Главная Промышленная автоматика.


Рис. 18.5. Многослойная полупроводниковая структура (а) и ее зонная диаграмма {6)

Потенциальная има

Запрещенная зона

Граница . ьапентнои зоны

Расстояние

управляемыми составом и концентрацией легирующих примесей. Действительно, такие приборы характеризуются высоким качеством кристаллической решетки, обладают новой периодической структурой и в некоторых случаях при обеспечении селективного легирования слоев могут быть рассмотрены как одномерные сверхрешетки (рис. 18.5) [16,29-32].

Молекулярно-лучевая эпитаксия позволяет прекрасно управлять пространственной структурой изготавливаемого прибора, что обеспечивает базу для перехода к технологии создания материалов или приборов нового типа, имеющих такую архитектуру, при которой электрические свойства зависят от влияния эффектов, обусловленных чрезвычайно малыми размерами элементов. Например, было показано [16], что в одном гетеропереходе или в структуре из многих гетеропереходов с селективным легированием типа беспримесного нелегированного GaAs-«-AlGaAs электроны переходят из широко-зонного полупроводника (и-AlGaAs) в узкозонный (GaAs), образуя двумерный электронный газ, в котором электроны пространственно отделены от породивших их атомов доноров и могут иметь очень высокую подвижность, большую, чем в обычном легированном GaAs. Несколько раньше бьшо обнаружено [43], что в таких структурах возможен пространственный перенос электронов из области двумерного электронного газа соответствующей потенциальной ямы в соседний слой широкозонного полупровод-кика с последующим уменьшением скорости дрейфа за счет процессов диффузии и влияния рассеяния в слое с малой подвижностью [ЗЗ], если вдоль слоя двумерного электронного газа приложено электрическое поле, ускоряющее и разогревающее электроны (рис. 18.6). Предсказано, что такой неравновесный процесс может привести к

Напряженность эпектрического попя


I Высокая подвижность (GaAsl

Скорость

AlxGa,.jAs GaAs AljGa,.2.As Низкая Высош Низкая подвиж- подОиж- подвижность ность ность

Рис. 18.6. Перенос в реальном пространстве


напряженность зпектрического поля

Рис. 18.7. Возникновение отрицательной дифференциальной подвижности из-за переноса носителей в реальном пространстве



появлению отрицательной дифференциальной подвижности (рис. 18.7). Благодаря специфичной форме зонной диаграммы такой полупроводниковой структуры и существенной чувствительности отрицательной дифференциальной подвижности к ее изменению можно осуществить эффективное управление движением электронов вдоль гетероперехода перпендикулярно сформированной одномерной сверхрещетке.

Высокая подвижность носителей зарада в гетероструктурах с селективным легированием уже используется для улучшения характеристик GaAs приборов СВЧ диапазона. Кроме того, гетероструктуры GaAs-AlGaj xAs-GaAs, имеющие очень тонкий слой AljGajAs и ступенчатую форму зонной диаграммы, могут быть использованы для создания выпрямительных приборов [34].

При дальнейшем развитии кристаллических многослойных гетероструктур их применение в электронике может дать существенные преимущества и даже может привести к созданию трехмерных гетероструктур. Последнее будет возможным, если успешное развитие методов литографии и ионной имштантации позволит получать в слоях вертикальные области, подобные изолирующим р~п-переходам.

Такое применение молекулярно-лучевой эпитаксии в технологии изготовления кремниевых приборов и, что предположительно еще важнее, развитие методов графоэпитак-сии [35] открьшают больщие потенциальные возможности в создании многослойных трехмерных полупроводниковых структур. Ранее в графоэпитаксии использовалась техника литографии для обеспечения высокого качества канавок и выемок в плавленом кварце, который затем покрьшался аморфным кремнием. Последующее применение лазера для кристаллизации аморфного кремния позволяло получить кристаллическое покрытие, ориентированное вдоль выемок. Такой метод страдал недостаточной совме-щаемостью горизонтальных слоев и вертикальных участков кремниевого кристаллического слоя. Более поздние исследования показали, что использование медленной рекристаллизации существенно улучшает процесс кристаллизации. В принципе графоэпитаксия может дать возможность создать слоистые полупроводниковые структуры типа изолятор-полупроводник, которые, если удастся изготовить межслойные соединения определенной конфигурации, станут основой действительно трехмерных ИС.

