Мощный полевой транзистор СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре на основе нитрида галлия
POWERFUL MICROWAVE FIELD EFFECT TRANSISTOR BASED ON A SEMICONDUCTOR HETEROSTRUCTURE BASED ON GALLIUM NITRIDE

Изобретение относится к электронной технике СВЧ, а именно мощным полевым транзисторам СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре на основе нитрида галлия и предназначено для широкого класса устройств электронной техники СВЧ различного функционального назначения, в том числе радиолокационных устройств СВЧ.
Мощные электронные приборы СВЧ и прежде всего мощные полевые транзисторы СВЧ и соответственно усилительные и управляющие монолитные интегральные схемы СВЧ на их основе, выполненные на полупроводниковой гетероструктуре на основе нитрида галлия (GaN) (далее полупроводниковая гетероструктура) по совокупности параметров уникальны и отличаются более:
- широким диапазоном рабочих частот, при этом с продвижением в область более высоких значений,
- высокими значениями выходной мощности,
- низкими значениями коэффициента шума,
- высокими значениями рабочих температур и повышенной стойкостью к ионизирующим излучениям, и так далее.
Однако в силу того, что данный полупроводниковый материал относится к широкозонным полупроводниковым материалам.
Это обуславливает определенные как конструкционные, так и технологические трудности при изготовлении как самой полупроводниковой гетероструктуры, так и при изготовлении мощного полевого транзистора СВЧ.
.
Известен мощный полевой транзистор СВЧ, содержащий базовую подложку из кремния, теплопроводящий поликристаллический слой алмаза, эпитаксиальную структуру на основе широкозонных нитридов третьей группы, буферный слой, электроды истока, затвора, стока
В котором, с целью повышения выходной мощности СВЧ, эффективного отвода тепла от активной области полевого транзистора, базовая подложка из кремния выполнена толщиной менее 10 мкм, слой теплопроводящего поликристаллического алмаза имеет толщину, по меньшей мере, равную 0,1 мм, а на поверхности эпитаксиальной структуры последовательно расположены дополнительный слой теплопроводящего поликристаллического алмаза и барьерный слой из двуокиси гафния, толщиной 1,0-4,0 нм, который в области электрода затвора расположен под электродом затвора, непосредственно на эпитаксиальной структуре в виде слоя из твердого раствора AlGaN n-типа [Патент № 2519055 RU. Мощный транзистор СВЧ /Австисян Г.Х и др. //Бюл. – 2014 – № 16/].
Известен гетероструктурный модулировано-легированный полевой транзистор, содержащий фланец, пьедестал, гетероэпитаксиальную структуру, буферный слой, электроды истока, затвора, стока.
В котором, с целью повышения теплоотвода от пьедестала и активной области полевого транзистора, обеспечения минимальных утечек тока электрода затвора и достижения наименьшего коэффициента шума в ГГц-диапазоне частот, пьедестал имеет толщину 30-200 мкм и выполнен из теплопроводящего слоя CVD поликристаллического алмаза с имплантированным Ni и с отожженными приповерхностными слоями с двух сторон, поверх пьедестала расположена подложка из монокристаллического кремния толщиной 10-20 мкм, буферный слой, а на поверхности гетеро-эпитаксиальной структуры, между электродами истока, затвора и стока, последовательно размещены дополнительные слои теплопроводящего поликристаллического алмаза, барьерный слой из двуокиси гафния и барьерный слой из оксида алюминия, при этом барьерные слои выполнены суммарной толщиной 1,0-4,0 нм, в области электрода затвора барьерные слои расположены под электродом затвора, непосредственно на эпитаксиальной структуре в виде слоя из твердого раствора AlGaN (Патент № 2534437 RU. Гетероструктурный моделированно-легированный полевой транзистор /Австисян Г.Х.//Бюл. – 2014 – № 33/].
Технические решения данных аналогов позволили повысить выходную мощность полевого транзистора СВЧ.
