МОЩНЫЙ ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР СВЧ НА ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ГЕТЕРОСТРУКТУРЕ
HIGH-POWER MICROWAVE FIELD-EFFECT TRANSISTOR BASED ON SEMICONDUCTOR HETEROSTRUCTURE

Изобретение относится к электронной технике СВЧ, а именно мощным полевым транзисторам СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре, и предназначено для разработки и производства широкого класса устройств электронной техники СВЧ, в том числе радиолокационных устройств.
Существенный прогресс в части повышения быстродействия и выходной мощности СВЧ, выделяемой в нагрузке, включенной на выходе полевого транзистора СВЧ, обеспечило изобретение так называемых транзисторов с высокой электронной подвижностью (НЕМТ - High Electron Mobility Transistor). Область с электронной проводимостью в таких транзисторах состоит из легированного донорными примесями широкозонного и нелегированного узкозонного, но заполненного электронами, слоев полупроводниковых материалов.
Это обеспечивает существенное увеличение быстродействия таких полевых транзисторов СВЧ до 100 ГГц и удельной выходной мощности СВЧ до 1÷4,1 Вт/мм на рабочей частоте 10 ГГц.
x
1-x
Известен полевой транзистор СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре, включающий монокристаллическую подложку из нитрида алюминия AlN, темплетный слой AlN, канальный слой нитрида галлия GaN и барьерный слой AlGaN.
y
1-y
z
i-z
В котором с целью увеличения рабочих токов и выходной мощности полевого транзистора посредством увеличения проводимости канального слоя полупроводниковой гетероструктуры, между темплетным и канальным слоями расположены один над другим соответственно переходный слой AlGaN, буферный слой AlGaN, значение у на границе с темплетным слоем составляет 1,0, а на границе с буферным слоем равно значению z буферного слоя, при этом 0,3≤х≤0,5, a 0,1≤z≤0,5.
При этом буферный слой на границе с канальным слоем легирован кремнием Si на глубину  [Патент 2316076 РФ Полупроводниковая гетероструктура полевого транзистора / Алексеев А.Н. и др. // Бюл. - 2008 - №3/].
Данный полевой транзистор СВЧ при высокой выходной мощности имеет коэффициент усиления, по меньше мере, в два раза меньше, чем транзисторы на полупроводниковой гетероструктуре арсенида галлия.
Известен полевой транзистор СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре, содержащий высокоомную подложку и, по меньшей мере, один слой широкозонного и один слой узкозонного полупроводниковых материалов с согласованными или несогласованными кристаллическими решетками, электроды истока, затвора, стока, расположенные на лицевой стороне полупроводниковой гетероструктуры.
17
-3
12
-2
17
-3
В котором с целью улучшения линейности характеристик полевого транзистора и уменьшения влияния флуктуаций концентрации и подвижности носителей тока в канале полевого транзистора на параметры его эквивалентной схемы, а также снижения модуляционных шумов устройств СВЧ на упомянутых транзисторах, часть слоя полупроводникового материала, расположенная на расстоянии от электрода затвора, превышающем 30,0 нм, выполнена с концентрацией легирующей примеси более 3×10 см и поверхностной плотностью этой примеси более 10 см, а средняя концентрация легирующей примеси между упомянутой частью слоя полупроводникового материала и электродом затвора не превышает 3×10 см [Патент 2093924 РФ Полевой транзистор на гетероструктуре / Богданов Ю.М. и др. // Бюл. - 20.10.1997/] - прототип.
Данный полевой транзистор СВЧ из-за большого расстояния от электрода затвора до канала и низкой подвижности электронов в канале не позволяет получать высокий уровень выходной мощности и высокий коэффициент усиления.
Техническим результатом изобретения является повышение коэффициента усиления и выходной мощности полевого транзистора СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре.
Указанный технический результат достигается заявленным мощным полевым транзистором СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре, содержащим полупроводниковую подложку и последовательность, по меньшей мере, одного слоя широкозонного и одного слоя узкозонного материалов с заданными характеристиками полупроводниковой гетероструктуры типа AlGaAs-InGaAs-GaAs, электроды истока, затвора, стока, расположенные на лицевой стороне полупроводниковой гетероструктуры.
