Título:

Método para reducir el exceso de ruido en dispositivos electrónicos

Sector de la Técnica

La invención se encuadra en el sector técnico de los dispositivos electrónicos en general y en los basados en semiconductores en particular, que son ampliamente utilizados por su posibilidad de integración monolítica mediante técnicas microelectrónicas. Dentro de este amplio campo, la invención se encuadra en el área de la reducción del ruido de baja frecuencia (exceso de ruido) de tales dispositivos.

Estado de la Técnica

Desde las primeras observaciones por Johnson en 1927 sobre el denominado "flicker noise" en filamentos recubiertos (coated fϊlaments) este tipo de ruido de baja frecuencia se viene encontrando sistemáticamente en la práctica totalidad de los dispositivos electrónicos y también es conocido como exceso de ruido ("excess noise") sobre el ruido térmico o ruido Johnson que se mide habitualmente en una resistencia. En este sentido, los dispositivos de Arseniuro de Galio (GaAs) fabricados sobre un sustrato de GaAs de tipo semi-aislante son especialmente ruidosos y esto plantea problemas para su empleo en aplicaciones de mezcla de señales (heterodinaje), ampliamente utilizadas en los receptores de radiofrecuencia actuales. El problema aparece porque el gran exceso de ruido de baja frecuencia del dispositivo activo (un MESFET por ejemplo) es trasladado a frecuencias más altas ("upconverted noise") donde perturba el funcionamiento (o degrada las prestaciones) del sistema receptor o procesador de señal. Sin embargo, la anterior tecnología sobre sustratos semi-aislantes es muy adecuada para la fabricación de circuitos integrados monolíticos (por ejemplo los MIMICs de GaAs para microondas) porque el uso de un sustrato de GaAs semi-aislante permite tener de forma fácil un gran número de dispositivos sobre el sustrato, aislados unos de otros. Para ello basta con eliminar la parte de epicapa de GaAs que hay entre los dispositivos mediante un simple ataque de los empleados en tecnología microelectrónica. Por esta facilidad de aislamiento entre dispositivos se emplean los sustratos semiaislantes de GaAs, ya que los dopados tipo-p, que permitirían fabricar dispositivos de GaAs tipo-n encima de ellos con alta movilidad de los electrones por tanto, darían lugar a grandes

capacidades eléctricas entre los dispositivos y el sustrato conductor. Sería por tanto deseable tener una forma de reducir ese exceso de ruido en dispositivos de GaAs fabricados en epicapas crecidas o depositadas sobre estos sustratos de GaAs semi- aislante o, como mal menor, sobre sustratos de GaAs conductores siempre que la capacidad eléctrica entre los dispositivos y el sustrato fuese reducida a valores aceptables.

Tampoco la tecnología microelectrónica basada en Silicio se libra del omnipresente exceso de ruido en baja frecuencia, tanto en forma de ruido 1/f como en componentes de tipo Lorentziano, ruido que pone un límite a las prestaciones de sensores y amplificadores que deben funcionar cerca de continua (de). Aunque se van consiguiendo mejoras en cuanto al nivel de este ruido en Amplificadores Operacionales monolíticos por ejemplo, el problema dista mucho de estar resuelto y la principal causa de ello es el desconocimiento del origen exacto del ruido 1/f presente en los dispositivos electrónicos. Y sobre todo, el desconocimiento de un origen puramente eléctrico como el que ha permitido la presente invención. Por ello muchos sensores que en principio deberían funcionar desde frecuencias muy bajas (cuasi-dc), acaban siendo excitados con algún tipo de señal modulada (ac) para que su débil señal de respuesta aparezca en alguna banda de frecuencias alejada de la frecuencia nula, donde el exceso de ruido 1/f es grande y "entierra" o degrada totalmente la débil señal de respuesta. De esta forma se complica y encarece la electrónica total del sensor con un modulador y un detector coherente, que se podrían evitar si el exceso de ruido de los dispositivos sensores y amplificadores pudiera ser reducido o eliminado de algún modo eficiente. En este caso también sería deseable tener una forma de reducir ese exceso de ruido de baja frecuencia en dispositivos sensores y amplificadores de Silicio y lo mismo puede aplicarse a otros semiconductores como el Nitruro de Galio (GaN) para aplicaciones de alta temperatura por ejemplo, el CdTeHg para detectores de infrarrojo, etc.

