Полевой транзистор с ячейкой памяти

Изобретение относится к наноэлектронике, в частности к полевым транзисторам, содержащим ячейку флэш-памяти под затвором. Полевой транзистор с ячейкой памяти, выполненный на основе гетероструктуры, содержит сформированные на подложке исток, сток, контакты, нанесенные на исток и сток, канал, затвор с ячейкой памяти. Ячейка памяти включает примыкающий к затвору первый диэлектрический слой, примыкающий к каналу второй диэлектрический слой и слой немагнитного диэлектрика с распределенными в нем наночастицами магнитного 3d-металла размером 2-5 нм в количестве 20-60 ат.%, расположенный между первым и вторым диэлектрическими слоями. Полевой транзистор имеет высокую скорость переключения и длительное время хранения записанной информации. 5 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Изобретение относится к наноэлектронике, в частности к полевым транзисторам, содержащим ячейку флэш-памяти под затвором и имеющим возможность сохранения информации и переключения под воздействием как электрического поля, так и магнитного поля. Назначением данного типа транзисторов является усиление сигнала во входных модулях ВЧ- и СВЧ-устройств и проведение логических операций, связанных с первичной обработкой поступающего сигнала.

В настоящее время усовершенствование данного типа транзисторов идет в направлении повышения частоты сигнала, который транзистор способен усиливать, и времени переключения ячейки памяти.

Известен магнитоэлектрический полевой транзистор с ячейкой памяти (см. заявка US 2011/0042720 H01L 29/66; H01L 29/82; H01F 10/16, опубл. 24.02.2011). Известный транзистор, имеющий высокую электронную подвижность (High Electron Mobility Transistor - HEMT), содержит канал на основе двухмерного слоя, исток, соединенный с областью канала, сток, расположенный на другой стороне канала и осуществляющий детектирование спин-поляризованных электронов, и затвор, содержащий четыре магнитных элемента. В известном транзисторе магнитное поле проникает в область канала и совместно с электрическим полем затвора создает спин-зависимые барьеры для электронов, распространяющихся в канале. Таким образом, в канале контролируется подвижность спин-поляризованных электронов. Материалом стока и истока является ферромагнитный металл или ферромагнитный полупроводник. Магнитным материалом элементов затвора является сплав, содержащий Со. Типичные размеры элементов транзистора; магнитные элементы затвора содержат пленку толщиной 200 nm, расстояние от магнитной пленки до HEMT слоя канала - 60 nm, расстояние между стоком и истоком составляет 500 nm, ширина магнитной полосы - 150 nm. Принцип работы ячейки памяти основан на том, что затвор состоит из магнитных элементов. При взаимно противоположной ориентации намагниченностей магнитных элементов затвора транзистор находится в высокоомном состоянии. Если ориентации намагниченностей совпадают, транзистор переходит в низкоомное состояние. Известный магнитоэлектрический полевой транзистор позволяет также осуществить построение программируемого логического элемента AND/NAND. Отмечается, что частота работы транзистора (усиление сигнала) может быть доведена до 100 GHz.

Недостатком известного транзистора является то, что время переключения магнитных элементов затвора имеет большие значения, и для осуществления переключения необходимо подать большие токовые импульсы на шины, расположенные над магнитными элементами.

Известен полевой транзистор, содержащий магнитную ячейку памяти (см. заявка US 2011/0108898, МПК H01L 29/82, опубл. 12.05.2011). Известный полевой транзистор включает в себя канал, исток, сток, затвор и магнитную ячейку памяти. Магнитная ячейка памяти включает магниторезистивный элемент, содержащий ферромагнитный слой с закрепленным направлением намагниченности, немагнитный слой и второй ферромагнитный слой, направление намагниченности которого может меняться. Один из электродов магнитной ячейки памяти соединен с истоком полевого транзистора. В зависимости от взаимного расположения ферромагнитных слоев ячейки памяти ток, протекающий в канале, может принимать большие или малые значения. Переключение и запись информации осуществляются внешним магнитным полем.

