Интегральный логический элемент или-не на основе однослойной трёхмерной наноструктуры

Авторы патента:

Ерослаев Андрей Викторович (RU)

Трубочкина Надежда Константиновна (RU)

H01L27/04 - с подложкой из полупроводника

B82B1/00 - Наноструктуры

Владельцы патента RU 2589512:

федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Высшая школа экономики" (RU)

Изобретение относится к полупроводниковой микроэлектронике и наноэлектронике и может быть использовано при создании логических интегральных схем с элементами нанометровых размеров. В интегральном логическом элементе ИЛИ-НЕ на основе однослойной трехмерной наноструктуры, содержащем первый и второй логические транзисторы, нагрузочный резистор и подложку, логическая структура выполнена наноразмерной со ступенчатым профилем. Технический результат, достижение которого обеспечивается реализацией всей заявленной совокупности существенных признаков, состоит в том, что создан новый тонкослойный интегральный логический элемент ИЛИ-НЕ на основе слоистой трехмерной наноструктуры с вертикально ориентированными слоями, в котором рабочими переходами «база-эмиттер» и «база-коллектор» являются поверхностные переходы, которые обладают низкой мощностью потребления и наименьшими поверхностями переходов, что обеспечивает снижение потребляемой мощности и повышение быстродействия из-за снижения паразитных емкостей переходов. 13 ил.

Известна комплементарная биполярная схема ИЛИ-НЕ, содержащая подложку первого типа проводимости, в которой расположена общая коллекторная область второго типа проводимости переключательных n-p-n транзисторов, совмещенная с базой нагрузочного многоколлекторного p-n-p транзистора, в которой расположены базовые области первого типа проводимости переключательных n-p-n транзисторов, совмещенные с коллекторами нагрузочного многоколлекторного p-n-p транзистора, разделенные глубокой изолирующей областью двуокиси кремния, содержащие высоколегированные эмиттерные области второго типа проводимости переключательных n-p-n транзисторов (Патент РФ №2094911, МПК H01L 27/04, опубл. 25.05.2002).

Недостатками известного устройства являются:

- низкое быстродействие, из-за реализации схемы с помощью эпитаксиально-планарной технологии, предполагающей при технологической реализации наличие внутренних коллекторных и эмиттерных переходов для реализации транзисторных эффектов;

- низкая информационная плотность, из-за формирования транзисторных эффектов в поверхностном слое полупроводникового кристалла;

- повышенная мощность потребления вследствие использования переходов диффузионного типа, имеющих большую площадь поверхности, чем поверхностные переходы, что приводит к потреблению дополнительной мощности;

Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в создании интегрального логического элемента ИЛИ-НЕ на основе однослойной трехмерной наноструктуры, обладающего повышенным быстродействием, информационной плотностью и сниженной потребляемой мощностью.

Поставленная техническая задача решается тем, что в интегральном логическом элементе ИЛИ-НЕ на основе однослойной трехмерной наноструктуры, содержащем первый и второй логические транзисторы и подложку, согласно предложенному изобретению логическая структура элемента ИЛИ-НЕ выполнена наноразмерной, область I типа проводимости, которая является анодом нагрузочного диода, сформирована в виде нанослоя высотой не менее 3 нм на изолирующей подложке высотой не менее 3 нм, область II типа проводимости, которая является катодом нагрузочного диода и коллектором первого логического транзистора, и коллектором второго логического транзистора, сформирована в виде нанослоя высотой не менее 3 нм на изолирующей подложке и имеет непосредственный контакт с областью I типа проводимости, область I типа проводимости, которая является базой первого логического транзистора, сформирована в виде нанослоя высотой не менее 3 нм на изолирующей подложке и имеет непосредственный контакт с областью II типа проводимости, которая является общим эмиттером первого и второго логических транзисторов, область I типа проводимости, которая является базой второго логического транзистора, сформирована в виде нанослоя высотой не менее 3 нм на изолирующей подложке и имеет непосредственный контакт с областью II типа проводимости, которая является эмиттером первого логического транзистора и эмиттером второго логического транзистора, область II типа проводимости, которая является эмиттером первого логического транзистора и эмиттером второго логического транзистора, сформирована в виде нанослоя высотой не менее 3 нм на изолирующей подложке.

