Правильная ссылка на эту страницу
http://az-design.ru/Support/Archiv/Elc1979/D19791206Elc033.shtml

Новые достижения в области полупроводниковой техники и технологии

УДК 681.327.67

Джон Поса (John G. Posa)
Редакция Electronics

Роджер Аллен (Roger Allan)
Редакция Electronics

John G. Posa, Roger Allan. IEDM unveils new highsin speed, power, density, pp.124—130.

Выполнен подробный обзор наиболее значительных работ, представленных на Международную конференцию по электронным приборам 1979г., проходившую в Вашингтоне (федеральный округ Колумбия) в декабре. В их число входят прежде всего работы по созданию МОП ЗУ большой информационной емкости, новых конструкций элементов для биполярных СБИС, логических и СВЧ-схем на арсениде галлия и технологий совмещенных интегральных схем. Отмечается исключительно высокая активность японских исследователей, которым принадлежит значительная часть наиболее важных достижений.

На проходившей в начале декабря 1979г. в Вашингтоне (федеральный округ Колумбия) Международной конференции по электронным приборам были раскрыты многочисленные секреты, относящиеся к конструкции и технологии изготовления не менее многочисленных различных электронных приборов и схем. Большой интерес для специалистов представляют как методы, используемые компанией Texas Instruments для изготовления полупроводниковых приборов на отожженном поликремнии, так и методы, по которым фирма Toshiba изготавливает свои выключаемые по управляющему электроду тиристоры на напряжения до 2500 В и токи до 600 А.

Столько же большой интерес вызывает и работа, представленная группой признанных специалистов в области разработки статических ЗУПВ из фирмы Intel Corp. (Санта-Клара, шт.Калифорния). В их докладе будут, наконец, изложены подробности конструкции и технологии изготовления подготавливаемого этой компанией к серийному производству статического ЗУПВ емкостью 16К2{Электроника, 1979, №24, «Обозрение электронной техники»}. Но все же наиболее насыщенными в плане новизны следует признать работы, представленные японскими специалистами в области полупроводниковой техники. В одном из их докладов детально описана конструкция нового запоминающего элемента, на базе которого можно будет уже в конце следующего, 1980 г., реализовать ЗУПВ емкостью 1 млн. бит. И вообще, целый ряд японских компаний представил на конференцию доклады, в которых описаны многочисленные технологические усовершенствования, представляющие собой значительные достижения в деле создания действительно сверхбольших интегральных схем. Это, в частности, МОП-технология с четырехкратным совмещением, К/МОП ЗУ на элементах с пропорционально уменьшенными размерами и МОП-технология с молибденовыми затворами, по которой уже выполнено ЗУПВ емкостью 64К.

В соответствии с главными современными направлениями развития электронных приборов в программу пленарного заседания, открывающего конференцию, включены заказные доклады о современном состоянии техники и технологии оптических схем (цепей), фотоэлектрических приборов и сверх-БИС. Майкл Барноски из центра технических исследований фирмы TRW Inc. (Торранс, шт.Калифорния) расскажет о достижениях и проблемах в области волоконной оптики и компонентов для систем оптической передачи данных. Следом за ним Гарольд Хоувел из исследовательского центра им. Томаса Уотсона компании International Business Machines Corp. (Йорктаун-Хайтс, шт.Нью-Йорк) в рамках своего доклада, посвященного фотоэлектрическим материалам и приборам для наземных солнечных энергетических установок, расскажет о больших потенциальных возможностях солнечных элементов.


Рис.1. Японские специалисты в области полупроводниковой технологии принимают в нынешней конференции по электронным приборам наиболее активное участие. В части (а) показан микропроцессор типа 8085, изготовленный фирмой Nippon Electric Co. по технологии с самосовмещением, в которой используются 3-мкм топологические проектные нормы. В части (б) показан участок поверхности кристалла этого процессора крупным планом. Часть (в) — это фотография запоминающего элемента К/МОП ЗУПВ емкостью 16К фирмы Toshiba Corp., полученная при помощи сканирующего электронного микроскопа. Весь кристалл этого ЗУПВ показан на рис. 2.

Заключительный доклад сделает Дин Тумс, вице-президент далласской компании Texas Instruments. Он расскажет о тех изменениях, которые понадобится ввести в стандартные методы полупроводниковой технологии, чтобы сделать возможным создание приборов с субмикронными размерами и кристаллов на 100 тыс. элементов и более.

