научная статья по теме ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ БАЗЫ НА ПАРАМЕТРЫ БИПОЛЯРНОГО ДВУХКОЛЛЕКТОРНОГО ЛАТЕРАЛЬНОГО МАГНИТОТРАНЗИСТОРА Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ БАЗЫ НА ПАРАМЕТРЫ БИПОЛЯРНОГО ДВУХКОЛЛЕКТОРНОГО ЛАТЕРАЛЬНОГО МАГНИТОТРАНЗИСТОРА»

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2013, том 42, № 4, с. 279-289

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

УДК 621.3.049.77.002

ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ БАЗЫ НА ПАРАМЕТРЫ БИПОЛЯРНОГО ДВУХКОЛЛЕКТОРНОГО ЛАТЕРАЛЬНОГО МАГНИТОТРАНЗИСТОРА

© 2013 г. А. Ю. Красюков1, Р. Д. Тихонов2, А. А. Черемисинов1

1МИЭТ

2НПК "Технологический центр"

E-mail: R.Tikhonov@tcen.ru Поступила в редакцию 11.07.2012 г.

Эффект инверсии чувствительности магнитотранзистора исследован с помощью приборно-техно-логического моделирования. Сравнение результатов моделирования и экспериментальных данных дало возможность установить связь знака чувствительности с распределением потоков инжектированных носителей заряда в структуре двухколлекторного латерального биполярного магнитотранзистора npn-типа, базой которого является диффузионный карман (3КБМТБК). Установлено, что магнитотранзистор 3КБМТБК с малой скоростью поверхностной рекомбинации на границе раздела кремний—диоксид кремния и с экстракцией инжектированных электронов удаленным от поверхности рп-переходом база—карман (подложка) позволяет получить высокую чувствительность 11 В/Тл при хорошей воспроизводимости и стабильности параметров.

Б01: 10.7868/80544126913030034

ВВЕДЕНИЕ

Конструктивно-технологические параметры структуры, определяющие чувствительность магнитотранзистора. В некоторых случаях измерение биполярного двухколлекторного магнитотранзистора (БМТ) дает инверсию знака разности напряжений между коллекторами [1—3], что свидетельствует о сложном характере магниточувствительности. Исследования гальваномагнитных эффектов, возникающих в структуре БМТ [4—12] на экспериментальных образцах и с помощью приборно-техно-логического моделирования показали наличие нескольких эффектов определяющих магнито-чувствительность.

На рис. 1 дано распределение плотности тока и линий тока электронов в двухколлекторном латеральном п-р-п магнитотранзисторе, полученное при расчете с помощью программ приборно-тех-нологического моделирования ШЕ ТСЛБ [13]. В магнитном поле с индукцией В с одной стороны от эмиттера линии тока укорачиваются и ток коллектора К1 увеличивается. С другой стороны от эмиттера линии тока удлиняются и ток коллектора К2 уменьшается. Плотность тока инжектированных носителей заряда / в магнитотранзисторе имеет максимальную величину около эмиттера. При удалении от эмиттера поток носителей расширяется и плотность потока уменьшается. Максимальная плотность потока имеется вдоль поверхности, где минимально расстояние между

эмиттером и коллекторами. Поэтому максимальное отклонение линий тока силой Лоренца Е = [/ х В] происходит около эмиттера и около поверхности. Отклонение линий тока невелико и для получения наглядности распределения расчеты проведены в достаточно сильном магнитном поле с индукцией В = 1.81 Тл. Так возникает гальваномагнитный эффект — отклонение линий тока инжектированных носителей заряда или пространственная модуляция потока инжектированных из эмиттера носителей заряда в базе. Отклонение линий тока дает незначительную относительную магниточувстви-тельность по току порядка 0.1 Тл-1.

В работе [4] экспериментально установлено, что магниточувствительность определяется изменением коэффициента передачи тока эмиттер-коллектор между эмиттером и коллекторами во внешнем поперечном магнитном поле. Магнито-концентрационные явления понимаются в указанной работе, как изменение концентрации инжектированных носителей за счет поверхностной рекомбинации на длине базы в магнитном поле, прижимающем с одной стороны от эмиттера носители к поверхности и отодвигающего от поверхности с другой стороны эмиттера. Этот эффект дает нелинейность изменения тока каждого коллектора в зависимости от величины магнитного поля при больших расстояниях между эмиттером и коллекторами. Разность токов коллекторов имеет линейную зависимость от индукции.

Величина магнитоконцентрационного эффекта зависит от параметров базового материала, от отношения длины базы к диффузионной длине неосновных носителей заряда и от скорости поверхностной рекомбинации. Относительная чувствительность по напряжению составила 12 Тл—1, а относительная чувствительность по току 1.9 Тл—1. Магниточувствительность при магнитоконцен-трационном эффекте значительно больше, чем в эффекте отклонения.

В латеральном двухколлекторном п-р-п-маг-нитотранзисторе (БМТК), расположенном в диффузионном кармане наблюдалось [3] изменение знака разности токов коллекторов в магнитном поле по сравнению с транзистором БМТ в подложке с равномерным легированием. Разница напряжений на коллекторах БМТК имеет отрицательный знак по сравнению с БМТ, а максимальное значение дифференциальной чувствительности по напряжению БМТК с плавающим потенциалом

подложки ¿,Лмакс = (иК1 — иК2)/В = —2 В/Тл выше, чем в БМТ ¿,Лмакс = 0.9 В/Тл. При соединении контактов к подложке и к базе-карману транзистор становится трехколлекторным. Рост разницы напряжений в трехколлекторном БМТК начинается с напряжения порога срабатывания латерального транзистора и продолжает расти так, что при максимальном напряжении значение

чувствительности достигает ¿,Лмакс = —4.4 В/Тл.

