Туннельный полевой нанотранзистор с изолированным затвором
Изобретение относится к области наноэлектроники. Сущность изобретения: в туннельном полевом нанотранзисторе с изолированным затвором, реализующем эффективное управление туннельным электрическим током, протекающим между двумя металлическими или сильнолегированными полупроводниковыми электродами, разделенными туннельно-прозрачной для электронов диэлектрической прослойкой при приложении между последними напряжения смещения, управление потоком носителей заряда осуществляется посредством приложения напряжения смещения к электроду затвора над областью протекания туннельного тока и отделенного от электродов истока и стока диэлектрической прослойкой, имеющей толщину, сравнимую с толщиной туннельного перехода. Электрод затвора выполнен из сильнолегированного полупроводника противоположного типа проводимости по отношению к материалу истока и стока так, что при приложении к нему управляющего напряжения смещения не происходит протекания заметных туннельных токов между этим электродом и электродами истока и стока, то есть затвор нанотранзистора является изолированным. 1 ил.
Изобретение относится к области наноэлектроники и, в частности, к активным элементам на основе полупроводниковых и металлических наноструктур, т.е. нанотранзисторам, реализующим эффективное управление туннельным электрическим током, протекающим между двумя металлическими или полупроводниковыми электродами, разделенными туннельно-прозрачной для носителей электрического заряда диэлектрической прослойкой при приложении между последними напряжения смещения. Управление потоком носителей заряда в области туннельного перехода осуществляется посредством полевого электрода, расположенного непосредственно над областью протекания туннельного тока и отделенного от электродов истока и стока диэлектрической прослойкой, имеющей толщину, сравнимую с толщиной туннельного перехода. Наиболее успешно настоящее изобретение может быть применено в создании переключающих элементов сверхмалых размеров при работе на сверхвысоких частотах.
Известно, что уменьшение геометрических размеров полевых транзисторных структур, прежде всего, уменьшение ширины области пролета носителей заряда между "сток-исток" электродами, изготовленных на основе традиционной кремниевой технологии, приводит к ухудшению эксплуатационных параметров последних - падению эффективности управления потоком носителей заряда в канале транзистора. Происходит увеличение паразитных токов между истоком и стоком транзистора с одновременным увеличением избыточного туннельного тока через тонкий слой изолятора в области затвора транзистора. Все эти эффекты приводят к увеличению рассеиваемой транзистором электрической мощности до такого уровня, когда дальнейшее совершенствование традиционных кремниевых транзисторных структур становится невозможным. Поэтому для продвижения в область наноразмерных активных элементов электроники требуется новая электронная среда для переноса носителей заряда через активную область нанотранзистора, электрические свойства которой можно достаточно легко изменять приложением напряжения смещения внешними электродами, входящими в состав такого устройства. При этом электрическая мощность управляющих воздействий должна быть как можно меньше по сравнению с передаваемой транзистором электрической мощностью к соответствующей электрической нагрузке.
Известен полевой нанотранзистор со структурой "кремний на диэлектрике" с шириной канала 50 нм, в котором для уменьшения избыточных паразитных токов предусмотрен дополнительный электрод вне транзисторной структуры, соединенный с сильно легированным проводящем карманом, на диэлектрике которого сформирована собственно транзисторная полевая структура с изолированным затвором [1]. Дополнительный электрод служит для согласования напряжения отсечки полевого транзистора путем приложения к нему соответствующего напряжения смещения с целью уменьшения уровня паразитных неуправляемых токов между истоком и стоком такой структуры.
Недостатком такой реализации является использование дополнительного электрода как существенной части транзисторной структуры, что значительно увеличивает общие размеры нанотранзистора. Кроме того, использование дополнительного напряжения смещения требует дополнительной электрической цепи управления для этого электрода с соответствующим увеличением потребляемой электрической мощности на единице площади интегральной схемы, что, в свою очередь, требует дополнительных технологических усилий для реализации такой возможности.