На 15-м заседании конференции будет рассмотрено не только статическое ЗУПВ емкостью 16К фирмы Intel — там же специалисты фирмы Toshiba Corp. (Кавасаки, Япония) доложат и о своем аналогичном приборе памяти. Их ЗУ, организованное в 2К 8-бит слов, полностью реализовано на К/МОП-схемах. Каждый запоминающий элемент этого ЗУ содержит четыре n-канальных МОП-транзистора и два p-канальных нагрузочных МОП-прибора, в результате чего весь этот гигантский кристалл памяти содержит более 100 тыс. отдельных приборов и 130 тыс. контактных окон и по своей сложности соответствует, а возможно и превосходит динамическое ЗУПВ емкостью 64К (рис.2).

Это К/МОП ЗУПВ емкостью 16К фирмы Toshiba Corp. является не менее претенциозным и сложным прибором, чем динамическое ЗУПВ емкостью 64К. Оно имеет очен
Рис.2. Это К/МОП ЗУПВ емкостью 16К фирмы Toshiba Corp. является не менее претенциозным и сложным прибором, чем динамическое ЗУПВ емкостью 64К. Оно имеет очень высокую плотность упаковки — в его состав входит свыше 100 тыс. приборов и 130 тыс. контактных окон; последние формируются методом реактивного ионного травления.

Для изготовления такого прибора фирме Toshiba пришлось прибегнуть к электронно-лучевой технологии изготовления фотошаблонов, а также к технологии сухого травления. Запоминающие элементы ЗУ уменьшены насколько возможно, так что площадь каждого из них составляет 1120 мкм2, а площадь всего кристалла — 35,6 мм2. Для получения малых размеров запоминающего элемента ширина металлических шин и промежутков между ними была уменьшена до 6 мкм, поэтому для формирования 2-мкм контактных окон было применено реактивное ионное травление. Специалисты фирмы Toshiba сделали вывод, что этот процесс обеспечивает «вполне приемлемые запасы на совмещение при изготовлении». Следует иметь в виду, что полученное ими ЗУПВ имеет время выборки 95 нс при потребляемой в режиме обращения мощности 200 мВт. Однако в режиме хранения этот прибор, работающий от одного 5-В источника питания, потребляет по цепи питания ток величиной всего лишь 0,2 мкА.

Похоже, что разработчики статических ЗУПВ хотели бы получить такие нагрузочные приборы для запоминающих элементов, в которых бы сочеталась свойственная поликремниевым резисторам высокая плотность упаковки и свойственная активным нагрузкам высокая универсальность. Об этом, в частности, пойдет речь в представленном на то же самое 15-е заседание докладе специалистов фирмы Toshiba Corp. Они назвали свой новый прибор поликремниевым нагрузочным транзистором. Этот прибор работает как р-канальный полевой транзистор и предназначен для использования в статических К/МОП ЗУПВ. Он позволяет хранить информацию в элементах при статическом остаточном токе в цепи нагрузки всего 10-10 А/бит. Однако когда такой «транзистор» находится в проводящем состоянии, его ток достаточно велик для того, чтобы скомпенсировать технологические разбросы и устранить влияние радиации.

Запоминающий К/МОП-элемент с таким поликремниевым транзистором показан на рис.3; там же изображено поперечное сечение такого нагрузочного прибора. Эта нагрузка фактически представляет собой тонкопленочный поликремниевый транзистор, в котором ток протекает через область поликремния с собственной проводимостью, управляемую расположенным под ней ионно-легированным затвором n+-типа. Затвор отделен от поликремния тонким слоем затворного окисла. Вплоть до момента выращива- ния затворного окисла толщиной 70 нм технологический процесс ничем не отличается от стандартного. После формирования затворов через этот тонкий окисел в кремний внедряется большая доза ионов мышьяка, которые помимо электрических межсоединений образуют в данном месте еще и скрытый затвор. К настоящему моменту фирма Toshiba, использующая 3-мкм топологические проектные нормы, реализовала экспериментальное ЗУПВ подобного типа емкостью 16*16 бит. Минимальное напряжение питания этого прибора оказалось все же «довольно высоким», однако специалисты фирмы Toshiba рассчитывают устранить данный недостаток путем регулирования пороговых напряжений транзисторов.

Специалисты фирмы Toshiba Corp. изобрели нагрузочный прибор, который обеспечивает высокую плотность упаковки, свойственную легированным поликремниевым
Рис.3. Специалисты фирмы Toshiba Corp. изобрели нагрузочный прибор, который обеспечивает высокую плотность упаковки, свойственную легированным поликремниевым нагрузочным резисторам, и схемную универсальность, присущую обедненным нагрузочным транзисторам. В экспериментальном статическом К/МОП ЗУПВ емкостью 16*16 бит элементы с такими нагрузками потребляют ток всего 10-10 А/бит.

