Литература / Шишкин Г. Г. , Шишкин А. Г. Электроника 2009 (1)

Типы и характеристики наноэлектронных приборов. Полевые

транзисторы. Новые эффекты, реализуемые в наноэлектрон­ ных приборах, nозволяют создавать приборы нового поколе­

ния. В 2004 г. фирма Intel выnустила на рынок МДП-нанотран­

зистор первого поколения с размером затвора в 50 нм, к 2015 г.

планируется создать транзистор с шириной затвора до 20 нм, что позволит достигнуть плотности упаковки элементов в ИС до

109 транзисторов/см2 при быстродействии 30".40 ГГц (рис. 10.1).

Уменьшение элементов транзистора (длины канала, толщины канала и подложки) приводит к квантованию энергии электро­

на в канале, что увеличивает скорость переноса и величину тун­

нельного тока. Помимо этого, подвижность носителей в канале

и, следовательно, быстродействие могут быть увеличены за счет небольшого принудительного растяжения кристаллической ре­ шетки кремния (примерно на 1% ). Для создания в кремнии ме­

ханического напряжения его связывают с кремний-германиевым сплавом, имеющим несколько больший шаг кристаллической ре­

шетки. Чтобы получить бездефектные nодложки и слои, исполь­

зуют новые подходы в КПД-технологии (технологии «кремний-

на-диэлектрике») (см. гл. 7). Одним из перспективных способов считается следующий: сначала формируется изолирующий слой оксида непосредственно на поверхности кремниевой положки, за­ тем пластину переворачивают окисленной поверхностью вниз и накладывают на необработанную подложку, после чего большую часть оказавшегося сверху кремния аккуратно удаляют. В ре­ зультате остается тонкий слой кремния над изолирующей про­

слойкой оксида, лежащего на массивной подложке, обеспечи­

вающей механическую прочность. Для такого формирования

слоев используют метод Smart-Cut, при котором окисленную поверхность первой подложки бомбардируют ионами водорода.

Поскольку ионы водорода повреждают материал (создают де­ фекты) в основном в момент остановки, то внутри кремния об­ разуется очень хрупкий слой. После соединения обработанной подложки с массивной кремниевой пластинкой ее верхняя

часть легко откалывается. Остаточную шероховатость на остав­

шемся кремнии полируют, в результате формируется более тон­

кий слой кремния на оксиде.

В многослойных структурах механизм туннелирования но­

сит резонансный характер, при котором туннельный переход

через. несколько (систему) потенциальных барьеров возможен

только при определенной энергии электронов. Такая много­ слойная структура формирует потенциальные барьеры, подоб­

ные сверхрешетке. Примером такой многослойной структуры

может служить структура транзистора с резонансным туннели­

рованием (рис. 10.2, а). ВАХ рассматриваемых многослойных структур имеют резонансный характер с наличием максимумов

и минимумов. Ток в максимумах ВАХ соответствует напряже-

дающий участок - участок с отрицательной дифференциаль­ ной проводимостью. Особенностью этого транзистора является то, что потенциальные барьеры в нем создаются за счет гетеро­

переходов на границах :контактов арсенид-галлиевых слоев и

слоев на основе тройных соединений AlGaAs. Эти переходы по­ зволяют создавать узкие потенциальные барьеры, облегчающие

туннелирование электронов.

Достаточно перспективным ПТ для работы в ВЧ и СВЧ схе­ мах является гетеротранзистор, структура которого изображе­

на на рис. 10.3. В этом типе транзисторов создаются не только

квантовые ямы, но и квантовые точки. Последние вкрапляются в область протекания тока, и их поверхностная концентрация

~ 3 • 10, 10 см-2 • Стоковый ток оrtределяется состояниями элект-

ронов, движущихся через квантовые ямы, и электронами, ло-

кализованными в квантовых точках, свобода которых ограни­ чена трехмерными потенциальными барьерами. Влияние и роль квантовых точек проявляется в характере выходной ВАХ

рассматриваемого транзистора, которая имеет двухступенча­

тую форму (см. рис. 10.2, б).

Разновидности наноэлектронных приборов. В настоящее вре­ мя разработаньi и разрабатываются методы создания различно­ го типа наноэлектронных приборов на квантоворазмерных эф­ фектах, работающих в различных областях длин волн, включая весь оптический диапазон, например инжекционные лазеры на гетероструктурах (см. п. 21.3). Одним из перспективных на­ правлений наноэлектроники является создание одноэлектрон­ ных приборов, например одноэлектронных транзисторов. Если со­

здать структуру из нескольких областей, формирующих тун­

нельные переходы с малой собственной емкостью, то возможно

перемещение через эти переходы одного или отдельных элект­

ронов. Нужные переходы можно сформировать между затво­ ром, стоком и истоком. Из существующих наноэлектронных

приборов можно отметить квантовые интерферометры, квантовые

каскадные лазеры, квантовые вентили (инверторы).