В котором
упомянутая полупроводниковая гетероструктура выполнена в виде следующей последовательности основных слоев -
буферного слоя GaAs, толщиной более 200,0 нм,
x
1-x
18
-3
группы барьерных слоев AlGaAs, в виде i-p-i системы барьерных слоев, толщиной 100,0-200,0 нм, 1,0-20,0 нм, 2,0-15,0 нм соответственно, с концентрацией легирующей, акцепторной примеси более 2,0×10 см, расположенных на лицевой стороне полупроводниковой подложки,
12
-2
x
1-x
y
1-y
x
1-x
группы проводящих слоев, формирующих канал полевого транзистора, в составе, по меньшей мере, одного - δn-слоя, легированного донорной примесью с поверхностной плотностью легирующей примеси (1,0-30,0)×10 см, спейсерного i-слоя AlGaAs, толщиной 1,0-5,0 нм, собственно канального слоя InGaAs либо группы слоев последнего, каждый с различным количественным составом (у) химического элемента индия (In) равной или менее 1.0 мольных долей, общей толщиной более 3,0 нм, при этом δn-слой расположен на группе барьерных слоев AlGaAs, спейсерный i-слой - между δn-слоем и собственно канальным слоем.
y
1-y
В группе проводящих слоев полупроводниковой гетероструктуры дополнительно выполнены, по меньшей мере, - на собственно канальном слое InGaAs переходный, барьерный, i-слой, а между i-слоем и электродами истока и стока контактный слой, при этом все упомянутые слои выполнены одновременно либо - по отдельности в различных вариантах их группировки.
Раскрытие сущности изобретения.
Совокупность существенных признаков заявленного мощного полевого транзистора СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре как ограничительной части, так и отличительной части, а именно.
Выполнение
x
1-x
18
-3
группы барьерных слоев AlGaAs, в виде i-p-i системы барьерных слоев, толщиной 100,0-200,0 нм, 1,0-20,0 нм, 2,0-15,0 нм соответственно, с концентрацией легирующей, акцепторной примеси более 2,0×10 см, расположенных на лицевой стороне полупроводниковой подложки;
группы проводящих слоев, формирующих канал полевого транзистора, в составе, по меньшей мере, одного -
12
δn-слоя, легированного донорной примесью с поверхностной плотностью легирующей примеси (1,0-30,0)×10 см,
x
1-x
-2
спейсерного i-слоя AlGaAs, толщиной 1,0-5,0 нм,
y
1-y
собственно канального слоя InGaAs либо группы слоев последнего, каждый с различным количественным составом (у) химического элемента индия (In) равным или менее 1.0 мольных долей, общей толщиной более 3,0 нм,
x
1-x
при этом δn-слой расположен на группе барьерных слоев AlGaAs, спейсерный i-слой - между δn-слоем и собственно канальным слоем.
Иное формирование основных конструкционных слоев как каждой группы, так и полупроводниковой гетероструктуры в целом, и иное их взаимное расположение в полупроводниковой гетероструктуре обеспечивает формирование полупроводниковой гетероструктуры иного типа - так называемый тип обращенной полупроводниковой гетероструктуры (зарубежный термин инвертированной полупроводниковой гетероструктуры) с донорно - акцепторным легированием, который характеризуется - перевернутым (инвертированым) расположением квантовой ямы с двумерным электронным газом по отношению к классическому типу полупроводниковой гетероструктуры.
x
1-x
18
-3
При этом следует особо подчеркнуть, что выполнение группы барьерных слоев AlGaAs, в виде i-p-i системы с концентрацией легирующей, акцепторной примеси более 2,0×10 см обеспечивает исключительно увеличение потенциального барьера на границе квантовой ямы с двумерным электронным газом и полупроводниковой гетероструктуры со стороны полупроводниковой подложки, и тем самым - обеспечивает значения поверхностной плотности легирующей, донорной примеси всегда больше значений поверхностной плотности легирующей, акцепторной примеси, и тем самым - обеспечивает полупроводниковой гетероструктуре только электронную проводимость.
Таким образом, носителями заряда в данном типе структуры - обращенной полупроводниковой гетероструктуры с донорно - акцепторным легированием являются только электроны.
Это обеспечивает:
во-первых, уменьшение расстояния между каналом полевого транзистора и электродом затвора и тем самым - увеличение крутизны переходной характеристики электродов исток - затвор,
во-вторых, увеличение подвижности носителей заряда - электронов и тем самым - увеличение выходного тока,
в-третьих, уменьшение краевых эффектов и тем самым - снижение входной емкости.
И, как следствие, - повышение коэффициента усиления и выходной мощности.
Выполнение буферного слоя GaAs толщиной более 200,0 нм обеспечивает минимальную плотность дефектов в канале полевого транзистора и тем самым сохранение высокой подвижности электронов и, как следствие, - повышение коэффициента усиления и выходной мощности.
Выполнение:
x
1-x
18
-3
Группы барьерных слоев AlGaAs, в виде i-p-i системы барьерных слоев, толщиной 100,0-200,0 нм, 1,0-20,0 нм, 2,0-15,0 нм соответственно, с концентрацией легирующей, акцепторной примеси более 2,0×10 см, и расположение на лицевой стороне полупроводниковой подложки.
