МОЩНЫЙ ПСЕВДОМОРФНЫЙ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ СВЧ
HEAVY-DUTY PSEUDOMORPHIC SHF SWITCH

Изобретение относится к области полупроводниковых изделий и может быть использовано при создании нового поколения СВЧ элементной базы и интегральных схем на основе гетероструктур широкозонных полупроводников.
Известен неуправляемый (пассивный) переключатель мощности [ГАСАНОВ Л.Г. и др. Твердотельные устройства СВЧ в технике связи. М., Радио и связь, 1988, с. 143], состоящий из отрезка линии передачи, параллельно которому включены pin диоды и диод Шоттки, соединенные встречно-параллельно. Диод Шоттки благодаря малой инерционности и меньшей контактной разности потенциалов открывается раньше при малых уровнях входной мощности и своим током открывает pin диоды, повышая быстродействие ограничителя.
При больших уровнях мощности открытые pin диоды отражают основную часть входной мощности и частично ее рассеивают, а поскольку pin диоды располагаются перед диодом Шоттки, то мощность дошедшая до диода Шоттки оказывается значительно ослабленной и безопасной для него. Уровень ограничения проходящей мощности в таком ограничителе соответствует падению прямого напряжения на диоде Шоттки.
Недостатком этого ограничителя является низкая надежность, обусловленная потерей СВЧ сигнала.
x
1-x
x
1-x
x
1-x
Наиболее близким аналогом является мощный переключатель СВЧ (см. Патент РФ №140856, кл. МПК H01P 1/15, опубл. 20.05.2014) на основе соединения галлия, содержащий подложку, поверх которой размещена эпитаксиальная гетероструктура и барьер Шоттки. Переключатель СВЧ изготовлен на нитриде галлия, где в качестве подложки использован сапфир, затем последовательно размещены: буферный слой AlN, буферный слой из GaN, второй буферный слой из нелегированного нитрида галлия (i-тип), твердый раствор AlGaN, и в интерфейсе GaN/AlGaN гетероструктуры образован двумерный электронный газ высокой плотности, который служит нижней обкладкой конденсатора. Поверх твердого раствора AlGaN размещен химически устойчивый сглаживающий слой из нитрида галлия, поверх которого нанесен диэлектрик, содержащий слой из двуокиси гафния, поверх диэлектрика размещены металлические электроды полосковой формы, которые образуют верхнюю обкладку конденсатора.
Недостатком этого устройства является низкая надежность, обусловленная быстрым выходом из строя в связи с влиянием DX центров на приборные характеристики, что вносит вклад в коэффициент шума и приводит к коллапсу тока.
Задачей настоящего изобретения является устранение вышеуказанных недостатков.
Технический результат изобретения заключается в повышении надежности устройства с обеспечением снижения влияния DX центров, с повышением плотности электронов и с устранением деградации в гетероструктуре.
X
1-X
X
1-X
X
1-X
X
1-X
X
1-X
X
1-X
X
1-X
Технический результат обеспечивается тем, что мощный переключатель СВЧ содержит подложку, на которой последовательно размещены: буферный слой AlN, буферный слой из GaN, буферный слой из нелегированного GaN i-типа проводимости. Кроме того, переключатель СВЧ содержит двумерный электронный газ высокой плотности, который служит нижней обкладкой конденсатора, сглаживающий слой из нитрида галлия, слой диэлектрика из двуокиси гафния, металлические электроды полосковой формы, которые образуют верхнюю обкладку конденсатора, и два конденсатора, образующих двойные ВЧ-ключи. Подложка выполнена из изолирующего теплопроводящего CVD поликристаллического алмаза, а на буферном слое из нелегированного GaN i-типа проводимости последовательно размещены сверхрешетка из AlGaN/GaN, буферный слой из GaN. сильнолегированный слой n-типа проводимости из AlGaN, спейсер из AlGaN, сглаживающий слой, канал из InGaN, сглаживающий дополнительный слой, спейсер из AlGaN, сильнолегированный слой AlGaN, слой из GaN, слой диэлектрика из двуокиси гафния и дополнительный слой диэлектрика. При этом переключатель выполнен с минимальным количеством глубоких электронных ловушек DX, а канал выполнен упруго-напряженным псевдоморфным с концентрацией InGa 15-25% и легирован с двух сторон, а двумерный электронный газ образован между каналом и слоем из AlGaN.