El estado de la técnica en este aspecto de la reducción del exceso de ruido no está muy avanzado todavía debido a que no hay una explicación general, clara y convincente sobre el origen del exceso de ruido en dispositivos electrónicos. Sí que se sabe, por ejemplo, que aumentando el área de los transistores de efecto campo (FET) de un par diferencial o poniendo varios transistores FET "en paralelo" de modo que hagan la función de uno solo ("Fat-FET") lo que equivale a ese aumento de área, se logra reducir el exceso de ruido, pero esta técnica tiene sus inconvenientes porque rebaja la impedancia de entrada en proporción directa al incremento de área y en circuitos

integrados de Silicio, como los Amplificadores Operacionales, consume proporcionalmente más Silicio. En otro frente muy distinto, pero más parecido en su implementación al que se propone en esta invención, se ha encontrado una patente muy reciente [1] sobre un proceso tecnológico muy concreto y sólo para dispositivos MOS (metal oxide semiconductor device), del que se dice que reduce el ruido 1/f en tales dispositivos debido a que "la presencia de la fluorina reduce el número de trampas en el dieléctrico de puerta a las que los portadores pueden trasladarse". Esto se deduce del párrafo del Abstract de esa patente: "ADVANTAGE- The inventive method is capable of reducing 1/f noise of the MOS device thus providing high performance analog integrated circuits. The presence of fluorine reduces the number of traps in the gate dielectric that carriers can translocate to". Esta invención explicada mediante una teoría clásica que implica a trampas de portadores y su reducción, tiene un indudable mérito para ese proceso en particular amparado por la patente mencionada, pero técnicamente es totalmente diferente a la nuestra. La diferencia más radical entre [1] y nuestra invención está en que, mientras [1] se centra en el dieléctrico que hay encima del canal conductor del dispositivo MOS, entre la heterounión silicio-dieléctrico junto a la que se formará dicho canal y la puerta metálica superior, nuestra invención se centra justo en lo que hay debajo del canal conductor, entre éste y el sustrato, sea un canal tipo MOS o de cualquier otro tipo. Esto permite aplicar nuestra invención no sólo a dispositivos MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) a los que se limita la citada patente [1] y sin entrar en conflicto con ella, sino también a dispositivos de tipo FET de unión (JFET), FET de Heterounión (HFET), FETs con puerta metálica (MESFET) ₃ resistencias planares y por tanto, a todos aquellos dispositivos activos que las incluyen, como son los transistores bipolares de unión (BJT) y de Heterounión (HBT). Esta innovación tan radical proviene de una teoría aún sin publicar, que he desarrollado recientemente y que muestra que el exceso de ruido es consecuencia de las corrientes transversales a la epicapa donde están los dispositivos, corrientes que incluso son potenciadas por la propia polarización de los mismos, idea ésta totalmente nueva de la que no me consta ninguna publicación previa. La teoría detrás de esta invención se aparta de las teorías más extendidas a día de hoy, que intentan explicar el exceso de ruido como un efecto debido a trampas de portadores, cuidadosamente diseñadas para que produzcan cosas tales como un espectro de tipo 1/f. Dicho llanamente, la nueva teoría prescinde de esas hipotéticas trampas y muestra que el exceso de ruido proviene de innegables dispositivos y efectos electrónicos parásitos que han venido siendo

olvidados (o no apreciados como tales) desde hace casi ochenta años. De esta nueva explicación electrónica para el exceso de ruido como el efecto de las corrientes transversales que fluyen a través del condensador parásito que se forma bajo los dispositivos de la epicapa, surge de forma natural la idea radical y novedosa de esta invención: bloquear o debilitar dichas corrientes (incluso anulándolas si interesa) mediante la que hemos denominado "pantalla termodinámica". Este nombre obedece a que tal barrera está destinada a bloquear flujos de portadores (corrientes) en sentido transversal al plano de la epicapa (4) de la Figura 1 y ello puede hacerse de muchas formas. Una de ellas es mediante una estructura de dopaje adecuada como ilustra la Figura 1, pero también puede hacerse mediante un empleo juicioso de heterouniones (ingeniería de bandas) que dificulte y reduzca esas corrientes, prescindiendo incluso de dopajes o relajando sus requisitos. Por tanto, la novedad de esta invención es la inclusión de esa pantalla termodinámica bajo los dispositivos y, como refinamiento posterior derivado del mismo efecto pantalla, surge la idoneidad del uso de transistores de efecto campo (FET) con puerta envolvente para tener un bajo exceso de ruido en dispositivos y circuitos integrados monolíticos como, por ejemplo, los Amplificadores

Operacionales. • - . - - . . . • - - . . .

