ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР НА УГЛЕРОДНОЙ ПЛЕНКЕ С ВЕРТИКАЛЬНЫМ КАНАЛОМ ПРОВОДИМОСТИ

Полезная модель (ПМ) относится к приборам твердотельной электроники на основе гетероструктур, к таким как полевые транзисторы эмиссионного (инжекционного) типа с вертикальной геометрией (при этом транзистор содержит плоскую подложку из непроводящего материала), и может быть использована при создании элементов наноэлектроники.
В настоящее время предлагаются различные варианты полевых транзисторов, в которых в качестве активного полупроводника используют не традиционный материал (кремний), а материалы на основе различных форм углерода. В этих решениях сохраняется традиционная конструкция с горизонтальной геометрией, в которой электрод стока и электрод истока разделены каналом транзистора. Этот канал состоит из, например, аморфного полупроводникового материала. В качестве активного аморфного полупроводникового материала в полевых транзисторах этого типа используют аморфный углерод или аморфный кремний, сопряженные полимеры, нанотрубки и т.п. В таких структурах, как правило, электрод затвора изолирован от канала посредством подзатворного диэлектрика.
Например, на фиг. 1 представлен тонкопленочный транзистор с активным полупроводниковым материалом (1) в виде слоя аморфного Si:H толщиной 10 нм (D.B. Thomasson&al., IEEE El.Dev. Lett., Vol. 18, p. 117, March 1997). В этом транзисторе электрод затвора (2), который может быть металлическим, напылен в виде пленки на подложке. Поверх этого электрода затвора напылен изолирующий слой (3), а на изолятор нанесен активный полупроводниковый материал в виде слоя аморфного Si:H. Электроды стока (4) и истока (5) (Al) нанесены на активном полупроводниковом материале и разнесены в пространстве один относительно другого.
Другой пример тонкопленочного транзистора из органического материала показан на фиг. 2 (A. Dodabalapur&al. Appl. Phys. Lett., Vol. 69, pp. 4227-29, December 1996). Здесь активным полупроводниковым материалом является органическое соединение (6), например полимер или ароматические молекулы. На подложке обеспечивается электрод затвора (7), а выше электрода затвора - изолятор (8) в виде слоя, который может быть выполнен путем нанесения оксидного слоя на поверхность электрода затвора. На изолирующем слое обеспечиваются разнесенные в пространстве электрод истока (9) и электрод стока (10), а поверх электродов стока и истока имеются отстоящие одна от другой вертикальные боковые стенки, обе из которых с одного конца соединены с аналогичной вертикальной поперечной стенкой.
Например, из патента США 5563077 (Н.С. На) известен тонкопленочный транзистор с вертикальным каналом, в котором канал образован двумя разнесенными в пространстве одна относительно другой вертикальными боковыми стенками, которые с одного конца соединены с аналогичной вертикальной торцевой стенкой. Недостатком такой конструкции является усложнение технологии литографии (многоуровневый напылительный процесс).
Известен вертикальный транзистор с проницаемой базой (М. Шур. «Современные приборы на основе арсенида галлия», М.: Мир, 1991), содержащий плоский катод (отрицательный электрод), плоский анод (положительный электрод), расположенный параллельно катоду, управляющий электрод, выполненный в виде плоской металлической решетки, расположенный параллельно плоскому катоду (на меньшем расстоянии от катода, чем от анода) и полупроводниковый материал, заполняющий все пространство между тремя названными электродами. Транзистор управляется пространственным зарядом, образующимся в полупроводниковом материале вокруг плоской металлической решетки (объемным зарядом барьера Шоттки). Недостатком такого транзистора являются относительно невысокая выходная мощность, высокие механические напряжения на границах электродов с полупроводниковым материалом и невысокий коэффициент полезного действия.
+
Наиболее близким к заявляемой ПМ по наибольшему числу существенных признаков является вертикальный полевой транзистор (пат. США № 4903089, МПК: H01L 29/80, заявл. 02.02.1988, опубл. 20.02.1990), содержащий последовательно соединенные полупроводниковую подложку, сток, выполненный из полупроводника n-типа, вертикальные проводящие каналы, выполненные из полупроводника n-типа, затвор, выполненный в виде металлической ленты, перфорированной в пределах полупроводниковой структуры, слои диэлектрика, расположенные с нижней и верхней поверхностей перфорированной металлической.