Другой вариант конструкции, предусматривающий уменьшение размеров МОП-схем, будет описан в совместном докладе специалистов из университета Ватерлоо (пров. Онтарио, Канада) и из фирмы Bell-Northern Research (Оттава, Канада), представленном на 25-е заседание конференции. Предложенная ими конструкция позволяет также получать динамическую логику — и даже аналоговые схемы — и совмещенные схемы, изготавливаемые на разных типах элементов, обеспечивая во всех случаях уменьшение площади на 50%. Идея этой конструкции — использование одного легированного кармана как для обогащенных, так и для обедненных транзисторов; поэтому она получила наименование МОП-прибора в одном кармане. В такой структуре с одним общим карманом два прибора располагаются перпендикулярно друг к другу и имеют общий затвор.

Разработчики этой конструкции уподобляют ее в определенном смысле интегральной инжекционной логике, так как в И2Л-схемах также имеются совмещенные транзисторы, в которых одна и та же диффузионная (или ионно-легиро-ванная) область служит одновременно базой одного транзистора и коллектором другого. К настоящему моменту реализован только экспериментальный вариант такого прибора, выполненный на подложке n-типа. Истоковые и стоковые области обогащенных транзисторов представляют собой области р-типа, тогда как истоки и стоки обедненных транзисторов имеют тот же тип проводимости, что и подложка.

Два доклада японских специалистов на 25-м заседании конференции, будут посвящены специально методам самосовмещения. В одном из них, представленном сотрудниками японской кооперативной лаборатории (Кавасаки), описан метод, который можно считать почти верхом совершенства с точки зрения самосовмещения — речь идет о МОП-технологии с четырехкратным самосовмещением. В этой технологии обеспечивается последовательное совмещение областей глубоких pn-переходов, мелких ионно-легирован-ных потоковых и стоковых областей, контактных окон и поликремниевых затворов. Технологический процесс начинается с формирования поликремниевых затворов, а для совмещения с ними последующих областей структуры приборов используются подтравливание этих затворов и анизотропное ионное травление окисных слоев.

Наивысший уровень миниатюризации

Японские исследователи показали, что по их МОП-технологии с четырехкратным самосовмещением можно изготовить прямоугольный транзистор, длина сторон которого составляет два и три минимальных топологических размера в схеме соответственно. Они считают, что это является пределом миниатюризации транзисторной структуры. Следовательно, при помощи литографии с 1-мкм минимальными размерами можно в рамках данной технологии получить запоминающий элемент площадью 6 мкм2. Это предположение означает также, что на кристалле площадью чуть больше 6 мм2 можно реализовать монолитное динамическое ЗУПВ емкостью 1 Мбит. Это очень маленькая площадь, особенно в сравнении с площадью кристаллов современных динамических ЗУПВ емкостью 64К, ко- торая по крайней мере в три раза больше. На рис.4 приведено сравнение запоминающего элемента с четырехкратным самосовмещением с запоминающим элементом современного ЗУПВ емкостью 64К.

Благодаря использованию четырехуровневого самосовмещения специалисты японской кооперативной лаборатории получили прямоугольные запоминающие элементы,
Рис.4. Благодаря использованию четырехуровневого самосовмещения специалисты японской кооперативной лаборатории получили прямоугольные запоминающие элементы, линейные размеры которых составляют всего 2 и 3 минимальных топологических размера соответственно. По их словам, такой элемент является минимальным по размерам из всех возможных. Показанный выше запоминающий элемент динамического ЗУПВ емкостью 64К выглядит по сравнению с этим самосовмещенным элементом весьма громоздким.

С помощью другой разновидности самосовмещенной МОП-технологии специалисты компании Nippon Electric Co. (также из Кавасаки) изготовили с применением 3-мкм топологических проектных норм функциональный эквивалент микропроцессора 8085 на кристалле размером всего 2,82*3,8 мм (площадью 10,7 мм2). Этот функциональный аналог микропроцессора 8085 работает с тактовой частотой 6 МГц и потребляет всего 300 мВт мощности. В то же время сам современный прибор 8085А-2 фирмы Intel Corp. выполнен на кристалле размером 4,17*5,75 мм, имеет максимальную тактовую частоту 5 МГц и рассеивает мощность 850 мВт.


Рис.5. На этом рисунке проиллюстрирована технология, по которой фирма Nippon Electric изготавливает свой микропроцессор, функционально эквивалентный прибору 8085. После формирования нитридной маски (а) осуществляется полное окисление пленки легированного поликремния. Защищенные маской остающиеся области поликремния (б) образуют истоки, стоки и затворы транзисторов и межсоединения. Затем формируются металлические контакты (в).

На рис.5 показаны три последовательных сечения структуры, иллюстрирующие технологический процесс фирмы NEC. После обычного формирования затворного и защитного окислов в затворном окисле толщиной 30 нм вытравливаются контактные окна, после чего на поверхность кристалла осаждается, легируется и окисляется слой поликремния (а). После этого осаждается, слой нитрида кремния, который затем стравливается со всех областей кристалла, кроме тех, где будут расположены истоки, стоки и затворы транзисторов и межсоединения в слое поликремния.