Однако, эти полевые транзисторы СВЧ отличаются не стабильностью вольт-амперных характеристик (ВАХ).
Известен полевой транзистор на полупроводниковой гетероструктуре нитрида галлия, содержащий подложку из карбида кремния, канальный слой, буферный слой, барьерный слой на основе AlGaN, пассивирующий слой на основе нитрида кремния, электроды стока, затвора, истока.
В котором, с целью улучшения температурной стабильности вольт-амперной характеристики, буферный слой выполнен на основе нитрида галлия, толщина подложки составляет 100 мкм, на подложку нанесен слой с высокой теплопроводностью, модулированный по глубине подложки в районе расположения электрода затвора.
При этом глубина модулирования подложки в районе расположения электрода затвора составляет 50 мкм [Патент № 2646536 RU. /Гетероструктурный полевой транзистор на основе нитрида галлия /Тихомиров В.Г./ /Бюл. – 2016 – № 7/].
Известен полевой транзистор на полупроводниковой гетероструктуре на основе нитрида галлия, содержащий подложку из карбида кремния, зародышевый слой, буферный слой, барьерный слой на основе AlGaN, пассивирующий слой на основе нитрида кремния, электроды истока, затвора, стока.
В котором, с целью улучшения стабильности вольт-амперной характеристики в условиях воздействия ионизирующих излучений,зародышевый слой выполнен на основе AlN, буферный слой – на основе нитрида галлия, барьерный слой на расстоянии 5-10 нм от канала полевого транзистора, дополнительно содержит слой AlGaN с дельта-легированием, толщиной 5 нм, со стороны буферного слоя, на расстоянии 10-15 нм от канала полевого транзистора, вводится дополнительныйслой GaN с легированием по всей глубине слоя [Патент № 2646529 RU. Гетероструктурный полевой транзистор на основе нитрида галлия /Тихомиров В.Г. и др./ /Бюл. – 2018 – № 7/] – прототип.
Технические решения последних двух аналогов, в том числе и прототипа, позволили улучшить температурную стабильность их вольт-амперных характеристик.
Однако, значения выходной мощности, коэффициента усиления, коэффициента шума, крутизны вольт-амперной характеристики – недостаточны в ряде случаев применения этих полевых транзисторов на полупроводниковой гетероструктуре на основе нитрида галлия.
з
.
Техническим результатом аявленного мощного полевого транзистора СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре на основе нитрида галлия является повышение – выходной мощности, коэффициента усиления, крутизны вольт-амперной характеристики, снижение – коэффициента шума, удельного сопротивления омических контактов
з
Технический результат достигаетсяаявленным мощным полевым транзистором СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре на основе нитрида галлия, содержащим
подложку, расположенную на ней
последовательность, по меньшей мере, одного слоя узкозонного и одного слоя широкозонного материалов полупроводниковой гетероструктуры с заданными параметрами,
канал полевого транзистора, формируемый двумерным электронным газом вблизи гетерограницы слоев узкозонного и широкозонного материалов полупроводниковой гетероструктуры,
электроды истока, затвора, стока, выполненные – расположенные согласно заданной топологии полевого транзистора,
пассивирующее покрытие, из диэлектрического материала, заданной толщины.
В котором
полупроводниковая гетероструктура выполнена в виде следующей прямойпоследовательности упомянутых слоев узкозонного и широкозонного материалов полупроводниковой гетероструктуры и с следующими их параметрами:
3
буферный слой нитрида галлия GaN – непосредственно на упомянутой подложке, толщиной (2,0-3,0)×10 нм,
слой нитрида алюминия AlN, толщиной (0,5-0,7) нм,
барьерный слой нидрида галлия алюминя AlGaN, толщиной менее 25 нм,
3
19
20
-3
в полупроводниковой гетероструктуре,вне области расположения электрода затвора, при этом в области расположения электродов истока и стока соответственно, на глубину от верхней – наружной поверхности барьерного слоя и до (1,9-2,9)×10 нм от нижней поверхности буферного слоя выполнен контактный слой, из нитрида галлия GaN, легированный донорной примесью, с концентрацией легирующей примеси (10-10) см,
при этом
электроды истока и стока выполнены на верхней – наружной поверхности упомянутого контактного слоя соответственно,
электрод затвора выполнен на верхней – наружной поверхности барьерного слоя либо заглублен в упомянутый слой на заданную глубину, при этом электрод затвора выполнен заданной длиной, шириной и геометрической формы,
а пассивирующее покрытие выполнено одновременно на всей наружной поверхности активной области полевого транзистора, толщиной (5-10) нм, с обеспечением защиты электродов истока и стока, канала, и электрода затвора.
