МОЩНЫЙ ОГРАНИЧИТЕЛЬНЫЙ ДИОД

Полезная модель относится к области микроэлектроники, в частности, к ограничительным диодам (ОД) с высоким уровнем входной мощности для работы в устройствах сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона. Полезная модель может быть использована при создании и развития радиолокационной, связной и навигационной техники, которые требуют создания дискретных полупроводниковых приборов и монолитных интегральных схем.
В системах радиолокации, связи и навигации вход приемного устройства должен быть защищен от воздействия синхронных и несинхронных помех, приводящих как к временной потере работоспособности, так и к выходу из строя входных устройств приемного канала. Для защиты приемника от синхронных помех обычно используется защитное устройство (ЗУ), представляющее собой нелинейный элемент, импеданс которого изменяется в зависимости от амплитуды сигнала. Таковым чаще всего является полупроводниковый диод с pin-структурой включенный параллельно СВЧ тракту. При высоком уровне СВЧ сигнала во время положительной полуволны напряжения происходит инжекция электронов и дырок в i-область, что приводит к росту емкости диода и к снижению его сопротивления. Чем выше уровень сигнала, тем в большей степени снижается импеданс диода. В результате происходит отражение входного сигнала от плоскости диода, происходит и уменьшение уровня мощности на выходе защитного устройства (ЗУ). При повышении рабочей частоты сигнала для сохранения способности ограничительного диода изменять свой импеданс в зависимости от входного сигнала, требуется снижение толщины i-области с тем, чтобы время пролета носителей тока через i-область было существенно меньше полупериода колебаний сигнала.
Из «Уровня техники» известен диод, который имеет структуру, содержащую слаболегированную базу, сильнолегированные области p+ и п+ проводимости, а также два слоя с типом проводимости базы, расположенных между базой и сильнолегированным слоем противоположного типа проводимости (см. патент РФ №2003208, опубл. 15.11.1993).
Недостатком известного устройства является то, что оно обладает недостаточно высоким уровнем подавления сигнала и низкий уровень выходной мощности.
Задачей настоящей полезной модели является устранение вышеуказанных недостатков.
Технический результат заключается в повышении уровня подавления сигнала с одновременным обеспечением высокого уровня входной мощности.
Технический результат обеспечивается тем, что мощный быстродействующий ограничительный диод включает омические контакты, средство для теплоотвода и многослойную эпитаксиальную структуру. При этом средство для теплоотвода выполнено из теплопроводящего слоя CVD поликристаллического алмаза, на поверхности которого нанесен гальваническим осаждением слой из золота, над слоем из золота последовательно расположены эпитаксиальные слои - сильнолегированный слой n+ из нитрида галлия, нелегированный слой из нитрида галлия и сильнолегированный слой p+ из нитрида галлия. Кроме того, диод дополнительно имеет защитное покрытие, выполненное из теплопроводящего изолирующего CVD поликристаллического алмаза.
В соответствии с частным случаем выполнения о на поверхности омического контакта выполнен слой из золота.
Сущность настоящей полезной модели поясняется следующими иллюстрациями:
Фиг. 1 - отображает многослойную эпитаксиальную структуру;
Фиг. 2 - отображает настоящее устройство в разрезе;
d
-1
Фиг. 3 - приведена зависимость сопротивления R от обратной величины прямого тока I.
На иллюстрациях отображены следующие конструктивные элементы:
1 - сильнолегированный слой p+ нитрида галлия - подложка;
2 - промежуточный слой твердого раствора GaAlN;
3 - сильнолегированный слой p+ нитрида галлия;
4 - нелегированный слой n из нитрида галлия;
5 - сильнолегированный слой n+ нитрида галлия;
6 - средство для теплоотвода из теплопроводящего CVD поликристаллического алмаза;
7 - слой золота;
8 - слой золота, нанесенного поверх омического контакта;
9 - защитное покрытие из теплопроводящего изолирующего CVD поликристаллического алмаза.
19
-3
10
-3
14
-3
Для изготовления ограничительного диода использовалась многослойная гетероэпитаксиальная структура нитрида галлия. Подложку 1 выращивают методом газофазной эпитаксии в МОС-гидридной транспортной системе. На сильнолегированной подложке 1 из нитирида галлия выращивают слои 3, 4, 5. При этом толщина слоев 3 и 5 равны 0,4 мкм, а концентрация примесей Na=1·10 см в 3 слое и Nд=4 см в 5 слое. Нелегированный рабочий слой 4 имеет толщину Wп=1,5 мкм и концентрацию Nд=1·10 см. Промежуточный слой GaAlN 2 выполняет роль «стопорного» при химическом травлении нитрида галлия 1. С помощью стандартных методов фотолитографии ограничивают размеры рабочей области диода.
Диодные структуры формируются в процессах вакуумного напыления металлов, ионно-химического травления, прецизионного химического травления нитрила галлия и гальванического осаждения металлов, а омические контакты создают напылением систем металлов, например к п+ области выполняется металлизацией из Ti/Al. Это наиболее распространенная система металлизации, на основе которой создаются омические контакты к GaN n-типа проводимости. При отжиге напыленной системы металлизации происходит взаимодействие Ti с N. В результате образуется TiN, формирующий основу контакта, Al служит диффузионным барьером и стабилизирует контакт; омический контакт к p+ области осуществляется металлизацией из Pd/Au и p+ область покрывается слоем золота.
