1.9. Сверхбольшие интегральные схемы на полупроводниках группы аiiibv

Основные достижения микроэлектроники в создании БИС обусловлены использованием в технологии различных достоинств кремния и его окисла SiO₂. Однако дальнейшее наращивание степени интеграции ИС на пути к СБИС выявило и главный недостаток кремния, которым является относительно небольшая скорость движения электронов и дырок в нем под действием приложенного электрического поля. Это способствовало поиску других полупроводниковых материалов для создания СБИС, свободных от указанного недостатка.

В течение долгого времени главным конкурентом кремния для изготовления быстродействующих активных элементов, а именно такие и требуются при построении СБИС, остается арсенид галлия (GaAs). Он принадлежит к большому семейству полупроводников А^IIIB^V, представленных кристаллами соединений элементов третьей (Al,Ga,In) и пятой (P,As,Sb) групп периодической системы элементов. К ним примыкают также тройные, четверные и т.п. твердые растворы этих соединений (Al_xGa_1-xAs…, гдеx– относительное содержаниеAl; типичное значениеx= 0,3).

Электроны проводимости во многих этих соединениях обладают малой эффективной массой и, как следствие, высокой подвижностью. Так, в GaAsподвижность электронов почти в 6 раз выше, чем в кремнии, что позволяет полевым транзисторам на арсениде галлия демонстрировать быстродействие в пикосекундной области.

1.9.1. Полевой транзистор с управляющим переходом металл-полупроводник

Основным активным элементом арсенид-галлиевых СБИС является полевой транзистор с управляющим переходом металл – полупроводник (МЕП-транзистор). Цифровые арсенид-галлиевые ИС относятся к классу сверхскоростных, а аналоговые, как правило, предназначены для работы в диапазоне СВЧ.

МЕП-транзистор создают в подложке из нелегированного арсенида галлия, который имеет слабо выраженную проводимость p-типа. Для ее уменьшения при выращивании монокристаллов иногда вводят в небольших количествах атомы хрома, компенсирующие действие акцепторов. Подложки, изготовленные из такого материала, обладают повышенным удельным сопротивлением, и их называют полуизолирующими.

У поверхности подложки методом ионного легирования формируют сильнолегированные области истока и стока n⁺-типа, а затем – тонкий слой встроенного между ними каналаn-типа. Прямо на поверхность подложки над каналом наносят металлический электрод затвора, например, в виде сплава титан – вольфрам. Два других металлических электрода, для которых применяют композицию золото – германий, обеспечивают омические контакты к областям истока и стока. На поверхность подложки, не используемую для контактов, наносят слой диэлектрика, например, оксида кремния.

Получаемая таким образом структура в целом напоминает структуру интегрального МОП-транзистора с индуцированным каналом n-типа (рис. 1.20), но имеются два принципиальных отличия: канал – встроенный, а между металлическим электродом затвора и полупроводником подложки отсутствует диэлектрик, что и определяет иной механизм управления током стока.

Металлический электрод затвора образует со слоем канала n-типа выпрямляющий контакт – барьер Шоттки. В результате проводящий канал между истоком и стоком оказывается ограниченным сверху обедненной носителями областью барьера Шоттки, а снизу – подложкой. При изменении управляющего напряженияU_зимежду затвором и истоком изменяются толщина обедненного слоя, а, следовательно, и толщина проводящего канала, его проводимость и ток стока. Если напряжениеU_зина затворе равно пороговомуU_пор, то граница обедненного слоя достигает полуизолирующей подложки, полностью перекрывая канал, в результате чего ток стока равен нулю.

Требуемое напряжение U_поробеспечивают выбором концентрации доноров в канале и его толщиной. Оно может быть как положительным, так и отрицательным. В арсенид-галлиевых ИС применяют МЕП-транзисторы, для которыхU_пор= (–2,5 - +0,2) В. ЕслиU_пор< 0, то приU_зи= 0 канал является проводящим, и МЕП-транзистор называют нормально открытым (он аналогичен МОП-транзистору со встроенным каналом). ПриU_пор> 0 иU_зи= 0 канал перекрыт обедненным слоем, и МЕП-транзистор называют нормально закрытым (он аналогичен МОП-транзистору с индуцированным каналом).

