ЭЛЕМЕНТ ПАМЯТИ (ЕГО ВАРИАНТЫ) Советский патент 1996 года по МПК H01L27/11 

Изобретение относится к области микроэлектроники, в частности к элементам памяти.

Известен элемент памяти, представляющий полевой транзистор с изолированным затвором, содержащий полупроводниковую подложку, активный полупроводниковый слой на ней с контактами стока и истока, а также электрод затвора, отделенный от активного слоя изолирующим слоем с захватом заряда, и слоем люминофора.

Указанный элемент памяти выполняет функции записи, считывания, энергозависимого хранения и стирания информации, причем считывание информации осуществляется как в виде электрического сигнала, так и в виде оптического сигнала.

Так как считывание в виде оптического излучения осуществляется посредством люминесценции люминофора при протекании тока вдоль границы раздела активный слой изолятор, то оно является эффективным лишь в случае транзистора с индуцированным каналом. В случае же транзистора, работающего на принципе объединения, считывание сигнала в виде оптического излучения будет мало эффективным вследствие малости коэффициента преобразования тока в свет (возбуждение люминофора осуществляется только неравновесными носителями, вступающими в контакт с ним).

Кроме того, процессы свечения люминофора характеризуются длительным послесвечением (характерные времена послесвечения 3-10 + 10^-4 с) и разным для разных частотных компонент излучения.

Наиболее близким по технической сущности к устройству согласно изобретению является элемент памяти, содержащий структуру, включающую подложку из арсенида гелия и активный полупроводниковый слой на ней с контактами стола и штока, а также электрод затвора, отделенный от активного слоя изолирующим слоем с захватом заряда.

Недостатком указанного элемента является отсутствие функции считывания оптического излучения.

Целью изобретения является обеспечение возможности считывания информации в виде оптического излучения.

Цель достигается тем, что в элементе памяти, содержащем структуру, включающую подложку из арсенида галлия и активный полупроводниковый слой на ней с контактами стока и истока, а также электрод затвора, отделенный от активного слоя изолирующим слоем с захватом заряда, между активным слоем и подложкой введены дополнительный изолирующий слой и два дополнительных полупроводниковых слоя из твердого раствора соответственно Ga_1-yAl_yAs и Ga_1-zAl_zAs, гдe z < y противоположных типов проводимости, причем дополнительный изолирующий слой примыкает к активному слою, а дополнительный полупроводниковый слой, прилегающий к подложке, имеет с нею один тип проводимости, подложка выполнена из сильнолегированного материала, а в активном и дополнительном изолирующем слоях сформирована канавка, дно которой расположено на дополнительном полупроводниковом слое, примыкающем к дополнительному изолирующему слою, на две канавки сформирован омический контакт, площадь которого меньше площади дна канавки, который гальванически соединен с контактом стока, при этом оба изолирующих слоя с захватом заряда выполнены из Ga_1-xAl_xAs (Х 0,1-0,6 Х < Z) и содержат кислород в количестве 10¹⁷ 5·10¹⁹ см^-3и германий в количестве 5·10¹⁵ 5·10¹⁷ см^-3.

В элементе памяти, содержащем структуру, включающую подложку из арсенида галлия и активный полупроводниковый слой на ней с контактами стока и истока, а также электрод затвора, отделенный от активного слоя изолирующим слоем с захватом заряда, с целью обеспечения возможности считывания информации в виде оптического излучения изолирующий слой с захватом заряда может быть выполнен из монокристаллического слоя твердого раствора Ga_1-xAl_xAs, где Х 0,1-0,6, содержащего кислород в количестев 10¹⁷ 10¹⁹ см^-3 и германий в количестве 5·10¹⁵ 10¹⁷ см^-3, расположен под активным слоем, при этом дополнительно введены три полупроводниковых слоя, выполненных из твердых растворов Ga_1-yAl_yAs, Ga_1-z, Al_zAs, Ga_1-xAl_xAs, где γ< z < y и расположенных между изолирующим слоем и подложкой из сильнолегированного арсенида галлия, слой выполненный из твердого раствора Ga_1-xAl_zAs, примыкает к подложке и имеет одинаковый с нею тип проводимости, а слой из твердого раствора Ga_1-γAl_γAs примыкает к изолирующему слою и со слоем твердого раствора Ga_1-yA_lyAs имеет тип проводимости, противоположный типу проводимости подложки, в структуре выполнена канавка со стороны контакта стока до слоя из твердого раствора Ga_1-yAl_yAs, на дне которой сформирован омический контакт, площадь которого меньше площади дна канавки, который гальванически соединен с контактом стока.

