Лавинный транзистор Российский патент 2024 года по МПК H01L29/73 

Изобретение относится к полупроводниковым приборам и может применяться в качестве линейных усилителей сверхслабых электрических и фотоэлектрических импульсных сигналов, состоящих из одного или нескольких электронов.

Уровень техники

Современный уровень развития техники и технологии требует создания новых высокочувствительных полупроводниковых приборов для обнаружения и усиления сверхслабых электрических сигналов (импульсов). К сожалению, полупроводниковые транзисторы, предназначенные для приема и усиления слабых электрических сигналов далеки от соответствующего теоретического минимума порога чувствительности /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/. Сегодняшние полупроводниковые транзисторы, используемые для этой цели не способны регистрировать слабые электрические импульсы, состоящие из нескольких десятков носителей заряда. Это связано с тем, что для достижения приемлемого коэффициента усиления транзистора требуется достаточно высокий рабочий 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/.

Известны устройства, в которых используются обычные биполярные транзисторы, в которых на переходе коллектор-база осуществляется лавинное умножение носителей заряда при небольшом сопротивлении в электрической цепи коллектора /1. Е.Л. Пущин, Патент РФ №2557475 от 20.07.2015, МПК Н03К 3/335; 2. В.П. Дьяконов. "Лавинные транзисторы вчера, сегодня и завтра". Компоненты и технологии, №8, 2010/. Лавинный процесс на переходе коллектор-база транзисторов гасится с помощью внешнего электронного устройства, и поэтому они не могут усиливать слабые электрические сигналы, поскольку эти транзисторы в лавинном режиме имеют S-образную вольтамперную характеристику. Транзисторы, работающие в таком режиме, используются только для создания наносекундных переключателей и генераторов коротких импульсов напряжения. Известно также устройство, в котором для детектирования единичных электронов был использован обычный n-р-n транзистор, работающий в лавинном режиме счетчика Гейгера /М. Lany et al., Appl. Phys. Lett., vol. 92, p.022111. 2008, https://www.researchgate.net/publication/49459214_Electron_counting_at_room_temperature_in_an_avalanche_bipolar_transistor/. Для этого на коллектор транзистора через балластное сопротивление R_K подавалось положительное относительно базы напряжение U_K, превышающее потенциал пробоя U_ПР перехода коллектор-база. Величина сопротивления R_K была выбрана достаточно высокой, чтобы n-р переход коллектор-база работал в режиме счетчика Гейгера. При этом к эмиттеру транзистора прикладывалось отрицательное относительно базы напряжение, обеспечивающее инжекцию электронов в область базы. Часть инжектированных электронов, проходя через толщину базы, попадала в область коллектора и усиливалась там примерно в М ≈ 10⁶ раз, а затем легко регистрировалась приемным устройством. В данном случае (режиме счетчика Гейгера) коэффициент усиления определяется как М=(ΔU_ПР×C_K)/q где, ΔU_ПР=U_K-U_ПР - величина перенапряжения (~3В), C_K - емкость перехода коллектор-база (~8,5 × 10^-14 Ф), q - элементарный заряд.

Недостаток устройства заключается в том, что амплитуда выходного сигнала не является линейной по отношению к амплитуде входного сигнала, также как в знаменитом счетчике Гейгера. При одновременной инжекции в коллекторную область двух и более электронов амплитуда выходного сигнала практически не изменяется. Поэтому устройство не пригодно для регистрации слабых электрических импульсных сигналов, состоящих из нескольких электронов, т.к. амплитуда выходных импульсов устройства не зависит от амплитуды импульсов, поступающих на вход.

Известно устройство, взятое за прототип /Patent US 10,636,918 В2 dated from Apr. 28, 2020, Int. CI. H01L 29/73/. Конструкция прототипа (а) и его эквивалентная электрическая схема (b) приведены на фигуре 1. Устройство содержит полупроводниковую подложку 1, например p-типа проводимости, на поверхности которой последовательно расположены первая полупроводниковая область 2 противоположной подложке типа проводимости и вторая полупроводниковая область 3 противоположной первой полупроводниковой области типа проводимости, не имеющая общей границы с подложкой. При этом первая полупроводниковая область соединена с первой токопроводящей шиной 4, а вторая полупроводниковая область соединена со второй токопроводящей шиной 5. Пленочный резистор 6 соединен с подложкой с помощью токопроводящего контакта 7. Первая токопроводящая шина, вторая токопроводящая шина и пленочный резистор отделены от подложки диэлектрическим слоем 8.