Недостатком известного транзистора является большое время переключения ячейки памяти внешним магнитным полем.

Известен спиновый транзистор с магнитной ячейкой памяти (см. патент US 7956395, МПК H01L 29/51; H01L 29/82, опубл. 07.06.2011). Известный спиновый транзистор содержит канал, исток, сток и затвор. В области стока сформирована ячейка памяти, состоящая из ферромагнитного слоя, направление намагниченности которого фиксируется, немагнитного слоя и ферромагнитного слоя с изменяемым вектором намагниченности. Изменение направления второго слоя производят внешним магнитным полем.

Недостатком известного транзистора является большое значение времени переключения ячейки памяти внешним магнитным полем.

Известен спиновый MOSFET транзистор с логической ячейкой памяти (см. патент US 8026561, МПК H01L 29/78; H03K 19/173, опубл. 27.09.2011). Транзистор содержит ферромагнитный слой с фиксированной ориентацией намагниченности, ферромагнитный слой с изменяемым направлением намагниченности, диэлектрическую прослойку и ферромагнитный слой с фиксированной намагниченностью на базовом полупроводниковом слое. Структура транзистора позволяет локализовать магнитное поле в области ячейки памяти. Переключение осуществляют током, протекающим через магнитный туннельный контакт и изменяющий ориентацию намагниченности ферромагнитного слоя.

Недостатком известного транзистора является необходимость приложения импульса напряжения большой амплитуды для переключения ячейки памяти.

Известен полевой транзистор с ячейкой памяти (см. патент US 6656792, МПК H01L 21/28 H01L 29/423, опубл. 12.02.2003), совпадающий с настоящим изобретением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Полевой транзистор-прототип, выполненный на основе гетероструктуры, включает сформированные на подложке исток, сток, контакты, нанесенные на исток и сток, канал, затвор, с ячейкой памяти. Ячейка памяти включает примыкающий к затвору первый диэлектрический слой, примыкающий к каналу второй диэлектрический слой и слой SiO₂ с распределенными в нем наночастицами Ge в количестве 1-5 ат.%.

Центральным слоем структуры является слой SiO₂ с наночастицами Ge (размер наночастиц 6-20 nm). Благодаря присутствию наночастиц Ge, вольт-фарадная зависимость обладает гистерезисом и может использоваться в качестве ячейки памяти. Во время записи информации происходит накопление заряда на наночастицах. Время удержания заряда ограничивается токами утечки через изолирующие слои. Прибор программируется путем инжекции быстрых электронов, и информация стирается в процессе туннелирования (туннелирование Фаулера-Нордхейма). Изолирующие слои SiO₂ получают в результате окисления при отжиге в течение 300 с при температуре 800-1000°С. Центральный слой SiO₂ с наночастицами Ge получен радиочастотным распылением с комбинированной мишени SiO₂+Ge в атмосфере Ar. Канал создан на кремнии p-типа. Сток и исток изготовлены из кремния n-типа. Этот аналог ячейки памяти наиболее близок к предлагаемому изобретению и выбран нами в качестве прототипа.

Известный полевой транзистор-прототип имеет относительно большие времена переключения и записи информации и значительные токи утечки, что сокращает время хранения информации.

Задачей настоящего изобретения являлось создание такого полевого транзистора с ячейкой памяти, который бы имел малые времена переключения и записи информации и обладал большими величинами хранения записанной информации.

Поставленная задача решается тем, что полевой транзистор с ячейкой памяти, выполненный на основе гетероструктуры, включает сформированные на подложке исток, сток, канал, затвор, контакты, нанесенные на исток и сток, и ячейку памяти. При этом ячейка памяти включает примыкающий к затвору первый диэлектрический слой, примыкающий к каналу второй диэлектрический слой. Новым элементом транзистора является расположенный между первым и вторым диэлектрическими слоями слой немагнитного диэлектрика с распределенными в ней наночастицами магнитного 3d-металла размером 2-5 нм магнитного 3d-металла в количестве 20-60 ат.%.

