МОЩНЫЙ ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР СВЧ НА ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ГЕТЕРОСТРУКТУРЕ
HIGH-POWER MICROWAVE FIELD TRANSISTOR ON SEMICONDUCTOR HETEROSTRUCTURE

Изобретение относится к электронной технике СВЧ, а именно к мощным полевым транзисторам СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре, и предназначено для широкого класса устройств электронной техники СВЧ, в том числе радиолокационных устройств СВЧ.
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 обеспечило 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.
Кроме того, немало важную роль для увеличения коэффициента усиления и коэффициента полезного действия имеет обеспечение малых величин переходного сопротивления омического контакта и сопротивления рекристаллизованной области слоев полупроводниковой гетероструктуры по всей глубине вплавления металлизации омических контактов электродов истока и стока.
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 соответствующего слоя - слоя омического контакта полупроводниковой гетероструктуры, 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 [Журавлев К.С., Лапин В.Г., Лукашин В.М., Пашковский А.Б., Соколов А.Б., Торопов А.И. Серийный рНЕМТ с удельной мощностью 1,4 Вт/мм. // Электронная техника. Сер. 1. СВЧ техника. 2012 г., Вып. 1 (512), с. 55-61.//] - 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, высокие коэффициент усиления и коэффициент полезного действия (кпд).
Техническим результатом изобретения является повышение выходной мощности, коэффициента усиления и коэффициента полезного действия мощного полевого транзистора СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре.
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 полупроводниковой гетероструктуры с заданными характеристиками, электроды истока, затвора, стока, выполненные согласно заданной топологии полевого транзистора,
в котором полупроводниковая гетероструктура выполнена в виде последовательности,
- по меньшей мере одного буферного слоя GaAs,
y
1-y
x
1-x
- группы проводящих слоев, формирующих канал полевого транзистора, в составе собственно канального слоя InGaAs, по меньшей мере двух дельта-легированных донорной примесью δn-слоев и двух не легированных примесью спейсерных i-слоев AlGaAs, попарно расположенных по обе стороны собственно канального слоя,
x
1-x
x
1-x
x
1-x
- двух групп барьерных слоев AlGaAs, каждая в виде системы барьерных слоев, одна из которых расположена с одной стороны группы проводящих слоев - подложечная, другая - с противоположной стороны - затворная, при этом подложечная группа барьерных слоев выполнена в виде акцепторно-донорной i-p-i-δn системы барьерных слоев AlGaAs, затворная группа барьерных слоев - в виде донорно-акцепторной δn-i-p-i системы барьерных слоев AlGaAs,
- при этом прилегающий δn-слой, легированный донорной примесью, каждой группы барьерных слоев является одновременно δn-слоем легированным донорной примесью для соответствующей группы проводящих слоев,
x
1-x
- электрод затвора выполнен планарно на наружном, не легированном примесью i-слое AlGaAs затворной группы барьерных слоев, либо планарно в любом другом возможном слое полупроводниковой гетероструктуры выше последнего,
- электроды истока и стока выполнены каждый в соответствующем дополнительно сформированном углублении в полупроводниковой гетероструктуре,
- при этом дно каждого углубления расположено вровень с нижней границей легированного акцепторной примесью р-слоя затворной группы барьерных слоев либо ниже в любом другом слое полупроводниковой гетероструктуры вплоть до полупроводниковой подложки.
Стенки упомянутых углублений выполнены вертикально либо под углом к полупроводниковой подложке.
Электроды истока, затвора, стока выполнены в виде металла или системы металлов, образующих омические контакты в области истока и стока и барьер Шотки в области затвора.
Электроды истока и стока выполнены из материала с легирующей примесью, являющейся донорной примесью для группы проводящих слоев, формирующих канал полевого транзистора.
Раскрытие сущности изобретения.
Существенные признаки заявленного мощного полевого транзистора СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре, каждый в отдельности и в совокупности, а именно:
выполнение полупроводниковой гетероструктуры в виде последовательности,
по меньшей мере одного буферного слоя GaAs,
y
1-y
x
1-x
группы проводящих слоев, формирующих канал полевого транзистора, в составе собственно канального слоя InGaAs, по меньшей мере двух дельта-легированных донорной примесью δn-слоев и двух не легированных примесью спейсерных i-слоев AlGaAs, попарно расположенных по обе стороны собственно канального слоя,
x
1-x
x
1-x
x
1-x
двух групп барьерных слоев AlGaAs, каждая в виде системы барьерных слоев, одна из которых расположена с одной стороны группы проводящих слоев - подложечная, другая - с противоположной стороны - затворная, при этом подложечная группа барьерных слоев выполнена в виде акцепторно-донорной i-p-i-δn системы барьерных слоев AlGaAs, затворная группа барьерных слоев - в виде донорно-акцепторной δn-i-p-i системы барьерных слоев AlGaAs,
при этом прилегающий δn-слой, легированный донорной примесью, каждой группы барьерных слоев является одновременно δn-слоем, легированным донорной примесью для соответствующей группы проводящих слоев.
Это обеспечивает формирование дополнительных потенциальных барьеров с локализующими свойствами, расположенных с обеих сторон канала полевого транзистора, при этом
во-первых, более высоких и более резких,
во-вторых, не требующих перекомпенсации акцепторной примеси донорной примесью, и тем самым обеспечивает увеличение рабочего тока и, как следствие,  повышение выходной мощности.
x
1-x
Выполнение электрода затвора планарно на наружном не легированном примесью i-слое AlGaAs затворной группы барьерных слоев либо планарно в любом другом возможном слое полупроводниковой гетероструктуры выше последнего обеспечивает увеличение эффективной высоты потенциального барьера канал - затвор и тем самым увеличение тока канала и уменьшение токов утечки в затвор и, как следствие, повышение выходной мощности, коэффициента усиления и коэффициента полезного действия.
Выполнение электродов истока и стока каждого в соответствующем дополнительно сформированном углублении в полупроводниковой гетероструктуре, при этом дно каждого упомянутого углубления расположено вровень с нижней границей легированного акцепторной примесью р-слоя затворной группы барьерных слоев либо ниже в любом другом слое полупроводниковой структуры вплоть до полупроводниковой подложки обеспечивает:
во-первых, достаточно малые переходные сопротивления омического контакта электродов истока и стока,
во-вторых, уменьшение размеров рекристаллизованнй области полупроводниковой структуры и тем самым уменьшение ее сопротивления.
И, как следствие, первого и второго - повышение выходной мощности, коэффициента усиления и коэффициента полезного действия.
Выполнение стенок углублений вертикально либо под углом к полупроводниковой подложке определяется технологией изготовления мощного полевого транзистора СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре.
Итак, заявленный мощный полевой транзистор СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре в полной мере обеспечивает технический результат, а именно повышение выходной мощности, коэффициента усиления и коэффициента полезного действия.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 (а, б) даны фрагменты заявленного мощного полевого транзистора СВЧ, частные случаи выполнения,
где  полупроводниковая подложка - 1,
полупроводниковая гетероструктура типа AlGaAs-InGaAs-GaAs - 2,
электроды истока, затвора, стока - 3, 4, 5 соответственно,
при этом полупроводниковая гетероструктура 2 выполнена в виде последовательности следующих основных слоев:
буферного слоя - 6,
y
1-y
x
1-x
группы проводящих слоев - 7, формирующих канал полевого транзистора, в составе собственно канального слоя InGaAs и двух δn-слоев, легированных донорной примесью, и двух спейсерных i-слоев AlGaAs, не легированных примесью, попарно расположенных по обе стороны собственно канального слоя,
x
1-x
- двух групп барьерных слоев AlGaAs, каждая в виде системы барьерных слоев, одна из которых расположена с одной стороны группы проводящих слоев - подложечная 8 - в виде акцепторно-донорной i-p-i-δn системы барьерных слоев, другая - с противоположной стороны -затворная 9 - в виде донорно-акцепторной δn-i-p-i системы барьерных слоев,
при этом прилегающий δn-слой, легированный донорной примесью, каждой группы барьерных слоев является одновременно δn-слоем, легированным донорной примесью, для соответствующей группы проводящих слоев,
- дополнительно сформированные углубления 10, 11 для электродов истока 3 и стока 5 соответственно.
При этом на фиг. 1а - частный случай,
x
1-x
когда электрод затвора 4 выполнен планарно на наружном не легированном примесью i-слое AlGaAs затворной группы барьерных слоев 9,
x
1-x
электроды истока 3 и стока 5 выполнены каждый в соответствующем дополнительно сформированном углублении 10, 11 в полупроводниковой гетероструктуре 2, при этом дно каждого углубления 10, 11 расположено вровень с нижней границей легированного акцепторной примесью р-слоя AlGaAs затворной группы барьерных слоев 9;
на фиг. 1б - частный случай,
x
1-x
когда электрод затвора 4 выполнен также планарно на наружном не легированном примесью i-слое AlGaAs затворной группы барьерных слоев 9,
y
1-y
электроды истока 3 и стока 5 выполнены каждый в соответствующем дополнительно сформированном углублении 10, 11 в полупроводниковой гетероструктуре 2, при этом дно каждого углубления 10, 11 расположено в собственно канальном слое InGaAs группы проводящих слоев 7 полупроводниковой гетероструктуры 2.
G
G
G
На фиг. 2 дана его (мощного полевого транзистора СВЧ) зонная диаграмма 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,
C0
G
где 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 потенциалах электрода затвора,
F0
G
E - положение уровня Ферми при равновесном состоянии полевого транзистора и потенциале электрода затвора φ=0.
На фиг. 3 даны его вольт-амперные характеристики (кривая 1) и прототипа (кривая 2).
Примеры конкретного выполнения заявленного мощного полевого транзистора СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре
Пример 1  соответствует частному случаю его выполнения (фиг. 1а).
Мощный полевой транзистор СВЧ выполнен на монокристаллической полуизолирующей подложке арсенида галлия 1 толщиной 625 мкм.
Полупроводниковая гетероструктура типа AlGaAs-InGaAs-GaAs 2 выполнена в виде последовательности следующих основных слоев каждый с заданными характеристиками:
буферного слоя GaAs 6 толщиной 400 нм,
y
1-y
x
1-x
группы проводящих слоев 7, формирующих канал полевого транзистора общей толщиной 22 нм, в составе собственно канального слоя InGaAs двух δn-слоев, легированных донорной примесью, и двух спейсерных i-слоев AlGaAs, не легированных примесью, и попарно расположенных по обе стороны собственно канального слоя,
x
1-x
двух групп барьерных слоев AlGaAs, каждая в виде системы барьерных слоев, одна из которых расположена с одной стороны группы проводящих слоев - подложечная 8, другая - с противоположной стороны - затворная 9,
x
1-x
при этом подложечная группа барьерных слоев 8 выполнена в виде акцепторно-донорной i-p-i-δn системы барьерных слоев AlGaAs общей толщиной 120 нм,
x
1-x
затворная группа барьерных слоев 9 - в виде донорно-акцепторной δn-i-p-i системы барьерных слоев AlGaAs общей толщиной 25 нм,
12
-2
12
-2
при этом прилегающий δn-слой легированный донорной примесью каждой группы барьерных слоев 8, 9 выполнен с концентрацией легирующей примеси - кремния (Si) 8,0×10 см и 7,0×10 см соответственно и является одновременно δn-слоем, легированным донорной примесью, для соответствующей группы проводящих слоев 7.
x
1-x
Электрод затвора 4 выполнен планарно на наружном не легированном примесью i-слое AlGaAs затворной группы барьерных слоев 9 полупроводниковой гетероструктуры 2,
18
-3
электроды истока 3 и стока 5 выполнены каждый в соответствующем дополнительно сформированном углублении 10, 11 в полупроводниковой гетероструктуре 2, при этом дно каждого углубления 10, 11 расположено вровень с нижней границей легированного акцепторной примесью р-слоя затворной группы барьерных слоев 9 с концентрацией легирующей примеси 5,0×10 см, при этом стенки углублений выполнены вертикально (фиг. 1а).
Примеры 2-5. Мощный полевой транзистор выполнен аналогично примеру 1, но при другом конструкционном выполнении (иных сочетаниях расположения электрода затвора и дна углублений для электродов истока и стока) согласно формуле изобретения и что соответствует другим частным случаям его выполнения (примеры 2-3), например, когда
x
1-x
электрод затвора 4 выполнен планарно на наружном не легированном примесью i-слое AlGaAs затворной группы барьерных слоев 9 полупроводниковой гетероструктуры 2,
y
1-y
электроды истока 3 и стока 5 выполнены каждый в соответствующем дополнительно сформированном углублении 10, 11 в полупроводниковой гетероструктуре 2, при этом дно каждого углубления 10, 11 расположено в собственно канальном слое InGaAs группы проводящих слоев 7 полупроводниковой гетероструктуры 2 (пример 2, фиг. 1б),
а также другом конструкционном выполнении (иных сочетаниях расположения электрода затвора и дна углублений для электродов истока и стока) вне заявленных в формуле изобретения (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, определен кпд (Стенд для измерения электрических параметров в режиме непрерывного и импульсного сигнала СВЧ КГ-4-33-81).
Данные представлены в таблице.
Из представленных фиг. 2, 3 и таблицы видно следующее.
x
1-x
на фиг. 2 зонная диаграмма, образованная зарядами легирующих примесей, находящихся в подложечной 8 акцепторно-донорной i-p-i-δn системе и затворной 9 донорно-акцепторной δn-i-p-i системе групп барьерных слоев AlGaAs, содержит дополнительные потенциальные барьеры с локализующими свойствами, способствующие увеличению концентрации электронов в канале полевого транзистора и увеличению подвижности электронов и соответственно повышению выходной мощности, коэффициента усиления и коэффициента полезного действия.
P
Dmax
D
На фиг. 3 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 по величине рабочего тока (J(0)).
Образцы мощных полевых транзисторов СВЧ, изготовленные согласно заявленной формуле изобретения, имеют выходную мощность порядка 2,8 Вт, коэффициент усиления порядка 12,0 дБ, коэффициент полезного действия 50 (примеры 1-3) в отличие от образцов мощных полевых транзисторов СВЧ, изготовленных вне формулы изобретения, которые имеют выходную мощность 2,0, 1,5 Вт, коэффициент усиления 9,0, 8,0 дБ, коэффициент полезного действия 45 соответственно (примеры  4-5) и образца прототипа, выходная мощность которого  0,5 Вт, коэффициент усиления  6,0 дБ, коэффициент полезного действия 45 (пример 6).
При этом, как видно при любых иных сочетаниях расположения электрода затвора и дна углублений для электродов истока и стока (например, примеры 2-3), результаты по выходной мощности, коэффициенту полезного действия и коэффициенту усиления примерно те же, что и в примере 1.
Таким образом, заявленный мощный полевой транзистор СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре типа AlGaAs-InGaAs-GaAs по сравнению с прототипом обеспечит повышение
- выходной мощности примерно на 250 %,
- коэффициента усиления примерно на 110 %,
- коэффициента полезного действия на 10 %.
Источники информации
1. Журавлев К.С., Лапин В.Г., Лукашин В.М., Пашковский А.Б., Соколов А.Б., Торопов А.И. Серийный рНЕМТ с удельной мощностью 1,4 Вт/мм. // Электронная техника. Сер. 1. СВЧ техника. 2012 г., Вып. 1 (512), с. 55-61 .// - прототип.