книги / Микроструктуры интегральной электроники
..pdfS, В/Вт |
|
|
|
Рис. 1.23. Зависимость |
фототермоЭДС |
S |
||||||
|
|
|
|
структуры Au-n-GaAs от частоты f моду |
||||||||
|
|
|
|
ляции пучка СОг-лазера |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
расчета при значениях |
LT~1= 20 см - 1, |
50 |
||||||
|
|
|
|
см-1 и 20 см-1. Видно, что при всех пи |
Г |
|||||||
|
|
|
|
теория описывает эксперимент, однако най |
||||||||
|
|
|
|
денные значения LT_1 оказываются при |
||||||||
|
|
|
|
мерно |
на |
порядок |
меньше коэффициента |
|||||
|
|
|
|
поглощения а7 |
на |
свободных |
носителях. |
|||||
|
|
|
|
При LT 1==а' теория расходится с экспе |
||||||||
|
|
|
|
риментом |
(штриховая линия на рис |
1 23 е |
||||||
Lt~l— а'=500 см-1). |
В |
ю |
же |
время |
увеличение |
%т |
более |
чем |
в |
10 |
||
раз охлаждением до |
77 |
К |
(от |
0,26 |
до |
3,5 |
см2/с) |
|
не нарушает |
сог |
ласие теории и эксперимента при L-r^Ca7. Поэтому следует предположить, что глубина области, в которой тепло передается от горячих элемронов решетке намного превышает глубину поглощения излучения свободными носителями и
оценить длину |
пробега горячих |
электронов (с |
« 120 мэВ) |
по энергиям |
(£1 мкм). Для |
проверки этого |
предположения |
инжектировали |
горячие элек |
троны в GaAs, прикладывая импульсное напряжение (17=1 В, ти^95 мкс) Измеряли отклик структуры (термоЭДС) от времени задержки (^100 мс) и вычисляли его фурье-спектр. При инжекции в GaAs значение Лт оказалось существенно больше, чем при инжекции в Au толщиной ~20 им, и близко к LTв случае фототермического отклика.
Поскольку как при нагреве излучением, так и при джоулевском нагреве го рячие электроны инжектируются в GaAs с энергией 0,1 —1 эВ, то наблюдаемый эффект можно объяснить рассеянием энергии таких электронов на плазмонах (вероятность этого процесса преобладает над элоктрон-фо'нонным рассеянием в GaAs при л > 1018 см-3) с последующей передачей энергии от плазмониых сте пеней свободы решетке.
Магнитоиндуцированная поляризационно-зависимая баллисти ческая фотоЭДС в МП структуре. Предсказано существование маг нитоиндуцированной поляризационио-зависимой компоненты бал листической фотоЭДС в МП структуре, обусловленной оптическим «выстраиванием» импульсов фотоэлектронов в полупроводнике и неупругостью взаимодействия на границе с металлом [29]. Причи на возникновения данной компоненты состоит в зависимости чис ла и направления движения баллистических «выстроенных» фо тоэлектронов, падающих на границу раздела полупроводник-ме талл, от взаимной ориентации параллельных поверхности векто ров магнитного поля и поляризации света.
1.8.ШУМЫ В МП СТРУКТУРАХ
ВМП структурах главную роль играют два вида шумов: дро бовые и избыточные. Дробовый шум вызывается случайностью про цесса эмиссии электрона, имеющего достаточную энергию для пе рехода из металла в полупроводник и обратно. Избыточные шумы
в МП структуре могут быть связаны с флуктуациями заряда на ПС и глубоких уровнях в ОПЗ полупроводника.
