ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРИБОР С ОТРИЦАТЕЛЬНЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2014 года по МПК H01L29/772 

Изобретение относится к области полупроводниковой электроники, а именно к приборам с регулируемым отрицательным дифференциальным сопротивлением, и может быть использовано в различных электронных устройствах и интегральных схемах, предназначенных для генерации, усиления и преобразования электрических сигналов с модуляцией выходных сигналов.

Известен вертикальный полевой транзистор (ПТ), содержащий полупроводниковую подложку, сток (исток) с n⁺-типом проводимости, вертикальные проводящие каналы с n-типом проводимости, затвор, выполненный в виде металлической ленты, перфорированной в пределах полупроводниковой структуры, и исток (сток) с n⁺-типом проводимости [1]. Между затвором и каналами образуются барьеры Шоттки. Транзистор выполнен из арсенида галлия (GaAs).

Однако в этом приборе используются вертикальные каналы только с n-типом проводимости.

Известен вертикальный ПТ [2], содержащий подложку с n⁺-типом проводимости, которая является истоком (стоком) каналов с n-типом проводимости, металлические затворы, размещенные на непроводящих областях структуры прибора и образующие барьеры Шоттки с каналами, а также стоки с n⁺-типом проводимости. Кроме того, на том же кристалле дополнительно сформирован диод Шоттки (ДШ), причем один контакт диода совмещен с контактом истока (стока) вертикального ПТ, а другой контакт ДШ соединяется с контактом стока (истока) ПТ. Вертикальный ПТ с ДШ образуют составное устройство.

Однако в этом приборе также используются вертикальные каналы только с n-типом проводимости.

Известен вертикальный ПТ [3], содержащий металлический вывод истока, омический контакт к истоку, исток, выполненный из полупроводника n⁺-типа проводимости, вертикальные проводящие каналы с n-типом проводимости, затвор, выполненный в виде металлической ленты, перфорированной в пределах полупроводниковой структуры, и сток с n⁺-типом проводимости. Между затвором и каналами образуются барьеры Шоттки.

В этом приборе также используются вертикальные каналы только с n-типом проводимости.

Наиболее близким к заявленному устройству является полупроводниковый прибор - лямбда-транзистор [4], состоящий из трех полевых транзисторов обедненного типа, который выбран в качестве прототипа. При этом два транзистора с каналами n- и p-типами проводимости (комплементарные полевые транзисторы) образуют лямбда-диод, а третий транзистор служит для изменения тока прибора. Он обычно размещен между комплементарными транзисторами. Средний транзистор может иметь канал с n- или p-типом проводимости, а на затвор подают соответствующее напряжение для изменения сопротивления канала. Комплементарные транзисторы соединяются между собой следующим образом: вывод стока транзистора с каналом n-типа соединяется с выводом затвора другого транзистора с p-каналом, вывод стока которого соединяется с затвором транзистора с n-каналом, а выводы истоков комплементарных транзисторов соединяются с выводами стока и истока среднего транзистора. На сток транзистора с n-каналом подают положительное напряжение относительно стока транзистора с p-каналом.

Основные недостатки этого прибора:

- прибор состоит из трех отдельных полевых транзисторов, поэтому размеры прибора увеличиваются;

- перекрестные металлические соединения между электродами усложняют конструкцию прибора, особенно при использовании достаточно большого числа единичных структур.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является уменьшение размеров, повышение быстродействия и увеличение тока и выходной мощности прибора с регулируемым отрицательным дифференциальным сопротивлением.

Сущность изобретения заключается в том, что в приборе, содержащем каналы с n- и p-типами проводимости, затворы, истоки и стоки каналов, использованы вертикальные каналы, которые расположены параллельно друг другу. Причем каналы соприкасаются между собой боковыми сторонами, при этом образуется электрический переход. Отличительной особенностью предлагаемого прибора является расположение истока p-канала напротив стока n-канала, а стока p-канала - напротив истока n-канала. Для соединения истоков каналов между собой сформирована дополнительная область с n⁺-типом проводимости. Исток p-канала соединен с дополнительной областью с помощью проводника, а исток n-канала размещен непосредственно на дополнительной области. Стоки каналов имеют отдельные выводы. Ток в каналах проходит в одном направлении. В отличие от лямбда-транзистора в предлагаемом приборе отсутствуют металлические соединения между стоками каналов и соответствующими затворами. В приборе электрический переход, запирающий каналы, образован непосредственно между каналами, что упрощает конструкцию прибора и уменьшает его размеры.

Затворы сформированы на другой боковой стороне каналов и расположены на непроводящих областях (диэлектрике). Для управления сопротивлениями каналов могут быть использованы барьеры Шоттки, структуры металл-окисел или управляющие p-n-переходы. Толщина затвора должна соответствовать длине канала и может иметь субмикронные размеры. Для уменьшения сопротивления затвора толщина его в средней части может быть больше, чем на краях.