Известен нанотранзистор, имеющий области истока и стока для электрического тока, протекающего через нанотрубку, расположенную между ними [2]. В этой конструкции имеется полевой электрод затвора транзистора, расположенный над нанотрубкой. Области истока и стока, а также затвор нанотранзистора формируются на кремниевой основе с применением процессов нанофотолитографической техники и известных технологических процессов для формирования необходимых полупроводниковых слоев с заданным топологическим рисунком. Напряжение смещения на затворе транзистора по отношению к электроду истока модулирует зонную электронную структуру нанотрубки, что приводит к модуляции электрического тока, протекающего между областями истока и стока нанотранзистора. Углеродная нанотрубка синтезируется отдельно от собственно транзистора и затем переносится в заданную область конструкции.
Недостатком формирования такой структуры является разрывность технологических процессов изготовления основы нанотранзистора (область "исток-сток", изоляция, металлизация) и нанотрубки, как существенно отличной от кремния среды, что требует применения раздельных технологических процессов при изготовлении нанотранзистора. Это приводит к очень сложной технологической проблеме перемещения нанотрубки в нужную область формируемого транзистора, которая в настоящее время является в целом нерешенной.
Ближайшим аналогом заявляемого устройства является наноструктура, имеющая области истока и стока на диэлектрическом основании, разделенные воздушным промежутком шириной 10-20 нм [3]. На диэлектрическом основании наносится пленка металла с последующим формированием рисунка наноструктуры. Воздушный промежуток является рабочей областью устройства, причем при приложении напряжения смещения к электродам истока и стока между ними начинает протекать электрический ток за счет туннельного эффекта. Затвор устройства расположен в непосредственной близости к этому переходу сбоку и также отделен от электродов истока и стока воздушным промежутком. В целом, эта структура представляет собой Т-образную структуру в плане, все электроды которой разделены воздушными промежутками друг от друга. При этом электрод затвора расположен на значительно большем расстоянии от туннельного перехода, чем электроды "исток-сток" наноструктуры, так что отсутствуют какие-либо заметные туннельные токи между затвором и "исток-сток" электродами. При приложении напряжения смещения между истоком и затвором напряженность электрического поля в области туннельного перехода изменяется, что приводит к модуляции электрического тока в туннельном переходе. Все электроды выполнены из одного и того же металла. Толщина пленки металла приблизительно соответствует ширине области туннельного перехода или несколько превышает ее. Формирование воздушных зазоров размером 10-20 нм между электродами "исток-сток" наноструктуры контролируемо осуществляется путем травления пленки металла ионным пучком соответствующего диаметра, который удаляет материал металла из соответствующих областей наноструктуры.
Недостатком такого решения является то, что все электроды нанотранзистора выполнены из одного и того же материала. Поэтому, если затвор расположен в непосредственной близости к туннельному переходу, на расстоянии порядка 10-20 нм, что необходимо для эффективного управления туннельным током между истоком и стоком, то между затвором и истоком будет протекать туннельный ток, приблизительно равный туннельному току между электродами "исток-сток". Это, фактически, делает такую структуру неработоспособной в качестве транзисторной структуры. В данном случае для исключения этого режима работы электрод затвора расположен на расстоянии значительно большем, чем расстояние между электродами истока и стока (~1 мкм). Тогда для эффективного управления туннельным током необходимо прилагать значительно большие электрические напряжения между затвором и истоком наноструктуры, чем между электродами "исток-сток". В любом случае такая структура не удовлетворяет требованию управления большими туннельными токами, протекающими между электродами "исток-сток" малыми напряжениями смещения одновременно с малыми токами в цепи затвор-исток.
Задачей заявляемого изобретения является разработка конструкции нанотранзистора, лишенного указанных выше недостатков.
Поставленная задача решается так, что в заявляемом нанотранзисторе электроды истока и стока выполнены из хорошо проводящего электрический ток материала с преобладающим электронным механизмом проводимости, которые разделены туннельно-прозрачным для носителей заряда диэлектрическим барьером, а электрод затвора представляет собой вырожденный полупроводник противоположного типа проводимости, расположенный над областью туннельного перехода, который отделен от туннельного перехода и электродов истока и стока диэлектрической пленкой, имеющей толщину, сравнимую с шириной туннельного перехода.
Благодаря такому решению обеспечивается эффективное управление туннельным током, текущем через туннельный переход, за счет существенного изменения величины напряженности электрического поля в межэлектродном пространстве "исток-сток" при приложении напряжения смещения между затвором и истоком без протекания больших паразитных электрических токов как в этой цепи, так и в цепи "затвор-исток".
