МОЩНЫЙ ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР СВЧ
HIGH-POWER UHF FIELD TRANSISTOR

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано в качестве активных элементов СВЧ-устройств различного назначения и, прежде всего, в монолитно интегральном исполнении.
Выходная мощность и коэффициент усиления по мощности (далее коэффициент усиления) - одни из основных выходных параметров мощных полевых транзисторов СВЧ.
Возможные пути их повышения -
- снижение теплового и паразитного электрического сопротивлений,
- увеличение ширины электрода затвора,
- снижение паразитных емкостей.
С целью увеличения ширины электрода затвора используют многозатворную конструкцию мощного полевого транзистора СВЧ [1, 2, 3, 4].
При этом, с одной стороны, чем больше ширина общего электрода затвора, тем выше выходная мощность полевого транзистора.
Однако, с другой стороны, имеется ряд ограничений, а именно:
- при достаточно большой ширине единичного электрода затвора снижается эффективность работы полевого транзистора, то есть удельная выходная мощность в расчете на единицу ширины единичного электрода затвора вследствие значительного паразитного сопротивления общего электрода затвора,
- из-за несовершенства технологического оборудования и технологии изготовления конструкция отличается неточностью совмещения единичных электродов затвора и, соответственно, неидентичностью его каналов, последнее приводит к снижению эффективности сложения мощности каналов,
- при некоторых размерах области полуизолирующего арсенида галлия (менее 4 мкм) наблюдается повышение тока утечки между единичными электродами исток-сток, что приводит к появлению неуправляемого единичным электродом затвора тока стока,
- при некоторых размерах канавок (менее 0,5 мкм) в парах единичных электродов исток-сток, в которых расположены единичные электроды затвора, имеет место снижение пробивного напряжения между единичными электродами затвор-исток и затвор-сток.
И как следствие этого - некоторое снижение выходной мощности и коэффициента усиления полевого транзистора СВЧ.
Указанные выше недостатки успешно решены указанными выше известными техническими решениями.
С целью снижения паразитного сопротивления общего электрода затвора полевой транзистор выполнен в виде так называемой гребенки из чередующейся последовательности единичных электродов истока, затвора, стока, при этом единичные электроды затвора расположены в канавках каналов, выполненных между единичными электродами истока и стока [1].
С целью исключения неточности совмещения единичных электродов затвора полевого транзистора и, соответственно, неидентичности его каналов и, соответственно, снижения эффективности сложения мощности каналов между парами единичных электродов исток-сток расположены области полуизолирующего арсенида галлия, оптимизирована длина единичных электродов затвора, расположенных в парах единичных электродов исток-сток (не более 0,7 мкм), и при этом единичные электроды затвора выполнены в канавках каналов асимметрично в сторону единичных электродов истока [2].
С целью снижения тока утечки между единичными электродами исток-сток и увеличения пробивного напряжения между единичными электродами затвор-исток и сток-затвор оптимизированы ширина области полуизолируещего арсенида галлия, ширина (0,9-1,3 мкм) и глубина (0,2-0,3 мкм) канавок, расположение единичных электродов затвора в канавках каналов (на расстоянии, равном 0,1-0,3 и 0,5-0,7 мкм соответственно) [3, 4].
Это позволило значительно увеличить выходную мощность полевого транзистора СВЧ.
Выходная мощность полевых транзисторов СВЧ, описанных в [3, 4], составляет порядка (750, 1000) мВт, коэффициент усиления порядка (10, 12) дБ соответственно на частоте 10 ГГц.
Однако рассмотренные выше мощные полевые транзисторы СВЧ с достаточно высокой выходной мощностью ограничены в ряде случаев их применения и, прежде всего, при изготовлении монолитных интегральных схем (МИС) СВЧ вследствие их конструктивных особенностей, а именно из-за достаточно большой толщины подложки под активной областью (порядка 100 мкм) и достаточно малой ее толщины (порядка 10 мкм) в области максимального отвода тепла (металлизированного отверстия для заземления электродов).
Это затрудняет возможность обеспечения плотной упаковки единичных электродов стока, затвора, истока, что определяет их высокие массогабаритные характеристики.
Известен мощный полевой транзистор СВЧ, содержащий на лицевой стороне полупроводниковой подложки с заданной структурой слоев, по меньшей мере, одну заданную топологию элементов активной области полевого транзистора, представляющую собой последовательность единичных электродов стока, затвора, истока, канала с канавкой между каждой парой единичных электродов сток-исток под единичный электрод затвора, при этом одноименные единичные электроды соединены электрически, металлизированное отверстие для заземления общего электрода истока, интегральный теплоотвод с обратной стороны полупроводниковой подложки из высоко тепло- и электропроводящего материала [5 - прототип].
