научная статья по теме ЭЛЕМЕНТЫ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ СВЧ НА ОСНОВЕ КОМПЛЕМЕНТАРНЫХ СВЯЗАННЫХ КВАНТОВЫХ ОБЛАСТЕЙ Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «ЭЛЕМЕНТЫ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ СВЧ НА ОСНОВЕ КОМПЛЕМЕНТАРНЫХ СВЯЗАННЫХ КВАНТОВЫХ ОБЛАСТЕЙ»

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2015, том 44, № 3, с. 220-227

= СВЧ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ

УДК 621.3.049.774

ЭЛЕМЕНТЫ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ СВЧ НА ОСНОВЕ КОМПЛЕМЕНТАРНЫХ СВЯЗАННЫХ КВАНТОВЫХ ОБЛАСТЕЙ © 2015 г. Б. Г. Коноплев, Е. А. Рындин, М. А. Денисенко

Южный федеральный университет E-mail: rynenator@gmail.com Поступила в редакцию 10.07.2014 г.

Рассмотрен метод построения быстродействующей элементной базы интегральных схем на основе полупроводниковых материалов А BV с использованием принципов комплементарной логики, обеспечивающий повышение быстродействия и степени интеграции интегральных схем СВЧ.

DOI: 10.7868/S0544126915030059

Основу элементной базы современных интегральных схем (ИС) СВЧ составляют быстродействующие гетеропереходные транзисторные структуры (МЕ8БЕТ, НЕМТ, УМТ), характеризующиеся рабочими частотами до сотен гигагерц и реализуемые на основе полупроводниковых материалов АШВУ. Вместе с тем использование в СВЧ-устройствах гетероструктур только с электронной проводимостью приводит к повышенной энергии переключения интегральных элементов и ограничивает степень интеграции СВЧ ИС [1, 2].

В кремниевой интегральной электронике данная проблема успешно решена использованием принципов комплементарной логики. Однако, вследствие того, что в полупроводниковых материалах АШВУ подвижность дырок в десятки раз меньше подвижности электронов [2], использование интегральных элементов на основе транзисторных структур с взаимодополняющими типами проводимости в интегральных схемах СВЧ считается нецелесообразным.

Целью данной работы является разработка метода построения быстродействующей элементной базы интегральных схем на основе полупроводниковых материалов АШВУ с использованием принципов комплементарной логики, обеспечивающего повышение быстродействия и степени интеграции СВЧ ИС.

Основные положения предлагаемого метода построения быстродействующей элементной базы интегральных схем на основе полупроводниковых материалов АШВУ с использованием принципов комплементарной логики могут быть кратко сформулированы следующим образом:

— интегральные элементы строятся на основе наногетероструктур, содержащих связанные квантовые области с взаимодополняющими типами проводимости;

— каждая из связанных квантовых областей определенного типа проводимости граничит с высоколегированными полупроводниковыми областями омических контактов, посредством которых формируется электрическое поле, создающее условия для продольного транспорта носителей заряда в квантовых областях, и осуществляется регистрация состояния связанных квантовых областей и интегрального элемента в целом;

— каждая наногетероструктура со связанными квантовыми областями с электронной и дырочной проводимостью содержит одну или несколько пар управляющих переходов (переходов Шоттки и ^-«-переходов), посредством которых формируется поперечное электрическое поле, управляющее состоянием связанных квантовых областей и интегрального элемента в целом;

— изменение направления поперечного управляющего поля приводит к передислокации максимумов плотности носителей заряда (электронов и дырок) в одну из связанных квантовых областей соответствующего типа проводимости, что обеспечивает изменение соотношений проводи-мостей связанных квантовых областей и, как следствие, изменение состояния интегрального элемента. При этом время задержки интегрального элемента определяется инерционностью поперечной передислокации носителей заряда в связанных квантовых областях и не ограничено временем пролета (временем продольного транспорта) носителей заряда в активной области наногетероструктуры, что обеспечивает выравнивание времени переключения наноструктур с электронной и дырочной проводимостью несмотря на значительную разницу подвижностей электронов и дырок в полупроводниковых материалах АШВУ;

— изменение поперечного управляющего поля выполняется таким образом, чтобы в процессе передислокации максимумов плотности электро-

(а)

(б)

Полуизолирующий GaAs п

Alo.3Gao.7As 5 х 1017 см-3

z-Alo.3Gao.7As

Рис. 1. Наноструктуры с туннельно-связанными квантовыми ямами-каналами с электронным (а) и дырочным (б) типами проводимости (1, 2 — управляющие контакты; 3—6 — омические контакты к квантовым ямам-каналам) [3].

