Р ис. 18. Структура полевого транзистора с диодом Шотки

В область стока – истока вводится примесь n-типа с высокой концентрацией для образования омических контактов металла к этим областям. Область канала под затвором слабо легирована имплантацией на глубину 0,1 – 0,2 мкм. При прямом смещении на затворе, канал открывается для пропускания тока по каналу (режим обогащения). Если барьер Шотки не перекрывает проводящий канал (ширина обедненного слоя меньше толщины n – слоя), то управление транзистором заключается в перекрывании канала при подаче обратного смещения на затвор (режим обеднения). Эти разновидности транзисторов с ДШ являются основными активными элементами ИС на арсениде галлия. Время задержки сигнала на транзисторе с длиной затвора 1 мкм равно 21пс.

Быстродействие ИС на арсениде галлия демонстрируется в разработках ИС сверхоперативных запоминающих устройств (ЗУ объемом 1, 4, 16 К: времена выборки для них составляют 2 – 6 нс. В этом типе схем кремний, однако, не уступает своих позиций; разработаны 1 К БИС СО ЗУ с временем выборки 0,85 – 3 нс. Однако, в арсенид – галлиевых ИС указанное быстродействие достигается при меньшей потребляемой мощности (в 5 – 10 раз).

Из – за различия в уровне сигналов существует проблема стыковки арсенид – галлиевых и кремниевых ИС: для стыковки необходимы специальные буферные схемы – трансформаторы уровней сигналов. Такие буферные схемы снижают эффект от применения ИС на GaAs в кремниевой ЭВМ. Поэтому разрабатываются проекты ЭВМ полностью на арсенид – галлиевых структурах.

Однако не эти проблемы мешают широкому применению арсенид – галлиевых ИС, а общее отставание по фазе технологии ИС на арсениде галлия от технологии ИС на кремнии. Сложности технологии ИС на арсениде галлия связаны с нестабильностью свойств материала при высокотемпературной обработке, с неоднородностью концентрации примеси, высокой плотностью кристаллических дефектов. Разработчики надеются достичь высокой однородности распределения примесей за счет применения для легирования метода ионной имплантации. Особенно большое значение имеет применение методов молекулярной эпитаксии, сыгравшей поистине революционную роль в развитии приборов на материалах А^III В^V .

Схема процесса молекулярно – лучевой эпитаксии необычно проста: это процесс одновременного испарения в вакууме нескольких материалов и осаждение испаренных атомов из атомных (или молекулярных) пучков на нагретую монокристаллическую подложку.

9. Приборы с зарядовой связью

П риборы с зарядовой связью (ПЗС) представляют собой ряд связанных простых МДП-структур, сформированных на одной общей подложке полупроводникового материала (рис.19).

Рис. 19. Структура ПЗС

Металлические электроды в этих структурах могут образовывать отдельные параллельные линии или матричную регулярную систему, в которой расстояние между соседними электродами достаточно малы и составляют 1 – 3 мкм. Такие расстояния между электродами приводят к взаимовлиянию соседних МДП-структур и являются определяющими в работе всего устройства.

Принцип действия ПЗС заключается в следующем. Если к любому металлическому электроду ПЗС, изготовленного на подложке из кремния n – типа, приложить отрицательное напряжение, то под действием возникающего электрического поля электроны, являющиеся основными носителями заряда подложки, уходят от ее поверхности в глубь полупроводника. У поверхности образуется обедненная область, которая на энергетической диаграмме представляет собой потенциальную яму для неосновных носителей – дырок. Попадающие каким – либо образом в эту область дырки притягиваются к границе раздела диэлектрик – полупроводник и локализуются в узком поверхностном слое.

Если к соседнему электроду приложить отрицательное напряжение большой амплитуды, то под ним образуется более глубокая потенциальная яма и дырки переходят в нее. Прикладывая к различным электродам ПЗС необходимые управляющие напряжения, можно обеспечить как хранение зарядов в тех или иных приповерхностных областях, так и направленное перемещение зарядов вдоль поверхности от одной структуры к другой.

Введение зарядового пакета может быть осуществлено либо с помощью

р-n - перехода, расположенного вблизи крайнего электрода ПЗС, либо сверхгенерацией. Таким образом, ПЗС представляет собой устройство, в котором внешняя информация (электрические или световые сигналы) преобразуются в зарядовые пакеты передвижных носителей заряда, размещаемые определенным образом в приповерхностных областях, а обработка информации осуществляется управляемым перемещением этих пакетов вдоль поверхности.

