МОЩНЫЙ ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР СВЧ
POWERFUL MICROWAVE FIELD TRANSISTOR

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано в качестве активных элементов устройств СВЧ различного назначения и при этом, прежде всего, в монолитном интегральном исполнении.
Выходная мощность и коэффициент усиления по мощности (далее коэффициент усиления) - одни из основных выходных параметров мощных полевых транзисторов СВЧ (далее полевой транзистор).
На сегодня возможные пути их повышения:
- увеличение ширины электрода затвора,
- снижение теплового и паразитного электрического сопротивлений,
- снижение паразитных емкостей.
Наиболее известны технические решения, в которых с целью увеличения ширины электрода затвора используют много затворную конструкцию мощного полевого транзистора СВЧ.
При этом, с одной стороны, чем больше ширина общего электрода затвора, тем выше выходная мощность полевого транзистора.
Однако, с другой стороны, имеется ряд ограничений, а именно:
- при достаточно большой ширине единичного электрода затвора снижается эффективность работы полевого транзистора, то есть удельная выходная мощность в расчете на единицу ширины единичного электрода затвора вследствие значительного паразитного сопротивления общего электрода затвора,
- из-за несовершенства технологического оборудования и технологии изготовления, конструкция отличается неточностью совмещения единичных электродов затвора и, соответственно, неидентичностью его каналов, последнее приводит к снижению эффективности сложения мощности каналов,
- при некоторых размерах области полуизолирующего арсенида галлия (менее 4 мкм) наблюдается повышение тока утечки между единичными электродами исток-сток, что приводит к появлению неуправляемого единичным электродом затвора тока стока,
- при некоторых размерах канавок (менее 0,5 мкм) в парах единичных электродов исток - сток, в которых расположены единичные электроды затвора, имеет место снижение пробивного напряжения между единичными электродами затвор - исток и затвор - сток.
И, как следствие этого, - некоторое снижение выходной мощности и коэффициента усиления полевого транзистора СВЧ.
Эти недостатки полевого транзистора СВЧ с много затворной конструкцией успешно решены следующими техническими решениями.
С целью снижения паразитного сопротивления общего электрода затвора, полевой транзистор выполнен в виде так называемой гребенки из чередующейся последовательности единичных электродов исток - затвор - сток, при этом единичные электроды затвора расположены в канавках каналов, выполненных между единичными электродами исток - сток. [«Полевые транзисторы на арсениде галлия. Принципы работы и технология изготовления» Под ред. Д.В. Ди Лоренцо, Д.Д. Канделуола. Перевод с английского под ред. Г.В. Петрова, М.: Радио и связь, 1988 г., с.118].
С целью исключения неточности совмещения единичных электродов затвора полевого транзистора и, соответственно, неидентичности его каналов и, соответственно, снижения эффективности сложения мощности каналов, между парами единичных электродов исток - сток расположены области полуизолирующего арсенида галлия, оптимизирована длина единичных электродов затвора, расположенных в парах единичных электродов исток - сток (не более 0,7 мкм), и при этом единичные электроды затвора выполнены в канавках каналов асимметрично в сторону единичных электродов истока. [«Мощные GaAs полевые СВЧ-транзисторы со смещенным затвором», авторы Лапин В.Г., Красник В.А., Петров К.И., Темнов A.M. Одиннадцатая Международная конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии». Сборник материалов конференции 10-14 сентября 2001 г., Севастополь, Крым, Украина, с.135].
С целью снижения тока утечки между единичными электродами исток - сток и увеличения пробивного напряжения между единичными электродами затвор - исток и сток - затвор, оптимизированы - ширина области полуизолируещего арсенида галлия, ширина (0,9-1,3) мкм и глубина (0,2-0,3) мкм канавок, расположение единичных электродов затвора в канавках каналов (на расстоянии равном 0,1-0,3 и 0,5-0,7 мкм соответственно. [Патент 2307424 РФ. Мощный СВЧ полевой транзистор с барьером Шотки /Лапин В.Г. и др.// Бюл. - 2007 г. - № 3].
Это позволило значительно увеличить выходную мощность полевого транзистора СВЧ.
Выходная мощность этих полевых транзисторов СВЧ составляет порядка (750, 1000) мВт, коэффициент усиления - порядка (10, 12) дБ на частоте 10 ГГц.
Однако, данный полевой транзистор отличается достаточно большой толщиной полуизолирующей подложки арсенида галлия под активной областью (порядка 100 мкм) и достаточно малой ее толщины (порядка 10 мкм) в области максимального отвода тепла (металлизированного отверстия для заземления электродов).