Por tanto, la presente invención se basa en un origen eléctrico del exceso de ruido que no ha sido considerado en los años transcurridos desde que aparecieron publicadas las primeras observaciones de "flicker noise" por Johnson (1927). Este origen eléctrico resulta desconocido para la totalidad de los investigadores, que, o bien no se preocupan por ello, o aceptan teorías más o menos sofisticadas que lo atribuyen a trampas de portadores, fluctuaciones de temperatura y fenómenos similares en el material o en el dispositivo donde tal exceso de ruido aparece. Con este tipo de teorías es difícil que aparezca alguna solución electrónica y tecnológica general que permita reducir el exceso de ruido en dispositivos semiconductores, pero con el origen eléctrico y los aspectos termodinámicos del exceso de ruido que ofrece la teoría en la que se basa la presente invención, tal reducción resulta sencilla y a un bajo coste para las prestaciones que pueden obtenerse a cambio, lo que resulta prometedor para la explotación industrial de esta invención.

[1] "Reduction of noise in metal oxide semiconductor device involves implanting fluorine dopant into polysilicon at speciβed implant dose, and thermally annealing the

pofysüicon layer to diffuse the fluorine dopant into the oxide layer ". Patent number: US2005136579-A1.

Descripción detallada de la invención

Según la teoría que respalda esta invención, el origen del exceso de ruido en los dispositivos electrónicos se debe a corrientes perpendiculares a la dirección en que fluye la corriente de funcionamiento de tales dispositivos a lo largo y ancho de la epicapa en la que se han sido fabricados. Esas corrientes transversales a la epicapa van desde los dispositivos hacia el sustrato y viceversa, por lo que la presente invención consiste en reducirlas o eliminarlas mediante una pantalla en el entorno cercano de los dispositivos cuyo exceso de ruido deseamos reducir.

Para el caso de los dispositivos sobre sustratos de GaAs semiaislantes con la actual tecnología, la capa epitaxial de GaAs en la que están los dispositivos (epicapa) va crecida directamente sobre el sustrato o sobre una pre-capa o "buffer" que mejora la morfología del crecimiento. Nosotros proponemos la inclusión de un simple "buffer" diseñado para la misión que. hasta ahora nadie ha propuesto: la de blindaje o pantalla termodinámica que aquí describimos. Como la epicapa (4) de la Figura 1 suele ser de GaAs tipo-n (por la mayor movilidad de los electrones frente a los huecos), si se crece directamente sobre tal sustrato semi-aislante se formará una unión de baja altura de barrera o de bajo potencial de contacto (V _t ,¡) entre sustrato y epicapa, cuyas corrientes inversas de saturación son muy elevadas. Esta es la situación que se tiene con la tecnología tradicional empleada hasta hoy en día y que se puede visualizar en la Figura 1 si eliminamos las capas (2) y (3) (capas pantalla y separadora, respectivamente). De ahí que a poca tensión de polarización que se aplique a los dispositivos, las corrientes transversales entre epicapa y sustrato sean bastante elevadas y produzcan mucho exceso de ruido en los dispositivos de la epicapa (4) como el transistor FET cuyo corte transversal con sus electrodos de Surtidor (6), Puerta (5) y Drenador (8) aparece en la Figura 1. Sin embargo, tales corrientes pueden disminuirse en varios órdenes de magnitud si se intercala una capa-pantalla de GaAs (2) tipo p o p ⁺ entre la epicapa y el sustrato semiaislante En este caso la unión que se formará entre la epicapa (4) y la capa- pantalla (2) es una unión p-n o p ⁺ -n de GaAs, con un Vw mucho mayor que el de la unión de baja altura de barrera que se formaba con la tecnología tradicional y de ahí las mucho más débiles corrientes tranversales y el mucho menor ruido de baja frecuencia

en los dispositivos protegidos por la pantalla termodinámica formada por dos capas: la capa pantalla (2) y la capa separadora (3) de la Figura 1.