Подложка выполненаиз полупроводникового или диэлектрического материала, максимально согласованного с материалом прилегающего слоя упомянутой полупроводниковой гетероструктуры по параметрам кристаллической решетки и температурному коэффициенту линейного расширения.
Величина заглубления, длина, ширина,геометрическая форма – дельта-образная (Δ), или Г-образная (Γ), или Т-образная (T) электрода затвора определяется заданными электрическими параметрами полевого транзистора и соответственно его топологией.
Электроды истока, стока, затвора выполнены из материала в виде металла или системы металлов, образующих омические контакты электродов истока и стока и барьер Шоттки электрода затвора.
Пассивирующее покрытие выполнено из диэлектрического материала нитрида кремния.
Раскрытие сущности изобретения.
Совокупность существенных признаков формулы изобретения заявленного мощного полевого транзистора СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре на основе нитрида галлия.
Как ограничительной ее части, а именно.
каждого
Выполнение полевого транзистора на полупроводниковой гетероструктуре на основе нитрида галлия, содержащей последовательность, по меньшей мере, одного слоя узкозонного и одного слоя широкозонного материалов упомянутой полупроводниковой гетероструктуры, благодаря тому, что материал из слоев полупроводниковой гетероструктуры обладает пъезоэлектрическим эффектом (пъезоэффектом), в частности эффектом пъезолегирования, и в силу этого – благодаря этому на гетерогранице узкозонного слоя и широкозонного слояматериалов полупроводниковой гетероструктуры создается (возникает) возможность процесса формирования двумерного электронного газа – канала полевого транзистора СВЧ.
При этом –
13
-2
Концентрация электронов в двумерном электронном газе может достигать значений, порядка 10см.
2
Подвижность электронов двумерного электронного газа существенно зависит от степени совершенства полупроводниковой гетероструктуры и может достигать значений 2000 см/(В×с).
канала
Благодаря столь высокой проводимости электронов двумерного электронного газа –  полевого транзистора на полупроводниковой гетероструктуре на основе нитрида галлия возможно достижение значений плотности тока более 1 А/мм и внешней крутизны вольт-амперной характеристики на уровне 120-200 мСм/мм.
А поскольку способность полевого транзистора СВЧ отдавать мощность зависит от его способности пропускать достаточно большой ток через его канал.
Очевидно, что подобные значения плотности тока в сочетании (совокупности) с высокими пробивными его характеристиками (пробивное напряжение) позволяют достигать значений выходной мощности на полупроводниковой гетероструктуре на основе нитрида галлия на порядок больших, чем на полупроводниковой гетероструктуре на основе арсенида галлия.
Совокупность как вышеуказанных уникальных возможностей полупроводниковой гетероструктуры на основе нитрида галлия, так и заявленных иных конструкционных и иных других признаков (относительно прототипа) отличительной части формулы изобретения, а именно.
Выполнение упомянутой полупроводниковой гетероструктуры в виде следующей прямойпоследовательности слоев узкозонного и широкозонного материалов полупроводниковой гетероструктуры и с следующими их параметрами:
буферный слой GaN, толщиной (1,0-3,0) мкм, при этом – непосредственно на упомянутой подложке,
слой AlN, толщиной (0,5-0,7) нм,
барьерный слой AlGaN, толщиной менее 25 нм.
