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硅片邏輯里的疊層III-V射頻布線

稿件來源:今日半導體 責任編輯:ICAC 發布時間:2021-04-20

   韓國的研究人員聲稱,針對柵長超過100nm的RF晶體管,采用硅電路的三維單片集成(M3D),可以實現最高截止頻率和最大振蕩頻率。研究人員認為,III-V材料與硅電路的結合將促進毫米波范圍內的混合信號射頻模擬和數字邏輯功能的發展。

  III-V材料可通過分子束外延(MBE)在磷化銦(InP)襯底上生長。溝道區是砷化銦鎵(InGaAs)勢壘中的砷化銦(InAs)量子阱。這導致25μm柵長(LG)“長溝道”晶體管實現了7950cm2/V-s的有效遷移率,而使用InGaAs溝道的類似晶體管的有效遷移率為5550cm2/V-s。

  使用250°C原子層沉積(ALD)氧化鋁(Al2O3)作為結合層和掩埋氧化物(BOX),將材料翻轉并晶圓粘結到硅上。該結合包括氧等離子體活化和在200℃下在真空中的結合。用各種酸性混合物除去InP生長襯底和蝕刻停止層,得到絕緣體上InGaAs(InGaAs-OI)晶片。

  晶體管的制造始于用磷酸、過氧化氫和水的混合物進行臺面蝕刻。源極/漏極使用非合金鉬/金的歐姆接觸。通過光刻,檸檬酸柵極凹槽蝕刻以及鉑/鈦/金的電子束蒸發形成了LG為125nm的T形柵極。T頭的寬度為400nm。源極-漏極距離為1.7μm。處理溫度被限制為小于250℃。

  125nm LG“短通道”器件的亞閾值擺幅在漏極偏置為0.05V和0.5V時分別為63.7mV/十倍和62.1mV/十倍。這些值接近~60mV /十年的理論極限。相應的開/關電流比為105和106。峰值跨導和最大漏極電流分別為0.5S/mm和650mA/mm。

  研究人員說,柵極泄漏小于10nA/μm,這主要歸因于厚的In0.52Al0.48As勢壘(15nm)和隔離層(3nm)。

  估計源電阻為的475.5Ω-μm。研究人員認為,其中約有78%可以追溯到厚的阻擋層,希望在以后可以減少這種阻擋層。

  使用1-40GHz范圍內的測量來表征頻率性能。使用合適的測試結構評估了寄生元件的影響,并對其進行了修正,以給出“去嵌入”的結果:截止頻率(fT)為227GHz,最大振蕩頻率(fMAX)為187GHz。

  研究人員表示,在給定LG大于100nm的情況下,這些值是M3D RF晶體管中報道的最高值。

  fMAX相對較低歸因于較大的寄生柵極電阻。通過調整T形柵極結構和優化的后退火工藝,可以進一步改善我們在Si上的InGaAs-OI HEMT的fMAX。研究人員還研究了其他小組的科學文獻,該團隊希望能夠通過各種技術來改善RF性能,從而改善當前結果。

  該團隊還對堆疊在硅電路上的III-V器件進行了仿真。研究人員特別關注底部器件電極和金屬線的背柵效應,尤其是在使用接地層減少頂層和底層之間的串擾時。已發現這些背柵效應嚴重影響RF性能,但通過使用較厚的層間電介質(ILD)層可以減少寄生電容,從而可以改善這些背柵效應。 

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