ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ СТРУКТУРА ИНВЕРТОРА
SEMICONDUCTOR STRUCTURE OF INVERTER

Изобретение относится к полупроводниковой микроэлектронике и наноэлектронике и может быть использована при создании интегральных схем с элементами нанометровых размеров.
Известна полупроводниковая структура, содержащая подложку и полупроводниковые области первого и второго типа проводимости. (Международная заявка № WO 2010033641, опубл. 2010-03-25).
Недостатками аналога являются:
- увеличенная потребляемая мощность за счет использования полупроводниковой р+ Si подложки, в результате чего формируются паразитные р-n-р транзисторы, дополнительно потребляющие токи структуры;
- использование в структуре Sn наряду с Si приводит к увеличению стоимости структуры;
- функционально данная структура выполняет только роль фотодиода (устройства, преобразующего свет в электрический ток).
Техническая задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, состоит в создании полупроводниковой структуры нанометрового размера, обладающего пониженной мощностью потребления, уменьшенной стоимостью и обладающей большей функциональностью (реализация функции инверсии в КМОП схемотехнике).
Поставленная техническая задача решается тем, что в полупроводниковой структуре инвертора, содержащей подложку и полупроводниковые области первого и второго типа проводимости, согласно предложенному изобретению на подложке расположена первая полупроводниковая область второго типа проводимости, сформированная в виде нанослоя высотой не менее 8 нм, которая является стоком первого транзистора первого типа проводимости, к которой подключен контакт нулевого потенциала; вторая полупроводниковая область первого типа проводимости, сформированная в виде нанослоя высотой не менее 8 нм, которая является истоком второго транзистора второго типа проводимости, к которой подключен контакт питания; на первой полупроводниковой области второго типа проводимости расположена первая полупроводниковая область первого типа проводимости, сформированная в виде нанослоя высотой не менее 8 нм, которая является подзатворной областью первого транзистора первого типа проводимости, который имеет тонкий боковой окисел, на который подается входной сигнал, на первой полупроводниковой области первого типа проводимости расположена вторая полупроводниковая область второго типа проводимости, сформированная в виде нанослоя высотой не менее 8 нм, которая является истоком первого транзистора первого типа проводимости, к которой подключен выходной контакт, на второй полупроводниковой области первого типа проводимости расположена третья полупроводниковая область второго типа проводимости, сформированная в виде нанослоя высотой не менее 8 нм, которая является подзатворной областью второго транзистора второго типа проводимости, имеющего тонкий боковой окисел, на который подается входной сигнал, на третьей полупроводниковой области второго типа проводимости расположена третья полупроводниковая область первого типа проводимости, сформированная в виде нанослоя высотой не менее 8 нм, которая является стоком второго транзистора второго типа проводимости, к которой подключен выходной контакт, транзисторы первого и второго типа проводимости разделены диэлектрическими областями. В качестве диэлектрика для области с диэлектрическими свойствами используются окислы или газы.
Технический результат, достижение которого обеспечивается реализацией всей заявленной совокупности существенных признаков, состоит в том, что создана новая Si тонкослойная КМОП структура нанометровых размеров с вертикально ориентированными n-канальными и р-канальными транзисторами, разделенными диэлектрическими областями и расположенными на диэлектрической подложке, что приводит к снижению мощности потребления за счет устранения паразитных биполярных р-n-р транзисторов; уменьшению стоимости за счет неиспользования дополнительных материалов (Sn); увеличению функциональных возможностей полупроводниковой наноструктуры, т.к. заявленная структура является также и вертикальным КМОП инвертором с повышенной информационной плотностью.
