5.1.2. Биполярные транзисторы с гетеропереходами
Было установлено, что при прочих равных условиях у транзистора, в котором область эмиттера сформирована в полупроводниковом материале с большей шириной запрещенной зоны, можно получить более высокие значения коэффициента усиления по сравнению с обычным биполярным транзистором.
Типичный биполярный транзистор с гетеропереходами состоит из эмиттера n-типа на AlGaAs, области базы p-типа на GaAs и области коллектора n-типа на GaAs. В настоящее время для цифровых ИМС разработаны два различных типа структур транзисторов с гетеропереходами - обычная и инвертированная (рис. 5.2). В обычной структуре, показанной на рис. 5.2, а, область эмиттера находится у поверхности кристалла, а между слоем AlGaAs и металлическим контактом к области эмиттера сформирован слой GaAs n-типа, предназначенный для облегчения создания омического контакта.
Рис. 5.2. Биполярный транзистор на гетеропереходах GaAs-AlGaAs: а - обычная структура с областью эмиттера, выходящей на поверхность кристалла; б - инвертированная структура с заглубленным эмиттером. Не заштрихованные области соответствуют GaAs, области с густой штриховкой - сплавным омическим контактам, области с редкой штриховкой - AlGaAs
Для изоляции области коллектора приборы такого типа изготовляют на подложках полуизолирующего GaAs. При этом для обеспечения доступа к коллекторному слою при изготовлении омических контактов необходимо протравливать окна через слои AlGaAs-GaAs. Для изготовления контакта к области базы можно использовать ионную имплантацию. Биполярные транзисторы с такой структурой были использованы в ИМС с эмиттерно-связанной логикой (ЭСЛ).
На рис. 5.2, б показана структура инвертированного транзистора, в которой область эмиттера заглублена. На основе приборов с такой структурой удобно создавать ИМС инжекционной логикой, так как для формирования области эмиттера может использоваться подложка n+-типа. Слой AlGaAs n-типа выращивают при этом прямо на подложке. Контакт к области базы формируется с помощью ионной имплантации. Основное достоинство инвертированной структуры транзистора заключается в том, что подложка n+-типа может служить контактом к области эмиттера. Благодаря этому в технологическом цикле устраняется операция протравливания окон для изготовления контакта к эмиттеру, что позволяет применить планарную технологию при изготовлении ИМС. На базе биполярных транзисторов с инвертированной структурой создают матрицы логических элементов /11/.
5.1.3. Полевые транзисторы
Дальнейшее усовершенствование МДП - транзисторов происходит по двум главным направлениям: повышение быстродействия и граничной частоты СВЧ – устройств до десятков гигагерц и снижение порогового напряжения. В основе последней тенденции лежит стремление снизить рабочие напряжения МДП - транзисторов и рассеиваемую ими мощность. Поскольку полная мощность кристалла ограничена, уменьшение мощности, рассеиваемой в одном транзисторе, способствует повышению степени интеграции, а уменьшение напряжений питания облегчает совместную работу MДП - транзисторных и низковольтных биполярных ИС без специальных согласующих элементов /4/.
Применение соединений AIIIBV позволяет в принципе решить указанные задачи.
Все полевые транзисторы (ПТ), рассматриваемые в этом разделе, могут быть изготовлены как приборы, работающие или в режиме обогащения, или в режиме обеднения. Область канала у транзисторов, работающих в режиме обогащения (нормально закрытые транзисторы), при нулевом потенциале на затворе полностью обеднена, и для обеспечения проводимости канала необходимо использовать прямое смещение. У транзисторов, работающих в режиме обеднения (нормально открытые транзисторы), ток в канале протекает и при нулевом смещении на затворе, и требуется приложить обратное смещение для того, чтобы достичь режима отсечки и перекрыть канал. В цифровых ИМС используются полевые транзисторы, работающие как в режиме обеднения, так и обогащения, однако в монолитных ИМС СВЧ - диапазона применяют исключительно приборы первого типа. Транзисторы, работающие в режиме обогащения, имеют меньшую потребляемую мощность по сравнению с транзисторами в режиме обеднения, но вместе с тем их частотные и шумовые свойства хуже. Поэтому нормально закрытые транзисторы используют прежде всего при изготовлении цифровых БИС и СБИС, так как величина потребляемой мощности является для таких устройств одним из важнейших параметров. Для ИМС СВЧ - диапазона более существенное значение имеют высокочастотные характеристики, а иногда выходная мощность сигнала.
