Активный элемент интегрального коммутатора
ACTIVE ELEMENT OF INTEGRATING SWITCHING CENTER

Предполагаемое изобретение относится к области интегральной электроники, а именно - к элементам интегральных коммутаторов.
Аналогом заявляемого изобретения является элемент интегрального коммутатора - селективно легированный транзистор с высокой подвижностью электронов (HEMT - High Electron Mobility Transistor) [Пат. JP S63308965 (А), Япония. Yoshida Jiro. «Hetero-Junction Field-Effect Transistor», 1988], содержащий полуизолирующую GaAs-подложку, барьерную AlGaAs-область второго типа проводимости, расположенную под ней GaAs-область канала собственной проводимости, управляющую металлическую шину, расположенную над барьерной AlGaAs-областью второго типа проводимости и образующую с ней переход Шоттки, первую коммутируемую металлическую шину, первую коммутируемую область второго типа проводимости, граничащую с GaAs-областью канала собственной проводимости и образующую омический контакт с первой коммутируемой металлической шиной, вторую коммутируемую металлическую шину, вторую коммутируемую область второго типа проводимости, граничащую с GaAs-областью канала собственной проводимости и образующую омический контакт со второй коммутируемой металлической шиной, расположенную между полуизолирующей GaAs-подложкой и областью GaAs собственной проводимости широкозонную AlGaAs-область собственной проводимости.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого изобретения, являются полуизолирующая GaAs-подложка, барьерная AlGaAs-область второго типа проводимости, расположенная под ней GaAs-область канала собственной проводимости, управляющая металлическая шина, расположенная над барьерной AlGaAs-областью второго типа проводимости и образующая с ней переход Шоттки, первая коммутируемая металлическая шина, первая коммутируемая область второго типа проводимости, граничащая с GaAs-областью канала собственной проводимости и образующая омический контакт с первой коммутируемой металлической шиной, вторая коммутируемая металлическая шина, вторая коммутируемая область второго типа проводимости, граничащая с GaAs-областью канала собственной проводимости и образующая омический контакт со второй коммутируемой металлической шиной.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются ограничение времени переключения элемента временем пролета электронами GaAs-области канала собственной проводимости между первой и второй высоколегированными областями второго типа проводимости, отсутствие функциональной интеграции.
Аналогом заявляемого изобретения является элемент интегрального коммутатора - HEMT [Пат. US 5419809 А, Соединенные Штаты Америки. Tetsuji Nagayama, Toshiharu Yanagida. «Dry etching method», 1995, Fig. 5], содержащий полуизолирующую GaAs-подложку, барьерную AlGaAs-область второго типа проводимости, расположенную под ней AlGaAs-область спейсера собственной проводимости, расположенную под ней GaAs-область канала собственной проводимости, управляющую металлическую шину, расположенную над барьерной AlGaAs-областью второго типа проводимости и образующую с ней переход Шоттки, первую коммутируемую металлическую шину, первую коммутируемую область второго типа проводимости, граничащую с GaAs-областью канала собственной проводимости и образующую омический контакт с первой коммутируемой металлической шиной, вторую коммутируемую металлическую шину, вторую коммутируемую область второго типа проводимости, граничащую с GaAs-областью канала собственной проводимости и образующую омический контакт со второй коммутируемой металлической шиной.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого изобретения, являются полуизолирующая GaAs-подложка, барьерная AlGaAs-область второго типа проводимости, расположенная под ней AlGaAs-область спейсера собственной проводимости, расположенная под ней GaAs-область канала собственной проводимости, управляющая металлическая шина, расположенная над барьерной AlGaAs-областью второго типа проводимости и образующая с ней переход Шоттки, первая коммутируемая металлическая шина, первая коммутируемая область второго типа проводимости, граничащая с GaAs-областью канала собственной проводимости и образующая омический контакт с первой коммутируемой металлической шиной, вторая коммутируемая металлическая шина, вторая коммутируемая область второго типа проводимости, граничащая с GaAs-областью канала собственной проводимости и образующая омический контакт со второй коммутируемой металлической шиной.