Гомо- и гетероструктуры
Гомопереход − контакт двух областей с разными типами проводимости (или концентрациями легирующей примеси) в одном и том же кристалле полупроводника. Различают переходы типа p-n или n-p, в которых одна из двух контактирующих областей легирована донорами, другая акцепторами, а также (n+-n)-переходы (обе области легированы донорной примесью, но в разной степени; знак + означает большую степень легирования) и (p+-p)-переходы (обе области легированы акцепторной примесью).
Гетероструктура − термин в физике полупроводников, обозначающий выращенную на подложке слоистую структуру из различных полупроводников, в общем случае отличающихся шириной запрещённой зоны. Между двумя различными материалами формируется гетеропереход, на котором возможна повышенная концентрация носителей, и отсюда − формирование вырожденного двумерного электронного газа. В отличие от гомоперехода обладает большей гибкостью в конструировании нужного потенциального профиля зоны проводимости и валентной зоны.
Для роста гомо- и гетероструктур используют разные методы, среди которых можно выделить два основных:
• Молекулярно-пучковая эпитаксия (МПЭ) или молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) − эпитаксиальный рост в условиях сверхвысокого вакуума. Позволяет выращивать гетероструктуры заданной толщины с моноатомно гладкими границами и с заданным профилем легирования. В установках МПЭ имеется возможность исследовать качество плёнок in situ (то есть прямо в камере во время роста). Для процесса эпитаксии необходимы специальные хорошо очищенные подложки с атомарно гладкой поверхностью. Технология молекулярно-пучковой эпитаксии была создана в конце 1960-х годов Дж.Р. Артуром (J.R. Arthur) и Альфредом Чо (Alfred Y. Cho).
• Химическое осаждение из газовой фазы с использованием металлорганических соединений (анг. Metalorganic chemical vapour deposition, MOCVD) − метод получения материалов, в том числе эпитаксиальных пленок полупроводников, путём термического разложения (пиролиза) металлорганических соединений, содержащих необходимые химические элементы. Например, арсенид галлия выращивают при использовании триметилгаллия (CH3)3Ga и трифенилмышьяка (C6H5)3As. В отличие от МЛЭ рост пленки происходит не в высоком вакууме, а из парогазовой смеси пониженного давления (от 2 до 100 кПа).
Первый метод позволяет выращивать гетероструктуры с прецизионной точностью (до атомного монослоя). Второй же не отличается такой точностью, но по сравнению с первым методом обладает более высокой скоростью роста.
За развитие полупроводниковых гетероструктур для высокоскоростной оптоэлектроники российский ученый Жорес Алферов получил Нобелевскую премию по физике в 2000 году. В рамках развития нанотехнологий ведётся активное создание производств, связанных с гетероструктурами, а именно производство солнечных батарей и светодиодов.
13.3 Плёночные и гибридные интегральные схемы: основные понятия
Электронный элемент – это конструктивно самостоятельное образование, выполняющее одну элементарную функцию (резистор, конденсатор, катушка индуктивности).
Электронная схема реализуется на базе многих дискретных частей (запоминающий элемент, усилительный каскад, логический элемент).
Функциональный модуль появляется при соединении нескольких элементарных схем в одну конструктивно законченную сборочную единицу.
Узел – конструктивное объединение нескольких модулей.
Внедрение специальной технологии производства тонких слоев различной проводимости на изоляционной подложке либо целенаправленное изменение проводимости в определенных зонах полупроводникового материала позволило воплотить и объединить разные электрические функции в едином технологическом процессе. При установке такового элемента в корпус с необходимыми выводами получают интегральную микросхему(ИМС). Одна ИМС заменяет несколько элементарных схем, выполненных на базе дискретных частей.
В настоящее время употребляют две разновидности технологических действий производства ИМС: 1) тонкопленочные процессы, 2) полупроводниковые процессы. Так как тонкопленочная технология позволяет изготовлять лишь пассивные элементы, а полупроводниковая ‒ активные элементы, то целесообразно употреблять их комбинацию. Это приводит к созданию гибридных ИМС.
Понятия плёночная технология включает в себя процессы термовакуумного испарения и катодного распыления, а также трафаретную печать.
Планарная технология ‒ совокупность технологических операций, используемая при изготовлении планарных (плоских, поверхностных) полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. Особенность планарной технологии состоит в том, чтобы после завершения каждой технологической операции восстанавливается плоская (планарная) форма поверхности пластины, что позволяет создавать достаточно сложную структуру, используя конечный набор технологических операций.
Планарная технология обеспечивает возможность одновременного изготовления в едином технологическом процессе огромного числа дискретных полупроводниковых приборов или ИМС на одной подложке, что позволяет существенно снизить их стоимость. Также в случае изготовления на одной пластине идентичных приборов параметры всех приборов оказываются близкими. Ограничителем является только площадь подложки, поэтому диаметр подложек по мере развития технологий производства подложек стремятся увеличивать.
Пленочные ИМС имеют подложку (плату) из диэлектрика (стекло, керамика и др.). Пассивные элементы, т.е. резисторы, конденсаторы, катушки и межэлементные соединения, выполняются в виде разных пленок, нанесенных на подложку. Активные элементы (диоды, транзисторы) не делают пленочными. Таким образом, пленочные ИМС содержат лишь пассивные элементы.