Это затрудняет возможность обеспечения плотной упаковки единичных электродов исток - затвор - сток, что определяет и высокие массогабаритные характеристики и затрудняет использование в составе кристалла монолитной интегральной схемы СВЧ.
Известен мощный полевой транзистор СВЧ, содержащий полупроводниковую подложку с заданной структурой слоев, на лицевой стороне которой, по меньшей мере, одну заданную топологию элементов активной области полевого транзистора, представляющую собой последовательность единичных электродов истока, затвора, стока, токопроводящий канал с канавкой между каждой парой единичных электродов исток - сток под единичный электрод затвора, защитное покрытие элементов активной области кристалла полевого транзистора, металлизированное отверстие для заземления общего электрода истока, интегральный теплоотвод из высоко тепло-и электропроводящего материала с обратной стороны полупроводниковой подложки, при этом одноименные единичные электроды стока, затвора, истока соединены электрически.
+
+
В котором, с целью повышения выходной мощности и коэффициента усиления, уменьшения массогабаритных характеристик, полупроводниковая подложка выполнена в виде прямой последовательности полуизолирующего слоя, n-типа проводимости слоя, стоп-слоя, буферного слоя, активного слоя, с толщиной полуизолирующего и буферного слоев (не менее 30,0) и (1,0-20,0) мкм соответственно, часть металлизированного отверстия с лицевой стороны полупроводниковой подложки на глубине, равной сумме толщин активного, буферного и стоп слоев, выполнена с металлизированным дном, а другая часть металлизированного отверстия с обратной стороны полупроводниковой подложки на глубину, равную сумме толщин полуизолирующего и n-типа проводимости слоев, выполнена глухой в виде сплошного слоя из высоко тепло- и электропроводящего материала, при этом асимметрично в сторону общего электрода стока относительно вертикальной оси металлизированного отверстия, с размером поперечного сечения, равным размеру поперечного сечения топологии элементов активной области полевого транзистора, при этом упомянутые части металлизированного отверстия перекрываются полностью либо частично в горизонтальной плоскости места их соприкосновения, а интегральным теплоотводом одновременно является сплошной слой из высоко тепло-и электропроводящего материала другой части металлизированного отверстия. [Патент 2463685 РФ. Мощный полевой транзистор СВЧ /Воробьев А.А и др. //Бюл. - 2012 - № 28] - прототип.
Наличие в данном мощном полевом транзисторе СВЧ интегрального теплоотвода толщиной порядка 30 мкм позволило:
во-первых, уменьшить толщину полупроводниковой подложки до 30 мкм, и тем самым - снизить ее тепловое сопротивление и тем самым - повысить отвод тепла и, как следствие, - повышение выходной мощности,
во-вторых, повысить плотность упаковки единичных электродов истока, затвора, стока и тем самым уменьшить массогабаритные характеристики, и тем самым - возможность использования данного мощного полевого транзистора СВЧ в составе кристалла монолитной интегральной схемы СВЧ.
Однако выходная мощность данного мощного полевого транзистора СВЧ является недостаточно высокой в ряде случаев его применения.
Техническим результатом заявленного мощного полевого транзистора СВЧ является повышение удельной выходной мощности, выходной мощности, коэффициента усиления, долговечности, расширение функциональных возможностей.
Указанный технический результат достигается заявленным мощным полевым транзистором СВЧ, содержащим полуизолирующую полупроводниковую подложку, на лицевой стороне которой выполнена заданная структура полупроводниковых слоев на основе арсенида галлия, на лицевой стороне последней выполнены элементы, по меньшей мере, одной активной области полевого транзистора, при этом активная область содержит единичные электроды истока, затвора, стока, канал с канавкой между каждой парой единичных электродов исток - сток под каждый единичный электрод затвора.
При этом
k,
H
k
H
-4
на лицевой стороне элементов активной области полевого транзистора либо на лицевой стороне отдельных элементов активной области в различной их комбинации выполнено теплопроводящее покрытие, из высоко теплопроводящего материала, с удельной теплопроводностью  толщиной , причём произведение удельной теплопроводности  и толщины составляет величину более 10 Вт/К.
Заданная структура полупроводниковых слоев на основе арсенида галлия выполнена в виде гомоструктуры либо гетероструктуры.
Элементы, по меньшей мере, одной активной области полевого транзистора выполнены согласно его заданной топологии.
Высоко теплопроводящее покрытие выполнено между единичными электродами затвор - сток и самим единичным электродом стока.
