СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ БИПОЛЯРНЫЙ p-n-p ТРАНЗИСТОР
SUPER HIGH FREQUENCY BIPOLAR p-n-p TRANSISTOR

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, в частности к конструированию высоковольтных сверхвысокочастотных (СВЧ) биполярных транзисторов р-n-р-типа.
Биполярные р-n-р-транзисторы используются в усилительных и генераторных СВЧ-устройствах на частотах вплоть до X-СВЧ диапазона (1÷10 ГГц).
р
2
2
14
-3
20
-3
Все известные конструктивные решения высоковольтных биполярных р-n-р-транзисторов выполнены на основе кремниевых материалов. В настоящее время во всем мире выпускаются десятки типономиналов СВЧ р-n-р кремниевых транзисторов. Из-за физических ограничений частотные свойства кремниевых р-n-р СВЧ-транзисторов колеблются от нескольких сотен мегагерц до величин, близких к гигагерцовому диапазону. Основное ограничение связано с подвижностью µ неосновных носителей дырочного типа, величина которой колеблется в пределах от 480 см/B·с до 50 см/B·с при концентрации легирующей примеси от N=10 см до N=10 см.
K
T
K
T
Теоретический предел повышения предельной частоты кремниевого биполярного транзистора определяется скоростью насыщения носителей и напряженностью электрического поля при пробое, он не может быть выше произведения U·f≤200 В·ГГц для транзисторов электронного типа (n-р-n) и ≤100 B·ГГц для транзисторов дырочного типа (р-n-р), где U - напряжение пробоя коллектор-база перехода, a f - частота в долях или единицах гигагерц.
Известны конструкции р-n-р сверхвысокочастотных транзисторов ряда фирм (On Semiconductor, США; ТТ Electronics - Semelab, Великобритания; Infineon, Германия и др.), которые имеют предельные частоты свыше 300 МГц и напряжения несколько десятков вольт. Наиболее близкими прототипами являются конструкции СВЧ р-n-р кремниевых транзисторов 2N3209DCSM фирмы ТТ Electronics - Semelab (www.semelab.com) (1), BF660 фирмы Infineon, Германия (www.infineon.com) (2), имеющие напряжения пробоя коллектор-база от 20 до 50 B и предельные частоты коэффициента усиления по току 400÷700 МГц.
+
+
+
+
K
T
Конструкции кристаллов известных (1), (2) р-n-р СВЧ транзисторов выполнены на кремниевых эпитаксиальных подложках р-р-типа с последующим созданием диффузионных n-n-р-типа перехода и р-эмиттера. р-Эмиттер выполнен в виде так называемой «overlay» ячеистой топологии и состоит из множества автономных ячеек, соединенных параллельно с помощью силицидных металлов. Толщина базовой области таких транзисторных структур чрезвычайно мала и не превышает значений 0,15÷0,2 мкм, т.е. она значительно тоньше, чем толщина базовой области n-р-n-транзисторов аналогичного частотного диапазона в 1,5÷1,8 раза из-за соответствующего меньшего значения подвижности неосновных носителей в n-базе р-n-р-транзистора. В этой связи сложно получить предельные значения параметра U·f. Ширина эмиттерных полос или ячеек р-n-р СВЧ транзистора не превышает нескольких единиц микрометров, так, к примеру, при ширине эмиттерной полоски в 3 мкм и толщине базовой области в 0,15 мкм соотношение ширины эмиттерной полоски к толщине базы будет равно 20, что накладывает ограничения на токораспределение инжектируемого тока из эмиттера в базу из-за эффекта краевого оттеснения эмиттерного тока. Очевидно, что для приближения предельной частоты коэффициента усиления к 1,0 ГГц ширина эмиттерной ячейки не должна превышать 1,0÷1,5 мкм.
К очевидным недостаткам конструкций р-n-р СВЧ кремниевых транзисторных структур относятся:
- невысокая подвижность носителей дырочного типа и сильная зависимость ее от концентрации легирующей примеси в базовой n-области, что влияет на частотные свойства;
- низкие значения пробивных напряжений коллектор-база и коллектор-эмиттер из-за исключительно малых значений толщины базовой области;
- необходимость очень точного воспроизведения токораспределения в структуре стабилизирующими резисторами в цепи эмиттера из-за тонкой базы;
- высокая вероятность «прокола» базовой области повышенной напряженностью коллекторного перехода;
- сильно выраженный краевой эффект оттеснения эмиттерного тока из-за малых толщин базовой области;
- сложность получения сочетания больших значений рабочих токов и напряжений, связанная с резким увеличением активной площади структуры;
- невысокая рабочая выходная мощность;
- сильно выраженная температурная зависимость параметров транзистора.
Целью настоящего изобретения является резкое повышение рабочих напряжений в 5÷10 раз, рабочих токов и выходной мощности - в несколько раз, увеличение граничной частоты коэффициента усиления по току в 1,5÷3 раза, области безопасной работы в статическом и динамическом режимах.
+
+
+
+
+
+
-
+
+
Поставленная цель достигается тем, что в известном конструктивном решении сверхвысокочастотного биполярного р-n-р-транзистора, содержащего коллекторную область на основе р-типа монокристаллической кремниевой подложки, эпитаксиальный р-типа кремниевый слой, диффузионную тонкую n-область, диффузионную р-типа эмиттерную область и металлические контакты к активным областям взамен кремниевой р-р-n-р-структуры выполнена следующая структура р-n-р СВЧ транзистора, коллекторная и базовая области которой выполнены из соединений галлия и мышьяка на основе р-монокристаллической подложки коллектора, последовательных эпитаксиальных слоев р-р-р-типа коллектора, эпитаксиального i-слоя с проводимостью, близкой к собственной, n-типа, n-типа тонких эпитаксиальных слоев базовой области, а эмиттерная область выполнена из последовательного гетерофазного эпитаксиального р-р-типа эмиттера на основе соединений алюминия, галлия, мышьяка.
+
+
-
+
+
Сущность изобретения поясняется на Фиг.1, где 1 - р-монокристаллическая подложка из GaAs; 2 - эпитаксиальный GaAs р-типа слой; 3 - эпитаксиальный GaAs р-типа слой; 4 - эпитаксиальный GaAs р-типа слой; 5 - эпитаксиальный i-GaAs слой; 6 - тонкий эпитаксиальный GaAs n-типа слой; 7 - тонкий эпитаксиальный GaAs n-слой; 8 - эпитаксиальный GaAs/AlGaAs р-типа слой; 9 - эпитаксиальный GaAs/AlGaAs р-типа слой; 10, 11, 12 - металлические контакты к активным областям структуры.
На фиг.2 приведены профили распределения примесных атомов в новой предложенной структуре р-n-р СВЧ транзистора на основе соединений алюминия, галлия и мышьяка.
T
При создании предложенной конструкции р-n-р СВЧ транзистора первоочередной целью ставилось достижение сочтания таких важнейших параметров, как максимально возможная предельная частота f усиления сигнала и предельно допустимые напряжения на коллекторном переходе.
ЭБ
Б
Ki
БК
Время задержки сигнала при передаче из эмиттера в коллектор определяется из суммы четырех составляющих: времени заряда перехода эмиттер-база (τ), времени пролета через базовую область (τ), времени пролета через обедненный слой коллекторного р-n-перехода (τ) и времени заряда коллекторного р-n-перехода (τ).
T
Предельная частота f определяется по формуле:
T
КЭ
ЭБ
Б
Ki
БК
f=1/2πτ=1/2π(τ+τ+τ+τ)
0
p-n
ЭБ
0
p-n ЭБ
Исходя из того, что определяющим вкладом в значение времени заряда перехода эмиттер-база является емкость гетероперехода AlGaAs.GaAs, очень важно сохранить инжекционные свойства гетероперехода и одновременно иметь наименьшую удельную емкость - εε S/L, где εε - диэлектрическая постоянная гетеоструктуры, S - площадь перехода эмиттер-база, L - ширина обедненного слоя р-n перехода.
+
-5
1/2
ЭБО
0
0
Толщина слоя объемного заряда эмиттер-база перехода р-n-типа при нулевом смещении W находится в пределах (1÷8)·10 и зависит от уровня легирования p-области AlGaAs, зависимость емкости перехода эмиттер-база описывается выражением C~(U-U) (резкий р-n переход), где U - контактная разность потенциала на гетероструктуре, которая находится в пределах 1,18÷1,4 B; U - прямое смещение на р-n-переходе эмиттер-база. Расчеты времени зарядки эмиттерной емкости выполняются исходя из формулы
,
ЭБ
ЭБ
-10
-10
-12
где kT/q - постоянная, равная 0,026, C гетероструктуры в зависимости от площади эмиттера колеблется в пределах (1÷5)·10Ф, таким образом при единицах ампер, значение τ не превышает 10÷10 сек.
Время пролета через базу определяется по формуле:
Б
p
-5
+
где W - эффективная толщина базы, в нашем случае меньше 0,25 мкм или 2,5·10 см; D - определяется из соотношения Эйнштейна  и зависит от подвижности дырок в базовой области. Подвижность дырок в базовой n-n-области рассчитывается по формуле:
D
где N - концентрация легирующей примеси в базе.
