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.