Данилин Б.С. - Вакуумное нанесение тонких плёнок, страница 14

Создание приборов этого типа позволит решить проблему нзготов,чения пленочных интегральных схем на однотшпюм оборудовании, без разгерметизации вакуумного объема, что должно увеличить надежность и упростить задачу автоматизации процесса изготовления интегральных схем. В настоящее время существуют три типа тонкопленочных полупроводниковых приборов: тонкопленочные полевые транзисторы с изолированным затвором (ТПТ), транзисторы на «горячих» электронах и полупроводниковые транзисторы и диоды с р-п переходом.

Тонкопленочные транзисторы изготавливаются последовательным осаждением различных материалов с применением металлических масок. Из всех перечисленных выше типов пленочных активных элементов особое место занимают полевые транзисторы с изолированным управляюшнм электродом. Приборы этого типа, с одной стороны, обладают всеми преимуществами полупроводниковых приборов, как-то; экономичность, отсутствие подогревного катода, малые размеры и др.

С другой стороны, они обладают высоким входным сопротивлением, достигающим благодаря изоляции управляющего электрода 10п ож, что характерно только для электронных ламп, Но этим неограпичпваются преимущества приборов этого типа. Способность ТПТ работать как при положительном, так и при отри-' цательном смешении па управляющем затворе без заметных токов в цепи управляющего электрода позволяет испольэовать их в схемах с непосредственной связью, 69 что ласт возможность зна штельно снизить общее количество элементов схем. Использование же в ТПТ полупроводников с электронной или дырочной проводимостью позволяет получать приборы, противоположно реагирующие на управляющий сигнал одной полярности.

Все это обусловливает широкие, невиданные ранее возможности, открывающиеся перед приборами этого типа в решении различных схемотехнических задач. ТПТ с изолированным затвором представляет собой полупроводниковый триод, действие которого основано на модуляции проводимости пленки полупроводника поперечным электрическим полем. Процесс изготовления ТПТ состоит из следующих этапов: вначале на очищенную и обезгажецную в вакууме изолирующую подложку осаждается пленка полупроводника, затем производится осаждение металлических электродов истока п стока, поверх которых наносится слой изолятора и, наконец, слой металлического затвора, В качестве материала полупроводниковой пленки чаще всего используются поликристаллические пленки сульфида и селенида кадмия, применяются также поли- кристаллические пленки окиси цинка, антнмонида индия, теллурнда кадмия, окиси олова, окиси индия, сульфида свинца н теллура.

В последнее время появились сообщения о создании триодов подобного типа на монокрпсталлнческих пленках кремния, выращенных на кристаллографической плоскости сапфира илн на подложках из окиси алюминия, покрытых составом окислов. Основными требованиями к электрическим свойствам пленок являются высокое поверхностное сопротивление и возможно ббльшая подвижность осцовных носителей заряда. Если первое определяет необходимую толщину й пленки полупроводника в ТПТ, то второе определяет высокочастотные свойства ТПТ.

Для испарения полупроводниковых соединений используются нскоторыеразновидности ячеек Кнудсена, позволяющие получать пленки с более совершенным стехномстрическим составом. Электроды истока и стока должны образовывать с пленкой полупроводника омические контакты. В качестве материалов такцх контактов с пленками сульфида и селенида кадмия используется золото, если контакты истока и стока располагаются под слоем полупроводника, и алюминий, если контакты располагаются по- 70 верх слоя полупроводника. Толщина металлических слоев электродов в истоке и стоке не превышает О,! мк. Основпои трудностью изготовления этих электродов является требование возможно меньшего расстояния между истоком и стоком.

Уменьшение этого расстояния приводит к улучшению усилительных н частотных свойств этих приборов. Однако при приближении расстояния между истоком и стоком к величине, близкой к толщине пленки полупроводника, может произойти изменение в выходных характеристиках прибора из-зз изменения принципа действия ТПТ. 11а практике уменьшение этого расстояния определяется возможностями изготовления масок. В исследуемых в настоящее время ТПТ расстояние между истоком и стоком составляет 7 — 10 хяк.