В рабочем режиме n-p-n транзистор включают по схеме с общей базой, причем к коллектору (подложке 1) относительно базы (первой полупроводникой области 2) прикладывают положительное напряжение V_K, величиной выше, чем напряжение пробоя (V_ПР) перехода коллектор-база. Это обеспечивает работу перехода коллектор-база в режиме известного счетчика Гейгера, т.е. единичные электроны (в данном случае, фотоэлектроны, созданные в фотодиоде ФД), инжектированные из эмиттера (второй полупроводникой области) через базы в коллектор, создают большое количество носителей заряда путем лавинной ионизации полупроводника, достаточное для регистрации приемным устройством. Лавинный процесс гасится благодаря достаточно высокому сопротивлению R_K, последовательно подключенному к коллектору. Величину сопротивления R_K выбирают так, чтобы при лавинном процессе удовлетворялось условие J_R<<J_лав, где J_R - ток, протекающий через резистор R_K, J_лав - лавинный ток, разряжающий емкость перехода коллектор-база (C_КБ).

Недостаток прототипа заключается в том, что амплитуда выходного сигнала в устройстве не является линейной по отношению к амплитуде входного сигнала, также как в известном счетчике Гейгера. При одновременной инжекции в коллекторную область двух и более электронов амплитуда выходного сигнала практически не изменяется. Поэтому устройство не пригодно для регистрации слабых электрических импульсных сигналов, состоящих из нескольких электронов, т.к. амплитуда выходных импульсов устройства не зависит от амплитуды импульсов, поступающих на вход устройства.

Задачей изобретения является улучшение порога чувствительности биполярного транзистора с целью использования его в качестве линейного усилителя сверхслабых электрических и фотоэлектрических импульсных сигналов, состоящих из одного или нескольких электронов.

Для решения этой технической задачи на поверхности общей полупроводниковой подложки формируется матрица из отдельных лавинных микротранзисторов, способных работать в режиме счетчика Гейгера. Каждый микротранзистор содержит первую полупроводниковую область, создающую p-n переход с подложкой, и вторую полупроводниковую область, не имеющую общей границы с подложкой и создающую p-n переход с первой полупроводниковой областью. При этом первые полупроводниковые области всех транзисторов непосредственно соединены к первой общей токопроводящей шине, а вторые полупроводниковые области соединены к второй общей токопроводящей шине с помощью индивидуальных пленочных резисторов, причем первая общая токопроводящая шина, вторая общая токопроводящая шина и индивидуальные пленочные резисторы отделены от подложки диэлектрическим слоем. В рабочем режиме все элементы (микротранзисторы) матрицы работают в режиме счетчика Гейгера и каждый из них способен принимать и усиливать по одному электрону. Затем усиленные сигналы в разных элементах (микротранзисторах) матрицы суммируются на общей токопроводящей шине. Таким образом обеспечивается линейность усиления сверхслабых электрических импульсов, состоящих из одного или нескольких электронов, причем, чем больше элементов (транзисторов) матрицы, тем больше диапазон линейности устройства.

Описание фигур.

Фиг. 1. Чертеж прототипа изобретения.

1. Полупроводниковая подложка.

2. Первая полупроводниковая область.

3. Вторая полупроводниковая область.

4. Первая токопроводящая шина.

5. Вторая токопроводящая шина.

6. Пленочный резистор, соединенный с подложкой.

7. Токопроводящий контакт к подложке.

8. Диэлектрический слой.

Фиг. 2. Чертеж изобретения.

1. Полупроводниковая подложка.

2. Первая полупроводниковая область.

3. Вторая полупроводниковая область.

4. Первая общая токопроводящая шина.

5. Вторая общая токопроводящая шина.

6. Индивидуальный пленочный резистор соединенный со второй полупроводниковой областью.

7. Токопроводящий контакт к подложке.

8. Диэлектрический слой.

На чертеже (Фиг. 2) приведены конструкция и электрическая эквивалентная схема предложенного устройства. Устройство содержит общую полупроводниковую подложку 1, например p-типа проводимости, на поверхности которой сформирована матрица из отдельных биполярных микротранзисторов. Каждый микротранзистор матрицы содержит первую полупроводниковую область 2, создающую p-n переход с подложкой, и вторую полупроводниковую область 3, не имеющую общей границы с подложкой и создающую р-n переход с первой полупроводниковой областью. При этом первые полупроводниковые области (базы) всех микротранзисторов непосредственно соединены к первой общей токопроводящей шине 4, а вторые полупроводниковые области (коллекторы) соединены к второй общей токопроводящей шине 5 с помощью индивидуальных пленочных резисторов 6. Токопроводящий контакт 7 к подложке, играющей роль эмиттера, выполнен за пределами матрицы биполярных микротранзисторов. При этом первая общая токопроводящая шина, вторая общая токопроводящая шина и индивидуальные пленочные резисторы отделены от подложки диэлектрическим слоем 8.

