МОЩНЫЙ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ТРАНЗИСТОР НА ОСНОВЕ НИТРИДА ГАЛЛИЯ
HIGH-POWER UHF TRANSISTOR BASED ON GALLIUM NITRIDE

Изобретение относится к приборам твердотельной электроники и, в частности, к конструкции мощных транзисторов для СВЧ применений.
6
Приборы твердотельной электроники на основе широкозонных материалов, включая нитрид галлия (GaN), перспективны для использования в усилителях мощности, бортовой аппаратуре космических аппаратов, в системах безопасности и сигнализации, на объектах с повышенным уровнем радиационной активности и температуры. Одним из главных факторов, ограничивающих работу прибора на высокой мощности, является повышение температуры канала транзистора. Среднее время наработки на отказ коммерчески доступных транзисторов составляет около 10 часов, причем рабочая температура не должна превышать ~ 180°C [1]. Увеличение температуры канала транзистора относительно температуры корпуса прибора может быть определено из выражения:
diSS
th
ΔT=P·R,
diss
th
где P - рассеиваемая мощность, R - тепловое сопротивление канал-корпус в °C/Вт. Следовательно, при фиксированной ΔT (например 180°C) рассеиваемая мощность, а следовательно, и выходная мощность (определяется в соответствии с КПД прибора) ограничены тепловым сопротивлением, то есть способностью отводить тепло. Поэтому отвод тепла является наиболее важным механизмом увеличения выходной мощности прибора и повышения его надежности (в т.ч. среднего времени наработки на отказ).
В мощных транзисторах на основе GaN зоны, наиболее подверженные перегреву, расположены, как правило, в области между затвором и стоком и имеют сравнительно небольшие размеры [2]. В этой области создается максимальная температура в структуре транзистора [3]. Уменьшить пик температуры в этой точке возможно путем распределения температуры на большей площади. Тепловой распределитель должен быть изготовлен из материала с наибольшим возможным коэффициентом теплопроводности. Одним из таких материалов является алмаз.
Известна конструкция мощного сверхвысокочастотного транзистора с теплораспределительным слоем на основе алмазных пленок [4]. Теплораспределительный слой расположен между подложкой и гетероэпитаксиальной структурой и состоит из двух пленок, при этом теплопроводность второй пленки выше, чем первой. Недостатком изделия на основе указанной конструкции является, во-первых, усложнение технологического процесса его изготовления вследствие введения дополнительных технологических операций, необходимых для улучшения адгезии между теплораспределительным слоем, расположенным между подложкой и гетероэпитаксиальной структурой и самой гетероэпитаксиальной структурой, во-вторых, применение в процессе изготовления прибора достаточно сложной технологии нанесения алмазной пленки. Поэтому такая технология имеет слабые перспективы коммерциализации.
Альтернативой использования теплораспределительного слоя на основе алмазной пленки является использование теплораспределительного слоя на основе графенсодержащей пленки, поскольку теплопроводность графена (~ 5000 Вт/м·К) выше, чем у алмаза (~ 1000-2500 Вт/м·К), поэтому такая пленка должна обеспечивать лучший теплоотвод. Однако графен не является изолятором, поэтому возможные места его нанесения, как распределителя тепла, ограничены.
В патенте [5] защищена конструкция мощного транзистора, в которой теплораспределительный слой на основе графена расположен между подложкой и гетероэпитаксиальной структурой. Недостатком такой конструкции является, во-первых, ухудшение функциональных характеристик мощного сверхвысокочастотного транзистора вследствие возникновения токов утечки через теплораспределительный слой, расположенный между подложкой и гетероэпитаксиальной структурой, во-вторых, усложнение технологического процесса изготовления изделия вследствие введения дополнительных технологических операций, необходимых для улучшения адгезии между теплораспределительным слоем, расположенным между подложкой и гетероэпитаксиальной структурой и самой гетероэпитаксиальной структурой.
Наиболее близким аналогом (прототипом) заявленного изобретения является конструкция мощного сверхвысокочастотного транзистора на основе соединений нитрида галлия, состоящая из подложки, гетероэпитаксиальной структуры на основе соединений нитрида галлия, нанесенной на подложку, электродов, включающих исток, затвор и сток, нанесенных на гетероэпитаксиальную структуру и пространственно-разделенных между собой, пассивационной диэлектрической пленки, нанесенной на гетероэпитаксиальную структуру между контактами электродов, теплоотвода, сформированного на гетероэпитаксиальной структуре, и теплораспределительного слоя [6]. В конструкции прототипа подложкой является карбид кремния, а теплораспределительный слой расположен в двух местах: между подложкой, выполненной из карбида кремния, и гетероэпитаксиальной структурой, а также на поверхности гетероэпитаксиальной структуры [6]. Однако недостатками такой конструкции изделия являются:
1. Ухудшение функциональных характеристик изделия вследствие возникновения токов утечки через теплораспределительный слой, расположенный между подложкой и гетероэпитаксиальной структурой;
2. Усложнение технологического процесса изготовления изделия вследствие введения дополнительных технологических операций, необходимых для улучшения адгезии между теплораспределительным слоем, расположенным между подложкой и гетероэпитаксиальной структурой и самой гетероэпитаксиальной структурой;
3. Увеличение материальных затрат на изготовление мощного сверхвысокочастотного транзистора за счет использования дорогой подложки карбида кремния.
Предлагаемое изобретение направлено на улучшение функциональных характеристик мощного сверхвысокочастотного транзистора на основе нитрида галлия, упрощение технологического процесса его создания, а также снижение требуемых для этого материальных затрат.