Наличие в конструкции мощного полевого транзистора СВЧ интегрального теплоотвода толщиной порядка 30 мкм обеспечивает:
- во-первых, возможность утонения полупроводниковой пластины до толщины порядка 30 мкм, что соответственно обеспечивает снижение теплового сопротивления полупроводниковой подложки и, соответственно, повышение отвода тепла и, как следствие, повышение выходной мощности,
- во-вторых, возможность реализации в конструкции плотной упаковки единичных электродов стока, затвора, истока и тем самым уменьшение массогабаритных характеристик и возможность использования данной конструкции мощных транзисторов СВЧ при изготовлении монолитных интегральных схем (МИС) СВЧ, что на сегодня, как указано выше, является актуальным.
Однако выходная мощность данного мощного транзистора СВЧ является недостаточно высокой.
Техническим результатом заявленного мощного полевого транзистора СВЧ является повышение выходной мощности и коэффициента усиления, уменьшение массогабаритных характеристик, снижение стоимости, повышение выхода годных и, соответственно, производительности.
Указанный технический результат достигается заявленным мощным полевым транзистором СВЧ, содержащим полупроводниковую подложку с заданной структурой слоев, на лицевой стороне которой, по меньшей мере, одну заданную топологию элементов активной области полевого транзистора, представляющую собой последовательность единичных электродов стока, затвора, истока и канала с канавкой между каждой парой единичных электродов сток-исток под единичный электрод затвора, при этом одноименные единичные электроды стока, затвора, истока соединены электрически, металлизированное отверстие для заземления общего электрода истока, интегральный теплоотвод из высоко тепло- и электропроводящего материала с обратной стороны полупроводниковой подложки.
+
+
В котором заданная структура слоев полупроводниковой подложки выполнена в виде прямой последовательности полуизолирующего слоя, nтипа проводимости слоя, стоп-слоя, буферного слоя, активного слоя, с толщиной полуизолирующего и буферного слоев (не менее 30,0) и (1,0-20,0) мкм соответственно, часть металлизированного отверстия с лицевой стороны полупроводниковой подложки на глубине, равной сумме толщин активного, буферного и стоп слоев, выполнена с металлизированным дном, а другая часть металлизированного отверстия с обратной стороны полупроводниковой подложки на глубину, равную сумме толщин полуизолирующего и nтипа проводимости слоев, выполнена глухой в виде сплошного слоя из высоко тепло- и электропроводящего материала, при этом асимметрично в сторону общего электрода стока относительно вертикальной оси металлизированного отверстия, с размером поперечного сечения, равным размеру поперечного сечения топологии элементов активной области полевого транзистора, при этом упомянутые части металлизированного отверстия перекрываются полностью либо частично в горизонтальной плоскости в месте их соприкосновения, а интегральным теплоотводом одновременно является сплошной слой из высоко тепло- и электропроводящего материала другой части металлизированного отверстия.
III
V
Полупроводниковая подложка может быть выполнена из полупроводникового материала группы AB.
Стоп-слой может быть выполнен из AlAs либо InGaP, буферный слой - из нелегированного GaAs либо сверхрешетки, состоящей из чередующихся слоев AlGaAs и GaAs.
Высоко тепло- и электропроводящий материал представляет собой, например, золото либо CVD алмаз.
Раскрытие сущности изобретения
+
Совокупность существенных признаков заявленного мощного полевого транзистора СВЧ, а именно: выполнение заданной структуры слоев полупроводниковой подложки в виде прямой последовательности полуизолирующего слоя, nтипа проводимости слоя, стоп-слоя, буферного слоя, активного слоя в совокупности с указанной толщиной полуизолирующего и буферного слоев (не менее 30,0), (1,0-20,0) мкм соответственно обеспечивает:
- во-первых, существенное снижение теплового сопротивления кристалла полевого транзистора СВЧ и тем самым улучшение отвода тепла и, как следствие, повышение выходной мощности и коэффициента усиления;
- во-вторых, уменьшение линейных размеров единичного кристалла полевого транзистора СВЧ и тем самым:
а) уменьшение массогабаритных характеристик,
б) повышение выхода годных и, соответственно, производительности, снижение стоимости за счет увеличения съема единичных кристаллов полевых транзисторов с одной полупроводниковой подложки - пластины.