Для нормально открытых МЕП-транзисторов напряжение U_зи, при котором протекает ток стока, может изменяться от отрицательных значений, превышающих пороговое, до небольших положительных (не более 0,6 В). При больших положительныхU_зив цепи затвора появляется нежелательный большой ток затвора, так как открывается переход металл – полупроводник. Для нормально закрытых МЕП-транзисторов напряжениеU_зи, при котором протекает ток стока, положительно и может изменяться лишь в узких пределах до 0,6 В. И в том, и в другом случаях с увеличениемU_зиток стока возрастает.

Построенные на арсенид-галлиевых МЕП-транзисторах СБИС сверхоперативных запоминающих устройств (ЗУ) имеют время выборки доли и единицы нс. И хотя аналогичное быстродействие достигается и в кремниевых ЗУ по схемотехнике ЭСЛ, арсенид-галлиевые СБИС при этом имеют меньшую на порядок потребляемую мощность.

Арсенид-галлиевые и кремниевые ИС работают с сигналами различных уровней, поэтому для решения проблемы их стыковки необходимы специальные буферные преобразователи уровня сигналов. Такие буферные каскады снижают эффект от применения ИС на GaAsв кремниевых (преимущественно) РЭС. Поэтому разрабатываются проекты полностью арсенид-галлиевых РЭС.

Кроме указанной проблемы широкому применению арсенид-галлиевых ИС мешает общее отставание по фазе технологии ИС на арсениде галлия от технологии ИС на кремнии, что связано с определенными особенностями физико-химических свойств GaAs. Большие надежды в этом вопросе возлагаются на технологические методы молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ), которая может сыграть определяющую роль в развитии активных элементов СБИС на материалахA^IIIB^V.

МЛЭ представляет собой процесс одновременного испарения в вакууме нескольких материалов и осаждение испаренных атомов из атомных или молекулярных пучков на нагретую монокристаллическую подложку. Типичные скорости роста слоя при МЛЭ не превышают 1 мкм/час. В процессах роста методом МЛЭ контролируются с высокой точностью и в широких пределах толщина (от 1 нм до нескольких мкм с точностью ±5%), состав (от x= 0 доx= 1 с точностью ±0,01) и уровень легирования слоя. Все это позволяет создавать прецизионные структуры со сверхтонкими слоями в самых различных сочетаниях при высоком уровне контроля состава и легирования.

1.9.2. Гетеропереходный полевой транзистор с управляющим переходом

металл – полупроводник

Перспективный активный элемент цифровых СБИС и аналоговых СВЧ ИС – гетеропереходный полевой транзистор с управляющим переходом металл – полупроводник (ГМЕП-транзистор), называемый также транзистором на электронах с высокой подвижностью, создается посредством МЛЭ. В основе его структуры лежит гетеропереход – граница между двумя различными полупроводниками, различающимися по составу и соответственно по ширине запрещенной зоны.

Различие в ширине запрещенной зоны на гетеропереходе позволяет преодолеть некоторые недостатки, присущие гомопереходу, т.е. границе между областями p- иn-типа проводимости в полупроводнике одного типа с однородной основой и одинаковой шириной запрещенной зоны. Гетеропереходы в полупроводниках были открыты и изучены российским ученым Ж. Алферовым. Варьируя состав тройных, четверных и т.д. соединенийA^IIIB^V, участвующих в образовании гетероперехода, ему можно придать желаемые качества.

Наиболее широко применяют гетеропереход между нелегированным арсенидом галлия GaAs, имеющим слабо выраженную проводимостьp-типа (p^–), и легированным донорными примесями арсенидом галлия-алюминияAl_xGa_1-xAs(n-типа). В результате в арсениде галлия у границы раздела двух полупроводников образуется область с минимальной энергией электронов, где и происходит накопление электронов, переходящих из приконтактной области арсенида галлия-алюминия.

Скопившиеся в этой области электроны находятся в потенциальной яме, и в слабых электрических полях они могут перемещаться только вдоль плоскости перехода. Поэтому образующуюся совокупность электронов в приконтактной области арсенида галлия называют двумерным электронным газом, подчеркивая тем самым, что в слабых полях эти электроны не могут перемещаться в третьем измерении, т.е. переходить, например, обратно в Al_xGa_1-xAs, так как этому препятствует имеющийся на гетеропереходе потенциальный барьер.

