МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СВЧ МОНОЛИТНАЯ ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА НА МНОГОСЛОЙНОЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ СТРУКТУРЕ

Изобретение относится к области твердотельной СВЧ микроэлектроники и может быть использовано при создании СВЧ монолитных интегральных схем на арсениде галлия.

Монолитные интегральные схемы (МИС) используются при создании СВЧ приемо-передающих модулей современных радиоэлектронных систем. Применение многофункциональных чипов, содержащих на одном кристалле несколько различных по назначению функциональных блоков, позволяет существенно повысить компактность радиоэлектронных модулей, повысить воспроизводимость электрических характеристик, повысить надежность и снизить стоимость за счет уменьшения количества проволочных перемычек и сокращения дорогостоящих работ по микромонтажу и настройке.

Основными элементами МИС СВЧ на арсениде галлия являются полевые транзисторы с затвором Шоттки (ПТШ) и диоды Шоттки (ДБШ). С использованием ДБШ изготавливаются такие функциональные узлы как смесители и ограничители мощности. С использованием ПТШ изготавливаются малошумящие и буферные усилители, усилители мощности.

При создании, например, приемного модуля цифровой антенной решетки целесообразно объединить на одном кристалле смеситель, малошумящий усилитель, буферный усилитель гетеродина, усилитель промежуточной частоты и ограничитель мощности.

Для достижения предельных характеристик при изготовлении функциональных устройств на ПТШ и ДБШ необходимо использовать полупроводниковые структуры с различным профилем легирования.

При изготовлении сложных многофункциональных схем, содержащих различные функциональные блоки, построенные на ПТШ и ДБШ, в настоящее время используют полупроводниковые структуры, оптимизированные для достижения предельных характеристик ПТШ. При этом диоды, изготовленные на таких структурах в составе единого кристалла, имеют параметры, далекие от оптимальных. Так например, диоды Шоттки, реализованные на планарных транзисторных MESFET и рНЕМТ структурах, имеют более низкие значения граничной частоты, определяемой произведением последовательного сопротивления и емкости перехода, по сравнению с другими типами диодов. Квазивертикальные диоды Шоттки на структурах со скрытым n⁺-слоем имеют меньшие значения последовательного сопротивления и емкости перехода, а следовательно более высокие граничные частоты.

Последовательное сопротивление диода Шоттки влияет на максимальную входную мощность и мощность на выходе ограничителя мощности. Структуры со скрытым n⁺-слоем, в отличие от транзисторных MESFET и рНЕМТ-структур, при одинаковой площади анодного контакта диода Шоттки обеспечивают минимальное значение последовательного сопротивления диода, а также позволяют оптимизировать распределение выделяющейся теплоты без ухудшения частотных характеристик схемы.

Усилители в составе приемного модуля цифровой антенной решетки реализуются на полевых транзисторах с затвором Шоттки на псевдоморфных гетероэпитаксиальных структурах арсенида галлия с высокой подвижностью электронов (рНЕМТ-структурах). Гетеропереход между двумя типами полупроводниковых структур делает возможным повышение минимального значения подвижности электронов в области канала, что позволяет расширить частотный диапазон устройства и улучшить его СВЧ параметры по сравнению с другими транзисторными полупроводниковыми структурами.

Создание многослойных полупроводниковых структур арсенида галлия, на которых возможна реализация нелинейных и активных элементов различных типов, с применением методов ионной имплантации для создания скрытых локальных легированных областей сопряжено с образованием большого количества радиационных дефектов, требующих высокотемпературного отжига, что является существенным недостатком в технологии арсенида галлия [1. Метод ионной имплантации в технологии приборов и интегральных схем на арсениде галлия, Черняев А.В. - Радио и связь, 1990]. Возможным решением является разработка комбинированных гибридных структур с использованием молекулярно-лучевой или газофазной эпитаксии. Разработка многослойной эпитаксиальной полупроводниковой структуры арсенида галлия, обеспечивающей изготовление различных элементов со своими индивидуальными особенностями, является важным шагом на пути изготовления МИС высокой степени интеграции.

В [2. US 5031006, Semiconductor device having a Schottky decoupling diode] описывается полупроводниковое устройство, принятое за прототип, и содержащее полевой транзистор, монолитно интегрированный на полупроводниковой подложке с диодом Шоттки, активные области которых формируются в первом и втором эпитаксиальных слоях соответственно, расположенных в одной плоскости, и изолируются с помощью непроводящих областей.

Недостатком прототипа являются высокие значения последовательного сопротивления диода Шоттки и емкости перехода.

Целью изобретения является создание многофункциональной МИС, содержащей функциональные блоки, построенные на ПТШ и ДБШ, причем комбинированная полупроводниковая структура обеспечивает достижение предельных параметров как для ПТШ так и для ДБШ, которые изготовлены в различных слоях комбинированной полупроводниковой структуры.

Для достижения указанной цели предлагается многофункциональная СВЧ монолитная интегральная схема на многослойной полупроводниковой структуре, содержащая в качестве нелинейных и активных элементов интегрированные на одном кристалле диоды с барьером Шоттки и полевые транзисторы с барьером Шоттки соответственно.