Высоко теплопроводящее покрытие выполнено на поверхности канавки между единичными электродами исток - затвор, затвор - сток и самих единичных электродах истока, затвора и стока.
Полевой транзистор дополнительно содержит интегральный теплоотвод из высоко тепло- и электропроводящего материала, выполненный наобратной стороне полуизолирующей полупроводниковой подложки.
Между элементами активной областей либо между любым набором элементов активной области и высоко теплопроводящим покрытием выполнено защитное покрытие, толщиной менее 0,1 мкм.
Полевой транзистор выполнен в виде единичного - дискретного кристалла, либо в составе кристалла монолитной интегральной схемы СВЧ.
Защитное покрытие может быть нанесено любым образом вне активной области транзистора
Теплопроводящее покрытие может быть нанесено любым образом вне активной области транзистора, как на защитное покрытие, так и на поверхность полупроводника.
Раскрытие сущности изобретения.
Совокупность существенных признаков заявленной формулы изобретения, как ограничительной части, так и отличительной части, а именно.
k,
H
k
H
-4
Выполнение на лицевой стороне элементов активной области полевого транзистора либо на лицевой стороне отдельных элементов активной области в различной их комбинации теплопроводящего покрытия, из высоко теплопроводящего материала с удельной теплопроводностью  толщиной , причём произведение удельной теплопроводности  и толщины составляет величину более 10 Вт/К.
Выполнение высоко теплопроводящего покрытия между единичными электродами затвор - сток и самом единичном электроде стока.
Выполнение высоко теплопроводящего покрытия на канале с канавкой между электродами исток - затвор, затвор - сток и самих единичных электродах истока, затвора, стока.
Это обеспечивает.
Во-первых, снижение резких перепадов температуры в активной области полевого транзистора и тем самым - равномерный отвода тепла в полуизолирующую полупроводниковую подложку от всехактивных элементов активной области полевого транзистора, и тем самым - максимальное снижение температуры в максимально нагретых частях активных элементов активной области полевого транзистора, и тем самым - максимальное снижение общего теплового сопротивления активных элементов активной области полевого транзистора и, как следствие, -
- повышение удельной выходной мощности,
- выходной мощности,
- коэффициента усиления,
- долговечности.
Во-вторых, оптимизацию конструкционных и функциональных возможностей высоко теплопроводящего покрытия и тем самым - возможность реализации плотной упаковки единичных электродов истока, затвора, стока, и тем самым - возможность использования данной конструкции полевого транзистора, как в виде единичного - дискретного кристалла, так и в составе кристалла монолитной интегральной схемы СВЧ и, как следствие, -
- уменьшение массогабаритных характеристик,
- расширение функциональных возможностей.
Наличие в мощном полевом транзисторе СВЧ дополнительно интегрального теплоотвода из высоко тепло- и электропроводящего материала, выполненного на обратной стороне полуизолирующей полупроводниковой подложки обеспечивает возможность максимального утонения полупроводниковой подложки (до толщины порядка 30 мкм) и тем самым - повышение отвода тепла, и тем самым - снижение теплового сопротивления полупроводниковой подложки и, как следствие, - дополнительно повышение удельной выходной мощности, выходной мощности, коэффициента усиления, долговечности.
Выполнение между элементами активной области полевого транзистора либо между единичными электродами затвор - сток и самом единичном электроде стока элементов активной области и высоко теплопроводящим покрытием защитного покрытия толщиной менее 0,1 мкм обеспечивает долговечность транзистора при сохранении низкого тепловое сопротивление между каналом полевого транзистора и подложкой и, как следствие, - дополнительно повышение удельной выходной мощности, выходной мощности, коэффициента усиления, долговечности.
Наличие теплопроводящего покрытия за пределами активной области при нанесении его внутри активной области любым из перечисленных способов, ведёт к дополнительному снижению теплового сопротивление между каналом полевого транзистора и подложкой, как следствие, - дополнительно повышение удельной выходной мощности, выходной мощности, коэффициента усиления, долговечности.
Возможность использования заданной структуры полупроводниковых слоев на основе арсенида галлия как в виде гомоструктуры, так и в виде гетероструктуры, равно как - данной конструкции мощного полевого транзистора СВЧ, как в виде единичного - дискретного кристалла, так и в составе кристалла монолитной интегральной схемы СВЧ обеспечивает расширение функциональных возможностей.