10.З. Приборы с зарядовой связью

Приборы с зарядовой связью (П3С) используются в самых разнообразных устройствах: в запоминающих устройствах (3У) с большой емкостью памяти, в управляемых линиях задержки,

288Раздел 2. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ

ВП3С затворы на основе алюминиевых или поликремниевых

пленочных полупроводников присоединяют, как уже отмечено,

к управляющим шинам, на которые относительно заземленного

электрода подложки подают импульсные управляющие напря­

жения. В рассматриваемом приборе имеется три управляющих

шины Фl' Ф2, Ф3 (см. рис. 10.5), поэтому он называется трех­

тактным.

Рассмотрим процессы записи, хранения и переноса инфор­

мации. При записи информации напряжение в течение импуль­ са, например, на втором затворе (см. рис. 10.4, б, в момент вре­ мени t = t 1), должно быть больше порогового (см. п. 6.2) Ф2 =И=

= Ихр > Ипор' а на соседних затворах напряжения должны удов­

летворять соотношению Фl' Ф3 = ИЗ1' И33 = Исм < Ипор' где

ихр - напряжение хранения, исм - напряжение смещения.

В результате в полуriроводниковой подложке под затвором об­ разуется потенциальная яма (штриховая линия на рис. 10.4, б)

для электронов. В течение времени порядка времени диэлектри­

ческой релаксации из-под затвора 2 под действием поля удаля­

ются дырки, а электроны еще не успевают заполнить потенци­

альную яму, т. е. под затвором 2 оказывается сформированным обедненный слой. Глубина потенциальной ямы максимальна на

границе полупроводника с диэлектриком, поэтому в первую оче­

редь здесь начинают накапливаться электроны за· счет таких процессов, как перемещение носителей из соседней МДП-струк­ туры, неконтролируемая тепловая генерация в обедненном слое

и на поверхности полупроводника, а также из-за диффузии

электронов из подложки. Зависимость поверхностного потенци­ ала от величины зарядового пакета Qп при заданном напряже­ нии затвора приблизительно линейная:

(10.1)

где Сд - подзатворная емкость, определяемая диэлектрическим

слоем.

При постоянном значении Qп поверхностный потенциал воз­ растает также примерно линейно при увеличении напряжения

затвора.

Накопленный заряд (см. рис. 10.4, б, заштрихованная область Qп под затвором 2) будет храниться под этим затвором до. тех пор,

пока Uxp = и3' = U 32 > И31, И33, при этом U 31 , И33 = Исмv < Ипор·

(Под первым и третьим затворами заряда нет.)

290 Раздел 2. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ

твора Фвх· Область п+-типа образует вместе с подложкой вход­ ной диод на основе перехода п+-р. При подаче на вход (на двх>

сигнала отрицательной полярности, а на Фвх - положительно­ го управляющего напряжения входной диод п+-р смещается в

прямом направлении. В результате из п+-области под входной

затвор инжектируется зарядовый пакет, который затем перено­ сится под первый затвор, где Ф1 = Из~· Достоинством описанно­ го способа ввода электрического сигнала является высокое

быстродействие (несколько наносекунд).

Выходное устройство (см. рис. 10.5) содержит область п+-ти­

па, омический контакт двых с этой областью и выходной затвор

Фвых; п+-область и подложка образуют выходной диод, который

смещают в обратном направлении, при этом обратное напряже­

ние на этом диоде превышает максимальное напряжение на вы­

ходном электроде Фвых· Если на выходной затвор подается им­

пульс положительной полярности, а в последнем элементе (6), где Из6 = Ф3, к этому моменту времени накоплен зарядовый па­

кет, то он сначала переместится в потенциальную яму под выход­

ным затвором <двых), а затем в более глубокую потенциальную яму области п+-типа и После этого в выходную цепь. Обычно к вы­

ходу подключают чувствительный усилитель на МДП-транзисто­ рах, который создается на этой же подложке. При неразрушаемом считывании информации на основе МДП-транзисторов использу­

ются датчики поверхностного потенциала, величины которых оп­

ределяются значением зарядового пакета.

Основными параметрами П3С являются: рабочая амплитуда управляющих напряжений, минимальная величина зарядового

пакета, максимальная и минимальная тактовые частоты, эффек­

тивность переноса зарядового пакета, рассеиваемая мощность.

Рабочая амплитуда управляющих напряжений на затворах должна

обеспечивать требуемую величину зарядового пакета и полное смыкание обедненных слоев соседних элементов (см. рис. 10.4), чтобы под их затворами образовывалась общая потенциальная

яма при переносе зарядового пакета. Типичные значения амп­

литуды управляющих напряжений 10.~.20 В.

Максимальная величина зарядового пакета Qп макс пропорци­

ональна амплитуде управляющего напряжения и площади затво­

ра. Например, для затвора с размерами 10 х 20 мкм, толщиной ди­

электрика d = О,1 мкм и G'пов = 5 В получим Qп макс = О,35 пКл.