ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ЛОГИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ "НЕ" НА КВАНТОВЫХ ЭФФЕКТАХ Российский патент 2006 года по МПК H03K19/20 H01L27/118 

Предлагаемое изобретение относится к области вычислительной техники и интегральной электроники, а более конкретно к интегральным логическим элементам СБИС.

Известен интегральный логический элемент «НЕ» на полевом транзисторе с управляющим переходом Шоттки (см. Шур М. Современные приборы на основе арсенида галлия. - М.: Мир, 1991. - 632 с., фиг.9.6.5, с.472), содержащий полуизолирующую GaAs-подложку, входную металлическую шину, выходную металлическую шину, металлическую шину питания, металлическую шину нулевого потенциала, области разделительного диэлектрика, GaAs-область канала ключевого транзистора второго типа проводимости, расположенную над полуизолирующей GaAs-подложкой и образующую переход Шоттки со входной металлической шиной, область истока ключевого транзистора второго типа проводимости с прямоугольной формой поперечного сечения, соединенную с металлической шиной нулевого потенциала, область стока ключевого транзистора второго типа проводимости с прямоугольной формой поперечного сечения, соединенную с выходной металлической шиной, GaAs-область канала нагрузочного резистора второго типа проводимости, расположенную над полуизолирующей GaAs-подложкой, первую контактную область нагрузочного резистора второго типа проводимости, соединенную с выходной металлической шиной, вторую контактную область нагрузочного резистора второго типа проводимости, соединенную с металлической шиной питания, причем GaAs-области каналов ключевого транзистора и нагрузочного резистора второго типа проводимости имеют горизонтальное взаимное расположение.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками, являются полуизолирующая GaAs-подложка, входная металлическая шина, выходная металлическая шина, металлическая шина питания, металлическая шина нулевого потенциала, области разделительного диэлектрика.

Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются нерациональное использование площади кристалла, обусловленное горизонтальным относительным расположением ключевого транзистора и нагрузочного резистора и отсутствием функциональной интеграции полупроводниковых областей ключевого транзистора и нагрузочного резистора; ограничение времени переключения элемента временем пролета электронами канала транзистора; ограничение времени пролета электронами канала транзистора эффектом рассеяния электронов в канале на ионах легирующих примесей; большая энергия переключения элемента вследствие перезаряда емкости затвор-канал ключевого транзистора в процессе переключения элемента; пониженная помехоустойчивость и крутизна передаточной характеристики элемента вследствие использования нагрузочного резистора.

Функциональным аналогом заявляемого объекта является интегральный логический элемент «НЕ» на полевом транзисторе с управляющим p-n-переходом (см. Шур М. Современные приборы на основе арсенида галлия. - М.: Мир, 1991. - 632 с., фиг.9.2.23, с.429), содержащий полуизолирующую GaAs-подложку, входную металлическую шину, выходную металлическую шину, металлическую шину питания, металлическую шину нулевого потенциала, области разделительного диэлектрика, расположенную над полуизолирующей GaAs-подложкой GaAs-область канала ключевого транзистора второго типа проводимости, расположенную в ней область затвора ключевого транзистора первого типа проводимости, соединенную со входной металлической шиной, область истока ключевого транзистора второго типа проводимости с прямоугольной формой поперечного сечения, соединенную с металлической шиной нулевого потенциала, выходную область второго типа проводимости с прямоугольной формой поперечного сечения, являющуюся областью стока ключевого транзистора и первой контактной областью нагрузочного резистора и соединенную с выходной металлической шиной, GaAs-область канала нагрузочного резистора второго типа проводимости, расположенную над полуизолирующей GaAs-подложкой, вторую контактную область нагрузочного резистора второго типа проводимости, соединенную с металлической шиной питания, причем GaAs-области каналов ключевого транзистора и нагрузочного резистора второго типа проводимости имеют горизонтальное взаимное расположение.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками, являются полуизолирующая GaAs-подложка, входная металлическая шина, выходная металлическая шина, металлическая шина питания, металлическая шина нулевого потенциала, области разделительного диэлектрика.

Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются нерациональное использование площади кристалла, обусловленное горизонтальным относительным расположением ключевого транзистора и нагрузочного резистора; ограничение времени переключения элемента временем пролета электронами канала транзистора; ограничение времени пролета электронами канала транзистора эффектом рассеяния электронов в канале на ионах легирующих примесей; большая энергия переключения элемента вследствие перезаряда емкости затвор-канал ключевого транзистора в процессе переключения элемента; пониженная помехоустойчивость и крутизна передаточной характеристики элемента вследствие использования нагрузочного резистора.

Из известных наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является интегральный логический элемент «НЕ» на гетеропереходных транзисторах с высокой подвижностью носителей (см. Шур М. Современные приборы на основе арсенида галлия. - М.: Мир, 1991. - 632 с., фиг.9.6.11, с.476), содержащий полуизолирующую GaAs-подложку, входную металлическую шину, расположенную под ней и образующую с ней переход Шоттки первую AlGaAs-область второго типа проводимости, расположенную под ней первую AlGaAs-область спейсера собственной проводимости, расположенную под ней GaAs-область первого канала собственной проводимости, вторую AlGaAs-область второго типа проводимости, вторую AlGaAs-область спейсера собственной проводимости, выходную область второго типа проводимости с поперечным сечением прямоугольной формы, граничащую с GaAs-областью первого канала собственной проводимости, выходную металлическую шину, соединенную с выходной областью второго типа проводимости, металлическую шину питания, металлическую шину нулевого потенциала, области разделительного диэлектрика, GaAs-область второго канала собственной проводимости, граничащую с выходной областью второго типа проводимости, область нулевого потенциала второго типа проводимости с поперечным сечением прямоугольной формы, граничащую с GaAs-областью первого канала собственной проводимости и соединенную с металлической шиной нулевого потенциала, металлический затвор, образующий переход Шоттки со второй AlGaAs-областью второго типа проводимости и соединенный с выходной металлической шиной, область питания второго типа проводимости с поперечным сечением прямоугольной формы, граничащую с GaAs-областью второго канала собственной проводимости и соединенную с металлической шиной питания, причем GaAs-области первого и второго каналов собственной проводимости имеют горизонтальное взаимное расположение и расположены над полуизолирующей GaAs-подложкой, вторая AlGaAs-область спейсера собственной проводимости расположена над GaAs-областью второго канала собственной проводимости, вторая AlGaAs-область второго типа проводимости расположена над второй AlGaAs-областью спейсера собственной проводимости.

Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются нерациональное использование площади кристалла, обусловленное горизонтальным относительным расположением первого и второго каналов интегрального логического элемента и отсутствием функциональной интеграции областей структуры; ограничение времени переключения элемента временем пролета электронами первого канала интегрального логического элемента; большая энергия переключения элемента вследствие перезаряда емкости затвор - первый канал в процессе переключения элемента.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности использования площади кристалла, увеличение быстродействия и снижение энергии переключения интегрального логического элемента.

Для достижения необходимого технического результата в интегральный логический элемент «НЕ» на квантовых эффектах, содержащий полуизолирующую GaAs-подложку, входную металлическую шину, расположенную под ней и образующую с ней переход Шоттки первую AlGaAs-область второго типа проводимости, расположенную под ней первую AlGaAs-область спейсера собственной проводимости, расположенную под ней GaAs-область первого канала собственной проводимости, вторую AlGaAs-область второго типа проводимости, вторую AlGaAs-область спейсера собственной проводимости, выходную область второго типа проводимости с поперечным сечением прямоугольной формы, граничащую с GaAs-областью первого канала собственной проводимости, выходную металлическую шину, соединенную с выходной областью второго типа проводимости, металлическую шину питания, металлическую шину нулевого потенциала, области разделительного диэлектрика, введены расположенная под GaAs-областью первого канала собственной проводимости AlGaAs-область туннельного барьера собственной проводимости, расположенная под ней и граничащая с выходной областью второго типа проводимости InGaAs-область второго канала собственной проводимости, расположенная над полуизолирующей GaAs-подложкой и под второй AlGaAs-областью второго типа проводимости AlGaAs-область второго барьера собственной проводимости, область питания второго типа проводимости с поперечным сечением в виде символа L, соединенная с металлической шиной питания и граничащая с InGaAs-областью второго канала собственной проводимости, область нулевого потенциала второго типа проводимости с поперечным сечением в виде символа Г, соединенная с металлической шиной нулевого потенциала и граничащая с GaAs-областью первого канала собственной проводимости, причем GaAs-область первого канала собственной проводимости и InGaAs-область второго канала собственной проводимости имеют вертикальное взаимное расположение, разделены AlGaAs-областью туннельного барьера собственной проводимости, вторая AlGaAs-область спейсера собственной проводимости расположена под InGaAs-областью второго канала собственной проводимости, вторая AlGaAs-область второго типа проводимости расположена под второй AlGaAs-областью спейсера собственной проводимости.