В первом варианте прибор имеет только один затвор к каналу с n- или p-типом проводимости (трехэлектродный прибор). В трехэлектродном приборе при использовании более одной единичной структуры возможно объединение единичных структур следующим образом: каналы с одинаковым типом проводимости, к которым не сформированы затворы, объединены в один общий канал и он размещен между каналами с другим типом проводимости, при этом образуются новые объединенные структуры.

Во втором варианте затворы сформированы к обоим каналам (четырехэлектродный прибор), и второй затвор может быть использован для корректировки параметров прибора. В четырехэлектродном приборе при использовании более одной единичной структуры возможно объединение единичных структур с помощью общего затвора к каналам одного типа проводимости соседних структур.

Вертикальная структура обеспечивает возможность уменьшения длин каналов, что позволит повысить быстродействие прибора. Прибор может иметь только одну единичную структуру или содержать достаточно большое число единичных структур, в этом случае можно увеличить ток и выходную мощность прибора. В предлагаемом приборе объединены три полевых транзистора в единую вертикальную структуру, благодаря чему достигается заявленный технический результат.

На фигуре 1 изображены возможный вариант единичной структуры трехэлектродного прибора (вариант 1) в плане и его продольное сечение, на фигуре 2 - поперечные сечения прибора, на фигуре 3 изображены возможный вариант трехэлектродного прибора с двумя новыми структурами в плане и продольное сечение. На фигуре 4 изображены возможный вариант единичной структуры четырехэлектродного прибора (вариант 2) в плане и его продольное сечение, на фигуре 5 - поперечные сечения четырехэлектродного прибора, на фигуре 6 изображены возможный вариант четырехэлектродного прибора с двумя единичными структурами в плане и продольное сечение.

В первом варианте на подложке 1 сформирована единичная структура (фигура 1), в приборе канал 2 с p-типом проводимости соприкасается с каналом 3 с n-типом проводимости. Исток 4 p-канала находится напротив стока 5 n-канала, а сток 6 p-канала - напротив истока 7 n-канала. Исток 4 и сток 6 р-канала имеют р⁺-тип проводимости, а сток 5 и исток 7 n-канала имеют n⁺-тип проводимости. Сток 6 р-канала соединен с выводом 8, а сток 5 n-канала имеет вывод 9. Исток 7 n-канала расположен на дополнительной области 10 с n⁺-типом проводимости. Исток 4 p-канала соединен с истоком 7 n-канала с помощью области 10 и проводника 11, который образует омические контакты с областью 10 и истоком 4 p-канала. Диэлектрическая пленка 12 изолирует вывод стока 8 p-канала от области 10. Вывод стока 9 n-канала соединен с шиной 13, а вывод стока 8 p-канала - с шиной 14. Затвор 15 образует барьер Шоттки с каналом 3 n-типа. Совмещение затвора 15 с каналом 3 произведено с помощью диэлектрической пленки 16. Затвор соединен с шиной 17. Шины 13 и 17 расположены на диэлектрической пленке 16, а шина 14 - на подложке 1.

При использовании более одной единичной структуры каналы с p-типом проводимости, к которым не сформированы затворы, объединены в один общий канал и он размещен между каналами с n-типом проводимости, при этом образуется новая структура (фигура 3).

Во втором варианте (фигуры 4-6) сформирован второй затвор 18 к p-каналу 2, который также образует барьер Шоттки с каналом 2. Затвор 18 сформирован на диэлектрической пленке 16. Затворы 15 и 18 соединены с шинами 17 и 19 соответственно. Вывод стока 8 p-канала соединен с шиной 14, а сток 5 n-канала имеет отдельный вывод 9. Объединение двух единичных структур осуществлено с помощью использования общего затвора 18 к p-каналам 2 соседних структур (фигура 6).

Прибор работает следующим образом. На сток 9 n-канала подают положительное напряжение U₀ относительно стока 6 p-канала (фигуры 1,4). По n-каналу 3 и p-каналу 2 будет протекать ток в одном направлении. Ток создает падение напряжения на n-канале U_n, а на p-канале U_р. Если не учитывать падения напряжений на стоке, истоке каналов и области 10, то U_n+U_p=U₀. На электрическом переходе между каналами с n- и p-типами проводимости оказывается обратное напряжение. Разность потенциалов на переходе изменяется от U_p в нижней части электрического перехода между истоком 7 n-канала и стоком 6 p-канала до U_n в верхней части перехода между стоком 5 n-канала и истоком 4 p-канала. Обратное напряжение запирает каждый канал от истока до стока. В общем случае U_n не равно U_p, но возможен вариант, когда U_n=U_p.Однако в любом варианте при увеличении обратного напряжения на переходе толщина обедненного слоя в каждом канале возрастает, что приводит к уменьшению толщины проводящей части канала, поэтому с увеличением U₀ ток сначала растет, достигает наибольшего значения, затем вследствие перекрытия каналов и увеличения их сопротивлений ток будет уменьшаться. Когда каналы полностью перекроются обедненными слоями, ток будет определяться токами утечек обратно смещенных переходов.