р
+
+
При росте µ необходимо учитывать не только среднее значение концентрации легирующей примеси в базовой области, но и наличие встроенного ускоряющего электрического поля в n-n GaAs базе р-n-р-транзистора с учетом высокого градиента перепада примеси в n GaAs слое и правильного подбора n-слоя из GaAs, встроенное поле придаст ускорительный дрейфовый механизм переноса носителей через базовую область.
-10
Тонкая базовая область n-типа колеблется от долей микрометра до 1,5÷2 мкм в зависимости от уровня легирования данного участка высокоомной «пролетной» базы. Концентрация легирующей примеси выбирается из условия полного обеднения в ней и наличия готового встроенного ускоряющего поля, предшествующего более сильному ускоряющему полю носителей в i-области. Ускоряющее поле в n-зоне создается за счет «стекания» электронов в активной области к границе n-i-слоев. Расчеты показывают, что время пролета через базу меньше чем 2·10 сек.
-
Время пролета носителей через i-слой и область обеднения в зоне i-р-перехода определяется выражением:
K
0
ki
K
K
КБ
К
K
Б
K
Б
-9
5
6
7
-10
-
где S - площадь перехода коллектор-база, скорость насыщения носителей при значениях εε~1,0·10Ф для GaAs и емкостях не выше чем ~10÷20 пФ при напряженности поля, близкой к 10÷10 B/см и скоростях пролета, близких к (1÷2)·10 см/сек. Значение данного параметра (τ) будет близким к 10 сек. Время перезарядки RC цепочки коллекторной области определяется по формуле в упрощенном виде: τ=С(R+r)·2π, где R - сопротивление р-коллектора, r - распределенное сопротивление («листовое») базы.
КБ
Время τ зависит и от плотности тока, площади перехода коллектор-база, а также правильности выбора ε-области.
0
11
В целом это время с учетом соотношения εε(GaAs)÷толщина i-слоя ÷ площадь перехода коллектор-база не является критичным и может приближаться к значениям 10 сек.
КБ
Особенность данной структуры состоит в том, что в ней нет, как принято в обычном понимании, слаболегированной области коллектора, а вводится взамен этого эпитаксиального р-слоя i-область, размеры которой диктуются временем пролета через нее (τ) и уровнем
i
где E - напряженность электрического поля в i-области, которая определяющим образом влияет на пролетное время носителей. Толщина i-слоя может достигать значений до 10 мкм и более.
Конкретный пример выполнения р-n-р СВЧ транзисторной GaAs/AlGaAs структуры описан ниже.
+
19
-3
+
-
-19
-3
15
-3
+
18
-3
Методом LPE-жидкостной эпитаксии на р-монокристаллической GaAs подложке с концентрацией акцепторной примеси (3÷5)·10 см последовательно выращиваются р-р-р эпитаксиальные слои с общей толщиной 10÷20 мкм с резким - мягким - резким перепадом концентрации акцепторной примеси от (3÷5)-10 см, затем выращивается i-область с практически собственной проводимостью толщиной от нескольких единиц и более микрометров, n-область толщиной от долей микрометра до 1,5÷2 мкм с концентрацией донорной примеси менее чем 3·10 см. На n-области последовательно выращивается тонкий, от 0,25 мкм n-эпитаксиальный базовый слой с уровнем концентрации доноров до 10 см.
+
-
+
+
+
+
+
+
+
На готовой «сэндвич»-эпитаксиальной структуре р-р-р-i-n-n-типа из GaAs выращиваются методом МОС-гидридной эпитаксии р-р-типа слои гетероструктурного соединения из алюминия, галлия и мышьяка (р-р AlGaAs-слой) области эмиттера. Методами фотолитографии, плазмохимии и вакуумного напыления создаются зоны с омическими контактами к n-базе и р-эмиттеру р-n-р-транзистора. Наиболее прецизионными операциями являются литографические операции для создания эмиттерных ячеистых локальных структур р-р-типа с минимальным размером р-областей от 1,0 мкм. Коллекторные контакты выполнялись из Ti-Ni-Au слоев на коллекторной стороне с толщинами 100, 500, 1000 нанометров соответственно. Эмиттерные и базовые контакты выполнены на основе системы металлизации Au-Ge:Ti-Au с толщинами 100, 100 и 500 нанометров соответственно. В некоторых случаях вместо Au (500 нм) выполнялся слой алюминия толщиной менее 1,0 мкм.
Чипы монтируются в СВЧ полосковые корпуса с изолированным оксидом бериллия фланцем, например в корпуса типа КТ-31.