Сравнивая предлагаемое устройство с прототипом, видим, что оно содержит новые признаки, то есть соответствует критерию новизны. Проводя сравнение с аналогами, приходим к выводу, что предлагаемое устройство соответствует критерию "существенные отличия", так как в аналогах не обнаружены предъявляемые новые признаки. За счет введения в конструкцию расположенной под GaAs-областью первого канала собственной проводимости AlGaAs-области туннельного барьера собственной проводимости, расположенной под ней и граничащей с выходной областью второго типа проводимости InGaAs-области второго канала собственной проводимости, расположенной над полуизолирующей GaAs-подложкой и под второй AlGaAs-областью второго типа проводимости AlGaAs-области второго барьера собственной проводимости, области питания второго типа проводимости с поперечным сечением в виде символа L, соединенной с металлической шиной питания и граничащей с InGaAs-областью второго канала собственной проводимости, области нулевого потенциала второго типа проводимости с поперечным сечением в виде символа Г, соединенной с металлической шиной нулевого потенциала и граничащей с GaAs-областью первого канала собственной проводимости, причем GaAs-область первого канала собственной проводимости и InGaAs-область второго канала собственной проводимости имеют вертикальное взаимное расположение, разделены AlGaAs-областью туннельного барьера собственной проводимости, вторая AlGaAs-область спейсера собственной проводимости расположена под InGaAs-областью второго канала собственной проводимости, вторая AlGaAs-область второго типа проводимости расположена под второй AlGaAs-областью спейсера собственной проводимости, получен положительный эффект, заключающийся в повышении эффективности использования площади кристалла, увеличении быстродействия и снижении энергии переключения интегрального логического элемента.

На фиг.1 приведена топология предлагаемого интегрального логического элемента «НЕ» на квантовых эффектах. На фиг.2 приведено сечение предлагаемого интегрального логического элемента по области нулевого потенциала и входной металлической шине. На фиг.3 приведено сечение предлагаемого интегрального логического элемента по выходной области и области питания второго типа проводимости.

Интегральный логический элемент содержит полуизолирующую GaAs-подложку 1, входную металлическую шину 2, расположенную под ней и образующую с ней переход Шоттки первую AlGaAs-область второго типа проводимости 3, расположенную под ней первую AlGaAs-область спейсера собственной проводимости 4, расположенную под ней GaAs-область первого канала собственной проводимости 5, вторую AlGaAs-область второго типа проводимости 6, вторую AlGaAs-область спейсера собственной проводимости 7, выходную область второго типа проводимости 8 с поперечным сечением прямоугольной формы, граничащую с GaAs-областью первого канала собственной проводимости 5, выходную металлическую шину 9, соединенную с выходной областью второго типа проводимости 8, металлическую шину питания 10, металлическую шину нулевого потенциала 11, области разделительного диэлектрика 12, расположенную под GaAs-областью первого канала собственной проводимости 5 AlGaAs-область туннельного барьера собственной проводимости 13, расположенную под ней и граничащую с выходной областью второго типа проводимости 8 InGaAs-область второго канала собственной проводимости 14, расположенную над полуизолирующей GaAs-подложкой 1 и под второй AlGaAs-областью второго типа проводимости 6 AlGaAs-область второго барьера собственной проводимости 15, область питания второго типа проводимости 16 с поперечным сечением в виде символа L, соединенную с металлической шиной питания 10 и граничащую с InGaAs-областью второго канала собственной проводимости 14, область нулевого потенциала второго типа проводимости 17 с поперечным сечением в виде символа Г, соединенную с металлической шиной нулевого потенциала 11 и граничащую с GaAs-областью первого канала собственной проводимости 5, причем GaAs-область первого канала собственной проводимости 5 и InGaAs-область второго канала собственной проводимости 14 имеют вертикальное взаимное расположение, разделены AlGaAs-областью туннельного барьера собственной проводимости 13, вторая AlGaAs-область спейсера собственной проводимости 7 расположена под InGaAs-областью второго канала собственной проводимости 14, вторая AlGaAs-область второго типа проводимости 6 расположена под второй AlGaAs-областью спейсера собственной проводимости 7.