Согласно изобретению, к первому активному слою полупроводниковой структуры, который располагается на основной поверхности буферного слоя полупроводниковой структуры, формируется система металлизации затвора полевого транзистора Шоттки, на основной поверхности первого активного слоя полупроводниковой структуры располагается второй контактный слой полупроводниковой структуры, к которому формируются омические контакты, образующие исток и сток полевого транзистора Шоттки, а также омический контакт, образующий катод диода Шоттки, на основной поверхности второго контактного слоя полупроводниковой структуры располагается третий базовый слой полупроводниковой структуры, к которому формируется система металлизации, образующая анодный контакт диода Шоттки.

Технический результат - повышение степени интеграции МИС СВЧ, уменьшение массогабаритных размеров приемо-передающих модулей (ППМ) антенных решеток, уменьшение числа проволочных перемычек, снижение потерь, связанных с прохождением сигналов между схемами или функциональными блоками, повышение граничных частот диодов с барьером Шоттки.

Предлагаемое построение монолитной интегральной схемы обеспечивает:

- реализацию полевых транзисторов с затвором Шоттки и квазивертикальных диодов с барьером Шоттки, имеющих высокие граничные частоты, на одном кристалле;

- реализацию многофункциональных монолитных интегральных схем высокой степени интеграции с различными типами нелинейных элементов для приемо-передающих модулей, в том числе для модулей цифровых антенных решеток.

Сочетание отличительных признаков и свойства предлагаемой МИС из литературы не известны, поэтому изобретение соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.

На чертеже изображен схематичный разрез многослойной полупроводниковой структуры арсенида галлия.

Для примера рассмотрим МИС на многослойной гетероэпитаксиальной полупроводниковой структуре арсенида галлия (чертеж), на которой сформированы нормально открытые рНЕМТ-транзисторы с затвором Шоттки и квазивертикальные диоды Шоттки. На полуизолирующей подложке (1), имеющей две основные поверхности методом молекулярно-лучевой или газофазной эпитаксии последовательно выращивается ряд эпитаксиальных слоев [3. Основы материаловедения и технологии полупроводников, Случинская И.А., М.: Мир, 2002 - 376 с.]. Буферный слой GaAs (2) необходим для уменьшения влияния дефектов полуизолирующей подложки. Далее расположен первый активный слой полупроводниковой структуры (3), который включает в себя канальный (3а), нелегированный (3б), донорный (3в) и барьерный (3г) слои. Канальный слой (3а) формирует гетеропереход между двумя полупроводниками, а его толщина составляет порядка 100-200А. Нелегированный слой (3б) необходим для снижения механических напряжений между кристаллическими решетками канального (3а) и донорного (3в) слоев и для повышения подвижности основных носителей заряда, за счет отсутствия дислокаций, возникающих в результате легирования, на которых происходит рассеяние основных носителей заряда. Толщина нелегированного слоя (3б) лежит в пределах 20-70А. Донорный слой (3в) обогащает электронами область двумерного электронного газа. Степень легирования донорного слоя (3в) составляет не менее 10¹⁸ см^-3 . Барьерный слой (3г) образует контакт Шоттки с системой металлизации затвора (4). Далее расположен второй контактный слой полупроводниковой структуры (5), имеющий высокую степень легирования, к которому одновременно формируются омические контакты истока (6) и стока (7) полевых транзисторов Шоттки и омические катодные контакты (8) квазивертикальных диодов с барьером Шоттки, разделенные между собой. Затем следует третий базовый слой полупроводниковой структуры (9), к которому формируется система металлизации анодного контакта (10) квазивертикальных диодов с барьером Шоттки, отделенная от омических контактов (6), (7) и (8). Толщина третьего базового слоя полупроводниковой структуры (9) и концентрация легирующей примеси в нем определяют требуемые электрофизические и СВЧ параметры диодов. Изоляция активных областей приборов достигается с помощью их пространственного разделения.

Рассмотренная многофункциональная СВЧ монолитная интегральная схема, в которой в качестве активных и нелинейных элементов используются рНЕМТ-транзисторы с затвором Шоттки и квазивертикальные диоды Шоттки, на многослойной гетероэпитаксиальной полупроводниковой структуре арсенида галлия опробована при реализации многофункциональной монолитной интегральной схемы преобразователя частоты, представляющего собой смеситель со встроенным усилителем гетеродина.

В рамках ОКР разработана и прошла испытания многофункциональная монолитная интегральная схема преобразователя частоты, представляющая собой смеситель на квазивертикальных диодах Шоттки со встроенным усилителем гетеродина на рНЕМТ-транзисторах с затвором Шоттки.

В результате использования предложения получен следующий технический эффект:

- многофункциональная СВЧ МИС на многослойной полупроводниковой структуре, сочетает функции нескольких отдельных МИС и одновременно содержит полевые транзисторы Шоттки и квазивертикальные диоды с барьером Шоттки с малыми значениями паразитной емкости и последовательного сопротивления, интегрированные на одном кристалле.