СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СВЧ ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА С БАРЬЕРОМ ШОТКИ
PRODUCTION METHOD OF SUPER-HIGH FREQUENCY (SHF) FIELD-EFFECT TRANSISTOR WITH SCHOTTKI BARRIER

Изобретение относится к электронной технике.
Одними из основных параметров СВЧ полевых транзисторов являются, коэффициент усиления, коэффициент шума, выходная мощность, коэффициент полезного действия.
Указанные параметры обеспечиваются как конструкцией, так и способом изготовления и используемым технологическим оборудованием.
Среди групп и разновидностей СВЧ полевых транзисторов, как по назначению, так и принципу действия, особое место занимают полевые транзисторы с барьером Шотки в области затвора.
Выходная мощность СВЧ полевых транзисторов с барьером Шотки, далее ПТШ, зависит в основном от ширины электрода затвора. Один из вариантов повышения выходной мощности ПТШ является использование многозатворной конструкции. Чем больше общая ширина электрода затвора, тем выше выходная мощность СВЧ ПТШ.
Однако при достаточно большой ширине единичного электрода затвора эффективность работы ПТШ - удельная выходная мощность в расчете на единицу ширины электрода затвора снижается, а также увеличивается коэффициент шума.
Следует отметить, что коэффициент шума ПТШ зависит от многих факторов, в том числе от паразитного сопротивления затвор-исток. Чем больше паразитное сопротивление затвор-исток, тем выше коэффициент шума.
Известен способ изготовления СВЧ полевого транзистора с барьером Шотки, в котором с целью устранения указанных выше недостатков, а именно снижения эффективности его работы с увеличением общей ширины электрода затвора, ПТШ выполнен в виде чередующейся структуры, так называемой гребенки электродов истока, затвора, стока, при этом единичные электроды затвора расположены в канавках каналов, выполненных между электродами исток и сток [1].
Способность ПТШ отдавать мощность зависит от его способности пропускать достаточно большой ток через канал.
И, следовательно, указанная способность увеличивается с каждой чередующейся в гребенке последовательностью электродов исток, затвор, сток.
Способ включает следующие операции формирования структуры ПТШ на лицевой стороне полуизолирующей подложки арсенида галлия с активным слоем:
- изготовление стока и истока с помощью литографии и вакуумного напыления системы металлов золото-германий-никель-золото в соответствующие области их расположения,
- формирование мезаструктур с помощью литографии и мелкого травления полуизолирующей подложки арсенида галлия с последующей бомбардировкой ионами бора,
- формирование канавок под электроды затворов посредством формирования рисунка затворов в резисте электронно-лучевой литографией с последующим подтравливанием каналов,
- изготовление электродов затворов вакуумным напылением системы металлов, образующих барьер Шотки, например, титан-алюминий-титан в соответствующие области их расположения,
- формирование рисунка и слоя пассивирующего диэлектрика с использованием литографии и плазмохимического осаждения нитрида кремния или двуокиси кремния,
- формирование «воздушных мостов» и контактных площадок посредством литографии и локального гальванического осаждения золота,
- шлифовка и полировка обратной поверхности полу изолирующей подложки арсенида галлия с последующим ее утонением до заданной толщины,
- выполнение на обратной поверхности полуизолирующей подложки арсенида галлия сквозных отверстий к контактным площадкам истока химическим травлением через маску из фоторезиста, для подсоединения истоков ПТШ к металлизации обратной поверхности полуизолирующей подложки арсенида галлия,
- металлизация и локальное осаждение золота на обратной поверхности полуизолирующей подложки арсенида галлия.
Благодаря выполнению ПТШ в виде чередующейся структуры, так называемой гребенки электродов истока, затвора, стока, и расположения единичных электродов затворов в канавках каналов удалось снизить паразитное сопротивление общего электрода затвора, и тем самым увеличить коэффициент усиления по мощности и снизить коэффициент шума.
Кроме того, этот способ обеспечивает компактность ПТШ.
К недостаткам этого способа следует отнести, прежде всего, неидентичность каналов, вследствие неточности совмещения единичных электродов затворов в них, что обусловлено как несовершенством способа изготовления, так и используемого при этом технологического оборудования.
Неидентичность каналов в свою очередь приводит к снижению эффективности сложения мощности каналов, и, следовательно, снижению выходной мощности СВЧ и повышению коэффициента шума.
Известен способ изготовления мощного СВЧ полевого транзистора с барьером Шотки на полуизолирующей подложке арсенида галлия с активным слоем, выполненный также в виде гребенки электродов истока, затвора, стока и согласно той же последовательности операций, что и в предыдущем аналоге, но в котором с целью устранения неидентичности каналов, между парами электродов исток-сток расположены области полуизолирующего арсенида галлия, а в парах электродов исток-сток выполнены каналы с канавками, в которых расположены электроды затвора с ограниченной длиной, не более 0,7 мкм, а металл или систему металлов, образующих барьер Шотки в области единичных электродов затвора, напыляют под углом к лицевой поверхности полуизолирующей подложки в сторону истока [2 - прототип].