Работает устройство следующим образом. При подаче напряжения питания на металлическую шину 10, соединенную с областью питания второго типа проводимости 16, относительно металлической шины нулевого потенциала 11, соединенной с областью нулевого потенциала второго типа проводимости 17 с поперечным сечением в виде символа Г, и действующем низком уровне напряжения логического нуля на входной металлической шине 2, образующей переход Шоттки с первой AlGaAs-областью второго типа проводимости 3, электроны, перешедшие в GaAs-область первого канала собственной проводимости 5 из первой AlGaAs-области второго типа проводимости 3 и пространственно изолированные от ионов примеси первой AlGaAs-областью спейсера собственной проводимости 4, и электроны, перешедшие в InGaAs-область второго канала собственной проводимости 14 из второй AlGaAs-области второго типа проводимости 6 благодаря AlGaAs-области второго барьера собственной проводимости 15, препятствующей переходу электронов из второй AlGaAs-области второго типа проводимости 6 в полуизолирующую GaAs-подложку 1, и пространственно изолированные от ионов примеси второй AlGaAs-областью спейсера собственной проводимости 7, туннелируют через AlGaAs-область туннельного барьера собственной проводимости 13 из квантовой ямы, образованной GaAs-областью первого канала собственной проводимости 5, в более глубокую квантовую яму, образованную InGaAs-областью второго канала собственной проводимости 14, в результате чего проводимость GaAs-области первого канала собственной проводимости 5, граничащей с областью нулевого потенциала второго типа проводимости 17 с поперечным сечением в виде символа Г и выходной областью второго типа проводимости 8 и изолированной от области питания второго типа проводимости 16 областью разделительного диэлектрика 12, низкая, а проводимость InGaAs-области второго канала собственной проводимости 14, граничащей с выходной областью второго типа проводимости 8 и областью питания второго типа проводимости 16 и изолированной от области нулевого потенциала второго типа проводимости 17 с поперечным сечением в виде символа Г полуизолирующей GaAs-подложкой, высокая, и на выходной металлической шине 9, соединенной с выходной областью второго типа проводимости 8, действует высокий уровень напряжения логической единицы.

При подаче высокого уровня напряжения логической единицы на входную металлическую шину 2 поперечная составляющая электрического поля смещает энергетические уровни, расположенные у дна квантовой ямы, образованной GaAs-областью первого канала собственной проводимости 5, ниже энергетических уровней, расположенных у дна квантовой ямы, образованной InGaAs-областью второго канала собственной проводимости 14, в результате чего электроны туннелируют через AlGaAs-область туннельного барьера собственной проводимости 13 из квантовой ямы, образованной InGaAs-областью второго канала собственной проводимости 14, в квантовую яму, образованную GaAs-областью первого канала собственной проводимости 5, проводимость GaAs-области первого канала собственной проводимости 5, граничащей с областью нулевого потенциала второго типа проводимости 17 с поперечным сечением в виде символа Г и выходной областью второго типа проводимости 8 и изолированной от области питания второго типа проводимости 16 областью разделительного диэлектрика 12, увеличивается, а проводимость InGaAs-области второго канала собственной проводимости 14, граничащей с выходной областью второго типа проводимости 8 и областью питания второго типа проводимости 16 и изолированной от области нулевого потенциала второго типа проводимости 17 с поперечным сечением в виде символа Г полуизолирующей GaAs-подложкой, уменьшается, и на выходной металлической шине 9, соединенной с выходной областью второго типа проводимости 8, устанавливается низкий уровень напряжения логического нуля.

Таким образом, предлагаемое устройство представляет собой интегральный логический элемент «НЕ» на квантовых эффектах.

