Полевой транзистор Российский патент 2024 года по МПК H01L29/772 H01L29/76 H01L29/78 

Изобретение относится к полупроводниковым приборам и может применяться в составе усилителей слабых электрических сигналов, а также в медицинских устройствах обнаружения биологических маркеров.

Уровень техники.

Современный уровень развития техники и технологии требует создания новых высокочувствительных полупроводниковых приборов для обнаружения и усиления сверхслабых световых и электрических сигналов (импульсов). Что касается обнаружения оптических сигналов, то в настоящее время созданы и широко используются полупроводниковые приборы, способные детектировать сверхслабые световые импульсы, вплоть до единичных фотонов / З.Я. Садыгов. Физика твердотельных фотоэлектронных умножителей, 2023, Издательство ОИЯИ, г. Дубна, Московская область, http://www1.jinr.ru/Books/Sadygov.pdf/. Это стало возможным благодаря созданию специальной конструкции полупроводникового прибора, в котором избыточный коэффициент шума уменьшен до теоретического минимума (до единицы). К сожалению, полупроводниковые транзисторы, предназначенные для приема и усиления слабых электрических сигналов далеки от соответствующего теоретического минимума порога чувствительности. Сегодняшние полевые транзисторы, часто используемые для этой цели не способны регистрировать слабые электрические импульсы, состоящие из несколько десятков носителей заряда. Это связано с тем, что для достижения приемлемого коэффициента усиления полевого транзистора требуется достаточно высокий истоковый ток (~1 мкА), дробовый шум которого определяет минимальную амплитуду регистрируемого сигнала / W. Marshall. Fundamentals of low-noise analog circuit design. Proceedings of the IEEE, Vol. 82, Issue, 10, 1994, p. 1515. https://ieeexplore.ieee.org/document/326411/.

Известен полевой транзистор, включающий в себя полупроводниковую подложку, исток, стоки полевой затвор /Jinshun Biet al. Patent Application US 2014/0239385 from Aug. 28,2014, Int. cI.:H01L 29/78l. При этом исток сформирован на пьедестале, образованном на поверхности подложки, а сток сформирован ниже, но достаточно смещен вбок от нижней части пьедестала. Полевой затвор сформирован непосредственно вокруг нижней границы пьедестала и изолирован от него и от стока диэлектрическим слоем. Таким образом, полевой транзистор приобретает вертикальную конфигурацию, где исток расположен на вершине пьедестала, а сток расположен ниже на поверхности подложки, то есть исток и сток не находятся в одной плоскости. В результате площадь полевого транзистора может значительно уменьшиться. Следовательно, можно улучшить плотность интеграции интегральных схем и тем самым снизить себестоимость изделия. Однако предложенная вертикальная конструкция полевого транзистора не приводит к улучшению порога чувствительности устройства. Порог чувствительности этого прибора также ограничивается достаточно высоким истоковым током (~1 мкА), дробовый шум которого определяет минимальную амплитуду регистрируемого сигнала.

Известен полевой транзистор /T. Higuchi, et al. Patent US8,860,097B2 dated from Oct. 14, 2014, Int. Cl. H01L 29/78, G01N 27/414 /, предложенный как биосенсор для исследования биологических маркеров. Полевой транзистор содержит в себе подложку, полевой затвор из прозрачной полупроводниковой пленки, расположенной на поверхности подложки, электрод истока и электрод стока, сформированные на противоположных концах затвора. На поверхности полевого затвора сформированы сначала диэлектрический слой, затем чувствительная мембрана так, чтобы она была полностью изолирована от всех элементов полевого транзистора. В рабочем режиме прибора на поверхности чувствительной мембраны располагают исследуемый биологический материал в виде жидкости. При этом чувствительная мембрана аккумулирует в себя заряженные молекулы биоматериала, и в результате этого изменяется величина электрического тока между стоком и истоком, благодаря изменению проводимости полевого затвора. Таким образом, определяют концентрацию маркеров в биологическом материале. Однако, принцип работы данного полевого транзистора не отличается от полевых транзисторов, рассмотренных выше. Следовательно, порог чувствительности этого устройства также ограничен высоким рабочим током, проходящим между стоком и истоком.