12
x
1-x
y
1-y
x
1-x
Группы проводящих слоев, формирующих канал полевого транзистора, в составе, по меньшей мере, одного - δn-слоя легированного донорной примесью, с поверхностной плотностью легирующей примеси (1,0-30,0)×10 см, спейсерного i-слоя AlGaAs, толщиной 1,0-5,0 нм, собственно канального слоя InGaAs либо группы слоев последнего, каждый с различным количественным составом (у) химического элемента индия (In) равным или менее 1,0 мольных долей, общей толщиной более 3,0 нм, при этом δn-слой расположен на группе барьерных слоев AlGaAs, спейсерный i-слой - между δn-слоем и собственно канальным слоем.
x
1-x
Это в совокупности обеспечивает формирование дополнительных потенциальных барьеров, которые локализуют электроны и препятствуют поперечному переносу электронов в барьерные слои i-AlGaAs и тем самым - уменьшение рассеяния горячих (с высокой энергией) электронов, и тем самым - увеличение подвижности электронов в электрических полях и, как следствие, - повышение коэффициента усиления и выходной мощности.
y
1-y
Выполнение в группе проводящих слоев полупроводниковой гетероструктуры дополнительно, по меньшей мере, - на собственно канальном слое InGaAs переходного, барьерного, i-слоя, а между i-слоем и электродами истока и стока контактного слоя, при этом, когда все упомянутые слои выполнены одновременно либо - по отдельности в различных вариантах их группировки обеспечивает:
снижение рассеяния горячих (с высокой энергией) электронов в электрических полях,
снижение контактного сопротивления,
снижение токов утечки электрода затвора.
И, как следствие, - дополнительно повышение коэффициента усиления и выходной мощности.
Выполнение буферного слоя GaAs толщиной менее 200,0 нм нежелательно из-за резкого увеличения плотности дефектов в канале полевого транзистора, соответственно снижения подвижности электронов, а более 200,0 нм ограничено конструкционной необходимостью и технологическими возможностями.
x
1-x
Выполнение группы барьерных слоев AlGaAs, а именно:
i-слоя толщиной как менее 100,0 нм, так и более 200,0 нм нежелательно, в первом случае - из-за уменьшения высоты потенциального барьера и возможности движения электронов по паразитному каналу проводимости, во втором - не имеет смысла из-за увеличения стоимости при отсутствии технического результата,
р-слоя
толщиной как менее 1,0 нм, так и более 20,0 нм нежелательно, в первом случае - не обеспечивает потенциальный барьер достаточной высоты (более 0,5 эВ), во втором - из-за возможности возникновения паразитного канала проводимости,
18
-3
с уровнем легирования акцепторной примесью, менее 2,0×10 см нежелательно, так как не обеспечивается потенциальный барьер достаточной высоты и резкости. Верхняя граница ограничивается технологическими возможностями.
i-слоя толщиной, как менее 2,0 нм, так и более 15,0 нм нежелательно, в первом случае - не обеспечивается потенциальный барьер достаточной высоты, во втором - из-за возможности появления паразитного канала проводимости.
Выполнение группы проводящих слоев, а именно:
12
-2
12
-2
δn-слоя легированного донорной примесью с поверхностной плотностью как менее 2,0×10 см, так и более 30,0×10 см нежелательно, в первом случае - из-за резкого уменьшения проводимости канала, во втором - из-за возможности появления паразитных каналов проводимости в спейсерном-i слое проводящей группы и барьерном слое барьерной группы.
спейсерного i-слоя толщиной, как менее 1,0 нм, так и более 5,0 нм нежелательно, в первом случае - из-за падения подвижности электронов, во втором - из-за уменьшения поверхностной плотности электронов в квантовой яме собственно канального слоя.
y
1-y
собственно канального слоя InGaAs либо группы слоев последнего, общей толщиной менее 3,0 нм нежелательно из-за уменьшения поверхностной плотности электронов в квантовой яме собственно канального слоя и соответственно падения рабочего тока, а существенно более 3,0 нм ограничено чрезмерным удалением δn-слоя от электрода затвора и соответственно ухудшением управляемости электронами в собственно канальном слое и соответственно уменьшением коэффициента усиления,
Итак, заявленный мощный полевой транзистор СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре иного типа - обращенная полупроводниковая гетероструктура с донорно - акцепторным легированием, в полной мере, обеспечивает заявленный технический результат - повышение коэффициента усиления и выходной мощности.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 дан фрагмент заявленного мощного полевого транзистора СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре типа AlGaAs-InGaAs-GaAs - (тип - обращенная гетероструктура с донорно - акцепторным легированием), где:
- полупроводниковая подложка - 1,
- полупроводниковая гетероструктура - 2,
- электроды истока, затвора, стока - 3, 4, 5 соответственно, расположенные на лицевой стороне полупроводниковой гетероструктуры.
