СВЧ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ С ИЗОЛИРОВАННЫМИ ЭЛЕКТРОДАМИ

Изобретение относится к области создания полупроводниковых изделий.

Развитие радиолокационной, связной и навигационной техники требует создания мощных СВЧ переключателей. Высокоскоростные мощные переключающие элементы являются ключевыми компонентами радиолокационных модулей приемника/передатчика, беспроводной и воздушно-космической связи. Среди переключателей наиболее широко применяются мощные СВЧ переключатели на диодах. Большинство переключательных СВЧ-диодов имеют p-i-n структуру, так как диоды с p-i-n структурой отличаются меньшей барьерной емкостью, которая к тому же очень слабо зависит от напряжения, и это препятствует возникновению дополнительных частотных искажений полезного сигнала.

Недостатком переключательных СВЧ диодов с p-i-n структурой является инерционность процесса рассасывания носителей зарядов из i-слоя при переключении диода с прямого направления на обратное, так как толщина слоя может составлять несколько десятков микрометров, а скорость движения носителей заряда ограничена. Значительно большую скорость переключения можно получить при использовании диодов Шоттки, изготовленных на арсениде галлия. Однако уровень переключаемой СВЧ мощности при этом на несколько порядков ниже, чем при применении переключательных СВЧ диодов с p-i-n структурой.

Известен переключатель СВЧ, содержащий соединение трех линий передачи с одинаковыми волновыми сопротивлениями, одна линия передачи предназначена для входа СВЧ-сигнала, две другие - для выхода, каждая из двух линий передачи на выходе снабжена по крайней мере одним электронным ключом, в качестве которых использованы полевые транзисторы с барьером Шоттки, при этом их стоки соединены с линиями передачи на выходе, истоки - с линией передачи на входе, а на затворы подают постоянное управляющее напряжение (патент РФ №2072593, опубл. 27.01.1997).

Недостатками известного устройства являются низкая надежность, обусловленная прямыми потерями СВЧ-сигнала. Кроме того, из уровня техники известен переключатель СВЧ, который включает полевой транзистор на арсенидных гетеропереходах AlGaAs/GaAs с подложкой из GaAs (патент США №5214275, опубл. 25.05.1993).

Недостатком известного устройства является также низкая надежность, обусловленная низкой подвижностью ДЭГ и небольшой плотностью тока.

Кроме того, известен переключатель СВЧ RU 2563533 от 27.08.2015 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. Переключатель содержит два конденсатора, образующих двойные ВЧ-ключи.

Сущность изобретения поясняется на фиг. 1.

На фиг. 1 отображены следующие конструктивные элементы:

1 - подложка из слоя сапфира;

2 - буферный слой из AlN;

3 - буферный слой из GaN;

4 - слой из GaN i типа;

5 - слой твердого раствора Al_XGa_1-XN;

6 - нижняя обкладка конденсатора образованная ДЭГ в интерфейсе AlGaN/GaN;

7 - сглаживающий слой из нитрида галлия;

8 - диэлектрик, включающий слой из HfO₂;

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

На фиг. 2 приведена схема работы СВЧ переключателя.

На входной контакт варактора, верхний электрод конденсатора, поступает СВЧ сигнал (f≥1 ГГц) и при наличии отрицательного или положительного смещения между верхним электродом и каналом двумерного электронного газа (2DEG), который является нижней обкладкой конденсатора возникает сильная емкостная парная связь, которая эффективно шунтирует канал 2DEG. Компонент вертикального тока является исключительно емкостным, а компонент горизонтального тока проходит через канал 2DEG низкого сопротивления - это обеспечивает наличие низкого импеданса контактов.

Недостатком устройства, при его высоких технических характеристиках, является сложность формирования заземляющих контактов из-за наличия изолирующей подложки сапфира, что приводит к увеличению импеданса входных потерь. Введение дополнительных технологических операций, например формирования в сапфире сквозных заземляющих отверстий, значительно усложняют технологию создания СВЧ устройств.

Задачей настоящего изобретения является устранение вышеуказанных недостатков.

Технический результат заключается в уменьшении теплового сопротивления мощных переключателей, повышении уровня допустимой входной мощности, повышении скорости переключения, повышении надежности приборов, уровня радиационной стойкости и уровня деградации. Для этого переключатель СВЧ изготовлен на графене, где в качестве подложки использован кремний. Затем последовательно размещены: слой оксида кремния (SiO₂), двумерный слой графена, который служит нижней обкладкой конденсатора, поверх которого нанесен комбинированный диэлектрик, содержащий аморфный слой оксида алюминия (Al₂O₃), аморфный слой диэлектрика с высокой диэлектрической постоянной, например двуокиси гафния (HfO₂) и повторно аморфный слой оксида алюминия (Al₂O₃), поверх диэлектрика размещены металлические электроды полосковой формы, которые образуют верхнюю обкладку конденсатора, при этом переключатель содержит два конденсатора, образующие двойные ВЧ-ключи.

Технические преимущества обеспечиваются простотой формирования заземляющих контактов, уменьшении теплового сопротивления мощных переключателей, повышении уровня допустимой входной мощности, повышении скорости переключения, повышении надежности приборов, уровня радиационной стойкости и в снижении уровня деградации.

Технический результат обеспечивается тем, что в мощном переключателе СВЧ на основе графена, используется низкоомная подложка кремния, в которой сразу формируются эффективные заземляющие контакты; двумерный слой графена - это двумерная аллотропная форма углерода, в которой атомы объединены в гексагональную кристаллическую решетку, материал с очень высокой проводимостью электричества и тепла; подвижность носителей заряда в графене при комнатной температуре достигает 200000 см²_/В⋅с (А.K. Geim, K.S. Novoselov, Nature Matrerials 6, 183 (2007) (для сравнения подвижность электронов в 2DEG до 2500 см²/В⋅с), что обеспечит повышение скорости переключения и наличие низкого импеданса контактов. Для повышения надежности приборов предусмотрено капсулирование двуокиси гафния (HfO₂) сверху и снизу аморфным слоем оксида алюминия (Al₂O₃). Длительная эксплуатация и воздействие повышенных температур могут приводить к кристаллизации HfO₂, что может привести к изменению параметров СВЧ переключателя и повышению уровня деградации. Аморфные слои оксида алюминия (Al₂O₃) не подвержены рекристаллизации в широком диапазоне температур (во всем диапазоне рабочих и критических температур работы СВЧ устройств) наличие аморфных диэлектриков на границах с двуокисью гафния не будут создавать центры кристаллизации и это позволит повысить уровень радиационной стойкости СВЧ устройств и их надежность.

Сущность заявляемого технического решения схематично отображается на фиг. 3, где:

10. Подложка кремния;

11. Слой оксида кремния (SiO2)

12. Двумерный слой графена (нижняя обкладка конденсатора);

13. Аморфный слой оксида алюминия (Al2O3);

14. Аморфный слой оксида гафния (HfO2);

15. Аморфный слой оксида алюминия (Al2O3);

16. Металлический электрод.

Настоящее устройство состоит из следующих компонентов: на подложке кремния 10, толщиной 150-200 мкм, последовательно размещены слой оксида кремния 11, двумерный слой графена 12 (нижняя обкладка конденсатора). Поверх слоя графена нанесен комбинированный диэлектрик, включающий последовательно нанесенные слои 13, 14, 15:

- аморфный слой оксида алюминия (Al₂O₃) 1-3 нм;

- аморфный слой оксида гафния (HfO₂) 7-10 нм;

- аморфный слой оксида алюминия (Al₂O₃) 1-3 нм.

Двуокись гафния является представителем наиболее перспективных диэлектрических материалов для переключателей. Этот материал обладает высокими диэлектрической проницаемостью (К=20-25) и шириной запрещенной зоны Eg=5,8 эв. Кроме того, двуокись гафния, как диэлектрический материал подходит для устройств с емкостно соединенными контактами с изолированным затвором, имеет высокую диэлектрическую проницаемость, и пригоден для более сильной емкостной связи. Для повышения надежности приборов предусмотрено капсулирование двуокиси гафния (HfO₂) сверху и снизу аморфным слоем оксида алюминия (Al₂O₃). Длительная эксплуатация и воздействие повышенных температур могут приводить к кристаллизации HfO₂, что может привести к изменению параметров СВЧ переключателя и повышению уровня деградации. Аморфные слои оксида алюминия (Al₂O₃) не подвержены рекристаллизации в широком диапазоне температур (во всем диапазоне рабочих и критических температур работы СВЧ устройств) наличие аморфных диэлектриков на границах с двуокисью гафния не будут создавать центры кристаллизации для двуокиси гафния и это позволит повысить уровень радиационной стойкости СВЧ устройств и их надежность. Поверх комбинированного диэлектрика размещены управляющие электроды полосковой формы Mo/Ti/Au 16.