Главной хитростью процесса является следующая операция (б). В этой операции поликремний полностью окисляется во всех тех областях, которые не защищены нитридом. Но одновременно с окислением легированного поликремния примесь из него диффундирует сквозь контактные окна, образуя истоковые и стоковые области. После этого (в) весь оставшийся нитрид удаляется, на поверхность кристалла химическим способом осаждается из паровой фазы слой окисла, в котором затем вскрываются окна для алюминиевой металлизации. Благодаря наличию полностью термически окисленного поликремния эти окна могут иметь даже большие размеры, чем это необходимо, а также небольшие погрешности совмещения.

Еще один доклад представлен специалистами фирмы NEC на 15-е заседание конференции. Он посвящен динамическому ЗУПВ емкостью 64К, которое благодаря применению молибденовых затворов имеет исключительно малые размеры кристалла. На этом же заседании специалисты компании Texas Instruments Inc. (Даллас) расскажут о том, каким образом им удается изготавливать свои динамические ЗУПВ емкостью 16К и 64К с заземленной подложкой. В частности, они дадут описание своей математической модели МОП-приборов с короткими каналами и объяснят, почему в новых ЗУ они применили 256-цикловую дегенерацию с 4-мс периодом. Подробное описание схемных решений, заложенных в ЗУПВ емкостью 64К этой фирмы, будет представлено ее специалистами на Международной конференции по интегральным схемам, которая состоится в феврале 1980г. в Сан-Франциско.

Фирма TI принимает чрезвычайно активное участие в нынешней конференции по электронным приборам — ею представлено в общей сложности 11 докладов, в том числе два чрезвычайно интересных доклада по биполярной технологии. На 8-м заседании будет сделан доклад о работе одной из исследовательских групп этой фирмы, посвященной биполярной технологии с 1-мкм минимальными размерами элементов, в которой используется метод непосредственного формирования рисунков на пластинах при помощи электронно-лучевой установки с векторным сканированием. С помощью этой технологии специалисты фирмы изготовили вариант своей процессорной секции SBP0400, выполненной на схемах интегральной инжекционной логики.

Результаты получены впечатляющие: площадь кристалла прибора SBP0400 уменьшена с 13,5 до 3,4 мм2. С учетом того, что межсоединения в этой БИС занимают 60% площади кристалла, новая 1-мкм технология обеспечивает плотность упаковки более 1000 вентиль/мм2. Значительно возросло и быстродействие процессора — и это несмотря на то, что в целом технологический процесс и структура прибора были оптимизированы применительно к исходному полноразмерному варианту, а не к варианту с уменьшенными размерами элементов. При токе инжектора 50 мА миниатюризованный вариант процессора SBP0400 работает на частоте около 5 МГц, тогда как исходный полноразмерный вариант прибора с вчетверо большей площадью кристалла — на частоте менее 2 МГц. Более того, по оценкам специалистов фирмы TI, замена в приборе омических контактов контактами Шоттки позволит повысить тактовую частоту примерно до 8 МГц.

На 14-м заседании специалистами этой же компании будет сделан подробный доклад о конструкции Шоттки-транзисторной логики (ШТЛ-схем), которая представляет собой Инвариант диодно-транзисторной логики. В этих схемах для предотвращения насыщения переключательного транзистора и уменьшения задержек, связанных с рассасыванием зарядов, используются диоды с барьерами Шоттки. Фирма TI изготовила несколько вариантов таких схем с минимальными геометрическими размерами элементов от 5 до 1,5 мкм. Ею получены вентили с задержками менее 0,5 нс и величинами произведения мощность*задержка менее 0,05 пДж. Но более интересно то, что фирма TI изготовила и несколько приборов на таких схемах, в том числе генератор четности на 50 вентилей и 16-бит арифметико-логическое устройство, содержащее более 500 вентилей. При их проектировании был использован автоматизированный метод трассировки соединений в матрице ШТЛ-вентилей.

Оказалось, что по плотности упаковки ШТЛ-схемы несколько уступают И2Л-схемам — отставание составляет около 40%. Это связано с площадью, занимаемой в них базовыми резисторами, а также с ограничениями на разводку расположенных наверху и сбоку «земляных» выводов вентилей. Однако при уменьшении гео-метрлческих размеров рабочие характеристики этих схем оказываются исключительно высоки-ким.и: вентили с 1,4-мкм минимальными размерами при напряжении питания 2 В имеют задержки 0,5 не и величину произведения мощностьХзадержка 0,03 пДж.