При этом полупроводниковая гетероструктура 2 выполнена в виде последовательности следующих основных слоев:
- буферный слой GaAs - 6,
x
1-x
- группа барьерных слоев AlGaAs - 7, в виде i-p-i системы, расположенных на лицевой стороне полупроводниковой подложки,
x
1-x
y
1-y
x
1-x
- группа проводящих слоев - 8, формирующих канал полевого транзистора, в составе δn-слоя легированного донорной примесью и спейсерного i-слоя AlGaAs, собственно канального слоя InGaAs, при этом δn-слой расположен на группе барьерных слоев AlGaAs, спейсерный i-слой - между δn-слоем и собственно канальным слоем.
На фиг. 1 а дан фрагмент частного случая выполнения заявленного мощного полевого транзистора СВЧ, в котором в группе проводящих слоев 8 полупроводниковой гетероструктуры 2, дополнительно выполнены:
y
1-y
на собственно канальном слое InGaAs переходный - 9, барьерный - 10, i-слой - 11,
между i-слоем и электродами истока и стока контактный слой - 12.
Примеры конкретного выполнения.
Пример 1.
Мощный полевой транзистор СВЧ выполнен.
На монокристаллической полуизолирующей подложке арсенида галлия 1 АГЧП-76,2-450-(100)2,5°(110)-Е1-ДСП ТУ 6365-01-52692510-2010, толщиной 100,0 мкм.
Полупроводниковая гетероструктура AlGaAs-InGaAs-GaAs
- типа - обращенная гетероструктура с донорно - акцепторным легированием 2 выполнена в виде последовательности следующих основных слоев:
- буферного слоя GaAs 6, толщиной 600,0 нм,
x
1-x
18
-3
- группы барьерных слоев AlGaAs 7, в виде i-p-i системы барьерных слоев, толщиной (150,0, 10,5, 8,5) нм соответственно, с концентрацией легирующей, акцепторной примеси 10,0×10 см, расположенных на лицевой стороне полупроводниковой подложки 1,
12
- группы проводящих слоев 8, формирующих канал полевого транзистора, в составе одного δn-слоя легированного донорной примесью с поверхностной плотностью 12,5×10 см, одного спейсерного i-слоя
x
1-x
y
1-y
x
1-x
AlGaAs, толщиной 3,0 нм, одного собственно канального слоя InGaAs, толщиной 10,0 нм, при этом δn-слой расположен на группе барьерных слоев AlGaAs 7, спейсерный i-слой - между δn-слоем и собственно канальным слоем.
Электроды истока 3, затвора 4, стока 5, расположены на лицевой стороне полупроводниковой гетероструктуры 2.
Примеры 2-7.
Изготовлены образцы мощного полевого транзистора СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре аналогично примеру 1,
- но при других конструкционных параметрах согласно формуле изобретения (примеры 2-4) и за ее пределами (примеры 5-6).
y
1-y
И когда в полупроводниковой гетероструктуре 2, дополнительно выполнены на собственно канальном слое InGaAs переходный - 9, барьерный - 10, i-слой -11, между i-слоем и электродами истока и стока контактный слой - 12 (фиг. 1а).
Пример 7 соответствует образцу - прототипа.
На изготовленных образцах мощных полевых транзисторов СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре AlGaAs-InGaAs-GaAs - тип обращенная гетероструктура с донорно - акцепторным легированием были измерены выходная мощность, коэффициент усиления на рабочей частоте 10 ГГц (Стенд для измерения электрических параметров в режиме непрерывного и импульсного сигнала СВЧ КГ-4-33-81).
Данные представлены в таблице (см. в графической части).
Из таблицы видно:
Образцы мощных полевых транзисторов СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре, изготовленные согласно заявленной формулы изобретения имеют:
- коэффициент усиления (17,0, 9,0, 15,0, 17,5) дБ;
- выходную мощность (70,0, 60,0, 45,0, 75,0) мВт (примеры 1-4 соответственно);
В отличие от образцов - за пределами формулы изобретения, которые имеют: коэффициент усиления - (4,0, 7,0) дБ, выходную мощность - (50,0, 1,0) мВт (примеры 5-6 соответственно), как и образец прототипа - коэффициент усиления - 6,0 дБ, выходную мощность - 40,0 мВт (пример 7).
Таким образом, заявленный мощный полевой транзистор СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре AlGaAs-InGaAs-GaAs - тип обращенная полупроводниковая гетероструктура с донорно - акцепторным легированием) по сравнению с прототипом обеспечит повышение примерно:
- коэффициента усиления в 10 раз,
- выходной мощности в 1,6 раза.
Следует отметить, заявленный мощный полевой транзистор СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре типа AlGaAs-InGaAs-GaAs (тип - обращенная гетероструктура с донорно - акцепторным легированием) благодаря ее (обращенной гетероструктуры) малой емкости и отсутствия накопления неосновных носителей заряда может найти применение в усилителях и смесителях СВЧ приемных трактов радиолокационных станций.