Электроны, образующие двумерный электронный газ, возникают вследствие тепловой ионизации донорных примесей в арсениде галлия-алюминия, где концентрация примесей велика, и перемещаются в приконтактную область нелегированного арсенида галлия, где концентрация примесей мала. Таким образом достигается пространственное разделение свободных электронов (в GaAs) и рассеивающих центров (ионов акцепторов), сосредоточенных вAl_xGa_1-xAs.

Электроны двумерного электронного газа имеют очень высокую подвижность, которая дополнительно может быть увеличена за счет лучшего пространственного разделения двумерного электронного газа и рассеивающих центров путем размещения между исходными полупроводниками тонкого (толщиной несколько нм) разделительного слоя нелегированного арсенида галлия-алюминия. Концентрация рассеивающих центров в разделительном нелегированном слое ниже, чем в легированном. Это и способствует дополнительному увеличению подвижности электронов двумерного электронного газа.

Рассмотренный гетеропереход используют в ГМЕП-транзисторах, структуры которых являются слоистыми и не содержат ни единой области, полученной методами диффузии или ионного легирования. При изготовлении нормально открытого ГМЕП-транзистора на легированную хромом (для компенсации действия акцепторов) полуизолирующую подложку из арсенида галлия методом МЛЭ последовательно наносят нелегированный слой арсенида галлия с проводимостью p^–-типа (толщиной 1 мкм), нелегированный разделительный слой арсенида галлия-алюминия (6 нм) и легированный кремнием слой арсенида галлия-алюминия (70 нм). Для формирования затвора используют слой алюминия, а для контактов к истоковой и стоковой областям – сплавAuGe, которые наносятся непосредственно на легированный кремнием слой арсенида галлия-алюминия.

Принцип действия нормально открытого ГМЕП-транзистора аналогичен принципу действия соответствующего МЕП-транзистора. Между металлическим затвором и расположенным под ним слоем арсенида галлия-алюминия образуется управляющий переход металл – полупроводник. Обедненная область этого перехода в основном располагается в двух верхних слоях арсенида галлия-алюминия.

Канал нормально открытого ГМЕП-транзистора формируется при U_зи<0 в верхней части слоя нелегированного арсенида галлия на границе с гетеропереходом (в области накопления двумерного электронного газа). Под действием управляющего напряженияU_зиизменяются толщина обедненной области перехода металл – полупроводник, а, следовательно, и концентрация электронов в области накопления, и ток стока.

Электроны поступают в область накопления из истока. При достаточно большом (по модулю) отрицательном напряжении U_зи, равном пороговому, обедненная область расширяется настолько, что полностью перекрывает область накопления электронов. Ток стока при этом прекращается.

Структура нормально закрытого ГМЕП-транзистора абсолютно идентична только что рассмотренной. Единственным отличием в этом случае является то, что толщина верхнего слоя арсенида галлия-алюминия уменьшается (частичным стравливанием) до толщины 50 нм (тем самым на одной подложке изготовляют нормально открытые и нормально закрытые ГМЕП-транзисторы).

За счет этого в нормально закрытом ГМЕП-транзисторе при U_зи= 0 проводящий канал отсутствует, так как область накопления двумерного электронного газа изначально перекрыта обедненной областью управляющего перехода. Канал возникает при некотором положительном напряжении, равном пороговому, когда обедненная область управляющего перехода сужается настолько, что ее нижняя граница попадает в область накопления электронов.

При движении в плоскости двумерного газа от истока к стоку электроны газа не испытывают столкновений с заряженными примесями, и их подвижность достигает огромных (особенно при низких температурах) значений. Быстродействие ГМЕП-транзисторов характеризуется временем переключения 20 пс при длине канала 1 мкм. Они обеспечивают выигрыш по шумам (в 5 – 8 раз) и коэффициенту усиления (до 3 – 5 дБ) при не очень глубоком уровне охлаждения (до 80 К). Недостатком ГМЕП-транзисторов является более высокая стоимость, обусловленная усложнением технологии их изготовления по сравнению с МЕП-транзисторами.

2. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА НА ОСНОВЕ

ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