1.5. Особливості конструкцій і технологій мікросхем на польових транзисторах з керувальним переходом метал - напівпровідник

Польові транзистори з керувальним переходом метал-напівпровідник є основними активними елементами арсенід - галієвих мікросхем. Головна мета їх розроблення – підвищення швидкодії сучасних інтегрованих мікросхем. Цифрові арсенід - галієві мікросхеми відносяться до надвисокочастотних, а аналогові - призначені для роботи в діапазоні надвисоких частот.

Основні переваги арсеніду галію перед силіцієм: більша рухливість електронів у слабких електричних полях ( 0,4 - 0,5 м²/В·с); більша швидкість насичення в сильних електричних полях (210⁵ м/с); більша ширина забороненої зони (1,43 еВ), і як наслідок, значно більший питомий опір нелегованого арсеніду галію, що дозволяє використовувати його як ізолюючу основу.

Оптимальним активним елементом, що реалізовує переваги арсеніду галію перед силіцієм є польовий транзистор з каналом n - типу і керувальним переходом метал-напівпровідник (МЕН - транзистор).

Структура n - канального арсенід - галійового МЕН - транзистора зображена на рис. 1.55, а. Транзистор створюють на нелегованій основі 1. Оскільки такі основи мають високий питомий опір, їх називають напівізолювальними. Провідність основи - р^ -типу.

Селективним йонним легуванням арсенід - галієвої основи 1 силіцієм створюють шар 2 із провідністю n - типу. Товщина шару 0,08 мкм. Концентрація донорів у шарі (1 - 3)10²³ aт/м³. Цей шар виконуватиме функцію каналу.

Заслін каналу 3 створюють у вигляді короткої і досить широкої стрічки із силіциду вольфраму. Довжина заслону L = 0,5 - 1 мкм. З обох боків заслону формують діелектричні ізолювальні області 4 і 5 із діоксиду силіцію, які забезпечують самосуміщення областей стоку й витоку із заслоном і зменшуюють ємності заслін - стік (витік).

Області стоку 7 і витоку 6 n+ - типу товщиною ~ 0,4 мкм створюють селективним епітаксійним нарощуванням арсеніду галію. Омічні контакти 8 і 9 до областей виготовляють із сплаву золото - германій.

МЕН-транзистори аналогових мікросхем НВЧ-діапазону повинні мати не тільки високі граничні частоти, але й забезпечувати великі робочі струми. З цією метою ширина заслону повинна в багато разів перевищувати його довжину. Для цифрових мікросхем співвідношення W/L може бути в межах 2 - 10.

Перспективним елементом цифрових надшвидкісних ІМС і аналогових ІМС НВЧ діапазону є гетероструктурний польовий транзистор із керувальним переходом метал-напівпровідник (ГМЕН - транзистор), в якому використовують властивості гетеропереходу між тонкими монокристалічними шарами з близькою кристалічною структурою і різною шириною забороненої зони. Найчастіше для створення таких транзисторів використовують гетероперехід між нелегованим арсенідом галію 1 і легованим донорами арсенідом галію - алюмінію 3 (рис. 1.55, б). В арсеніді галію біля межі розділювання двох напівпровідників у зоні провідності створюють область 2 із мінімальною енергією електронів. У ній накопичуються електрони. На рис. 1.55, б межа області позначена пунктирною лінією. Електрони в області 2 знаходяться в потенціальній ямі і називаються двовимірним електронним газом. Через межу гетеропереходу в область 3 електрони не можуть переходити, оскільки цьому заважає потенціальний бар’єр, створений розривом дна зони провідності. Двовимірний газ може переміщуватись вздовж межі гетеропереходу 4. Канал 2 ГМЕН-транзистора проходить вздовж гетеропереходу в потенціальній ямі для електронів. У слабких електричних полях рухливість електронів в області 2 надзвичайно велика, особливо за низьких температур.

Для кращого просторового розділювання двовимірного електронного газу й центрів розсіювання в арсеніді галію - алюмінію 3 між шаром 1 і шаром 3 вводять тонкий розділювальний шар нелегованого арсеніду галію - алюмінію 5.

Шари 1,3,5 наносять молекулярно - променевою епітаксією. Для заслону використовують алюміній. Між заслоном і шаром 3 арсеніду галію - алюмінію створюється перехід метал - напівпровідник. Збіднена область переходу знаходиться в областях 3,5. Канал 2 нормально відкритого транзистора рис. 1.55, б формується за U_GS < 0 у шарі нелегованого арсеніду галію на межі гетеропереходу. За досить великих від’ємних напруг U_GS, збіднена область заслону збільшиться й може перекрити область накопичення (ОН) 2 електронів. Струм стоку стане рівним нулю.

ГМЕН-транзистори мають кращі електричні параметри в порівнянні з МЕН-транзисторами.