При размере D наночастиц магнитного 3d-металла меньше 2 нм кулоновская энергия электрона, находящегося на наночастице, 2e²/εD, где e - заряд электрона, ε - диэлектрическая проницаемость немагнитного диэлектрика, становится сравнимой с шириной запрещенной зоны немагнитного диэлектрика и из-за туннельного эффекта невозможно длительное нахождение электрона (более года) на наночастице. При размере наночастиц магнитного 3d-металла больше 5 нм кулоновская энергия электрона, находящегося на наночастице, становится сравнимой с энергией теплового движения kT, где k - постоянная Больцмана, Т - температура, и при считывании информации (электрон находится на наночастице или нет) при комнатной температуре появляется тепловой шум. При содержании наночастиц магнитного 3d-металла меньше 20 ат.% расстояние между наночастицами становится таким, что энергия магнитного диполь-дипольного взаимодействия между наночастицами становится сравнимой с энергией теплового движения kT, что приводит к разрушению кластеров, состоящих из наночастиц, и к невозможности управления прибором с помощью внешнего магнитного поля. При содержании наночастиц магнитного 3d-металла больше 60 ат.% ансамбль наночастиц становится проводящим, что приводит к невозможности сохранения заряда на изолированной наночастице.

Полевой транзистор может быть выполнен на основе НЕМТ гетероструктуры.

В качестве магнитного 3d-металла может быть использован Co или Ni, или Fe, или их сплав.

Толщина первого диэлектрического слоя может составлять 30-60 нм, а толщина второго диэлектрического слоя - 2-5 нм.

Первый и второй диэлектрические слои могут быть выполнены из SiO₂ или TiO₂, или MgO, или Al₂O₃, или CaF₂.

Использование наночастиц магнитных 3d-металлов позволяет увеличить время хранения и надежность сохранения записанной информации, а также увеличивает функциональные возможности транзистора. Транзистор может записывать информацию в результате воздействия импульса электрического тока, подаваемого на затвор, или воздействия магнитного поля.

Настоящий транзистор на основе полевой НЕМТ структуры со спин-поляризованным каналом и с магнитной флэш-памятью, включая его элементы, иллюстрируется чертежами, где:

на фиг.1 приведена схема транзистора на основе полевой НЕМТ структуры со спин-поляризованным каналом и с ячейкой памяти (J - направление тока);

на фиг.2 показаны вольтамперные характеристики транзистора на основе полевой НЕМТ структуры, содержащей диэлектрик SiO₂ с наночастицами Co, в магнитном поле H=2 кЭ и без магнитного поля. U_sd - тянущее напряжение, U_gs - напряжение затвора;

на фиг.3 приведена структура транзистора (И - исток, С - сток, 3 - затвор);

на фиг.4 показана фотография области затвора транзистора;

на фиг.5 приведены зависимости тока стока J от приложенного напряжения сток - исток U_sd при разных напряжениях на затворе U_gs для транзистора с затвором состава Au (40 нм)/SiO₂ (50 нм)/ SiO₂ слой (40 нм) с наночастицами Co. Вольтамперные зависимости показаны при напряжениях на затворе U_gs от +1 В до -1 В с шагом 0,1 В. Наночастицы Со в подзатворном слое не заряжены;

на фиг.6 приведены в таблице параметры гетероструктуры.

