Субмикронные интегральные схемы: элементная база и проектирование. Рындин Е.А - 18 стр.

UptoLike

ВУЗ: 

ТТИ ЮФУ | Таганрог

Составители: 

Рубрика: 

35
тичным изготовление сверхбыстродействующих СБИС с числом элементов более
10
5
на основе GaAs.
2.3. СБИС на основе комплементарных транзисторов Шоттки
2.3.1. Комплементарные ПТШ-элементы с термозависимым источником пи-
тания
Одним из основных недостатков интегральных логических элементов на ос-
нове GaAs является преимущественное использование только каналов n-типа, что
приводит к повышенной мощности и энергии переключения ЛЭ и ограничивает сте-
пень интеграции GaAs-СБИС. В то же время полевые транзисторы Шоттки имеют
целый ряд рассмотренных выше преимуществ по сравнению с МДП-структурами
(см. подразд. 3.3.). Поэтому актуальной задачей является исследование возможно-
стей создания интегральных логических элементов СБИС на основе комплементар-
ных ПТШ.
Решение данной задачи связано с использованием полупроводников, в кото-
рых отношение подвижностей электронов и дырок не столь значительно, как в
GaAs, AlGaAs, InP, InAs, InSb и др. (см. табл. 1, подразд. 3.3.). К числу таких полу-
проводников, наиболее широко используемых в современных СБИС, относится
кремний (Si). Кроме того, перспективными для интегральных схем экстремальной
электроники благодаря значительной ширине запрещенной зоны являются карбид
кремния (SiC) и нитрид алюминия (AlN). Проводятся исследования по использова-
нию в качестве высокотемпературного полупроводника алмаза (С) [37 - 39]. Основ-
ные параметры этих полупроводников приведены в табл. 2.
Важной особенностью является то, что карбид кремния и нитрид алюминия
имеют близкие значения шага кристаллической решетки. Это позволяет эпитакси-
ально выращивать качественные монокристаллические слои SiC на поверхности
AlN, используя AlN в качестве изолирующего диэлектрика (Е
G
= 5,88 эВ, см. табл.
2), и тем самым уменьшать паразитные емкости интегральных полупроводниковых
структур, сократить мощность и энергию переключения, повысить быстродействие
СБИС [38].
Сравнительный анализ данных, приведенных в табл. 1 и 2, позволяет сделать
вывод о том, что основной проблемой создания интегральных логических элементов
на основе комплементарных полевых транзисторов Шоттки (КПТШ) с использова-
нием Si и SiC является обеспечение высокого быстродействия при сравнительно
низких значениях подвижностей носителей заряда. Одним из путей решения данной
проблемы является сокращение длин каналов транзисторов для достижения скоро-
сти насыщения дрейфа носителей в электрических полях высокой напряженности.
Эффективность данного подхода связана с высокими значениями скорости насыще-
ния в SiC, превосходящими этот параметр для Si и GaAs [28, 38]. Кроме того, при
36
сокращении длины канала менее 80 - 100 нм все более заметный вклад в ток ПТШ
вносят баллистические электроны, преодолевающие пространство между истоком и
стоком, не испытывая рассеяния. По мере увеличения баллистической составляю-
щей тока в каналах транзисторов, низкая подвижность оказывает все меньшее влия-
ние на время пролета и на быстродействие ЛЭ.
Таблица 2
Удельная теплопроводность l, ширина запрещенной зоны Е
G
,
подвижности электронов m
n
и дырок m
p
и скорости насыщения электронов v
S
для
различных полупроводников [37 - 40]
Полупро-
водник
l,
Вт/(см·К)
Е
G
,
эВ
m
n
, см
2
/(В·с) m
p
, см
2
/(В·с)
v
S
, см/с
Si 1,4 1,12 1400 600 1,0·10
7
SiC (3C) 3,2 2,39 1268 50 2,0·10
7
SiC (4H) 4,9 3,20 800 70 2,0·10
7
SiC (6H) 4,9 3,02 300 50 2,5·10
7
SiC (15R) - 2,99 500 60 -
AlN 0,3 5,88 300 50 1,5·10
7
C 20,0 5,48 2200 1600 2,7·10
7
С целью сокращения минимальной длины каналов транзисторов, повышения
быстродействия и плотности размещения элементов на кристалле СБИС в [41, 42]
предложены следующие принципы проектирования трехмерных интегральных ло-
гических элементов СБИС на основе комплементарных ПТШ:
- интегральные логические элементы проектируются на основе комплемен-
тарных пар полевых транзисторов Шоттки, конструктивно выполненных в
виде вертикальных “столбиков”, в которых р-канальные ПТШ расположе-
ны над n-канальными (или наоборот). Это позволяет сократить площадь,
занимаемую элементами на кристалле;
- ПТШ как n, так и р-типа имеют вертикальную ориентацию каналов, что
обеспечивает независимость длины канала от разрешающей способности
литографии и позволяет сократить длину каналов, повысить крутизну
ПТШ и быстродействие ЛЭ на их основе;
- каждый «столбик» содержит по две комплементарных пары транзисторов,
что позволяет конструктивно реализовывать двухвходовые логические
элементы на площади, примерно равной площади контактного окна. Дан-
ный принцип обусловлен тем, что именно двухвходовые ЛЭ составляют в
среднем более (70 – 80) % логической структуры большинства современ-
ных СБИС [20];

Страницы