МОЩНЫЙ ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР СВЧ НА ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ГЕТЕРОСТРУКТУРЕ

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.

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 3×10¹⁷ см^-3 и поверхностной плотностью этой примеси большей 10¹² см^-2, а средняя концентрация легирующей примеси между упомянутой частью слоя полупроводникового материала и электродом затвора не превышает 3×10¹⁷ см^-3 [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,

- группы проводящих слоев, формирующих канал полевого транзистора, в составе собственно канального слоя In_yGa_1-yAs, по меньшей мере двух дельта-легированных донорной примесью δn-слоев и двух не легированных примесью спейсерных i-слоев Al_xGa_1-xAs, попарно расположенных по обе стороны собственно канального слоя,

- двух групп барьерных слоев Al_xGa_1-xAs, 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 Al_xGa_1-xAs, затворная группа барьерных слоев - в виде донорно-акцепторной δn-i-p-i системы барьерных слоев Al_xGa_1-xAs,

- при этом прилегающий δn-слой, легированный донорной примесью, каждой группы барьерных слоев является одновременно δn-слоем легированным донорной примесью для соответствующей группы проводящих слоев,

- электрод затвора выполнен планарно на наружном, не легированном примесью i-слое Al_xGa_1-xAs 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,

группы проводящих слоев, формирующих канал полевого транзистора, в составе собственно канального слоя In_yGa_1-yAs, по меньшей мере двух дельта-легированных донорной примесью δn-слоев и двух не легированных примесью спейсерных i-слоев Al_xGa_1-xAs, попарно расположенных по обе стороны собственно канального слоя,

двух групп барьерных слоев Al_xGa_1-xAs, 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 Al_xGa_1-xAs, затворная группа барьерных слоев - в виде донорно-акцепторной δn-i-p-i системы барьерных слоев Al_xGa_1-xAs,

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.

Выполнение электрода затвора планарно на наружном не легированном примесью i-слое Al_xGa_1-xAs 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,

группы проводящих слоев - 7, формирующих канал полевого транзистора, в составе собственно канального слоя In_yGa_1-yAs и двух δn-слоев, легированных донорной примесью, и двух спейсерных i-слоев Al_xGa_1-xAs, не легированных примесью, попарно расположенных по обе стороны собственно канального слоя,

- двух групп барьерных слоев Al_xGa_1-xAs, 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,

когда электрод затвора 4 выполнен планарно на наружном не легированном примесью i-слое Al_xGa_1-xAs затворной группы барьерных слоев 9,

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 Al_xGa_1-xAs затворной группы барьерных слоев 9;

на фиг. 1б - частный случай,

когда электрод затвора 4 выполнен также планарно на наружном не легированном примесью i-слое Al_xGa_1-xAs затворной группы барьерных слоев 9,

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 In_yGa_1-yAs группы проводящих слоев 7 полупроводниковой гетероструктуры 2.

На фиг. 2 дана его (мощного полевого транзистора СВЧ) зонная диаграмма в равновесном состоянии (φ_G=0) при обратном смещении на электроде затвора (φ_G<0) и при прямом смещении на электроде затвора (φ_G>0) в области поперечного сечения электрода затвора,

где E_C0 - положение дна зоны проводимости в равновесном состоянии полевого транзистора при потенциале электрода затвора φ_G=0,

E_C - положение дна зоны проводимости в неравновесных состояниях полевого транзистора при положительном и отрицательном потенциалах электрода затвора,

E_F0 - положение уровня Ферми при равновесном состоянии полевого транзистора и потенциале электрода затвора φ_G=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,

группы проводящих слоев 7, формирующих канал полевого транзистора общей толщиной 22 нм, в составе собственно канального слоя In_yGa_1-yAs двух δn-слоев, легированных донорной примесью, и двух спейсерных i-слоев Al_xGa_1-xAs, не легированных примесью, и попарно расположенных по обе стороны собственно канального слоя,

двух групп барьерных слоев Al_xGa_1-xAs, каждая в виде системы барьерных слоев, одна из которых расположена с одной стороны группы проводящих слоев - подложечная 8, другая - с противоположной стороны - затворная 9,

при этом подложечная группа барьерных слоев 8 выполнена в виде акцепторно-донорной i-p-i-δn системы барьерных слоев Al_xGa_1-xAs общей толщиной 120 нм,

затворная группа барьерных слоев 9 - в виде донорно-акцепторной δn-i-p-i системы барьерных слоев Al_xGa_1-xAs общей толщиной 25 нм,

при этом прилегающий δn-слой легированный донорной примесью каждой группы барьерных слоев 8, 9 выполнен с концентрацией легирующей примеси - кремния (Si) 8,0×10¹² см^-2 и 7,0×10¹² см^-2 соответственно и является одновременно δn-слоем, легированным донорной примесью, для соответствующей группы проводящих слоев 7.

Электрод затвора 4 выполнен планарно на наружном не легированном примесью i-слое Al_xGa_1-xAs затворной группы барьерных слоев 9 полупроводниковой гетероструктуры 2,

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 5,0×10¹⁸ см^-3, 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

электрод затвора 4 выполнен планарно на наружном не легированном примесью i-слое Al_xGa_1-xAs затворной группы барьерных слоев 9 полупроводниковой гетероструктуры 2,

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 In_yGa_1-yAs 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.

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 Al_xGa_1-xAs, 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.

На фиг. 3 при одинаковом напряжении перекрытия U_P заявленный мощный полевой транзистор СВЧ превосходит прототип по величине максимального тока электрода стока (J_Dmax), который достигается при прямом смещении на электроде затвора и соответственно по величине рабочего тока (J_D(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.