Недостатки данного устройства следующие: 1) сложная технология создания многослойной структуры, в которой управляющим электродом является либо тонкая пленка металла, либо сетка из напыленных металлических полосок, встроенных в рабочий материал; 2) относительно низкая теплопроводность полупроводникового подложечного материала, через который отводится значительная часть выделяемой в малом объеме полупроводниковой структуры тепловой энергии, и значительные механические напряжения на границе полупроводниковой подложки и стока, имеющие различные кристаллические структуры, что ухудшает электрические характеристики прибора и уменьшает надежность и долговечность его работы.
Сущность предлагаемой ПМ заключается в том, что в качестве вертикального проводящего канала используется пленка из наноструктурированного углерода с высокой анизотропией проводимости. Предлагаемое техническое решение позволяет обойтись без использования необходимого в аналогах подзатворного диэлектрического слоя.
В предлагаемой ПМ ток в вертикальном проводящем канале является дрейфовым в отличие от диффузионного в описанных выше прототипах. Дрейфовый ток управляется потенциалом, приложенным к затвору за счет снижения потенциального барьера на границе металл (исток) - диэлектрик - углерод.
+
Техническая задача, на решение которой направлена предлагаемая ПМ, состоит в создании полевого транзистора с низкой мощностью потребления и высоким быстродействием. Поставленная техническая задача в данной ПМ решается за счет того, что вертикальный полевой транзистор содержит в качестве истока пленку из металла или высоколегированного полупроводника с металлическим типом проводимости (n-тип), вертикальный проводящий канал в виде пленки из наноструктурированного углерода с высокой анизотропией проводимости, сток и затвор, выполненные в виде металлических полосок, диэлектрически изолированных от истока или стока. Исток отделен от вертикального проводящего канала диэлектрической пленкой толщиной от 10 до 50 нм. Диэлектрическая изоляция стока от затвора реализуется за счет высокого поверхностного сопротивления пленки из наноструктурированного углерода с высокой анизотропией проводимости. Контакт между вертикальным каналом проводимости и стоком является омическим, контакт между истоком и вертикальным проводящим каналом - запорным (инжекционным).
Предлагаемый полевой транзистор обеспечивает высокую плотность активных элементов в интегральных схемах за счет использования вертикальной геометрии. Улучшенное быстродействие по сравнению с аналогом и низкая мощность потребления реализуется за счет вертикального проводящего канала, выполненного в виде пленки из наноструктурированного углерода с высокой анизотропией проводимости, и субвольтового режима работы (менее 1 В).
Осуществление заявляемой ПМ поясняется фиг. 3, на которой приведена принципиальная схема заявляемого полевого транзистора на углеродной пленке с вертикальным каналом проводимости, где
11 - подложка (диэлектрическая или высокоомный кремний);
12 - затвор, выполненный в виде металлических полосок;
2
2
3
13 - диэлектрическая пленка типа SiO или AlO;
14 - сток, выполненный в виде металлических полосок;
15 - вертикальный проводящий канал, выполненный в виде пленки из наноструктурированного углерода с высокой анизотропией проводимости;
+
16 - исток, выполненный в виде пленки из металла или высоколегированного полупроводника с металлическим типом проводимости (n-тип).
Примером использования полевого транзистора, соответствующего п. 1 формулы ПМ, имеющего структуру, которая включает последовательно: подложку 11, выполненную на конкретном примере из сапфира (диэлектрик с большой шириной запрещенной зоны) или высокоомный (нелегированный) кремний. Диэлектрическая изоляция между электродами осуществляется через диэлектрическую пленку 13.
Согласно п. 2 и 3 формулы ПМ затвор в виде металлических полос может располагаться как в плоскости истока, так и в плоскости стока.
В соответствии с п. 4 формулы ПМ затвор в виде металлических полосок может также располагаться между плоскостями, в которых расположены контакты истока и стока.
Толщина диэлектрической пленки, указанная в п. 5 и 6 формулы ПМ (10-50 нм), определяется в зависимости от величины рабочих токов и токов утечки.