Кремний на сапфире

Кремний на сапфире ( SOS ) — это гетероэпитаксиальный процесс металл-оксид-полупроводник (МОП интегральных схем (ИС) производства ) , который состоит из тонкого слоя (обычно тоньше 0,6 мкм ) кремния, выращенного на сапфире ( Al
₂2О
₃ ) вафля . SOS является частью (дополнительных МОП) технологий «кремний на изоляторе» (КНИ) семейства КМОП .

Обычно используются искусственно выращенные кристаллы сапфира высокой чистоты. Кремний обычно осаждается в результате разложения газообразного силана ( SiH
₄ ) на нагретых сапфировых подложках. Преимущество сапфира в том, что он является отличным электрическим изолятором , предотвращающим распространение блуждающих токов , вызванных излучением, на близлежащие элементы схемы. SOS на первых порах столкнулась с проблемами в коммерческом производстве из-за трудностей в изготовлении очень маленьких транзисторов, используемых в современных приложениях с высокой плотностью размещения транзисторов. Это связано с тем, что процесс SOS приводит к образованию дислокаций, двойников и дефектов упаковки из -за различий в кристаллической решетке сапфира и кремния. присутствует некоторое количество алюминия примеси p-типа , легирующей Кроме того, в кремнии, ближайшем к интерфейсу, , от подложки.

История

В 1963 году Гарольд М. Манасевит первым задокументировал эпитаксиальный рост кремния на сапфире, работая в подразделении Autonetics компании North American Aviation (ныне Boeing ). В 1964 году он опубликовал свои выводы вместе с коллегой Уильямом Симпсоном в Журнале прикладной физики . ^{[ 1 ]} В 1965 году К.В. Мюллер и П.Х. Робинсон изготовили МОП -транзистор (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник), используя процесс кремний-на-сапфире в лабораториях RCA . ^{[ 2 ]}

SOS впервые был использован в аэрокосмической и военной промышленности из-за присущей ему устойчивости к радиации . внесла запатентованные достижения в области обработки и проектирования SOS Совсем недавно компания Peregrine Semiconductor , что позволило коммерциализировать SOS в больших объемах для высокопроизводительных радиочастотных (РЧ) приложений.

Схемы и системы

Микрочип из кремния на сапфире, разработанный e-Lab. ^{[ 3 ]}

Преимущества технологии SOS позволяют исследовательским группам создавать различные схемы и системы SOS, которые извлекают выгоду из этой технологии и совершенствуют современное состояние в:

аналого-цифровые преобразователи (прототип нановатта был произведен Yale e-Lab) ^{[ 4 ]}^{[ 5 ]}
монолитные цифровые изоляционные буферы ^{[ 6 ]}
Массивы датчиков изображения SOS-CMOS (одна из первых стандартных матриц датчиков изображения CMOS, способных преобразовывать свет одновременно с обеих сторон кристалла, была произведена Yale e-Lab) ^{[ 7 ]}
патч-кламповые усилители ^{[ 8 ]}
устройства сбора энергии ^{[ 9 ]}
трехмерная (3D) интеграция без гальванических соединений
зарядные насосы ^{[ 10 ]}
датчики температуры ^{[ 9 ]}
ранние микропроцессоры, такие как RCA 1802

Приложения

Датчик давления из кремния на сапфире, диафрагмы датчика давления и датчика температуры производятся по запатентованному процессу Армена Сахагена с 1985 года. ^{[ 11 ]} Выдающиеся характеристики в условиях высоких температур помогли продвинуть эту технологию вперед. Эта технология SOS лицензирована во всем мире. Компания ESI Technology Ltd. в Великобритании разработала широкий спектр датчиков давления и датчиков давления, в которых используются выдающиеся свойства кремния на сапфире. ^{[ 12 ]}

Компания Peregrine Semiconductor использовала технологию SOS для разработки радиочастотных интегральных схем (RFIC), включая радиочастотные переключатели , цифровые ступенчатые аттенюаторы (DSA), синтезаторы частоты с фазовой автоподстройкой частоты (PLL), прескалеры , смесители/ преобразователи с повышением частоты и усилители с переменным коэффициентом усиления . Эти RFIC предназначены для коммерческих радиочастотных приложений, таких как мобильные телефоны и сотовая инфраструктура, потребительское широкополосное соединение и цифровое телевидение , испытания и измерения, а также промышленная общественная безопасность, а также радиационно-стойкие аэрокосмические и оборонные рынки.