Для достижения цели введенные конструктивные изменения по отношению к известному техническому решению образуют элемент памяти, в котором проводимость канала в активном слое изменяемая, полем информативного заряда, модулирует инжекционный ток, протекающий при считывании через р-n гетеропереход, образованный дополнительными полупровод- никовыми слоями из Ga_1-yAl_yAs и Ga_1-zAl_zAs (z < y).

Во-втором варианте предлагаемой конструкции имеется еще один дополнительный полупроводниковый слой из Ga_1-yAl_yAs, расположенный под изолирующим слоем с захватом заряда, выполненный из Ga_1-xAl_xAs, выполняющий функцию светового экрана для изолирующего слоя.

Достижение поставленной цели во втором варианте конструкции обеспечивается теми же признаками, что и в первом варианте. Отличие заключается лишь в месте локализации информативного заряда и в способах записи-стирания. В обоих вариантах применяется изолирующий слой с захватом заряда, являющийся монокристаллическим слоем, с параметрами решетки, близкими параметрам решетки арсенида галлия.

Это позволяет реализовать структуру элемента памяти путем эпитаксиального выращивания, например, МОС гидридным методом.

Увеличение содержания алюминия выше предела Х 0,6 приводит к резкому ухудшению кристаллического совершенства дополнительного изолирующего слоя, и кристаллического совершенства выращенного на нем активного слоя, а уменьшение содержания алюминия в добавочном изолирующем слое ниже уровня 0,1 приводит к потере способности к длительному энергонезависимому удержанию захваченного в этом слое заряда (так, например, при Х0,05 реализуется только динамический режим памяти при Т 100 К время хранения здесь соответствует лишь нескольким секундам).

Увеличение содержания алюминия в изолирующем слое твердого раствора выше уровня Х 0,6 приводит к потере неограниченной инжекционной способности контакта активный слой арсенида галлия дополнительный изолирующий слой, связанной с нарушением структурного совершенства на границе раздела изолирующий слой активный слой, что подтверждается данными электронографических исследований, а также резкой потерей времени энергонезависимого удержания заряда в слое.

Увеличение концентрации вводимых в изолирующий слой кислорода и германия вызывает появление электрических неустойчивостей при процессах записи считывания.

Уменьшение концентраций вводимых в изолирующий слой кислорода и германия ниже указанных пределов практически невыгодно, т.к. уменьшается степень модуляции проводимости канала полем встроенного в изолирующий слой заряда.

На фиг. 1 и 2 изображен элемент памяти соответственно по первому и второму по вариантам. Он содержит полупроводниковую подложку 1 из арсенида галлия (n типа), дополнительные полупроводниковые слои из Ga_1-zAl_zAs n-типа проводимости и Ga_1-yAl_yAs р-типа проводимости соответственно 2 и 3, дополнительный изолирующий слой 4 с захватом заряда, активный полупроводниковый слой 5, изолирующий слой с захватом заряда 6, контакты источника и стока соответственно 7 и 8, электрод затвора 9, канавку 10, омический контакт 11, окно для вывода излучения 12, электрод гальванической связи 13, дополнительный полупроводниковый слой из Ga_1-γAl_γAs р-типа проводимости 14.

Во втором варианте конструкции (фиг. 2) электрод 9 образует барьер Шоттка со слоем 5.

Предлагаемый элемент памяти работает следующим образом.

В конструкции по фиг. 1 запись информативного заряда можно осуществить как в изолирующий слой 6, так и в изолирующий слой 4. При этом для записи заряда в изолирующий слой 6 достаточно подать на контакт истока 7 импульс напряжения, инжектирующий носители в изолирующий слой 6, а при записи заряда в изолирующий слой 4 подать импульс напряжения на контакт истока 7 относительно подложки, заперев предварительно обедняющим напряжением (по величине ниже порогового) канал транзистора в активном слое 5.

Для считывания информации достаточно подать прямое смещение на контакт истока относительно подложки, соответствующее по полярности прямому смещению для излучающего р-n гетероперехода, образованного дополнительными слоями 2 и 3. Через структуру потечет ток, который может быть считан как электрически, так и посредством регистрации импульса излучаемого света.