И это благодаря
а) иному вышеуказанному (по сравнению с прототипом) выполнению – расположению широкозонного слоя AlN, а именно между буферным – узкозонным слоем GaN и барьерным – широкозонным слоем AlGaN,
б) с указанными иными их параметрами – толщиной каждого из данных слоев материала полупроводниковой гетероструктуры.
Это обеспечивает – дополнительный источник электронов в лице широкозонного слоя AlN для формирования двумерного электронного газа – канала полевого транзистора и тем самым – значительное увеличение концентрации электронов и их подвижности в двумерном электронном газе – канале полевого транзистора, и тем самым, увеличение потока основных носителе заряда (электронов),и тем самым – значительное увеличение удельной плотности тока в канале полевого транзистора.
Следует отметить, что сформированный двумерный электронный газ – канал заявленного полевого транзистора имеет (обладает) достаточно высокими значениями:
13
-2
а) концентрации электронов двумерного электронного газа (1,2-1,3)×10сми
2
б)подвижности электронов (1600-1700) см/(В×с).
И, как следствие, вышеуказанного –
повышение выходной мощности, коэффициента усиления, крутизны вольт-амперной характеристики полевого транзистора СВЧ.
19
20
-3
3
Наличие и выполнение контактного слоя, из нитрида галлия GaN, легированного донорной примесью, с концентрацией легирующей примеси (10-10) смв полупроводниковой гетероструктуре,вне области расположения электрода затвора, при этом в области расположения электродов истока и стока соответственно, на глубину от верхней – наружной поверхности барьерного слоя и до (1,9-2,9)×10 нм от нижней поверхности буферного слоя.
И в совокупности с выполнением электродов истока и стока на верхней – наружной поверхности упомянутого контактного слоя обеспечивает значительное – снижение удельного сопротивления омических контактов электродов истока и стока и, как следствие, дополнительно к вышеуказанному:
повышение – выходной мощности, коэффициента усиления,
снижение – коэффициента шума полевого транзистора СВЧ.
Выполнение электрода затвора на верхней – наружной поверхности барьерного слоя либо заглубленного в упомянутый слой на заданную (указанную) глубину, обеспечивает увеличение пробивного напряжения и тем самым дополнительно к вышеуказанному:
повышение – выходной мощности, коэффициента усиления и крутизны вольт-амперной характеристики.
При этом вышеуказанное в полной мере обеспечивается для полевых транзисторов СВЧ с электродом затвора различной геометрической формы (дельта-образной (Δ), Г-образной (Γ), Т-образной (T).
Выполнение пассивирующего покрытия одновременно на всей наружной поверхности активной области полевого транзистора, толщиной (5-10) нм, является оптимальным с точки зрения выполнения функциональных свойств, предусмотренных данным пассивирующим покрытием – обеспечение защиты и соответственно сохранение физической целостности омических контактов электродов истока и стока, канала полевого транзистора, электрода затвора, и соответственно сохранение достигнутого технического результата.
Выполнение:
3
3
буферного слоя GaN толщиной как менее 2,5×10 нм, так и более 3,0×10 нм, равно как
слоя AlN толщиной как менее 0,5 нм, так и более 0,7 нм, равно как
барьерного слоя AlGaN толщиной более 40 нм, равно как
3
19
-3
20
-3
контактного слоя из нитрида галлия GaN в полупроводниковой гетероструктуре,вне области расположения электрода затвора, при этом в области расположения электродов истока и стока соответственно, на глубину от верхней – наружной поверхности барьерного слоя и до (как менее 1,9, так и более 2,9)×10 нм от нижней поверхности буферного слоя и его легирование донорной примесью, с концентрацией легирующей примеси как менее 10см, так и более 10 смне допустимо,
в первом случае приводит к недопустимому повышению удельного сопротивления омических контактов электродов истока и стока,
во втором – к резкому повышению дефектности упомянутых легированных областей и тем самым к достаточно резкому снижению технического результата.