Технический результат, достижение которого обеспечивается реализацией всей заявленной совокупности существенных признаков, состоит в том, что создан новый тонкослойный интегральный логический элемент ИЛИ-НЕ на основе однослойной трехмерной наноструктуры с вертикально ориентированными слоями, в котором рабочими переходами «база-эмиттер» и «база-коллектор» являются поверхностные переходы, которые обладают низкой мощностью потребления и наименьшими поверхностями переходов, что обеспечивает снижение потребляемой мощности и повышение быстродействия из-за снижения паразитных емкостей переходов.

Сущность заявляемого изобретения поясняется рисунками, где:

на фиг. 1 приведена принципиальная обобщенная схема заявляемого интегрального логического элемента ИЛИ-НЕ на основе однослойной трехмерной наноструктуры (вид сверху),

на фиг. 2 приведена схема, поясняющая работу устройства,

на фиг. 3 представлена эквивалентная транзисторная схема, поясняющая работу устройства,

на фиг. 4 приведена передаточная характеристика интегрального логического элемента ИЛИ-НЕ на основе однослойной трехмерной наноструктуры (1), при изменении входного напряжения (2), которая демонстрирует выполнение наноструктурой, включенной по схеме (фиг. 5, 6, 7), реализации функции инверсии, что говорит о ее работоспособности.

на фиг. 5 предоставлен график общего тока через контакт питания Е,

на фиг. 6 предоставлен график общего тока через контакт нулевого потенциала,

на фиг. 7 предоставлен график общего тока через контакт первого входа,

на фиг. 8 предоставлен график общего тока через выходной контакт,

на фиг.9 приведены результаты работы интегрального логического элемента ИЛИ-НЕ на основе однослойной трехмерной наноструктуры, включенного по схеме (фиг. 2, 3) в двух режимах: когда на вход подается напряжение логического нуля (u_in=u₀) и когда на вход подается напряжение логической единицы (u_in=u₁) для следующего параметра:

а) распределение плотности электронов;

на фиг. 10 приведены результаты работы интегрального логического элемента ИЛИ-НЕ на основе однослойной трехмерной наноструктуры, включенного по схеме (фиг. 2, 3) в двух режимах: когда на вход подается напряжение логического нуля (u_in=u₀) и когда на вход подается напряжение логической единицы (u_in=u₁) для следующего параметра:

б) распределение плотности дырок;

на фиг. 11 приведены результаты работы интегрального логического элемента ИЛИ-НЕ на основе однослойной трехмерной наноструктуры, включенного по схеме (фиг. 2, 3) в двух режимах: когда на вход подается напряжение логического нуля (u_in=u₀) и когда на вход подается напряжение логической единицы (u_in=u₁) для следующего параметра:

в) абсолютное значение общего тока в наноструктуре;

на фиг. 12 приведены результаты работы интегрального логического элемента ИЛИ-НЕ на основе однослойной трехмерной наноструктуры, включенного по схеме (фиг. 2, 3) в двух режимах: когда на вход подается напряжение логического нуля (u_in=u₀) и когда на вход подается напряжение логической единицы (u_in=u₁) для следующего параметра:

г) распределение пространственного заряда;

на фиг. 13 приведены результаты работы интегрального логического элемента ИЛИ-НЕ на основе однослойной трехмерной наноструктуры, включенного по схеме (фиг. 2, 3) в двух режимах: когда на вход подается напряжение логического нуля (u_in=u₀) и когда на вход подается напряжение логической единицы (u_in=u₁) для следующего параметра:

д) электростатический потенциал.

