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Silicio sobre zafiro

El silicio sobre zafiro ( SOS ) es un proceso heteroepitaxial para la fabricación de circuitos integrados (CI) de metal-óxido-semiconductor (MOS) que consiste en una capa delgada (normalmente más delgada que 0,6  μm ) de silicio cultivada sobre un zafiro ( Al
2Oh
3) oblea . SOS es parte de la familia de tecnologías CMOS (MOS complementarios) de silicio sobre aislante (SOI) .

Por lo general, se utilizan cristales de zafiro de alta pureza cultivados artificialmente. El silicio se deposita normalmente mediante la descomposición del gas silano ( SiH
4) sobre sustratos de zafiro calentados. La ventaja del zafiro es que es un excelente aislante eléctrico , que evita que las corrientes parásitas causadas por la radiación se propaguen a los elementos del circuito cercanos. SOS enfrentó desafíos tempranos en la fabricación comercial debido a las dificultades para fabricar los transistores muy pequeños que se usan en las aplicaciones modernas de alta densidad. Esto se debe a que el proceso SOS da como resultado la formación de dislocaciones, fallas de maclado y apilamiento a partir de disparidades en la red cristalina entre el zafiro y el silicio. Además, hay algo de contaminación de aluminio , un dopante de tipo p , 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 sobre 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 de metal-óxido-semiconductor) utilizando el proceso de silicio sobre zafiro en RCA Laboratories . [2]

El 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 del SOS , lo que ha permitido comercializarlo en grandes cantidades 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 el estado del arte 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 excelente rendimiento 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 de presión y transmisores de presión que se benefician de las características excepcionales del silicio sobre zafiro. [12]

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

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

Los chips de silicio sobre zafiro producidos en la década de 1970 demostraron tener un rendimiento superior al de sus homólogos fabricados íntegramente en silicio, pero esto se produjo a costa de rendimientos inferiores, de sólo el 9 %. [14] [15]

Análisis del 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 de los cristales que resultan de un desajuste entre las redes de zafiro y silicio. Por ejemplo, el interruptor SP4T de Peregrine Semiconductor está formado sobre un sustrato SOS donde el espesor final del silicio es de aproximadamente 95 nm. El silicio se empotra en regiones fuera de la pila de compuertas de polisilicio mediante polioxidación y se empotra aún más mediante el proceso de formación del espaciador de pared lateral hasta un espesor de aproximadamente 78 nm. [ cita requerida ]

Véase también

Referencias

  1. ^ Manasevit, HM; Simpson, WJ (1964). "Silicio monocristalino sobre un 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-Lab". 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 conversor analógico-digital de aproximación sucesiva de 8 bits, 800 μW y 1,23 MS/s en SOI CMOS" (PDF) . IEEE Transactions on Circuits and Systems . 53 (9): 858–861. doi :10.1109/TCSII.2006.880021. S2CID  25906118.
  5. ^ Fu, Zhengming; Weerakoon, Pujitha; Culurciello, Eugenio (16 de marzo de 2006). "Convertidor analógico-digital de silicio sobre zafiro de nanovatios que utiliza una cadena de condensadores de 2C-1C" (PDF) . Electronics Letters . 42 (6): 341–3. Bibcode :2006ElL....42..341F. doi :10.1049/el:20060109.
  6. ^ Culurciello, E.; Pouliquen, P.; Andreou, AG (21–24 de mayo de 2006). "Modulación digital por desplazamiento de fase para un búfer de aislamiento en CMOS de silicio sobre zafiro". Simposio internacional IEEE sobre circuitos y sistemas de 2006. pp. 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 digitales de píxeles CMOS de silicio sobre zafiro de 16×16 píxeles" (PDF) . Electronics Letters . 40 (1): 66–68. Bibcode :2004ElL....40...66C. doi :10.1049/el:20040055.
  8. ^ Laiwalla, F.; Klemic, KG; Sigworth, FJ; Culurciello, E. (21–24 de mayo de 2006). "Un amplificador integrado de fijación de parches en CMOS de silicio sobre zafiro". Simposio internacional IEEE de 2006 sobre circuitos y sistemas . Simposio internacional IEEE sobre circuitos y sistemas 2006. págs. 4054–7. 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 microrecolectores de energía en CMOS de silicio sobre zafiro" (PDF) . Electronics Letters . 42 (9): 526–8. Bibcode :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 tecnología CMOS de silicio sobre zafiro" (PDF) . Electronics Letters . 41 (10): 520–592. Bibcode :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 coste» (PDF) . Hewlett-Packard Journal . 30 (9): 3–6 . Consultado el 29 de diciembre de 2021 .
  14. ^ "Se encuentra un procesador transparente en una computadora HP antigua: se descubre un exótico chip de silicio sobre zafiro en una humilde placa de circuito impreso de una unidad de disquete". 21 de diciembre de 2023.
  15. ^ "El chip transparente dentro de una unidad de disquete Hewlett-Packard vintage".

Lectura adicional