При этом в случае наличия записанного в элементе памяти заряда ток в цепи ограничен из-за возникшего ОПЗ в активном слое 5 и уровень его соответствует "1".

В этом случае свет гетеропереходом не излучается.

Стирание информативного заряда в случае его наличия в изолирующем слое 6 осуществляется либо светом с энергией кванта, превышающей глубину ловушечных уровней, либо подачей импульса, противоположной зарядке полярности на электрод затвора. Стирание информативного заряда в слое 4 осуществляется либо также светом, либо подачей прямого смещения на структуру при закрытом канале транзистора в активном слое 5.

В последнем случае происходит выброс носителей из слоя 4, вследствие полевого опустошения центров захвата.

Работа элемента памяти на фиг. 2 осуществляется аналогично тому, как она происходит для элемента памяти, представленного на фиг. 1.

В предлагаемом элементе памяти в сравнении с известным устройством, помимо основного положительного эффекта, реализуется дополнительный положительный эффект существенное увеличение быстродействия при записи и считывании информативного заряда, т.к. контакт активный слой изолирующий слой обладает "неограниченной" инжекционной способностью (токи зарядки в прототипе ≈10^-11 А, а в предлагаемом устройстве ≈10^-3 А 10^-4 А).

При этом пороговое напряжение записи и считывания уменьшаются с 30 В до 5-8 В в предлагаемом устройстве, что связано с малым отличием энергий сродства слоев 4 и 6 (Еа 3,67 эВ) и слоя 5 (Еа 4,07 эВ) и хорошим структурным соответствием кристаллических решеток этих слоев.

При этом диапазон концентраций легирования активного слоя следует выбирать из следующих соображений.

Снизу диапазон ограничен требованием быстродействия с сверху незначительностью глубины модуляции проводимости активного слоя от встроенного в диэлектрические слои заряда.

Действительно, при концентрации легирующей примеси порядка 10¹⁴см^-3, удельное сопротивление канала равно 10 см, что приводит к ограничению рабочей полосы частот до уровня 3·10⁸ Гц. При концентрации легирующей примеси, равной 10¹⁸ см^-3 глубина модуляции канала составляет (при локализации заряда 10^-11 Кл) 0,06 мкм, что вынуждает для достижения заметной модуляции проводимости канала полем встроенного в изолятор заряда работать с каналами субмикронной толщины, а значит с малыми токами насыщения. Это приведет к ограничению тока зарядки и к увеличению времени зарядки.

Таким образом, элемент памяти позволяет в сравнении с известным устройством обеспечить возможность считывания информации в виде оптического излучения при высоком быстродействии. Это существенно повышает степень интеграции интегральных схем на его основе и расширяет их функциональные возможности.

1. Элемент памяти, содержащий структуру, включающую подложку из арсенида галлия и активный полупроводниковый слой на ней с контактами стока и истока, а также электрод затвора, отделенный от активного слоя изолирующим слоем с захватом заряда, отличающийся тем, что, с целью обеспечения возможности считывания информации в виде оптического излучения, между активным слоем и подложкой введены дополнительный изолирующий слой и два дополнительных полупроводниковых слоя из твердого раствора соответственно Ga_1 - yAl_yAs и Ga_1 - zAl_zAs, где z < y противоположных типов проводимости, причем дополнительный изолирующий слой примыкает к активному слою, а дополнительный полупроводниковый слой, прилегающий к подложке, имеет с нею один тип проводимости, подложка выполнена из сильнолегированного материала, а в активном и дополнительном изолирующем слоях сформирована канавка, дно которой расположено на дополнительном полупроводниковом слое, примыкающем к дополнительному изолирующему слою, на дне канавки сформирован омический контакт, площадь которого меньше площади дна канавки, который гальванически соединен с контактом стока, при этом оба изолирующих слоя с захватом заряда выполнены из Ga_1 - xAl_xAs • (x = 0,1 ^oC 0,6, x < z) и содержат кислород в количестве 10^1 7 - 5 • 10^1 9 см^- 3 и германий в количестве 5 • 10^1 5 - 5 • 10^1 7 см^- 3.

