Мощная ВЧ- и СВЧ-транзисторная структура
POWERFUL RF AND MICROWAVE TRANSISTOR STRUCTURE

Заявляемое изобретение относится к полупроводниковой электронике и может быть применено в конструкциях мощных ВЧ- и СВЧ-полупроводниковых приборов.
Известна мощная ВЧ- и СВЧ-транзисторная структура, в которой на полупроводниковой подложке размещены коллекторная, базовая и эмиттерная области, соединенные с соответствующими им электродами корпуса, причем эмиттерная область фрагментирована с целью компенсации эффекта оттеснения тока к периферии эмиттера [Колесников В.Г. и др. Кремниевые планарные транзисторы / Под ред. Я.А. Федотова. - Москва: Сов. радио, 1973. - С. 98].
1макс
Недостатком такой транзисторной структуры является сильная локальная и общая положительная токотермическая обратная связь [Колесников В.Г. и др. Кремниевые планарные транзисторы / Под ред. Я.А. Федотова. - Москва: Сов. радио, 1973. - С. 287; Проектирование и технология производства мощных СВЧ-транзисторов. / В.И. Никишин, Б.К. Петров, В.Ф. Сыноров и др. - Москва: Радио и связь, 1989. - С.98], вызванные отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) полупроводника в рабочем диапазоне температур и приводящие соответственно к неравномерному распределению мощности по активным областям транзисторной структуры [Колесников В.Г. и др. Кремниевые планарные транзисторы / Под ред. Я.А. Федотова. - Москва: Сов. радио, 1973. - С.285] и термической неустойчивости, в свою очередь обуславливающим снижение максимальной выходной мощности P, определяемой периметром эмиттера [Колесников В.Г. и др. Кремниевые планарные транзисторы / Под ред. Я.А. Федотова. - Москва: Сов. радио, 1973. - С. 105], и отказоустойчивости транзисторной структуры.
вх1
1макс
В другой мощной ВЧ- и СВЧ-транзисторной структуре между металлизацией области эмиттера и площадкой для присоединения эмиттерного проводника сформирован балластный резистор [Проектирование и технология производства мощных СВЧ-транзисторов. / В.И. Никишин, Б.К. Петров, В.Ф. Сыноров и др. - Москва: Радио и связь, 1989. - С. 106]. Наличие балластного резистора, включенного последовательно в цепь эмиттера транзисторной структуры, позволяет уменьшить положительную токотермическую обратную связь транзисторной структуры в целом за счет увеличения ее общего входного сопротивления R, а при выполнении балластного резистора из металла - дополнительно за счет положительного ТКС резистора, частично компенсирующего отрицательный ТКС полупроводника, а также локальную положительную токотермическую обратную связь отдельных участков транзисторной структуры и тем самым, за счет предотвращения эффекта шнурования тока, повысить максимальную выходную мощность Р и отказоустойчивость транзисторной структуры.
1пред
1 макс
макс
Недостатком такой транзисторной структуры является ее неравномерный разогрев из-за более интенсивного отвода тепла от периферии транзисторной структуры по сравнению с ее центром [Колесников В.Г. и др. Кремниевые планарные транзисторы / Под ред. Я.А. Федотова. - Москва: Сов. радио, 1973. - С. 293; Проектирование и технология производства мощных СВЧ-транзисторов. / В.И. Никишин, Б.К. Петров, В.Ф. Сыноров и др. - Москва: Радио и связь, 1989. - С. 107], что приводит к недостижению предельного значения Р максимальной выходной мощности Р, определяемого периметром эмиттера транзисторной структуры [Колесников В.Г. и др. Кремниевые планарные транзисторы / Под ред. Я.А. Федотова. - Москва: Сов. радио, 1973. - С.105; Проектирование и технология производства мощных СВЧ-транзисторов. / В.И. Никишин, Б.К. Петров, В.Ф. Сыноров и др. - Москва: Радио и связь, 1989. - С. 83], и не исключает ее полного отказа при превышении рабочей температурой предельно допустимого значения Т, определяемого температурой плавления материала подложки или материала контактной металлизации.