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются ограничение времени переключения элемента временем пролета электронами GaAs-области канала собственной проводимости между первой и второй высоколегированными областями второго типа проводимости, отсутствие функциональной интеграции.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является интегральный элемент [Пат. RU 2287896 C1, Российская Федерация. Коноплев Борис Георгиевич, Рындин Евгений Адальбертович. «Интегральный логический элемент «НЕ» на основе туннельного эффекта», 2006, Фиг. 2], содержащий полуизолирующую GaAs-подложку, барьерную AlGaAs-область второго типа проводимости, расположенную под ней AlGaAs-область спейсера собственной проводимости, расположенную под ней GaAs-область канала собственной проводимости, управляющую металлическую шину, расположенную над барьерной AlGaAs-областью второго типа проводимости и образующую с ней переход Шоттки, первую коммутируемую металлическую шину, первую коммутируемую область второго типа проводимости, граничащую с GaAs-областью канала собственной проводимости и образующую омический контакт с первой коммутируемой металлической шиной, вторую коммутируемую металлическую шину, вторую коммутируемую область второго типа проводимости, граничащую с GaAs-областью канала собственной проводимости и образующую омический контакт со второй коммутируемой металлической шиной, расположенную над полуизолирующей GaAs-подложкой AlGaAs-область управляющего p-n-перехода первого типа проводимости, расположенную над ней AlGaAs-область управляющего p-n-перехода второго типа проводимости, вторую управляющую металлическую шину, соединенную с AlGaAs-областью управляющего p-n-перехода первого типа проводимости и образующую с ней омический контакт, третью коммутируемую металлическую шину, третью коммутируемую область второго типа проводимости, образующую омический контакт с третьей коммутируемой металлической шиной, четвертую коммутируемую металлическую шину, четвертую коммутируемую область второго типа проводимости, образующую омический контакт с четвертой коммутируемой металлической шиной, AlGaAs-область туннельного барьера собственной проводимости, расположенную под GaAs-областью канала собственной проводимости, изолирующие AlGaAs-области собственной проводимости, расположенную под AlGaAs-областью туннельного барьера собственной проводимости GaAs-область параллельного канала собственной проводимости, граничащую с третьей и четвертой коммутируемыми областями второго типа проводимости и ориентированную параллельно GaAs-области канала собственной проводимости, AlGaAs-область параллельного спейсера собственной проводимости, расположенную под GaAs-областью параллельного канала собственной проводимости и ориентированную параллельно GaAs-области канала собственной проводимости.
Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемого изобретения, являются полуизолирующая GaAs-подложка, барьерная AlGaAs-область второго типа проводимости, расположенная под ней AlGaAs-область спейсера собственной проводимости, расположенная под ней GaAs-область канала собственной проводимости, управляющая металлическая шина, расположенная над барьерной AlGaAs-областью второго типа проводимости и образующая с ней переход Шоттки, первая коммутируемая металлическая шина, первая коммутируемая область второго типа проводимости, граничащая с GaAs-областью канала собственной проводимости и образующая омический контакт с первой коммутируемой металлической шиной, вторая коммутируемая металлическая шина, вторая коммутируемая область второго типа проводимости, граничащая с GaAs-областью канала собственной проводимости и образующая омический контакт со второй коммутируемой металлической шиной, расположенная над полуизолирующей GaAs-подложкой AlGaAs-область управляющего p-n-перехода первого типа проводимости, расположенная над ней AlGaAs-область управляющего p-n-перехода второго типа проводимости, вторая управляющая металлическая шина, соединенная с AlGaAs-областью управляющего p-n-перехода первого типа проводимости и образующая с ней омический контакт, третья коммутируемая металлическая шина, третья коммутируемая область второго типа проводимости, образующая омический контакт с третьей коммутируемой металлической шиной, четвертая коммутируемая металлическая шина, четвертая коммутируемая область второго типа проводимости, образующая омический контакт с четвертой коммутируемой металлической шиной, AlGaAs-область туннельного барьера собственной проводимости, расположенная под GaAs-областью канала собственной проводимости, изолирующие AlGaAs-области собственной проводимости.