Aunque la capa separadora (3) parecería innecesaria para lograr una unión de alto potencial de contacto V _b ¡, tal capa separadora (3) resulta doblemente beneficiosa porque, además de contribuir a la reducción del exceso de ruido, resulta excelente para tener buenas prestaciones de los dispositivos en alta frecuencia. En efecto, sin la capa separadora (3), la capacidad por unidad de área de la unión p ⁺ -n formada por la epicapa (4) crecida directamente sobre la capa-pantalla (2) es grande, lo que hará que entre el drenador y el surtidor del FET de la Figura 1 haya mucha capacidad C _DS que además de aumentar el exceso de ruido, perjudicará las prestaciones de tal FET en altas frecuencias. Sin embargo, el crecimiento de una capa separadora de GaAs no dopado (3) de una o dos mieras de espesor, hará que tal capacidad C _DS disminuya en unas 20 veces, dejando por tanto un FET con buenas prestaciones en altas frecuencias a la vez que con un bajo exceso de ruido. Nótese que la capa de GaAs sin dopar (3) entre la epicapa (4) y la capa-pantalla (2), no cambia el carácter de unión de alto V _b ¡ (p ⁺ -i-n) de cara a las corrientes transversales que fluirán desde la epicapa (4) hasta la capa-pantalla (2) y. viceversa, por lo que éstas serán muy bajas, y el .exceso. de_ruidα asociado-será muy ; bajo también. Y todavía más: tal ruido se anulará con la conexión eléctrica que proponemos con la línea de trazos de la Figura 1 , que va desde el contacto óhmico (7) de la capa pantalla (2) hasta el surtidor (6) del FET de la epicapa (4). Nótese también que, si no deseamos tener la facilidad de aislamiento en de y radiofrecuencia (baja capacidad C _DS ) que proporciona un sustrato semi-aislante de GaAs, podríamos emplear uno conductor de tipo p que haría la función de capa pantalla y sólo requeriría la capa separadora para rebajar C _DS a fin de reducir el exceso de ruido y tener a la vez una respuesta aceptable en altas frecuencias.

En aquellas aplicaciones donde no se necesite minimizar el condensador C _DS (típicamente en aplicaciones de frecuencias medias y bajas) la capa separadora (3) puede suprimirse y, más aún, la capa-pantalla (2) puede unirse con la puerta del FET (5) de la epicapa (4), obteniéndose de este modo un FET con puerta envolvente cuyo uso como dispositivo de bajísimo exceso de ruido también reivindica la presente invención debido a la función pantalla-termodinámica que sigue haciendo la capa (2), aunque convertida además este caso en parte de la puerta de control del FET, similar a su puerta superior (5). Este sería el caso de dispositivos no destinados a radiofrecuencias, como

muchos sobre Silicio para audiofrecuencias y otros para fotodetectores UV e IR basados en GaN y CdHgTe por ejemplo.

Modos de realización de Ia invención

La presente invención se ilustra adicionalmente mediante los siguientes ejemplos, los cuales no pretenden ser limitativos de su alcance.