Шумовые свойства МП структур характеризуются относитель ной шумовой температурой (ш> равной отношению мощности шу мов МП структуры к мощности ш}мов активного сопротивления, равного по величине сопротивлению МП структуры:
tm = Я A W kTAf = W 2HkTRAf, |
(1.117) |
||
где A h и AU2 — средние значения квадратов |
флуктуационных то |
||
ков и напряжений; |
R — дифференциальное |
сопротивление |
МП |
структуры (в общем |
случае R eZ). Поскольку избыточные |
шумы |
уменьшаются с частотой пропорционально 1If в большинстве эле ментов на основе МП структур, то они не играют существенной
роли. В связи с этим ограничимся |
анализом дробового шума. Д ля |
дробовых шумов |
|
д7* = 2e/it2 A f, |
(1 И8) |
где /1,2 — сумма прямого и обратного токов, протекающих через МП структуру. Это выражение справедливо вплоть до частот, срав нимых с временем пролета носителей заряда через ОПЗ полупро водника. Используя результаты § 1.2, определим и проанализи руем tm дробового шума МП структур для различных механизмов
токопереноса |
ш - |
|
|
||
Из (1.27) для ВАХ (1.2) с п—п*— 1 получаем |
|||||
<ш = [exp (eU/kT) + |
1] |
2 [(AtT/e) (d In IJdU) + 1] exp (eU/kT) -f |
|||
C |
( ___1 |
|
(1.119) |
||
+ h |
V |
e ' |
dU |
||
)} |
Для МП структуры без учета действия сил изображения на ход потен циала в ОПЗ, туннелирования носителей через ОПЗ и нарушения функции рас
пределения электронов проходящим током |
(1,119) |
преобразуем |
к виду |
||
= (1/2) И + exp ( - |
eUlkT)). |
|
|
|
(1.120) |
Видно, что для МП структур величина tm не зависит от параметров струк |
|||||
тур. Анализ (1.120) показывает, что при отсутствии напряжения |
/га= |
1, при до |
|||
статочно больших прямых |
напряжениях |
= 1/2, |
а при достаточно |
больших |
обратных напряжениях £=ехр(—eU/kT)12, т. е. очень велико и растет с увели чением обратного напряжения.
Для МП структур с учетом действия сил изображения на ход потенциала
в ОПЗ |
|
/ш = (1/2) [exp (eU/kT) + 1] {exp (eU/kT) + |
|
-[- <Pi [exp (eU/kT) — lj/яи (фо— eU)}~1 • |
(1.121) |
Если учесть нарушение функции распределения электронов проходящим то ком, то
1 + |
Яр [(<Ро— eU)/kT]~312 U |
*= (1/2) ехр(— eU/kT) Ь |
(1.122) |
|
1+Ыфо/А:ГГ3/2//о )• |
где Яо=/о“]/ (kT)l6m*s2; s — скорость звука. Учет сил изображения и наруше ния функции распределения приводит к изменению tm. При прямом напряже нии учет этих эффектов приводит к росту fm, а при обратном — к уменьше нию. Случай, соответствующий учету сил изображения, иллюстрируйся рис. 1.24.
Кривая |
/ на этом рисунке |
рассчитана по (1.120), 2 — по (1.141) при |
= |
= 1016 см-3, а 3 —по (1.148) |
при яо=1017 см~3. |
|
|
По |
(1.119)—-(1.122) можно, управляя параметрами полупроводника для |
из |
менения хода потенциала в ОПЗ и условий туннелирования, получать мшш мальные значения tm для конкретных условий работы МП структуры.
В результате экспериментального изучения шумов в МП струк турах установлено, что на низких частотах \tm убывает с ростом частоты и постоянно при достаточно высоких частотах. Кроме то го, /т зависит от тока через МП структуры.
Уменьшение tm с |
частотой подчиняется закону tmo z llfn\ где |
п0 близко к единице, |
а величина tm при низких частотах зависит |
от вида ВАХ. Меньшие tm наблюдаются для МП структур, у кото рых ВАХ характеризуются n æ l . Зависимость величины fm от тока через МП структуру в области низких частот подчиняется закону где m æ 2. Однако наблюдаются и более сложные зависи мости tm от тока, например с зависящим от / значением т . В обла
сти частот, где tm не зависит от частоты, что характерно для дро бовых шумов, изменение tm с напряжением, приложенным к МП структуре, имеет сложный характер. Например, tm с увеличением прямого тока уменьшается, достигает минимума, а затем растет. Эта зависимость качественно описывается рассмотренной теорией дробовых шумов. Действительно, при учете дополнительных шу
мов на последовательном |
сопротивлении |
объема полупроводника |
г получено суммарное |
значение t'm в |
виде f m= {tm+ rlR )l(l + |
+ Г/Д).