В соответствии с частными случаями выполнения устройство имеет следующие конструктивные особенности:
0,17
0,83
Канал выполнен из InGaN с шириной запрещенной зоны 5,35 эВ.
Канал выполнен с критической толщиной 7-16 нм.
2
3,
2,
2
3
2
3
Дополнительный слой из диэлектрика выполнен из AlO или ZrO или LaO, или ΥO.
Сущность настоящего изобретения поясняется следующими иллюстрациями:
фиг. 1 - отображено устройство в разрезе;
фиг. 2 - отображена схема настоящего устройства.
На фиг. 1 отображены следующие конструктивные элементы:
1 - подложка из изолирующего теплопроводящего CVD поликристаллического алмаза;
2 - буферный слой из ΑlΝ;
3 - буферный слой из GaN;
4 - буферный слой из GaN i-типа проводимости:
X
1-X
5 - сверхрешетка из AlGaN/GaN;
6 - буферный слой из GaN;
X
1-X
7 - сильнолегированный слой n-типа AlGaN;
X
1-X
8 - спейсер из AlGaN;
9 - сглаживающий слой:
X
1-X
10 - канал InGaN;
11 - сглаживающий слой;
X
1-X
12 - спейсер из AlGaN;
X
1-X
13 - сильнолегированный слой n-типа из AlGaN;
14 - дополнительный слой n-типа из GaN;
15 - слой диэлектрика из двуокиси гафния;
16 - дополнительный слой диэлектрика из двуокиси металла;
17 - металлические электроды полосковой формы, которые образуют верхнюю обкладку конденсатора.
Настоящее устройство производился следующим образом.
X
1-X
X
1-X
X
1-X
X
1-X
X
1-X
X
1-X
2
3
2
2
3
2
3
На поверхности базовой подложки из монокристаллического кремния p-типа проводимости, ориентированного по плоскости (III), последовательно размещены: буферный слой из AlN 2, толщиной 0,1 мкм и слой из теплопроводящего CVD поликристаллического алмаза 1 (подложка), толщиной ≥0,1 мм. После размещения слоя CVD поликристаллического алмаза 1, базовая подложка из кремния удаляется методами мокрого и сухого травления и на буферном слоем 2 размещается многослойная эпитаксиальная структура: из нелегированного буферного слоя 3 GaN, толщиной 200 нм, нелегированного буферного слоя 4 (i-типа) из GaN, толщиной 200 нм, нелегированной сверхрешетки из AlGaN/GaN 5, нелегированного буферного слоя 6 из GaN, толщиной 100 нм, сильнолегированного слоя из твердого раствора AlGaN, толщиной 4,5 нм 7, нелегированного слоя AlGaN (спейсер) 8, толщиной 2 нм, сглаживающего слоя из GaN 9, толщиной 3 нм, нелегированного слоя в виде твердого раствора InGaN (канал) 10, толщиной 12 нм, нелегированного сглаживающего слоя из GaN 11, толщиной 1.5 нм, нелегированного слоя AlGaN (спейс) 12, толщиной 2 нм, сильнолегированного слоя 13 в виде твердого раствора AlGaN, толщиной 16 нм, дополнительного слоя 14 n-типа из GaN, толщиной 15 нм, слоя диэлектрика из двуокиси гафния 15 и дополнительного слоя диэлектрика из двуокиси металла 16. В качестве второго слоя диэлектрика могут быть использованы AlO, или ZrO, или LaO, или YO.
Затем размещают металлические электроды полосковой формы 17, которые образуют верхнюю обкладку конденсатора. Конструкция переключателя состоит из двух отдельных конденсаторов (ДГМОП), соединенных по принципу «спина к спине».
При этом между буферным слоем из ΑlΝ 2 и буферным слоем GaN 3 располагается переходная область, которая служит для уменьшения рассогласования параметров решетки, буферных слоев и растущих на них многослойных эпитаксиальных слоев.
X
1-X
InXGa1-X
X
1-X
Слой из InGaN 10 предназначен для образования в его приповерхностном слое проводящего канала (двумерного электронного газа (ДЭГ) с высокой подвижностью носителей заряда), возникающего за счет разрыва зон и поляризационных эффектов при образовании гетероперехода N/AlGaN. Основным требованием к этому слою является структурное совершенство, достаточное для обеспечения высокой подвижности электронов и высокого сопротивления. Поэтому канальный слой не легируется.