Как в цифровых, так и в аналоговых ИМС СВЧ чаще всего применяют полевые транзисторы с затвором Шоттки. Потенциальные преимущества транзисторов с проницаемой базой и вертикальной структурой привлекают внимание разработчиков, однако характеристики таких приборов пока далеки от ожидаемых. Полевые транзисторы с p-n-переходом могут применяться при создании устройств с малой потребляемой мощностью, но одновременно и с меньшим быстродействием. Перспективными для использования в цифровых ИМС и в ИМС СВЧ - диапазона являются ПТ с гетеропереходами. Рассмотрим более подробно работу ПТ различного типа.
Полевые транзисторы с барьером Шоттки. Стремление избежать получения диэлектрической пленки на GaAs привело к появлению ИМС на полевых структурах металл-полупроводник (МеП) с барьером Шоттки. Такую структуру называют еще полевым транзистором с затвором Шоттки (ЗШП - транзистор) /4/.
Материал затвора выбирают таким, чтобы он создавал выпрямляющий переход (диод с барьером Шоттки). Поскольку зависимость толщины обедненного слоя от смещения для диода Шоттки совпадает с аналогичной зависимостью для резкого p+-n-перехода, то принцип действия прибора не отличается от принципа действия полевого транзистора с управляющим p-n-переходом.
Структура GaAs -ЗШП – транзистора представлена на рис. 5.3.
Рис. 5.3. Структура GaAs-ЗШП - транзистора
На полуизолирующей пластине GaAs с высоким удельным сопротивлением (порядка 108 Ом·см) формируют тонкий электропроводный слой n-типа, который называют активным слоем. В активном слое расположены области истока, затвора и стока. Для получения хороших омических контактов на активном слое под электродами истока и стока располагаются n+-области. Электрод затвора образует с активным слоем контакт Шоттки. Активный слой обычно формируется ионной имплантацией, например кремния. Толщина этого слоя 0,1-0,3 мкм, а концентрация примеси около 3·1017 см-3. Чем короче длина затвора, тем выше быстродействие прибора, в настоящее время длина затвора составляет 0,2-1,0 мкм. Омические электроды изготавливают из сплава Al-Ge-Ni, а электрод затвора - из Al или силицида вольфрама.
Длина канала в ЗШП - транзисторах является важнейшим параметром, определяющим быстродействие элемента. При использовании технологии самосовмещенной ионной имплантации при образовании слоев n+-типа оказывается возможным управлять величиной зазора между ними, что обеспечивает снижение последовательного сопротивления исток-сток и позволяет формировать затворы длиной около 0,1 мкм, площадь элементов при этом составляет 3-5 мкм2.
Быстродействие GaAs-приборов с затвором длиной 0,5 мкм почти в десять раз превышает быстродействие аналогичных кремниевых МДП – транзисторов. В перспективе на базе GaAs - технологии будут созданы вентили с перепадами напряжений в логических элементах около 1В и временем задержки 50 пс.
На рис. 5.4 показана типичная структура ПТ с управляющим p-n-переходом с планарным расположением областей истока, затвора и стока изготовленных на подложках из полуизолирующего GaAs. Активная область структур может формироваться посредством ионной имплантации непосредственно в подложку, в процессе эпитаксиального роста или ионной имплантацией в эпитаксиальный слои. По ряду причин все большее распространение при изготовлении цифровых ИМС и ИМС СВЧ - диапазона на полевых транзисторах приобретает использование ионной имплантации непосредственно в подложку. Это обусловлено хорошей воспроизводимостью процесса, возможностью осуществлять селективное легирование, сохранять высокое качество поверхности и возможностью организации массового выпуска недорогих изделий.
