Полевой транзистор

 

Использование: в криоэлектронике при создании сверхпроводниковых интегральных схем. Сущность изобретения: полевой транзистор содержит монокристаллическую подложку, канал из сверхпроводящего материала, слой диэлектрического материала, два буферных слоя, дополнительные диэлектрический слой и затвор. Буферные слои выполнены из материала с кристаллической решеткой, одинаковой с решеткой материала канала и нормальным характером проводимости. Буферные слои расположены по обе стороны от канала, каждый слой из диэлектрического материала расположен на буферном слое, дополнительный затвор выполнен из сверхпроводящего материала и расположен между подложкой и дополнительным диэлектрическим слоем. 1 ил.

Изобретение относится к криоэлектронике и может быть использовано при создании элементной базы сверхпроводниковой микроэлектроники, в частности полностью сверхпроводниковых интегральных схем.

В настоящее время значительная часть работ по высокотемпературной сверхпроводимости направлена на создание полупроводниковых интегральных схем, в которых активными элементами должны быть полевые транзисторы, а микрополосковые межсоединения выполнены из высокотемпературного сверхпроводника. Известен полевой транзистор с изолированным затвором - транзистор со скрытым каналом [1] который содержит проводящий канал из легированного п-кремния и затвор, состоящий из прилегающего к этому каналу диэлектрического слоя из SiO2 с металлической обкладкой. В таком транзисторе высокое сопротивление канала (103 104 Ом) не позволяет согласовать транзистор со сверхпроводящей микрополосковой линией.

Известен также полевой транзистор с изолированным затвором [2] взятый в качестве прототипа, содержащий монокристаллическую подложку, канал из высокотемпературного полупроводника YBa2Cu3O7 толщиной приблизительно 200 и затвор из диэлектрического материала с металлическим контактом к нему. Этот транзистор может быть легко согласован со сверхпроводящей микрополосковой линией, поскольку канал имеет нулевое сопротивление при низких температурах. Однако при такой толщине канала поле затвора слабо влияет на сопротивление канала.

Это является основным недостатком прототипа. Для того, чтобы усилить эффект поля, необходимо уменьшать толщину канала, как показывают оценки, до 15-20 , т.е. до толщины, несколько большей размера одной ячейки монокристалла YBa2Cu3O7 вдоль оси С. Однако, как показывают эксперименты [3] при такой толщине канала переход в сверхпроводящее состояние происходит при температуре приблизительно 20 К, т.е. в области гелиевых температур.

Задачей предлагаемого изобретения является создание полевого транзистора, работающего при температуре выше 77 К, т.е. работающего при охлаждении жидким азотом.

Указанная задача решается в полевом транзисторе, содержащем монокристаллическую подложку, канал из сверхпроводящего материала, затвор из диэлектрического материала с металлическим контактом к нему.

Новым является то, что в транзистор введены два буферных слоя и дополнительный затвор, проводящий канал имеет толщину d, определяемую из соотношения буферные слои выполнены из материала с кристаллической решеткой, одинаковой с решеткой материала канала, и нормальным характером проводимости, каждый толщиной d1, отвечающей соотношению , и расположены по обе стороны от проводящего канала; дополнительный затвор выполнен из диэлектрического материала и сверхпроводящего контакта к нему и расположен между введенным буферным слоем и подложкой, причем сверхпроводящий контакт примыкает к подложке, где А (см) размер ячейки монокристалла материала канала, d (см) толщина канала, d1 (см) толщина буферных слоев, P(см-3) концентрация свободных носителей тока в канале, P1 (см-3>) концентрация свободных носителей тока в буферных слоях,
(отн.ед.) диэлектрическая постоянная материала канала,
eo (Ф/см) диэлектрическая постоянная вакуума,
Eпр (В/см) напряженность поля в материале канала при пробое,
q (Кл) заряд электрона.