Имеется парадокс. Чувствительность магнито-транзистора определяется изменением тока коллектора в магнитном поле, что подразумевает воздействие поля на ток коллектора. А воздействует магнитное поле на поток инжектированных из эмиттера носителей заряда, т.е. на ток эмиттера, который в магнитотранзисторах намного больше тока коллекторов, а изменение тока коллектора является следствием этого воздействия.

Значения чувствительности двухколлекторно-го магнитотранзистора определяются при расчете по формулам.

Дифференциальная абсолютная чувствительность по току

= [(1к2(В) — 1к1(В)]/В.

Относительная дифференциальная чувствительность по току

¿БК = [1к2(В) — /к1(Я)]/[/к2(0) + 1к1(0)] • В.

Дифференциальная абсолютная чувствительность по напряжению

¿т = [ЦаСВ) — Цк1(В)]/В.

Относительная дифференциальная чувствительность по напряжению

¿ж = [Цк2(В) — ик1(В)]/[ик1(0) + 0кг(0)] • В.

С учетом того, что напряжение на коллекторе определяется по формуле

ик = Епит — Як • 1к

дифференциальная абсолютная чувствительность по току и дифференциальная абсолютная чувствительность по напряжению связаны простым соотношением

= -Кк ' ¿вл-

Абсолютная чувствительность по напряжению имеет противоположный знак с абсолютной чувствительностью по току и зависит от сопротивления нагрузки коллекторов.

Относительная чувствительность по току и относительная чувствительность по напряжению связаны соотношением, в котором имеется не только зависимость от сопротивления нагрузки коллектора, но и от напряжения питания и величины токов коллекторов

¿Ж = -¿вк{2£пит/[7к2(0) + /к1(0)] — ^к}—1.

При измерениях обычно определяется абсолютная чувствительность по напряжению. Для определения собственной чувствительности маг-нитотранзистора — относительной чувствительности по току необходимо учитывать режим измерения чувствительности по напряжению — напряжение питания и напряжение на коллекторах по формуле соотношения чувствительностей

¿1 = ¿V

БЛ

[^(В) + ик1(В) — 2Епит]—1.

Понятия положительной и отрицательной маг-ниточувствительности следует определить. Маг-нитотранзистор является токовым прибором — в магнитном поле изменяется ток коллекторов. Если в магнитном поле ток увеличивается, то магни-точувствительность положительная. Если в магнитном поле ток уменьшается, то магниточувстви-тельность отрицательная. Действие силы Лоренца на ток является определяющим фактором возникновения магниточувствительности. Увеличение тока коллектора под действием силы Лоренца соответствует положительной чувствительности, а уменьшение тока коллектора под действием силы Лоренца соответствует отрицательной чувствительности. Это определение соответствует эффекту отклонения. Эффект изменения времени жизни неосновных носителей тока может давать составляющую чувствительности или совпадающую по знаку с эффектом отклонения или противоположную, т.е. имеется неоднозначность. Наиболее правильно определять знак чувствительности по эффекту отклонения под действием силы Лоренца. При таком определении знака чувствительности рассмотренная ранее [3] как положительная чувствительность должна называться отрицательной чувствительностью и наоборот.

Наиболее подробно исследованным вариантом магнитотранзистора является латеральный магнитотранзистор в кармане и с поверхностным охранным кольцом, который назван в [14] магни-тотранзистором с подавлением боковой инжек-ции SSIMT (Suppressed Sidewall Injection MagnetoTransistor) и с механизмом чувствительности, определяемым "двойным отклонением" носителей заряда. Полное описание характеристик SSIMT дано в [15]. Введение дополнительных p+областей, располагающихся на поверхности кремния под слоем толстого окисла и разделяющих эмиттер и рабочие коллектора, приводит к повышению относительной токовой чувствительности транзистора с 0.7 до 99%, т.е. в 140 раз [16]. Считается, что основное назначение высоколегированных p+слоев заключается в ограничении боковой ин-жекции эмиттера за счет встроенного электрического поля на боковой поверхности перехода эмиттер-база, уменьшающего поток электронов вдоль поверхности и поверхностную рекомбинацию.

Подлегирование поверхности кармана перед выращиванием толстого локального окисла в БМТ с самосовмещением электродных областей проводилось в [17]. Приборно-технологическое моделирование таких кристаллов по топологии, имеющей условное обозначение 83, проводилось в работе [17] без учета поверхностного подлегиро-вания. Для подгонки результатов при расчете электрических характеристик скорость поверхностной рекомбинации для различных образцов изменялась в пределах 40000—70000 см/с, что обеспечивало соответствие с экспериментальными до 10% и отражает наличие сильной рекомбинации в легированном приповерхностном слое. Скорость поверхностной рекомбинации устанавливалась намного больше, чем реальные значения, которые при разработке магнитодиодов измерены на границе раздела кремний-диоксид кремния [18].

Увеличение чувствительности за счет увеличения скорости поверхностной рек

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком