МОЩНЫЙ ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР СВЧ
HIGH-POWER SHF FIELD-EFFECT TRANSISTOR

Изобретение относится к электронной технике СВЧ, а именно к мощным полевым транзисторам СВЧ на полупроводниковых гетероструктурах, и предназначено для разработки и производства широкого круга устройств электронной техники СВЧ, в том числе радиолокационных устройств.
Существенный прогресс в части повышения быстродействия и выходной мощности СВЧ, выделяемой в нагрузке, включенной на выходе полевого транзистора СВЧ, обеспечило изобретение так называемых транзисторов с высокой электронной подвижностью (НЕМТ - High Electron Mobility Transistor). Область с электронной проводимостью в таких транзисторах состоит из легированного донорными примесями широкозонного и нелегированного узкозонного, но заполненного электронами, полупроводниковых слоев.
Это обеспечивает существенное увеличение быстродействия таких полевых транзисторов СВЧ (до 100 ГГц) и увеличение удельной выходной мощности СВЧ до 1÷1,1 Вт/мм на частоте 10 ГГц.
x
1-x
y
1-y
z
1-z
Известен полевой транзистор на полупроводниковой гетероструктуре, включающий монокристаллическую подложку из нитрида алюминия (AlN), темплетный слой AlN, канальный слой нитрида галлия (GaN) и барьерный слой AlGaN, в котором с целью увеличения рабочих токов и выходной мощности полевых транзисторов посредством увеличения проводимости канального слоя полупроводниковой гетероструктуры, между темплетным и канальным слоями расположены один над другим соответственно переходный слой AlGaΝ, буферный слой AlGaΝ, значение у на границе с темплетным слоем составляет 1, а на границе с буферным слоем равно значению z буферного слоя, при этом 0,3≤x≤0,5, a 0,1≤z≤0,5.
При этом буферный слой на границе с канальным слоем легирован Si на глубину 50-150 Å [1].
Данный транзистор при высокой выходной мощности имеет коэффициент усиления, по меньше мере, в два раза меньше, чем обычные транзисторы на полупроводниковой гетероструктуре арсенида галлия.
17
-3
12
-2
17
-3
Известен полевой транзистор СВЧ (полевой транзистор) на полупроводниковой гетероструктуре, содержащий высокоомную подложку и, по меньшей мере, один слой широкозонного и один слой узкозонного полупроводниковых материалов с согласованными или несогласованными кристаллическими решетками, а также электроды истока, затвора, стока, расположенные на наружной поверхности полупроводникового материала, в котором с целью улучшения линейности характеристик полевого транзистора и уменьшения влияния флуктуаций концентрации и подвижности носителей тока в канале полевого транзистора на параметры его эквивалентной схемы, а также снижения модуляционных шумов устройств СВЧ на упомянутых транзисторах, часть слоя полупроводникового материала, расположенная на расстоянии от электрода затвора, превышающем 30 нм, выполнена с концентрацией легирующей примеси большей 3×10 см и поверхностной плотностью этой примеси большей 10 см, а средняя концентрация легирующей примеси между упомянутой частью слоя полупроводникового материала и электродом затвора не превышает 3×10 см [2] - прототип.
Данный полевой транзистор из-за большого расстояния от электрода затвора до канала и низкой подвижности электронов в канале не позволяет получать высокий уровень выходной мощности и высокий коэффициент усиления.
Техническим результатом изобретения является повышение выходной мощности и коэффициента усиления мощного полевого транзистора СВЧ.
Указанный технический результат достигается заявленным мощным полевым транзистором СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре, содержащим полупроводниковую подложку и последовательность, по меньшей мере, одного слоя широкозонного и одного слоя узкозонного материала с заданными характеристиками полупроводниковой гетероструктуры типа AlGaAs-InGaAs-GaAs, электроды истока, затвора, стока, расположенные на наружной поверхности полупроводниковой гетероструктуры, в котором
упомянутая полупроводниковая гетероструктура выполнена в виде последовательности следующих основных слоев,
по меньшей мере, одного буферного слоя GaAs толщиной не менее 200 нм,
y
1-y
группы проводящих слоев, формирующих канал полевого транзистора, в составе собственно канального слоя InGaAs толщиной 12-18 нм и,
12
-2
x
1-x
по меньшей мере, двух δn-слоев, легированных донорной примесью с поверхностной плотностью (2-10)×10 см,и двух спейсерных i-слоев AlGaAs толщиной каждый 1-3 нм, попарно расположенных по обе стороны собственно канального слоя,
x
1-x
18
-3
двух групп барьерных слоев AlGaAs, каждая в виде i-p-i системы барьерных слоев, одна из которых расположена с одной стороны группы проводящих слоев - подложечная, другая - с противоположной стороны - затворная, при этом барьерные слои в каждой i-p-i системе имеют толщину (100-200, 4-15, 2-10) нм в подложечной, (2-10, 4-10, 4-15) нм в затворной соответственно, уровень легирования акцепторной примесью (4-20)×10 см соответственно,
барьерного слоя i-GaAs толщиной 5-30 нм,
+
слоя омического контакта n-GaAs толщиной (10-60) нм электродов истока и стока,
при этом электрод затвора выполнен длиной не более 0,5 мкм.
Значения химических элементов x, y соответственно в каждом из упомянутых слоев полупроводниковой гетероструктуры определяются неравенствами 0,25<x<0,4 и 0,15<y<0,2.
x
1-x
y
1-y
В упомянутой группе проводящих слоев, формирующих канал полевого транзистора, между каждым из спейсерных слоев i-AlGaAs и собственно канальным слоем InGaAs могут быть выполнены переходные слои.
Раскрытие сущности изобретения.
Совокупность существенных признаков заявленного мощного полевого транзистора СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре типа AlGaAs-InGaAs-GaAs, когда последняя имеет, в том числе, следующие основные слои, выполненные и расположенные указанным образом, а именно:
по меньшей мере, одного буферного слоя GaAs толщиной не менее 200 нм,
y
1-y
x
1-x
12
-2
группы проводящих слоев, формирующих канал полевого транзистора, в составе собственно канального слоя InGaAs толщиной 12-18 нм и, по меньшей мере, двух δn-слоев, легированных донорной примесью с поверхностной плотностью доноров (2-10)×10 см, и двух спейсерных i-слоев AlGaAs толщиной каждый 1-3 нм, попарно расположенных по обе стороны собственно канального слоя,
x
1-x
18
-3
двух групп барьерных слоев AlGaAs, каждая в виде i-p-i системы барьерных слоев, одна из которых расположена с одной стороны группы проводящих слоев - подложечная, другая - с противоположной стороны - затворная, при этом барьерные слои в каждой i-p-i системе имеют толщину (100-200, 4-15, 2-10) нм в подложечной, (2-10, 4-10, 4-15) нм в затворной соответственно, уровень легирования акцепторной примесью (4-20)×10 см соответственно.
y
1-y
x
1-x
x
1-x
x
1-x
x
1-x
x
1-x
+
Это обеспечивает формирование в собственно канальном слое InGaAs и спейсерных i-слоях AlGaAs, благодаря донорным и акцепторным примесям двух ôn-слоев, легированных донорной примесью AlGaAs, и барьерных p-слоев AlGaAs, разделенных барьерными слоями i-AlGaAs, дополнительных потенциальных барьеров, которые локализуют электроны и препятствуют поперечному переносу электронов в барьерные слои i-AlGaAs и тем самым обеспечивают уменьшение рассеяния электронов и тем самым увеличение подвижности электронов в слабых электрических полях и, как следствие, повышение выходной мощности и коэффициента усиления мощного полевого транзистора СВЧ.
Буферный слой GaAs толщиной 200 нм является минимальным, который обеспечивает минимальную плотность дефектов в канале полевого транзистора и соответственно сохранение высокой подвижности электронов и, как следствие, повышение выходной мощности и коэффициента усиления.
+
Выполнение слоя омического контакта n-GaAs толщиной 10-60 нм электродов истока и стока обеспечивает их минимальное сопротивление и, как следствие, - повышение выходной мощности коэффициента усиления.
Выполнение электрода затвора длиной не более 0,5 мкм в совокупности с указанной полупроводниковой гетероструктурой обеспечивает повышение выходной мощности и коэффициента усиления.
Выполнение буферного слоя GaAs толщиной менее 200 нм нежелательно из-за резкого увеличения плотности дефектов в канале полевого транзистора, соответственно, снижения подвижности электронов, а более 200 нм ограничено конструкционной необходимостью и техническими возможностями.
Выполнение в группе проводящих слоев:
y
1-y
собственно канального слоя InGaAs толщиной как менее 12 нм, так и более 18 нм нежелательно, в первом случае - из-за уменьшения поверхностной плотности электронов в квантовой яме собственно канального слоя и соответственно падения рабочего тока, во втором - из-за деления одной упомянутой квантовой ямы на две связанные и соответственно ухудшения управляемости электронами в собственно канальном слое и соответственно уменьшения коэффициента усиления,
x
1-x
двух δn-слоев, легированных донорной примесью, и двух спейсерных i-слоев AlGaAs каждый
толщиной как менее 1 нм, так и более 3 нм нежелательно, в первом случае - из-за падения подвижности электронов, во втором - из-за уменьшения поверхностной плотности электронов в квантовой яме собственно канального слоя,
12
-
12
-2
двух δn-слоев, легированных донорной примесью с поверхностной плотностью как менее 2×10 см2, так и более 10×10 см нежелательно, в первом случае - из-за резкого уменьшения проводимости канала, во втором - из-за появления паразитных каналов проводимости в спейсерных слоях и барьерных слоях, прилегающих к спейсерным слоям.
x
1-x
Выполнение двух групп барьерных слоев AlGaAs, каждая в виде i-p-i системы барьерных слоев:
в подложечной толщиной -
i-слоя как менее 100 нм, так и более 200 нм нежелательно, в первом случае - из-за уменьшения высоты потенциального барьера и возможности движения электронов по паразитному каналу проводимости, во втором не имеет смысла из-за увеличения стоимости изделия при отсутствии полезного эффекта,
p-слоя как менее 4 нм, так и более 15 нм нежелательно, в первом случае не обеспечивает потенциальный барьер достаточной высоты (более 0,5 эВ), во втором - из-за и возникновения паразитного канала проводимости,
i-слоя как менее 2 нм, так и более 10 нм нежелательно, в первом случае не обеспечивает потенциальный барьер достаточной высоты, во втором - из-за возникновения паразитного канала проводимости;
в затворной толщиной -
i-слоя как менее 2 нм, так и более 10 нм нежелательно, в первом случае не обеспечивает потенциальный барьер достаточной высоты, во втором - из-за возникновения паразитного канала проводимости,
p-слоя как менее 4 нм, так и более 10 нм нежелательно, в первом случае не обеспечивает потенциальный барьер достаточной высоты, во втором - из-за возникновения паразитного канала проводимости,
i-слоя как менее 4 нм, так и более 15 нм нежелательно, в первом случае - из-за уменьшения концентрации электронов в канале, во втором -из-за ухудшения управления концентрацией электронов в канале.
18
-3
18
-3
Уровнем легирования акцепторной примесью как менее 4×10 см, так и более 20×10 см нежелательно, в первом случае не обеспечивает потенциальный барьеры достаточной высоты и резкости, во втором - из-за повышения плотности дефектов.
Выполнение барьерного слоя i-GaAs толщиной менее 5 нм недопустимо из-за уменьшения пробивного напряжения, более 30 нм нежелательно из-за ухудшения управления электронами.
+
Выполнение слоя омического контакта n-GaAs электродов истока и стока толщиной как менее 10 нм, так и более 60 нм нежелательно, в первом случае - из-за роста омического сопротивления, во втором - из-за технологических сложностей при изготовлении канала полевого транзистора.
Выполнение электрода затвора длиной более 0,5 мкм нежелательно из-за увеличения времени пролета электронов под электродом затвора и соответственно уменьшения коэффициента усиления.
Значение химических элементов x, y соответственно в каждом из упомянутых слоев полупроводниковой гетероструктуры как менее 0,25 и 0,15, так и более 0,4 и 0,2 соответственно нежелательно из-за существенного падения подвижности электронов для данного типа полупроводниковых гетероструктур.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1а дан фрагмент заявленного мощного полевого транзистора СВЧ, где:
- полупроводниковая подложка - 1,
- полупроводниковая гетероструктура типа AlGaAs-InGaAs-GaAs - 2,
- электроды истока, затвора, стока 3, 4, 5 соответственно, расположенные на наружной поверхности полупроводниковой гетероструктуры.
При этом упомянутая полупроводниковая гетероструктура выполнена в виде последовательности следующих основных слоев:
- буферного слоя GaAs - 6,
y
1-y
x
1-x
- группы проводящих слоев - 7, формирующих канал полевого транзистора, в составе собственно канального слоя InGaAs, двух δn-слоев, легированных донорной примесью, и двух спейсерных i-слоев AlGaAs, попарно расположенных по обе стороны собственно канального слоя,
x
1-x
- двух групп барьерных слоев AlGaAs, каждая в виде i-p-i системы барьерных слоев, одна из которых расположена с одной стороны группы проводящих слоев - подложечная - 8, другая - с противоположной стороны - затворная - 9,
- барьерного слоя i-GaAs - 10,
+
- слоя омического контакта n-GaAs - 11 электродов истока и стока.