Наиболее близкой по совокупности признаков является транзисторная структура, в которой балластный резистор разделен на изолированные участки различной конфигурации, хотя бы один из которых содержит n≥2 слоев, причем материалы слоев имеют разные удельные сопротивления и температуры плавления и удовлетворяют условию:
n
n
п
БР
BXl
макс
где ρ и Т - удельное сопротивление и температура плавления материала слоя резистора в порядке возрастания номера слоя от верхнего к нижнему по отношению к полупроводниковой подложке, Т - температура плавления полупроводника [Патент РФ 2743673, МПК H01L 29/70, опубл. 24.02.2021]. Данное изобретение предназначено для повышения отказоустойчивости транзисторной структуры за счет повышения ее устойчивости к увеличению температуры участков активной области структуры вследствие отклонения параметров режима усиления (напряжения питания, уровня входной мощности, коэффициента стоячей волны в нагрузке и т.д.) от оптимальных значений путем уменьшения уровня выделяемой участками активной области тепловой мощности вследствие увеличения сопротивления участков балластного резистора  контактирующих с наиболее подверженными перегреву участками активной области, и в целом сопротивления балластного резистора r и входного сопротивления транзисторной структуры R, при превышении рабочей температурой некоторого критического значения Т, предшествующего полному отказу транзисторной структуры.
3
2
2
6
2
макс
БР
вх1
Недостатком такой транзисторной структуры является ее относительно низкая отказоустойчивость в переходных режимах, вызванных резким отклонением параметров режима усиления от оптимальных значений, обусловленная разницей в несколько порядков температуропроводности (коэффициентов тепловой диффузии) материалов участков резистора, подложки и активных областей. Например, температуропроводность висмута при 100°С равна 22*10 м/ч≈6,1 м/c [Казанцев Е.И. Промышленные печи. Справочное руководство для расчетов и проектирования / Е.И. Казанцев. - 2-е изд., перераб. и доп. - Москва: Металлургия, 1975. - С. 55], а температуропроводность кремния при 127°С равна 54*10 м/с[Теплофизические свойства горючих систем / Ю.Е. Шелудяк [и др.] под ред. д-ра техн. наук, проф. Н.А. Силина. - Москва: НПО «Информация и технико-экономические исследования», 1992. - С. 29], что почти на семь порядков больше, чем у висмута. При резком отклонении параметров режима усиления (напряжения питания, уровня входной мощности, коэффициента стоячей волны в нагрузке и т.д.) от оптимальных значений происходит резкое увеличение выделяемой участками активной области структуры тепловой мощности и, как следствие, увеличение их температуры. Из-за существенной разницы в значениях температуропроводности конструктивных материалов транзисторной структуры при определенных условиях температура участков активной области может быстрее достигнуть критического значения T, определяемого температурой плавления материала подложки или материала контактной металлизации, чем температура верхних слоев участков балластного резистора достигнет их температуры плавления, что вызвано конечной скоростью распространения температурной волны (фронта) в среде и разным расстоянием от источника тепловой мощности (коллекторный переход под эмиттером) до различных областей транзисторной структуры, что в свою очередь обуславливает инерционность тепловых процессов в транзисторной структуре. В результате сопротивление участков балластного резистора  контактирующих с наиболее перегретыми участками активной области, и в целом сопротивление балластного резистора r и входное сопротивление транзисторной структуры R может не успеть увеличиться и снизить уровень выделяемой тепловой мощности, в связи с чем может произойти отказ транзисторной структуры.
БР
BX1
макс
Заявляемое изобретение предназначено для предотвращения перегрева транзисторной структуры в переходных режимах, характеризующихся стремительным повышением уровня выделяемой участками активной области тепловой мощности вследствие быстрого отклонения параметров режима усиления (напряжения питания, уровня входной мощности, коэффициента стоячей волны в нагрузке и т.д.) от оптимальных значений, за счет перераспределения выделяемой нагретыми до критической температуры участками активной области тепловой мощности путем менее инерционного увеличения сопротивления участков балластного резистора, контактирующих непосредственно с подверженными перегреву участками активной области транзисторной структуры, и в целом сопротивления балластного резистора r и входного сопротивления транзисторной структуры R, при превышении рабочей температурой некоторого критического значения T, предшествующего полному отказу транзисторной структуры, и при его осуществлении может быть повышена отказоустойчивость транзисторной структуры в переходных режимах.