Для функционирования устройства ко второй общей токопроводящей шине 5 через внешнее нагрузочное сопротивление прикладывают отрицательное относительно первой общей токопроводящей шины 4 напряжения, величиной выше напряжения пробоя. При этом, первую общую токопроводящую шину заземляют, а на токопроводящий контакт 7 подложки подают слабый отрицательный импульсный сигнал для усиления. Усиленный сигнал снимают с внешнего нагрузочного сопротивления. На фигуре 2 приняты следующие обозначения: Э - эмиттер, Б - база, К - коллектор, R_H -внешнее нагрузочное сопротивление, R_K - эквивалентное сопротивление, соединенное к коллекторам матрицы, V_K - напряжение питания, J_R - ток, протекающий через сопротивление R_K, J_лав эквивалентный лавинный ток коллекторов матрицы, J_Э - эквивалентный лавинный ток эмиттеров матрицы.

Осуществление изобретения.

Действующий образец предложенного полупроводникового лавинного транзистора, можно изготовить, например, на базе кремниевой подложки p-типа проводимости с удельным сопротивлением 1 Ом*см. Сначала изготавливают комплект фотошаблонов согласно фигуре 2b для вскрытия фоторезиста в необходимых областях подложки. Ниже приводится последовательность изготовления предложенного устройства. Сначала на поверхности кремниевой подложки выращивают толстый термический окисел кремния толщиной 0,3 мкм при температуре 1050°С. Затем локально вскрывают толстый окисел и формируют первые полупроводниковые области путем легирования подложки ионами фосфора с энергией 80 кэВ и дозой 2*10¹⁴см^-2. Отжиг и разгонку примесей производят в атмосфере азота при температуре 1050°С. Время разгонки примесей выбирают так, чтобы глубина p-n перехода достигала 2 мкм. После этого на поверхности первых полупроводниковых областей выращивают термический окисел кремния толщиной 0,1 мкм при температуре 1000°С. Затем на поверхности первых полупроводниковых областей формируют вторые полупроводниковые области путем легирования ионами бора с энергией 60 кэВ и дозой 1,1*10¹⁵см^-2. Отжиг и разгонку примесей производят в атмосфере азота при температуре 1000°С. Время разгонки примесей выбирают так, чтобы глубина p-n перехода достигала 1 мкм. После этого на поверхность подложки осаждают слой аморфного кремния толщиной 0,4 мкм и формируют из него пленочные резисторы. Затем вскрывают все контактные области и формируют токопроводящие контакты и шины с помощью нанесенного на подложку алюминиевого слоя толщиной 1 мкм. Отжиг алюминиевых слоев проводят при температуре 400°С. Таким образом, можно изготовить предложенное устройство с рабочим напряжением около 40 В.

Использование: изобретение относится к полупроводниковым приборам и может применяться в качестве линейного усилителя сверхслабых электрических и фотоэлектрических импульсных сигналов, состоящих из одного или нескольких электронов. Сущность: лавинный транзистор содержит полупроводниковую подложку, на поверхности которой сформирована матрица из отдельных лавинных микротранзисторов, способных работать в режиме счетчика Гейгера, причем каждый микротранзистор содержит первую полупроводниковую область, создающую р-n переход с подложкой, и вторую полупроводниковую область, не имеющую общей границы с подложкой и создающую р-n переход с первой полупроводниковой областью. При этом первые полупроводниковые области всех микротранзисторов непосредственно соединены к первой общей токопроводящей шине, а вторые полупроводниковые области соединены ко второй общей токопроводящей шине с помощью индивидуальных пленочных резисторов, причем первая общая токопроводящая шина, вторая общая токопроводящая шина и индивидуальные пленочные резисторы отделены от подложки диэлектрическим слоем. Усиленные лавинным процессом в микротранзисторах сигналы суммируются на общей токопроводящей шине, причем чем больше микротранзисторов в матрице, тем больше диапазон линейности устройства. Технический результат: обеспечение линейности усиления сверхслабых электрических импульсов, состоящих из единичных или нескольких электронов. 2 ил.

Полупроводниковый лавинный транзистор, включающий полупроводниковую подложку, на поверхности которой последовательно расположены первая полупроводниковая область противоположной подложке типа проводимости и вторая полупроводниковая область противоположной первой полупроводниковой области типа проводимости, не имеющая общей границы с подложкой, отличающийся тем, что на поверхности полупроводниковой подложки выполнены не менее двух отдельных лавинных микротранзисторов, в которых первые полупроводниковые области непосредственно соединены к первой общей токопроводящей шине, отделенной от подложки диэлектрическим слоем, а вторые полупроводниковые области соединены ко второй общей токопроводящей шине с помощью индивидуальных пленочных резисторов, причем вторая общая проводящая шина и индивидуальные пленочные резисторы также отделены от подложки диэлектрическим слоем.