Возможность использования данного мощного полевого транзистора СВЧ в составе кристалла монолитной интегральной схемы СВЧ является на сегодня чрезвычайно актуальным.
k
H
-4
Выполнение теплопроводящего покрытия из высоко теплопроводящего материала, когда произведение его удельной теплопроводности  и толщины  менее 10 Вт/К недопустимо, так как это практически полностью нивелирует указанный технический результат, а
-4
Выполнение теплопроводящего покрытия на несколько порядков более величины 10 Вт/К ограничено только технологическими возможностями.
Выполнение защитного покрытия толщиной более 0.1 мкм не желательно, так как приводит к значительному увеличению теплового сопротивления полевого транзистора.
Итак, заявленный мощный полевой транзистор СВЧ в полной мере обеспечивает указанный технический результат - повышение удельной выходной мощности, выходной мощности, коэффициента усиления, долговечности, расширение функциональных возможностей.
Изобретение поясняется чертежами.
разрез
На фиг. 1 дан схематически заявленный мощный полевой транзистор СВЧ,  - когда высоко теплопроводящее покрытие выполнено на лицевой стороне элементов активной области, где
-полуизолирующая полупроводниковая подложка - 1,
-на лицевой стороне, которой выполнена заданная структура полупроводниковых слоев на основе арсенида галлия - 2,
одна заданная топология элементов активной области полевого транзистора, представляющих собой
-последовательность единичных электродов - истока, затвора, стока - 3, 4, 5 соответственно,
-токопроводящий канал - 6 с канавкой - 7,
-защитное покрытие - 8 элементов активной области полевого транзистора,
-покрытие из высоко теплопроводящего материала - 9,
-интегральный теплоотвод - 10 из высоко тепло- и электропроводящего материала с обратной стороны полуизолирующей полупроводниковой подложки.
И частные случаи выполнения, когда высоко теплопроводящее покрытие выполнено:
между единичными электродами затвор - сток и самом единичном электроде стока элементов активной области (фиг. 1а);
на канале с канавкой между единичными электродами исток - затвор, затвор - сток и самих единичных электродах истока, затвора, стока элементов активной области полевого транзистора (фиг. 1 б).
Мощный полевой транзистор СВЧ работает следующим образом.
На единичные электроды затвора и стока СВЧ полевого транзистора подают необходимые напряжения смещения от внешних источников. При этом на единичные электроды затвора - отрицательные, а на единичные электроды стока - положительные относительно единичных электродов истока. На единичные электроды затвора подают СВЧ сигнал, который усиливается полевым транзистором и подается на его выход - электрод стока.
Примеры конкретного выполнения.
Пример 1.
На лицевой стороне полуизолирующей полупроводниковой подложки 1 из GaAs АГЧП-76,2-450-(100)2,5(110)-ЕJ-ДСП ТУ 6365-01-52692510-2010 выполнена заданная структура полупроводниковых слоев на основе арсенида галлия 2 - гетероструктура в виде прямой последовательности следующих полупроводниковых слоев:
- буферный слой, толщиной 0,6 мкм,
0,3
0,7
- нелегированный слой AlGaAs, толщиной 0,05 мкм,
19
-3
- легированный слой GaAs, легированный кремнием, с концентрацией легирующей примеси 10 см, толщиной 0,001 мкм,
0,3
0,7
- нелегированный слой AlGaAs, толщиной 0,002 мкм,
- нелегированный слой GaAs, толщиной 0,002 мкм,
0,17
0,83
- нелегированный слой InGaAs, толщиной 0,013 мкм,
- нелегированный слой GaAs, толщиной 0,002 мкм,
0,3
0,7
- нелегированный слой AlGaAs, толщиной 0,002 мкм,
19
-3
- легированный слой GaAs, легированный кремнием, с концентрацией легирующий примеси 2×10 см, толщиной 0,001 мкм,
0,3
0,7
- нелегированный слой AlGaAs, толщиной 0,02 мкм,
- нелегированный слой GaAs, толщиной 0,02 мкм,
18
-3
- легированный слой GaAs, легированный кремнием, с концентрацией легирующей примеси 5×10 см, толщиной 0,05 мкм (контактный слой).
На лицевой стороне гетероструктуры полупроводниковых слоев 2 выполнена одна активная область полевого транзистора согласно его заданной топологи, при этом активная область содержит - единичные электроды истока 3, затвора 4, стока 5, канал 6 с канавкой 7 единичными электродами истока 3 - стока 5 под единичным электродом затвора 5.
k
H
5
-3
-4
На лицевой стороне элементов активной  области полевого транзистора выполнено теплопроводящее покрытие 9, из высоко теплопроводящего материала - полиалмаза, удельной теплопроводностью  равной 1000 Вт/К/м, толщиной  равной 5 мкм,(при этом их произведение составляет величину ×10 Вт/К, что более 10) (фиг. 1).