На том же 14-м заседании будет представлена новая технология изготовления биполярных ИС под названием BEST1{BEST—Base-Emitter Self-aligned Technology} — технология с самосовмещенными эмиттером и базой. Эта технология разработана токийской компанией OKI Electric Industry Co. С помощью метода селективного окисления специалисты этой компании обеспечили повышение плотности упаковки при одновременном снижении потребляемой мощности. Измерения, выполненные на кольцевом генераторе из вентилей токопереключательной логики, изготовленном по данной технологии, показали, что задержка на вентиль составляет 0,65 нc, потребляемая вентилем мощность — 0,6 мВт.

Технология BEST обеспечивает уменьшение площади активной области транзистора на 50% и более по сравнению с обычными транзисторами с базами, ограниченными окисными стенками. Соответственно паразитные емкости транзистора уменьшаются до 0,04 пФ. В этой технологии фирмы OKI, которая основана на использовании поликремния, заложены технические решения, обеспечивающие существенное повышение качества биполярных приборов: эмиттеры транзисторов, пассивные области базы и нагрузочные резисторы формируются с высокой точностью с использованием одной маски; значительное уменьшение размеров базовых областей по сравнению со стандартными технологиями нисколько не мешает формированию эмиттеров, ограниченных окисными стенками; поликремниевые нагрузочные резисторы обладают намного меньшими паразитными емкостями по сравнению с обычными диффузионными резисторами; и даже при использовании 3-мкм литографии можно сформировать 2-мкм эмиттерные области.

Новые разновидности И2Л-приборов

Компания Toshiba Corp. представила на конференцию два доклада, в которых речь идет о новых разновидностях И2Л-схем, технологически совместимых с другими биполярными приборами. Один из докладов, включенный в программу 14-го заседания, посвящен методу создания быстродействующих И2Л-схем совместно с ЭСЛ-приборами. В этом технологическом процессе, проиллюстрированном на рис.6, примесные профили оптимизированы отдельно для каждого из типов приборов, так что все базовые области разных транзисторов формируются с помощью отдельных диффузионных операций. Однако в качестве коллекторов И2Л-тран-зисторов и эмиттеров линейных транзисторов используются n+-области, формируемые в процессе одной и той же диффузии. Данная технология позволяет успешно совмещать на одном кристалле И2Л-структуры и транзисторы для ЭСЛ-схем с предельной частотой 4 ГГц. Фирма Toshiba собирается использовать данный технологический процесс для создания сверхбыстродействующих логических схем — скорее всего это будут синтезаторы частоты с фазовой синхронизацией для телевизионных приемников.


Рис.6. В двух докладах фирмы Toshiba Corp. описано совместное изготовление И2Л-схем со схемами эмиттерно-связанной логики (а) и с высоковольтными транзисторами (б). ЭСЛ-транзисторы имеют граничную частоту 4 ГГц и отлично подходят для телевизионных блоков переклю чения каналов. Пробивное напряжение высоковольтных транзисторов составляет 75 В, что вполне достаточно для управления мощными цепями.

Другой технологический процесс фирмы Toshiba обеспечивает совмещение И2Л-транзисто-ров с высоковольтными аналоговыми транзисторами. Доклад об этой технологии представлен на 8-е заседание конференции. Ее применение позволяет одновременно создавать аналоговые транзисторы с пробивными напряжениями 75 В и быстродействующие И2Л-вентили. Интеграция высоковольтных транзисторов на одном кристалле со стандартными логическими схемами обычно трудна из-за того, что скрытые слои этих двух типов структур должны заканчиваться на разных глубинах. Для решения этой проблемы фирма Toshiba использует структуру с двухдиффузионной базой и легированным фосфором эмиттером n-типа для И2Л-элементов и структуру с однодиффузионной базой и слабо легированным эпитаксиальным коллектором для аналоговых транзисторов. Полученная результирующая структура, показанная на рис.6,б, открывает путь к созданию комбинированных аналого-цифровых БИС.

Столь же высокую активность проявляет фирма Toshiba и в области разработки дискретных мощных транзисторов. На 10-м заседании ее представители сделают доклад о выключаемом тиристоре на 2500 В и 600 А. Этот тиристор, выключаемый по управляющему электроду, недавно привлек к себе большое внимание специалистов благодаря своим преимуществам перед тиристорами, для выключения которых требуется прерывание тока с помощью коммутации или других средств. Новый выключаемый тиристор сможет найти применение во многих преобразовательных и прерывательных схемах, так как он выдерживает броски тока намного лучше биполярных транзисторов.