Рис. 5.4. Структура ПТ с управляющим p-n- переходом: 1 - GaAs; 2 – сплавные омические контакты
При изготовлении цифровых ИМС предпочтительнее использовать приборы с планарной геометрией, так как при этом упрощаются проблемы, связанные с покрытием ступеней в системе металл - диэлектрик при создании многоуровневой металлизации.
В большинстве БИС и СБИС на GaAs, разработанных до настоящего времени, используются полевые транзисторы с длиной затвора 1-2 мкм. При создании таких затворов обычно применяют контактную или проекционную литографию. Для формирования области затвора между истоком и стоком без использования сложных процессов совмещения разработаны специальные самосовмещенные способы изготовления структур. В то же время в большинстве ИМС СВЧ - диапазона, рассчитанных на работу на частотах выше 5-6 ГГц, необходимые характеристики могут быть достигнуты только при изготовлении ПТ с субмикронными затворами, что значительно повышает требования к точности процессов литографии при изготовлении затворов. При формировании затворов длиной 0,25-1,0 мкм в процессе изготовления ИМС СВЧ широко применяется электронно-лучевая литография. Вместе с тем разработаны и методы контактной и проекционной литографии, а также методы, использующие подтравливание, позволяющие уменьшить длину затворов /11/.
Транзисторы с самосовмещенным затвором. Основные этапы создания такой структуры показаны на рис. 5.5.
Рис. 5.5. Технологические этапы изготовления структуры
с самосовмещенным затвором
Структуру создают на полуизолирующей подложке из арсенида галлия. Слой n-типа (рис. 5.5, а) для канала каждого транзистора микросхемы формируют селективным ионным легированием подложки кремнием через маску из диоксида кремния. Пороговое напряжение транзисторов регулируется изменением дозы ионов кремния. Например, при одинаковой энергии ионов, равной 59 кэВ, доза для нормально закрытых транзисторов 1012 см-2 и вдвое больше для нормально открытых. Затем наносят металлический затвор 3, материалом которого служит сплав титан - вольфрам.
При формировании истоковой и стоковой областей n+-типа (рис. 5.5, б) затвор используют в качестве маски. Поэтому указанные области непосредственно граничат с каналом. Далее наносят слой диоксида кремния (рис. 5.5, в), проводят отжиг для устранения дефектов, возникающих при ионном легировании, вскрывают контактные отверстия в диоксиде кремния и создают омические контакты к истоковой и стоковой областям, используя сплав золото-германий (рис. 5.5, г).
По сравнению с транзистором со структурой, показанной на рис. 5.3, имеющим те же размеры, сопротивление истока меньше в 5 раз, а крутизна больше в 3 раза. В структуре с самосовмещенным затвором пробивное напряжение затвора определяется распределением концентраций примесей в n+-областях, так как они непосредственно примыкают к границам затвора. При энергии ионов 175 кэВ и дозе 1,7·1013 см-2 максимальная концентрация доноров в областях n+-типа 1·1018 см-3, пробивное напряжение затвора 6 В. Недостатком данной структуры являются большие паразитные емкости затвор - исток и затвор - сток.
Технологию самосовмещения используют и при создании структуры МЕП - транзистора, приведенной на рис.5.6 (указанные размеры в микрометрах). Селективным ионным легированием кремнием полуизолирующей арсенид-галлиевой подложки, как и в структуре на рис. 5.5 формируют слой с проводимостью n-типа толщиной 0,08 мкм. В этом слое располагается канал МЕП - транзистора. Затвор транзистора представляет собой полоску силицида вольфрама, его длина 0,8 мкм. Силицид вольфрама выбран в качестве материала затвора потому, что может выдерживать последующие технологические операции, проводимые при температурах свыше 700 °С.