Примеры 2-3.
Аналогично примеру 1 изготовлены образцы мощного полевого транзистора, но при других конструкционных параметрах фиг.1.
Пример 4.
Аналогично примеру 1 изготовлены образцы мощного полевого транзистора (его частные случаи его выполнения) (фиг. 1 а, б).
Заданная структура выполнена в виде гомоструктуры
теплопроводящее покрытие 13 выполнено.
( фиг. 1 а).
Между единичными электродами затвор 4 - сток 5 и самом единичном электроде стока 5 элементов активной области и на элементах вне активной области полевого транзистора
(фиг. 1 б).
На канале 6 с канавкой 7 между единичными электродами исток 5 - затвор 6 и затвор 6 - сток 7, и самих единичных электродах истока, затвора, стока элементов активной области полевого транзистора
При этом данный образец мощного полевого транзистора содержит:
- интегральный теплоотвод 10;
- между упомянутой поверхностью единичных электродов затвор 4 - сток 5 и самом единичном электроде стока 5 элементов активной области полевого транзистора и высоко теплопроводящим покрытием 9 выполнено защитное покрытие 8, толщиной менее 0,1 мкм.
При этом эта структура полупроводниковых слоев на основе арсенида галлия 2 выполнена в виде гомоструктуры, прямой последовательности:
- полуизолирующего слоя,
+
- n-типа проводимости слоя, толщиной 30,0 мкм,
- стоп-слоя,
- буферного слоя, толщиной 10 мкм,
- активного слоя, (фиг.1 а, 1 б).
Пример 5 соответствует прототипу.
На изготовленных образцах мощного полевого транзистора СВЧ были измерены электрические параметры посредством метода согласующих трансформаторов, а именно удельная выходная мощность (Вт/мм), выходная мощность Вт, коэффициент усиления (дБ) на частоте 10 ГГц.
.
Определена долговечность при работе в непрерывном режиме с максимальной отдаваемой выходной мощностью опытно-расчетным путем
Данные представлены в таблице.
Как видно из таблицы указанные параметры заявленного мощного полевого транзистора составляют примерно:
- удельная выходная мощность 1,0 Вт/мм,
- выходная мощность 0,8 Вт,
- коэффициент усиления 10,5 дБ,
6
- долговечность (5-10)×10 часов (примеры 2-4).
6
В отличие от образца прототипа, который имеет примерно удельную выходную мощность 0,8 Вт/мм, выходную мощность 0,65 Вт, коэффициент усиления 9,5 дБ, долговечность 10 часов.
Таким образом, заявленный мощный полевой транзистор СВЧ по сравнению с прототипом обеспечит повышение:
- удельной выходной мощности на 10-15 процентов,
- выходной мощности на 10-15 процентов,
- коэффициента усиления на 10-15 процентов,
- долговечности в 2-3 раза.
МОЩНЫЙ ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР СВЧ
Таблица
№
Конструкционные параметры мощного полевого транзистора
Результаты измерений
Высоко теплопроводящее покрытие
Защитное покрытие
Материал
Удельная теплопро-водность
<i>k</i> (Вт/м/K)
Толщина <i>H</i> (мкм)
<i>H×k</i>
Материал
Толщина (мкм)
Выходная мощность (Вт)
Удельная мощность (Вт/мм)
Коэф. усиления (дБ)
Долговеч-ность (ч)
1 Соответствует прим.1 и фиг.1 п.1
полиалмаз
1000
5.0
5×10<sup>-3</sup> Вт/К
Si<sub>3</sub>N<sub>4</sub>
0.005
0.8
1.0
10.5
9⋅10<sup>6</sup>
2 Соответствует фиг.1 а
полиалмаз
1000
1.0
10<sup>-3</sup> Вт/К
Si<sub>3</sub>N<sub>4</sub>
0.005
0.76
0.95
10.4
5⋅10<sup>6</sup>
3 Соответствует фиг.1 б
полиалмаз
1000
50.0
5×10<sup>-2</sup> Вт/К
SiO<sub>2</sub>
0.005
0.81
1.01
10.51
10⋅10<sup>6</sup>
4
полиалмаз
1000
0.1
10<sup>-4</sup> Вт/К
Si<sub>3</sub>N<sub>4</sub>
0.01
0.661
0.826
10.0
1.5⋅10<sup>6</sup>
5 Прототип
Высоко теплопроводящее покрытие отсутствует
Si<sub>3</sub>N<sub>4</sub>
0.005
0.66
0.825
10.0
10<sup>6</sup>