1
кмэ
Вышеуказанная задача решается тем, что в известной мощной ВЧ- и СВЧ-транзисторной структуре, содержащей сформированные в полупроводниковой подложке области коллектора, базы и эмиттера, контактную металлизацию и многослойный балластный резистор с числом слоев n≥2, разделенный на изолированные участки, соединенные одним краем с контактной металлизацией эмиттера, а другим краем с контактной площадкой для присоединения эмиттерного вывода, при этом материалы слоев имеют разные удельные сопротивления и температуры плавления и удовлетворяют условию (1), согласно изобретению, толщина d (x)  верхнего слоя хотя бы одного участка балластного резистора удовлетворяет условию:
1max
где d - максимальная толщина верхнего слоя многослойного балластного резистора, координата х увеличивается от электрического контакта многослойного балластного резистора с контактной металлизацией эмиттера в направлении противоположного края резистора, L - расстояние между противоположными контактами многослойного балластного резистора.
БРi
БР
Bx1
1
2
БРi
БР
вх1
Получаемый при осуществлении изобретения технический результат, а именно повышение отказоустойчивости транзисторной структуры в переходных режимах, достигается за счет того, что наличие верхних слоев многослойного (n≥2) секционированного балластного резистора с отличающейся от нижних слоев формой продольного сечения и переменной толщиной приводит к снижению инерционности процесса перераспределения выделяемой участками активной области тепловой мощности путем снижения инерционности увеличения сопротивления отдельных участков (секций) балластного резистора r (i=1, …, N; N - количество изолированных участков балластного резистора) и в целом сопротивления балластного резистора r и входного сопротивления транзисторной структуры R по мере превышения температурой контактирующих с ними участков активной области значений Т, затем Т и т.д., при изменении параметров режима усиления, и, как следствие, более раннему началу процесса увеличения сопротивления отдельных участков (секций) балластного резистора r, и в целом сопротивления балластного резистора r и входного сопротивления транзисторной структуры R и снижения выделяемой активными областями транзисторной структуры тепловой мощности.
На фиг. 1 изображен вариант реализации заявляемой мощной ВЧ- и СВЧ-транзисторной структуры, вид сверху, на фиг. 2 представлен вариант реализации заявляемой мощной ВЧ- и СВЧ-транзисторной структуры с двухслойным секционированным балластным резистором, вид сбоку, где 1 -полупроводниковая подложка; 2 - область базы; 3 - область эмиттера; 4 -металлизация эмиттера; 5 - металлизация площадки для присоединения эмиттерного проводника; 6 - эмиттерный проводник; 7 - балластный резистор; 8 - металлизация области базы; 9 - металлизация площадки для присоединения базового проводника; 10 - базовый проводник; 11 - изолирующий окисел.
Мощная ВЧ- и СВЧ-транзисторная структура (фиг. 1) размещена на полупроводниковой подложке 1, являющейся в данном примере областью коллектора. В пределах области базы 2 размещены фрагменты области эмиттера 3, контактирующие с металлизацией эмиттера 4. Между металлизацией 4 и металлизацией 5 площадки для присоединения эмиттерного проводника 6 расположен разделенный на участки балластный резистор 7, противоположные стороны которого контактируют с металлизацией 4 и 5. Резистор 7 является многослойным с числом слоев n≥2, толщина верхних слоев его участков увеличивается в направлении от металлизации эмиттера 4. Расстояние между смежными краями контактов соседних участков резистора 7 с металлизацией 4 не превышает трети расстояния между центрами смежных областей эмиттера 3, что обеспечивает включение всех без исключения областей 3 в схему каскада через металлизацию 4, участки балластного резистора 7, металлизацию 5, проводник 6 и далее через соответствующий электрод корпуса транзистора даже в случае фрагментации металлизации 4 в месте контактов с участками 7 (фиг. 1). Так как конфигурация области эмиттера должна обеспечивать максимальное отношение периметра эмиттера к площади базы [Колесников В.Г. и др. Кремниевые планарные транзисторы / Под ред. Я.А. Федотова. - Москва: Сов. радио, 1973. - С. 105; 2, С. 83], т.е. максимальную плотность размещения областей 3 в пределах области 2, минимальное расстояние А между центрами фрагментов области эмиттера определяется разрешением литографического процесса - минимальным расстоянием а между двумя ближайшими параллельными линиями структуры. На фиг. 1 металлизации областей эмиттера и базы представляют собой две встречнонаправленных вложенных одна в другую гребенки. Штыри (фрагменты) гребенок контактируют через окна в защитном окисле с областями базы и эмиттера. Величина Δ складывается из удвоенного расстояния от центра области 3 до края контактного окна (2⋅σ/2=σ), удвоенного расстояния от края контактного окна до края фрагмента металлизации 4 (2⋅σ=2а), удвоенного расстояния от края фрагмента металлизации 4 до края фрагмента металлизации 8 (2σ) и ширины фрагмента металлизации 8, равной удвоенному расстоянию от края фрагмента до края контактного окна и ширине контактного окна, т.е. 3а. Таким образом, Δ=8σ, a минимальная ширина фрагмента металлизации 4 в месте контакта с участками балластного резистора 7, как и ширина металлизации 8, равна 3σ. Во избежание пропуска контакта участков 7 с металлизацией 4 расстояние между краями смежных участков 7 в местах контактов с металлизацией 4 составляет Δ/3 - менее ширины фрагмента металлизации 3σ. На фиг. 1 также показана металлизация 8 области базы, через которую осуществляется контакт области 2 с металлизацией 9 площадки для присоединения базового проводника 10.
1
1
Р
k
k
Наличие в мощной ВЧ- и СВЧ-транзисторной структуре, вариант реализации которой показан на фиг. 1, функционирующей в составе транзистора в схеме каскада усиления мощности, многослойного (n≥2) секционированного балластного резистора, толщина верхних слоев участков (секций) которого увеличивается в направлении от металлизации эмиттера, обеспечивает более ранее уменьшение выделяемой участками активной области транзисторной структуры, нагретыми до критической температуры, тепловой мощности путем более раннего увеличения сопротивления участков (секций) балластного резистора за счет более раннего достижения температурой верхних слоев участков (секций) балластного резистора, непосредственно граничащих с перегретыми участками активной области, температуры плавления Т материала верхних слоев. Оптимальный подбор конструктивных параметров (материал, количество и геометрические размеры слоев) и внешних управляющих напряжений обеспечивает достижение оптимального набора энергетических параметров: выходной мощности Р, коэффициента усиления по мощности K, КПД коллекторной цепи η за счет реализации некоторого оптимального распределения тепловой мощности Р по всем участкам активной области транзисторной структуры.
БРi
В процессе работы мощной ВЧ- и СВЧ-транзисторной структуры эмиттерный ток распределяется по сечению и ширине балластного резистора неравномерно. По ширине балластного резистора больший ток протекает по крайним участкам, контактирующим с участками активной области с лучшими условиями отвода тепла. По поперечному сечению каждого участка больший ток протекает по верхнему слою с меньшим удельным сопротивлением. При повышении температуры участков активной области транзисторной структуры, вызванном увеличением выделяемой тепловой мощности вследствие отклонения параметров режима усиления (напряжения питания, уровня входной мощности, коэффициента стоячей волны в нагрузке и т.д.) от оптимальных значений, происходит увеличение сопротивления участков (секций) балластного резистора r, непосредственно контактирующих с перегретыми участками активной области, приводящее к уменьшению выделяемой этими участками тепловой мощности и ее перераспределению между остальными участками. В итоге максимальная и средняя температуры области 2 понижаются, что повышает термическую устойчивость и отказоустойчивость транзисторной структуры. В данном процессе участвуют три механизма. Сначала происходит линейный рост сопротивления участков (секций) балластного резистора за счет положительного ТКС материалов слоев.
1
1
По мере приближения температуры T участков области 2 транзисторной структуры и контактирующих с ними участков области металлизации 7 к температуре плавления первых слоев Т, происходит частичное испарение этих слоев, или, по меньшей мере, их частей, непосредственно контактирующих с участками транзисторной структуры, нагретыми до температуры Т≈T, что влечет вначале плавное уменьшение толщины верхних слоев и участков (секций) балластного резистора в целом и, как следствие, плавное увеличение их сопротивления.
