Микроэлектроника.-2

131

отличаются концентрацией и распределением примеси, а также толщиной. Однако в расчетах используется величина удельного поверхностного сопротивления слоя, определяемая как:

rV – среднее удельное сопротивление диффузного слоя, Ом×см;

– глубина залегания p-n-перехода, см.

Пинч-резистор представляет из себя диффузный слой, ограниченный с двух сторонp-n-переходами (рис. 5.23, г). Так как в качестве резистивного слоя используется донная, слаболегированная часть базового слоя, можно получить сопротивление пинч-резистора порядка 200…300 кОм. Однако пинч-резисторы характеризуются большим разбросом сопротивлений(до 50%) из-за трудностей получения точных значений глубин залегания p-n-переходов. Они имеют большой ТКС, так как концентрация в донной части базового слоя мала. Кроме того, вольт-амперная характеристика пинч-резистора при напряжении выше1 В становится нелинейной, мало пробивное напряжение. Можно повысить пробивное напряжение пинч-резисторов путем использования в качестве резистивного эпитаксиального слоя, ограниченного сверху базовым слоем.

Замена диффузии на ионное легирование позволяет в ряде случаев получить выигрыш как в качестве резисторов, так и в площади, занимаемой ими. Конструкции ионно-легированных резисторов мало чем отличаются от диффузионных. Ионная имплантация позволяет получать легированные слои малой толщины с большим rS, малыми ТКС и R.

Сравнительные характеристики резисторов даны в табл. 5.2.

Таблица 5.2 - Параметры интегральных резисторов полупроводниковых ИМС

132

5.7 Конструирование и расчет конденсаторов

В полупроводниковых микросхемах возможно применение двух типов конденсаторов. Реализация первого типа основана на свойствах обратносмещенного p-n-перехода, а второго – на обычном использовании свойств какого-либо диэлектрического материала (рис. 5.24).

Рисунок 5.24 - Структуры конденсаторов полупроводниковых ИМС на основе переходов: эмиттер-база (а), коллек- тор-база (б), коллекторподложка (в), параллельно включенных переходов эмиттер-база и коллектор-база (г), МДП-

кондесатора (д)

Основная трудность при получении конденсаторов заключается в обеспечении достаточно высоких значений удельной емкости. С этим связано существенное ограничение, затрудняющее применение обоих типов конденсаторов в полупроводниковых микросхемах. Максимальное практически достижимое значение емкости лежит в пределах 100…200 пФ с допуском ± 20%.

В настоящее время широкое применение находят конденсатора на основе p-n-перехода.

Наибольшее распространение этого типа конденсаторов объяс-

134

SiO2 e = 4) и толщина диэлектрика; С0 – удельная емкость (см. табл. 5.4); S – площадь верхней обкладки конденсатора.

Таблица 5.3 - Параметры интегральных конденсаторов полупроводниковых ИМС

Рабочее напряжение МДП-конденсаторов (обычно 10–50 В) ограничено напряжением пробоя диэлектрика, которое рассчитывают по формуле Uпр = Eпр×d, где Епр – электрическая прочность диэлектрика (для SiO2 Еnp= 107 В/см). При расчете геометрических размеров МДП -конденсатора задаются d, определяют С0 и рассчитывают площадь верхней обкладки.

136

Г. Мур выявил три основных причины увеличения сложности схем: увеличение размера кристалла, появление «разумных» схем и уменьшение размера отдельных элементов. Последнее является основной тенденцией современной макроэлектроники. Можно говорить о том, что данный этап развития интегральной электроники связан с созданием ультрабольших интегральных схем (УБИС) с числом элементов более миллиона. Предполагается, что количество транзисторов на одном кристалле ИС микропроцессора за ближайшие 10 лет должно возрасти до 3×109. При этом длина затвора транзистора должна уменьшиться до 8 нм.

До настоящего времени основной технологией увеличения количества элементов ИС за счет уменьшения геометрических размеров является технология масштабирования— пропорциональное уменьшение всех размеров транзистора ( длины канала, толщины подзатворного диэлектрика, расстояния исток-сток и т.д.). Однако при уменьшении размеров элементов ИС начинает проявляться ряд эффектов в приборах, которые ограничивают возможности технологии масштабирования. К числу таких ограничений относятся применительно, в частности, к элементам памяти и логическим элементам, фундаментальные ограничения: термодинамические ограничения на подключение и квантовые ограничения.

Из наиболее широко используемых элементов ИС таких, как биполярные транзисторы, полевые МДМ-транзисторы и полевые транзисторы с барьером Шоттки, последние в меньшей степени подвержены ограничением размеров при масштабировании. Вероятно поэтому, основной тенденцией развития ИС является тенденция создания ИС на арсениде галлия с использованием полевых транзисторов с барьером Шоттки (ПТШ). Именно поэтому в последующих параграфах будут рассмотрены свойства арсенида галлия, его технологические особенности и ПТШ на основе арсенида галлия.

6.2. Технологические особенности арсенида галлия

В настоящее время более90% всех полупроводниковых приборов изготавливается на основе кремния. В то же время свыше 70% научных и технических публикаций в области полупровод-

137

никовой электроники посвящено исследованию соединений АIIIBV, среди которых самое важное место принадлежит арсени-

ду галлия.

Доминирующее положение кремния в электронике объясняется несколькими причинами: замечательными изолирующими свойствами диоксида кремния, возможностью получения очень чистого материала, простотой процесса легирования кремния. Широко используемые элементарные полупроводники (Ge, Si) принадлежат к четвертой группе периодической системы, т.е. имеют по четыре валентных электрона на атом. Это привело к идее синтеза полупроводниковых соединений, в которых среднее число электронов на атом также равно четырем и которые, таким образом, до некоторой степени имитируют свойства кремния. Упомянутые соединения можно составить из элементовIII

иV групп (так называемые соединения АIIIBV) или элементов II

иVI групп (соединения АIIBVI).

Благодаря успешной реализации указанной идеи микроэлектроника располагает рядом полупроводников типаАIIIBV и АIIBVI с самыми разнообразными свойствами. Основное преимущество арсенида галлия — более высокое значение подвижности электронов по сравнению с кремнием, особенно в тонких слоях. В таблице 6.1 представлены параметры для некоторых полупроводников, позволяющие оценивать достоинства материалов в сравнении с другими.

В последние годы все большее внимание разработчиков в области микроэлектроники концентрируется на использовании арсенида галлия. Хотя кремний на протяжении многих лет широко применялся практически во всех областях микроэлектроники, в диапазоне СВЧ приборы на основе арсенида галлия обладают рядом несомненных преимуществ перед приборами на основе кремния.

138

Таблица 6.1

Физические параметры важнейших полупроводников

139