Принято различать ИМС тонкопленочные, у которых толщина пленок не более 2 мкм, и толстопленочные, у которых толщина пленок существенно больше. Разница между этими ИМС заключается не столько в толщине пленок, сколько в различной технологии их нанесения. Тонкопленочные ИМС ‒ это схемы, элементы которых совместно с межэлементными соединениями создаются в виде тонких пленок, (проводящих, резистивных, диэлектрических и полупроводниковых) разных материалов, осажденных на общей стеклянной или керамической подложке. Схемы подобного типа изготавливают напылением в вакууме через соответствующие маски. Подложки представляют собой диэлектрические пластинки толщиной 0,5÷1,0 мм, тщательно отшлифованные и отполированные.
При изготовлении пленочных резисторов на подложку наносят резистивные пленки. Если сопротивление резистора не должно быть очень большим, то пленка делается из металлического сплава высокого сопротивления, например, из нихрома. А для резисторов высокого сопротивления применяют смесь сплава металлов с керамикой. На концах резистивной пленки делаются выводы в виде металлических пленок, которые являются проводниками, соединяющими резистор с другими элементами. Сопротивление пленочного резистора зависит от толщины, ширины и длины пленки, её материала.
Удельное сопротивление пленочных резисторов выражают в особых единицах – омах на квадрат, так как сопротивление данной пленки в форме квадрата не зависит от размеров этого квадрата. Действительно, если сделать сторону квадрата, к примеру, в два раза больше, то длина пути тока возрастет вдвое, но и площадь поперечного сечения пленки для тока также возрастет вдвое, следовательно, сопротивление остается без изменения.
Тонкопленочные резисторы по точности и стабильности превосходят толстопленочные, но производство их сложнее и дороже. У тонкопленочных резисторов удельное сопротивление может быть от 10 до 300 Ом на квадрат. Точность их производства зависит от подгонки. Подгонка состоит в том, что резистивный слой каким-либо методом частично удаляется и сопротивление, сделанное умышленно несколько меньшим, чем необходимо, возрастает до требуемого значения. В течение долгого времени эксплуатации сопротивление этих резисторов незначительно меняется.
Толстопленочные резисторы имеют удельное сопротивление от 2 Ом до 1 МОм на квадрат. Их стабильность во времени хуже, чем у тонкопленочных резисторов.
Пленочные конденсаторычаще всего изготавливают с двумя обкладками. Одна из них наносится на подложку, потом на нее наносят диэлектрическую пленку, а сверху размещают вторую обкладку, содержащую, так же как и первая, соединительные проводящие элементы. В зависимости от толщины диэлектрика конденсаторы бывают тонко- и толстопленочными. Диэлектриком традиционно служат оксиды кремния, алюминия либо титана. Удельная емкость может быть от десятков до тысяч пикофарад на квадратный миллиметр, и соответственно этому при площади конденсатора в 25 мм2 достигаются номинальные емкости от сотен до десятков тысяч пикофарад. Точность производства таких конденсатов составляет ± 15 %.
Пленочные катушки делаются в виде плоских спиралей, чаще всего прямоугольной формы. Ширина проводящих полосок и просветов между ними составляет несколько десятков микрометров. Тогда создается удельная индуктивность 10÷20 мкГн/мм2. На площади 25 мм2 можно получить индуктивность до 0,5 мГн. Обычно такие катушки изготавливают с индуктивностью не более нескольких микрогенри. Увеличить индуктивность можно нанесением на катушку ферромагнитной пленки, которая будет выполнять роль сердечника.
Гибридные ИС (ГИС) – интегральные схемы, в которых используются плёночные пассивные элементы и навесные элементы (резисторы, конденсаторы, диоды, транзисторы), называемые компонентами ГИС. Электрические связи между элементами и компонентами осуществляются с помощью плёночного либо проволочного монтажа.
Навесными элементами в микроэлектронике называют миниатюрные, обычно бескорпусные диоды и транзисторы, представляющие собой самостоятельные элементы. Время от времени в гибридных ИС навесными могут быть и некие пассивные элементы, к примеру, миниатюрные конденсаторы с такой большой емкостью, что их нереально выполнить в виде пленок. Это могут быть и миниатюрные трансформаторы. В некоторых вариантах в гибридных ИС навесными являются целые полупроводниковые ИМС. Проводники от транзистора либо от остальных навесных частей присоединяют к подходящим точкам схемы чаше всего способом термокомпрессии (провод при высокой температуре прижимают под большим давлением).
Гибридные ИС изготовливают следующим образом. Сначала подложку тщательно шлифуют и полируют. Потом наносят резистивные пленки, далее ‒ нижние обкладки конденсаторов, катушки и соединительные полосы, после чего ‒ диэлектрические пленки, а потом опять металлические. Навешивают («приклеивают») активные и остальные дискретные элементы, и их выводы присоединяют к подходящим точкам схемы. Схему помещают в корпус и присоединяют к контактным штырькам корпуса. Осуществляют испытание схемы. Затем корпус герметизируют и маркируют, т.е. указывают нужные условные обозначения.
Разновидность гибридных ИС – так называемые микросборки. Обычно они содержат разные элементы, составляющие и интегральные схемы. Особенность микросборок состоит в том, что они являются изделиями частного использования, т.е. изготовляются для конкретного типа аппаратуры. А обычные ГИС представляют собой изделия общего использования, пригодные для разных видов аппаратуры. Иногда микросборками также называют наборы нескольких активных либо пассивных элементов, находящихся в одном корпусе и имеющих самостоятельные выводы. Иначе эти наборы еще называют матрицами.
Дата добавления: 2014-12-04; просмотров: 2534;