Изобретение поясняется рисунками,
где на фиг.1 приведена принципиальная обобщенная схема заявляемой полупроводниковой структуры КМОП инвертора (вид спереди);
на фиг.2 приведена схема включения полупроводниковой структурой инвертора;
на фиг.3 приведена иллюстрация передаточной характеристики полупроводниковой структуры инвертора при изменении входного напряжения, которая демонстрирует выполнение полупроводниковой структурой инвертора, включенной по схеме (фиг.2), реализации функции инверсии, что говорит о ее работоспособности;
на фиг.4 представлен график общего тока цепи питания (Е) при изменении входного напряжения;
на фиг.5 представлен график заряда выходной области при изменении входного напряжения;
на фиг.6 представлен график общего тока в шине «земля» при изменении входного напряжения;
на фиг.7 представлен график общего входного тока в КМОП инверторе при изменении входного напряжения;
на фиг.8 представлен график общего выходного тока в КМОП инверторе при изменении входного напряжения;
на фиг.9 представлены графики физических параметров наноструктуры КМОП инвертора, среди которых:
а) распределение плотности дырок в 3D вертикальной наноструктуре КМОП инвертора для двух выходных режимов; б) - распределение плотности электронов в 3D вертикальной наноструктуре КМОП инвертора для двух выходных режимов; в) - электростатический потенциал в 3D вертикальной наноструктуре КМОП инвертора для двух выходных режимов; г) подвижность электронов в 3D вертикальной наноструктуре КМОП инвертора для двух выходных режимов; д) подвижность дырок в 3D вертикальной наноструктуре КМОП инвертора для двух выходных режимов; е) пространственный заряд в 3D вертикальной наноструктуре КМОП инвертора для двух выходных режимов
Для всех графиков (а-е) верхний график соответствует режиму, когда на выходе - напряжение логического нуля, а нижний соответствует режиму, когда на выходе напряжение логической единицы.
на фиг.10 представлен график изменения общего тока в первой входной области с течением времени;
на фиг.11 представлен график изменения общего тока в контакте нулевого потенциала в зависимости от времени;
на фиг.12 представлен график изменения тока в выходных контактах, имеющих общий потенциал, в зависимости от времени;
на фиг.13 представлен график изменения общего тока в цепи питания (Е) в зависимости от времени;
на фиг.14 представлен график изменения общего заряда во второй области первого типа проводимости (20) в зависимости от времени;
на фиг.15 представлен график изменения заряда в первой области первого типа проводимости (3) в зависимости от времени;
на фиг.16 представлен график изменения заряда в третьей области первого типа проводимости (18) в зависимости от времени;
на фиг.17 представлен график входного импульсного напряжения в зависимости от времени;
на фиг.18 представлен график выходного импульсного напряжения в зависимости от времени;
на фиг.19 представлены графики входного (график 1) и выходного (график 2) напряжений полупроводниковой структуры КМОП инвертора. Задержка структуры определялась по уровню «0,5».
На фиг.1 указаны следующие позиции:
1 - подложка (диэлектрическая),
2 - первая полупроводниковой область второго типа проводимости, которая является стоком первого транзистора первого типа проводимости,
3 - полупроводниковая область первого типа проводимости, которая является подзатворной областью первого транзистора первого типа проводимости,
4 - вторая полупроводниковая область второго типа проводимости, которая является истоком первого транзистора первого типа проводимости,
5 - диэлектрическая изоляция между транзисторами,
6 - тонкий боковой окисел, на который подается входной сигнал (напряжение, свет),
7 - диэлектрическая изоляция между входным и выходным контактами,
8 - выходной контакт,
9 - диэлектрическая изоляция между выходным контактом и контактом нулевого потенциала,
10 - контакт нулевого потенциала,
11 - диэлектрическая изоляция между транзисторами,
12 - контакт питания,
13 - диэлектрическая изоляция между выходным контактом и контактом питания,
14 - выходной контакт,
15 - диэлектрическая изоляция между входным и выходным контактами,
16 - тонкий боковой окисел, на который подается входной сигнал (напряжение, свет),
17 - диэлектрическая изоляция между транзисторами,
18 - третья полупроводниковая область первого типа проводимости, которая является стоком второго транзистора второго типа проводимости,
19 - третья полупроводниковая область второго типа проводимости, которая является подзатворной областью второго транзистора второго типа проводимости,
20 - вторая полупроводниковая область первого типа проводимости, которая является истоком второго транзистора второго типа проводимости.