Причины, препятствующие достижению технического результата:
1) вследствие параллельной взаимной ориентации длина GaAs-области параллельного канала собственной проводимости между граничащими с ней третьей и четвертой коммутируемыми областями второго типа проводимости более чем в три раза превышает длину GaAs-области канала собственной проводимости между граничащими с ней первой и второй коммутируемыми областями второго типа проводимости, что приводит к значительному увеличению сопротивления параллельного канала в открытом состоянии и, как следствие, к увеличению потерь энергии в процессе коммутации сигналов и снижению быстродействия активного элемента интегрального коммутатора;
2) параллельная взаимная ориентация при вертикальной интеграции GaAs-областей каналов, разделенных AlGaAs-областью туннельного барьера, а также граничащих с GaAs-областями каналов коммутируемыми областями второго типа проводимости приводит к повышенным токам утечки между первой и третьей, а также второй и четвертой коммутируемыми областями активного элемента интегрального коммутатора.
Задачей предполагаемого изобретения является снижение потерь энергии в процессе коммутации сигналов, увеличение быстродействия и снижение токов утечки между коммутируемыми контактами активного элемента интегрального коммутатора.
Для достижения необходимого технического результата в активный элемент интегрального коммутатора, содержащий полуизолирующую GaAs-подложку, барьерную AlGaAs-область второго типа проводимости, расположенную под ней AlGaAs-область спейсера собственной проводимости, расположенную под ней GaAs-область канала собственной проводимости, управляющую металлическую шину, расположенную над барьерной AlGaAs-областью второго типа проводимости и образующую с ней переход Шоттки, первую коммутируемую металлическую шину, первую коммутируемую область второго типа проводимости, граничащую с GaAs-областью канала собственной проводимости и образующую омический контакт с первой коммутируемой металлической шиной, вторую коммутируемую металлическую шину, вторую коммутируемую область второго типа проводимости, граничащую с GaAs-областью канала собственной проводимости и образующую омический контакт со второй коммутируемой металлической шиной, расположенную над полуизолирующей GaAs-подложкой AlGaAs-область управляющего p-n-перехода первого типа проводимости, расположенную над ней AlGaAs-область управляющего p-n-перехода второго типа проводимости, вторую управляющую металлическую шину, соединенную с AlGaAs-областью управляющего p-n-перехода первого типа проводимости и образующую с ней омический контакт, третью коммутируемую металлическую шину, третью коммутируемую область второго типа проводимости, образующую омический контакт с третьей коммутируемой металлической шиной, четвертую коммутируемую металлическую шину, четвертую коммутируемую область второго типа проводимости, образующую омический контакт с четвертой коммутируемой металлической шиной, AlGaAs-область туннельного барьера собственной проводимости, расположенную под GaAs-областью канала собственной проводимости, изолирующие AlGaAs-области собственной проводимости, введены расположенная под AlGaAs-областью туннельного барьера собственной проводимости GaAs-область ортогонального канала собственной проводимости, граничащая с третьей и четвертой коммутируемыми областями второго типа проводимости и ориентированная перпендикулярно GaAs-области канала собственной проводимости, AlGaAs-область ортогонального спейсера собственной проводимости, расположенная под GaAs-областью ортогонального канала собственной проводимости и ориентированная перпендикулярно GaAs-области канала собственной проводимости.
Сравнивая предлагаемое устройство с прототипом, видим, что оно содержит новые признаки, то есть соответствует критерию новизны. Проводя сравнение с аналогами, приходим к выводу, что предлагаемое устройство соответствует критерию «существенные отличия», так как в аналогах не обнаружены предъявляемые новые признаки. Получен положительный эффект, заключающийся в снижении потерь энергии в процессе коммутации сигналов, увеличении быстродействия и снижении токов утечки между коммутируемыми контактами активного элемента интегрального коммутатора.
На фиг. 1 приведена топология предлагаемого активного элемента интегрального коммутатора. На фиг. 2 приведено поперечное сечение предлагаемого активного элемента интегрального коммутатора по GaAs-области канала собственной проводимости и граничащим с ней первой и второй коммутируемым областям второго типа проводимости. На фиг. 3 приведено поперечное сечение предлагаемого активного элемента интегрального коммутатора по GaAs-области ортогонального канала собственной проводимости и граничащим с ней третьей и четвертой коммутируемым областям второго типа проводимости.
