МОЩНЫЙ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ СВЧ

Изобретение относится к области полупроводниковых изделий и может быть использовано при создании нового поколения СВЧ элементной базы и интегральных схем на основе гетероструктур широкозонных полупроводников.

Известен неуправляемый (пассивный) переключатель мощности [ГАСАНОВ Л.Г. и др. "Твердотельные устройства СВЧ в технике связи", Москва, «Радио и связь», 1988, с. 143], состоящий из отрезка линии передачи, параллельно которому включены pin диоды и диод Шоттки, соединенные встречно-параллельно. Диод Шоттки благодаря малой инерционности и меньшей контактной разности потенциалов открывается раньше при малых уровнях входной мощности и своим током открывает pin диоды, повышая быстродействие ограничителя.

При больших уровнях мощности открытые pin диоды отражают основную часть входной мощности и частично ее рассеивают, а поскольку pin диоды располагаются перед диодом Шоттки, то мощность, дошедшая до диода Шоттки, оказывается значительно ослабленной и безопасной для него. Уровень ограничения проходящей мощности в таком ограничителе соответствует падению прямого напряжения на диоде Шоттки.

Недостатком этого ограничителя является низкая надежность, обусловленная потерей СВЧ сигнала.

Наиболее близким аналогом является мощный переключатель СВЧ (см. Патент РФ №140856, кл. МПК H01P 1/15, опубл. 20.05.2014) на основе соединения галлия, содержащий подложку, поверх которой размещена эпитаксиальная гетероструктура и барьер Шоттки. Переключатель СВЧ изготовлен на нитриде галлия, где в качестве подложки использован сапфир, затем последовательно размещены: буферный слой AlN, буферный слой из GaN, второй буферный слой из нелегированного нитрида галлия (i-тип), твердый раствор Al_XGa_1-XN, и в интерфейсе GaN/Al_XGa_1-XN гетероструктуры образован двумерный электронный газ высокой плотности, который служит нижней обкладкой конденсатора. Поверх твердого раствора Al_XGa_1-XN размещен химически устойчивый сглаживающий слой из нитрида галлия, поверх которого нанесен диэлектрик, содержащий слой из двуокиси гафния, поверх диэлектрика размещены металлические электроды полосковой формы, которые образуют верхнюю обкладку конденсатора.

Недостатком этого устройства является низкая надежность, обусловленная быстрым выходом из строя в связи с влиянием DX центров на приборные характеристики, что вносит вклад в коэффициент шума и приводит к колапсу тока.

Задачей настоящего изобретения является устранение вышеуказанных недостатков.

Технический результат изобретения заключается в повышении надежности устройства с обеспечением снижения влияния DX центров, с повышением плотности электронов и с устранением деградации в гетероструктуре.

Технический результат обеспечивается тем, что мощный переключатель СВЧ содержит подложку, на которой последовательно размещены: буферный слой AlN, буферный слой из GaN, буферный слой из нелегированного GaN i-типа проводимости. Кроме того, переключатель СВЧ содержит двумерный электронный газ высокой плотности, который служит нижней обкладкой конденсатора, сглаживающий слой из нитрида галлия, слой диэлектрика из двуокиси гафния, металлические электроды полосковой формы, которые образуют верхнюю обкладку конденсатора, и два конденсатора, образующих двойные ВЧ-ключи. На буферном слое из нелегированного GaN i-типа проводимости последовательно размещены сверхрешетка из Al_XGa_1-XN/GaN, буферный слой из GaN, сильнолегированный слой n-типа проводимости из Al_XGa_1-XN, спейсер из Al_XGa_1-XN, сглаживающий слой, канал из GaN, сглаживающий дополнительный слой, спейсер из Al_XGa_1-XN, сильнолегированный слой Al_XGa_1-XN, слой из GaN, слой диэлектрика из двуокиси гафния и дополнительный слой диэлектрика. При этом переключатель выполнен с минимальным количеством глубоких электронных ловушек DX, а канал легирован с двух сторон, а двумерный электронный газ образован между каналом и слоем из Al_XGa_1-XN.

В соответствии с частным случаем выполнения дополнительный слой из диэлектрика выполнен из Al₂O₃, или ZrO₂, или La₂O₃, или Y₂O₃.

Кроме того, подложка может быть выполнена из изолирующего теплопроводящего CVD поликристаллического алмаза.

Сущность настоящего изобретения поясняется следующими иллюстрациями:

фиг. 1 отображено устройство в разрезе;

фиг. 2 отображена схема настоящего устройства.

Па фиг. 1 отображены следующие конструктивные элементы:

1 - подложка из изолирующего теплопроводящего CVD поликристаллического алмаза;

2 - буферный слой из AlN;

3 - буферный слой из GaN;

4 - буферный слой из GaN проводимости;

5 - сверхрешетка из Al_XGa_1-XN/GaN;

6 - буферный слой из GaN;

7 - сильнолегированный слой n-типа Al_XGa_1-XN;

8 - спейсер из Al_XGa_1-XN;

9 - сглаживающий слой;

10 - канал из GaN;

11 - сглаживающий слой;

12 - спейсер из Al_XGa_1-XN;

13 - сильнолегированный слой n-типа из Al_XGa_1-XN;

14 - дополнительный слой n-типа из GaN;

15 - слой диэлектрика из двуокиси гафния;

16 - дополнительный слой диэлектрика из двуокиси металла;

17 - металлические электроды полосковой формы, которые образуют верхнюю обкладку конденсатора.

Настоящее устройство производился следующим образом.

На поверхности базовой подложки из монокристаллического кремния p-типа проводимости, ориентированного по плоскости (III), последовательно размещены: буферный слой из AlN 2, толщиной 0,1 мкм и слой из теплопроводящего CVD поликристаллического алмаза 1 (подложка), толщиной ≥0,1 мм. После размещения слоя CVD поликристаллического алмаза 1, базовая подложка из кремния удаляется методами мокрого и сухого травления и на буферном слоем 2 размещается многослойная эпитаксиальная структура: из нелегированного буферного слоя 3 GaN толщиной 200 нм, нелегированного буферного слоя 4 из GaN, толщиной 200 нм, нелегированной сверхрешетки из Al_XGa_1-XN/GaN 5, нелегированного буферного слоя из GaN, толщиной 100 нм 6, сильнолегированного слоя из твердого раствора Al_XGa_1-XN, толщиной 4,5 нм 7, нелегированного слоя Al_XGa_1-XN (спейсер) 8, толщиной 2 нм, сглаживающего слоя из GaN 9, толщиной 3 нм, нелегированного слоя в виде твердого раствора GaN (канал) 10, толщиной 12 нм, нелегированного сглаживающего слоя из GaN 11, толщиной 1,5 нм, нелегированного слоя Al_XGa_1-XN (спейс) 12, толщиной 2 нм, сильнолегированного слоя 13 в виде твердого раствора Al_XGa_1-XN, толщиной 16 нм, дополнительного слоя 14 n-типа из GaN, толщиной 15 нм, слоя диэлектрика из двуокиси гафния 15 и дополнительного слоя диэлектрика из двуокиси металла 16. В качестве второго слоя диэлектрика могут быть использованы Al₂O₃, или ZrO₂, или La₂O₃, или Y₂O₃.

Затем размещают металлические электроды полосковой формы 17, которые образуют верхнюю обкладку конденсатора. Конструкция переключателя состоит из двух отдельных конденсаторов (ДГМОП), соединенных по принципу «спина к спине».

При этом, между буферным слоем из AlN 2 и буферным слоем GaN 3 располагается переходная область, которая служит для уменьшения рассогласования параметров решетки, буферных слоев и растущих на них многослойных эпитаксиальных слоев.

Слой из GaN 10 предназначен для образования в его приповерхностном слое проводящего канала (двумерного электронного газа (ДЭГ) с высокой подвижностью носителей заряда), возникающего за счет разрыва зон и поляризационных эффектов при образовании гетероперехода GaN/Al_XGa_1-XN. Основным требованием к этому слою является структурное совершенство, достаточное для обеспечения высокой подвижности электронов и высокого сопротивления.

Как отмечено выше, к недостаткам традиционной гетероструктуры системы AlGaN/GaN следует в первую очередь отнести влияние DX центров в слое AlGaN:Si на приборные характеристики. Перезарядка центров на высоких частотах вносит вклад в коэффициент шума, а захват электронов канала на центры при сильных полях приводит к коллапсу тока - сдвигу напряжения открытия устройства в сторону больших значений V_G. Коллапс наиболее сильно сказывается при низких температурах, не позволяя в полной мере использовать улучшение транспортных свойств двумерных электронов при снижении температуры.

Снизить влияние DX центров можно, используя слои AlGaN с меньшим составом по Al, что невыгодно вследствие уменьшения разрыва зон на гетерогранице и, как следствие, снижения плотности электронов в канале.

