Главная Промышленная автоматика.

"6ых

\/T2

\/Tl\-

Рис. 16.19. Схема буферного каскада на входе (а) [36, 44] и инверторах на комплементарных транзисторах (б)


40 мкм

Рис. 16.20

Рис. 16.20. Выполненная с помощью сканирующего электронного микроскопа микрофотография девятикаскадного кольцевого генератора, использующего инверторы комплементарных ПТ с непосредственными связями с размерами затворов (в мкм) -.1X6 (КГ/), 1X10 (КГ2),1Х5 (УТЗ); Л =14 кОм [37

и наоборот, потому что напряжение на затворе VT2 инвертируется напряжением на затворах VT1 и VT3. Таким образом, получена схема инвертора на квазикомплементарных транзисторах с нулевой рассеиваемой мощностью по постоянному току во втором каскаде при условии, что выходной узел развязан по постоянному току. Кроме того, достигнуто полное разделение выходного узла первого каскада инвертора и любой емкости нагрузки, присоединенной к второму каскаду инвертора. На рис. 16.20 показан де-вятикаскадный кольцевой генератор, состоящий из непосредственно соединенных инверторов на квазикомплементарных транзисторах [37]; он используется в качестве тестового устройства для оценки бьютродействия инвертора.

16.4. СОВРЕМЕННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ НА ПТ С НЕПОСРЕДСТВЕННЫМИ СВЯЗЯМИ

16.4.1. ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ

Легирование п-канальных компонентов на GaAs обычно выполняется с помощью ионной имплантации непосредственно в высокоомную (10* -10* Ом-см) подложку, легированную хромом [8, 10], или в буферный слой, выращенный на подложке эпитаксиальным методом [24, 38]. Максимальная концентрация легирующей примеси для канала переключающего транзистора приблизительно равна 2 • Ю" см". При такой концентрации начинается вырождение полупроводника. Глубина канала обычно составляет около десятой доли микрометра для нормально закрытых, работающих в режиме обогащения транзисторов и нескольких десятых микрометра для нормально открытых, работающих в режиме обеднения транзисторов. Длина затвора была умень-



AuG«

Второй уровень Второй уровень Рис. 16.21. Поперечное сечение пла-Шдинение соедокении ишитори парного инвертора на полевом , V \ уЛервый уровень/.Первый транзисторе с р-и-переходом [8] -уровень

шена фотолитографическими методами до 1 мкм при типичном расстоянии между контактами


й!--f-\JL

Два элемента с непосредственными сток-исток 3-5 мкм. В настоя-

свйзями (РТШ-ПТ с р-п-переходом) щее время усилия направлены

Полуизолирующий GaAs на получение затворов с разме-

рами менее 1 мкм путем электронно-лучевой литографии [39,

40, 41]. Ширина затвора переключающего транзистора составляет 10-20 мкм. Когда ширина меньше этой величины, ток уменьшается быстрее, чем емкость, тем самым снижается быстродействие [24, 39, 42]. Грубая оценка емкости транзистора может быть определена как фиксированная величина: 0,7 фФ/мкмХНмкм, которая для ЛЭ с буферным каскадом равна около 0,7 пФ. Типичный диапазон токов насьпцения составляет 50-150 мкА/(мкм В); он умножается на длину затвора (в мкм) и на квадрат разности напряжения затвора и порогового напряжения при условии, что напряжение затвора превьццает пороговое напряжение [37]. Эти величины соответствуют затвору длиной 1 мкм. На рис, 16,21 показано сечение инвертора на ПТ с непосредственными связями с резистивной нагрузкой.

Основное препятствие в управлении технологическим процессом заключается в достижении воспроизводимости перехода ионно-имплантированной примеси в доноры. Кристаллическая решетка GaAs дает две неэквивалентные позиции замещения для примеси, и поэтому разнообразие дефектов этой кристаллической решетки и связей дефект-примесь больше, чем в кристаллической решетке кремния. Имплантированная примесь (Se, S) может разместиться после отжига в нескольких различных положениях, причем не во всех из них атомы примеси ведут себя как доноры. Отсутствие управления концентрахщей легирования влияет на напряжение отсечки и в результате - на пороговое напряжение. Эта проблема управления особенно серьезна для переключающихся транзисторов логических схем с непосредственными связями и малым уровнем положительного напряжения порога и для транзисторов нагрузки с малым отрицательным порогом. Новые методы производства, такие как лазерный отжиг или кристаллизация аморфных легированных слоев при низкой температуре [43], позволяют надеяться на улучшенное управление поведением имплантированной примеси. Между тем пороговое напряжение может быть приведено к желаемой величине путем удаления GaAs в результате процесса анодирования [29], который останавливается в том случае, когда обедненный слой заключает в себе внутренний легированный слой. В микросхемах на ПТ с непосредственными связями и р-и-переходах уровень легирования после имплантации и отжига определяется измерением в тестовых структурах поверхностного сопротивления и коэффициента Холла. Таким образом, р"-имплантация выполняется для обеспечения желаемого порогового напряжения [37]. Были разработаны схемы, которые при тех же сложностях [44] (см. подразд. 16.4.4) и мощности потребления позволяют изменять пороговое напряжение в больших пределах.