Известно также устройство / А.В. Кириллов и др. Основы электроники. Издательство Уральского университета, г. Екатеринбург, 2022. https://elar.urfu.ru/bitstream/10995/119419/l/978-5-7996-3531-2 2022.pdf/ взятое за прототип. Устройство содержит полупроводниковую подложку 1, например р-типа проводимости, на поверхности которой сформированы истоковая область 2 n-типа проводимости и стоковая область 3 n-типа проводимости (Фиг. 1). Между истоком и стоком сформирован слой затвора 4, отделенный от подложки, истока и стока диэлектрическим слоем 5. При этом края затвора частично прикрывают области стока и истока. Это обеспечивает управление проводимостью между стоком и истоком. Однако эта конструкция полевого транзистора не приводит к улучшению его порога чувствительности. Порог чувствительности этого прибора также ограничивается достаточно высоким истоковым током (~1 мкА), дробовый шум которого определяет минимальную амплитуду регистрируемого сигнала.

Задачей изобретения является улучшение порога чувствительности полевого транзистора путем существенного увеличения отношения сигнал/шум в устройстве.

Для достижения этой технической задачи на поверхности полупроводниковой подложки сформированы истоковая область и стоковая область, создающие с подложкой р-n переход и полевой затвор. Полевой затвор отделен от подложки диэлектрическим слоем, а стоковая область дополнительно содержит не менее двух выступов, направленных в сторону полевого затвора, и создающих с подложкой р-n переход. При этом крутизна вершины выступов превосходит крутизну остальной поверхности стоковой области. Это обеспечивает достижение высоких электрических полей только около полусферических вершин выступов, где осуществляется лавинное усиление носителей заряда, поступающих от инверсного слоя, расположенного под полевым затвором. При этом концентрирование лавинного процесса около идентичных полусферических вершин выступов обеспечивает высокую стабильность коэффициента усиления сигнала.

Можно показать, что лавинное усиление сигнала в полевом транзисторе значительно улучшает отношение сигнал/шум, что равносильно улучшению порога чувствительности устройства. Для этого рассмотрим работу предложенного устройства. Отношение сигнал/шум N_sn. на выходе любого усилителя, в том числе полевого транзистора определяет следующим выражением:

где S_tr - мощность сигнала, N_tr - мощность шума, полный усредненный ток транзистора, - рабочий ток транзистора без сигнала. - сигнальный ток, Δf - полоса пропускания транзистора, q - элементарный заряд, k - постоянная Больцмана, T=300 K - температура окружающей среды, R_eq - эквивалентное сопротивление в цепи транзистора. В случае лавинного усиления сигнала, производимого непосредственно на выходе полевого транзистора выражение сигнал/шум N_sn.av имеет следующий вид / Sze S. М., Kwok K. Ng., "Physics of semiconductor devices", Published by John Wiley&Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, Canada, (2007), 815/:

где - среднее значение коэффициента усиления лавинного процесса, F - коэффициент избыточного шума лавинного процесса.

Уравнения (1) и (2) показывают, что осуществление лавинного процесса в полевом транзисторе позволяет значительно увеличить соотношение сигнал/шум за счет уменьшения вклада теплового шума в раз. Если рассмотреть достаточно неблагоприятные условия, при которых R_eq ≈ 1 kΩ, F=5, то можно получить т.е. осуществление лавинного процесса в полевом транзисторе позволяет увеличить отношение сигнал/шум более чем в 8 раз. Описание фигур.

Фиг. 1. Чертеж прототипа изобретения.

1. Полупроводниковая подложка.

2. Истоковая область.

3. Стоковая область.

4. Слой затвора.

5. Диэлектрический слой.

Фиг. 2. Чертеж изобретения.