X
1-X
Рассогласование параметров решеток в случае роста слоев InGaN на AlGaN может достигать более 7,5%. В случае относительно малых значений содержания In в слое InGaN или малых толщин InGaN рассогласование параметров решетки может быть аккомодировано упруго. В этом случае постоянная решетки слоя InGaN принимает значение, отвечающее подложке AlGaN. Такой механизм роста называется псевдомофным, а подобные структуры InGaN/(Al)GaN - псевдоморфными структурами. Таким образом, псевдоморфный канал гетероструктуры InGaN/AlGaN является упруго-напряженным.
G
Как отмечено выше, к недостаткам традиционной гетероструктуры системы AlGaN/GaN следует в первую очередь отнести влияние DX центров в слое AlGaN:Si на приборные характеристики. Перезарядка центров на высоких частотах вносит вклад в коэффициент шума, а захват электронов канала на центры при сильных полях приводит к коллапсу тока - сдвигу напряжения открытия устройства в сторону больших значений V. Коллапс наиболее сильно сказывается при низких температурах, не позволяя в полной мере использовать улучшение транспортных свойств двумерных электронов при снижении температуры.
C
-12
-2
Снизить влияние DX центров можно, используя слои AlGaN с меньшим составом по Al, что невыгодно вследствие уменьшения разрыва зон на гетерогранице и, как следствие, снижения плотности электронов в канале. Расчеты показывают, что с учетом влияния DX центров, характера зависимости ΔE от мольной доли AlN, заглубления донорного уровня, и ограничения на степень легирования слоя AlGaN, плотность электронов в канале МЛГС AlGaN/GaN не может превышать ~1.2-1.3×10 см.
Одним из способов уменьшения «коллапса тока», возникающего из-за захвата электронов на ловушки в приповерхностном буферном слое, достигается за счет его пассивации, что, однако, не спасает от захвата электронов на ловушки в буферном слое из GaN. Проблема усугубляется тем, что при его легировании компенсирующие примеси создают дополнительные ловушки. Несмотря на это, наличие пассивации буферного слоя способствует уменьшению утечки затвора на 3-5 порядка, что приводит к понижению уровня нелинейных искажений сигнала, увеличению напряжения на металлические полоски (обкладки переключателя). В результате этого возрастает плотность электронов, и максимальный ток канала увеличивается в 2 раза.
C
0,17
0,83
Снижение влияния DX центров, повышение плотности электронов, устранения деградации в гетероструктуре мощного переключателя, а также подавление токового коллапса достигается за счет увеличения разрыва зоны проводимости на гетерогранице (ΔE) в области канала, используя в составе канала твердого раствора полупроводника с большей шириной запрещенной зоны, например InGaN с шириной запрещенной зоны 5,35 эВ, либо в результате увеличения концентрации InN в твердом растворе InGaN от 15 до 25%, при критической толщине соответственно 7-16 нм.
В настоящем устройстве обеспечивается оптимизация отвода тепла из кристалла переключателя и минимизация утечек тока диэлектриком 15. Это обеспечивается с помощью использования теплопроводящего поликристаллического слоя алмаза 1 (подложка) и диэлектрических слоев из двуокиси гафния 15 и оксида металла 16, которые позволяют минимизировать утечки тока, увеличить значение напряжения пробоя и обеспечить пассивацию приповерхностного слоя кристалла.
Использование в качестве подложки многослойной гетероструктуры слоя теплопроводящего поликристаллического алмаза одновременно со слоями диэлектриков двуокиси гафния 15 и оксида алюминия 16 повышают величину пробивною напряжения на 15-20%, что обеспечивает повышение эффективности предложенного в изобретении устройства.
Настоящее устройство способно функционировать в диапазоне частот вплоть до 30 ГГц. Конструкция гетероструктуры приведена на фиг. 1, а в таблице 1 представлены основные электрофизические параметры гетероструктуры.
Таблица 1
Температура измерения в канале гетероструктуры, К
Слоевая концентрация носителей заряда в канале гетероструктур, не менее, см<sup>-2</sup>
Подвижность носителей заряда в канале не менее, см<sup>2</sup>/(В×с)
AlGaN, 300
1,2·10<sup>12</sup>-1,3·10<sup>12</sup>
1500-2000
InGaN, 300
8,5·10<sup>12</sup>-3,5·10<sup>13</sup>
2100-2500
12
-2
13
-2
12
-2
13
-2
Для гетероструктур, изготовленных для мощных псевдоморфных переключателей, одним из важнейших параметров является концентрация электронов в канале. Эта величина достаточно большая (8,5·10 см - 3,5·10 см), но в то же время она ограничена сверху. В связи с этим оптимальным значением концентрации электронов в канале является диапазон 8.5·10 см до 3,5·10 см. Конкретное же значение из указанного диапазона определяется параметрами структуры и функциональным назначением приборов.
Для содержания InN в слое InGaN (данной величины рассогласования) существует некоторая толщина слоя, который может быть выращен в псевдоморфном режиме. Дальнейшее увеличение толщины слоя приводит к формированию дислокаций несоответствия, снимающих механическое напряжение. Подвижность в рассогласованных структурах снижается в результате образования дислокаций превышения критической толщины слоя. Критическая толщина зависит от упругих свойств материалов, образующих гетеропереход, и уменьшается с увеличением содержания InN в слое InGaN и для концентрации около 20% составляет примерно 15 нм.
X
1-X
C
Ограничения, накладываемые критической толщиной, приводят к тому, что при содержании InN свыше 30% слой, который может быть выращен бездислокационно, оказывается слишком тонким и неприемлем для использования в приборе. Таким образом, увеличение энергии размерного квантования в яме GaN/InGaN/AlGaN компенсирует увеличение ΔE с ростом x. В рамках данного предложения при использовании в качестве канала псевдоморфных переключателей использованы слои с содержанием InN около 15-25% (толщина слоев около 6-17 нм).
При использовании напряженных квантовых ям шириной ~10÷15 нм с составом до 25% изготовленные гетероструктуры по своим характеристикам превосходят традиционные гетероструктуры с GaN каналом.
d2
d1
Другим немаловажным параметром оптимизации гетероструктур для мощных СВЧ приборов является отношение уровней легирования верхнего и нижнего барьера (N/N). Зонная диаграмма гетероструктуры асимметрична из-за высокого поверхностного потенциала, поэтому легирование верхнего барьера должно быть сильнее. Кроме того, при выращивании слоев структур существует сегрегация примесей в направлении роста, и введение большого количества примесей в нижний барьерный слой вызвало бы нежелательное увеличение концентрации фоновой примеси кремния в канале InGaN.
d2
d1
Исследования показали, что для малошумящих приборов лучшим соотношением является 2, в то время как для усилителей мощности подходит N/N=3.
Преимущества конструкции настоящего устройства заключаются в следующем:
- использование слоя в виде короткопериодной сверхрешетки AlGaN/GaN, позволяющего существенно снизить плотность ростовых дефектов и улучшить электрическую изоляцию между каналом гетероструктуры и подложкой;
- относительно малая суммарная толщина буферных слоев GaN, позволяющая улучшить ограничение носителей в канале:
- наличие дополнительного тонкого слоя нелегированного GaN между псевдоморфным InGaN каналом и AlGaN спейсером, улучшающего структурное качество границы раздела (сглаживающий слой);
- наличие дополнительного слоя n-типа GaN под слоем диэлектрика из двуокиси гафния обеспечивает высокое качество границы диэлектрика с гетероструктурой на химически более стабильном по сравнению с AlGaN материале. Кроме того, обеспечивает уменьшение шереховатости поверхности, что уменьшает окисление поверхности и повышает надежность переключателя, препятствуя «коллапсу тока»;
19
-3
- увеличение значений плотности и подвижности электронов в канале, изготовленного на основе InGaN, достигается оптимальным выбором независимых параметров структуры: концентрации легирующей примеси в сильнолегированном материале - 2,5÷3×10 см, толщины нелегированного спейсера - 2-3 нм и концентрации InN в твердом растворе от 15 до 25%.
Для создания многослойных наногетероструктур твердых растворов AlGaN/InGaN/GaN использовалась молекулярно-пучковая эпитаксия, основным достоинством которой является возможность выращивания многослойных гетероструктур полупроводниковых соединений с чрезвычайно резкими профилями элементного состава и легирования.