На фигуре 1, иллюстрирующей описание полезной модели, представлены следующие позиции:

1 - область первого типа проводимости, которая является катодом нагрузочного диода;

2 - область второго типа проводимости, которая является анодом нагрузочного диода, коллектором первого и второго транзистора;

3 - область первого типа проводимости, которая является базой первого транзистора;

4 - область первого типа проводимости, которая является базой второго транзистора;

5 - область второго типа проводимости, которая является эмиттером первого и второго транзистора;

6 - подложка первого типа проводимости;

7 - диэлектрическая изоляция между транзисторами;

8 - поверхностный переход между областью, которая является катодом нагрузочного диода, и областью, которая является анодом нагрузочного диода и коллектором первого и второго транзистора;

9 - поверхностный переход между областью, которая является анодом нагрузочного диода и коллектором первого и второго транзистора, и областью, которая является базой первого транзистора;

10 - поверхностный переход между областью, которая является анодом нагрузочного диода и коллектором первого и второго транзистора, и областью, которая является базой второго транзистора;

11 - поверхностный переход между областью, которая является базой первого транзистора, и областью, которая является эмиттером первого и второго транзистора;

12 - поверхностный переход между областью, которая является базой второго транзистора, и областью, которая является эмиттером первого и второго транзистора;

13 - контакт области, которая является катодом нагрузочного диода (питание);

14 - контакт области, которая является анодом нагрузочного диода и коллектором первого и второго транзистора (выход);

15 - контакт области, которая является базой первого транзистора (вход 1);

16 - контакт области, которая является базой второго транзистора (вход 2);

17 - контакт области, которая является эмиттером первого и второго транзистора (земля).

Интегральный логический элемент ИЛИ-НЕ на основе однослойной трехмерной наноструктуры (фиг. 1) содержит: подложка (6) первого типа проводимости (П5), область первого типа проводимости (П1), которая является катодом нагрузочного диода (1), область второго типа проводимости (П2), которая является анодом нагрузочного диода и коллектором первого и второго транзистора (2), между которыми расположен поверхностный переход (8), который образует нагрузочный диод, область первого типа проводимости (П3), которая является базой первого транзистора (3), между которыми расположен поверхностный переход (9), который образует переход между коллектором и базой первого транзистора, область первого типа проводимости (П3), которая является базой второго транзистора (4), между которыми расположен поверхностный переход (10), который образует переход между коллектором и базой второго транзистора, область второго типа проводимости (П4), которая является эмиттером первого и второго транзистора (5), между которыми расположены поверхностные переходы (11,12), которые образуют переход между базой и эмиттером первого транзистора (11) и между базой и эмиттером второго транзистора (12). На области первого типа проводимости (1) расположен контакт (13), на который подается питание схемы, на области второго типа проводимости (2) расположен контакт (14), с которого снимается выходной сигнал, на области первого типа проводимости (3) расположен контакт (15), на который подается входной сигнал 1, на области первого типа проводимости (4) расположен контакт (16), на который подается входной сигнал 2, на области второго типа проводимости (5) расположен контакт (17), на который подключается земля.

Интегральный логический элемент ИЛИ-НЕ на основе однослойной трехмерной наноструктуры выполнен наноразмерным со ступенчатым профилем.

Область I типа проводимости, которая является катодом нагрузочного диода, сформирована в виде нанослоя высотой не менее 3 нм на изолирующей подложке.

Область II типа проводимости, которая является анодом нагрузочного диода и коллектором первого и второго транзистора, сформирована в виде нанослоя высотой не менее 3 нм, имеют непосредственный контакт с областью I типа проводимости, которая является катодом нагрузочного диода, на изолирующей подложке.

Области I типа проводимости, которые являются базами первого и второго транзистора, сформированы в виде нанослоя высотой не менее 3 нм, имеют непосредственный контакт с областью II типа проводимости, которая является анодом нагрузочного диода и коллектором первого и второго транзистора, на изолирующей подложке, между областями баз транзисторов находится диэлектрическая изоляция.

Область II типа проводимости, которая является эмиттером первого и второго транзистора, сформирована в виде нанослоя высотой не менее 3 нм, имеет непосредственные контакты с областями I типа проводимости, которые являются базами первого и второго транзистора, на изолирующей подложке.

Контакты представляют собой контактные площадки.

Нанослои могут быть сформированы с использованием любой известной технологии формирования поверхностных полупроводниковых нанослоев, например молекулярного выращивания.

Предлагаемая схема может использоваться в качестве элемента, выполняющего функцию ИЛИ-НЕ.