На чертеже изображен туннельный полевой нанотранзистор, где 1 и 2 представляют электроды истока и стока; 3 - диэлектрическая подложка, на которой формируется структура нанотранзистора; 4 - область диэлектрического пространства туннельного перехода; 5 - затвор нанотранзистора; 6 - диэлектрическая изоляция электрода затвора от электродов истока и стока.
Нанотранзистор представляет собой, в своей основе, диэлектрическую подложку 3 и систему электродов исток и сток на этой подложке 1. 2, расположенных параллельно друг другу. Например, это могут быть металлы Ag, Au, Cu с явно выраженной электронной проводимостью. В качестве подложки может использоваться любой диэлектрический материал (например, сапфировая подложка), обеспечивающий технологическую возможность создания нанорельефа для нанесенных на эту основу пленок основных элементов нанотранзистора. Толщина пленки металла (или вырожденного полупроводника n+-типа проводимости), нанесенного на подложку, должна быть сравнима с шириной туннельного перехода (10-20 нм). Туннельный переход 4 шириной 5-10 нм заполнен диэлектрическим материалом (например, SiO2). Затвор 5 выполнен из сильнолегированного полупроводника р-типа проводимости (например, р+-Si), который расположен непосредственно над туннельным переходом и имеет ширину порядка ширины туннельного перехода (10-30 нм) и отделен от последнего, так же как и от электродов "исток-сток", диэлектрической пленкой 6, например SiO2, имеющей толщину порядка ширины области туннельного перехода "исток-сток". В такой конфигурации, при приложении напряжения смещения к затвору, приблизительно равного напряжению смещения между электродами "исток-сток", напряженности электрического поля между электродами "исток-сток" и "исток-затвор" будут сравнимы по величине и, соответственно, будет осуществляться эффективное управление туннельным током в переходе "исток-сток".
Другим признаком заявляемого изобретения является замена металлических электродов истока и стока на сильнолегированные пленки полупроводникового материала (например, n+-Si) соответствующей толщины и разделенные тем же туннельным барьером как это указывалось выше.
Функционирование нанотранзистора осуществляется следующим образом. При приложении положительного электрического смещения к стоку структуры, по отношению к его истоку между этими электродами начинает протекать электронный туннельный ток, экспоненциально увеличивающийся при увеличении напряжения смещения между этими электродами в отсутствии напряжения смещения "затвор-исток". При приложении отрицательного по отношению к истоку напряжения смещения на затворе транзистора возникает дополнительная добавка к электрическому полю между электродами "исток-сток", направленная, в первом приближении, перпендикулярно к направлению исходной напряженности электрического поля. Соответственно, траектория (вероятностная) туннелирующего электрона будет изменяться в пролетном пространстве туннельного перехода, что соответствует эффективному увеличению ширины туннельной области. В силу экспоненциальной зависимости туннельного тока от ширины области туннельного перехода для носителей заряда эффект более длинного пути эквивалентен более широкому туннельному переходу. То есть приложение внешнего напряжения смещения к электродам "затвор-исток" в данной конфигурации заявляемого нанотранзистора экспоненциально изменяет плотность туннельного тока в области туннельного перехода, что приводит к эффективному управлению тока в канале "исток-сток". При этом малые изменения потенциала на затворе транзистора приводят к существенным изменениям в плотностях управляемого этим электродам туннельного тока. Соответственно, малыми управляющими мощностями можно модулировать передачу больших электрических мощностей к соответствующей нагрузке.
Приложение положительного напряжения смещения к стоковому электроду (по отношению к электроду истока) при одновременном приложении к затвору отрицательного смещения (по отношению к электроду истока) не приводит к протеканию какого-либо заметного тока в цепях "исток-затвор" или "сток-затвор". В данном случае электронный туннельный ток в направлении от затвора к истоку и от затвора к стоку пренебрежимо мал в силу практически полного отсутствия электронов в объеме затвора. Инжекция электронов из электродов исток и сток по направлению к затвору также затруднена в этом случае, так как затвор находится под более высоким отрицательным потенциалом по отношению к потенциалам истока и стока. При этом дырочная компонента туннельного тока из электродов истока и стока в цепи "исток-затвор" и "сток-затвор" также пренебрежимо мала в этом случае в силу преобладающего электронного механизма переноса носителей в материале этих электродов. Инжекция дырок из затвора по направлению к электродам истока и стока также пренебрежимо мала, т.к. электроды истока и стока находятся под более высоким положительным потенциалом по отношению к электроду затвора. Кроме того, в случае использования диэлектрического материала с большой шириной запрещенной зоны (SiO2, например) эффективная масса дырок в таком диэлектрике существенно превышает эффективную массу электронов, что экспоненциально уменьшает вероятности туннелирования дырок в этом материале.
