Данилов В.С. Микроэлектроника СВЧ

7.4.2.Тонкопленочные структуры полупроводник – сверхпроводник – полупроводник

Особый интерес для изготовления транзистора с металлической базой представляет структура полупроводник – сверхпроводник – полупроводник. Использование сверхпроводника в качестве материала базы позволяет значительно повысить частотные характеристики транзистора по сравнению с транзисторами, в качестве базы которых используется металл или силицид в силу конечности их удельного сопротивления. Как и в случае несверхпроводящей базы, на характер движения электронов в такой структуре существенно влияют границы раздела полупроводник – сверхпроводник, рассеяние электронов в полупроводнике и слое сверхпроводника.

На рис. 7.21 показана зонная диаграмма структуры полупроводник – сверхпроводник – полупроводник, которую называют транзистором со сверхпроводящей базой.

ческого отражения часть электронов возвращается в базу, другая часть достигает электрода коллектора после рассеяния в слое полупроводника.

Очевидно, что для реализации транзистора со сверхпроводящей базой главным является выбор определенного сочетания материалов полупроводника и сверхпроводника с целью получения большого коэффициента усиления по току и высокой скорости срабатывания транзистора.

AuGeNi

1

Рис. 7.22. Схема транзистора со сверхпроводящей базой:

1 – подложка; 2 – пленка из ниобия; 3 – пленка из антимонида индия

Технология изготовления. Технология изготовления транзистора с металлической базой, по существу, сводится к отработке технологии получения тонкой пленки базы (эпитаксиальной тонкой пленки силицида на кремниевой подложке), формированию поверх нее эпитаксиального слоя кремния и изготовлению омических контактов к областям базы, эмиттера и коллектора.

К материалу базы транзистора с металлической базой предъявляются требования, как связанные с условиями токопереноса через базу, так и определяемые технологией изготовления транзистора. В первом случае длина свободного пробега носителей заряда должна быть максимальной; материал должен иметь низкое удельное сопротивление; граница раздела полупроводник – металл базы должна быть практически бездефектной, чтобы уменьшить величину отражения от нее носителей заряда. Во втором случае необходимым условием является термостойкость материала базы, т.е. способность выдерживать высокие (1123...1273 К) температуры без изменения физико-химических свойств материала при последующем наращивании эпитаксиального слоя кремния.

Перечисленным выше требованиям частично удовлетворяют тугоплавкие металлы, такие как вольфрам, тантал и молибден, которые и были использованы в первых транзисторах с металлической базой. Тонкие пленки из этих металлов имеют мелкозернистую структуру, обеспечивающую их высокую однородность по толщине. Эти металлы при высоких температурах обработки взаимодействуют с кремнием, образуя силициды. Поэтому в качестве материала базы были предложены и опробованы тонкие пленки силицидов металлов. При этом

во фторсодержащей среде верхнего эпитаксиального слоя кремния до слоя силицида с последующим обычным химическим травлением мезаструктуры.

Электрический контакт к эмиттеру формируют на основе двухслойной пленочной структуры титан – золото, контакт к коллектору с обратной стороны подложки осуществляют при помощи пасты на основе серебра. Контактом к базе в таком экспериментальном транзисторе служит прижимной вольфрамовый зонд. Как показывают последние публикации, для получения эпитаксиального слоя кобальта на кремнии не обязателен высокий вакуум. Пленки кобальта толщиной 30 нм напыляют при комнатной температуре на кремниевую подложку в установке электронно-лучевого испарения. Остаточное давление в камере 2,5 · 10–4 Па. Установлено, что наиболее критичным параметром для эпитаксиального роста пленок в условиях невысокого вакуума является атмосфера отжига; влияние скорости нагрева и охлаждения при этом менее важно. Полученные транзисторы показали fт от 600 до 1600 ГГц.

К преимуществам транзисторов с металлической и сверхпроводящей базой перед биполярными и МОП-приборами относятся высокие рабочая частота и помехоустойчивость, радиационная стойкость. Кроме того, такие транзисторы пригодны для создания вертикально интегрированных микросхем, поскольку ток в них протекает перпендикулярно к поверхности, а также для построения логических схем, аналогичных n-канальным МОП-структурам, в которых инвертор состоит из переключательного транзистора, работающего в режиме обогащения, и нагрузочного, работающего в режиме обеднения.