Задача фирмы Toshiba состояла в том, чтобы найти способ повышения максимального тока своего выключаемого тиристора при сохранении достаточно высоких остальных его рабочих характеристик. Для ее решения было применено уменьшение поверхностного сопротивления базы прибора и ширины эмиттера n-типа, а также использован толстый базовый слой p-типа с очень малой концентрацией акцепторов. Для получения высокого пробивного напряжения специалисты этой фирмы применили новый процесс отжига с повторным осаждением фосфора, обеспечивающий повышение времени жизни носителей в базе прибора.

Мошные МОП-транзисторы — конкуренты биполярных приборов

Тенденция повышения плотности упаковки структур и снижения сопротивлений в открытом состоянии для мощных МОП-транзисторов продолжается. Представленные на 4-е заседание семь докладов по мощным транзисторам дают отличную картину достижений в области мощных МОП- и биполярных приборов. В докладе специалистов компании International Rectifier Corp. (Эль-Сегандо, шт.Калифорния), посвященном мощным МОП-транзисторам, имеется упоминание о разработанной ими так называемой НЕХ-структуре, в которой используется набор отдельных гексагональных полевых приборов.

Коллектив разработчиков фирмы Siliconix Inc. (Санта-Клара, шт.Калифорния) представляет на конференцию подробное описание третьего поколения мощных полевых приборов (так называемых структур с К-затвором), в которых для снижения сопротивления в открытом состоянии обеспечено новое повышение плотности упаковки. Этот V-МОП-прибор имеет сетчатую конфигурацию и, как сообщается, во много раз большую плотность упаковки по сравнению с V-МОП-приборами первого поколения фирмы Siliconix.

В качестве примера возможностей новой технологии авторы доклада приводят прибор, выполненный на кристалле размером 0,19*0,19 см, имеющий следующие характеристики: отношение ширины канала к его длине при площади активной области 0,15 см2 превышает 750 тыс.; пробивное напряжение равно 200 В при сопротивлении в открытом состоянии 0,1 Ом; ток стока равен 50 А при управляющем напряжении на затворе 10 В. Для другого V-МОП-транзи-стора с К-затвором (площадь кристалла 0,14 см2) типовые рабочие характеристики следующие: постоянное напряжение сток-исток 450 В, рассеиваемая энергия 27 мДж без опасности выхода из строя, броски напряжения со скоростью 25 000 В/мкс и переключение в режим с током 5 А и обратно за 30 нc. Приводятся также данные по надежности на 1000 ч наработки на принудительный отказ при 150°С (при обратном смещении 250 В). Новые мощные V-МОП-транзисторы находятся сейчас на стадии освоения в серийном производстве, а начало их выпуска уже запланировано на начало следующего, 1980г.

В связи с вниманием и рекламой, которыми окружены мощные МОП-транзисторы, может показаться, что технология биполярных мощных приборов испытывает затруднения. Но это не так, судя по содержанию доклада, представленного специалистами Центра исследований и разработок компании Westinghouse Electric Co. (Питтсбург, шт.Пенсильвания). В этом заказном докладе, представленном на 4-е заседание, утверждается, что, хотя для биполярных приборов на повышенные мощности требуются заведомо большие площади кристаллов, МОП-приборы в пересчете на единицу площади имеют более значительные потери на прямом сопротивлении. Только в тех случаях, когда рабочая частота настолько высока, чтобы обеспечить меньшие переключательные потери, можно говорить о предпочтительном применении МОП-транзисторов. Особо подчеркивается то обстоятельство, что при анализе зависимости плотности тока от величины прямого падения напряжения для обоих типов приборов оказывается, что у биполярных транзисторов возможности совершенствования этих показателей выше (рис.7).

Если расширить область безопасной работы биполярных транзисторов при обратном смещении так, что не только пробивное напряжение коллектор-эмиттер, но и
Рис.7. Если расширить область безопасной работы биполярных транзисторов при обратном смещении так, что не только пробивное напряжение коллектор-эмиттер, но и пробивное напряжение коллектор-база будут составлять 450 В, то можно существенно увеличить рабочие плотности токов приборов. Предельные характеристики МОП-транзисторов показаны на этом же рисунке пунктиром.

Существует также мнение, что расширение области безопасной работы биполярного транзистора в режиме обратного смещения позволяет значительно повысить его рабочие токи.

Повышение яркости жидкокристаллических индикаторов

На 23-м заседании конференции будут сделаны пять докладов, посвященных различным технологиям изготовления индикаторов, в том числе обзорный доклад специалистов компании IBM Corp. (Кингстон, шт.Нью-Йорк) о плазменных дисплеях переменного тока. В этом обзорном докладе будут рассмотрены различные технологические методы изготовления плазменных дисплеев переменного тока и их конкретные области применения. Будут также рассмотрены вопросы эффективности различных материалов и надежности приборов, а также существующие технологические возможности повышения качества приборов.