На чертеже представлена схематическая конструкция полевого транзистора, где:
1 монокристаллическая подложка,
2 сверхпроводящий контакт к диэлектрическому слою введенного затвора,
3 диэлектрический слой введенного затвора,
4 буферный слой,
5 канал из сверхпроводящего материала,
6 буферный слой,
7 диэлектрический слой затвора,
8 металлический контакт затвора.

Суть предлагаемой конструкции состоит в следующем.

Если затвор создает на границе с проводящим каналом поле Ем, то глубина экранирования l, т. е. толщина слоя, из которого могут быть полем затвора удалены свободные носители, определяется из решения уравнения Пуассона

и равна
При этом поле Ем должно быть меньше критического поля пробоя материала канала Епр. Поскольку заметное изменение концентрации должно происходить на расстоянии порядка (2 3) l, то толщина канала должна лежать в пределах
,
где А размер ячейки монокристаллического материала канала в направлении, перпендикулярном плоскости затвора. Высокотемпературные сверхпроводящие керамики, в частности YBa2Cu3O7, имеют P5x1021 см-3 ~ 100 при 77 К и Епр 107 В/см, что дает d (10 20)10-8см 10 20 , что несколько больше размера ячейки вдоль оси С. Отсюда понятно слабое влияние поля на проводимость канала, наблюдавшееся в [2] где толщина канала была приблизительно 200 . В то же время эксперименты показали [3] что слой YBa2Cu3O7 толщиной порядка трех ячеек обладает переходом в сверхпроводимость при температуре приблизительно 20 К, т.е. ниже температуры кипения жидкого азота. Для того, чтобы этот переход осуществлялся при температуре жидкого азота и выше, толщина канала должна быть больше, как минимум, вдвое.

Для управления проводимостью в слое такой толщины предлагается воздействовать полем на канал не с одной стороны, как в прототипе, а одновременно с двух сторон, т.е. ввести в конструкцию прибора дополнительный нижний затвор со стороны подложки. В этом затворе контакт к слою диэлектрического материала, в отличие от верхнего затвора, расположенного над каналом, не может быть металлическим, т.к. на металле невозможно вырастить монокристаллические слои диэлектрика и сверхпроводника. Поэтому роль хорошо проводящего контакта в этом затворе играет слой высокотемпературного сверхпроводника, выращенного на монокристаллической подложке. Толщина этого слоя должна быть достаточной для того, чтобы все дефекты подложки оказались залеченными, и верхняя часть слоя стала совершенным монокристаллом; обычно для этого необходима толщина в 500-700 . На этом слое выращивается слой из диэлектрического материала, и на нем выращивается тонкий буферный слой из материала с нормальным типом проводимости, имеющий кристаллическую решетку, одинаковую с решеткой проводящего канала. Если канал будет выполнен из сверхпроводящей керамики YBa2Cu3O7, то буферный слой обычно выполняется из керамики состава Pr5Ba2Cu3O7. Поскольку заряд в этом слое будет экранировать проводящий канал от воздействия поля затвора, то максимальная толщина этого слоя должна быть выбрана так, чтобы удельный заряд в нем на единицу площади был по крайней мере на порядок меньше удельного заряда в канале, т.е. должно выполняться соотношение Pd10p1d1. Минимальная толщина этого слоя не должна быть меньше размера одной ячейки монокристалла А.

На этом слое выращивается проводящий канал, толщина которого определяется соотношением

затем второй буферный и диэлектрический слой верхнего затвора, аналогично первым, после чего на верхний диэлектрический слой напыляется металлический контакт.

Таким образом, суть изобретения сводится к следующему.

Для того, чтобы полевой транзистор работал при температуре жидкого азота, толщина канала не должна быть меньше 4-6 ячеек кристаллической решетки. Для того, чтобы можно было эффективно воздействовать полем на канал такой толщины, предложено ввести два затвора, расположенных сверху и снизу от канала. Проводящий контакт к изолирующему слою нижнего затвора предложено выполнить из сверхпроводящего материала, одинакового с материалом канала.