2
3
2
2
3
2
3
X
1-X
2
Двуокись гафния является представителем наиболее перспективных диэлектрических материалов для гетероМОП переключателей в качестве пассивирующего слоя и подзатворного диэлектрика. Этот материал обладает высокими диэлектрической проницаемостью К=20-25 и шириной запрещенной зоны Eg=5,8 эВ, а также термодинамически стабилен в диапазоне рабочих температур рассматриваемых устройств. Кроме того, двуокись гафния как диэлектрический материал для устройств с емкостно соединенными контактами, с изолированным затвором имеет высокую диэлектрическую проницаемость и пригоден для более низких пороговых напряжений и более сильной емкостной связи, высокую электрическую прочность диэлектрика для более высоких пробивных напряжений и низкую плотность состояния границы раздела. Поверх слоя 15 размещается слой оксида металла 16 (AlO, или ZrO, или LaO, или YO). Использование слоев из двуокиси гафния 15 и оксида металла 16 позволяет минимизировать утечки тока, улучшает пассивацию буферного приповерхностного слоя, увеличивает значение напряжения пробоя. Слой из InGaN 10 предназначен для образования в его приповерхностном слое проводящего канала (двумерного электронного газа (ДЭГ) с высокой подвижностью носителей заряда), возникающего за счет разрыва зон и поляризационных эффектов при образовании гетероперехода AlGaN/InGaN. Основным требованием к этому слою является структурное совершенство, достаточное для обеспечения высокой подвижности электронов и высокого сопротивления. Между буферным слоем из нитрида алюминия 2 и буферным слоем из нитрида галлия 4 i-типа располагается переходная область в виде буферного слоя из нитрида галлия 3, которая служит для уменьшения рассогласования параметров решетки и растущих на ней эпитаксиальных слоев. Между слоем твердого раствора AlGaN 12 и диэлектрическим слоем 15 из HfO размещен дополнительный слой 14 из химически более стабильного нитрида галлия (сглаживающий слой)
2
13
-2
Устройство содержит два соединенных "спина к спине" гетероМОП конденсатора, которые образуют двойные ВЧ-ключи, тем самым устраняя потребность в омических контактах, где процесс металлизации обходится без отжигов контактов.  В состав конструкции с емкостно двойными контактами входит МОП транзистор с гетероструктурой AlGaN/InGaNGaN в качестве полупроводника (А-ГМОП). Приведенная конструкция переключателя сочетает преимущества структуры МОП (очень низкий ток утечки затвора) и AlGaN-GaN гетероперехода (канал ДЭГ высокой плотности с высокой подвижностью). Это приводит к очень низкому поверхностному сопротивлению канала и рекордно высоким токам насыщения, свыше 1 А/мм, а мощность переключения превышает 60 Вт/мм. Использование слоя HfO обеспечивает поверхностную пассивацию и имеет более низкие токи утечки. Низкое сопротивление в открытом состоянии возникает в результате чрезвычайно высокой плотности носителей в канале - сверх 10 см, высокой подвижности электронов, высоких полях пробоя и широкого диапазона рабочих температур в пределах от криогенного до 300°C или даже выше. Конструкция переключателя обеспечивает повышенную радиационную стойкость и пониженную деградацию. Предлагаемое устройство может быть использовано для мощных переключателей, ограничителей мощности, фазовращателей и других мощных ВЧ-устройств.
1
2
o
1
o
2
Схема устройства приведена на фиг. 2. Первый электрод (E), сформированный на полупроводниковом канале, и полупроводниковый канал образуют первый управляемый напряжением конденсатор; второй электрод (E), сформированный на полупроводниковом канале, и полупроводниковый канал образуют второй управляемый напряжением конденсатор. Входной импульс может быть подан между землей E и электродом E, в то время как второй импульс подается между землей E и электродом E.
1
2
1
2
Устройство подключено в другую схему, если амплитуда входного сигнала (A) не превышает напряжение, необходимое для обеднения одного из конденсаторов (C) или (C), импеданс устройства будет очень низким и устройство не будет ограничивать мощность СВЧ. Однако если амплитуда входного сигнала (B) превышает напряжение, конденсаторы (C) и (C) выключаются в течение соответствующего положительного и отрицательного полупериодов.