Таким образом, при приложении отрицательного электрического потенциала к затвору нанотранзистора по отношению к потенциалу электрода истока при одновременном приложении положительного потенциала на электроде стока туннельный ток протекает преимущественно в цепи "исток-сток" без заметных паразитных туннельных токов между затвором и "исток-стоковыми" электродами, то есть затвор в заявляемом устройстве является изолированным.
Процесс формирования нанотранзистора может осуществляться следующим образом. Имеется сапфировая подложка, на которой формируется эпитаксиальный слой сильнолегированного кремния n+-типа проводимости. Толщина эпитаксиального слоя составляет при этом 20-30 нм. Область туннельного перехода формируется путем травления эпитаксиального слоя в плазменном разряде до поверхности подложки в области эпитаксиального слоя, свободной от материала фоторезиста. Для формирования области, свободной от фоторезиста шириной 5-20 нм, используется техника нанолитографии (с применением ионных пучков) или техника наношаблонов, например, по способу, разработанному фирмой Inprint Technology [4]. В настоящий момент данные технологии позволяют формировать топологический рисунок с топологическими размерами 5 нм и более со смещением рельефа ~ 2 нм по критерию 3σ. В качестве иного варианта формирования туннельного перехода может использоваться техника удаления материала эпитаксиального слоя с применением атомного силового микроскопа. После процесса формирования туннельного перехода на эту структуру наносится диэлектрический слой (например, SiO2) толщиной 5-20 нм, который заполняет область туннельного перехода и создает диэлектрическую основу для формирования электрода затвора. Другим вариантом формирования диэлектрического слоя является термическое окисление структуры. В этом случае толщина эпитаксиального слоя увеличивается пропорционально толщине слоя формирующегося диэлектрика. В процессе окисления удельный объем слоя SiO2 превышает таковой для кремния, так что оксидный слой смыкается на середине туннельного перехода, одновременно формируя диэлектрический слой, на котором будет формироваться затвор нанотранзистора. Область затвора (полоска р+-кремния шириной на 5-10 нм больше, чем ширина туннельного перехода, и высотой 10-30 нм) формируется путем нанесения пленки сильнолегированного р+-типа кремния над областью туннельного перехода и его последующего контролируемого травления в областях, свободных от фоторезиста, с последующим удалением самого фоторезиста. Эти операции проводятся так же с применением техники нанолитографии.
Заявляемый нанотранзистор с изолированным затвором позволяет существенно уменьшить размеры транзисторной структуры, доведя ее до размеров 100×100 нм и менее, что позволяет существенно увеличить плотность активных элементов на единице площади интегральной схемы, одновременно улучшая ее эксплуатационные характеристики за счет самого механизма туннельного токопереноса (отсутствие зависимости туннельного тока от температуры окружающей среды, малые значения емкостей переходов, использование металлов или вырожденных полупроводников в качестве электродов структуры).
Источники информации
1. Патент США № 6797629.
2. Патент США № 2007/072335А1.
3. Патент США № 2002/086483А1, - прототип.
4. Inprint Technology, информационный буклет.
Туннельный полевой транзистор с изолированным затвором, содержащий электроды истока и стока, электрод затвора из полупроводникового материала, отличающийся тем, что электроды истока и стока выполнены из хорошо проводящего электрический ток материала с преобладающим электронным механизмом проводимости, которые разделены туннельно-прозрачным для носителей заряда диэлектрическим барьером, а электрод затвора представляет собой вырожденный полупроводник противоположного типа проводимости, расположенный над областью туннельного перехода, который отделен от туннельного перехода и электродов истока и стока диэлектрической пленкой, имеющей толщину, сравнимую с шириной туннельного перехода.