Вертикальное взаимное расположение областей первого и второго каналов, первой и второй AlGaAs-областей второго типа проводимости, первой и второй AlGaAs-областей спейсеров собственной проводимости, AlGaAs-областей барьеров собственной проводимости, использование одного управляющего перехода Шоттки, а также формы поперечных сечений области питания второго типа проводимости в виде символа L и области нулевого потенциала второго типа проводимости в виде символа Г обеспечивают уменьшение примерно в 2 раза площади, занимаемой интегральным логическим элементом на кристалле, по сравнению с прототипом.

Использование эффекта туннелирования электронов между областями первого и второго каналов, разделенных AlGaAs-областью туннельного барьера, обеспечивает переключение интегрального логического элемента из состояния логического нуля в состояние логической единицы и наоборот под воздействием управляющего входного напряжения при практически неизменном суммарном числе электронов в областях каналов, что позволяет уменьшить энергию переключения элемента и повысить его быстродействие по сравнению с прототипом и аналогами, поскольку в данном случае время задержки элемента не ограничивается временем пролета электронами каналов (при неизменном суммарном числе электронов в каналах возможны многократные туннельные переходы электронов между каналами, а следовательно, и многократные переключения интегрального логического элемента в течение времени пролета электронами канала).

Изобретение относится к области вычислительной техники и интегральной электроники, а более конкретно к интегральным логическим элементам СБИС. Техническим результатом является сокращение занимаемой площади кристалла, повышение быстродействия и снижение энергии переключения. Устройство содержит полуизолирующую GaAs-подложку, входную металлическую шину, расположенную под ней и образующую с ней переход Шоттки первую AlGaAs-область второго типа проводимости, расположенную под ней первую AlGaAs-область спейсера собственной проводимости, расположенную под ней GaAs-область первого канала собственной проводимости, вторую AlGaAs-область второго типа проводимости, вторую AlGaAs-область спейсера собственной проводимости, выходную область второго типа проводимости, металлические шины выходную, питания, нулевого потенциала, области разделительного диэлектрика, AlGaAs-область туннельного барьера собственной проводимости, InGaAs-область второго канала собственной проводимости, AlGaAs-область второго барьера собственной проводимости, область питания второго типа проводимости с поперечным сечением в виде символа L, область нулевого потенциала второго типа проводимости с поперечным сечением в виде символа Г, при этом GaAs-область первого канала собственной проводимости и InGaAs-область второго канала собственной проводимости имеют вертикальное взаимное расположение. 3 ил.

Интегральный логический элемент НЕ на квантовых эффектах, содержащий полуизолирующую GaAs-подложку, входную металлическую шину, расположенную под ней и образующую с ней переход Шоттки первую AlGaAs-область второго типа проводимости, расположенную под ней первую AlGaAs-область спейсера собственной проводимости, расположенную под ней GaAs-область первого канала собственной проводимости, вторую AlGaAs-область второго типа проводимости, вторую AlGaAs-область спейсера собственной проводимости, выходную область второго типа проводимости с поперечным сечением прямоугольной формы, граничащую с GaAs-областью первого канала собственной проводимости, выходную металлическую шину, соединенную с выходной областью второго типа проводимости, металлическую шину питания, металлическую шину нулевого потенциала, области разделительного диэлектрика, отличающийся тем, что в него введены расположенная под GaAs-областью первого канала собственной проводимости AlGaAs-область туннельного барьера собственной проводимости, расположенная под ней и граничащая с выходной областью второго типа проводимости InGaAs-область второго канала собственной проводимости, расположенная над полуизолирующей GaAs-подложкой и под второй AlGaAs-областью второго типа проводимости AlGaAs-область второго барьера собственной проводимости, область питания второго типа проводимости с поперечным сечением в виде символа L, соединенная с металлической шиной питания и граничащая с InGaAs-областью второго канала собственной проводимости, область нулевого потенциала второго типа проводимости с поперечным сечением в виде символа Г, соединенная с металлической шиной нулевого потенциала и граничащая с GaAs-областью первого канала собственной проводимости, причем GaAs-область первого канала собственной проводимости и InGaAs-область второго канала собственной проводимости имеют вертикальное взаимное расположение, разделены AlGaAs-областью туннельного барьера собственной проводимости, вторая AlGaAs-область спейсера собственной проводимости расположена под InGaAs-областью второго канала собственной проводимости, вторая AlGaAs-область второго типа проводимости расположена под второй AlGaAs-областью спейсера собственной проводимости.