Полевой транзистор с вертикальным каналом для СВЧ - техники

Полезная модель относится к области полупроводниковой электроники. Данное техническое решение может быть использовано в СВЧ-технике для транзисторов в малошумящих усилителях.
В процессе эволюции полупроводниковой электроники использовались различные транзисторы в виде надежного элемента управления схемой. Часто применялись полевые транзисторы, то есть работающие в процессе подачи напряжения. В результате, создавалась разность потенциалов, и возникало электрическое поле, перемещающее носители заряда. Эффективность транзисторов напрямую зависела от технологической нормы производства. Эволюция технологии микроэлектроники описывается законом Мура, который заключается в горизонтальном интегрировании элементов. Однако, в настоящее время, ожидается прекращение выполнения данной закономерности. Данное ожидание связано с тем, что технологической нормы производства приближается к периоду атома кремния - основного материала микроэлектроники. Поэтому необходимо искать новые пути развития техники. Один из таких путей - переход от горизонтального к вертикальному интегрированию. Формирование каналов транзисторов в вертикальной плоскости позволяет увеличить энергоэффективность по сравнению с планарным (горизонтальным) типом при аналогичной площади элемента. Развитию данного направления и посвящено предлагаемое техническое решение.
Известен полевой вертикальный транзистор, содержащий подложку из полупроводника n++, электроды истока, стока, затвора, двухслойную мезаструктуру, причем на верхнем слое мезаструктуры по краям ее боковых граней сформированы снабженные балочными выводами барьерные контакты, расположенные симметрично относительно мезаструктуры выше границы раздела слоев и отдельные от подложки воздушных зазором [1].
Недостатком данного технического решения является крайне сложный технологический процесс изготовления балочных выводов мезаструктуры. Балочные выводы имеют высокий коэффициент соотношения длины к ширине при малом значении толщины. При переходе от макро- к микроматериалам значительно изменяются механические свойства, такие как внутренние механические напряжения, модуль Юнга, коэффициент Пуассона. Следовательно, сформировать балочные выводы на запланированной высоте и обеспечить надежность конструкции в процессе активной эксплуатации - непростая задача.
Известен вертикальный полевой транзистор, содержащий металлический вывод истока, омический контакт к истоку, исток, выполненный из полупроводника n+-типа, проводимости, вертикальные проводящие каналы с n-типом проводимости, затвор, выполненный в виде металлической ленты, перфорированной в пределах полупроводниковой структуры, слои диэлектрика на нижней и верхней поверхностях, ленты, которые прилегают к боковым поверхностям вертикальных каналов, и сток с n+-типом проводимости [2].
Данное техническое решение имеет ограничение в виде вертикальных каналов только с n-типом проводимости.
Известен КМОП-транзистор с вертикальными каналами и общим затвором, содержащий два комплементарных МОП-транзистора, включенных последовательно, в приборе использованы параллельно расположенные вертикальные каналы, с р- и n-типами проводимости и общий затвор, расположенный на непроводящей области между транзисторами и изолированный от каналов окислом, при этом стоки каналов транзисторов соединены между собой с помощью омических контактов на нижней стороне вертикальной структуры, а истоки имеют отдельные выводы на верхней стороне структуры [3].
Данное техническое решение имеет следующие недостатки и ограничения. КМОП-транзистор содержит только два канала, что ограничивает области воздействия электронным пучком. Для функционирования каналов с различными типами проводимости необходимо прикладывать отпирающее (пороговое) напряжение, и рабочее напряжение различной полярности. Следовательно, одновременно может функционировать только один канал, что снижает область применения прибора. Также, в техническом решении указано ограничение, что выполнение изоляции затвора от каналов может быть только окислом. В некоторых случаях, желательно выполнять изоляцию из других материалов (например, нитридов) для повышения рабочих характеристик устройства.
Задачей настоящей полезной модели является повышение быстродействия, снижение энергопотребления, повышение локальности воздействия электронным пучком, возможность изменения направления протекания тока.
Поставленная задача решается тем, что формируют транзистор, содержащий исток, сток, вертикальный канал, затвор, причем матрица каналов выполнена в виде цилиндрической формы, каналы расположены соосно, область канала -вакуумное пространство, матрица затворов чередуется с матрицей каналов.
По сравнению с прототипом, в предлагаемой конструкции одновременно может функционировать несколько каналов. В результате повышается локальность воздействия электронным пучком.
В области канала отсутствует материал, создается вакуумное пространство. Это позволяет избежать теплого рассеяния электронов на фононах кристаллической решетки любого материала, что ведет к повышению подвижности носителей заряда (электронов). Повышение подвижности носителей заряда позволяет увеличить величину тока, то есть повысить быстродействие.
Цилиндрическая форма каналов позволяет повысить полезную площадь канала при сохранении габаритов устройства. Следовательно, при одном и том же напряжении большее количество электронов достигнут области стока или истока (в зависимости от полярности напряжения), что приведет к повышению величины тока, значит и быстродействия, и энергоэффективности.
Использование данной конструкции позволяет только изменением полярности направить ток в противоположную сторону.
На фиг. 1 представлен двухмерный макет на полевой транзистор с вертикальным каналом, где 1 - матрица каналов, 2 - матрица затворов, 3 - диэлектрик области стока, 4 - диэлектрик области истока, 5 -исток, 6 - сток
На фиг. 2 представлен трехмерный макет на полевой транзистор с вертикальным каналом (область стока скрыта для улучшения наглядности изображения), где: 1 - матрица каналов, 2 - матрица затворов, 3 - диэлектрик области стока, 4 - диэлектрик области исток, 5 -исток
На фиг. 3 (вид сбоку) представлена изготовленная область истока в виде автоэмиссионного кремниевого катода.
На фиг. 4 представлена на виде сверху изготовленная область стока в виде тонкопленочной металлической мембраны диаметром 0.58 мм на кристалле квадратной формы со стороной 6.2 мм.
На фиг. 5 (вид сбоку) представлена область соединения двух кремниевых подложек через фоторезист.
Полевой транзистор с вертикальным каналом работает следующим образом. В процессе подачи электростатического напряжения на исток, сток, затвор создается разность потенциалов, возникает электрическое поле, перемещающее носители заряда. Носители заряда перемещаются от истока к стоку или в обратном направлении в зависимости от полярности приложенного напряжения. Включение необходимого канала из матрицы каналов осуществляется выбором необходимо затвора из матрицы затворов.
Конкретный пример исполнения. Изготавливают область истока в виде матрицы автоэмиссионных кремниевых катодов на кремниевой подложке. Изготавливают область стока в виде в виде матрицы тонкопленочных металлических мембран на кремниевой подложке. Наносят материал фоторезиста (на область истока и область стока) толщиной 2.0 мкм и проводят операцию фотолитографии. Далее выполняют сборку, то есть бондинг двух кремниевых подложек с областями стока и истока. Помещают подложки в реакционную камеру и проводят откачку атмосферы до величины давления не менее 1 мбар. Тем самым, формируют вакуумное пространство в будущем канале полевого транзистора. Поднимают температуру до 200°С со скоростью 10°/мин. Соединяют подложки.
В результате использования предлагаемого устройства обеспечивается повышение быстродействия, улучшение энергоэффективности, повышение локальности воздействия электронным пучком, осуществляется возможность изменения направления протекания тока.
Источники информации:
1. Авторское свидетельство СССР №1482479.
2. Патент РФ №2402105
3. Патент РФ №2504865 - прототип.