При увеличении обратного напряжения на затворе сопротивление канала будет увеличиваться, что приводит к уменьшению максимального тока и напряжения отсечки прибора, когда ток прибора будет минимальным. Таким образом, в приборе формируются вольт-амперные характеристики лямбда-транзистора.

В первом варианте прибора при использовании более одной единичной структуры (фигура 3) в каждой новой структуре по n-каналам 3 и p-каналу 2 будут протекать токи также в одном направлении. Истоки 7 n-каналов в каждой новой структуре соединены между собой с помощью сформированной области 10, поэтому падения напряжений на n-каналах U_n будут одинаковыми (токи в n-каналах в общем случае могут быть не равны между собой). Ток в p-канале равен сумме токов, протекающих в соседних n-каналах. Для выравнивания значений сопротивления p-канала и общего сопротивления n-каналов можно, например, уменьшить толщину n-каналов или уменьшить концентрацию примесей в этих каналах.

В обоих вариантах прибора при использовании более одной единичной структуры (фигуры 3 и 6) затворы являются общими для соседних структур, а каналы с одинаковым типом проводимости размещены симметрично по отношению к затворам.

Прибор может быть изготовлен из кремния или из полупроводниковых материалов группы A^III B^V, обладающих более высокой подвижностью электронов.

По сравнению с прототипом предлагаемый прибор с вертикальной структурой и параллельно расположенными n- и p-каналами, в которых ток проходит в одном направлении, позволит:

- уменьшить размеры и упростить конструкцию прибора;

- повысить быстродействие прибора за счет уменьшения длин каналов;

- увеличить ток и выходную мощность при использовании более одной единичной структуры в приборе.

Источники информации

1. Hollis М.А., Bozler C.O., Nichols K.B., Bergeron N.J. Vertical transistor device fabricated with semiconductor regrowth. Патент № US 4903089 (А), МПК: H01L 29/80, заявл. 02.02.1988 г., опубл. 20.02.1990 г.

2. Brar B.P.S., На W. Vertical field-effect transistor and method of forming the same. Патент № US 7663183, заявл. 19.06.2007 г., опубл. 16.02.2010 г.

3. Семенов А.В., Хан А.В., Хан В.А. Вертикальный полевой транзистор. Патент № RU 2402105, МПК: H01L 29/772, заявл. 03.08.2009 г., опубл. 20.10.2010 г.

4. Лямбда-диод - многофункциональный прибор с отрицательным сопротивлением. Г.Кано, X.Ивазо, X.Такаги, И.Терамото. Электроника. - 1975 г., Т.48, №13 - с.48-53.

Изобретение относится к области полупроводниковой электроники. В предлагаемом приборе объединены три полевых транзистора в единую вертикальную структуру с каналами n- и p-типами проводимости, между которыми образуется электрический переход, при этом исток p-канала расположен напротив стока n-канала, а сток p-канала - напротив истока n-канала. Истоки каналов соединены между собой с помощью проводника и дополнительной области с n⁺-типом проводимости, на которой сформирован исток n-канала, а стоки каналов имеют отдельные выводы. В приборе может быть один затвор (трехэлектродный прибор - вариант 1) или два затвора (четырехэлектродный прибор - вариант 2), расположенных на другой (второй) боковой стороне каналов. Ток в каналах проходит в одном направлении и создает на переходе обратное напряжение, которое запирает каналы. Прибор может содержать более одной единичной структуры, при этом затворы являются общими для соседних структур. Изобретение позволяет уменьшить размеры, повысить быстродействие и увеличить ток и выходную мощность прибора. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Полупроводниковый прибор с отрицательным сопротивлением (варианты), содержащий каналы с n- и p-типами проводимости, затворы, истоки и стоки каналов, отличающийся тем, что в приборе использованы вертикальные каналы с n- и p-типами проводимости, контактирующие между собой боковыми сторонами, при этом исток p-канала расположен напротив стока n-канала, а сток p-канала - напротив истока n-канала, истоки каналов соединены между собой с помощью проводника и дополнительной области с n⁺-типом проводимости, на которой сформирован исток n-канала, а стоки каналов имеют отдельные выводы, причем в приборе может быть один затвор (вариант 1) или два затвора (вариант 2).

2. Прибор по п.1, отличающийся тем, что в первом варианте затвор сформирован на боковой стороне n-канала или p-канала, которая не контактирует с каналом с другим типом проводимости, а при наличии более одной единичной структуры в приборе соседние каналы, к которым не сформированы затворы, объединены в один общий канал и он размещен между каналами с другим типом проводимости.

3. Прибор по п.1, отличающийся тем, что во втором варианте затворы сформированы на боковых сторонах n-канала и p-канала, не контактирующих с каналами с другим типом проводимости.

4. Прибор по п.1, отличающийся тем, что в обоих вариантах при наличии более одной единичной структуры в приборе затворы являются общими для соседних структур, а каналы с одинаковым типом проводимости размещены симметрично по отношению к затворам.