Для n-p-n-транзистора для устранения влияния паразитного транзистора, образованного p-подложкой, p-подложку можно заменить на изолирующую, например, из технического сапфира.

Работа предлагаемой схемы поясняется на примере работы схемы ИЛИ-НЕ, включающей:

область (1), которая является катодом нагрузочного диода, сформирована в виде нанослоя p-типа (Si p-типа) высотой не менее 3 нм на подложке (6) p-типа (Si p-типа) высотой не менее 15 нм,

- область (2), которая является анодом нагрузочного диода и коллектором первого и второго транзистора, сформирована в виде нанослоя n-типа (Si n-типа) высотой не менее 3 нм на подложке (6) p-типа (Si p-типа) высотой не менее 15 нм,

- область (3), которая является базой первого транзистора, сформирована в виде нанослоя р-типа (Si p-типа) высотой не менее 3 нм на подложке (6) p-типа (Si p-типа) высотой не менее 15 нм,

- область (4), которая является базой второго транзистора, сформирована в виде нанослоя р-типа (Si р-типа) высотой не менее 3 нм на подложке (6) р-типа (Si р-типа) высотой не менее 15 нм,

- область (5), которая является эмиттером первого и второго транзистора, сформирована в виде нанослоя n-типа (Si n-типа) высотой не менее 3 нм на подложке (6) p-типа (Si p-типа) высотой не менее 15 нм.

Устройство работает следующим образом.

Для проверки работы наноструктуры ИЛИ-НЕ включаем ее так, как показано на фиг. 2.

На первый вход (контакт (15)) подается линейно меняющееся входное напряжение от 0 В до 1 В. На второй вход (контакт (16)) подается напряжение 0,01 В.

На выходе (контакт (14)) получается передаточная характеристика (фиг. 4) с двумя устойчивыми состояниями, которые соответствуют двум режимам работы схемы:

- режим 1 - когда на первом входе (контакт (15)) напряжение логического нуля и 0 (низкий уровень напряжения (0,1-0,2 В)), а на втором (контакт (16)) напряжение логического нуля u0(0,1-0,2 В),

- режим 2 - когда на первом входе (контакт (15)) напряжение логической единицы u1 (высокий уровень напряжения (0,9 В)) и на втором (контакт (16)) напряжение логического нуля u0 (0,1-0,2 В).

Рассмотрим работу интегрального логического элемента ИЛИ-НЕ на основе однослойной трехмерной наноструктуры для обоих режимов.

Режим 1. При подаче на первый вход и второй вход (контакт (15, 16)) напряжения логического нуля u0 поверхностные переходы «база-эмиттер» (11, 12) первого и второго транзистора наноструктуры закрыты. На выходе (контакт (14)) напряжение логической единицы.

Режим 2. При подаче на первый вход (контакт (15)) логической единицы u1, поверхностный переход (11) «база-эмиттер» открыт, ток из области инжектора (область (5)) поступает в базовую область (область (3)). В результате на выходной области (область (2)), являющейся коллектором первого и второго транзистора, низкий уровень напряжения.

Анализ работы наноструктуры ИЛИ-НЕ, сформированного нанослоями 1, 2, 3, 4, 5, 6 доказывает ее работоспособность и выполнение функции ИЛИ-НЕ.

Предлагаемый интегральный логический элемент ИЛИ-НЕ на основе однослойной трехмерной наноструктуры обеспечивает высокую информационную плотность (за счет использования наноразмеров, однослойной структуры (поверхностные p-n переходы) и трехмерной реализации элемента) и улучшенное быстродействие (за счет минимизации паразитных емкостей вследствие трехмерности элемента и использования поверхностных переходов) при низкой мощности потребления (за счет использования поверхностных переходов).