Полупроводниковая структура инвертора (фиг.1) содержит подложку (1) и полупроводниковые области первого (3, 18, 20) и второго типа (2, 4, 19) проводимости, на подложке (1) расположена
- первая полупроводниковая область второго типа проводимости (2), сформированная в виде нанослоя высотой не менее 8 нм, которая является стоком первого транзистора первого типа проводимости, к которой подключен контакт нулевого потенциала (10);
- вторая полупроводниковая область первого типа проводимости (20), сформированная в виде нанослоя высотой не менее 8 нм, которая является истоком второго транзистора второго типа проводимости, к которой подключен контакт питания (12);
на первой полупроводниковой области второго типа проводимости (2) расположена первая полупроводниковая область первого типа проводимости (3), сформированная в виде нанослоя высотой не менее 8 нм, которая является подзатворной областью первого транзистора первого типа проводимости, который имеет тонкий боковой окисел (6), на который подается входной сигнал;
на первой полупроводниковой области первого типа проводимости (3) расположена вторая полупроводниковая область второго типа проводимости (4), сформированная в виде нанослоя высотой не менее 8 нм, которая является истоком первого транзистора первого типа проводимости, к которой подключен выходной контакт (8);
на второй полупроводниковой области первого типа проводимости (20) расположена третья полупроводниковая область второго типа проводимости (19), сформированная в виде нанослоя высотой не менее 8 нм, которая является подзатворной областью второго транзистора второго типа проводимости, который имеет тонкий боковой окисел (16), на который подается входной сигнал;
на третьей полупроводниковой области второго типа проводимости (19) расположена третья полупроводниковая область первого типа проводимости (18), сформированная в виде нанослоя высотой не менее 8 нм, которая является стоком второго транзистора второго типа проводимости, к которой подключен выходной контакт (14);
транзисторы первого и второго типа проводимости разделены диэлектрическими областями (5, 11, 17) (это может быть как газ с диэлектрическими свойствами, так и диэлектрик).
В полупроводниковой структуре КМОП инвертора
- первый транзистор первого типа проводимости сформирован областями стока (2), областью для формирования канала (3), областью истока (4), слои толщиной не менее 8 нм. Переходы поверхностные, обладают минимальной паразитной емкостью, что приводит к улучшению быстродействия полупроводниковой структуры КМОП инвертора;
- второй транзистор второго типа проводимости сформирован областями стока (18), областью для формирования канала (19), областью истока (20), слои толщиной не менее 8 нм. Переходы поверхностные, обладают минимальной паразитной емкостью, что приводит к улучшению быстродействия полупроводниковой структуры КМОП инвертора.
Тонкие окислы МОП транзисторов сформированы на боковой поверхности областей (3, 19). В случае уменьшения толщины областей (3, 19) может появляться дополнительный биполярный паразитный эффект, поэтому не рекомендуется увеличивать толщину областей (3, 19) более 8 нм.
Входной и выходной контакты, а также контакты нулевого потенциала и питания представляют собой контактные площадки.
Нанослои могут быть сформированы с использованием любой известной технологией формирования поверхностных полупроводниковых нанослоев, например технологии молекулярного выращивания.
Предлагаемая полупроводниковая структура может использоваться в качестве КМОП инвертора с вертикальной ориентацией транзисторов первого и второго типов проводимости.
Транзисторы первого и второго типов проводимости сформированы на диэлектрической подложке и изолированы диэлектрическими областями или газом с диэлектрическими свойствами.
Работа предлагаемой полупроводниковой структуры КМОП инвертора поясняется на примере работы полупроводниковой структуры инвертора (фиг.1), содержащей подложку (1) и полупроводниковые области первого (3, 18, 20) и второго типа (2, 4, 19) проводимости, где на подложке (1) расположена
- первая полупроводниковая область второго типа проводимости (2), сформированная в виде нанослоя высотой не менее 8 нм, которая является стоком первого транзистора первого типа проводимости, к которой подключен контакт нулевого потенциала (10);
- вторая полупроводниковая область первого типа проводимости (20), сформированная в виде нанослоя высотой не менее 8 нм, которая является истоком второго транзистора второго типа проводимости, к которой подключен контакт питания (12);
на первой полупроводниковой области второго типа проводимости (2) расположена первая полупроводниковая область первого типа проводимости (3), сформированная в виде нанослоя высотой не менее 8 нм, которая является подзатворной областью первого транзистора первого типа проводимости, который имеет тонкий боковой окисел (6), на который подается входной сигнал;
на первой полупроводниковой области первого типа проводимости (3) расположена вторая полупроводниковая область второго типа проводимости (4), сформированная в виде нанослоя высотой не менее 8 нм, которая является истоком первого транзистора первого типа проводимости, к которой подключен выходной контакт (8);
на второй полупроводниковой области первого типа проводимости (20) расположена третья полупроводниковая область второго типа проводимости (19), сформированная в виде нанослоя высотой не менее 8 нм, которая является подзатворной областью второго транзистора второго типа проводимости, который имеет тонкий боковой окисел (16), на который подается входной сигнал;
на третьей полупроводниковой области второго типа проводимости (19) расположена третья полупроводниковая область первого типа проводимости (18), сформированная в виде нанослоя высотой не менее 8 нм, которая является стоком второго транзистора второго типа проводимости, к которой подключен выходной контакт (14);
транзисторы первого и второго типов проводимости разделены диэлектрическими областями (5, 11, 17) (это может быть как газ с диэлектрическими свойствами, так и диэлектрик).