G
G
G
На фиг. 1б даны зонные диаграммы в равновесном состоянии (φ=0), при обратном смещении на электроде затвора (φ<0) и при прямом смещении на электроде затвора (φ>0) в области поперечного сечения электрода затвора, где:
C0
G
E - положение дна зоны проводимости в равновесном состоянии полевого транзистора при потенциале электрода затвора φ=0,
C
E - положение дна зоны проводимости в неравновесных состояниях полевого транзистора при положительном и отрицательном потенциале электрода затвора,
F0
G
E - положение уровня Ферми при равновесном состоянии полевого транзистора и потенциале электрода затвора φ=0.
На фиг. 2 даны вольт-амперные характеристики заявленного мощного полевого транзистора СВЧ (кривая 1) и прототипа (кривая 2).
Примеры конкретного выполнения заявленного мощного полевого транзистора СВЧ.
Пример 1
Мощный полевой транзистор СВЧ выполнен на монокристаллической полуизолирующей подложке арсенида галлия 1 толщиной 100 мк.
Полупроводниковая гетероструктура типа AlGaAs-InGaAs-GaAs 2 выполнена в виде последовательности следующих основных слоев:
по меньшей мере, одного буферного слоя GaAs 6 толщиной 250 нм,
y
1-y
x
1-x
12
-2
группы проводящих слоев 7, формирующих канал полевого транзистора, в составе собственно канального слоя InGaAs толщиной 15 нм и, по меньшей мере, двух δn-слоев, легированных донорной примесью с поверхностной плотностью доноров 6×10 см, и двух спейсерных i-слоев AlGaAs толщиной каждый 2 нм, попарно расположенных по обе стороны собственно канального слоя,
x
1-x
18
-3
двух групп барьерных слоев AlGaAs, каждая в виде i-p-i системы барьерных слоев, одна из которых расположена с одной стороны группы проводящих слоев - подложечная 8, другая - с противоположной стороны - затворная 9, при этом барьерные слои в каждой i-p-i системе имеют толщину 150, 9,5, 6 нм, в подложечной, 6, 7, 9,5 нм в затворной соответственно, уровень легирования акцепторной примесью 12×10 см соответственно,
барьерного слоя i-GaAs 10 толщиной 17,5 нм,
+
слоя омического контакта n-GaAs 11 толщиной 35 нм электродов истока 3 и стока 5,
электрод затвора 4 выполнен длиной 0,25 мкм.
Примеры 2-5
Изготовлены образцы мощного полевого транзистора СВЧ аналогично примеру 1, но при других конструкционных параметрах согласно формуле изобретения (примеры 2-3) и за ее пределами (примеры 4-5).
Пример 6 соответствует образцу прототипа.
На изготовленных образцах мощных полевых транзисторов СВЧ была измерена выходная мощность, коэффициент усиления на рабочей частоте 10 ГГц (Стенд для измерения электрических параметров в режиме непрерывного и импульсного сигнала СВЧ КГ-4-33-81).
Данные сведены в таблицу.
Из представленных фиг. 1б, фиг. 2 и таблицы видно что, а именно:
из фиг. 1б - зонные диаграммы, образованные зарядами легирующих примесей, находящихся в системах i-p-i двух групп барьерных слоев подложечной 8 и затворной 9, содержат дополнительные локализующие потенциальные барьеры, способствующие увеличению концентрации электронов в канале полевого транзистора и увеличению подвижности электронов и, соответственно, повышению выходной мощности и коэффициента усиления;
P
Dmax
D
из фиг. 2 - при одинаковом напряжении перекрытия U заявленный мощный полевой транзистор СВЧ превосходит прототип по величине максимального тока электрода стока (J), который достигается при прямом смещении на электроде затвора и, соответственно, и по величине рабочего тока (J(0)).
Из таблицы - образцы мощных полевых транзисторов СВЧ, изготовленные согласно заявленной формуле изобретения, имеют выходную мощность порядка 1,45 Вт, коэффициент усиления порядка 11,0 дБ в отличие от образцов за пределами, указанными в формуле изобретения, выходная мощность которых составляет 0,8 Вт, коэффициент усиления -7 дБ (примеры 4-5), как и образца прототипа, выходная мощность которого - 0,5 Вт, коэффициент усиления - 6,0 дБ (пример 6).
Таким образом, заявленный мощный полевой транзистор СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре типа AlGaAs-InGaAs-GaAs по сравнению с прототипом обеспечит повышение:
выходной мощности примерно на 190 процентов,
коэффициента усиления примерно на 80 процентов.
Источники информации
1. Патент РФ №2316076, МПК H01L 29/772, приоритет 14.11.2006 г., опубл. 27.01.2008 г.
2. Патент РФ №2093924, МПК H01L 29/772, приоритет 10.03.1993 г., опубл. 20.10.1997 г. - прототип.