Интегральный логический элемент ИЛИ-НЕ на основе однослойной трехмерной наноструктуры, содержащий первый и второй логические транзисторы и подложку, отличающийся тем, что логическая структура элемента ИЛИ-НЕ выполнена наноразмерной, область I типа проводимости, которая является анодом нагрузочного диода, сформирована в виде нанослоя высотой не менее 3 нм на изолирующей подложке высотой не менее 3 нм, область II типа проводимости, которая является катодом нагрузочного диода, коллектором первого логического транзистора и коллектором второго логического транзистора, сформирована в виде нанослоя высотой не менее 3 нм на изолирующей подложке и имеет непосредственный контакт с областью I типа проводимости, область I типа проводимости, которая является базой первого логического транзистора, сформирована в виде нанослоя высотой не менее 3 нм на изолирующей подложке и имеет непосредственный контакт с областью II типа проводимости, которая является общим эмиттером первого и второго логических транзисторов, область I типа проводимости, которая является базой второго логического транзистора, сформирована в виде нанослоя высотой не менее 3 нм на изолирующей подложке и имеет непосредственный контакт с областью II типа проводимости, которая является эмиттером первого логического транзистора и эмиттером второго логического транзистора, область II типа проводимости, которая является эмиттером первого логического транзистора и эмиттером второго логического транзистора, сформирована в виде нанослоя высотой не менее 3 нм на изолирующей подложке.

Изобретение относится к технологии изготовления интегральных микросхем в части формирования интерпозера для объемной сборки нескольких чипов в единую микроэлектронную систему и процесса его изготовления.

Способ уменьшения остаточных термомеханических напряжений на границе подложка-металлическое покрытие // 2569642

Изобретение относится к области микроэлектроники, а именно к способу производства полупроводниковых изделий, предусматривающего монтаж кристаллов к корпусам, для осуществления которого используется напыление металлического покрытия на обратную поверхность кристаллов в составе подложки.

Полупроводниковое устройство // 2562934

В полупроводниковом устройстве диодная область и область БТИЗ сформированы на одной и той же полупроводниковой подложке. Диодная область включает в себя множество анодных слоев первого типа проводимости, открытых на поверхности полупроводниковой подложки и отделенных друг от друга.

Многофункциональная свч монолитная интегральная схема на многослойной полупроводниковой структуре // 2560998

Изобретение относится к области микроэлектроники и радиотехники и может быть использовано при создании СВЧ монолитных интегральных схем на арсениде галлия. Технический результат - повышение степени интеграции МИС СВЧ, уменьшение массогабаритных размеров приемо-передающих модулей антенных решеток, снижение потерь, связанных с прохождением сигналов между схемами или функциональными блоками, повышение граничных частот диодов с барьером Шоттки.

Интегральный логический элемент и-не на основе слоистой трехмерной наноструктуры // 2452058

Полупроводниковая структура логического элемента и-не // 2444086

Полупроводниковая интегральная схема (варианты) // 2400864

Полупроводниковая структура // 2302057

Изобретение относится к области силовой полупроводниковой микроэлектроники. .

Интегральный логический элемент или на квантовых эффектах // 2279155

Изобретение относится к области вычислительной техники и интегральной электроники, а более конкретно к интегральным логическим элементам СБИС. .

Интегральный логический элемент "или-не" на квантовых эффектах // 2278445

Изобретение относится к области вычислительной техники и интегральной электроники, а более конкретно - к интегральным логическим элементам СБИС. .

Состав для биологически активной гелевой повязки // 2588968

Изобретение относится к медицине. Описан состав для биологически активной гелевой повязки, включающий смесь, содержащую альгинат натрия и порошок природных цеолитовых пород, предпочтительно клиноптилолит-смектитовых, с крупностью, предпочтительно, 10-100 мкм, но не меньше 200 нм, при этом в составе смеси содержание природных цеолитовых пород составляет 60-70% от ее массы, остальное порошок альгината натрия в пересчете на объем состава.

Устройство для формирования ручейкового течения жидкости в микро- и мини-каналах (варианты) // 2588917

Изобретение относится к области электроники, в частности к микромасштабным охлаждающим устройствам таким, как микроканальные теплообменники, которые обеспечивают высокие значения коэффициента теплопередачи при течении жидкостей в относительно небольших объемах.

Наноструктурное композитное покрытие из оксида циркония // 2588619

Изобретение может быть использовано в производстве деталей турбинных двигателей и установок, которые требуют формирования на рабочих поверхностях покрытий, имеющих высокое значение адгезии и когезии.