1
макс
В случае возникновения переходных режимов, вызванных резким отклонением параметров режима усиления от оптимальных значений, происходит стремительное увеличение выделяемой участками активной области транзисторной структуры тепловой мощности и, как следствие, их температуры. Если скорость роста температуры участков активной области превышает скорость распространения температурной волны (фронта), то из-за меньшей теплоемкости частей верхних слоев участков (секций) балластного резистора, граничащих с эмиттерной металлизацией, обусловленной ее геометрией, ее температура быстрее достигнет температуры плавления Т материала верхних слоев. Таким образом процесс испарения этих частей начнется раньше, что приведет к уменьшению площади их поперечного сечения и участков (секций) балластного резистора в целом в этом месте в первую очередь, приводящему к более раннему увеличению сопротивления отдельных участков (секций) балластного резистора и, как следствие, снижению выделяемой участками активной области тепловой мощности, то есть снижение выделяемой тепловой мощности произойдет до момента достижения температурой участков активной области транзисторной структуры предельно допустимого значения Т, определяемого температурой плавления материала подложки или материала контактной металлизации.
БРi
БР
вх1
вх1
вх1
1
макс
1
Увеличение сопротивления r участков (секций) балластного резистора приводит к перераспределению выделяемой тепловой мощности по остальным участкам активной области транзисторной структуры, а также к увеличению сопротивления r балластного резистора в целом и входного сопротивления R транзисторной структуры [Проектирование и технология производства мощных СВЧ-транзисторов / В.И. Никишин, Б.К. Петров, В.Ф. Сыноров и др. - Москва: Радио и связь, 1989. - С. 15, 18, 36, 38], что в свою очередь приводит к уменьшению поступающей на ее вход мощности Р и ее коэффициента усиления по мощности Кур [Проектирование и технология производства мощных СВЧ-транзисторов. / В.И. Никишин, Б.К. Петров, В.Ф. Сынорови др. - Москва: Радио и связь, 1989. - С. 15, 18, 36, 38], а при наличии нескольких транзисторных структур на общем транзисторном кристалле [Колесников В.Г. и др. Кремниевые планарные транзисторы / Под ред. Я.А. Федотова. - Москва: Сов. радио, 1973. - С. 238] - дополнительно к частичному перераспределению Р по остальным транзисторным структурам. Как следствие, уменьшается выходная мощность Р транзисторной структуры и выделяемая ее активной областью тепловая мощность, что в итоге приводит к снижению рабочей температуры Т области 2 и выполнению условия Т≤T, тем самым - предотвращению полного отказа транзисторной структуры, т.е. повышению ее отказоустойчивости в переходных режимах. При этом в случае снижения и стабилизации температуры активной области транзисторной структуры процесс испарения прекращается, и сопротивление балластного резистора принимает некоторое оптимальное промежуточное значение, что в сравнении с прототипом исключает избыточное снижение выходной мощности Р.
Пример
1max
1min
2
1max
2
1min
2
1
1
2
2
БР
-6
-6
На фиг. 2 изображен вариант реализации заявляемой мощной ВЧ- и СВЧ-транзисторной структуры с двухслойным секционированным балластным резистором, толщина верхних слоев участков (секций) которого увеличивается в направлении от эмиттерной металлизации 4, вид сбоку. Балластный резистор шириной 500 мкм и длинной 40 мкм располагается на изолирующем окисле 11 и имеет вид однобокой трапеции в продольном сечении. Максимальная толщина верхнего слоя d равна 0,1366 мкм, а его минимальная толщина d равна 0,04553 мкм. Толщина нижнего слоя dравна 0,0910613 мкм. Таким образом толщины верхнего и нижнего слоев связаны соотношениями: d=1,5⋅d, d=0,5⋅d. Верхние слои участков (секций) балластного резистора изготовлены из висмута с удельным объемным сопротивлением ρ=1,068⋅10 Ом⋅м (при 20°С) и температурой плавления Т=271°С (при 760 мм рт.ст.) [Чиркин B.C. Теплофизические свойства материалов / B.C. Чиркин. - Москва: гос. из-во физмат, литературы, 1959. - С. 187]. Нижние слои изготовлены из более тугоплавкого, чем висмут, нихрома марки Х15Н60 с удельным сопротивлением ρ=1,16⋅10 Ом⋅м (при 20°С) и температурой плавления Т=1410°С [Бабаков А.А. и др. Материалы в машиностроении. Справочник в пяти томах. Выбор и применение. Том 3. Специальные стали и сплавы. / Под ред. Ф.Ф. Химушина. - Москва: Машиностроение, 1968. - С. 307, 308]. При указанных размерах слоев и удельных объемных сопротивлениях балластный резистор имеет типовое для биполярных транзисторов значение сопротивления r=0,5 Ом.