Для того, чтобы обеспечить высокое качество монокристаллической структуры материала канала, предложено сверху и снизу канала ввести дополнительно буферные слои из материала с нормальным характером проводимости, имеющие одинаковую кристаллическую структуру с материалом канала.

Далее покажем, что предлагаемое решение отвечает изобретательскому уровню.

В отличие от известного [2] в предлагаемом решении толщина сверхпроводящего канала выбирается согласно соотношению, обеспечивающему возможность глубокой модуляции проводимости электрическим полем затвора.

В отличие от известного, в предлагаемом решении воздействие поля на канал осуществляется не с одной, а с двух сторон, для чего в конструкцию введен второй затвор, выращенный на подложке, причем в качестве контакта к диэлектрическому слою затвора используется не металл, а слой высокотемпературного сверхпроводника.

В отличие от известного, между сверхпроводящим каналом и изолирующими слоями помещен буферный слой из материала с нормальной проводимостью, хорошо согласованный с каналом по параметрам решетки. Это дает возможность вырастить супертонкий (4-6 ячеек решетки) слой высокотемпературного сверхпроводника с температурой сверхпроводящего перехода выше 77 К.

Работает предлагаемый транзистор следующим образом.

При охлаждении транзистора материал канала 5 переходит в сверхпроводящее состояние, проводимость в нем обеспечивается спаренными дырками и сопротивление канала нулевое; при этом по каналу между клеммами исток-сток (И-С) протекает ток, огpаниченный внешней цепью. При подаче на клемму затвора напряжения отрицательной полярности дырки вытягиваются внешним полем в буферные слои 4 и 6, где происходит разрушение куперовских дырочных пар. В результате этого материал канала переходит в состояние с нормальной проводимостью и сопротивление его резко возрастает, т.е. транзистор выключается.

Конкретный пример изготовления.

Были изготовлены транзисторы по следующей технологической схеме. На подложку 1 из GNdO3 (100) методом лазерного напыления [4] (температура подложки 880oС, атмосфера кислород 0,2 Торр, энергия, лазерного импульса 0,15 Дж, длина волны 1,06 Мкм, частота 25 Гц) был нанесен слой 2 сверхпроводника YBa2Cu3O7 толщиной 700 , затем диэлектрический слой введенного затвора 3 из SrTiO3 толщиной 2000 , буферный слой 4 введенного затвора толщиной 100 из P5Ba и С3O7, канал 5 из сверхпроводящего материала YBa2Cu3O7 толщиной 60 , буферный слой затвора 6 из Pr5Ba2Cu3O7 и толщиной 100 и диэлектрический слой 7 верхнего затвора из SrTiO3 толщиной 2000 . После этого методом термического распыления серебра были изготовлены металлический контакт верхнего затвора 8 с толщиной 0,5 Мкм и контакты стока и истока.

Без управляющего сигнала на затворе при температуре жидкого азота сопротивление сток-исток составляло приблизительно 10-6 Ом, очевидно, что определялось сопротивлением контактов. При подаче на затвор отрицательного смешения 20 В сопротивление сток-исток возрастало до 103 Ом.

Таким образом, изобретение позволило осуществить работу полевого транзистора со сверхпроводящим каналом при температуре жидкого азота.


Формула изобретения

Полевой транзистор, содержащий монокристаллическую подложку, канал из сверхпроводящего материала, слой диэлектрического материала и затвор, отличающийся тем, что в транзистор введены два буферных слоя и дополнительные диэлектрический слой и затвор, канал имеет толщину d, определяемую из соотношения

буферные слои выполнены из материала с кристаллической решеткой, одинаковой с решеткой материала канала и нормальным характером проводимости, каждый толщиной d1, отвечающей соотношению

где d толщина канала, см;
Р концентрация свободных носителей тока в канале, см-3;
Р1 концентрация свободных носителей тока в буферных слоях, см-3;
диэлектрическая постоянная материала канала, относительн.ед;
eo диэлектрическая постоянная вакуума, Ф/см;
Епр напряженность поля в материале канала при пробое, В/см;
q заряд электрона, Кл;
А размер ячейки монокристалла материала канала, см,
и расположены по обе стороны от канала, каждый слой из диэлектрического материала расположен на буферном слое, дополнительный затвор выполнен из сверхпроводящего материала и расположен между подложкой и дополнительным диэлектрическим слоем.