Способ изготовления наноструктурированной мишени для производства радиоизотопов молибдена-99 // 2588594

Изобретение относится к реакторной технологии получения радиоизотопа молибден-99 (99Mo), являющегося основой для создания радиоизотопных генераторов технеция-99m (99mTc).

Способ измерения температуры и исследования когерентных свойств поверхностного нанометрового слоя сверхтекучей части расплава борного ангидрида // 2587711

Изобретение относится к области фундаментальной физики и может быть использовано при исследовании теплофизических свойств сверхтекучих квантовых жидкостей. Платина-платинородиевые термопары 1 и 2 погружают в расплав чистого борного ангидрида 5.

Способ определения моноклинной метастабильной фазы оксида иттрия по сдвигу полос оптического поглощения ионов nd3+ или других редкоземельных элементов в нанокристаллитах // 2587107

Изобретение относится к оптике и может быть использовано при определении фазового состава нанопорошков из оксида иттрия. В способе определения моноклинной метастабильной фазы оксида иттрия по сдвигу полос оптического поглощения ионов Nd3+ или других редкоземельных элементов в нанокристаллитах для определения степени поглощения излучения в диапазоне длин волн 200-1100 нм изготовлены образцы из нанопорошка оксида иттрия в моноклинной и кубической фазах круглой формы диаметром 15 мм и толщиной 200÷600 мкм путем прессования под давлением 50-150 МПа без добавок.

Способ определения оптических свойств наночастиц // 2586938

Изобретение относится к области оптических измерений и касается способа определения оптических свойств наночастиц. Измерения проводят с использованием фотометрического шара.

Смазочная композиция с нанодисперсным диселенидом вольфрама // 2586335

Настоящее изобретение относится к составу композиционного смазочного материала на базе масла МС-20, являющегося смазочной основой, и дисперсной присадки, при этом в качестве данной присадки используют продукт, представляющий собой нанодисперсные частицы диселенида вольфрама пластинчатой формы размером 60×5 нм, полученные методом газофазного синтеза, формула которых WSe2, где W - вольфрам, Se - селен; в данном масле концентрация нанодисперсных частиц составляет 0,5-4% по массе.

Способ определения поверхностного натяжения двухкомпонентной наночастицы, находящейся в матрице // 2585514

Изобретение относится к области физико-химического анализа материалов, более конкретно к установлению зависимости поверхностного натяжения двухкомпонентной наночастицы сферической формы, находящейся в собственной двухкомпонентной матрице в зависимости от радиуса наночастицы и состава матрицы и наночастицы.

Способ анализа цитохрома с в интактных митохондриях с помощью спектроскопии гигантского комбинационного рассеивания на наноструктурированных покрытиях // 2585118

Настоящее изобретение относится к области биоаналитических исследований и представляет собой способ анализа цитохрома С в интактных митохондриях с помощью спектроскопии гигантского комбинационного рассеяния (ГКР), включающий подготовку митохондрий и их нанесение на подложку на основе диэлектрического химически инертного материала с наноструктурированным покрытием толщиной 1-10 мкм в виде кольцевых наноструктур серебра, при этом ободки серебряных колец состоят из сообщающихся друг с другом пористых агрегатов серебра, на поверхности которых расположены округлые наночастицы серебра размером 2-90 нм, с последующей иммобилизацией митохондрий на данные наноструктурированные покрытия, детектирование спектров ГКР с последующей расшифровкой характеристических колебаний анализируемой пробы спектров ГКР с использованием стандартного программного обеспечения.

Способ получения нанокапсул рибофлавина в геллановой камеди // 2590651

Изобретение относится к области нанотехнологии. Способ получения нанокапсул рибофлавина характеризуется тем, что в качестве оболочки для нанокапсул используют геллановую камедь, при этом 100 мг рибофлавина диспергируют в суспензию геллановой камеди в петролейном эфире, содержащую 100, 300 или 500 мг геллановой камеди в присутствии 0,01 г Е472с, затем перемешивают при 1300 об/мин, после приливают 5 мл бутилхлорида, после чего полученную суспензию отфильтровывают и сушат при комнатной температуре. 1 ил., 1 табл., 4 пр.