Напыление металла, образующего барьер Шотки в области единичных электродов затвора, под углом к лицевой поверхности полуизолирующей подложки арсенида галлия в сторону истока обеспечивает смещение единичных электродов затвора в одну сторону, а именно в сторону истока и, как следствие этого, повышение пробивного напряжения сток-затвор, что в свою очередь позволяет повысить напряжение питания электрода стока и, следовательно, увеличить выходную мощность СВЧ и коэффициент полезного действия ПТШ.
Однако, с другой стороны, вследствие того, что этот способ не обеспечивает воспроизводимость расположения затворов в канавках каналов, последнее приводит и к невоспроизводимости пробивного напряжения и паразитного сопротивления исток-затвор а, следовательно, снижению выходной мощности СВЧ и соответственно коэффициента полезного действия ПТШ, а также повышению коэффициента шума.
Получается, что достигнутые преимущества прототипа перед аналогом несколько нивелируются другими недостатками.
Техническим результатом предложенного изобретения является повышение выходной мощности и соответственно коэффициента полезного действия, повышение коэффициента усиления по мощности и снижение коэффициента шума СВЧ полевого транзистора с барьером Шотки.
III
V
Указанный технический результат достигается тем, что в предложенном способе изготовления СВЧ полевого транзистора с барьером Шотки, включающем изготовление на лицевой поверхности полуизолирующей подложки, выполненной из полупроводникового материала группы АВ, с активным слоем, по меньшей мере, одной пары электродов истока и стока, канала между ними с канавкой под электрод затвора, изготовление электрода затвора типа барьер Шотки, при этом упомянутое изготавливают посредством процессов литографии и напыления металла или системы металлов, образующих омические контакты в области истока и стока, и барьер Шотки в области затвора, металл или систему металлов, образующих барьер Шотки в области затвора напыляют под углом к лицевой поверхности полуизолирующей подложки в сторону истока.
При этом напыление металла или системы металлов, образующих барьер Шотки в области затвора, осуществляют под упомянутым углом, равным 102-112°, при этом в каждой паре электродов исток-сток упомянутый угол в области затвора, примыкающей к электроду истока, превышает на 24-44° аналогичный угол в области, примыкающей к электроду стока, и одновременно перпендикулярен ширине канала, расстояние между лицевой поверхностью полуизолирующей подложки и источником напыляемого металла или системы металлов равно 400-700 мм.
Упомянутую величину угла к лицевой стороне полуизолирующей подложки в сторону электрода истока обеспечивают посредством взаимного и соответствующего расположения лицевой поверхности полуизолирующей подложки и источника напыляемого металла или системы металлов.
Напыление металла или системы металлов, образующих омические контакты в области истока и стока и барьер Шотки в области затвора осуществляют электронно-лучевым испарением.
Предложенный способ изготовления ПТШ, в котором оптимизирован угол напыления металла или группы металлов, образующих барьер Шотки в области затвора к лицевой поверхности полуизолирующей подложки в совокупности с его превышением в области затвора, примыкающем к электроду истока относительно примыкающего к электроду стока и в совокупности с предложенной оптимизацией взаимного расположения лицевой поверхности полуизолирующей подложки и источника напыляемого металла или системы металлов обеспечивает воспроизводимое расположение затвора в канавке канала, что в сою очередь в совокупности с тем, что затвор смещен в сторону истока обеспечивает:
во-первых, низкое паразитное сопротивление исток-затвор,
во-вторых, достаточно высокое и воспроизводимое пробивное напряжение сток-затвор, что в свою очередь обеспечивает повышение коэффициента усиления, выходной мощности и, соответственно, коэффициента полезного действия, а также снижает коэффициент шума.
Кроме того, указанная совокупность признаков обеспечивает воспроизводимость геометрических и электрических параметров ПТШ при их изготовлении.
Напыление металла или группы металлов, образующих барьер Шотки в области затвора, под углом к лицевой поверхности полуизолирующей подложки менее 102° малоэффективно, а более 112° - недопустимо, так как приводит к сильному сдвигу затвора в канавке и, как следствие, к снижению пробивного напряжения затвор-исток и, как следствие, к потере работоспособности ПТШ.
Расстояние между лицевой поверхностью полуизолирующей подложки и источником напыляемого металла или группы металлов менее 400 мм недопустимо из-за увеличивающегося разброса угла напыления по ней, приводящего к ухудшению проводимых технологических процессов, а более 700 мм ограничено возможностями технологического оборудования.
Изобретение иллюстрируется чертежом, где изображен вариант исполнения способа изготовления ПТШ, в котором указанную величину угла к лицевой поверхности полуизолирующей подложки в сторону электрода истока обеспечивают посредством ее расположения относительно источника напыляемого металла, при этом в каждой паре электродов исток-сток упомянутый угол в области затвора, примыкающей к электроду истока, превышает на 34° аналогичный угол, примыкающей к электроду стока, и одновременно перпендикулярен ширине канала, расстояние между лицевой поверхностью полуизолирующей подложки и источником напыляемого металла или системы металлов равно 500 мм,
и где:
- полуизолирующая подложка арсенида галлия с активным слоем - 1,
- электроды истока и стока - 2 и 3 соответственно,
- канал между ними с канавкой под электрод затвора 4 и 5 соответственно,
- единичные электроды затвора типа барьер Шотки - 6,
- угол к лицевой поверхности полуизолирующей подложки арсенида галлия в сторону электрода истока - 7λ и β в области затвора, примыкающие к электродам истока и стока соответственно,
- источник напыляемого металла или группы металлов - 8.