РИСУНКИ

Рисунок 1



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к полевым транзисторам и предназначено для работы в преобразователях частоты миллиметрового диапазона длин волн

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, а более конкретно к полевым транзисторам с управляющим p-n-переходом (ПТУП)

Изобретение относится к микроэлектронике, а именно к конструкции интегральных схем на основе полевых транзисторов

Изобретение относится к микроэлектронике, а именно к конструкции полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом (ТПУП)

Изобретение относится к микроэлектронике, а именно к конструкции полевых транзисторов с управляющим р-n-переходом (ПТУП)

Изобретение относится к полупроводниковой электронике и может быть использовано в усилителях и генераторах несинусоидальной формы

Инвертор // 1649973

Изобретение относится к микроэлектронике, а именно к вертикальным полевым транзисторам с р-n переходом

Изобретение относится к области полупроводниковой электроники. Управление величиной тока в приборе с вертикальной структурой, содержащем проводящую область с n-типом проводимости (n-область), анод, который расположен на нижней стороне n-области, управляющий электрод, сформированный на верхней стороне n-области и образующий с ней барьер Шотки, и катод, расположенный на боковой поверхности n-области между анодом и управляющим электродом, осуществляется путем изменения площади и, следовательно, сопротивления омического контакта между катодом и n-областью. Прибор может содержать более одной единичной структуры, при этом соседние единичные структуры объединены в новую структуру с двумя катодами, единой n-областью с анодом и управляющим электродом. Изобретение позволяет повысить быстродействие и увеличить ток и выходную мощность прибора. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к электронной технике СВЧ. В мощном полевом транзисторе СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре упомянутая гетероструктура выполнена в виде последовательности следующих основных слоев: по меньшей мере одного буферного слоя GaAs толщиной не менее 200 нм, группы проводящих слоев, формирующих канал полевого транзистора, в составе собственно канального слоя InyGa1-yAs толщиной 12-20 нм и по меньшей мере двух δn-слоев, легированных донорной примесью, и двух спейсерных i-слоев AlxGa1-xAs, толщиной каждый 1-3 нм, двух групп барьерных слоев AlxGa1-xAs, одна из которых расположена с одной стороны группы проводящих слоев - подложечная, другая - с противоположной стороны - затворная, при этом подложечная группа барьерных слоев выполнена в виде акцепторно-донорной p-i-δn системы барьерных слоев, затворная группа барьерных слоев - в виде донорно-акцепторной δn-i-p системы барьерных слоев, при этом в каждой группе барьерных слоев i-слой выполнен толщиной 0,5-10 нм, p-слой выполнен с уровнем легирования, обеспечивающим высоту потенциальных барьеров 0,4-0,8 ширины запрещенной зоны AlxGa1-xAs, δn-слой выполнен с избыточным уровнем легирования, обеспечивающим разницу поверхностной плотности донорной и акцепторной примеси равной (1-10)×1012 см-2. Технический результат - повышение выходной мощности и коэффициента усиления. 2 з.п. ф-лы, 2 ил, 1 табл.