Рис. 5.6. Вариант структуры, полученной по технологии самосовмещения
По обеим сторонам затвора создают «прокладки» из диоксида кремния, обеспечивающие в дальнейшем самосовмещение стоковой и истоковой областей с затвором. Эти области n+-типа толщиной 0,4 мкм получают селективным эпитаксиальным выращиванием с помощью химического осаждения из металлоорганических соединений. Омические контакты к истоковой и стоковой областям создают нанесением металлического слоя, представляющего собой сплав золото - германий. Малые расстояния исток - затвор и сток - затвор позволяют уменьшить паразитные (неуправляемые) сопротивления этих областей и повысить крутизну транзистора до 250 мСм/мм. В данной структуре ослабляются эффекты короткого канала, проявляющиеся в рассмотренных выше структурах с имплантированными областями истока и стока, проникающими в подложку на глубину, большую чем глубина самого канала /10/.
Транзисторы на гетероструктурах с высокой подвижностью электронов (ВПЭТ) являются еще одним примером GaAs - приборов.
Геометрия таких транзисторов схожа с геометрией обычных ПТ, однако свойства используемых материалов резко отличаются. Как видно из рис. 5.7 подзатворной области полевых транзисторов с гетероструктурами находится сильнолегированный слой AlGaAs, а перенос электронов осуществляется в прилежащей к этому слою области нелегированного GaAs. Так как при этом значительно снижается интенсивность рассеяния электронов на примесях, удается получить очень высокую подвижность электронов, в частности при температуре 77К.
Рис. 5.7. Структура ВПЭТ на GaAs
Структуры для изготовления полевых транзисторов на гетероструктурах получают методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ). Для облегчения создания омических контактов после выращивания слоев нелегированного GaAs и AlGaAs формируют n+-слой. При этом слой AlGaAs можно использовать в качестве слоя, останавливающего травление при удалении n+-слоя между областями стока и истока. Наличие двух слоев AlGaAs разделенных тонким слоем GaAs, позволяет на одной и той же пластине формировать транзисторы, работающие и в обедненном, и в обогащенном режимах. Основной недостаток технологии изготовления полевых транзисторов на гетероструктурах заключается в отсутствии приемов самосовмещения, подобных тем, которые используются при производстве обычных ПТ. Все приемы самосовмещения, разработанные к настоящему времени, рассчитаны на использование ионной имплантации и последующего высокотемпературного отжига для формирования легированных слоев. Разработка методов самосовмещения при изготовлении ПТ на гетероструктурах затрудняется тем, что в процессе высокотемпературного отжига происходит существенная диффузия легирующей примеси в области между слоями AlGaAs и GaAs. Возможно, что использование импульсного отжига позволит решить эту проблему.
При реализации таких приборов удается достигнуть значений подвижности электронов до 105 см2/В·с при 77 К и до 2·105 см2/В·с при 4,2 К. Для сравнения отметим, что в обычных ЗШП - транзисторах подвижность электронов в слоях n-типа GaAs составляет всего 5·103 см2/В·с, т.е. меньше на два порядка.
На начальном этапе разработки полевых транзисторов на гетероструктурах предполагалось создание на их основе новых цифровых ИМС. Однако полевые транзисторы на гетероструктурах оказались перспективными и для использования в области сверхвысоких частот. На базе дискретных транзисторов с высокой величиной подвижности электронов был разработан усилитель, предназначенный для радиосвязи. При длине затвора транзистора 0,5 мкм значения коэффициентов шума и усиления на частоте 20 ГГц составили соответственно 3,1 и 7,5 дБ. Эти величины сравнимы с характеристиками обычных ПТ. В дальнейшем было установлено, что 1/f- шум у полевых транзисторов на гетероструктурах меньше, чем у обычных ПТ, так как у первых шум, связанный с генерацией и рекомбинацией носителей, возникает только в слое AlGaAs. Данные результаты показывают, что полевые транзисторы на гетеропереходах могут найти применение и в цифровых ИМС, и в ИМС СВЧ - диапазона.