Из анализа t'm следует, что t'm имеет минимум при изменении прямого напряжения на МП структуре. Детальное сопоставление экспериментальных результатов с теоретическими показывает, что они совпадают только при достаточно больших токах, а при ма лых токах экспериментальные значения t'm превышают теоретиче ские. Эти зависимости, а также существование избыточных шумов свидетельствуют о том, что шумо
вые свойства МП структур не мо |
£щ |
гут быть объяснены без учета |
|
электронной структуры межфаз |
|
ной границы МП [5]. |
|
Рис. 1.24. Зависимость относительной шумовой температуры tm от напряже ния для МП структуры с фо=0,3 эВ при учете сил изображения
1.9. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ОГРАНИЧЕНИЯ РАЗМЕРОВ МП СТРУКТУР
Для рассмотрения физических ограничений размеров МП струк тур d по [5] используем следующие характерные размеры: шири ну ОПЗ L, длину свободного пробега носителей заряда /, длину волны электрона К. Исходя из соотношения между этими размера
ми, выделяем следующие случаи: 1) |
d > ,L , Ц и для МП струк |
тур размерные эффекты, связанные |
с изменением d, не проявля |
ются. 2) |
d > l y X и характеристики МП |
структур зависят от их |
размеров d. 3) l > d y L>% и проявляются |
баллистический эффект, |
|
изменяется физика работы МП структур |
4) L, d ^ X и проявляют |
ся квантовые эффекты, существенно изменяется физика работы МГ1 структур.
Оценка минимального вертикального размера МП структур. Проведем оцен ку минимального значения L в МП структуре, для которой размерные эффекты, связанные с d, не проявляются. Используем изменение ВАХ с уменьшением L. Как следует из § 1.2—1.3, при уменьшении L возможно изменение вида и па
раметров |
ВАХ, определяемое изменением механизмов токопереноса. |
|
Если |
исходить из критериев диффузионной теории, то минимальная шири |
|
на L не может быть меньше, чем |
|
|
L > / = Зл ип т п vnf8e. |
(1.123) |
Например, для структуры на п-Si при Ь= Ы ширина L должна быть боль ше 0,043 мкм. При меньших L выполняется диодная теория до значений, при которых станет существенным туннелирование носителей через ОПЗ. Туннели рованием можно пренебречь, если £оо=е[(лоЬ2)/(4еоет*)]1/2С&Г. Использо вав д 'я L (1.9), эю неравенство перепишем в виде
L » [(ф0 — eU)'n /kT] (hV2m*Ÿ'" . |
(1.124) |
Значение L можно ощенить, если задать |
{С(фо—eU)li2/àT]( h 2/2m*)l/2/L} = à. |
Например, для МГ1 структур на n-Si если |
<ро—eU =0,5 эВ и 6=0,2, то L— |
=0,05 мкм. Таким образом, пренебрежение туннелированием приводит к дос таточно малым предельным значениям L. Однако следует отметить, что умень шение А, определяемое из условия пренебрежения туннелированием, до еще меньших размеров не является принципиально невозможным. Действительно, как рассмотрено в § 1.2, структуры остаются выпрямляющими. Но существенно из меняется вид ВАХ. Поэтому значения L, полученные из анализа ВАХ, могут
быть |
значительно |
меньшими, чем определяемые по (1 123) и (1.124). При |
ма |
лых L существенными становятся ограничения, связанные с дискретностью за |
|||
ряда |
в ОПЗ. Так, |
при решении уравнения Пуассона и нахождении ср(лс) |
ис |
пользуется предположение о непрерывности заряда в ОПЗ. Но заряд, связан ный с ионизованными примесями, является дискретным. Поэтому введение L возможно при выполнении неравенства L>(/inр)1/3, где яПр — концентрация ионизованных (примесей. Если ппр=Яо, то для L (19) перепишем последнее неравенство в виде L^>/2/2е0е(фо— Если задать значение {[/2/2еое(фо— —eU)]/L} = б, то можно оценить минимальное значение L. Например, для «структуры на n-Si с фо—eU=0,5 эВ при 0=0,2 мкм, L = 0,2 мкм.
Рассмотренное ограничение L, связанное с дискретностью заряда в ОПЗ, определяет минимальное значение L как для ВАХ, так и для ВФХ Отметим,
что ВАХ и ВФХ не претерпевают |
принципиальных изменений для |
L от |
/-< / |
до L>1, но параметры элементов |
на основе МП структур существенно изме |
||
нятся. Так, лавинно-пролетные диоды [26] работают только при |
1^>L, |
т. е. |
при выполнении диффузионной теории, чтобы осуществлялось лавинное размно жение носителей заряда.