Технический результат достигается тем, что в мощном сверхвысокочастотном транзисторе на основе нитрида галлия предложенной конструкции, состоящем из подложки, гетероэпитаксиальной структуры на основе соединений нитрида галлия, нанесенной на подложку, электродов, включающих исток, затвор и сток, нанесенных на гетероэпитаксиальную структуру и пространственно-разделенных между собой, пассивационной диэлектрической пленки, нанесенной на гетероэпитаксиальную структуру между контактами электродов, теплоотвода, сформированного на гетероэпитаксиальной структуре, и теплораспределительного слоя, согласно изобретению подложка выполнена из высокоомного кремния, а теплораспределительный слой расположен между контактом стока и теплоотводом.
В частном случае теплораспределительный слой может быть выполнен из графенсодержащей пленки.
Улучшение функциональных характеристик мощного сверхвысокочастотного транзистора достигается благодаря расположению теплораспределительного слоя между контактом стока и теплоотводом, позволяющим уменьшить температуру в канале проводимости, и при этом указанное расположение теплораспределительного слоя не приводит к увеличению токов утечек через конструкцию изделия.
3
4
На фиг.1 представлен пример реализации предложенного мощного сверхвысокочастотного транзистора на нитриде галлия, где 1 - подложка из высокоомного кремния, 2 - гетероэпитаксиальная структура, состоящая из согласующего слоя AlN, переходного слоя AlGaN, буферного слоя GaN, барьерного слоя AlGaN, защитного слоя GaN, 3 - контакт истока, 4 - контакт стока, 5 - контакт затвора, 6 - пассивационная диэлектрическая пленка на основе нитрида кремния SiN, 7 - теплораспределительный слой, 8 - теплоотвод. Размеры указаны в нм. Принцип работы предлагаемого изделия заключается в следующем: в гетероэпитаксиальной структуре 2 между буферным слоем GaN и барьерным слоем AlGaN образуется канал проводимости носителей заряда за счет формирования квантовой ямы на границе раздела этих слоев. Слабый сигнал, подаваемый между контактами 3 и 5, усиливается мощным сигналом, подаваемым между контактами 3 и 4. В результате мощный сигнал, распространяющийся по каналу проводимости между контактами 3 и 4, приобретает форму, аналогичную слабому сигналу, подаваемому между контактами 3 и 5. Вследствие этого изделие способно усиливать мощность сигнала.
На фиг.2. изображено распределение температуры вдоль канала транзистора: 2а - для случая расположения теплораспределительного в двух местах: между подложкой и гетероэпитаксиальной структурой, а также на поверхности гетероэпитаксиальной структуры (согласно конструкции прототипа), 2б - для случая расположения теплораспределительного слоя между контактом стока и теплоотводом. Показано, что расположение теплораспределительного слоя между контактом стока и теплоотводом позволяет снизить температуру в канале проводимости более чем на 20°C по сравнению с расположением теплораспределительного в двух местах согласно конструкции прототипа. Снижение температуры приведет к увеличению мощности изделия. Анализ температурного распределения проведен расчетным путем методом конечных элементов в программе FreeFem++.
Достижение требуемых высоких значений мощности изделия достигается не усложнением технологического процесса, но оптимизацией параметров топологии, а именно расположения теплораспределительного слоя между контактом стока и теплоотводом транзистора.
СИ
С
На фиг.3. представлены результаты исследований выходной мощности предлагаемого изделия при напряжении питания исток-сток U=48 В и токе стока I=0,6 А. Показано, что величина выходной мощности мощного сверхвысокочастотного транзистора на основе нитрида галлия с теплораспределительным слоем, расположенным между контактом стока и теплоотводом, превышает 40 дБм (10 Вт) в непрерывном режиме подачи сигнала в сверхвысоком диапазоне частот Δf=8÷10 ГГц.
Достижение заявленных рабочих характеристик значения уровня выходной мощности Р≥10 Вт в непрерывном режиме подачи сигнала в сверхвысоком диапазоне частот Δf=8÷10 ГГц транзистором предложенной конструкции проверено с помощью анализатора цепей Agilent N5245A PNA-X.
Указанные изменения, внесенные в конструкцию прототипа, в совокупности позволяют создавать мощные транзисторы на основе нитрида галлия для СВЧ электроники диапазона частот Δf=8÷10 ГГц с требуемыми высокими характеристиками (Р≥10 Вт в непрерывном режиме подачи СВЧ сигнала), но при этом минимально сказываются на стандартном технологическом процессе изготовления транзисторов и приводят к снижению материальных затрат за счет использования более дешевой кремниевой подложки по сравнению с подложками из карбида кремния.
Источники информации
1. Yan, Zhong. Thermal Properties of Graphene and Applications for Thermal Management of High-Power Density Electronics. PhD dissertation. University of California, Riverside, 2013.
2. Jorge A. Ferrer-Pérez. Photoluminescence-Based Electron and Lattice Temperature Measurements in GaN-Based HEMTs / Journal of Electronic Materials // 2014, Volume 43, Iss. 2, pp 341-347.
3. Jorge A. Ferrer P′erez. Thermal study of a GaN-based HEMT. PhD dissertation. University of Notre Dame, Indiana, 2012. http://www3.nd.edu/~msen/Research/Theses/Ferrer.pdf.
4. US 7884373 B2 «Gallium nitride layer with diamond layers».
5. US 8652946 B2 «Graphene layer formation on a carbon based substrate».
6. US 2014353722 «Graphene capped HEMT device».