АЛМАЗНЫЙ ТРАНЗИСТОР

Полезная модель относится к приборам электронной техники, в частности к транзисторам на основе алмаза.
Основными отраслями применения алмазного транзистора являются изделия электронной техники, электронная компонентная база, полупроводниковая СВЧ-техника.
В настоящее время алмаз является перспективным полупроводниковым материалом для создания термо- и радиационно стойких компонент электронной техники, включая диоды и транзисторы, которые потенциально отличаются лучшей работоспособностью относительно традиционных материалов электронной техники, таких как кремний, германий, арсенид галлия и др., в условиях высоких механических, термических нагрузок и мощного радиационного фона.
Одной из важных технологических проблем создания компонент электронной техники на основе алмазных материалов, включая диоды и транзисторы, является проблема легирования алмаза активными примесями. Известно, что алмаз не имеет доноров или акцепторов с мелкими уровнями, расположенными в запрещенной зоне. Самый мелкий уровень - это акцепторный уровень бора, расположенный выше валентной зоны и имеющий энергию 0,37 эВ. Вследствие этого при комнатной температуре концентрация дырок примерно в 1000 раз меньше концентрации акцепторов. Мелкие уровни на поверхности алмаза можно создавать, обрабатывая алмаз при высокой температуре ~800°С в водородной плазме [1], что позволяет создавать алмазные диоды и транзисторы с легированными слоями, вкл. каналы полевых транзисторов.
Известна конструкция алмазного транзистора [2], которая содержит алмазную изолирующую подложку, нанесенный поверх изолирующей подложки электропроводящий алмазный слой, контакты истока и стока, расположенные на электропроводящем слое, слой изолятора, расположенный поверх электропроводящего слоя, и контакт затвора на слое изолятора.
Недостатком конструкции алмазного транзистора, описанной в [2], является высокое сопротивление электропроводящего слоя между истоком и стоком, так как электропроводность создается за счет используемой технологии введения уровней бора в процессе роста слоя алмаза, которые для тонкого электропроводящего слоя хотя и имеют энергию меньше 0,37 эВ, но все же не позволяют получать высокую концентрацию дырок при комнатной температуре.
В качестве прототипа настоящей полезной модели выбрана модель алмазного транзистора [3]. Алмазный транзистор, описанный в [3], включает алмазный изолирующий кристалл, на который нанесен алмазный электропроводящий слой с контактами истока и стока, и диэлектрический слой, расположенный между контактами истока и стока с металлическим контактом затвора, нанесенным на диэлектрический слой, и у которого контакты истока и стока выполнены в виде многослойной структуры Ti/TiN/Ti/Au, при этом между алмазным электропроводящим слоем и диэлектрическим слоем, расположенным между истоком и стоком, сформирован слой алмаза, обработанный водородной плазмой.
В конструкции прототипа имеются ряд недостатков, к которым относятся, в частности, следующие:
В процессе функционирования транзистора, содержащего слой алмаза, обработанного водородной плазмой, из этого слоя происходит неконтролируемая десорбция водорода с поверхности алмаза, что приводит к нестабильности электрофизических параметров транзистора, к деградации его характеристик при увеличении температуры и/или увеличении мощностных нагрузок при работе транзистора на высоких частотах.
Процесс десорбции водорода с приповерхностной области алмаза заметно усиливается при повышении температуры, начиная примерно свыше 250°С, имеет экспоненциальный характер зависимости от температуры и приводит к существенному уменьшению концентрации водорода (более, чем на порядок) в приповерхностных слоях алмаза при температурах примерно 350-400°С и более градусов.
Явление неконтролируемой десорбции водорода с поверхности алмаза и негативные эффекты с ним связанные, включая уменьшение слоевого сопротивления канала полевого транзистора, пространственное размытие дельта-слоя, уменьшение концентрации водородных связей, ограничивают возможности расширения температурного диапазона работы алмазного транзистора, вызывают проблемы его функционирования при повышенных температурах, как внешней среды и самого алмазного кристалла, а также при его работе на высоких частотах и при высоких мощностных нагрузках, характерных для функционирования электронных компонент в составе устройств СВЧ-техники, которые, как правило, отличаются большими тепловыделениями и существенным повышением температуры электронных компонент при эксплуатации.
Кроме того, существующие методы введения водорода в объем алмаза (процессы гидрирования алмаза), включая обработку алмаза водородом в процессе его роста, например, методом CVD, не позволяют достигать достаточно высоких значений слоевой концентрации водорода в приповерхностных слоях алмаза. Это ограничивает предельные электрофизические характеристики алмазных транзисторов, формируемых на основе гидрированных алмазных структур, включая такие его параметры, как значения тока в канале, коэффициент усиления, рабочий частотный диапазон.
Кроме того, практическая реализация технологического процесса обработки поверхности алмаза водородной плазмой и насыщения водородом приповерхностного слоя алмаза (процесс гидрирования) связан с использованием нестандартного в микроэлектронной промышленности оборудования, и среди прочего представляющего собой потенциально взрывоопасный техпроцесс, связанный с образованием в рабочей зоне взрывоопасного реагента - смеси водорода с воздухом (гремучий газ), что осложняет техпроцесс изготовления алмазных транзисторов.