В трех других докладах речь пойдет о жидкокристаллических индикаторах, что свидетельствует о быстром совершенствовании и развитии данной технологии. Исследователи лабораторий фирмы Bell (Холмдел, шт.Нью-Джерси) расскажут о новом бистабильном режиме работы с электрической адресацией в полевом нематическом жидком кристалле, который позволит решить проблему обычно весьма жестких ограничений на мультиплексирование, имеющую место для приборов данного класса. Эта проблема сопряжена с необходимостью регенерации изображения. Исследователи этой лаборатории сообщают, что они изготовили преимущественно горизонтальные или вертикальные конфигурации устойчивых нематических жидкокристаллических материалов, обладающие долговременной стабильностью и не требующие обычной в таких случаях регенерации изображения. Эти дисплеи для лучшей оптической различимости изображения могут быть дополнены плеохроическими красителями, а экспериментально полученные величины их контрастностей составили 5:1.

В научно-исследовательских лабораториях компании Hughes (Малибу, шт.Калифорния) разработана исключительно интересная конструкция жидкокристаллического светового затвора. Этот высококачественный прибор из кремния и жидкокристаллического материала был создан для тех областей применения, где требуются обработка оптических сигналов в реальном времени и дисплеи с большим экраном. Прибор состоит из высокоомного монокристаллического кремниевого фотосопротивления и изолирующего слоя двуокиси кремния на нем, обеспечивающего его работу в режиме МОП-структуры. Этот кремниевый элемент и структура с двуокисью кремния связаны с жидкокристаллическим индикатором, работающим в гибридном полевом режиме, с помощью металлокерамического непрозрачного слоя и диэлектрического зеркала. Вся эта структура затем помещается между прозрачными электродами, которые осаждаются на оптически гладкие стеклянные подложки (рис.8).

Этот жидкокристаллический световой затвор был разработан для обработки оптических сигналов в реальном времени и для построения больших дисплеев. В при
Рис.8. Этот жидкокристаллический световой затвор был разработан для обработки оптических сигналов в реальном времени и для построения больших дисплеев. В приборе слой жидкокристаллического материала связан со слоем сульфида кадмия. В усовершенствованном варианте прибора нового поколения слой сульфида кадмия заменен слоем кремния.

Работает такой прибор как модулятор сильного источника света при помощи более слабого источника, расположенного в любом другом месте. По существу, он аналогичен вакуумному триоду, анодное напряжение которого модулируется малым сеточным сигналом. Применение в приборе кремниевого фоторезистора обеспечивает линейность и быстродействие и светочувствительность в широком диапазоне длин волн. В таких приборах легко достигается разрешение в 22 линия/мм, а также контрастность 30:1. При частоте 30 кадр/с уже получена чувствительность до 10 мкВт/см2. Прибор был успешно опробирован при трансляции обычных телевизионных передач.

Уэбстеровский научно-исследовательский центр компании Xerox Corp. (Рочестер, шт.Нью-Йорк) представил доклад об изготавливаемых с помощью фотолитографии матрицах тонкопленочных транзисторов. В нем подчеркнуто, что хотя обычные методы осаждения тонких пленок в высоком вакууме (в сочетании с определяющими их топологию металлическими масками) обладают большей простотой, они ограничивают разрешающую способность, широту и возможности ремонта таких матриц. С другой стороны, применение фотолитографической обработки (при некотором повышении сложности производства) повышает гибкость технологического процесса. Исследователи этой компании изготовили 25 экспериментальных тонкопленочных транзисторов на участке подложки площадью 6,5 см2. Каждый из этих транзисторов имеет длину стороны 0,51 мм, что позволяет разместить вдоль линии длиной 25,4 мм до 50 подобных элементов. В структурах этих транзисторов использованы линии шириной 25 мкм. Результаты данных исследований показывают, что по этому методу можно изготавливать матрицы, пригодные для применения в дисплеях. Элементы таких матриц в зависимости от толщины диэлектрика могут выдерживать напряжения на затворе и стоке величиной до 20 В.

СВЧ-приборы на арсениде галлия

Многочисленные приборы на арсениде галлия, разрабатываемые в лабораториях крупных корпораций, заставили организаторов конференции посвятить им два полных заседания по семь докладов на каждом. В программу 2-го заседания под названием «Аналоговые СВЧ-приборы и интегральные схемы» включено несколько докладов по широкополосным усилителям на арсениде галлия. В докладе фирмы Raytheon Co. (Уолтем, шт.Массачусетс) описан комбинированный четырехтранзисторный блок усиления мощности на четырех полевых GaAs-транзисторах, образующий основу монолитного усилителя Х-диапазона с встроенной 50-Ом согласующей схемой и выходной мощностью 2 Вт. Полоса частот усилителя при неравномерности частотной характеристики 1 дБ равна 1,5 ГГц при усилении 3,3 дБ. При возбуждении усилителя малыми сигналами было получено усиление 5 дБ. Этот усилитель на четырех GaAs-транзисторах представляет собой дальнейшее развитие конструкции, первоначально выполненной на одном, а затем на двух транзисторах. Ее совершенствование было выполнено на базе двух новых схемно-конструктивных решений — перемычек с воздушными зазорами и сквозных контактных отверстий, которые позволили получить заземление с малой индуктивностью.