Другая технологическая проблема возникает вследствие обратной диффузии хрома во время отжига после ионной имплантации [45]. По-видимому, обратная диффузия связана с нанесением защитного слоя GaAs, необходимого для предотвращения потерь As. Точная причина и механизм обратной диффузии исследуются. Обедненный хромом поверхностный слой может стать полупроводником и-типа из-за присутствия неконтро-



лируемых примесей, приводя к негарантированной поверхностной проводимости между компонентами схем. Эту проблему можно исключить, улучшая качество кристаллов или осаждая высококачественный эпитаксиальный буферный слой на объемный материал худшего качества перед ионной имплантацией [38]. Микросхемы на ПТ с непосредственными связями могут быть разделены по типу транзисторов (с р-и-пере-ходом или ПТШ), по типу нагрузки (резистор, транзистор, ограничитель тока или ТД) и по использованию вспомогательных цепей.

16.4.2. СРАВНЕНИЕ ПТ С р~и-ПЕРЕХОДОМ И ПТШ

Транзисторы с управляемым переходом имеют более высокую контактную разность потенциалов и поэтому позволяют подавать большее прямое смещение до того, как начнет протекать значительный ток. Таким образом, эти транзисторы обеспечивают более высокий перепад логических уровней, чем ПТШ. Время перехода от напряжения высокого уровня к напряжению низкого уровня пропорционально отношению заряда узла (ьк-з У насыщения транзистора /снас "(зишах ~ зипор

сп ""выхзитахЯзитах ~ зипор 1 уменьшается с увеличением Сзитах- определяет преимущество ПТ с р-и-переходом. С другой стороны, время перехода от напряжения низкого уровня к напряжению высокого уровня обычно ограничивает скоростные качества и задание меньших значений ЦзитахДля ПТШ при работе в режиме перегрузки и уменьшает время нарастания для ПТШ более сильно, чем для ПТ с р-я-переходом при равных С/ S-C/jjx- табл. 16.2 приведены время задержки, мощность рассеяния, произведение потдинздр торые достигнуты для кольцевых генераторов на ПТ с непосредственными связями с длиной затвора около 1 мкм. Почти все микросхемы бьши изготовлены фотолитографическими методами и лишь одна - методом электронно-лучевой литографии. До недавнего времени максимум усилий бьш направлен на технологию изготовления логических элементов на ПТШ; только авторы работы [37] использовали ПТ с р-и-пере-ходом наряду с буферными каскадами на квазикомплементарных транзисторах. Преимущества этого типа буферных каскадов в кольцевом генераторе с коэффициентом разветвления по выходу, равным единице, не очевидны для автора главы, так как обычно генератор работает в режиме перегрузки, что приводит к появлению тока стока выходного узла буферного каскада. Такая необычная схема и использование затвора очень малой ширины не позволяют непосредственно сравнить ПТ с р-л-переходом и ПТШ, основываясь на данных, приведенных в табл. 16.2. Во всех схемах использованы резистивные нагрузки. Однако эти резисторы не всегда могут быть выбраны так, чтобы выполнялось равенство сп~нар приводящее к минимальному времени задержки. Тем не менее исходя из данных табл. 16.2 можно сделать следующие выводы.

1) увеличение напряжения питания до некоторой степени уменьшает время задержки, но существенно увеличивает мощность рассеяния и произведение потдинздр

2) увеличение ширины транзистора уменьшает время задержки, но увеличивает мощность потребления и произведение /потдин зяр-

Уменьшение времени гр и времени fgJJ, в режиме перегрузки бьшо обсуждено в подразд. 16.3.3. Первоначальный линейный диапазон кривой заряда цепей типа RC

нар =0.8W(f3Hmax-f)/(t-H) (16.33)

уменьшается при /дзишах Однако дополнительная постоянная мощность рассеяния при наличии С/д составляет С/п(п"зитахувеличивается квадратич-





0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 [122] 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165

0.0038