7.11. Элементы ис на полупроводниках группы

A^mB^v

Полупроводники группы А^ШВ^У как материалы для ИС. Сравнительный анализ свойств полупроводников группы A^mB^v и кремния позволяет выявить три основных различия при со­здании на их основе активных элементов ИС:

1. Сильно отличаются зависимости дрейфовой скорости электронов проводимости, особенно при низких полях.

2. Из полупроводников группы А^ШВ^У легко изготовить по­луизолирующую подложку.

3. Эти полупроводники (арсенид галлия, фосфид индия, ар- сенид индия и др.) образуют твердые растворы не только двух-, но и трех- и четырехкомпонентные с широким диапазоном из­менения их электрофизических свойств.

На рис. 7.46 приведена зависимость дрейфовой скорости электронов проводимости от напряженности электрического поля для двух- и трехкомпонентных полупроводников А^ШВ^У и кремния. Причиной того, что зависимость скорости дрейфа электронов проводимости от поля в GaAs и InP имеет не моно­тонный, как у кремния, а экстремальный характер, кроется в различии зонной структуры этих материалов. Зонная структу­ра GaAs приведена на рис. 7.47.

Абсолютный минимум зоны проводимости GaAs находится в т. Г. Во втором минимуме в т. X энергия на 0,36 эВ выше. Эф­фективная масса электронов проводимости в т. Г мала (0,068/?г, где т —масса покоя свободных электронов в вакууме) и поэто­му дрейфовая подвижность электронов проводимости велика.

эВ

ю

8

0,36 эВ Этим объясняется участок

L

Как видно из рис. 7.47, в т. X имеет место второй ми­нимум энергии. Однако здесь эффективная масса электронов значительно выше (1,2 т), и дрейфовая скорость электронов прово­димости уменьшается.

с отрицательной дифферен­циальной проводимостью на рис. 7.46. Этот эффект получил название эффекта Ганна и используется для генерации высокочастот­ных сигналов. В ИС на

X

Рис. 7.47. Зонная структура GaAs GaAs ЭТОТ Эффект НвЖвЛа-

телен и для его подавления необходимо выполнить условие

(7.10)

Здесь АЕ — энергетический зазор между т. Г и т. X, а Е_Т — ширина запрещенной зоны в т. Г зоны проводимости.

Элементы ИС на полупроводниках группы А^ШВ^У. Элементы ИС на A^mB^v можно грубо разделить на следующие группы: по­левые транзисторы с затвором Шоттки, гетеробиполярные транзисторы и МДП-транзисторы.

Несмотря на то, что технологию изготовления материалов A^mB^v и приборов на их основе по целому ряду причин нельзя считать столь же отработанной, как для кремниевых структур, исследования и разработки уже продемонстрировали возмож­ности создания сверхбыстродействующих цифровых схем, кон- курирующих с кремниевыми. Можно предположить, что глав­ную роль в конкурентной борьбе будут играть полевые транзи­сторы с затвором Шоттки, т.к. они просты в изготовлении и потребляют незначительную энергию.

Структура и принцип работы полевого транзистора с затво­ром Шоттки (ЗШП-транзистора). Структура GaAs—ЗШП-тран- зистора изображена на рис. 7.48, а.

а) б)

Рнс. 7.48. Структура (а) и статические БАХ (б) ЗШП-транзистора

На полуизолирующей пластине GaAs с высоким удельным сопротивлением (порядка 10⁸ Ом см) формируют тонкий элект­ропроводный слой п-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 ^-облас­ти. Электрод затвора образует с активным слоем контакт Шот­тки (см. раздел 3.3). Активный слой обычно формируется ион­ной имплантацией* например кремния. Толщина этого слоя 0,1-0,3 мкм, а концентрация примеси около 310¹⁷ 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 А1 или силицида вольфрама.

Если к стоку приложить положительное напряжение, а к затвору отрицательное, обедненный слой под затвором расши­рится, а канал между истоком и стоком сузится и ток в цепи от истока к стоку изменится. Поскольку выходной сигнал стока можно регулировать малым входным сигналом затвора, такой прибор можно использовать как усилительный элемент. На рис. 7.48, б приведены статические характеристики такого прибора.

Длина канала в ЗШП-транзисторах является важнейшим параметром, определяющим быстродействие элемента. При ис­пользовании технологии самосовмещенной ионной импланта­ции при образовании слоев л⁺-типа оказывается возможным управлять величиной зазора между ними, что обеспечивает снижение последовательного сопротивления исток-сток и по­зволяет формировать затворы длиной около 0,1 мкм.

Транзисторы с высокой подвижностью электронов. Извест­ны различные варианты конструкции транзисторов с высокой подвижностью электронов (ВПЭТ). Общее представление о структуре ВПЭТ с одним гетеропереходом дает рис. 7.49. Ис­ток, сток и затворный электрод формируются на поверхности GaAs. Повышение подвижности электронов в канале достигает­ся за счет использования гетероперехода GaAs с материалом с большой шириной запрещенной зоны (Al_{0 3} Ga_{0 7} As) с введен­ной в него донорной примесью.

изс

:zzzzzzzzzz^ утл

n-GaAs \у//л1 "-GaAs °'^{05 МКм}

д-А1_{0 g}Ga_{0 7}As 0,06 мкм

Электроны проводимости «-GaAs 2,0мкм

t-GaAs (подложка)

Рис. 7.49. Структура ВПЭТ на GaAs

Создание такой структуры возможно методами либо высоко- контролируемого эпитаксиального наращивания слоев А^ШВ^У, либо методами молекулярно-лучевой эпитаксии. 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-транзисто- pax подвижность электронов в слоях я-типа GaAs составляет всего 5 • 10³ см²/В • с, т.е. меньше на два порядка.