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Silicio sobre zafiro

Silicio sobre zafiro ( SOS ) es un proceso heteroepitaxial para la fabricación de circuitos integrados (IC ) de semiconductores de óxido metálico (MOS ) que consiste en una capa delgada (normalmente inferior a 0,6  µm ) de silicio cultivado sobre un zafiro ( Al
2oh
3) oblea . SOS es parte de la familia de tecnologías CMOS (MOS complementarias) de silicio sobre aislante (SOI) .

Normalmente se utilizan cristales de zafiro cultivados artificialmente de alta pureza. El silicio generalmente se deposita mediante la descomposición del gas silano ( SiH
4) sobre sustratos de zafiro calentados. La ventaja del zafiro es que es un excelente aislante eléctrico , evitando que las corrientes parásitas causadas por la radiación se propaguen a los elementos del circuito cercanos. SOS enfrentó desafíos iniciales en la fabricación comercial debido a las dificultades para fabricar los transistores muy pequeños utilizados en las aplicaciones modernas de alta densidad. Esto se debe a que el proceso SOS da como resultado la formación de dislocaciones, hermanamientos y fallas de apilamiento a partir de disparidades en la red cristalina entre el zafiro y el silicio. Además, hay algo de contaminación por aluminio , un dopante tipo p , procedente del sustrato en el silicio más cercano a la interfaz.

Historia

En 1963, Harold M. Manasevit fue el primero en documentar el crecimiento epitaxial de silicio en zafiro mientras trabajaba en la división Autonetics de North American Aviation (ahora Boeing ). En 1964, publicó sus hallazgos con su colega William Simpson en el Journal of Applied Physics . [1] En 1965, CW Mueller y PH Robinson fabricaron un MOSFET (transistor de efecto de campo semiconductor de óxido de metal) utilizando el proceso de silicio sobre zafiro en RCA Laboratories . [2]

SOS se utilizó por primera vez en aplicaciones aeroespaciales y militares debido a su resistencia inherente a la radiación . Más recientemente, Peregrine Semiconductor ha realizado avances patentados en el procesamiento y diseño de SOS , lo que permite que SOS se comercialice en gran volumen para aplicaciones de radiofrecuencia (RF) de alto rendimiento.

Circuitos y sistemas

Un microchip de silicio sobre zafiro diseñado por e-Lab [3]

Las ventajas de la tecnología SOS permiten a los grupos de investigación fabricar una variedad de circuitos y sistemas SOS que se benefician de la tecnología y avanzan en lo último en:

Aplicaciones

Los diafragmas de transductores de presión, transmisores de presión y sensores de temperatura de silicio sobre zafiro se fabrican mediante un proceso patentado por Armen Sahagen desde 1985. [11] El rendimiento excepcional en entornos de alta temperatura ayudó a impulsar esta tecnología. Esta tecnología SOS ha sido autorizada en todo el mundo. ESI Technology Ltd. en el Reino Unido ha desarrollado una amplia gama de transductores y transmisores de presión que se benefician de las excelentes características del silicio sobre zafiro. [12]

Peregrine Semiconductor ha utilizado la tecnología SOS para desarrollar circuitos integrados de RF (RFIC), incluidos interruptores de RF , atenuadores de pasos digitales (DSA), sintetizadores de frecuencia de bucle bloqueado de fase (PLL), preescaladores , mezcladores/ convertidores ascendentes y amplificadores de ganancia variable . Estos RFIC están diseñados para aplicaciones comerciales de RF, como teléfonos móviles e infraestructura celular, consumidores de banda ancha y DTV , pruebas y mediciones, y seguridad pública industrial, así como mercados aeroespaciales y de defensa .