Настоящий полевой транзистор с ячейкой памяти (см. фиг.1), выполненный на основе гетероструктуры, содержит исток 1, затвор 2 с ячейкой памяти, состоящей из слоя 3 Au, первого диэлектрического слоя 4, слоя 5 немагнитного диэлектрика с распределенными в нем наночастицами ферромагнитного металла (например, Co или Mi, или Fe) и второго диэлектрического слоя 6, сток 7. Гетероструктура 8 (например, НЕМТ гетероструктура) состоит из переходного тонкого слоя 9 из GaAs, слоя 10 из (Ga, Al, In) As, слоя 11 из (Ga, Al, In) As, отличающегося по составу от слоя 10, и буферного слоя 12 из GaAs. На интерфейсе слоев 10 и 11 сформирован канал 13 из двухмерного электронного газа. 14 - полуизолирующая подложка из GaAs. H - внешнее магнитное поле. НЕМТ гетероструктура 8 представляет собой гетероструктуру n-типа, выращенную на полуизолирующей подложке 14 из GaAs. Электроны двухмерного слоя с большой подвижностью и высокой концентрацией формируют высокопроводящий канал 13. Контакты 15, 16 нанесены соответственно на исток 1 и сток 7. Толщина слоя немагнитного диэлектрика 5 с распределенными в нем наночастицами ферромагнитного металла может лежать в интервале толщин 5-60 нм. Средний размер наночастиц 3d-металла составляет от 2 до 5 нм. Концентрация 3d-металла может находиться в интервале 20-60 ат.%. Толщина первого диэлектрического слоя 4 обычно лежит в интервале значений 30-60 нм. Верхнее значение интервала определяется степенью воздействия электрического поля от слоя 3 Au на наночастицы слоя 5 и на канал 13, нижнее значение интервала ограничивается вероятностью туннелирования заряда с наночастицы на слой 3 Au и определяется временем сохранения заряда на наночастице (больше года). Второй диэлектрический слой 6 может быть толщиной 2-5 нм. Первый и второй диэлектрические слои 4, 6 могут быть выполнены из SiO₂ или TiO₂, или MgO, или Al₂O₃, или CaF₂.

Слой немагнитного диэлектрика 5 с распределенными в нем наночастицами ферромагнитного металла используют для управления подвижностью и спинами электронов в канале 13. Управление осуществляют двумя способами. По первому способу во время записи информации происходит накопление заряда на наночастицах слоя 5. При заряде наночастиц 3d-металла возникает электрическое поле, блокирующее движение электронов в канале 13. Время удержания заряда ограничивается токами утечки через диэлектрические слои 4, 6. По второму способу при намагничивании наночастиц 3d-металла слоя 5 возникает магнитное поле, действующее на спины электронов, распространяющихся в канале 13. Слой немагнитного диэлектрика 5 с распределенными в нем наночастицами ферромагнитного металла поляризует спины электронов, движущихся в канале 13 под затвором 2. Таким образом, прибор программируется двумя путями: путем инжекции быстрых электронов из истока 1 и путем действия магнитного поля. Информация стирается в процессе туннелирования или размагничивания наночастиц 3d-металла слоя 5. Найдено, что из-за существования s-d-обменного взаимодействия между s-электронами, туннелирующими с наночастиц 3d-металла, и d-электронами тех же наночастиц 3d-металла, потеря заряда в процессе туннелирования и потеря информации происходят значительно медленнее, чем в ячейках памяти, содержащих немагнитные наночастицы, например, Ge.

Пример 1. Был изготовлен полевой транзистор на основе полевой НЕМТ гетероструктуры со спин-поляризованным каналом и с ячейкой, содержащей под затвором слой SiO₂ с распределенными в нем наночастицами Со. НЕМТ структура представляла собой гетероструктуру n-типа GaAs/Al_0.27GaAs_0.73/In_0.18Ga_0.82As, выращенную на полуизолирующей подложке GaAs. Высокопроводящий канал из двухмерного слоя электронного газа был сформирован на интерфейсе Al_0.27GaAs_0.73/In_0.18Ga_0.82As. Слой SiO₂ с распределенными в нем наночастицами Со был выбран на основе проведенных исследований электронного транспорта, магнитных свойств и магнитосопротивления гранулированных структур. Слой SiO₂ с наночастицами Со получен радиочастотным распылением с комбинированной мишени SiO₂+Co в атмосфере Ar. Слой SiO₂(Co) использовался для управления подвижностью и спинами электронов в канале. Толщина пленки SiO₂(Co) составляла 40 нм. Средний размер наночастиц Co составлял 3,5 нм. Слой SiO₂(Co) поляризует спины электронов, движущихся в канале под затвором. Первый и второй диэлектрические слои были выполнены из SiO₂. Вольтамперные кривые полевого транзистора состоят из двух разных частей (см. фиг.2). Если напряжение между стоком и истоком U_sd меньше напряжения насыщения $$U_{sd}^{\left(sat\right)}$$ , то вольтамперная зависимость является сублинейной и ток в канале J записывается в форме:

$$J=\frac{\mu Cb}{l}\left[\left(U_{gs}-U_{gs}^{\left(thr\right)}\right)U_{sd}-\frac{1}{2}{U}_{sd}^2\right],A$$

где U_gs - напряжение между затвором и истоком, В;

$$U_{gs}^{\left(thr\right)}$$ - пороговое напряжение между затвором и истоком, когда в канале пропадает ток, В;

C - удельная емкость между затвором и каналом, Ф;

µ - подвижность электронов, м²/В·с;

b и l - ширина и длина канала, соответственно, м.

При $$U_{sd}=U_{gs}^{\left(thr\right)}$$ ток блокируется на контакте стока, и в области стока появляется сильное электрическое поле. В этом случае пороговое напряжение равно

$$U_{sd}^{\left(sat\right)}=U_{gs}-U_{gs}^{\left(thr\right)}$$

При $$U_{sd}\ge U_{sd}^{\left(sat\right)}$$ ток стока J слабо зависит от напряжения U_sd и вольтамперная зависимость может быть аппроксимирована кривой со слабым наклоном. В первом приближении эта кривая может быть выражена в виде

$$J=\frac{\mu Cb}{l}{\left(U_{gs}-U_{gs}^{\left(thr\right)}\right)}^2,A$$

Пороговое напряжение $$U_{sd}^{\left(sat\right)}$$ находится в интервале 0,4-0,7 мВ. Ток стока транзистора имеет сильную зависимость от приложенного магнитного поля Н и показывает возможность записи информации под действием магнитного поля.

Пример 2. Полевой транзистор с ячейкой памяти был создан на основе pHEMT гетероструктуры, выращенной на подложке арсенида галлия. Параметры гетероструктуры приведены в таблице на фиг.6. Структура полевого транзистора показана на фиг.3. Длина затвора всех транзисторов - 200 нм (см. фиг.4). Разводка контактных площадок выполнена в СВЧ-дизайне за два цикла металлизации: первый металл (стоки и затворные площадки) - напылением; второй (истоки) - гальваническим наращиванием золота с межслойной изоляцией «воздушными мостиками». Под затвором, который содержит Au-контакт и первый диэлектрический слой SiO₂ (50 нм), находятся два слоя - слой SiO₂ с наночастицами Со и второй диэлектрический слой Al_0.22Ga_0.78sAs. Вольтамперные характеристики полевого транзистора показаны на фиг.5 при незаряженном состоянии наночастиц Со (ячейки памяти) в подзатворном слое диэлектрика. В заряженном состоянии наночастиц Со (ячейки памяти) канал полевого транзистора закрыт.

Сохранение информации в подзатворном диэлектрическом слое с наночастицами определяется током утечки затвора при напряжении (U_gs), стремящимся к нулю (сопротивлением затвор-исток R) при наличии электронов на металлических частицах в диэлектрическом слое. Электроны туннелируют с металлических наночастиц подзатворного диэлектрического слоя. Вероятность туннелирования пропорциональна Aexp[-L(2m(E-U_gs))^1/2/ћ].

