полупроводниковый прибор с характеристикой лямбда-диода

Формула изобретения

Полупроводниковый прибор с характеристикой лямбда-диода, содержащий каналы с n- и p-типами проводимости, затворы, истоки и стоки каналов, отличающийся тем, что в приборе использованы вертикальные каналы с n- и p-типами проводимости, контактирующие между собой боковыми сторонами, затворы расположены на другой боковой стороне каналов, истоки каналов соединены между собой с помощью омических контактов на нижней стороне вертикальной структуры, сток n-канала соединен с затвором p-канала, а сток p-канала - с затвором n-канала с помощью двух общих металлических шин, причем при наличии нескольких единичных структур затворы являются общими для соседних структур, а каналы с одинаковым типом проводимости размещены симметрично по отношению к затворам.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области полупроводниковой электроники, а именно к приборам с отрицательным дифференциальным сопротивлением, и может быть использовано в различных электронных устройствах и интегральных схемах, предназначенных для генерации и преобразования электрических сигналов.

Известен вертикальный полевой транзистор (ПТ), содержащий полупроводниковую подложку, сток (исток) с n⁺-типом 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 исток (сток) с n⁺-типом проводимости [1]. Между затвором и каналами образуются барьеры Шотки. Транзистор выполнен из арсенида галлия (GaAs).

Однако в этом приборе используются вертикальные каналы только с n-типом проводимости.

Известен вертикальный ПТ [2], содержащий подложку с n⁺-типом проводимости, которая является истоком (стоком) каналов с n-типом проводимости, металлические затворы, размещенные на непроводящих областях структуры прибора и образующие барьеры Шотки с каналами, а также стоки с n⁺-типом проводимости. Между подложкой и каналами расположены два дополнительных слоя. Первый эпитаксиальный слой с n⁺-типом проводимости является буферным между подложкой и каналами, второй слой изготовлен из AlGaAs. Все остальные области прибора изготовлены из GaAs. Кроме того, на том же кристалле дополнительно сформирован диод Шотки (ДШ), причем один контакт диода совмещен с контактом истока (стока) вертикального ПТ, а другой контакт ДШ соединяется с контактом стока (истока) ПТ. Вертикальный ПТ с ДШ образуют составное устройство.

Однако в этом приборе также используются вертикальные каналы только с n-типом проводимости.

Известен вертикальный ПТ [3], 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. Между затвором и каналами образуются барьеры Шотки. Для повышения выходной мощности прибора подложка из арсенида галлия заменена на диэлектрическую подложку с более высокой теплопроводностью. Также введен демпфирующий слой из пластичного металла между полупроводниковой структурой и диэлектрической подложкой с целью увеличения надежности и долговечности работы прибора за счет уменьшения в нем механических напряжений.

В этом приборе также используются вертикальные каналы только с n-типом проводимости.

Известен полупроводниковый прибор - лямбда-диод, состоящий из двух комплементарных полевых транзисторов обедненного типа - прототип с изолированными затворами [4] или с управляющими p-переходами [5, 6]. Каждый полевой транзистор содержит подложку, на которой размещены исток, канал с затвором и сток. При этом комплементарные полевые транзисторы соединяются между собой следующим образом: вывод стока ПТ с n-каналом соединяется с выводом затвора другого ПТ с p-каналом, вывод стока которого соединяется с затвором ПТ с n-каналом, а вывода истоков соединяются между собой непосредственно. На сток ПТ с n-каналом подается положительное напряжение относительно стока ПТ с p-каналом.

Основные недостатки этого прибора:

- прибор состоит из двух отдельных полевых транзисторов, поэтому размеры прибора увеличиваются;

- наличие перекрестных металлических соединений между электродами усложняет конструкцию прибора, особенно при использовании достаточно большого числа единичных структур.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является уменьшение размеров, повышение быстродействия и увеличение тока и выходной мощности прибора с характеристикой лямбда-диода.

Сущность изобретения: в приборе, содержащем каналы с n- и p-типами проводимости, затворы, истоки и стоки каналов, использованы вертикальные каналы, которые расположены параллельно друг другу. Причем каналы соприкасаются между собой боковыми сторонами, при этом образуется электрический переход, а ток в каналах проходит во встречных направлениях. Затворы образованы дополнительными областями на другой боковой стороне каналов. Для управления сопротивлениями каналов могут быть использованы барьеры Шотки, структуры металл-диэлектрик-полупроводник или управляющие p-n-переходы. Истоки каналов соединены между собой с помощью омических контактов, расположенных на нижней стороне вертикальной структуры, сток n-канала соединен с затвором p-канала, а сток p-канала - с затвором n-канала с помощью двух общих металлических шин.