В качестве изоляции управляющего электрода в ТПТ чаше всего используются моноокись кремния и фтористый кальций, а также А1~0м ВзОм окись цнрко. ния и др. Толщина изолирующего слоя в ТПТ обычно бывает порядка 0,1 .ик. Изоляторы должны иметь высокую диэлектрическую постоянную и электрическую прочность.

Эти качества изоляторов определяют величину заряда, который может управляться затвором, и, следовательно, определяют усилительные свойства ТПТ. Для изготовления затвора используются золото и алюминий. Толщина металла в этом случае не превышает 0,1 мк, При нанесении затвора необходимо, чтобы он не перекрывал электродов истока и стока, так как такое перекрытие приводит к возникновению паразитных входных и выходных емкостей, которые ухудшаю7 частотные свойства ТПТ. Поскольку расстояние между истоком и стоком обычно не превышаег 20 мк, то исключительное значение приобретает качество изготовления, а также точность установки и совмещения масок, Если при пооперационном изготовлении, т. е. прн разгерметизации между операциями вакуумного объема, можно производить совмещение при помощи оптических приборов, то изготовление большого количества таких приборов в пнтсгральных схемах без разгерметизации между отдельными операциями является весьма сложной проблемой.

Следует иметь в впду, что при напылении ТПТ, кроме требований, общих для всей тонкопленочной тсхно- 71 лопш (хорошая адгсзня напыляемых материалов, олизость их коэффициентов термического расширения, отсутствие химических реакций между напыляемыми материалами), особо серьезно встает проблема пассивации поверхности поликристаллнческнх пленок полупроводниковых соедппсипй, выдерживания их точного стсхиометрического состава, а также проблема вырашивания монокрнсталлических пленок полупроводников, Другим перспективным направлением работ по созданию пленочных активных элементов является получение транзисторов на «горячих» электронах, Приборы этого типа используют относительно большую длину свободного пути «горячих» электродов в металлах (несколько сотен ангстрем). Они состоят пз эмиттера, тонкой металлической базы, толщина которой меньше длины свободного пробега «горячих» электронов (порядка 100 А), и коллсктора.

Существуют три принципиальные структуры транзисторов на «горячих» электронах. Онп отличаются в структуре эмпттсра н механизме инжекцип «горячих» электронов в металл базы. Это туннельно-эмиссионный транзистор, транзистор на эмиссии, ограниченной пространственным зарядом, и транзистор с эмиттером Шоттки. В первом случае электроны инжектируются в металлическую базу через тонкий слой изолятора, Во втором случае «горячие» электроны ипжектируются в диэлектрик и затем в металл базы. Поток электронов в этом случае определяется пространственным зарядом, образующимся в диэлектрике у ипжсктируюшего контакта.

В третьем случае «горячие» электроны инжектируются в металлическую базу выпрямлякгшим контактом металл — полупроводник. Пленочные транзисторы на «горячпх» электронах находятся в настоящее время в стадии лабораторных исследований. Их изготовление может быть осуществлено после решения след)чощих задач: обеспечение контроля высот потенциальных барьеров эмиттер — база и база— коллектор, создание методов получения сплошных сверхтонкпх металлических пленок на поверхности пленки полупроводника и точного контроля пх толщины, а также разработки методов получения эффективных коллекторов. Пленочные диоды и транзисторы с р-и переходом образуются путем напыления в вакууме через металлп- 72 чсские маски легированного кремния на участки пленок кремния, выращенных по реотаксиальному методу на керамических подложках.

Легировапие кремния осуществляется одновременным напылением кремния и летн. руюшего вещества. Частотные свойства этих приборов значительно уступают свойствам обычных полупроводниковых приборов из-за значительных затруднений при создании монокристалличсских полупроводниковых пленок со свойствами, приближающимися к свойствам массивного мопокристалла.

1-7, ТОНКИЕ ПЛЕНКИ В ТЕХНИКЕ СВЧ, ОПТИКЕ И ЗАПОМИНАЮЩИХ УСТРОЙСТВАХ Характерной особенностью тонких пленок является постоянство их рабочих характсристик в широком интервале частот Это объясняется тем, что толщина пленок обычно намного меньше глубины проникновения высокочастотных колебаний сантиметрового и даже миллиметрового диапазона. Кроме того, сопротивление однородной металлической пленки постоянному току близко по своему значению к активной составляющей сопротивления пленки току СВЧ.