Эти исследования имеют революционный характер, так как указывают пути получения материалов со свойствами, управляемыми на атомном уровне, позволяющими создавать трехмерную конфигурацию схем. Необходимо отметить в данном случае, что должны быть также исследованы возможности совместного использования кремния и арсенида галлия для изготовления схем на одной подложке,

18.5. СЛОЖНОСТЬ И СИСТЕМЫ

До сих пор мы исследовали частные аспекты проблемы создания ИС, содержащих элементы размерами менее I мкм, связанные с особенностями поведения отдельно взятых приборов. Однако если заглянуть вперед, то становится очевидной важность некоторых общих вопросов системотехники сверхбольших интегральных схем, порождающих новые проблемы, которые, в свою очередь, приводят к выявлению возможностей существования новых физических эффектов и принципиально новых элементов и системотехнических подходов к реализации таких схем. При этом может появиться возможность выхода на уровень сложности выполняемых функций, аналогичный биологическим системам. Эти новые особенности зависят от многоэлементного характера интегральных схем такого уровня интеграции и возможностей межэлементных соединений [6-9].



18.5.1. ПРИЩИП ДЕКОМПОЗИЦИИ И ЕГО НЕСОСТОЯТЕЛЬНОСТЬ

Предсказание характеристик приборов с учетом их размеров приводит к особенным физическим последствиям для принципа декомпозиции или выделения отдельных элементов системы, который прежде всего отражает понимание методов проектирования, основанных на представлениях дискретной электроники. Принцип декомпозиции базируется на предположении, что система состоит из набора дискретных элементов, каждый из которых в интегральной схеме окружен изолирующей областью и имеет соединения с другими элементами сетью изолированных межслойных соединений. Существует четыре уровня декомпозиции. На микроскопическом уровне предполагается, что перенос носителей зависит от отдельно действующих физических процессов, каждый из которых можно описать, например, такими параметрами, как время рассеяния, время свободного пробега и среднее время переноса носителей. На локальном уровне предполагается, что каждый прибор может быть разделен на независимые соприкасающиеся и однородные области (например, канал, затвор, исток, сток и т.д.). Каждая такая область описывается характеристиками, которые косвенным образом зависят от ее размеров и геометрии. Следующий, третий уровень декомпозиции соответствует тому случаю, когда прибор разбивается на части, связанные между собой только по их границам. Таким образом, перенос носителей в канале транзистора, например, не будет непосредственно воздействовать сам или подвергаться воздействиям окружающих канал контактов, поддожки, границы канала с подложкой или изолирующих областей. На глобальном уровне приборы могут только взаимодействовать через межслойные соединения. Если придерживаться такого деления, то интегральная схема будет эквивалентна локальной дискретной системе, функционирование которой полностью определяется топологией соединений и моделями ее элементов.

Современный подход к проектированию состоит в попытке сохранить принцип декомпозиции при условии перехода к малым размерам элементов. Хотя возражения против принципа декомпозиции и были повсеместно приняты, такой подход позволил, например, учесть и минимизировать паразитный эффект Миллера и влияние паразитных емкостей узлов пересечений при проектировании межслойных соединений. Однако при создании СБИС проблема обеспечения изоляции элементов и межслойных соединений усложняется и обостряется с повышением степени интеграции, уменьшением длины соединений и с переходом к более регулярной структуре. Очевидно, применение принципа декомпозиции потерпело неудачу вначале на микроскопическом и локальном уровнях в основном из-за существенного увеличения отношения площади поверхности к объему, занимаемым активными приборами.

Некоторые примеры, приводимые ниже, послужат иллюстрацией известных и предполагаемых недостатков принципа декомпозиции в применении к проектированию систем, содержащих элементы с размерами менее 1 мкм. На локальном уровне уже не выполняется неравенство т>т>Гр даже для приборов средних размеров. Поэтому они работают в пролетном режиме,





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