С точки зрения материала базы для рассмотренных транзисторов большой интерес представляют тонкие эпитаксиальные пленки силицидов, в частности СоSi2 и NiSi2, полученные селективной эпитаксией или ионной имплантацией кремниевой подложки, что позволяет формировать не только сплошную пленку силицида, но и базу транзистора методом безмасочной литографии. В качестве материала базы находят применение и сверхпроводники. Использованию высокотемпературных керамических сверхпроводников препятствуют трудности, связанные с получением как тонких пленок, так и гетероструктур на их основе.

AlGaAs

A

Подложка из полуизолирующего GaAs

Рис. 7.23. Конструкция селективного полевого транзистора с барьером Шоттки

Приборы данного типа работают в режиме обогащения и являются нормально закрытыми. Пороговое напряжение задается толщиной и уровнем легирования слоя АlGаАs, и контроль величины порогового напряжения является главной проблемой в технологии СЛГТ. Соответственно, более толстые слои АlGаАs не позволяют обеднить слой электронного газа при нулевом смещении. Эти приборы являются нормально открытыми, работающими в режиме обеднения. Чтобы обеднить слой электронного газа и перевести прибор в режим отсечки, необходимо отрицательное смещение на затворе.

Крутизна характеристики прибора gm dIст dUз зависит главным

образом от расстояния между затвором и областью электронного газа. Для СЛГТ, особенно для структур, работающих в режиме обогащения, это расстояние может быть очень малым (около 25 нм), что приводит к увеличению крутизны характеристики. Естественно, емкость затвора увеличивается с уменьшением толщины АlGаАs до некоторого предела. Скорость переключения прибора определяется отношением gm Cз , од-

нако уменьшение толщины слоя АlGaAs гораздо больше влияет на увеличение крутизны, чем на увеличение емкости. Наконец, уменьшение длины затвора lз , как упоминалось выше, приводит к уменьшению вре-

мени пролета носителей и, как следствие, емкости затвора.

Существуют три главных отличия между СЛГТ и конкурирующим

сним полевым транзистором на арсениде галлия с затвором Шоттки:

–повышенная подвижность электронов;

–двумерный характер носителей тока, существующих в виде электронного газа;

специально для производства твердотельных схем СВЧ. Такой подход ведет к постепенному прогрессу, однако полученные в результате схемы трудны для освоения в производстве.

Практический выпуск твердотельных СВЧ-схем начального диапазона целесообразно организовывать на имеющихся технологических циклах, по которым выпускаются отдельные планарные транзисторы, а также использовать наиболее развитую на сегодня технологию цифровых интегральных схем. Применяя специальную схемотехнику, удается сопрягать требуемые параметры монолитных схем начального СВЧ-диапазона и имеющийся технологический цикл, что в большинстве случаев позволяет монолитным схемам конкурировать по параметрам со схемами на дискретных компонентах. Схемотехника линейных монолитных схем должна строиться так, чтобы исключить влияние плохой точности интегральных компонентов и ограничения их номиналов. Но эта схемотехника должна использовать и присущие интегральным схемам преимущества: строгое согласование параметров как активных, так и пассивных компонентов в широком диапазоне температур, отличную термическую связь всех элементов схемы, экономическую целесообразность применения большого числа активных элементов, свободу выбора геометрии активных элементов, возможность изготовления таких приборов, которые не имеют точного дискретного эквивалента [15].

Рассмотрим общие, без учета специфических особенностей, принципы схемотехники, которые проиллюстрируем практическими примерами принципиальных схем. Одной из важнейших проблем твердотельных схем является стабилизация смещения усилительного каскада «общий эмиттер». Подача смещения на каскад общего эмиттера с применением делителя смещения и разделительного конденсатора приводит к сужению частотной характеристики. Для монолитных схем требуемый номинал разделительных конденсаторов практически нереализуем, поэтому основой их схемотехники являются схемы с непосредственными связями, а также дифференциальные каскады в различных модификациях.

Точное взаимное согласование компонентов по их параметрам и полная термическая связь, имеющаяся в интегральной схеме, делают возможными многие радикальные решения.

Один из таких примеров – схема смещения служит для «навязывания» с помощью падения напряжения на переходе эмиттер – база тран-