Расчеты показывают, что с учетом влияния DX-центров, характера зависимости ΔE_C от мольной доли AlN, заглубления донорного уровня и ограничения на степень легирования слоя AlGaN, плотность электронов в канале МЛГС AlGaN/GaN не может превышать ~1.2-1.3×10^-12 см^-2.

В МЛГС на основе системы AlGaN/GaN увеличение значений плотности и подвижности электронов в канале достигается оптимальным выбором независимых параметров структуры: концентрации легирующей примеси в материале барьера, толщины нелегированного спейсера и мольной доли AlN в барьере. Уровень легирования не может быть слишком высоким. С одной стороны, он ограничен самокомпенсацией атомов донорной примеси (кремния), которая начинает сказываться при уровнях легирования ~5×10¹⁸ см^-3, а с другой - увеличением тока утечки затвора из-за образования параллельной проводимости по легированному слою. Типичные значения составляют 1÷2×10¹⁸ см^-3. По этой причине для мощных СВЧ переключателей следует применять структуры с двусторонним легированием, т.е. в структуру вводится нижний (со стороны подложки) легированный слой. Это позволяет увеличить концентрацию электронов в канале в несколько раз без существенного уменьшения подвижности носителей. Для структур с двусторонним легированием, применяющихся, в основном для изготовления мощных СВЧ приборов, одним из важнейших параметров является концентрация электронов в канале. Эта величина достаточно большая (n_s>3.5·10¹² см^-2-≤5,5·10¹² см^-2), но в то же время она ограничена сверху. В связи с этим оптимальным значением концентрации электронов в канале является диапазон 3.5·10¹² см^-2 до 5.5·10¹² см^-2. Конкретное же значение из указанного диапазона определяется параметрами структуры и функциональным назначением приборов.

Настоящее устройство может функционировать в диапазоне частот вплоть до 30 ГГц. Конструкция гетероструктуры приведена на фиг. 1, а в таблице 1 представлены основные электрофизические параметры гегероструктуры.

Одним из способов уменьшения «коллапса тока», возникающего из-за захвата электронов на ловушки в приповерхностном буферном слое, достигается за счет его пассивации, что, однако, не спасает от захвата электронов на ловушки в буферном слое из GaN. Проблема усугубляется тем, что при его легировании компенсирующие примеси создают дополнительные ловушки. Несмотря на это, наличие пассивации буферного слоя способствует уменьшению утечки затвора на 3-5 порядка, что приводит к понижению уровня нелинейных искажений сигнала, увеличению напряжения на металлические полоски (обкладки переключателя). В результате этого возрастет плотность электронов, и максимальный ток канала увеличивается в 2 раза.

Другим немаловажным параметром оптимизации гетероструктур для мощных СВЧ приборов является отношение уровней легирования верхнего и нижнего барьера (N_d2/N_d1). Зонная диаграмма гетероструктуры асимметрична из-за высокого поверхностного потенциала, поэтому легирование верхнего барьера должно быть сильнее. Кроме того, при выращивании слоев структур существует сегрегация примесей в направлении роста, и введение большого количества примесей в нижний барьерный слой вызвало бы нежелательное увеличение концентрации фоновой примеси кремния в канале GaN.

Исследования показали, что для малошумящих приборов лучшим соотношением является 2, в то время как для мощных СВЧ переключателей подходит N_d2/N_d1=3.

Снижение влияния DX центров, повышение плотности электронов, устранение деградации в гетероструктуре мощного переключателя, а также подавление токового коллапса достигается за счет двустороннего легирования канала переключателя, увеличения разрыва зоны проводимости на гетерогранице (ΔE_C) в области канала, используя в составе канала твердого раствора полупроводника с большей шириной запрещенной зоны.

Преимущество конструкции настоящего устройства заключается в следующем:

- использование дополнительного буферного слоя в виде короткопериодной сверхрешетки AlGaN/GaN позволяет существенно снизить плотность ростовых дефектов и улучшить электрическую изоляцию между каналом гетероструктуры и подложкой;

- относительно малая суммарная толщина буферных слоев GaN позволяет улучшить ограничение носителей в канале;

- наличие дополнительного тонкого слоя нелегированного GaN между GaN каналом и AlGaN спейсером улучшает структурное качество границы раздела (сглаживающий слой);

- наличие дополнительного слоя n-типа GaN под слоем диэлектрика из двуокиси гафния обеспечивает высокое качество границы диэлектрика с гетероструктурой на химически более стабильном по сравнению с AlGaN материале. Кроме того обеспечивает уменьшение шереховатости поверхности, что уменьшает окисление поверхности и повышает надежность транзистора, препятствуя «коллапсу тока»;

- увеличение значений плотности и подвижности электронов в канале с двусторонным легированием, изготовленного на основе GaN, достигается оптимальным выбором независимых параметров структуры: концентрации легирующей примеси в материале барьера - 2,5÷3×10¹⁹ см^-3, толщины нелегированного спейсера - W_SP≈r2-3 нм.

