15.2. Технология гетероструктурных микросхем

Полупроводниковые соединения группы А₃В₅ не имеют стойких естественных окислов. Более того, сами соединения не обладают стойкостью к воздействию большинства кислот и щелочей. Важный фактор технологии – высокая токсичность большинства соединений галлия, фосфора и мышьяка. Окись кремния в контакте с полупроводниковыми соединениями А₃В₅ создает непрочные и нестабильные переходные слои окислов материала подложки. Например, окислы мышьяка растворяются в воде. Поэтому технология микросхем на основе полупроводниковых химических соединений существенно отличается от кремниевой:

1) диаметр пластин определяется стоимостью полупроводникового соединения и не превышает 150 мм;

2) подложки высокоомные компенсированные с удельным сопротивлением более 10⁸ Ом см;

3) диапазон температур обработки не превышает 850С;

4) легирующие смеси p - типа – цинк, бериллий; n - типа – сера, селен, теллур. Элементы IV группы – германий, кремний, олово – при разных температурах легирования дают разный тип проводимости;

5) основной метод получения легированных слоев – молекулярная эпитаксия;

6) основной металл металлизации – золото.

7) высокотемпературные и химические обработки пластин проводятся только под защитой пассивирующего диэлектрика (Si₃N₄);

8) травление полупроводников и диэлектриков почти всегда плазмохимическое;

9) фотолитография со вскрытием поверхности полупроводника – только взрывная;

10) все технологические процессы включают экологические операции (сбор, утилизацию или захоронение отходов).

15.3. Биполярные транзисторы на подложках арсенида галлия

Вертикальная структура биполярного гетероструктурного n–p–n - транзистора включает:

• подложку из арсенида галлия;

• нелегированный переходный слой из арсенида галлия;

• сильнолегированный скрытый N⁺- слой из арсенида галлия;

• слаболегированный коллекторный N - слой из арсенида галлия;

• тонкий сильнолегированный базовый слой из соединения InGaAs P - типа проводимости;

• слаболегированный разделительный слой в эмиттере N - типа из соединения AlGaAs;

• сильнолегированный донорный N⁺ - слой эмиттера из AlGaAs;

• сильнолегированный контактный N⁺ - слой из арсенида галлия.

Поскольку слои нанесены на всю пластину целиком, то формировать локальные области эмиттера и базы приходится травлением эпитаксиальной структуры. Разработаны процессы травления с автоматической остановкой при перемене химического состава слоя. Контактные электроды наносят до операций травления и формируют их в отдельных процессах для эмиттера, базы и коллектора. Разделение коллекторных областей выполняется имплантацией ионов водорода или бора на последней стадии формирования транзисторной структуры. Эти примеси в арсениде галлия неактивны. Изоляция создается за счет высокой концентрации изолированных электронных состояний, связанных с дефектами кристаллической решетки. Далее структура пассивируется слоем Si₃N₄, планаризуется слоем SiO₂, вскрываются контактные окна, и создается разводка на основе золота. Рельеф структуры всего 0,30,4 мкм и легко преодолевается системой электрических соединений. Золотая разводка используется чаще других потому, что омические контакты также создаются на основе сплавов золота. Золото – хороший проводник с высокой стойкостью к электромиграции.

Уменьшение атомного веса металла III группы в соединениях A₃B₅ ведет к увеличению ширины запрещенной зоны. Изменение молярной доли металлов III группы позволяет получать их соединения с мышьяком с любой шириной запрещенной зоны в диапазоне 0,9 – 1,7 эВ.

Ключевым элементом структуры биполярного транзистора является узкозонный базовый слой. Его толщина – 3040 нм, концентрация легирующей примеси предельная – выше 10¹⁹ см^-3. Электронейтральная область – 1520 нм. Пролетное время электронов в базе – менее 1 пс. Граничная частота усиления по току – более 200 ГГц.

Поле гетероперехода столь велико, что на него почти не влияет ни напряжение на коллекторном переходе, ни летящие сквозь структуру носители, т. е. эффекты Эрли и Кирка многократно ослаблены, а транзистор обладает великолепными усилительными качествами. Высокая концентрация в базе ослабляет эффекты высокого уровня инжекции. Рабочая плотность тока в эмиттере превышает допустимую плотность тока в алюминии (10⁵ А/см²).

Гетероструктурные биполярные транзисторы на подложках арсенида галлия широко используются в мобильных телефонах в блоке выходного усилителя, а также в компьютерных системах беспроводной цифровой связи.

Гетероструктурные биполярные транзисторы на подложках фосфида индия обладают еще более высоким быстродействием (граничная частота усиления более 300 ГГц). Технология микросхем на фосфиде индия пока находится в стадии опытного производства.