Ejemplo 1

La Figura 2 es una adaptación optimizada de la Figura 1 para el empleo de sustratos de GaAs semi-aislantes que permite tener ciertas zonas con dispositivos aislados y de muy buenas prestaciones en altas frecuencias (11) y otras zonas (10) con dispositivos de muy bajo exceso de ruido protegidos por nuestra invención, destinados a funciones de oscilador local y de mezcla de señales por ejemplo, todos ellos en el mismo circuito integrado (CI). La estructura de capas se podría obtener de forma sencilla partiendo -de un- típicα-&ustrato-sfrñi^^ _el que se -haría.. una implantación o difusión inicial de tipo p (2) en las zonas sobre las que van a estar los transistores y resistencias de bajo ruido (nótese que una resistencia tiene la misma estructura que el FET cuyo corte aparece en la Figura 1, si se emplean los electrodos de Surtidor (6) y Drenador (8) como terminales de esa resistencia y el de puerta (5) no se fabrica). Así se tendrían las capas-pantalla (2) sobre las que irán dichos dispositivos. La profundidad de tal difusión o implantación podría ser de unas 0.3 mieras con un dopaje del orden de 5x10 ¹⁷ aceptores/cm ³ . Estas capas-pantalla van a quedar enterradas debajo de los transistores que van a tener bajo ruido y ya de por sí (incluso sin conectar al surtidor de tales transistores, como se ha comentado antes) harían una excelente labor reductora del exceso de ruido al reducir drásticamente las corrientes en sentido vertical en la Figura 2 para los transistores que queden encima de ellas. Tras esta difusión o implantación inicial se crecería la capa separadora de GaAs sin dopar (3), con un espesor del orden de 1 miera, que permite además ir mejorando la calidad cristalina del crecimiento para cuando haya que crecer sobre ella la epicapa de GaAs tipo-n (4) de la mejor calidad para los dispositivos, que podría tener un espesor de 0.3 mieras y un dopaje de 4x10 ¹⁷ donadores/cm ³ típicamente. Como sólo hay capa-pantalla en zonas localizadas del chip, los dispositivos que no queden encima de esas zonas (1 1) estarán

bastante aislados por el GaAs sin dopar y por el sustrato semi-aislante que hay debajo, y aunque tendrán más exceso de ruido que los que queden encima de las capas-pantalla (10), tendrán menor capacidad CDS que éstos, siendo por tanto algo mejores para altas frecuencias, por ejemplo para amplificar señales de varios GHz, donde el exceso de ruido (prácticamente en de) apenas molesta.

De este modo se tendrán en el mismo circuito integrado monolítico transistores y resistencias (dispositivos) normales (11) y otros exentos de exceso de ruido (10) más adecuados para las funciones de mezcla y oscilador local de alta pureza, en especial si se hacen los procesos necesarios para conectar las capas-pantalla (2) a los surtidores de los transistores mezcladores y osciladores más convenientes. La Figura 3 muestra los diagramas de bandas en la dirección vertical de la Figura 2 según se intercepte (corte 9- 9') o no se intercepte (corte 12-12') una capa-pantalla tipo p. Los respectivos diagramas de bandas (13) y (14) a lo largo de los cortes 9-9' y 12-12' ilustran el motivo por el que se logra una pantalla termodinámica o barrera que limita o reduce las corrientes transversales a la epicapa (4) desde y hacia el sustrato (1). Así el diagrama de bandas (13) muestra la barrera energética que aparece para esas corrientes respecto al diagrama (14) -que se-tiene-en ausencia de dicha flecha horizontal- en los diagramas (13) y (14) indica sólo el flujo de portadores desde el sustrato hasta la epicapa, aunque en equilibrio térmico habrá un flujo similar y de sentido opuesto. Es clara la barrera adicional conseguida con la capa-pantalla de GaAs tipo p, es decir: con un dopaje opuesto al de la epicapa (4), pero hay otros métodos como el basado en ingeniería de bandas (heterouniones) que también pueden ayudar a crear o a mejorar el efecto barrera descrito.

Ejemplo 2

La Figura 4 muestra la sección longitudinal eléctrica de muchos dispositivos electrónicos, formada por un canal conductor central de resistencia óhmica R _d1 rodeado por un conductor envolvente al canal (13) aislado del primero que, por las leyes de la Electrostática, forma cierto condensador C que también envuelve al canal. La anterior figura es aplicable a muchos dispositivos electrónicos, desde un simple cable coaxial hasta un sofisticado filamento conductor como el de los microhilos y nanohilos conductores investigados hoy en día. Según los conocimientos actuales sobre el exceso de ruido, la resistencia R _ch del canal conductor excitada por el generador de corriente