Важным конструктивно – технологическим достоинством ПЗС является простота их изготовления, что дает возможность создавать многоэлементные устройства с числом элементов 10⁶-10¹⁶, высокой степенью интеграции (10⁵ элементов на одном кристалле) и высокой плотностью упаковки (более 10⁵ бит/см ), с малым числом внешних выводов. Незначительное число фотолитографических, термодиффузионных, эпитаксиальных и других операций, используемых при изготовлении ПЗС, позволяет создавать приборы этого класса с малыми затратами, высокой эффективностью и качеством.

При производстве ПЗС большие трудности возникают в технологическом процессе получения диэлектрических пленок, в которых отсутствуют проколы, а также металлических электродных шин без коротких замыканий. Важнейшей технологической задачей является получение узких 1,5 – 2 мкм зазоров между электродами. В структурах ПЗС с многослойными кремниевыми затворами трудно получить высококачественный изолирующий диэлектрический слой между всеми уровнями поликремния.

По технологическому признаку ПЗС можно разделить на две группы: поверхностные и объемные. Поверхностные ПЗС имеют обычно диффузионные или ионно-легированные области в равномерно легированной подложке.

Объемные ПЗС включают МДП – затворы, р-n переходы и переходы Шотки.

ПЗС первой группы имеют одинаковую толщину диэлектрического слоя под всеми металлическими шинами и ступенчатую, в которой диэлектрический слой последовательно изменяет свою толщину. Ступеньки в диэлектрическом слое получают методом локального травления, а узкие зазоры между металлическими электродами формируются с помощью косого напыления металла на определенные участки поверхности подложки, при котором ступеньки диэлектрика маскируют (затеняют) определенные места на подложке. Величина зазора при таком способе напыления управляется изменением величины угла нанесения металла.

Т ехнологический процесс изготовления ПЗС со ступенчатым диэлектрическим слоем состоит в следующем. На кремниевую подложку (рис.20а) осаждают слой SiO2 толщиной 320 нм, на которой в свою очередь осаждают слой Al2O3 толщиной 100 нм, а затем снова слой SiO2 толщиной 200 нм.

Рис.20. Технологический процесс изготовления ПЗС

С помощью фотогравировки вытравливают области под нижние затворы. Затем стравливают участки окисла кремния, незащищенные слоем Al2O3, в результате чего в пластине кремния образуются выступы глубиной 100 – 150 нм.

На полученную после травления структуру наносят слой Al2O3 толщиной 50 нм (рис.20 б). В результате такого осаждения края пленки Al2O3 нависают над выемками на расстоянии 250 нм. После этого проводят осаждение слоя титана толщиной 50 нм и слоя палладия толщиной 100 нм. Так как общая толщина слоя меньше высоты ступенек в диэлектрике, то затворы над толстым и тонким диэлектриком не соединяются между собой (рис.20 в). Последним этапом является осаждение толстых слоев золота (рис.20 г), которые служат металлическими затворами ПЗС.

Устройство и физика работы ПЗС определяют целый ряд интересных и полезных (а нередко и уникальных) особенностей этих приборов. К числу важнейших функциональных особенностей ПЗС относят возможность хранения зарядовой информации и ее направленной передачи вдоль поверхности полупроводника; возможность преобразования светового потока в электрический заряд и последующего его считывания – сканирования. Достоинством ПЗС является малая потребляемая мощность 5 –10 мкВт/бит (в режиме передачи информации) и практически полное отсутствие затрат энергии в режиме хранения, что обусловлено МДП – структурой этих устройств. Простота конфигурации и регулярность системы элементов в ПЗС ведет к тому, что быстродействие этих приборов может быть очень высоким.

Эти свойства открывают широкие перспективы для разнообразных применений ПЗС в неоптоэлектронной и оптоэлектронной областях.

В неоптоэлектронной области ПЗС используются для построения разнообразных устройств обработки цифровой и аналоговой информации. Разработаны сдвиговые регистры, ОЗУ, логические схемы, линии задержки.

В оптоэлектронной области ПЗС используются для создания безвакуумных полупроводниковых формирователей изображения. Присущее им самосканирование позволяет избавиться от громоздких и ненадежных высоковольтных вакуумных трубок со сканированием электронным лучом.