Активный элемент интегрального коммутатора содержит полуизолирующую GaAs-подложку 1, барьерную AlGaAs-область второго типа проводимости 2, расположенную под ней AlGaAs-область спейсера собственной проводимости 3, расположенную под ней GaAs-область канала собственной проводимости 4, управляющую металлическую шину 5, расположенную над барьерной AlGaAs-областью второго типа проводимости 2 и образующую с ней переход Шоттки, первую коммутируемую металлическую шину 6, первую коммутируемую область второго типа проводимости 7, граничащую с GaAs-областью канала собственной проводимости 4 и образующую омический контакт с первой коммутируемой металлической шиной 6, вторую коммутируемую металлическую шину 8, вторую коммутируемую область второго типа проводимости 9, граничащую с GaAs-областью канала собственной проводимости 4 и образующую омический контакт со второй коммутируемой металлической шиной 8, расположенную над полуизолирующей GaAs-подложкой 1 AlGaAs-область управляющего p-n-перехода первого типа проводимости 10, расположенную над ней AlGaAs-область управляющего p-n-перехода второго типа проводимости 11, вторую управляющую металлическую шину 12, соединенную с AlGaAs-областью управляющего p-n-перехода первого типа проводимости 10 и образующую с ней омический контакт, третью коммутируемую металлическую шину 13, третью коммутируемую область второго типа проводимости 14, образующую омический контакт с третьей коммутируемой металлической шиной 13, четвертую коммутируемую металлическую шину 15, четвертую коммутируемую область второго типа проводимости 16, образующую омический контакт с четвертой коммутируемой металлической шиной 15, AlGaAs-область туннельного барьера собственной проводимости 17, расположенную под GaAs-областью канала собственной проводимости 4, изолирующие AlGaAs-области собственной проводимости 18, расположенную под AlGaAs-областью туннельного барьера собственной проводимости 17 GaAs-область ортогонального канала собственной проводимости 19, граничащую с третьей и четвертой коммутируемыми областями второго типа проводимости и ориентированную перпендикулярно GaAs-области канала собственной проводимости 4, AlGaAs-область ортогонального спейсера собственной проводимости 20, расположенную под GaAs-областью ортогонального канала собственной проводимости 19 и ориентированную перпендикулярно GaAs-области канала собственной проводимости 4.
Работает устройство следующим образом. При подаче положительного напряжения на управляющую металлическую шину 5, расположенную над барьерной AlGaAs-областью второго типа проводимости 2 и образующую с ней переход Шоттки, и отрицательного напряжения на вторую управляющую металлическую шину 12, соединенную с расположенной над полуизолирующей GaAs-подложкой 1 AlGaAs-областью управляющего p-n-перехода первого типа проводимости 10, расположенной под AlGaAs-областью управляющего p-n-перехода второго типа проводимости 11, поперечное управляющее поле вызывает туннельную передислокацию максимума плотности двумерного электронного газа из GaAs-области ортогонального канала собственной проводимости 19, расположенной над AlGaAs-областью ортогонального спейсера собственной проводимости 20, в GaAs-область канала собственной проводимости 4, расположенную под AlGaAs-областью спейсера собственной проводимости 3, через AlGaAs-область туннельного барьера собственной проводимости 17, в результате чего плотность двумерного электронного газа в GaAs-области канала собственной проводимости 4 увеличивается, а в GaAs-области ортогонального канала собственной проводимости 19 уменьшается, что приводит, с одной стороны, к коммутации первой коммутируемой области второго типа проводимости 7, образующей омический контакт с первой коммутируемой металлической шиной 6, и второй коммутируемой области второго типа проводимости 9, образующей омический контакт со второй коммутируемой металлической шиной 8, а с другой стороны, - к разъединению третьей коммутируемой области второго типа проводимости 14, образующей омический контакт с третьей коммутируемой металлической шиной 13, и четвертой коммутируемой области второго типа проводимости 16, образующей омический контакт с четвертой коммутируемой металлической шиной 15.