Устройство работает следующим образом.
Для проверки работы полупроводниковой структуры КМОП инвертора подключаем структуру по схеме так, как показано на фиг.2.
На входные контакты (6, 16), имеющие общий потенциал, подаем линейно меняющееся входное напряжение от 0 В до 1,1 В.
На выходных контактах (8, 14), имеющих общий потенциал, получаем передаточную характеристику (фиг.3) с двумя устойчивыми состояниями, которые соответствуют двум режимам работы схемы:
- режим 1 - когда на входных контактах (6, 16), имеющих общий потенциал, напряжение логического нуля u 0 (низкий уровень напряжения (0 В));
- режим 2 - когда на входных контактах (6, 16), имеющих общий потенциал, напряжение логической единицы u1 (высокий уровень напряжения (1.4 В)).
Рассмотрим работу наноструктуры полупроводниковой структуры КМОП инвертора для обоих режимов.
Режим 1. При подаче на входные контакты (6, 16), имеющие общий потенциал, напряжения логического нуля u 0 в третьей области второго типа проводимости (19) формируется канал, и второй транзистор второго типа проводимости открывается (области 18-19-20). Канала в первой области первого типа проводимости (3) нет, первый транзистор первого типа проводимости (области 2-3-4) закрыт. На выходных контактах (8, 14), имеющих общий потенциал, - высокий уровень напряжения, соответствующий напряжению логической единице.
Режим 2. При подаче на входные контакты (6, 16), имеющие общий потенциал, напряжения логической единицы u1 в третьей области второго типа проводимости (19) отсутствует канал, и второй транзистор второго типа проводимости (области 18-19-20) закрыт. В первой области первого типа проводимости (3) формируется канал, первый транзистор первого типа проводимости (области 2-3-4) открыт. На выходных контактах (8, 14), имеющих общий потенциал, - низкий уровень напряжения, соответствующий напряжению логического нуля.
Анализ работы полупроводниковой структуры КМОП инвертора, сформированного областями 2, 3, 4, 18, 19, 20, доказывает ее работоспособность и выполнение структурой функции инверсии.
Определение задержки полупроводниковой структуры КМОП инвертора
На фиг.19 представлены графики входного (график 1) и выходного (график 2) напряжений полупроводниковой структуры КМОП инвертора. Задержка структуры определялась по уровню «0,5».
В результате эксперимента были получены следующие значения координат точек пересечения фронтов входного и выходного напряжений с серединой логического уровня выходного сигнала.
t1=1,46903*10-11 (сек)
t2=1,85512*10-11 (сек)
t3=0,85472*10-10 (сек)
t4=1,21935*10-10 (сек)
Задержки фронтов по уровню 0,5 составят:
t10=t2-t1=0,38609*10-11=3,8609*10-12 (сек)
t01=t4-t3=0,56463*1010=56,463*10-12 (сек)
Тогда задержка структуры определится по формуле
τ=(t10+t01)/2=(3,8609*10-12+56,463* 10-12)/2=60,3239*10-12 (сек)
и составит около 60 пикосекунд.
Предлагаемая полупроводниковая структура КМОП инвертора обеспечивает высокую информационную плотность (за счет использования вертикальной интеграции первого и второго транзисторов), уменьшенную мощность потребления за счет использования диэлектрической подложки и уменьшенную стоимость изготовления структуры за счет использования одного типа материалов (Si) и обладает большей функциональностью: помимо возможной реализации функции фотодиода, данная структура реализует логическую функцию инверсии и может быть использована в СБИС с повышенной информационной плотностью.