Оценка минимальной площади структуры. Для МП структур с определенным минимальным L оценим минимальную площадь структуры, характеристики которой начинают зависеть от ее раз меров. Одним из критериев для определения минимальной площа ди структуры является критерий сохранения плоской конфигура ции ОПЗ. В этом случае для структуры квадратной формы со сто роной d должно выполняться условие d^>L. При L = 0,05—0,2 мкм находим, что d = 0,3— 1 мкм в случае пятикратного превышения d над L. Однако такой критерий не вытекает из физических ограничений уменьшения площади МП структуры: характеристики структуры будут выпрямляющими и при â c b . При их описании (§ 1.2) од номерное приближение нужно заменить на трехмерное. Существует ряд физических ограничений d. Они связаны с тем, что в малых объемах и на малых площадях флуктуирует количество примесей лПр и число поверхностных уровней т соответственно. Поэтому при уменьшении размеров МП структуры флуктуируют параметры, оп ределяющие ВАХ, ВФХ, Е, и становится невозможным создание элементов, обладающих одинаковыми характеристиками.
Флуктуация объемных и поверхностных уровней может приво дить к флуктуации высоты барьера <ро, которая определяет ВАХ, ВФХ и Е. Рассмотрим связь флуктуации высоты барьера с флук туацией числа локальных центров. Вначале проанализируем струк туры, для которых фо задается зарядом на ПС. Такие структуры образуются на Si, GaAs, являющихся материалами элементов ин тегральной электроники. Для МП структур квадратной формы при d~>L в одномерном приближении должно реализоваться ра
венство зарядов на поверхностных уровнях Ni |
и в |
ОПЗ N i= N „pL. |
||
Здесь N i~ d 2riifi, где fi — функция заполнения |
ПС |
с концентраци |
||
ей n,ù Nnp = d 2no. Таким |
образом, ф0 зависит |
как от Ni, так и от |
||
Nap. Предположим, что |
флуктуирует только |
число |
поверхностных |
зарядов Ni. Это приводит к флуктуации фо, величина которой мо жет быть найдена после дифференцирования уравнения для Ns. В результате имеем ЛфоЛро= 2 AÂ^/W,. При справедливости распреде
ления Пуассона дисперсия определяется как V Ni/Ni. Если задать
ся допустимым |
пределом изменения [Дфо/фо]^б, то Дфо/фо = |
= 2/ V tiifid2^ à . |
Откуда находим |
d ^ m V n J i ' |
(1.125) |
Например, при rti=1012— 1013 см-2, соответствующем наблюдаемой плотности ПС в МП структурах (§ 1.4), f*== 1 и 6=0,2, имеем d > > 0 ,0 3 2 —0,1 мкм.
Аналогичное рассмотрение флуктуации концентрации примеси Пгр при постоянном Ni приводит к соотношению Длпр/Лпр=АфоАро. Зазаваясь допустимыми изменениями сро и предполагая справед
ливость___распределения |
Пуассона |
для |
япр, |
имеем |
Дфо/фо = |
|||||
= 1/Т/яо/с(2^ й . Откуда |
определяем |
|
|
|
|
|
|
|||
d > ( l / 8 V3nl0/3)(d/L)l/3. |
|
|
|
|
|
|
(1.126) |
|||
Например, |
при 6 = 0,2, |
Яо^Ю 16—1017 |
см -3, d/L = 1 находим, |
что |
||||||
dja0,07 —0,15 мкм. Эти значения |
несколько |
выше значений, полу |
||||||||
ченных из оценок с учетом флуктуации Ni. |
|
|
|
|
|
|||||
Для МП |
структур |
круглой |
формы (Vo — радиус |
структуры) |
||||||
провезем также оценку минимальных значений L при флуктуации |
||||||||||
V, и л„р (в структуреОПЗ полусферической конфигурации). Шири |
||||||||||
на ОПЗ полусферической |
конфигурации |
/,< связана |
с |
шириной |
||||||
ОПЗ плоской конфигурации L следующим |
соотношением: |
L — |
||||||||
=■-/-<.( l+ (2 Ic /3 L )]1 2. При |
Lc~>r0 |
это |
соотношение принимает |
вид |
||||||
L - - (2/3) 1/2LC(Lc/го)1''2. |
Из |
него |
находим |
Lc= |
(3/2)1/3L(ro/L)1/3. |
|||||
Здесь LC< L |
при тех же остальных условиях, поскольку для |
ком |
пенсации заряда ПС достаточно заряда ионизованных примесей в бплее тонком слое полупроводника, но из объема полусферы. Те перь вместо N t ---NUpL необходимо рассматривать равенство
Nt = (2/3) я «0 ( г* - LI) = (2/3) я я 0 г3 - (3/2)»/* я L? r 0 n0, |
(1.127) |
где Ыл = 2пг20п4{.