Hewlett-Packard utilizó SOS en algunos de sus diseños de CPU , particularmente en la línea de computadoras HP 3000 . [13]

Análisis de sustrato: estructura SOS

La aplicación del crecimiento epitaxial de silicio sobre sustratos de zafiro para fabricar dispositivos MOS implica un proceso de purificación de silicio que mitiga los defectos del cristal que resultan de una falta de coincidencia entre las redes de zafiro y silicio. Por ejemplo, el interruptor SP4T de Peregrine Semiconductor se forma sobre un sustrato SOS donde el espesor final del silicio es de aproximadamente 95 nm. El silicio se rebaja en regiones fuera de la pila de puertas de polisilicio mediante polioxidación y se rebaja aún más mediante el proceso de formación del espaciador de pared lateral hasta un espesor de aproximadamente 78 nm. [ cita necesaria ]

Ver también

Referencias

  1. ^ Manasevit, HM; Simpson, WJ (1964). "Silicio monocristalino sobre sustrato de zafiro". Revista de Física Aplicada . 35 (4): 1349–51. Código bibliográfico : 1964JAP....35.1349M. doi :10.1063/1.1713618.
  2. ^ Mueller, CW; Robinson, PH (diciembre de 1964). "Transistores de silicio de película cultivada sobre zafiro". Actas del IEEE . 52 (12): 1487–90. doi :10.1109/PROC.1964.3436.
  3. ^ "e-Laboratorio". Archivado desde el original el 7 de noviembre de 2006 . Consultado el 12 de noviembre de 2006 .
  4. ^ Culurciello, Eugenio; Andreou, Andreas G. (septiembre de 2006). "Un ADC de aproximación sucesiva de 8 bits, 800 µW, 1,23 MS/s en SOI CMOS" (PDF) . Transacciones IEEE sobre circuitos y sistemas . 53 (9): 858–861. doi :10.1109/TCSII.2006.880021. S2CID  25906118.
  5. ^ Fu, Zhengming; Weerakoon, Pujitha; Culurciello, Eugenio (16 de marzo de 2006). "ADC de silicio sobre zafiro de nanovatios que utiliza una cadena de condensadores 2C-1C" (PDF) . Letras de Electrónica . 42 (6): 341–3. Código Bib : 2006ElL....42..341F. doi :10.1049/el:20060109.
  6. ^ Culurciello, E.; Pouliquén, P.; Andreou, AG (21 a 24 de mayo de 2006). "Modulación de cambio de fase digital para un búfer de aislamiento en CMOS de silicio sobre zafiro". Simposio internacional IEEE 2006 sobre circuitos y sistemas . Simposio internacional IEEE sobre circuitos y sistemas 2006. págs. 3710–3713. CiteSeerX 10.1.1.84.376 . doi :10.1109/ISCAS.2006.1693433. ISBN  0-7803-9389-9.
  7. ^ Culurciello, E.; Andreou, AG (8 de enero de 2004). "Matriz de fotosensores de píxeles digitales CMOS de silicio de 16 × 16 píxeles sobre zafiro" (PDF) . Letras de Electrónica . 40 (1): 66–68. Código Bib : 2004ElL....40...66C. doi :10.1049/el:20040055.
  8. ^ Laiwalla, F.; Klemic, KG; Sigworth, FJ; Culurciello, E. (21 a 24 de mayo de 2006). "Un amplificador de abrazadera de parche integrado en CMOS de silicio sobre zafiro". Simposio internacional IEEE 2006 sobre circuitos y sistemas . Simposio internacional IEEE sobre circuitos y sistemas 2006. págs. doi :10.1109/ISCAS.2006.1693519. ISBN 0-7803-9389-9.
  9. ^ ab Kaya, T.; Koser, H.; Culurciello, E. (27 de abril de 2006). "Un sensor de temperatura de bajo voltaje para micro recolectores de energía en CMOS de silicio sobre zafiro" (PDF) . Letras de Electrónica . 42 (9): 526–8. Código Bib : 2006ElL....42..526K. doi :10.1049/el:20060867.
  10. ^ Culurciello, Eugenio; Pouliquen, Philippe O.; Andreou, Andreas G. (24 de enero de 2005). «Bomba de carga de aislamiento fabricada en silicio sobre tecnología CMOS de zafiro» (PDF) . Letras de Electrónica . 41 (10): 520–592. Código Bib : 2005ElL....41..590C. doi :10.1049/el:20050312.
  11. ^ "Productos transductores de presión de alta temperatura de silicio sobre zafiro".
  12. ^ "Sensores de presión, galgas extensométricas, sistemas de telemetría".
  13. ^ Edwards, Richard C. (septiembre de 1979). "La tecnología SOS produce un sistema informático HP 3000 de bajo costo" (PDF) . Diario de Hewlett-Packard . 30 (9): 3–6 . Consultado el 29 de diciembre de 2021 .

Otras lecturas