GaAs СБИС на основе полевых транзисторов Шоттки
Арсенид галлия занимает важное место в технологии создания СБИС повышенного быстродействия благодаря высокой подвижности электронов (8500 см2/(В*с) и скорости насыщения дрейфа носителей (2*107 см/с). Значительная ширина запрещенной зоны арсенида галлия (1,42 эВ) позволяет создавать на его основе сверхбыстродействующие гомоструктурные интегральные транзисторы, устойчивые к воздействию повышенной температуры и это же позволяет использовать полуизолирующие GaAs подложки, имеющие высокое удельное сопротивление до 108 Ом*см. Такие подложки обеспечивают низкий уровень паразитных связей между элементами интегральных схем.
. Пути повышения быстродействия и снижения энергии переключения таких структур лежат в двух основных направлениях:
1. Сокращение размеров активных областей приборов и рабочих напряжений;
2. Использование полупроводников с высокой подвижностью и скоростью дрейфа носителей заряда.
Работа ПТШ основана на использовании контакта металл-полупроводник. Такой контакт получил название контакта Шоттки и он подобен p-n переходу и на его основе изготавливаются диоды Шоттки. Особенность в том, что работа контакта Шоттки основана на движении основных носителей заряда – электронов. в силу этого они отличаются высоким быстродействием. У контакта Шоттки также существует обедненная основными носителями заряда область, которая полностью располагается в полупроводнике, поскольку в нем концентрация носителей заряда много меньше, чем в металле. Полупроводник в обедненной области по своим электрическим свойствам близок к собственному. Эта область определяет толщину контакта. Так же как в p-n переходе толщина контакта Шоттки зависит от величины смещения. С увеличением обратного смещения толщина контакта, т.е. толщина обедненной области, возрастает.
Структура GaAs ПТШ изображена на рисунке. На монокристаллической полуизоли-рующей подложке GaAs с высоким удельным сопротивлением - обычно порядка 108 Ом*см – формируют тонкий электропроводный слой n-типа, который называется активным слоем. Активный слой обычно формируют ионной имплантацией или эпитаксиальным выращиванием тонкой пленки n-типа. Толщина активного слоя около 0,3 мкм, а концентрация примеси ≈ 3*107 см-3. В активном слое расположены области истока, затвора и стока. Для получения хороших омических контактов в активном слое под электродами истока и стока выполняют n+-области. Омические электроды изготавливают из сплав Au-Ge-Ni. Электрод затвора образует с активным слоем контакт Шоттки. Электрод затвора выполняют из Al. В последнее время для электрода затвора стали использовать силицид вольфрама WSi.
Принцип работы ПТШ следующий. К стоку прикладывается положительное напряжение относительно истока. К затвору - отрицательное. Поскольку затвор смещен в обратном направлении, то обедненный слой под затвором расширяется, как показано на рисунке, в область активного слоя. Канал между стоком и истоком сужается, и ток, протекающий от стока к истоку, изменяется. При увеличении обратного смещения контакта Шоттки ток в канале сильно уменьшается. Таким образом, изменяя напряжение на затворе, можно управлять током стока.
Чем короче длина затвора, тем выше быстродействие прибора. Обычно длина затвора составляет ≥ 0,1 мкм.
1. Полевые транзисторы Шоттки широко используются в качестве элементной базы современных GaAs СБИС.
ПШТ могут изготавливаться двух типов в зависимости от значения тока стока при нулевом напряжении на затворе (см. рисунок). Напряжение отсечки для транзистора типа D – отрицательно, для транзистора типа Е – положительно. Величина напряжения Uо составляет ≈ 2 В. Напряжение Uп ≈ 1 В. Формирования транзистора того или иного типа обеспечивается путем выбора толщины активного слоя n-типа и концентрацией донорной примеси. Транзисторы типа D обладают большей нагрузочной способностью.
При построении логических структур на ПШТ типа D необходимо иметь два источника питания. Это недостаток.
Особенности вольт-амперных характеристи ПШТ требуют своих схемотехнических решений, отличных от используемых в Si МДП схемах.
Время задержки сигнала в GaAs 11, 6 пс, в Si КМОП структурах – 200 пс.