Транзисторы с вертикальной структурой могут быть изготовлены с очень короткой длиной затворов даже при весьма умеренных требованиях к точности процесса литографии. Длина затвора в таких структурах определяется толщиной металлической пленки, образующей затвор. Существуют два способа реализации ПТ с вертикальной структурой. К первому классу таких приборов относятся транзисторы с проницаемой базой. В структуре прибора в активном слое были сформированы металлические островки (см. рис. 5.8, а), которые аналогично затвору (или проницаемой базе) используются для управления интенсивностью потока электронов между истоком и стоком. Согласно теоретическим оценкам, граничная частота для приборов такого типа должна составлять ~640 ГГц. Наибольшая граничная частота, полученная путем экстраполяции параметров транзистора СВЧ - диапазона, равна 100 ГГц, коэффициент усиления лучших приборов составляет 16 дБ на частоте 18 ГГц. Самым сложным этапом в процессе производства таких транзисторов является выращивание пленки GaAs поверх металлических островков. С помощью сканирующей просвечивающей электронной микроскопии удается наблюдать дефекты, возникающие в переходном слое между GaAs и металлом. Эти дефекты оказывают, вероятно, неблагоприятное воздействие на протекание тока между металлическими островками.
Существует еще один тип полевых транзисторов с вертикальной структурой. Структура этих транзисторов (см. рис. 5.8, б) напоминает структуру транзисторов с проницаемой базой, однако в отличие от последних при изготовлении такого типа полевых транзисторов с вертикальной структурой не требуется выращивать пленку GaAs над затворными металлическими островками. Затвор примыкает к вертикальным сторонам канала в области между контактами к стоку и истоку. Структура прибора состоит из большого числа вертикальных каналов, реализованных методом реактивного ионного травления поверхности GaAs. При такой структуре не требуется выращивание пленки GaAs на металлических островках затвора, но возникает другая проблема, связанная с созданием металлизации на вертикальных стенках.
Для решения этой проблемы было применено испарение под углом. Параметры изготовления транзисторов в СВЧ - диапазоне оказались весьма низкими. Транзистор с характерной шириной линии 0,5 мкм имел граничную частоту генерации 12 ГГц.
Согласно теоретическим оценкам, транзисторы с проницаемой базой и вертикальной структурой могут стать важными элементами быстродействующих высокочастотных схем. Однако сложность технологических процессов их производства делает маловероятным создание в ближайшем будущем ИМС на их основе.
Рис. 5.8. Вертикальные структуры: а – транзистор с проницаемой базой; б – ПТ с вертикальной структурой. Не заштрихованные области соответствуют GaAs; области с густой штриховкой - сплавным омическим контактам, области, заполненные сеткой, - металлическим пленкам
Специфика МЕП - транзисторов, используемых в аналоговых микросхемах диапазона СВЧ, определяется тем, что помимо высоких граничных частот (десятки гигагерц) требуется обеспечить большие рабочие токи (десятки миллиампер) для достижения большой мощности. В связи с этим ширина затвора должна во много раз превышать его длину, а сопротивление затвора должно быть минимальным. Эти требования определяют особенности топологии СВЧ - транзистора.
Еще один вариант топологии СВЧ - транзистора приведен на рис. 5.9. Для снижения сопротивления затвора вывод сделан от середины затвора З. Переходные сопротивления контактов к истоку И и стоку С должны быть как можно меньше, поэтому при изготовлении транзисторов применяют специальную очистку поверхности, а в качестве материалов для выводов - специальные металлы. Например, поверх слоя из сплава золото - германий наносят слой никеля. Используют также топологию с несколькими выводами от затвора, соединенными между собой широкими проводниками. В СВЧ - микросхемах применяют также двухзатворные транзисторы, называемые полевыми тетродами. Их используют в усилителях с регулируемым усилением, преобразователях частоты, переключающих устройствах, фазовращателях /10/.
Рис. 5.9. Вариант топологии СВЧ - транзистора