Если изменения параметров МП структур определяются флук туацией заряда на ПС, то можно использовать следующее выра
жение, |
связывающее |
изменение JVf с изменением |
<po, ANi/Ni = |
= Ад о/фр. Задаваясь величиной Дфо/фо^б, получаем |
1/"1//2яг2оХ |
||
X яг/г^б . Отсюда |
|
|
|
г0> 0 - 1(2яп</ г)-1/2. |
|
(1.128) |
|
Если |
я, = 1012— 10‘3 |
см-2, Дф0/фо = 0,2, /,-=1, то диаметр струк |
туры должен быть т/к> 0,013 —0,04 мкм. Это значение меньше, чем сторона квадрата d в (2я)~1/2 раз для структуры с ОПЗ плоской конфигурации.
В результате аналогичного рассмотрения влияния флуктуации количества носителей заряда япр на флуктуацию ф0 в МП струк туре с ОПЗ полусферической конфигурации получено, что при принятых предположениях флуктуация я„Р мало сказывается на флуктуации ф0 и, следовательно, флуктуация я пр не определяет минимальных размеров структуры. Из приведенных оценок мини мальных размеров структуры с ф0, определяемой ПС, следует, что минимальные размеры структур с ОПЗ полусферической конфигу
рации меньше, чем структуры с ОПЗ |
плоской конфигурации. |
Д ля структуры с высотой барьера |
фо, задаваемой UK, флукту |
ации количества примесей и заряда на ПС нс определяют мини мальные размеры МП структуры и такая структура с флуктуация ми я„р и Ni может быть сделана сколь угодно малой. Однако
флуктуации пиР или Nlif а также других физических параметров МП* структуры могут проявляться во флуктуациях не только фо, но и других параметров. Поэтому увеличится разброс параметров МП структуры при уменьшении d, приводящий к разбросу па раметров элементов на основе МП структур. Это вызовет ограни чение минимальных размеров МП структуры d.
Таким образом, для рассмотренных примеров физических ог раничений минимальные размеры МП структур изменяются в пре делах 0,06—0,3 мкм.
1.10. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В МП СТРУКТУРАХ ПРИ УМЕНЬШЕНИИ ИХ РАЗМЕРОВ
Решение большинства задач интегральной электроники связа но с уменьшением геометрических размеров элементов, в частно сти, на МП структурах с барьером Шотки выпрямляющих и оми ческих. Для достижения этого требуется не только решение вопро сов технологии изготовления таких МП структур, но и исследование происходящих в МП структурах физических процессов, за висящих от их размеров (см. § 1.9). Рассмотрим результаты ис следования влияния перехода к субмикронным размерам широко использующихся в интегральной элекгронике МП структур Al-n-Si на электрофизические характеристики структур и обуслов ливающие их физические процессы.
Площадь выпрямляющих структур («окай» в SiOs)—5=0,25—0,4 мкм-, перекрытие металлизации иа SiC>2 не более 2—3 мкм. Структуры площадью 101—Ш4 мкм2 формировали методом фоюлитографин в форме квадратов. Струк туры площадью 0,25—16 мкм2 формировали методами электроино-лучевой ли тографии как в форме квадратов, так а в равных им по площади полосок ши риной 0,5 мкм.
Получены следующие результаты. При сравнительно большой площади >10 мкм2 основные параметры (высота барьера Шотки <рв, параметр а, плот ность тока is, удельная емкость Со при £/=0) практически не зависят ог раз меров структуры. При S<10 мкм2 уменьшение площади приводит к изменению параметров, в наибольшей степени выраженному для структур с минимальны ми размерами (5<1 мкм2).
