ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ЛОГИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ "ИЛИ-НЕ" НА КВАНТОВЫХ ЭФФЕКТАХ Российский патент 2006 года по МПК H01L27/04 

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

Известен интегральный логический элемент «ИЛИ-НЕ» на полевых транзисторах с управляющими переходами Шоттки (см. Шур М. Современные приборы на основе арсенида галлия. - М.: Мир, 1991. - 632 с., фиг.9.2.6а, с.420, фиг.9.6.5, с.472), содержащий полуизолирующую GaAs-подложку, первую входную металлическую шину, вторую входную металлическую шину, выходную металлическую шину, металлическую шину питания, металлическую шину нулевого потенциала, области разделительного диэлектрика, GaAs-область канала первого ключевого транзистора второго типа проводимости, расположенную над полуизолирующей GaAs-подложкой и образующую переход Шоттки с первой входной металлической шиной, GaAs-область канала второго ключевого транзистора второго типа проводимости, расположенную над полуизолирующей GaAs-подложкой и образующую переход Шоттки со второй входной металлической шиной, область второго типа проводимости с прямоугольной формой поперечного сечения, являющуюся областью истока первого ключевого транзистора и областью истока второго ключевого транзистора, соединенную с металлической шиной нулевого потенциала, область второго типа проводимости с прямоугольной формой поперечного сечения, являющуюся областью стока первого ключевого транзистора и областью стока второго ключевого транзистора, 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 ключевых транзисторов и нагрузочного резистора второго типа проводимости имеют горизонтальное взаимное расположение.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками, являются полуизолирующая GaAs-подложка, первая входная металлическая шина, вторая 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 ключевых транзисторов и нагрузочного резистора и отсутствием функциональной интеграции полупроводниковых областей ключевых транзисторов и нагрузочного резистора; ограничение времени переключения элемента временем пролета электронами каналов транзисторов; ограничение времени пролета электронами каналов транзисторов эффектом рассеяния электронов в каналах на ионах легирующих примесей; большая энергия переключения элемента вследствие перезаряда емкостей затвор-канал ключевых транзисторов в процессе переключения элемента; пониженная помехоустойчивость и крутизна передаточной характеристики элемента вследствие использования нагрузочного резистора.

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

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками, являются полуизолирующая GaAs-подложка, первая входная металлическая шина, вторая 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 ключевых транзисторов и нагрузочного резистора; ограничение времени переключения элемента временем пролета электронами каналов транзисторов; ограничение времени пролета электронами каналов транзисторов 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 «ИЛИ-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, первую 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 первую GaAs-область канала собственной проводимости, вторую AlGaAs-область второго типа проводимости, вторую AlGaAs-область спейсера собственной проводимости, вторую входную металлическую шину, выходную область второго типа проводимости, граничащую с первой GaAs-областью канала собственной проводимости, выходную металлическую шину, соединенную с выходной областью второго типа проводимости, металлическую шину питания, металлическую шину нулевого потенциала, области разделительного диэлектрика, расположенную под второй AlGaAs-областью спейсера собственной проводимости вторую GaAs-область канала собственной проводимости, третью AlGaAs-область второго типа проводимости, расположенную под ней третью AlGaAs-область спейсера собственной проводимости, расположенную под ней третью GaAs-область канала собственной проводимости, граничащую с выходной областью второго типа проводимости, область нулевого потенциала второго типа проводимости с поперечным сечением прямоугольной формы, граничащую с первой GaAs-областью канала собственной проводимости и второй GaAs-областью канала собственной проводимости и соединенную с металлической шиной нулевого потенциала, металлический затвор, образующий переход Шоттки с третьей AlGaAs-областью второго типа проводимости и соединенный с выходной металлической шиной, область питания второго типа проводимости с поперечным сечением прямоугольной формы, граничащую с третьей GaAs-областью канала собственной проводимости и соединенную с металлической шиной питания, причем первая, вторая и третья GaAs-области каналов собственной проводимости имеют горизонтальное взаимное расположение и расположены над полуизолирующей GaAs-подложкой, вторая AlGaAs-область второго типа проводимости расположена над второй AlGaAs-областью спейсера собственной проводимости и под второй входной металлической шиной и образует с ней переход Шоттки.

Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются нерациональное использование площади кристалла, обусловленное горизонтальным относительным расположением первой, второй и третьей областей каналов интегрального логического элемента и отсутствием функциональной интеграции областей структуры; ограничение времени переключения элемента временем пролета электронами первой и второй областей каналов интегрального логического элемента; большая энергия переключения элемента вследствие перезаряда входных емкостей 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 «ИЛИ-НЕ» на квантовых эффектах, содержащий полуизолирующую GaAs-подложку, первую 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 первую GaAs-область канала собственной проводимости, вторую AlGaAs-область второго типа проводимости, вторую AlGaAs-область спейсера собственной проводимости, вторую входную металлическую шину, выходную область второго типа проводимости, граничащую с первой GaAs-областью 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 первой GaAs-областью канала собственной проводимости AlGaAs-область туннельного барьера собственной проводимости, расположенная под ней и граничащая с выходной областью второго типа проводимости InGaAs-область 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 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 первой GaAs-областью канала собственной проводимости, причем первая GaAs-область канала собственной проводимости и InGaAs-область канала собственной проводимости имеют вертикальное взаимное расположение, разделены AlGaAs-областью туннельного барьера собственной проводимости, вторая AlGaAs-область спейсера собственной проводимости расположена под InGaAs-областью канала собственной проводимости, вторая AlGaAs-область второго типа проводимости расположена под второй AlGaAs-областью спейсера собственной проводимости, вторая входная металлическая шина расположена над первой AlGaAs-областью второго типа проводимости и образует с ней переход Шоттки, выходная область второго типа проводимости имеет форму символа и поперечное сечение в виде символа

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 первой GaAs-областью канала собственной проводимости AlGaAs-области туннельного барьера собственной проводимости, расположенной под ней и граничащей с выходной областью второго типа проводимости InGaAs-области 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 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 первой GaAs-областью канала собственной проводимости, причем первая GaAs-область канала собственной проводимости и InGaAs-область канала собственной проводимости имеют вертикальное взаимное расположение, разделены AlGaAs-областью туннельного барьера собственной проводимости, вторая AlGaAs-область спейсера собственной проводимости расположена под InGaAs-областью канала собственной проводимости, вторая AlGaAs-область второго типа проводимости расположена под второй AlGaAs-областью спейсера собственной проводимости, вторая входная металлическая шина расположена над первой AlGaAs-областью второго типа проводимости и образует с ней переход Шоттки, выходная область второго типа проводимости имеет форму символа и поперечное сечение в виде символа 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 «ИЛИ-НЕ» на квантовых эффектах. На фиг.2 приведено сечение предлагаемого интегрального логического элемента по области нулевого потенциала и первой 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, первую 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 первую GaAs-область канала собственной проводимости 5, вторую AlGaAs-область второго типа проводимости 6, вторую AlGaAs-область спейсера собственной проводимости 7, вторую входную металлическую шину 8, выходную область второго типа проводимости 9, граничащую с первой GaAs-областью канала собственной проводимости 5, выходную металлическую шину 10, соединенную с выходной областью второго типа проводимости 9, металлическую шину питания 11, металлическую шину нулевого потенциала 12, области разделительного диэлектрика 13, расположенную под первой GaAs-областью канала собственной проводимости 5 AlGaAs-область туннельного барьера собственной проводимости 14, расположенную под ней и граничащую с выходной областью второго типа проводимости 9 InGaAs-область канала собственной проводимости 15, расположенную над полуизолирующей GaAs-подложкой 1 и под второй AlGaAs-областью второго типа проводимости 6 AlGaAs-область второго барьера собственной проводимости 16, область питания второго типа проводимости 17 с поперечным сечением в виде символа L, соединенную с металлической шиной питания 11 и граничащую с InGaAs-областью канала собственной проводимости 15, область нулевого потенциала второго типа проводимости 18 с поперечным сечением в виде символа Г, соединенную с металлической шиной нулевого потенциала 12 и граничащую с первой GaAs-областью канала собственной проводимости 5, причем первая GaAs-область канала собственной проводимости 5 и InGaAs-область канала собственной проводимости 15 имеют вертикальное взаимное расположение, разделены AlGaAs-областью туннельного барьера собственной проводимости 14, вторая AlGaAs-область спейсера собственной проводимости 7 расположена под InGaAs-областью канала собственной проводимости 15, вторая AlGaAs-область второго типа проводимости 6 расположена под второй AlGaAs-областью спейсера собственной проводимости 7, вторая входная металлическая шина 8 расположена над первой AlGaAs-областью второго типа проводимости 3 и образует с ней переход Шоттки, выходная область второго типа проводимости 9 имеет форму символа и поперечное сечение в виде символа

