала. При подаче областного смещения в канале формируются области с высокой напряженностью электрического поля. В зависимости от характеристик поля и частицы время прохождения частицами канала будет различным, что позволяет проводить их идентификацию 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Полупроводниковый сепаратор микрочастиц, содержащий по меньшей мере одну полупроводниковую пластину со сквозными каналами и р-п-переходами, расположенными в приповерхностных областях каналов, отличающийся тем, что р-п-переходы выполнены плоскими и/или планарными и выходят на боковую поверхность каналов, при этом один из планарных р-п-переходов, изгибаясь, выходит на боковую поверхность канала вблизи или по линии пересечения поверхности пластины и канала. 2. Сепаратор по п.1, отличающийся тем, что два или более планарных р-п-перехода размещены в прилежащей к устью канала области и не пересекаются на поверхности канала. 3. Сепаратор по п. 1 или 2, отличающийся тем, что сечения каналов в указанных приповерхностных областях выполнены овальной, и/или клиновидной, и/или щелевидной формы. 4. Сепаратор по одному из пп.1-3, отличающийся тем, что указанные каналы выполнены конусными.