1
1
БР
БРi
1
k
БР
БРi
k
k
k
1
1.
1
1
k
1
БР
1
k
При превышении температурой части верхнего слоя участка (секции) балластного резистора, граничащего с участком активной области, нагретым до критической температуры, температуры плавления Т материала слоя и ее дальнейшем повышении вследствие роста выделяемой участком активной области транзисторной структуры тепловой мощности происходит испарение этой части верхнего слоя участка (секции) балластного резистора. В процессе испарения длина испарившейся части верхнего слоя участка (секции) балластного резистора увеличивается по мере распространения температурной волны (фронта) к противоположному концу резистора. Уже при полном испарении 1/3 длины верхнего слоя одного участка (секции) балластного резистора (при неизменной толщине оставшейся части) сопротивление этого участка увеличивается в 1,28 раза, т.е. на 28% от начального значения, что приводит к снижению на 10-15% входной мощности участка активной области транзисторной структуры, контактирующего с данным участком балластного резистора, и на 20-35% величины его выходной мощности Р и выделяемой им тепловой мощности [Проектирование и технология производства мощных СВЧ-транзисторов / В.И. Никишин, Б.К. Петров, В.Ф. Сыноров и др. - Москва: Радио и связь, 1989. - С. 15, 18, 36, 38]. При количестве участков балластного резистора N=10 значение r при указанном изменении значения r увеличится на 2,2%, что приведет к уменьшению выходной мощности Р транзисторной структуры и выделяемой ей тепловой мощности Р не более, чем на 3-5%. При количестве участков балластного резистора N=3 значение r при указанном изменении значения r увеличится на 7,8%, что приведет к уменьшению выходной мощности Р транзисторной структуры и выделяемой ей тепловой мощности Р не более, чем на 5-7%. Если снижения тепловой мощности Р достаточно для уменьшения температуры верхнего слоя балластного резистора до значения, меньшего Т, сопротивление балластного резистора стабилизируется, что приводит к меньшему в сравнении с прототипом снижению выходной мощности Р Если увеличения сопротивления балластного резистора недостаточно для снижения температуры участков активной области транзисторной структуры ниже T, будет происходить дальнейшее испарение верхнего слоя балластного резистора, приводящее к увеличению сопротивления балластного резистора и снижению выходной мощности Р и тепловой мощности Р, до некоторого значения, при котором температура активных областей транзисторной структуры станет ниже Т. Значение r=1,04 Ом, соответствующее полному испарению верхних слоев всех участков (секций) балластного резистора, обеспечивает снижение выходной мощности транзисторной структуры Р и выделяемой ей тепловой мощности Р на 35-50%, что обеспечивает предотвращение полного отказа транзисторной структуры.
кр
Установлено, что проводимость тонких пленок материалов для полупроводниковых приборов появляется при их толщине, превышающей некоторое критическое значение d, когда отдельные кристаллы срастаются и пленка становится сплошной, а пропорциональность отношения удельного объемного сопротивления материала пленки к ее толщине выполняется при толщинах по порядку величины больших 100  что вероятнее всего обусловлено повышением однородности пленки [Гимпельсон В.Д., Радионов Ю.А. Тонкопленочные микросхемы для приборостроения и вычислительной техники / В.Д. Гимпельсон, Ю.А. Радионов. - Москва: Машиностроение, 1976. - С. 18]. По мере увеличения толщины пленки влияние размерных эффектов и дефектов структуры пленки становится меньше, удельное сопротивление уменьшается и приближается к значениям массивных образцов, оставаясь несколько более высоким. При толщине пленки свыше 600-700  удельное объемное сопротивление материала приобретает стабильное значение. Таким образом, при указанных толщинах слоев двухслойный резистор обладает стабильными характеристиками и их хорошей воспроизводимостью.