Работает устройство следующим образом. При подаче напряжения питания на металлическую шину 11, соединенную с областью питания второго типа проводимости 17 с поперечным сечением в виде символа L, относительно металлической шины нулевого потенциала 12, соединенной с областью нулевого потенциала второго типа проводимости 18 с поперечным сечением в виде символа Г, и действующем низком уровне напряжения логического нуля на первой входной металлической шине 2 и второй входной металлической шине 8, образующих переходы Шоттки с первой AlGaAs-областью второго типа проводимости 3, электроны, перешедшие в первую GaAs-область 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 канала собственной проводимости 15 из второй AlGaAs-области второго типа проводимости 6 благодаря AlGaAs-области второго барьера собственной проводимости 16, 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 14 из квантовой ямы, образованной первой GaAs-областью канала собственной проводимости 5, в более глубокую квантовую яму, образованную InGaAs-областью канала собственной проводимости 15, в результате чего проводимость первой GaAs-области канала собственной проводимости 5, граничащей с областью нулевого потенциала второго типа проводимости 18 с поперечным сечением в виде символа Г и выходной областью второго типа проводимости 9 и изолированной от области питания второго типа проводимости 17 с поперечным сечением в виде символа L областью разделительного диэлектрика 13, низкая, а проводимость InGaAs-области канала собственной проводимости 15, граничащей с выходной областью второго типа проводимости 9 и областью питания второго типа проводимости 17 с поперечным сечением в виде символа L и изолированной от области нулевого потенциала второго типа проводимости 18 с поперечным сечением в виде символа Г полуизолирующей GaAs-подложкой 1, высокая и на выходной металлической шине 10, соединенной с выходной областью второго типа проводимости 9, действует высокий уровень напряжения логической единицы.

При подаче высокого уровня напряжения логической единицы на первую входную металлическую шину 2, или вторую входную металлическую шину 8, или на первую и вторую входные металлические шины 2 и 8 одновременно, поперечная составляющая электрического поля смещает энергетические уровни, расположенные у дна квантовой ямы, образованной первой GaAs-областью канала собственной проводимости 5, ниже энергетических уровней, расположенных у дна квантовой ямы, образованной InGaAs-областью канала собственной проводимости 15, в результате чего электроны туннелируют через AlGaAs-область туннельного барьера собственной проводимости 14 из квантовой ямы, образованной InGaAs-областью канала собственной проводимости 15, в квантовую яму, образованную первой GaAs-областью канала собственной проводимости 5, проводимость первой GaAs-области канала собственной проводимости 5, граничащей с областью нулевого потенциала второго типа проводимости 18 с поперечным сечением в виде символа Г и выходной областью второго типа проводимости 9 и изолированной от области питания второго типа проводимости 17 с поперечным сечением в виде символа L областью разделительного диэлектрика 13, увеличивается, а проводимость InGaAs-области канала собственной проводимости 15, граничащей с выходной областью второго типа проводимости 9 и областью питания второго типа проводимости 17 с поперечным сечением в виде символа L и изолированной от области нулевого потенциала второго типа проводимости 18 с поперечным сечением в виде символа Г полуизолирующей GaAs-подложкой 1, уменьшается и на выходной металлической шине 10, соединенной с выходной областью второго типа проводимости 9, устанавливается низкий уровень напряжения логического нуля.