.
Итак, заявленный мощный полевой транзистор СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре на основе нитрида галлия в полной мере обеспечивает заявленный технический результат, а именно – повышение – выходной мощности, коэффициента усиления, крутизны вольт-амперной характеристики, снижение – коэффициента шума, удельного сопротивления омических контактов
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 дан общий вид заявленного мощного полевого транзистора СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре на основе нитрида галлия, где
- подложка – 1,
- последовательность, по меньшей мере, одного слоя узкозонного и одного слоя широкозонного материалов полупроводниковой гетероструктуры – 2,
- канал полевого транзистора – двумерный электронный газ – 3,
- электроды истока, затвора, стока – 4, 5, 6 соответственно,
- пассивирующее покрытие – 7
- буферный слой GaN – 8,
-
слой AlN – 9,
- барьерный слой AlGaN – 10,
- контактный слой – 11.
На фиг. 2 дана его вольт-амперная характеристика.
На фиг. 3 дана его крутизна вольт-амперной характеристики (зависимость крутизны полевого транзистора от напряжения на электродах истока и затвора).
Мощный полевой транзистор СВЧ работает следующим образом.
На электроды затвора 5 и стока 6 подают необходимые напряжения смещения от внешних источников соответственно. При этом на электрод затвора 5 – отрицательное, а на электрод стока 6 – положительное относительно электрода истока 4. На электрод затвора подается СВЧ-сигнал, который усиливается СВЧ-полем транзистора и подается на его выход – электрод стока 6.
Примеры конкретного выполнения.
Заявленный мощный полевой транзистор СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре на основе нитрида галлия выполнен в монолитном исполнении,согласно заданной его топологии, с использованием традиционных (классических) технологических операций методов (процессов) изготовления тонкопленочной технологии.
Пример 1.
-6
-1
-6
-1
Подложка 1 выполнена из диэлектрического материала – карбида кремния (SiC), толщиной 100 мкм (Марка 4H), которая имеет достаточную согласованность с материалом прилегающего буферного слоя GaN 8 упомянутой полупроводниковой гетероструктуры 2 по параметрам кристаллической решетки и температурному коэффициенту линейного расширения (5-6×10 К для SiC, 3,3-7,2×10 Кдля GaN).
На подложке 1 выполненяют:
- прямую последовательность – одного слоя узкозонного и двух слоев широкозонного материаловполупроводниковой гетероструктуры 2 с заданными параметрами методом осаждения из газовой фазы металлоорганических соединений (MOCVD) соответствующего состава(Dragon-125), а именно:
3
буферный слой GaN 8 толщиной 2,5×10 нм – узкозонный, непосредственно на упомянутой подложке 1,
слой AlN 9, толщиной 0,6 нм, – широкозонный,
x
1-x
барьерный слой AlGaN 9, толщиной 15,0 нм – широкозонный;
19
- 3
3
- контактный слой 11, из нитрида галлия GaN, легированный донорной примесью кремния, с концентрацией легирующе примеси 5×10 см, в полупроводниковой гетероструктуре 2,вне области расположения электрода затвора 5, при этом в области расположения электродов исток 4 и стока 6 соответственно, на глубину от верхней – наружной поверхности барьерного слоя 10 и до 2,4×10 нм от нижней поверхности буферного слоя 8, методом эпитаксиальног выращивания (методом MOCVD);
- электроды истока 4 и стока 6 на верхней – наружной поверхности упомянутых областей контактного слоя 11 соответственно, в виде прямой последовательности системы металлических слоев титан (Ti)-алюминий (Al)-никель (Ni)-золото (Au), общей толщиной 280 нм соответственно, образующих омические контакты электродов истока и стока, методом электронно-лучевого напыления (ВАК-761).