1. Полупроводниковая подложка.

2. Истоковая область.

3. Стоковая область.

4. Слой затвора.

5. Диэлектрический слой.

6. Выступы стоковой области с повышенной крутизной.

7. Область лавинного процесса.

8. Проводящий инверсный слой.

На чертеже (Фиг. 2) приведено поперечное сечение и вид сверху предложенного полевого транзистора. Устройство содержит полупроводниковую подложку 1, например р-типа проводимости, на поверхности которой сформированы истоковая область 2 и стоковая область 3, создающие с подложкой р-n переход. Между стоком и истоком сформирован проводящий слой затвора 4, изолированный от подложки диэлектрическим слоем 5. Стоковая область дополнительно содержит не менее двух выступов 6, направленных в сторону полевого затвора, создающих с подложкой р-n переход. При этом крутизна вершины выступов превосходит крутизну остальной поверхности стоковой области. Это обеспечивает достижение высоких электрических полей только около полусферических вершин выступов, где осуществляется лавинное усиление носителей заряда 7, поступающих из инверсного слоя 8 полевого транзистора. При этом концентрирование лавинного процесса около идентичных полусферических вершин выступов обеспечивает высокую стабильность коэффициента усиления сигнала в устройстве.

Осуществление изобретения.

Действующий образец предложенного полупроводникового полевого транзистора, можно изготовить, например, на базе кремниевой подложки р-типа проводимости с удельным сопротивлением 1 Ом*см. Сначала на поверхности кремниевой подложки выращивают термический окисел толщиной 0,4 мкм при температуре 1050°С. Затем с помощью специальной жидкости снимают этот окисел в тех местах поверхности подложки, где будут сформированы истоковая область и стоковая область с выпуклыми участками. Эти элементы устройства формируют путем легирования подложки ионами фосфора с энергией 80 кэВ и дозой 1,2*10¹⁵ см^-2. Отжиг примесей производят в атмосфере азота при температуре 1000°С. После этого область затвора освобождают от толстого окисла толщиной 0,4 мкм и выращивают там термический окисел толщиной 0,1 мкм. Затем очищают истоковую и стоковую области от окисла толщиной 0,1 мкм. Последним этапом является формирование алюминиевых слоев в областях стока, истока и затвора. Отжиг алюминиевых слоев проводят при температуре 400°С. Таким образом можно изготовить лавинный полевой транзистор с рабочим напряжением около 35 В.

Изобретение относится к полупроводниковым приборам и может применяться в составе усилителей слабых электрических сигналов, а также в медицинских устройствах обнаружения биологических маркеров. Полевой транзистор содержит полупроводниковую подложку, на поверхности которой сформированы и стоковая область и стоковая область, создающие с подложкой р-n переход и полевой затвор. Полевой затвор отделен от подложки диэлектрическим слоем, а стоковая область дополнительно содержит не менее двух выступов, направленных в сторону полевого затвора, и создает с подложкой р-n переход. При этом крутизна вершины выступов превосходит крутизну остальной части стоковой области. Это обеспечивает достижение высоких электрических полей только около полусферических вершин выступов, где осуществляется лавинное усиление носителей заряда, поступающих из инверсного слоя, расположенного под полевым затвором. При этом концентрирование лавинного процесса около идентичных полусферических областей выступов обеспечивает высокую стабильность коэффициента усиления сигнала. Изобретение обеспечивает улучшение порога чувствительности полевого транзистора путем существенного увеличения отношения сигнал/шум в устройстве. 2 ил.

Полупроводниковый полевой транзистор, включающий полупроводниковую подложку, на поверхности которой сформированы стоковая область и истоковая область, создающие с подложкой р-n переход и полевой затвор, отделенный от подложки диэлектрическим слоем, отличающийся тем, что стоковая область дополнительно содержит не менее двух выступов, направленных в сторону полевого затвора и создающих с подложкой р-n переход, причем крутизна вершины выступов превосходит крутизну остальной поверхности стоковой области.