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

Вертикальное взаимное расположение первой GaAs-области канала собственной проводимости и InGaAs-области канала собственной проводимости, первой и второй AlGaAs-областей второго типа проводимости, первой и второй AlGaAs-областей спейсеров собственной проводимости, AlGaAs-областей барьеров собственной проводимости, использование только двух управляющих переходов Шоттки, а также формы поперечных сечений области питания второго типа проводимости в виде символа L, области нулевого потенциала второго типа проводимости в виде символа Г и выходной области второго типа проводимости в форме символа с поперечным сечение в виде символа обеспечивают уменьшение примерно в 2 раза площади, занимаемой интегральным логическим элементом на кристалле, по сравнению с прототипом.

Использование эффекта туннелирования электронов между первой GaAs-областью канала собственной проводимости и InGaAs-областью канала собственной проводимости, разделенных AlGaAs-областью туннельного барьера, обеспечивает переключение интегрального логического элемента из состояния логического нуля в состояние логической единицы и наоборот под воздействием управляющих входных напряжений 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 изобретения является повышение эффективности использования площади кристалла, повышение быстродействия и снижение энергии переключения интегрального логического элемента. Сущность изобретения: в интегральный логический элемент, содержащий полуизолирующую GaAs-подложку, первую 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 первую GaAs-область канала собственной проводимости, вторую AlGaAs-область второго типа проводимости, вторую AlGaAs-область спейсера собственной проводимости, вторую входную металлическую шину, выходную область второго типа проводимости, выходную металлическую шину, металлическую шину питания, металлическую шину нулевого потенциала, области разделительного диэлектрика, введены AlGaAs-область туннельного барьера собственной проводимости, InGaAs-область 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, причем первая GaAs-область канала собственной проводимости и InGaAs-область канала собственной проводимости имеют вертикальное взаимное расположение и разделены AlGaAs-областью туннельного барьера собственной проводимости, выходная область второго типа проводимости имеет форму символа и поперечное сечение в виде символа . 3 ил.

Интегральный логический элемент «ИЛИ-НЕ» на квантовых эффектах, содержащий полуизолирующую GaAs-подложку, первую 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 первую GaAs-область канала собственной проводимости, вторую AlGaAs-область второго типа проводимости, вторую AlGaAs-область спейсера собственной проводимости, вторую входную металлическую шину, выходную область второго типа проводимости, граничащую с первой GaAs-областью 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 первой GaAs-областью канала собственной проводимости AlGaAs-область туннельного барьера собственной проводимости, расположенная под ней и граничащая с выходной областью второго типа проводимости InGaAs-область 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 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 первой GaAs-областью канала собственной проводимости, причем первая GaAs-область канала собственной проводимости и InGaAs-область канала собственной проводимости имеют вертикальное взаимное расположение, разделены AlGaAs-областью туннельного барьера собственной проводимости, вторая AlGaAs-область спейсера собственной проводимости расположена под InGaAs-областью канала собственной проводимости, вторая AlGaAs-область второго типа проводимости расположена под второй AlGaAs-областью спейсера собственной проводимости, вторая входная металлическая шина расположена над первой AlGaAs-областью второго типа проводимости и образует с ней переход Шоттки, выходная область второго типа проводимости имеет форму символа и поперечное сечение в виде символа