нов и дырок, в любом из состояний интегрального элемента, суммарное число носителей заряда в связанных квантовых областях каждого типа проводимости оставалось практически неизменным. При выполнении данного требования время задержки интегрального элемента не ограничено сравнительно инерционными процессами накопления и вытеснения подвижных носителей заряда в активной области;

— в соответствии с принципами комплементарной логики, интегральные элементы строятся на основе пар связанных квантовых областей с электронной и дырочной проводимостью, управляемых общими управляющими напряжениями и характеризуемых противофазными изменениями проводимости, что обеспечивает минимизацию сквозных токов в стационарных состояниях и в процессе переключения, значительное снижение энергии переключения элементов и потребляемой мощности интегральной схемы в целом;

— функция интегрального элемента определяется вариантом соединения высоколегированных областей омических контактов связанных квантовых областей и управляющих контактов;

— с учетом значительного отношения подвиж-ностей электронов и дырок в полупроводниковых материалах AIIIBV, выравнивание значений проводимости "открытых", обогащенных носителями заряда квантовых областей зоны проводимости и валентной зоны является серьезной проблемой. В рамках предлагаемой методологии данная проблема решается методами зонной инженерии — использованием гетеропереходов с разрывами в валентной зоне, превышающими разрывы в зоне проводимости, что обеспечивает увеличение концентрации дырок в квантовых областях валентной зоны по сравнению с концентрацией электронов в квантовых областях зоны проводимости

и, соответственно, выравнивание сопротивлений данных областей при передислокации в них максимумов плотности носителей заряда.

На рис. 1 схематически представлены наноструктуры с гетеропереходами GaAs/Al0.3Ga0.7As/ Оа8Ь0.^0.9, содержащие туннельно-связанные квантовые ямы-каналы с электронным и дырочным типами проводимости — туннельно-свя-занные наноструктуры (ТСН), которые могут использоваться в качестве основы для различных по функциональному назначению интегральных элементов: логических, коммутирующих, элементов памяти и др. [3].

Основу туннельно-связанной наноструктуры определенного типа проводимости составляют две квантовые ямы ^а8Ъ0.^09), разделенные между собой туннельно-прозрачным Al0.3Ga0.7As-гете-робарьером и имеющие раздельные омические контакты (3, 4и 5, 6на рис. 1) для регистрации состояния квантовой системы. Противофазное управление туннельной передислокацией максимумов плотности носителей заряда между связанными квантовыми ямами осуществляется посредством затвора Шоттки 1 и управляющего р-п-пере-хода 2 на границе с полуизолирующей подложкой, как показано на рис. 1 [3]. Управляющие р-п-пере-ходы выполнены с использованием скрытых эпи-таксиальных слоев п- и р-GaAs. Омические контакты к областям управляющих р-п-переходов 2 выполняются на периферии туннельно-связанных наноструктур и на рис. 1 не показаны. Легированные барьерные области п/р^^^а,)^ отделены от квантовых ям нелегированными /-Al0.3Ga0.7As-спейсерами для ослабления рассеяния подвижных носителей при их продольном транспорте в квантовых каналах на дальнодействующем куло-новском потенциале ионов примесей в барьерных областях. Взаимная изоляция туннельно-

(а)

Цп1 О

Г

т2

(в)

сп

Рис. 2. Схемы инвертора (а), элемента 2И-НЕ/2ИЛИ-НЕ

мяти (г) на комплементарных ТСН.

связанных наноструктур на кристалле выполняется посредством полуизолирующей подложки и периферийных областей аморфизации эпитак-сиальных слоев бором или травлением мезаобла-стей. Металлизированные соединения между ТСН в зависимости от функционального назначения интегральных элементов выполняются в соответствии со схемами элементов. В качестве примера на рис. 2 представлены схемы инвертора, элемента 2И-НЕ/2ИЛИ-НЕ, двунаправленного ключа и ячейки статической памяти на комплементарных ТСН.

На приведенных на рис. 2 схемах туннельно-связанные квантовые ямы-каналы ввиду отсутствия стандартного схемного обозначения условно показаны в виде транзисторов соответствующего типа проводимости, соединенных пунктирными линиями [4, 5].

С целью реализации принципов комплементарной логики в интегральных элементах на основе туннельно-связанных наноструктур с взаимодополняющими типами проводимости, схемы которых приведены на рис. 2, используется концепция противофазных входных и выходных сигналов: в соответствии с рис. 2а, на основе двух ТСН с взаимодополняющими типами проводимости реализуются два инвертора, работающие в

(г)

(б), двунаправленного ключа (в) и ячейки статической па-

противофазе; в соответствии с рис. 2б, при реализации логических вентилей И-НЕ в "противофазной" части элементов туннельно-связанные каналы соединяют по схеме ИЛИ-НЕ; в соответствии с рис. 2в, на двух комплементарных ТСН реализуются два двунаправленных ключа, управляемых сигналами О и работающих в противофа-зе. Концепция противофазных сигналов требует для реализации логических функций вдвое больше каналов по сравнению, например, с кремниевыми элементами на основе принципов комплементарной логики. Однако, использование в ТСН вертикальной интеграции обеспечивает примерно двукратное уменьшение площади, занимаемой элементами на кристалле, по сравнению с планарным расположением квантовых ям-каналов [4].

В ряде случаев с целью уменьшения площади, занимаемой интегральными элементами на кристалле, повышения их быстродействия и расширения функциональных возможностей в рамках предложенной методологии могут быть реализованы конструктивно-технологические варианты наноструктур на основе связанных квантовых областей с взаимодополняющими типами проводимости, отличные от представленных на рис. 1 и рис. 2. Например, реализация быстродействующих двунаправленных коммутаторов возможна

Рис. 3. Четырехконтактный двунапра

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Электроника. Радиотехника»