Пример конкретного выполнения.
17
3
ПТШ выполнен на лицевой поверхности полуизолирующей подложки арсенида галлия с активным слоем n-типа проводимости 1, толщиной 0,3 мкм и концентрацией легирующей примеси не более 4×10 см из двух чередующихся пар электродов истока 2, стока 3, канала 4 между ними с канавкой 5 под электрод затвора 6.
Ширина канавок равна 1,1 мкм, глубина 0,15 мкм. В канавках 5 расположены единичные электроды затвора 6 длиной не более 0,7 мкм. При этом единичные электроды затвора 6 смещены в сторону электрода истока 2.
Способ включает следующую последовательность операций формирования структуры ПТШ:
- на лицевой поверхности полуизолирующей подложки 1 формируют топологию омических контактов посредством процессов литографии,
- далее изготавливают электроды стока и истока 2 и 3 соответственно вакуумным напылением системы металлов золото-германий-никель-золото и одновременно формируют каналы 4 между ними,
- формируют рисунок мезаструктур посредством литографии и мелкого травления полуизолирующей подложки арсенида галлия с последующей бомбардировкой ионами бора,
- формируют канавки 5 под электроды затворов типа барьер Шотки посредством формирования рисунка затворов типа барьер Шотки в резисте электронно-лучевой литографией с последующим подтравливанием каналов 4,
- формируют электроды затворов типа барьер Шотки 6, для чего располагают указанным выше образом лицевую поверхность полуизолирующей подложки арсенида галлия относительно источника напыляемого металла или системы металлов, обеспечивающим напыление системы металлов, образующих барьер Шотки, под углом к лицевой поверхности полуизолирующей подложки арсенида галлия в сторону истока, равным 107, при этом превышение упомянутого угла в области затвора, примыкающей к электроду истока, составляет 34° относительно аналогичного угла, примыкающего к электроду стока - 7λ и β соответственно,
- и далее в область затвора напыляют систему металлов, образующих барьер Шотки, например, титан-алюминий-титан,
- формируют рисунок пассивирующего диэлектрика,
- изготавливают «воздушные мосты» и контактные площадки посредством литографии и локального гальванического осаждения золота,
- далее осуществляют шлифовку и полировку обратной поверхности полуизолирующей подложки арсенида галлия с последующим ее утонением до заданной толщины известными методами,
- на обратной поверхности полуизолирующей подложки арсенида галлия выполняют сквозные отверстия химическим травлением через маску из фоторезиста для подсоединения истоков ПТШ к контактным площадкам,
- металлизируют обратную поверхность полуизолирующей подложки арсенида галлия посредством осаждения никеля - химического и золота - гальванического.
Примеры 2-5.
Аналогично примеру 1 изготовлены ПТШ, но при значениях величины упомянутого угла к лицевой поверхности полуизолирующей подложки арсенида галлия в сторону электрода истока, равной 102 и 112° соответственно, и превышением упомянутого угла в области затвора, примыкающей к электроду истока, составляет 7λ - 24° и относительно аналогичного угла, примыкающего к электроду стока 7β - 44°, а также при расстоянии между лицевой поверхностью полуизолирующей подложки арсенида галлия и источником напыляемой системы металлов, равном 400 и 700 мм соответственно, а также с указанными технологическими параметрами, выходящими за пределы, указанные в формуле изобретения.
На изготовленных образцах ПТШ были измерены выходная мощность СВЧ, коэффициент шума, определены коэффициент усиления по мощности и коэффициент полезного действия.
Коэффициент усиления по мощности ПТШ определяют как отношение мощности на выходе к мощности, подаваемого СВЧ сигнала на электроды затвора.
Данные сведены в таблицу.
Как видно из таблицы, образцы ПТШ, изготовленные согласно предложенному способу (примеры 1-3), обладают достаточно высокой выходной мощностью порядка 750 мВт, высоким коэффициентом усиления по мощности порядка 10 дБ, высоким коэффициентом полезного действия, низким коэффициентом шума, в отличие от образцов ПТШ (примеры 4-5), изготовленных с технологическими параметрами, выходящими за пределы, указанные в формуле изобретения.
Таким образом, предложенный способ изготовления СВЧ полевого транзистора с барьером Шотки позволит по сравнению с прототипом повысить:
во-первых, выходную мощность примерно на 25 процентов,
во-вторых, коэффициент усиления по мощности примерно на 2-2,5 дБ,
в-третьих, коэффициент полезного действия примерно на 7-10 процентов,
в четвертых, снизить коэффициент шума примерно 0,3-0,5 дБ.
Более того, следует особенно отметить, что предложенный способ позволит успешно применять его для изготовления как малошумящих, так и мощных СВЧ полевых транзисторов с барьером Шотки.
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., стр.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.