Изобретение относится к электронной технике СВЧ. В мощном полевом транзисторе СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре упомянутая полупроводниковая гетероструктура выполнена в виде последовательности следующих основных слоев, по меньшей мере, одного буферного слоя GaAs толщиной не менее 200 нм, группы проводящих слоев, формирующих канал полевого транзистора, в составе собственно канального слоя InyGa1-yAs толщиной 12-18 нм и, по меньшей мере, двух δn-слоев, легированных донорной примесью, и двух спейсерных i-слоев AlxGa1-xAs толщиной каждый 1-3 нм, попарно расположенных по обе стороны собственно канального слоя, двух групп барьерных слоев AlxGa1-xAs, каждая в виде i-p-i системы барьерных слоев, одна из которых расположена с одной стороны группы проводящих слоев - подложечная, другая - с противоположной стороны - затворная, при этом барьерные слои в каждой i-p-i системе имеют толщину (100-200, 4-15, 2-10) нм в подложечной, (2-10, 4-10, 4-15) нм в затворной соответственно, уровень легирования акцепторной примесью (4-20)×1018 см-2 соответственно, барьерного слоя i-GaAs толщиной 5-30 нм, слоя омического контакта n+-GaAs толщиной (10-60) нм электродов истока и стока, при этом электрод затвора выполнен длиной не более 0,5 мкм. Технический результат - повышение выходной мощности и коэффициента усиления. 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области полупроводниковой электроники. В полупроводниковом полевом регуляторе тока, содержащем анод с n+-типом проводимости, катод также с n+-типом проводимости, проводящую область с n-типом проводимости между анодом и катодом, а также управляющий электрод, причем все электроды расположены в горизонтальной плоскости, при этом катод размещен между анодом и управляющим электродом ближе к управляющему электроду, между управляющим электродом и n-областью сформирован обедненный слой, управление величиной тока осуществляется путем изменения площади и, следовательно, сопротивления контакта между катодом и n-областью на участке между катодом и управляющим электродом. Прибор может содержать одну или более единичных структур. Изобретение позволяет упростить конструкцию и технологию изготовления прибора, повысить быстродействие и увеличить ток и выходную мощность. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к электронной технике СВЧ, а именно к мощным полевым транзисторам на полупроводниковой гетероструктуре. В мощном полевом транзисторе СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре, содержащем полупроводниковую подложку и последовательность по меньшей мере одного слоя широкозонного и одного слоя узкозонного материала полупроводниковой гетероструктуры с заданными характеристиками и электроды истока, затвора, стока, выполненные согласно заданной топологии полевого транзистора, упомянутая полупроводниковая гетероструктура выполнена в виде последовательности по меньшей мере одного буферного слоя GaAs, группы проводящих слоев, формирующих канал полевого транзистора, в составе собственно канального слоя InyGa1-yAs по меньшей мере двух дельта-легированных донорной примесью δn-слоев и двух не легированных примесью спейсерных i-слоев AlxGa1-xAs, попарно расположенных по обе стороны собственно канального слоя, двух групп барьерных слоев AlxGa1-xAs, каждая в виде системы барьерных слоев, одна из которых расположена с одной стороны группы проводящих слоев - подложечная, другая - с противоположной стороны - затворная, при этом подложечная группа барьерных слоев выполнена в виде акцепторно-донорной i-p-i-δn системы барьерных слоев AlxGa1-xAs, затворная группа барьерных слоев - в виде донорно-акцепторной δn-i-p-i системы барьерных слоев AlxGa1-xAs, при этом прилегающий δn-слой, легированный донорной примесью, каждой группы барьерных слоев является одновременно δn-слоем, легированным донорной примесью, для соответствующей группы проводящих слоев, электрод затвора выполнен планарно на наружном не легированном примесью i-слое AlxGa1-xAs затворной группы барьерных слоев, либо планарно в любом другом возможном слое полупроводниковой гетероструктуры выше последнего, электроды истока и стока выполнены каждый в соответствующем дополнительно сформированном углублении в полупроводниковой гетероструктуре, при этом дно каждого упомянутого углубления расположено вровень с нижней границей легированного акцепторной примесью р-слоя затворной группы барьерных слоев либо ниже в любом другом слое полупроводниковой гетероструктуры вплоть до полупроводниковой подложки. Технический результат изобретения - повышение выходной мощности, коэффициента усиления и коэффициента полезного действия. 3 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.
Наверх