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.

Существует достаточно много изоструктурных аналогов арсенида галлия – полупроводниковых материалов, имеющих близкий к GaAs шаг кристаллической решетки, что позволяет использовать GaAs в качестве основы для создания широкого класса гетероструктурных транзисторов, обладающих уникальными характеристиками.

Кроме того, для создания гетероструктур широко используются различные твердые растворы (Al_XGa_1-XAs, Ga_XIn_1-XP, Ga_XIn_1-XAs, Al_XIn_1-XAs и др.).

Гомоструктурными называют транзисторы, изготовленные из однородного по составу полупроводника. 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. 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. 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. Электрод затвора образует с активным слоем контакт Шоттки.

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, 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.

Полевые транзисторы Шоттки широко используются в качестве элементной базы современных GaAs СБИС. Их преимущества по сравнению Si МДП структурами заключается в следующем:

1. Отсутствие p-n переходов между сток-истоковыми областями и областью канала, в результате чего минимальная длина канала ПТШ не ограничивается эффектом смыкания;

2. Подвижность электронов в GaAs 8500 см²/(В*с), что много больше подвижности электронов в кремнии ≈1200 см²/(В*с)

3. Обедненная область пространственного заряда управляющего перехода Шоттки локализует проводящий канал в объеме полупроводника, а не у поверхности полупроводник – диэлектрик, как в МДП транзисторах, что обеспечивает повышение подвижности носителей заряда в канале примерно в два раза.

4. Сравнительно простая структура интегральных ПТШ позволяет повысить процент выхода годных кристаллов СБИС за счет сокращения числа технологических операций и малого разброса параметров транзисторных структур по пластине.

ПТШ могут изготавливаться двух типов в зависимости от значения тока стока при нулевом напряжении на затворе.

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.