2. Элемент памяти, содержащий структуру, включающую подложку из арсенида галлия и активный полупроводниковый слой на ней с контактами стока и истока, а также электрод затвора, отделенный от активного слоя изолирующим слоем с захватом заряда, отличающийся тем, что, с целью обеспечения возможности считывания информации в виде оптического излучения, изолирующий слой с захватом заряда выполнен из монокристаллического слоя твердого раствора Ga_1 - xAl_xAs, где x = 0,1 ^oC 0,6 содержащего кислород в количестве 10^1 7 - 10^1 9 см^- 3 и германий в количестве 5 • 10^1 5 - 5 • 10^1 7 см^- 3, расположен под активным слоем, при этом дополнительно введены три полупроводниковых слоя, выполненных из твердых растворов Ga_1 - yAl_yAs, Ga_1 - zAl_zAs, Ga_1-jAl_jAs, где j < z <y, расположенных между изолирующим слоем и подложкой из сильнолегированного арсенида галлия, слой выполненный из твердого раствора Ga_1 - zAl_jAs примыкает к подложке и имеет одинаковый с нею тип проводимости, а слой из твердого раствора Ga_1-jAl_jAs примыкает к изолирующему слою и со слоем твердого раствора Ga_1 - yAl_yAs имеет тип проводимости, противоположный типу проводимости подложки, в структуре выполнена канавка со стороны контакта стока до слоя из твердого раствора Ga_1 - yAl_yAs, на дне которой сформирован омический контакт, площадь которого меньше площади дна канавки, который гальванически соединен с контактом стока.

1. Элемент памяти, содержащий структуру, включающую подложку из арсенида галлия и активный полупроводниковый слой на ней с контактами стока и истока, а также электрод затвора, отделенный от активного слоя изолирующим слоем с захватом заряда, отличающийся тем, что, с целью обеспечения возможности считывания информации в виде оптического излучения, между активным слоем и подложкой введены дополнительный изолирующий слой и два дополнительных полупроводниковых слоя из твердого раствора соответственно Ga_1 - yAl_yAs и Ga_1 - zAl_zAs, где z < y противоположных типов проводимости, причем дополнительный изолирующий слой примыкает к активному слою, а дополнительный полупроводниковый слой, прилегающий к подложке, имеет с нею один тип проводимости, подложка выполнена из сильнолегированного материала, а в активном и дополнительном изолирующем слоях сформирована канавка, дно которой расположено на дополнительном полупроводниковом слое, примыкающем к дополнительному изолирующему слою, на дне канавки сформирован омический контакт, площадь которого меньше площади дна канавки, который гальванически соединен с контактом стока, при этом оба изолирующих слоя с захватом заряда выполнены из Ga_1 - xAl_xAs • (x 0,1 ^oC 0,6, x < z) и содержат кислород в количестве 10^1 7 5 • 10^1 9 см^- 3 и германий в количестве 5 • 10^1 5 5 • 10^1 7 см^- 3. 2. Элемент памяти, содержащий структуру, включающую подложку из арсенида галлия и активный полупроводниковый слой на ней с контактами стока и истока, а также электрод затвора, отделенный от активного слоя изолирующим слоем с захватом заряда, отличающийся тем, что, с целью обеспечения возможности считывания информации в виде оптического излучения, изолирующий слой с захватом заряда выполнен из монокристаллического слоя твердого раствора Ga_1 - xAl_xAs, где x 0,1 ^oC 0,6 содержащего кислород в количестве 10^1 7 10^1 9 см^- 3 и германий в количестве 5 • 10^1 5 5 • 10^1 7 см^- 3, расположен под активным слоем, при этом дополнительно введены три полупроводниковых слоя, выполненных из твердых растворов Ga_1 - yAl_yAs, Ga_1 - zAl_zAs, Ga_1-jAl_jAs, где j < z <y, расположенных между изолирующим слоем и подложкой из сильнолегированного арсенида галлия, слой выполненный из твердого раствора Ga_1 - zAl_jAs примыкает к подложке и имеет одинаковый с нею тип проводимости, а слой из твердого раствора Ga_1-jAl_jAs примыкает к изолирующему слою и со слоем твердого раствора Ga_1 - yAl_yAs имеет тип проводимости, противоположный типу проводимости подложки, в структуре выполнена канавка со стороны контакта стока до слоя из твердого раствора Ga_1 - yAl_yAs, на дне которой сформирован омический контакт, площадь которого меньше площади дна канавки, который гальванически соединен с контактом стока.