6.3. 81Сс-технология

Современные беспроводные системы должны устойчиво работать на час­тотах 30 ГГц и более. Однако, кремниевая электроника достигла пока частотно­го предела в 15-25 ГГц. Поэтому в настоящее время СВЧ-элементная база формируется на основе полупроводниковых соединений типа А₃В₅ (преимуще­ственно ОаАз). При этом большинство специалистов отмечают наличие ряда отрицательных факторов в использовании приборных структур на основе полу­проводниковых соединений:

• их высокую стоимость по сравнению с кремниевыми аналогами (пла­ стина кремния оценивается в 0,01 долл. за 1 м², ОаАз - 2 долл., 1пР - 10 долл.);

• микроэлементы на основе соединений трудно совместимы с кремние­ выми интегральными схемами;

• кремниевые приборы и микросхемы более технологичны (более высо­ кий выход годных, возможность использования дешёвых и легко перестраивае­ мых групповых технологий, например, КМОП и проч.).

Поэтому ещё 40 лет назад специалисты фирмы ГВМ обратили внимание на возможность создания высокочастотного биполярного транзистора на осно­ве кремния, модифицированного определенным содержанием германия, что, по существу, сводилось к конструированию материала с управляемой шириной за­прещённой зоны.

Однако несмотря на то, что германий в кремнии (и наоборот) образует непрерывный ряд твёрдых растворов, реализация технологии изготовления 8Юе-слоёв оказалась далеко не простым делом.

Главным препятствием этому стало рассогласование периодов кристал­лических решёток 81 и Се, составляющее 4,2% и приводящее к появлению в ге-терокомпозициях достаточно больших напряжений несоответствия. Релаксация этих напряжений в процессе наращивания эпитаксиальных слоев инициирует возникновение сетки дислокаций с плотностью 10¹⁰ -5-10¹¹ см~ , в то время как в активной области прибора их не должно быть больше Ю⁴ т 10 см~ .

Тем не менее, фирма 1ВМ не прекратила своих изысканий в этом направ­лении, вкладывая в исследования сотни миллионов долларов, и в начале 80-х годов добилась первых ощутимых результатов.

Долгое время плёнки 8Юе пытались получить имплантацией германия в кремний, однако, они были весьма несовершенными по структуре.

Сдвиг в положительном направлении произошёл в 1982 году, когда фир­ма 1ВМ (Бернард Мейерсон) реализовала и запатентовала низкотемпературный процесс (менее 800 С°) эпитаксиального осаждения 81Се из газовой фазы в ультравысоком вакууме.

Разработчикам удалось успешно совместить весьма непростой процесс введения германия в кремний со стандартной КМОП-технологией.

Для уменьшения плотности дислокаций в гетерокомпозициях 8Юе-81 ис­пользуют методику выращивания промежуточных (буферных) слоев между подложкой и наращиваемым слоем. Эти слои представляют собой твёрдый рас­твор примеси германия в кремнии, концентрация которой монотонно возраста­ет от нуля до значения, заданного в рабочем слое. При этом буферные слои вы-Ращивают при существенно более низких температурах (около 550 С°), и это также способствует снижению концентрации центров рекомбинации носителей заряда и релаксации напряжений.

В таких композициях, благодаря меньшей, в сравнении с кремнием, ши-

^риае запрещенной зоны, возрастает инжекция электронов в базу и, следова-

^е1ьно, коэффициент усиления транзистора. Возможность более глубокого ле-

^ирования и управления профилем распределения германия в кремнии позволя-

76

77

ет существенно улучшить быстродействие (увеличить предельную частоту) и снизить потребляемую мощность.

Первые 8Юе-биполярные транзисторы появились в 1987 - 1990 годах и имели частоту отсечки 75 ГГц. К настоящему моменту лабораторные образцы дискретных приборов фирмы 1ВМ характеризуются предельной частотой до 120 ГГц.

В1992 году там же была разработана экспериментальная технология Би КМОП ИС с 8Юе-транзисторами с сверхбыстродействием (время задержки всего 18 пс) и МТР 0,25 мкм. В 1996 году объём продаж 8Юе-микросхем по фирме 1ВМ составил уже около 7 млрд долл., по прогнозу на 2001 год объём их выпуска составит до 10% от общего уровня.

В гонку включились и другие ведущие фирмы, но сегодня 1ВМ опережает своих основных конкурентов: МоЮго1а, Зхетепз, ЫЕС, 8ТМ, РЬШрз Е1есих>гнсз и М1асЫ.

Фирма ННасЫ сообщила о создании 8Юе-транзистора с частотой 92 ГГц, а также о своих намерениях поднять этот предел до 170 ГГц и обеспечить по­вышение скорости передачи в системах связи до 40 Гбит/с.

Не уступая по быстродействию ОаАз-схемам, 8Юе-устройства превосхо­дят их по коэффициенту шума, однородности характеристик, скорости теплоот-вода, не говоря о том, что они значительно дешевле.