Регистр сдвига

 

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано при создании быстродействующих и сверхмалых регистров. Техническим результатом является повышение степени интеграции и быстродействия. Регистр выполнен на полупроводниковой подложке 1, на которой расположены изолированные области 2, содержащие 3 одинаково проводящих слоя 3, 4, 5, разделенных полупроводниковыми структурами из пяти чередующихся слоев, крайние 7 и средний 8 из которых выполнены из материала (GaAs) с меньшей шириной запрещенной зоны, чем материал (AlAs) прилегающих к ним слоев. 5 ил.

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано при проектировании и изготовлении интегральных сверхбыстродействующих и сверхмалых регистров на материале типа A₃B₅.

Известны регистры на основе биполярных или полевых транзисторов, у которых на один бит информации приходится от 4 до 10 и более транзисторов (1). Если минимальный размер, обеспечиваемый литографией, составляет L мкм, то размер транзистора составит не менее (10 20) L². Таким образом, пpи классическом построении регистра на один бит информации приходится не менее 100 L² площади кристалла. Кроме того, проведенный квантовомеханический анализ показывает, что размер транзистора не может быть менее 0,1 мкм.

Известны интегральные регистры на приборах с зарядовой связью (ПЗС), выполненных на полупроводниковой подложке (2). Они обладают тем недостатком, что для хранения информации ее необходимо регенерировать, так как в противном случае потенциальные ямы заполняются термогенерируемым зарядом и информация теряется. Необходимость регенерации связана также и с тем, что при последовательной передаче информации происходит потеря заряда и эта потеря тем больше, чем выше частота передачи. Вследствие этого нет ПЗС регистров, в которых информация передается со скоростью более 1 ГГц.

Целью настоящего изобретения является повышение степени интеграции (менее 10^-2 мкм² на один бит) и быстродействия (1 10 Гбит/с).

Каждые пять чередующихся слоев образуют резонансно-туннельный диод (РТД) (3), а вся структура эквивалентна последовательному соединению двух РТД.

Хранение информации достигается за счет присутствия у двух последовательно включенных РТД двух устойчивых статических состояний: при подаче напряжения на такие диоды в точке их соединения может либо низкий потенциал (состояние "0"), либо высокий (состояние "1").

Малое время переключения присуще РТД и лежит в пикосекундном диапазоне.

Малая площадь, приходящаяся на один бит информации, связана с тем, что за счет расположения РТД по вертикали, т.е. использования трехмерной интеграции, площадь ячейки совпадает с площадью РТД, у которого она может составлять 10^-2 10^-4 мкм².

Передача информации от ячейки к ячейке осуществляется путем подачи импульса напряжения на ячейку, в которую должна быть переписана информация с предыдущей ячейки. В этом случае емкость связи С_cв между двумя средними проводящими слоями соседних ячеек оказывается присоединяемой параллельно верхнему РТД, если предыдущая ячейка находится в состоянии "1" и параллельно нижнему РТД, если ячейка находится в состоянии "0". Такое подсоединение емкости связи обеспечивает запись в ячейку "1" в первом случае и "0" во втором.

Изобретение поясняется чертежом, на котором на рис. 1 изображена конструкция регистра, на рис. 2 ВАХ резонансно-туннельных диодов, на рис. 3 электрическая схема регистра, на рис. 4 зависимость емкости между средними слоями от их геометрии, на рис. 5 эпюра управляющих напряжений.

На полупроводниковой подложке 1, например GaAs шириной находятся области 2. Каждая из областей 2 содержит три одинаковых проводящих слоя 3, 4, 5, например, из полупроводника GaAs с концентрацией донорной примеси 5х10¹⁷ см^-3 и имеют толщину не менее . На слое 3 находится металлический электрод 6, образующий со слоем 3 омический контакт, а слой 5 объединен по всем областям через подложку. Между слоями 3 и 4 находятся нелегированные с собственной проводимостью i-GaAs слои 7 толщиной , слой 8 GaAs толщиной и два слоя 9 толщиной из AlAs материала с большей шириной запрещенной зоны, чем GaAs слоев 7 и слоя 8. При этом образуется РТД. Такая же структура находится и между слоями 4 и 5.

Между областями, удаленными друг от друга на находится область 10 из материала, непроводящего электричество с относительной диэлектрической постоянной ε ≈ 10-12.

Подобную структуру регистра можно сформировать следующим образом. Сначала с помощью электронно-лучевой эпитаксии на подложке GaAs выращивают все рассмотренные выше слои. Затем с помощью электронной литографии (которая позволяет формировать размеры менее ) и протонной имплантации формируют электрически непроводящие области 10.