Электрод затвора 5 заглублен в барьерный слой AlGaN 10 на глубину 10 нм, при этом электрод затвора выполнен заданной – длиной 250 нм, шириной 1,0 мм и Δ-образной геометрической формы, из системы металлических слоев никель (Ni)-золото (Au), общей толщиной 600 нм, образующих барьер Шоттки электрода затвора, методом электронно-лучевого напыления.
3
4
Выполняют пассивирующее покрытие 7 из нитрида кремния (SiN), толщиной 7,5 нм, методом электронно-лучевого напыления.
13
-2
2
.
При этом взаимное расположение узкозонного буферного слоя GaN 8 и широкозонных слоев AlN 9 и барьерного слоя AlGaN 10, вблизи их гетерограницы AlN/GaN/AlGaN обеспечивают формирование двумерного электронного газа – канала полевого транзистора 3, с концентрацией основных носителей заряда – электронов 1,25×10см и подвижностью 1650 см/(В×с)
Примеры 2-6. Аналогично примеру 1 изготовлены образцы мощных полевых транзисторов СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре на основе нитрида галлия, но при других конструкционных параметрах, указанных в формуле изобретения (примеры 2-3, 6), а также за ее пределами (примеры 4-5).
Пример 7 – прототип.
На изготовленных образцах мощного полевого транзистора СВЧ.
Измерены:
вых.
,
Выходная мощность (Р), Втпосредством ваттметра (СМЗ010).
У
Коэффициент усиления (К) посредством анализатора цепей (Agilent Technologies PNA Network Analyzer).
ш
Коэффициент шума (К), дБ посредством индикатора коэффициента шума (Х5-2 (ИКШ-2)).
Удельное сопротивление омических контактов электродов истока и стока ( ρ), Ом×мм посредством метода длинных линий (TLМ метод).
Крутизна вольт-амперной характеристики (S) рассчитана по формуле:
c
S = ΔI/ΔU
Данные представлены в таблице и на фиг. 2, 3
Как видно из таблицы и фиг. 2, 3 образцы мощного полевого транзистора СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре на основе нитрида галлия, выполненные согласно формулы изобретения (примеры 1-3, 6) имеют соответственно:
выходную мощность (5,3, 4,8, 4,85, 6,1) Вт,
коэффициент усиления (15,0, 12,0, 12,5, 15,0), дБ,
крутизну вольт-амперной характеристики (200,0, 170,0, 175,0, 200,0) мСм/мм,
коэффициент шума (1,7, 2,0, 2,01, 1,6) дБ,
удельное сопротивление омических контактов электродов истока и стока (0,1, 0,15, 0,15, 0,1) Ом×мм.
В отличие от образцов, выполненных за пределами формулы изобретения (примеры 4-5), которые имеют примерно – выходную мощность 3,2 Вт, коэффициент усиления 7,0 дБ, крутизну вольт-амперной характеристики 150,0мС/мм, коэффициент шума 2,2 дБ, удельное сопротивление омических контактов электродов истока и стока 0,3 Ом×мм.
Таким образом, заявленный мощный полевой транзистор СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре на основе нитрида галлия обеспечивает заявленный технический результат, а именно;
Достаточно высокие значения:
- выходной мощности примено 5,3 Вт,
- коэффициента усиления примерно 15 дБ,
- крутизны вольт-амперной характеристики более 200 мСм/мм,
Достаточно низкие значения:
- коэффициента шума примерно 1,7 дБ,
- удельного сопротивления омических контактов электродов истока и стока примерно 0,1 Ом×мм.
не даны
Аналогичные данные, по вышеуказанным основным параметрам полевого транзистора в описании прототипа  [Патент № 2646529 RU. Гетероструктурный полевой транзистор на основе нитрида галлия. /Тихомиров В.Г. и др./ /Бюл. – 2018 – № 7/].
Следует отметить, что заявленный мощный полевой транзистор СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре на основе нитрида галлия с достаточно высокими значениями вышеуказанных основных параметров может быть использован в качестве объекта по импортозамещению аналогичных изделий, что на сегодня чрезвычайно актуально.