Hewlett-Packard использовала SOS в некоторых своих процессорах , особенно в HP 3000 . линейке компьютеров ^{[ 13 ]}

Кремниевые чипы на сапфире, произведенные в 1970-х годах, оказались лучше по производительности, чем их полностью кремниевые аналоги, но это произошло за счет более низкого выхода выхода всего на 9%. ^{[ 14 ]}^{[ 15 ]}

Анализ субстрата: структура SOS

Применение эпитаксиального выращивания кремния на сапфировых подложках для изготовления МОП-устройств включает процесс очистки кремния, который уменьшает дефекты кристалла, возникающие в результате несоответствия решеток сапфира и кремния. Например, переключатель SP4T компании Peregrine Semiconductor изготовлен на подложке SOS, конечная толщина кремния которой составляет примерно 95 нм. Кремний утоплен в областях за пределами стопки поликремниевых затворов путем полиоксидирования и дополнительно утоплен в процессе формирования прокладки боковой стенки до толщины примерно 78 нм. ^{[ нужна ссылка ]}

См. также

Ссылки

^ Манасевит, ХМ; Симпсон, WJ (1964). «Монокристаллический кремний на сапфировой подложке». Журнал прикладной физики . 35 (4): 1349–51. Бибкод : 1964JAP....35.1349M . дои : 10.1063/1.1713618 .
^ Мюллер, CW; Робинсон, PH (декабрь 1964 г.). «Выращенные кремниевые транзисторы на сапфире». Труды IEEE . 52 (12): 1487–90. дои : 10.1109/PROC.1964.3436 .
^ «Электронная лаборатория» . Архивировано из оригинала 7 ноября 2006 г. Проверено 12 ноября 2006 г.
^ Кулурчелло, Эудженио; Андреу, Андреас Г. (сентябрь 2006 г.). «8-битный АЦП последовательного приближения, 800 мкВт, 1,23 Мвыб/с в SOI CMOS» (PDF) . Транзакции IEEE в схемах и системах . 53 (9): 858–861. дои : 10.1109/TCSII.2006.880021 . S2CID 25906118 .
^ Фу, Чжэнмин; Виракун, Пуджита; Кулурчелло, Эудженио (16 марта 2006 г.). «Нановаттный АЦП кремний-на-сапфире с использованием цепочки конденсаторов 2C-1C» (PDF) . Электронные письма . 42 (6): 341–3. Бибкод : 2006ElL....42..341F . дои : 10.1049/эл:20060109 .
^ Кулурчелло, Э.; Пуликен, П.; Андреу, А.Г. (21–24 мая 2006 г.). «Цифровая фазовая модуляция для изолирующего буфера в КМОП кремний-на-сапфире». 2006 Международный симпозиум IEEE по схемам и системам . Международный симпозиум IEEE по схемам и системам , 2006 г., стр. 3710–3713. CiteSeerX 10.1.1.84.376 . дои : 10.1109/ISCAS.2006.1693433 . ISBN 0-7803-9389-9 .
^ Кулурчелло, Э.; Андреу, А.Г. (8 января 2004 г.). «Кремниевый 16 × 16 пикселей на сапфировой цифровой матрице фотосенсоров CMOS» (PDF) . Электронные письма . 40 (1): 66–68. Бибкод : 2004ElL....40...66C . дои : 10.1049/эл:20040055 .
^ Лайвалла, Ф.; Клемич, КГ; Сигворт, Ф.Дж.; Кулурчелло, Э. (21–24 мая 2006 г.). «Интегрированный патч-кламповый усилитель на КМОП кремнии на сапфире» . 2006 Международный симпозиум IEEE по схемам и системам . Международный симпозиум IEEE по схемам и системам , 2006 г., стр. 4054–7. дои : 10.1109/ISCAS.2006.1693519 . ISBN 0-7803-9389-9 .
^ Jump up to: ^а ^б Кая, Т.; Козер, Х.; Кулурчелло, Э. (27 апреля 2006 г.). «Низковольтный датчик температуры для микроустройств сбора энергии на основе КМОП-кремния на сапфире» (PDF) . Электронные письма . 42 (9): 526–8. Бибкод : 2006ElL....42..526K . дои : 10.1049/эл:20060867 .
^ Кулурчелло, Эудженио; Пуликен, Филипп О.; Андреу, Андреас Г. (24 января 2005 г.). «Изолирующий насос заряда, изготовленный из кремния по сапфировой КМОП-технологии» (PDF) . Электронные письма . 41 (10): 520–592. Бибкод : 2005ElL....41..590C . дои : 10.1049/эл:20050312 .
^ «Высокотемпературные преобразователи давления кремний-на-сапфире» .
^ «Датчики давления, тензодатчики, системы телеметрии» .
^ Эдвардс, Ричард К. (сентябрь 1979 г.). «Технология SOS позволила создать недорогую компьютерную систему HP 3000» (PDF) . Журнал Hewlett-Packard . 30 (9): 3–6 . Проверено 29 декабря 2021 г.
^ «Прозрачный процессор найден в старинном компьютере HP — экзотический чип кремний-на-сапфире, обнаруженный на скромной печатной плате флоппи-дисковода» . 21 декабря 2023 г.
^ «Прозрачный чип внутри винтажного флоппи-дисковода Hewlett-Packard» .