Двуокись гафния, как диэлектрический материал для устройств с емкостно соединенными контактами, с изолированным затвором имеет высокую диэлектрическую проницаемость, K=20-25, высокую электрическую прочность и большую ширину запрещенной зоны Eg=5,8 эВ, а также он термодинамически стабилен в диапазоне рабочих температур рассматриваемых устройств. Этот материал пригоден для более низких пороговых напряжений и более сильной емкостной связи, для более высоких пробивных напряжений и обеспечивает низкую плотность состояния границы раздела в качестве пассивирующего слоя и подзатворного диэлектрика.

Поверх слоя двуокиси гафния размещается слой оксида металла. Использование этих слоев позволяет минимизировать утечки тока и увеличить значение напряжения пробоя. В качестве оксида металла могут быть использованы Al₂O₃, или ZrO₂, или La₂O₃, или Y₂O₃.

Слой из GaN 10 предназначен для образования в его приповерхностном слое проводящего канала (двумерного электронного газа (ДЭГ) с высокой подвижностью носителей заряда), возникающего за счет разрыва зон и поляризационных эффектов при образовании гетероперехода AlGaN/GaN. Основным требованием к этому слою является структурное совершенство, достаточное для обеспечения высокой подвижности электронов и высокого сопротивления.

Между буферным слоем из нитрида алюминия 2 и буферным слоем из нитрида галлия 4 i-типа располагается переходная область в виде буферного слоя из нитрида галлия 3, которая служит для уменьшения рассогласования параметров решетки и растущих на ней эпитаксиальных слоев.

Между слоем твердого раствора Al_XGa_1-XN 13 и диэлектрическим слоем 15 HfO₂ размещен дополнительный слой 14 из химически более стабильного нитрида галлия.

В данном изобретении предлагается конструкция переключателя, который позволяет использовать емкостно соединенные контакты. Два соединенных "спина к спине" гетероМОП конденсатора образуют двойные ВЧ-ключи, тем самым устраняя потребность в омических контактах, при этом процесс металлизации обходится без отжигов контактов. В состав конструкции с емкостно двойными контактами входит МОП транзистор с гетероструктурой AlGaN/GaN с двусторонне легированным каналом (ДГМОП). Приведенная конструкция переключателя сочетает преимущества структуры МОП (очень низкий ток утечки затвора) и AlGaN-GaN гетероперехода (канал ДЭГ высокой плотности с высокой подвижностью). Это приводит к очень низкому поверхностному сопротивлению канала и высоким токам насыщения, свыше 1 А/мм, а мощность переключения превышает 50 Вт/мм. Использование слоя HfO₂, как диэлектрик затвора, обеспечивает поверхностную пассивацию и имеет более низкие токи утечки.

Низкое сопротивление в открытом состоянии возникает в результате чрезвычайно высокой плотности носителей в канале - сверх 3,5-5,5×10¹² см^-2, высокой подвижности электронов - более 2000 см²/В·с, высоких полей пробоя и широкого диапазона рабочих температур, в пределах от криогенного до 300°C. Конструкция переключателя обеспечивает повышенную радиационную стойкость и пониженную деградацию. Предлагаемое устройство может быть использовано для мощных переключателей, ограничителей мощности, фазовращателей и других мощных ВЧ-устройств.

Схема устройства приведена на фиг. 2. Первый электрод (E₁), сформированный на полупроводниковом канале, и полупроводниковый канал образуют первый управляемый напряжением конденсатор; второй электрод (E₂), сформированный на полупроводниковом канале, и полупроводниковый канал образуют второй управляемый напряжением конденсатор. Входной импульс может быть подан между землей E₀ и электродом E₁, в то время как второй импульс подается между землей E₀ и электродом E₂.

Устройство подключено в другую схему, если амплитуда входного сигнала (A) не превышает напряжение, необходимое для обеднения одного из конденсаторов (C₁) или (C₂), импеданс устройства будет очень низким и устройство не будет ограничивать мощность СВЧ. Однако, если амплитуда входного сигнала (B) превышает напряжение, конденсаторы (C₁) и (C₂) выключаются в течение соответствующего положительного и отрицательного полупериодов.