+
-
Новизна полезной модели заключается в том, чтомежду алмазным электропроводящим слоем и диэлектрическим слоем, расположенным между истоком и стоком, сформирован обогащенный бором приповерхностный слой алмаза, который выполняется методом полиэнергетической ионной имплантации [5]. Данный новый метод, основанный на модифицированной технологии низкоэнергетической ионной имплантации, был предложен и экспериментально обоснован нами, в качестве метода формирования в приповерхностной зоне алмаза захороненных и приповерхностных проводящих p и р слоев [6].
Техническим результатомпредлагаемой полезной модели алмазного транзистора заключается в следующем:
повышение стабильности электрофизических параметров транзистора, устранению деградации его характеристик при увеличении температуры и/или увеличении мощностных нагрузок при работе транзистора на высоких частотах, в виду отсутствия неконтролируемой десорбции водорода с поверхности алмаза;
повышение температурной стойкости алмазного транзистора при работе на повышенных температурах, начиная примерно свыше 250°С и при температурах примерно (350-400)°С и более градусов;
уменьшение негативных эффектов, таких как уменьшение слоевого сопротивления канала транзистора, пространственное размытие дельта-слоя между стоком и истоком и др., при работе алмазного транзистора на повышенных температурах;
улучшение и расширение диапазона электрофизических характеристик алмазного транзистора, включая такие его параметры, как значения тока в канале, коэффициент усиления, рабочий частотный диапазон;
упрощение технологического процесса изготовления алмазного транзистора и повышения его производственной безопасности.
о
Технический результат(ы) достигается тем, что между алмазным электропроводящим слоем и диэлектрическим слоем, расположенным между истоком и стоком, сформирован приповерхностный слой алмаза, обогащенный борм методом полиэнергетической ионной имплантации.
+
Это обеспечивает достижение технического результата за счет большей температурной стабильности и улучшенных электрофизических характеристикалмазных легированных слоев, созданных полиэнергетической имплантацией ионов бора (В), относительно характеристик поверхностных гидрированных слоев, сформированных обработкой поверхности алмазных кристаллов в водородной плазме, а также за счет использования типовых технологических процессов и оборудования, применяемых при изготовлении транзистора.
Технических решений, содержащих совокупность признаков сходных с отличительными, не выявлено, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию новизна.
Полезная модель поясняется рисунком.
2
3
2
3
4
На фиг. 1 представлено устройство алмазного транзистора, в соответствии с предлагаемой полезной моделью,где цифрами обозначены: (1) - алмазный изолирующий кристалл; (2) - слой электропроводящего алмаза; (3) - слой титана (Ti); (4) - слой нитрида титана (TiN); (5) - слой титана (Ti); (6) - слой золота (Au); (7) - сформированный полиэнергетической ионной имплантацией приповерхностный слой алмаза, обогащенный бором (B); (8) - слой изолятора (AlO, или SiO, или SiN; (9) - контакт затвора.
2
3
2
3
4
Толщина первого слоя (3) Ti порядка 40 нм, толщина слоя (4) TiN порядка 60 нм, толщина второго слоя (5) Ti порядка 5 нм и толщина слоя (6) Au порядка 1 мкм. Слой изолятора (8) состоит из AlO. Этот слой изолятора можно сформировать также на основе таких диэлектрических пленок, как SiO или SiN.
При этом обогащенный бором приповерхностный слой алмаза, который формируется методом полиэнергетической ионной имплантации, создается после создания многослойной структуры истока и стока до формирования диэлектрического слоя и контакта затвора на этом слое, путем легирования методом полиэнергетической ионной имплантации через маску на основе слоев, формирующих контактные системы стока и истока.
Испытания показали, что экспериментальные структуры алмазного транзистора демонстрируют повышение температурной стойкости при работе на повышенных температурах, начиная примерно свыше 250°С и при температурах примерно (350-400)°С и более градусов, при этом сопротивление канала при комнатной температуре примерно на порядок величины ниже, чем сопротивление канала алмазного транзистора по прототипу.
Литература
2
3
1. M. Kasu, H. Sato, and K. Hirama. Thermal stabilization of hole channel on H-terminated diamond surface by using atomic-layer-deposited AlO overlayer and its electric properties. Applied Physics Express. 5 (2012). 025701.
2. Патент США US 2006060864 A1. All Diamond Self-aligned thin film transistor. Опубликовано 23.03.2006.
3. Патент РФ 121101. Алмазный транзистор. Алтухов А.А., Зяблюк К.Н., Талипов Н.Х. [и др.]. Опубликовано 10.10.2012. Бюл. № 28.
4. Алтухов А.А., Талипов Н.Х., Чучева Г.В. Полевой СВЧ-транзистор на основе алмаза с δ-легированным бором каналом // 26-я Международная конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо'2016). Материалы конференции в 13 томах. 2016.- С. 1385-1389.
5. Алтухов А.А. Создание элементов алмазных СВЧ-твердотельных структур с использованием ионно-имплантированных слоев на основе бора методом полиэнергетической ионной имплантации // Материалы XXI Международной научно-технической конференции «Проблемы информатики в образовании, управлении, экономике и технике» (МК-40-122); г. Пенза. 9-10.12. 2022 г.