Вертикальная структура обеспечивает возможность уменьшения длин каналов, что позволит повысить быстродействие прибора. Прибор может иметь только одну единичную структуру или содержать достаточно большое число единичных структур, в этом случае можно увеличить ток и выходную мощность прибора. В предлагаемом приборе объединены два комплементарных полевых транзистора в единую вертикальную структуру, благодаря чему достигается заявленный технический результат.

На фигуре 1 изображен возможный вариант прибора с тремя единичными структурами в плане, продольное и поперечные сечения прибора с барьерами Шотки, где 1 - подложка, 2 и 3 - каналы с n- и p-типами проводимости соответственно, 4 и 5 - стоки каналов с n⁺- и p⁺-типами проводимости, 6 и 7 - истоки каналов с n⁺- и p⁺-типами проводимости. Стоки каналов соединены с помощью электродов 8 и 9 с общими шинами 10 и 11, а истоки каналов соединены между собой с помощью металлизации 12. Между затворами 13 и 14 и каналами 2 и 3, соответственно, формируются барьеры Шотки. Совмещение затворов с каналами произведено с помощью диэлектрических пленок 15 и 16. Затворы являются общими для соседних единичных структур и соединены непосредственно с шинами 11 и 10. Каналы расположены симметрично по отношению к общим затворам.

На фигуре 2 изображен возможный вариант прибора с изолированными затворами 17 и 18 к каналам 2 и 3, соответственно.

На фигуре 3 изображен возможный вариант прибора с управляющими p-n-переходами, где 19 - затвор с p⁺-типом проводимости, 20 - затвор с n⁺-типом проводимости. Затворы каналов соединены с общими шинами 11 и 10 с помощью электродов 21 и 22, соответственно.

Прибор работает следующим образом. На шину 10 подают положительное напряжение U₀ относительно шины 11, при этом по каналам 2 и 3 будет протекать ток, и на затворах оказываются обратные напряжения. При увеличении обратного напряжения на затворе толщина обедненного слоя в канале возрастает, что приводит к уменьшению толщины проводящей части канала, поэтому с увеличением U₀ ток сначала растет, достигает наибольшего значения, затем вследствие перекрытия каналов и увеличения их сопротивлений ток будет уменьшаться. В приборе каналы ограничены обедненными слоями с двух сторон. На электрическом переходе между каналами обратное напряжение изменяется от нуля у истоков до U₀ у стоков и при увеличении U₀ переход будет расширяться, что также приводит к перекрытию каналов и увеличению их сопротивлений. Когда оба канала полностью перекроются обедненными слоями, ток будет определяться токами утечек обратно смещенных переходов. Таким образом, в приборе формируется вольт-амперная характеристика лямбда-диода.

Прибор может быть изготовлен из кремния или из полупроводниковых материалов группы A^IIIB^V, обладающими более высокой подвижностью электронов.

По сравнению с прототипом, предлагаемый прибор с вертикальной структурой и параллельно расположенными каналами позволит:

- уменьшить размеры и упростить конструкцию прибора;

- повысить быстродействие прибора за счет уменьшения длин каналов;

- увеличить ток и выходную мощность при использовании достаточно большого числа единичных структур в приборе.

Источники информации

1. Hollis M.A., Bozler C.O., Nichols K.B., Bergeron N.J. Vertical transistor device fabricated with semiconductor regrowth. Патент № US 4903089 (А), МПК: H01L 29/80, заявл. 02.02.1988 г., опубл. 20.02.1990 г.

2. Brar B.P.S., На W. Vertical field-effect transistor and method of forming the same. Патент № US 7663183, заявл. 19.06.2007 г., опубл. 16.02.2010 г.

3. Семенов А.В., Хан А.В., Хан В.А. Вертикальный полевой транзистор. Патент № RU 2402105, МПК: H01L 29/772, заявл. 03.08.2009 г., опубл. 20.10.2010 г.

4. Koike S., Kano G. Semiconductor memory device. Патент № CA 1092240 (A1), МПК: H01L 29/76, заявл. 09.06.1977 г., опубл. 23.12.1980 г.

5. Лямбда-диод - многофункциональный прибор с отрицательным сопротивлением. Г.Кано, X.Ивазо, X.Такаги, И.Терамото. Электроника. - 1975 г., Т.48, № 13 - с.48-53.

6. Физика полупроводниковых приборов. И.М.Викулин, В.И.Стафеев - М.: Радио и связь, 1990 г. - с.138-140.