На рис. 1.25 показано изменение вы соты барьера срв в зависимости от пло щади структур А1—Si до (кривая /) и после (кривая 2) воздействия отжига, обусловливающего образование барьера высотой фв = 0,72 эВ для структур пло щадью 5 >10 мкм2. Для структур без отжига понижение фв при уменыые-
Рис. 1.25. Зависимость высоты барьера Шотки от площади структур Al-n-Si: !*- без отжига; 2 —отжиг при *=500°С
Рис. |
1 26. |
Зависимость обратного тока при |
|||
постоянном напряжении |
от |
площади |
|||
структур |
квадратной |
(а) |
и |
полосковой |
|
(б) |
форм: |
|
отжиг при t=500°C |
||
------- |
без отжига;------- |
нии их площади незначительно. С умень шением площади отожженных структур <рв понижается до (рв=0,5—0,53 эВ, что соот ветствует значениям высоты барьера Шотки для неотожженных структур Al-n-Si.
Оценить влияние геометрии структуры на токоперенос можно из рис. 1.26 по зависимости тока / 0оР при U = — 5 В от площади структур с квадратной (а) и полосковой (б) формами. Для отожженных струк
6)тур отклонения от прямой пропор
циональности между током и площадью более значительны (штри ховые линии), чем для неотожженных (непрерывные линии). Д ля структур квадратной формы эти отклонения начинают проявлять ся при большей площади, чем для структур полосковой формы.
Теоретическое рассмотрение роли краевых эффектов в токопереносе в МП структурах [31] показало, что при переходе к субмииронным размерам значительно сужается ОПЗ в полупровод нике вблизи краев структур. Это приводит к увеличению напря женности электрического поля, росту влияния сил изображения и туннельного эффекта, обусловливая экспериментально наблюдае мые изменения .параметров: рост плотности тока и удельной емко сти, уменьшение параметра а. Нарушения плоскостной конфигу рации ОПЗ в 'полупроводнике становятся существенными для по лосковых структур при меньших размерах, чем для квадратных,
что согласуется с представленными |
зависимостями |
(рис. 1.26). |
На характер зависимости параметров отожженных |
структур |
|
А1—Si от их площади и формы может |
также оказывать влияние |
неоднородность границы раздела из-за твердофазного взаимодей ствия кремния с алюминием при отжиге [5].
Таким образом, основные изменения электрофизических харак теристик структур Al-n-Si при переходе к субмикронным размерам связаны с нарушением плоскостной формы ОПЗ вдоль периметра
структуры, обусловливающим особенности в тошпереносе |
через |
|
барьер ОПЗ. Д ля омических структур, образованных |
Al, |
PtSi, |
TiN, W «а n+(p+) -кремнии, размером 0,25 мкм в окнах |
S i0 2 не |
|
однородное распределение тока по площади влияет на |
и зави |
|
симость Rq от S [18]. |
|
|
1.11. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРИМЕНЕНИЯ МП СТРУКТУР
Пол упро®одников ые элементы на основе МП структур широка применяются в радиоэлектронике, вычислительной технике и дру
гих областях [1, 2, 5, 12, 32]. |
Это обусловлено следующими ос |
||
новными |
достоинств а ми таких |
элементов, связанными со свойст |
|
вами |
МП |
структур (§ 1 .1 - 1.8): большим быстродействием, ко |
|
торое |
достигает 10й — 1012 Гц; |
универсальностью и способностью |
выполнять различные задачи; принципиальной простотой техноло гии и ее совместимостью с технологией интегральных схем; малы ми размерами активной области и локализацией ее у поверхности полупроводника; большим теплоотводом от активной области в металл.