При подаче отрицательного напряжения на управляющую металлическую шину 5, расположенную над барьерной AlGaAs-областью второго типа проводимости 2 и образующую с ней переход Шоттки, и положительного напряжения на вторую управляющую металлическую шину 12, соединенную с расположенной над полуизолирующей GaAs-подложкой 1 AlGaAs-областью управляющего p-n-перехода первого типа проводимости 10, расположенной под AlGaAs-областью управляющего p-n-перехода второго типа проводимости 11, поперечное управляющее поле вызывает туннельную передислокацию максимума плотности двумерного электронного газа из GaAs-области канала собственной проводимости 4, расположенной под AlGaAs-областью спейсера собственной проводимости 3, в GaAs-область ортогонального канала собственной проводимости 19, расположенную над AlGaAs-областью ортогонального спейсера собственной проводимости 20, через AlGaAs-область туннельного барьера собственной проводимости 17, в результате чего плотность двумерного электронного газа в GaAs-области ортогонального канала собственной проводимости 19 увеличивается, а в GaAs-области канала собственной проводимости 4 уменьшается, что приводит, с одной стороны, к разъединению первой коммутируемой области второго типа проводимости 7, образующей омический контакт с первой коммутируемой металлической шиной 6, и второй коммутируемой области второго типа проводимости 9, образующей омический контакт со второй коммутируемой металлической шиной 8, а с другой стороны, - к коммутации третьей коммутируемой области второго типа проводимости 14, образующей омический контакт с третьей коммутируемой металлической шиной 13, и четвертой коммутируемой области второго типа проводимости 16, образующей омический контакт с четвертой коммутируемой металлической шиной 15.
AlGaAs-область спейсера собственной проводимости 3 и AlGaAs-область ортогонального спейсера собственной проводимости 20 обеспечивают увеличение подвижности электронов в GaAs-области канала собственной проводимости 4 и GaAs-области ортогонального канала собственной проводимости 19, соответственно, за счет пространственного разделения электронов в каналах от ионов легирующих примесей в барьерной AlGaAs-области второго типа проводимости 2 и AlGaAs-области управляющего p-n-перехода второго типа проводимости 11.
При всех рассмотренных выше комбинациях управляющих напряжений управляемая туннельная передислокация максимума плотности двумерного электронного газа происходит при практически неизменном суммарном числе электронов в GaAs-области канала собственной проводимости 4 и GaAs-области ортогонального канала собственной проводимости 19. В результате время переключения предложенного активного элемента интегрального коммутатора определяется малой инерционностью процесса туннелирования электронов через AlGaAs-область туннельного барьера собственной проводимости 17 и не ограничено временем пролета электронами расстояний между коммутируемыми областями второго типа проводимости 7 и 9 или 14 и 16, что обеспечивает увеличение быстродействия предложенного активного элемента интегрального коммутатора по сравнению с аналогами.
Взаимно ортогональное расположение GaAs-области канала собственной проводимости 4 и GaAs-области ортогонального канала собственной проводимости 19, а также соответствующих коммутируемых областей второго типа проводимости 7, 9 и 14, 16, электрически изолированных друг от друга изолирующими AlGaAs-областями собственной проводимости 18, обеспечивает:
1) равенство длин каналов 4 и 19 (равенство расстояний между коммутируемыми областями второго типа проводимости 7, 9 и, соответственно, 14, 16), позволяющее снизить потери энергии в процессе коммутации сигналов;
2) увеличение расстояний между коммутируемыми областями второго типа проводимости 7, 14 и 9, 16, граничащими с разными каналами и электрически изолированными друг от друга изолирующими AlGaAs-областями собственной проводимости 18, позволяющее уменьшить емкости и токи утечки между коммутируемыми областями второго типа проводимости 7, 14 и 9, 16.
Таким образом, в зависимости от напряжений, подаваемых на управляющие металлические шины 5 и 12, осуществляется коммутация металлических шин 6 и 8 или металлических шин 13 и 15, характеризующаяся временем переключения, определяемым малой инерционностью процесса туннелирования электронов через AlGaAs-область туннельного барьера собственной проводимости 17, а предлагаемое устройство представляет собой активный элемент интегрального коммутатора с повышенным быстродействием, а также сниженными потерями энергии и токами утечки по сравнению с аналогами.
Положительный эффект, заключающийся в увеличении быстродействия и снижении потерь энергии и токов утечки активного элемента интегрального коммутатора, получен за счет введения перечисленных выше новых признаков.