Диод представляет собой островки нитрида галлия высотой 2-2,5 мкм. Малая толщина материала с низкой теплопроводностью позволяет значительно увеличить допускаемую рассеиваемую мощность. Матрица диодных структур располагается на поверхности средства для теплоотвода 6, представляющего собой двухслойную структуру из теплопроводящего слоя CVD поликристаллического алмаза и гальванически осажденного металла с высокой теплопроводностью - золота 7, толщиной 20 мкм, размещенного поверх слоя теплопроводящего CVD поликристаллического алмаза толщиной 50-150 мкм. Над слоем из золота 7 последовательно расположены эпитаксиальные слои - сильнолегированный слой n+ из нитрида галлия 5, нелегированный слой из нитрида галлия 4 и сильнолегированный слой p+ из нитрида галлия 3. Еще один слой золота 8 наносят поверх слоя омического контакта к p+ области pin диода.. Во избежание возможных при сборке закороток, на поверхность готовых структур наносится защитное покрытие 9, например из изолирующего теплопроводящего слоя CVD поликристаллического алмаза. Окончательный вид диодной структуры показан на фигуре 2.
Толщины и концентрации примесей в диоде определяют параметрами эпитаксиальных слоев за исключением подложки 1 и стопорного слоя твердого раствора AlGaN 2, которые в процессе изготовления диодов удалялись травлением.
п+
p+
sp
sn
Au
-6
2
-6
2
-4
2
-2
-2
-6
-2
При использовании диода в устройстве защиты важнейшие его параметры (потери в режиме малого сигнала и допустимая входная мощность в режиме большого сигнала) определялись конструктивно-технологическими параметрами диода: сопротивлением потерь Rs и тепловым сопротивлением Rt. Сопротивление Rs состоит из трех основных составляющих: сопротивлений контактов 3 и 5 слоев и сопротивления в золотом теплоотводе RAu. Сопротивления к p+ и n+ слоям ничтожно малы из-за высокой концентрации примесей в них. Отжиг омических контактов позволяет получить переходные сопротивления p=2*10 Ом·см и p=6*10 Ом·см. Для площадь рабочего перехода равной 10 Ом·см сопротивление потерь в контактах составит R=6*10 Ом и R=2*10 Ом. При расчете сопротивления потерь в золоте учитывается, что переходное сопротивление p=2,7 10 Ом·см и толщина скин-слоя в S-диапазоне частот σ=1,7 мкм
Au
Au
R=p/σln(a/d)/2π
sAu
s
-3
-2
Где - a ширина «кристалла» из золотого теплоотвода, равная 600 мкм, d - диаметр перехода, равная 100 мкм. Подставляя эти значения в формулу, получим R=8.10 Ом. В результате суммарное сопротивление диода R=8,8.10 Ом.
После расчета теплового сопротивления методом тепловых эквивалентов, итоговое сопротивпение диода с диаметром 100 мкм оказалось равно 17,82°C/Вт.
н
вх
н
вх
Исследование параметров диода проводились на стенде. Для определения сопротивления Rs измерялся на малом сигнале коэффициент передачи L=p(I)/p, в зависимости от прямого тока I, где p - мощность в нагрузке, p - входная мощность под которой понимается номинальная мощность источника СВЧ сигнала. Общее сопротивление диода
d
s
пр
0,5
R=R+R(I)=25×L
пр
Где R(I) - сопротивление диода при прямом токе I.
d
-1
На фиг. 3. приведена зависимость сопротивления R от обратной величины прямого тока I. Как и следовало ожидать, точки легли на прямую, которая отсекает на оси ординат величину Rs. Она оказалась равной 0,320 Ом и включает наряду с сопротивлением диода потери в измерительной оснастке.
На большом сигнале исследовались 3 образца в диапазоне мощностей от 10,0 до 130,0 Вт.
вх
d
вх
t
d
вх.
t
0,5
0,5
Оценка температуры одного из образцов при P=80 Вт показала: при использовании в качестве средства для теплоотвода двухслойной структуры слоев меди и золота, мощность, выделяющаяся в диоде p=2p.L равна 3,6 Вт, так что при R=17,82°/BT перегрев активной области диода достигает 64 K. При использовании в качестве средства для теплоотвода двухслойной структуры из теплопроводящего CVD поликристаллического слоя алмаза покрытого слоем золота, на котором располагается матрица диодных структур, мощность, выделяющаяся в диоде p=2pL становится равной 3,6 Вт и при R=13,07°/BT перегрев активной области диода достигает значения 47,05 K. Кроме того использование двухслойной структуры из теплопроводящего CVD поликристаллического слоя алмаза покрытого слоем золота, а также наличие защитного покрытия в виде слоя из поликристаллического алмаза повышает уровень допустимой входной мощности до 30%.
Настоящее устройство выполнено с допустимой входной мощностью более 130 Вт при умеренной температуре p-n перехода, которая гарантирует высокую надежность их работы. Время переключения составляет 3-6 нс.