В докладе специалистов Центра исследований по электронике компании Rockwell International Corp. (Таузенд-Оукс, шт.Калифорния) сообщается о создании монолитных усилителей на арсенид-галлиевых МЕП-транзисторах, имеющих на частоте 10 ГГц усиление от 6 до 7 дБ. Использованные в них экспериментальные арсенид-галлиевые полевые транзисторы изготовлены с помощью электронно-лучевой литографии и представляют собой кристаллы размером 2*8 мм с затворными структурами размером 0,75*300 мкм.

Из двух докладов, представленных на 11-е заседание конференции специалистами корпоративного Центра исследований и разработок компании General Electric Co. (Скенектади, шт. Нью-Йорк), следует, что для изготовления СВЧ ИС годится и такой материал, как кремний на сапфире. В этих докладах речь идет об использовании данного материала для изготовления монолитных усилителей на полевых МЕП-транзисторах для аппаратуры L- и S-диапазонов, в которой требуются малые шумы, широкий динамический диапазон и высокое усиление. Предыдущие попытки изготовления монолитных усилителей оказывались неудачными из-за больших емкостей изолирующих переходов и емкостей между проводниками и подложкой, типичных для монолитных ИС. Решить эту проблему удалось, изготовив полевые МЕП-транзисторы на подложке со структурой кремний-на-сапфире. В результате были получены усилители с высокими коэффициентами усиления — 10,5 дБ на частоте 2 ГГц и 5,5 дБ на частоте 4 ГГц и граничной частотой 4,2 ГГц. В использованных в них транзисторах затворные структуры имеют размер 1 мкм (длина) и 400 мкм (ширина). Линейный динамический диапазон этих приборов превысил 60 дБ, и при усилении 9,5 дБ на частоте 2,25 ГГц коэффициент усиления снижается на 1 дБ, когда мощность повышается до 10 дБм. В рамках данной работы были изготовлены полевые МЕП-транзисторы на КНС-подложках с затворами шириной от 400 до 1600 мкм и длиной 0,75 и 1 мкм. Для формирования металлизации применялись силицид платины, молибден и золото, в области истоков, стоков и каналов МЕП-транзисторов формировались с помощью метода ионной имплантации.

Этот оригинальный транзистор с проницаемой базой обладает на частоте 4 ГГц усилением 13 дБ. Его база представляет собой вольфрамовую решетку с периодо
Рис.9. Этот оригинальный транзистор с проницаемой базой обладает на частоте 4 ГГц усилением 13 дБ. Его база представляет собой вольфрамовую решетку с периодом 0,32 мкм при толщине пленки 30 нм. С помощью эпитаксиального выращивания эта решетка «заделана» в монокристаллический слой арсенида галлия n-типа.

Заседание 16 посвящено арсенид-галлиевым транзисторам и диодам; на нем будет представлен ряд новых конструкций приборов, в том числе оригинальный трехэлектронный прибор, разработанный в Линкольновской лаборатории Массачусетского технологического института (Лексингтон, шт.Массачусетс). Это транзистор с проницаемой базой, опытные образцы которого уже обеспечивали усиление 13 дБ на частоте 4 ГГц (рис.9). В докладе утверждается, что он имеет много преимуществ перед арсенид-галлие-выми полевыми приборами и что в режиме с усилением 9 дБ его уровень шумов составляет 3,5 дБ. База этого транзистора представляет собой молибденовую решетку с шагом 0,32 мкм и толщиной 30 нм, которая «заделана» в эпитак-сиальный монокристаллический слой арсенида галлия n-типа.

Выходные данные:

Журнал "Электроника" том 52, No.25 (577), 1979г - пер. с англ. М.: Мир, 1979, стр.24

Electronics Vol.52 No.25 December 06, 1979 A McGraw-Hill Publication

John G. Posa, Roger Allan. IEDM unveils new highsin speed, power, density, pp.124—130.

Раздел: МЕТОДЫ, СХЕМЫ, АППАРАТУРА

Тема:     Полупроводниковая техника




<<< Пред. Оглавление
Начало раздела
След. >>>

Дата последнего изменения:
Thursday, 21-Aug-2014 09:10:44 MSK


Постоянный адрес статьи:
http://az-design.ru/Support/Archiv/Elc1979/D19791206Elc033.shtml