Рассмотрим физические принципы выбора типа МП структур для простых (применяется собственно МП структура с барьером Шотки) и сложных (МГ1 структура является одной из активных структур) элементов с барьером Шотки, использующихпотенци альный барьер сро для носителей заряда; зарядные свойства ОПЗ полупроводника; электрическое поле в ОПЗ полупроводника. К простым элементам с барьером Шотки относятся: выпрямитель ный, детекторный и смесительный диоды; стабилитрон; импульс ный, переключающий, умножительный и параметрический диоды; элемент памяти; генераторный, лавинно-пролетный диоды; фото сопротивление; фотодиод; фотоемкость; фотокатод, стимулиро ванный полем; датчики температуры :и давления; счетчик ядерных частиц; холодный катод; солнечные элементы. Сложными элемен тами с барьерам Шотки являются: полевой транзистор с барьером Шотки; поверхностно-барьерный транзистор; биполярный транзис тор с шунтирующим диодом с барьером Шотки; биполярный транзистор с коллектором с барьерам Шотки; МДГ1 транзистор с истоком и стоком с барьером Шотки; инжекционно-пролетный ди од с барьером Шотки; транзистор с металлической базой и МГ1 структурами; ПЗС с барьером Шотки; диод Ганна с барьером
Шотки; |
усилитель бегущей волны с барьером Шоиюи; комбиниро |
|
ванный |
прибор электронная |
лампа — диод Шотки; фототранзис |
тор; полевой фототрапзистор |
с барьером Шотки; электрооптиче- |
ский модулятор; тиристор; акустозлектрические приборы с барье ром Шотки; быстродействующие переключатели с барьером Шотки; датчик температуры на основе МП структуры и элемента Пельтье [1, 31].
Требования к характеристикам МП структур, например, на полупроводниках А3В5 (твердых растворах на основе А3В'5) при их различных использованиях (в СВЧ, оптоэлектронных, цифро вых интегральных схемах и др.) зависят от условий функциониро вания МП структур и технологических процессов изготовления всей микросхемы. Например, к структурам металл — полупроводник А3В5 с барьером Шотки — затворам полевых транзисторов (ПТ), используемым в цифровых интегральных схемах, предъявляется
р яд требований, так как электрические 'свойства диода затвор — исток при обратном напряжении определяют свойства и характе ристики ПТ: 1. Большая высота барьера. Этому требованию удов летворяют МП структуры на GaAs и не удовлетворяют МП струк туры на InP (фи5^0,4 эВ). 2. Однородность <рв как по пластине полупроводника, так и в кристалле микросхемы. 3. Высокое напряжение пробоя и низкие токи утечки при обратном напряже нии, так как последнее определяет шумовые характеристики ПТ с затвором Шотки. 4. Воспроизводимость значений высоты барьера и тока при обратном напряжении, что необходимо обеспечить про стыми операциями управления технологическим процессом изго
товления |
микросхем, |
например, при отжиге омических контактов |
и после |
имплантации |
5. Повышенная временная и термическая |
стабильность характеристик барьера Шотки, что, в частности, на кладывает на границы раздела требование металлургической инертности при проведении других технологических процессов и з готовления микросхем, таких, как отжиг омических контактов и послеимплантационный отжиг.
По типу используемых характеристик МП структур элементы на их основе, перечисленные выше, разделим на три группы. В элементах этих групп используются: 1) нелинейность ВАХ (детек торные, смесительные, умножительные, инжекционно-пролетные диоды, МДП-транзисторы с барьером Шотки и др.); 2) нелиней ность ВФХ и отсутствие подвижного заряда в ОПЗ •полупровод ника (параметрические диоды, варакторы, толевые транзисторы с барьером Шотки и др.) ; 3) электрическое поле в ОПЗ полупро водника (лавинно-пролетные диоды, фотодиоды и др.). Д ля пер вой группы элементов определяющую роль играет ВАХ структу ры. для второй — ВФХ, для третьей — напряженность электриче ского ноля в ОПЗ [см. формулы (1.1), (1.4), (1.8)]. Эти форму лы и результаты оценки минимальных размеров МП структур в элемеш ах трех групп для фундаментальных физических ограниче ний размеров структур (изменение основных физических процес сов, флуктуации заряда и др.) в § 1.9 позволяют определить ог раничения размеров МП структур, связанные с функционировани ем и надежностью элементов (режим работы, радиация и др.). Эти ограничения связаны: со структурой элементов, в которые входят не только МП структуры с барьером Шотки; с получени ем заданных эксплуатационных параметров МП структур; с необ ходимостью стабилизации свойств МП структур при воздействиях напряжения, температуры, радиации и др.
Кроме 'рассмотренных ограничений минимальных размеров МП структур, связанных с функционированием и надежностью МГ1 структур в 'микросхемах, для элементов с МП структурами в мик росхемах существуют схемные и системные ограничения. Эти ог раничения связаны с оптимальным внешним и внутренним разби ением микросхем на кристаллы, на подсистемы, а такж е мощ-
«о