+
Выполнение части металлизированного отверстия с лицевой стороны полупроводниковой подложки на глубине, равной сумме толщин активного, буферного и стоп слоев с металлизированным дном, обеспечивает расположение металлизированной площадки общего электрода истока на nслое (проводящем слое), и тем самым обеспечивается электрический контакт с другой частью металлизированного отверстия, и тем самым обеспечивается возможность реализации заявленной конструкции мощного полевого транзистора технологически.
+
Выполнение другой части металлизированного отверстия с обратной стороны полупроводниковой подложки на глубину, равную сумме толщин полуизолирующего и nтипа проводимости слоев, глухой в виде сплошного слоя из высоко тепло- и электропроводящего материала, при этом асимметрично в сторону общего электрода стока относительно вертикальной оси металлизированного отверстия, с размером поперечного сечения, равным размеру поперечного сечения топологии элементов активной области полевого транзистора, обеспечивает следующее.
+
Во-первых, максимально возможное утонение полупроводниковой пластины в активной области единичного кристалла полевого транзистора, благодаря исключению из общей толщины этой области составляющей в виде полуизолирующего (полупроводникового) слоя, при этом имеющего большую толщину (порядка 30-100 мкм), а также nтипа проводимости слоя, материал которых имеет низкую и очень низкую теплопроводность (так, теплопроводность полупроводникового материала арсенида галлия составляет порядка 30 Вт/(м×К).
Во-вторых, значительное снижение теплового сопротивления единичного кристалла полевого транзистора и тем самым улучшение отвода тепла, поскольку функцию как несущего слоя полупроводниковой подложки обеспечивает эта (другая) часть металлизированного отверстия.
И как следствие того и другого - повышение выходной мощности и коэффициента усиления.
В-третьих, повышение прочности единичного кристалла полевого транзистора за счет сохранения общей его толщины (порядка 30-100 мкм), и тем самым обеспечивается максимально возможное исключение деформации единичного кристалла полевого транзистора:
а) при его разделении, благодаря возможности разделения полупроводниковой пластины на единичные кристаллы механическим способом, например резкой,
б) при последующей пайке.
И как следствие - повышение выхода годных и, соответственно, производительности.
В-четвертых, разделение механическим способом, в отличие от химического способа, например химическим травлением, обеспечивает возможность автоматизированных измерений электрических параметров на полупроводниковой подложке (пластине) и сохранения информации об электрических параметрах полевого транзистора СВЧ после разделения полупроводниковой пластины, что немаловажно при автоматизированном производстве.
В-пятых, реализация конструкции мощного полевого транзистора СВЧ, когда другая часть металлизированного отверстия, выполненная глухой в виде сплошного слоя из высоко тепло- и электропроводящего материала, одновременно выполняет три функции, а именно:
во-первых, как несущего слоя полупроводниковой подложки,
во-вторых, как заземление общего электрода истока,
в-третьих, как интегральный теплоотвод.
И как следствие - уменьшение массогабаритных характеристик.
Перекрытие упомянутых частей металлизированного отверстия полностью либо частично расширяет возможности частных случаев реализации мощного полевого транзистора СВЧ.
Итак, заявленный мощный полевой транзистор СВЧ в полной мере обеспечивает достижение указанного технического результата, а именно - повышение выходной мощности и коэффициента усиления, уменьшение массогабаритных характеристик, снижение стоимости, повышение выхода годных и, соответственно, производительности.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 дан разрез фрагмента заявленного мощного полевого транзистора СВЧ (с одной заданной топологией элементов активной области полевого транзистора), где
- полупроводниковая подложка с заданной структурой ее слоев - 1,
- заданная топология элементов активной области полевого транзистора - 2,
- последовательность единичных электродов стока - 3, затвора - 4, истока - 5, канала - 6 с канавкой - 7,
- металлизированное отверстие - 8,
- интегральный теплоотвод - 9,
+
- полуизолирующий слой - 10, nтипа проводимости слой - 11, стоп-слой - 12, буферный слой - 13, активный слой - 14 прямой последовательности слоев заданной структуры полупроводниковой подложки,
- металлизированное дно - 15 части металлизированного отверстия,
- сплошной слой - 16 другой части металлизированного отверстия, выполненной глухой.
Мощный полевой транзистор СВЧ работает следующим образом.
На единичные электроды затвора и стока СВЧ полевого транзистора подаются необходимые напряжения смещения от внешних источников. При этом на единичные электроды затвора - отрицательные, а на единичные электроды стока - положительные относительно единичных электродов истока. На единичные электроды затвора подается СВЧ сигнал, который усиливается СВЧ полевым транзистором и подается на его выход (между электродами стока и истока).
Примеры конкретного выполнения заявленного мощного полевого транзистора СВЧ.