Дальнейшее чтение

Кулурчелло, Эудженио (2009). Схемы и системы кремний-на-сапфире, интерфейсы датчиков и биосенсоров . МакГроу Хилл . ISBN 978-0-07-160849-7 . OCLC 459797166 .
Ширрифф, Кен (декабрь 2023 г.). «Прозрачный чип внутри винтажного флоппи-дисковода Hewlett-Packard» . Архивировано из оригинала 04 февраля 2024 г. Проверено 4 февраля 2023 г.

[Manasevit_1964-1] Манасевит, ХМ; Симпсон, WJ (1964). «Монокристаллический кремний на сапфировой подложке». Журнал прикладной физики . 35 (4): 1349–51. Бибкод : 1964JAP....35.1349M . дои : 10.1063/1.1713618 .

[2] Мюллер, CW; Робинсон, PH (декабрь 1964 г.). «Выращенные кремниевые транзисторы на сапфире». Труды IEEE . 52 (12): 1487–90. дои : 10.1109/PROC.1964.3436 .

[Yale_eLab-3] «Электронная лаборатория» . Архивировано из оригинала 7 ноября 2006 г. Проверено 12 ноября 2006 г.

[Yale_1a-4] Кулурчелло, Эудженио; Андреу, Андреас Г. (сентябрь 2006 г.). «8-битный АЦП последовательного приближения, 800 мкВт, 1,23 Мвыб/с в SOI CMOS» (PDF) . Транзакции IEEE в схемах и системах . 53 (9): 858–861. дои : 10.1109/TCSII.2006.880021 . S2CID 25906118 .

[Yale_1b-5] Фу, Чжэнмин; Виракун, Пуджита; Кулурчелло, Эудженио (16 марта 2006 г.). «Нановаттный АЦП кремний-на-сапфире с использованием цепочки конденсаторов 2C-1C» (PDF) . Электронные письма . 42 (6): 341–3. Бибкод : 2006ElL....42..341F . дои : 10.1049/эл:20060109 .

[Yale_2-6] Кулурчелло, Э.; Пуликен, П.; Андреу, А.Г. (21–24 мая 2006 г.). «Цифровая фазовая модуляция для изолирующего буфера в КМОП кремний-на-сапфире». 2006 Международный симпозиум IEEE по схемам и системам . Международный симпозиум IEEE по схемам и системам , 2006 г., стр. 3710–3713. CiteSeerX 10.1.1.84.376 . дои : 10.1109/ISCAS.2006.1693433 . ISBN 0-7803-9389-9 .

[Yale_3-7] Кулурчелло, Э.; Андреу, А.Г. (8 января 2004 г.). «Кремниевый 16 × 16 пикселей на сапфировой цифровой матрице фотосенсоров CMOS» (PDF) . Электронные письма . 40 (1): 66–68. Бибкод : 2004ElL....40...66C . дои : 10.1049/эл:20040055 .

[Yale_4-8] Лайвалла, Ф.; Клемич, КГ; Сигворт, Ф.Дж.; Кулурчелло, Э. (21–24 мая 2006 г.). «Интегрированный патч-кламповый усилитель на КМОП кремнии на сапфире» . 2006 Международный симпозиум IEEE по схемам и системам . Международный симпозиум IEEE по схемам и системам , 2006 г., стр. 4054–7. дои : 10.1109/ISCAS.2006.1693519 . ISBN 0-7803-9389-9 .

[Yale_5-9] Jump up to: ^а ^б Кая, Т.; Козер, Х.; Кулурчелло, Э. (27 апреля 2006 г.). «Низковольтный датчик температуры для микроустройств сбора энергии на основе КМОП-кремния на сапфире» (PDF) . Электронные письма . 42 (9): 526–8. Бибкод : 2006ElL....42..526K . дои : 10.1049/эл:20060867 .

[Yale_6-10] Кулурчелло, Эудженио; Пуликен, Филипп О.; Андреу, Андреас Г. (24 января 2005 г.). «Изолирующий насос заряда, изготовленный из кремния по сапфировой КМОП-технологии» (PDF) . Электронные письма . 41 (10): 520–592. Бибкод : 2005ElL....41..590C . дои : 10.1049/эл:20050312 .

[Sensonetics-11] «Высокотемпературные преобразователи давления кремний-на-сапфире» .

[ESI-Tec-12] «Датчики давления, тензодатчики, системы телеметрии» .

[13] Эдвардс, Ричард К. (сентябрь 1979 г.). «Технология SOS позволила создать недорогую компьютерную систему HP 3000» (PDF) . Журнал Hewlett-Packard . 30 (9): 3–6 . Проверено 29 декабря 2021 г.

[14] «Прозрачный процессор найден в старинном компьютере HP — экзотический чип кремний-на-сапфире, обнаруженный на скромной печатной плате флоппи-дисковода» . 21 декабря 2023 г.

[15] «Прозрачный чип внутри винтажного флоппи-дисковода Hewlett-Packard» .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]