continua I _d (de) permitirá obtener una tensión V sobre R ₀₁ , que tendrá un término de continua (de) dado por la Ley de Ohm: y dos términos de alterna (ac) y (ac') uno debido al ruido térmico o ruido Johnson y otro aún no explicado satisfactoriamente que es el denominado exceso de ruido sobre el anterior ruido térmico, que aparecerá en cuanto se haga circular suficiente corriente continua Id a lo largo del conductor central cuya resistencia es R _d1 - La Figura 5 muestra la conexión (14) que hay que hacer para reducir la parte de tensión alterna conocida como exceso de ruido y tal conexión realiza la misma función que la conexión de trazos de la Figura 1 , de donde se deriva la idea. Tal función es anular el voltaje de ruido termodinámico (ruido kT/C) del condensador envolvente C que existe entre el conductor central y el conductor exterior cuando están sin conectar, como aparecen en la Figura 4. Tal conexión anulará el exceso de ruido medido en la resistencia R _d , del conductor central, causado por corrientes transversales tanto del ruido kT/C anterior como de las corrientes adicionales inducidas por la propia tensión V _dC . La conexión (14) puede realizarse mediante un cortocircuito (que es un generador de tensión nula de muy baja impedancia) o a través de un generador de tensión continua o alterna que tenga baja impedancia, siendo igualmente efectiva para la

- reducción del exceso de ruido en el- canal- conductor centrah Este ^~ exceso de ruido será grande en aquellos dispositivos de pequeñas dimensiones como nanohilos, por un doble motivo: su resistencia proporcionalmente alta y su capacidad envolvente C bastante baja (con mayor ruido kT/C por tanto a la temperatura de funcionamiento por encima del cero absoluto). De ahí el interés de nuestro método para ser usado en esos pequeños dispositivos constituidos por una estructura de conductor envolvente a un pequeño canal conductor.

Otro interesante uso que se deriva de nuestro método de reducción del exceso de ruido es el empleo de transistores de efecto campo con puerta envolvente (FET-PE) con el fin de lograr un bajo exceso de ruido en la etapa de entrada de un circuito electrónico como es un amplificador operacional integrado monolíticamente. En este caso se estará usando la conexión propuesta en la Figura 5, realizada a través del generador de tensión Vos que excita los FET-PE mencionados. Tales transistores FET-PE surgen al conectar el contacto óhmico (7) de la capa- pantalla (2) de la Figura 1 con el contacto de puerta (5) del FET que está en la epicapa (4), conexión ésta que fue propuesta como segunda opción para eliminar totalmente el exceso de ruido debido al condensador que sin ella existe bajo los transistores FET de la epicapa (4). Los FET-PE así obtenidos podrían tener un área de puerta muy inferior a la de varios FET tradicionales conectados en

paralelo para lograr el "Fat-FET" de gran área ya comentado. De esta forma podría ahorrarse Silicio (tamaño del circuito integrado monolítico) y más importante aún: se obtendría un bajo exceso de ruido junto con una impedancia de entrada muchísimo mayor que la del "Fat-FET".

Descripción de los dibujos

Tanto para ilustrar el estado de la técnica como para complementar la descripción de la presente invención que hemos realizado, se acompaña como parte integrante de ambos apartados un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

La Figura 1.- Muestra la sección de la estructura de capas y su conexión, propuestas para conseguir una pantalla termodinámica que reduzca y anule si se desea, mediante la conexión a trazos entre (7) y (6) o entre (7) y (5), el exceso de ruido en los dispositivos de la epicapa (4) debido a las corrientes transversales que fluyen entre la epicapa (4) y el sustrato (1).

La Figura 2.- Muestra una sección de -la estructura; de-τ capas.. que resulta al aplicar esta invención para el caso de dispositivos crecidos sobre sustratos de Arseniuro de Galio (GaAs) semi-aislante, empleando procesos tecnológicos de amplio uso en las técnicas microelectrónicas actuales.

La Figura 3.- Muestra los diagramas de bandas que permiten ver el efecto reductor de corrientes transversales que presenta la estructura de capas de la Figura 2 según exista o no la pantalla termodinámica que proponemos en la presente invención.

La Figura 4.- Muestra la sección longitudinal eléctrica de un dispositivo electrónico (un nanohilo por ejemplo) formado por un canal conductor central de resistencia óhmica R _d1 rodeado por un conductor envolvente (13) al canal.

La Figura 5.- Muestra la aplicación de nuestro método a la estructura de la Figura 4, mediante la conexión (14) del conductor envolvente a uno de los extremos del canal conductor central de resistencia Rc _h .