Пример 1
+
18
Мощный полевой транзистор выполнен на полупроводниковой подложке 1, выполненной из арсенида галлия с заданной структурой слоев в виде прямой последовательности полуизолирующего слоя 10 с толщиной, равной 90 мкм, nтипа проводимости слоя 11 с концентрацией легирующей примеси не менее 2×10, стоп-слоя 12, выполненного из AlAs, буферного слоя 13, выполненного из нелегированного арсенида галлия толщиной, равной 10 мкм, активного слоя 14.
На лицевой стороне полупроводниковой подложки 1 формируют заданную топологию элементов активной области полевого транзистора 2, представляющую собой последовательность единичных электродов стока 3, затвора 4, истока 5, канала 6 с канавкой 7 между парой единичных электродов сток-исток 3-5 под единичный электрод затвора 4 посредством классических методов литографии, травления, напыления системы металлов, образующих омические контакты в области единичных электродов стока 3 и истока 5 и управляющий электрод - единичный электрод затвора 4.
+
Формируют металлизированное отверстие 8 из высоко тепло- и электропроводящего материала, например золота, для заземления общего электрода истока 5. При этом часть металлизированного отверстия 8 с лицевой стороны полупроводниковой подложки 1 на глубине, равной сумме толщин активного 14, буферного 13 и стоп 12 слоев, выполнена с металлизированным дном 15, а другая часть металлизированного отверстия с обратной стороны полупроводниковой подложки на глубину, равную сумме толщин полуизолирующего слоя 10 и nтипа проводимости слоя 11, выполнена глухой, при этом асимметрично в сторону общего электрода стока 3 относительно вертикальной оси металлизированного отверстия 8, с размером поперечного сечения, равным поперечному сечению топологии элементов активной области полевого транзистора 2, в виде сплошного слоя 16 из высоко тепло- и электропроводящего материала, например золота, а интегральным теплоотводом 9 является одновременно упомянутый сплошной слой 16 другой части металлизированного отверстия 8.
Примеры 2-5
Аналогично примеру 1 изготовлены образцы мощного полевого транзистора СВЧ, но при иных толщинах полуизолирующего и буферного слоев заданной структуры как в рамках, указанных в формуле изобретения (примеры 2-3), так и за ее пределами (примеры 4-5).
На изготовленных образцах мощного полевого транзистора СВЧ были измерены:
- коэффициент усиления при частоте 10 ГГц,
- выходная мощность.
Данные сведены в таблицу.
Как видно из таблицы, образцы мощных полевых транзисторов СВЧ, изготовленные согласно заявленной формуле изобретения (примеры 1-3), имеют:
- коэффициент усиления порядка 10 дБ (прототип 9 дБ),
- выходную мощность порядка 600 мВт (прототип порядка 450 мВт).
Таким образом, заявленный мощный полевой транзистор СВЧ по сравнению с прототипом обеспечит повышение выходной мощности в 1,5 раза, коэффициента усиления в 1,1 раза, уменьшение массогабаритных характеристик, снижение стоимости и повышение выхода годных и, соответственно, производительности примерно в 1,3 раза.
Источники информации
1. Полевые транзисторы на арсениде галлия. Принципы работы и технология изготовления. Под ред. Д.В. Ди Лоренцо, Д.Д.Канделуола. Перевод с английского под ред. Г.В.Петрова, М.: Радио и связь, 1988 г., с.118.
2. «Мощные GaAs полевые СВЧ-транзисторы со смещенным затвором», авторы Лапин В.Г., Красник В.А., Петров К.И., Темнов A.M. Одиннадцатая Международная конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии». Сборник материалов конференции 10-14 сентября 2001 г., Севастополь, Крым, Украина, стр.135.
3. Патент РФ №2307424, МПК H01L 29/812, приоритет 02.12.05, опубл. 27.09.07.
4. Патент РФ №2393589, МПК H01L 29/812, приоритет 25.05.09, опубл. 27.06.10.
5. Патент РФ №2285976, МПК H01L 21/335, приоритет 06.05.05, опубл. 20.10.06 - прототип.
№ п/п
Параметры структуры мощного полевого транзистора
Результаты измерений СВЧ-параметров
Толщина полуизолирующего слоя, (мкм)
Толщина буферного слоя, (мкм)
Коэффициент усиления, (дБ)
Выходная мощность СВЧ, (мВт)
Выход годных (%)
1
90
10
9,8
600
40
2
30
1,0
10
600
35
3
150
20
9,7
580
35
4
20
0,5
8,0
500
27
5
300
25
8,0
500
30
Прототип
-
-
9,0
450
30