Время сохранения информации определяется следующим образом. Строится зависимость тока утечки затвора (I_g) от напряжения (U_gs). Построенная зависимость аппроксимируется функцией Aexp[-L(2m(E-U_gs))^1/2/ћ],

где А - произвольный коэффициент,

L - толщина диэлектрического слоя между металлическими частицами и каналом, м;

m - масса электрона, кг;

Е - высота барьера, Дж;

ћ - постоянная Планка, Дж·с.

При заданном значении L из зависимости определяется высота барьера Е.

Время сохранения информации вычисляется по формуле

$$\tau =L{\left(\frac{2kT}{m}\right)}^{1/2}\exp \left[-L{\left(2m\left(E-U_{gs}\right)\right)}^{1/2}/\hslash \right],c$$

где k - постоянная Больцмана, Дж/К;

T - температура, К.

Оценка экспериментальных зависимостей показывает, что высота барьера Е больше в структурах с магнитными наночастицами, чем в структурах с немагнитными наночастицами. Оценочное время сохранения информации составляет более 10 лет.

Скорость переключения под воздействием подаваемого на затвор импульса электрического тока, во время которого происходит накопление заряда на наночастицах, производилась на базе схемы с общим истоком. Время записи информации составляло 10-20 мкс.

Разработанный полевой транзистор с НЕМТ структурой, который содержит ячейку флэш-памяти под затвором и имеет возможность сохранения информации и переключения под воздействием как электрического поля, так и магнитного поля, имеет расширенные функциональные возможности - он позволит построить быстродействующие входные усилительные устройства СВЧ-диапазона, в которых наравне с усилением сигнала происходит его цифровая обработка. Настоящий полевой транзистор с НЕМТ структурой с ячейкой флэш-памяти может совмещать несколько функций:

(1) Возможность модуляции и проведения цифровой обработки сигналов во входных усилительных устройствах СВЧ-диапазона. Возможность проведения цифровой обработки приведет к лучшему шумоподавлению и увеличению чувствительности входных СВЧ-устройств.

(2) Возможность защиты от мощных принимаемых импульсов.

(3) Влияние на вольтамперную характеристику транзистора внешнего магнитного поля открывает возможность применения разработанного транзистора в качестве чувствительного датчика магнитного поля.

Настоящий полевой транзистор с ячейкой памяти может использоваться для обработки информации в приемных СВЧ-модулях, применяемых в радиолокации, связи и радиотехнических комплексах, работающих в диапазоне 0,1-12 ГГц. Кроме этого, настоящие полевые транзисторы с ячейкой памяти найдут применение в приемно-передающей аппаратуре прежде всего тех областей СВЧ-техники, которые будут интенсивно развиваться в ближайшие годы (WiFi, WiMAX, широкополосная сотовая телефония, сотовое цифровое телевидение IPTV).

1. Полевой транзистор с ячейкой памяти, выполненный на основе гетероструктуры и содержащий сформированные на подложке исток, сток, контакты, нанесенные на исток и сток, канал, затвор с ячейкой памяти, при этом ячейка памяти включает примыкающий к затвору первый диэлектрический слой, примыкающий к каналу второй диэлектрический слой и слой немагнитного диэлектрика с распределенными в нем наночастицами магнитного 3d-металла размером 2-5 нм в количестве 20-60 ат.%, расположенный между первым и вторым диэлектрическими слоями.

2. Полевой транзистор по п.1, отличающийся тем, что он выполнен на основе НЕМТ гетероструктуры.

3. Полевой транзистор по п.1, отличающийся тем, что в качестве магнитного 3d-металла использован Со или Ni, или Fe, или их сплав.

4. Полевой транзистор по п.1, отличающийся тем, что толщина первого диэлектрического слоя составляет 30-60 нм.

5. Полевой транзистор по п.1, отличающийся тем, что толщина второго диэлектрического слоя составляет 2-5 нм.

6. Полевой транзистор по п.1, отличающийся тем, что первый и второй диэлектрические слои выполнены из SiO₂ или TiO₂, или MgO, или Al₂O₃, или CaF₂.