Покажем, что предлагаемая конструкция может работать в качестве сдвигового регистра. Для определения емкостей С и С_cв воспользуемся результатами работы, которые представлены на рис. 4. В предлагаемой конструкции T/H S/W 1, W/H ≈2,2, что дает С 1,3 пФ/см, 2C_св > 0,13 пФ/см, т.е. С_св/C > 0,1. На все электроды подается постоянное напряжение E_min приблизительно равное удвоенному напряжению V_p (при этом напряжении ток РТД достигает максимума), но меньше настолько, чтобы ВАХ и зеркальная ВАХ относительно прямой u E_min/2 имели только одну точку пересечения. Это обеспечивает при подаче напряжения E_min только одно устойчивое состояние (точка 0) у двух последовательно соединенных диодов. В данном случае E_min 0,6 В. Напряжение E_max, которое обеспечивает два устойчивых состояния, возьмем E_max 0,7 В. Тогда, как это видно из рис. 2, ВАХ и зеркальная ВАХ (отмеченная штрихами и полученная зеркальным отображением относительно прямой u E_max/2) имеют три точки пересечения, что говорит о наличии только двух устойчивых состояний А и В. Состояние А (положим, что это состояние "1") характеризуется высоким дифференциальным сопротивлением у нижнего диода и малым дифференциальным сопротивлением у диода нагрузки. Средняя точка по переменному сигналу в этом случае подсоединена к источнику питания. В состоянии В (состояние "0") все наоборот и средняя точка по переменному сигналу подсоединена к земле.

Рассмотрим передачу информации в регистре. Предположим, что ячейка 1 (см. рис. 3) находится в состоянии "1", а ячейка 2 в нейтральном положении. Это значит, что E₁ E_max, E₂ E_min. Для перезаписи информации из ячейки 1 в ячейку 2 увеличим напряжение E₂ за время Δt = 25пс до E_max, а напряжение E₁ с задержкой 100 пс уменьшим до E_min (см. рис. 5а). Эквивалентная схема пары 1 и пары 2, соединенных через емкость связи С_св для переменного сигнала ΔE = E₁-E_min представлена на рис. 5б. В рассматриваемом случае С_св подключено одним концом к тому же источнику переменного напряжения, что и пара 2.

Это обусловлено тем, что между электродами питания всегда существует сильная емкостная связь (как связь между рядом расположенными проводниками). В течение действия фронта импульса можно полагать, что сопротивление R₁= R₂= ∞, так как напряжение на диодах увеличивается и, прежде, чем выйти на участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением, сопротивление для переменного сигнала становится достаточно большим. Поэтому за время действия фронта напряжения на емкостях (С₁ + С_св) и С₂ увеличатся на и соответственно и состояние пары приблизительно представится неустойчивым состоянием, которое соответствует точке О₁ на рис. 2. Ясно, что в неустойчивом состоянии система долго находиться не может и должна перейти в одно из устойчивых состояний А или В. Переход в одно из устойчивых состояний определяется абсциссой U₀₁ точки 0₁ относительно напряжения U₀+ΔU₂, где U₀ абсцисса точки 0. Если U₀₁<U+ΔU₂, то пара перейдет в состояние А, т.е. состояние "1", если наоборот, то в состояние "0".

Полагая Е₁ Е_min, переводим первую пару в нейтральное состояние. Повторяя процедуру по отношению ко 2 и 3 паре, получим, что информация сдвигается по регистру.

Предлагаемое техническое решение позволит увеличить плотность интеграции элементов регистра до 10⁹ эл/см² и повысить быстродействие до 1 - 100 ГГц, что обеспечит создание быстродействующего ОЗУ емкостью 10⁸ - 10⁹ бит.

Формула изобретения

Регистр сдвига, содержащий полупроводниковую подложку, с размещенным на ней диэлектриком, отличающийся тем, что он содержит проводящий слой, размещенный на поверхности полупроводниковой подложки, на поверхности проводящего слоя расположены многослойные области, разделенные диэлектриком, причем каждая из многослойных областей состоит из двух проводящих областей, разделенных между собой и проводящим слоем пятью чередующимися нелегированными полупроводниковыми областями, поперечные размеры которых не превышают двадцати постоянных решеток, крайние и средний из которых выполнены из материала с меньшей шириной запрещенной зоны, чем материал заключенных между ними областей, на поверхности верхних проводящих областей размещены электроды.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5