СВЧ-ТРАНЗИСТОРНАЯ МИКРОСБОРКА Российский патент 1998 года по МПК H01L23/12 

Изобретение относится к полупроводниковой электронике, в частности к конструкции СВЧ-транзисторных широкополосных микросборок, в которых используют внутренние согласующие LC- цепи.

Известен широкополосной транзистор, содержащий полупроводниковый кристалл с транзисторными структурами, смонтированный внутри корпуса на изолированной контактной площадке, кристалл МДП-конденсатора, установленный нижним электродом на металлизированной площадке корпуса, соединенной с общим эмиттерным выводом, группы проволочных перемычек, соединяющих соответственно элементы транзисторных структур, верхнюю обкладку МДП-конденсатора и электроды корпуса [1]
Недостатком известной конструкции широкополосного транзистора является ограниченный диапазон рабочих частей (менее одной актавы) ввиду неполного согласования по входу в полосе частот [1]
Из известных наиболее близким по технической сущности к изобретению является СВЧ-транзистор, содержащий первый полупроводниковый кристалл с транзисторными структурами, смонтированный на изолированной контактной площадке, второй полупроводниковый кристалл с МДП-конденсатором и встроенным резистором, установленный общим для МДП-конденсатора и резистора электродом на шине нулевого потенциала, причем структура второго кристалла представляет собой монокристаллическую подложку со сформированными низкоомным поверхностным слоем одного с подложкой типа проводимости и группы проволочных перемычек, соединяющих соответственно контактные площадки активных элементов транзисторных структур, верхнюю обкладку МДП-конденсатора, планарный электрод встроенного резистора и электроды корпуса [2]
Недостатком известного СВЧ-транзистора является низкое значение энергетических параметров (выходная мощность Р_вых, коэффициент усиления по мощности К_р, КПД) в полосе частот.

В известном техническом решении сопротивление встроенного резистора определяется удельным сопротивлением материала кристалла МДП-конденсатора. Действительно, в конструкции МДП-конденсатора с встроенным резистором, выполненном на кремниевой пластине р-типа с удельным сопротивлением ρ 0,005 Oм•см и металлизацией планарного электрода типа PtSi₂-Ti-Pt-Au и параметрами:
Площадь металлизации электрода, мм 4,7х0,16
Толщина слоя, мкм=см
Au 1,5 1,5•10^-4
Pt 0,15 1,5•10^-5
Ti 0,2 2•10^-5
PtSi₂ 0,1=1•10^-5
Si 150,0 1,5•10^-2
Удельное сопротивление слоя, Ом•см
Au 2,35•10
Ti 60^oC80•10^-6
Pt 10•10^-6
PtSi₂ 28-38
Si 5•10
Величина сопротивления слоя, Ом
R_Au 4,6875•10^-8
R_Pt 1,995•10
R_Ti 2,128•10^-7
R_PtSi ² 9,31•10^-8
R_Si 9,9734•10^-3
Данные оценки хорошо согласуются с измеренными величинами сопротивления встроенного резистора (10^oC12)•10^-3 Ом.

Применение высокоомного полупроводника при создании МДП-конденсатора приводит к уменьшению добротности не только МДП-конденсатора, но и всей согласующей трансформирующей LC -цепи, что в значительной мере определяет ширину полосы рабочих частот [1] Однако применение высокоомного материала при изготовлении МДП- конденсатора увеличивает потери во входной согласующей - трансформирующей LC-цепи, что приводит к снижению энергетических параметров микросборки: Р_вых, К_р, КПД.

Так повышение удельного сопротивления кремния с 0,005 до 0,05 Ом•см при изготовлении МДП-конденсатора приводит к снижению коэффициента усиления по мощности транзистора 2Т931А в полосе частот 200^oC400 мГц в 1,34 раза, при повышении удельного сопротивления кремния до 0,1 Ом•см 2,5 раза [3]
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение выходных энергетических параметров в полосе рабочих частот СВЧ-транзисторных микросборок за счет снижения потерь во входной согласующей цепи.

Осуществление изобретения позволит повысить по сравнению с прототипом значения энергетических параметров К_р, Р_вых, КПД за счет снижения потерь в МДП-конденсаторе, так как, во-первых, изготовление МДП-конденсатора осуществляют на более низкоомном кремнии (r ≤0,01 Ом•см) с высокоомным слоем ( r (0,1^oC0,5) Ом•см), толщина которого 5^oC20 мкм значительно меньше толщины монокристаллической подложки (≈ 150 мкм); во-вторых, наличие высокоомного подслоя в нижней обкладке МДП-конденсатора приводит к снижению влияния вихревых токов [4]
Кроме того, предложенное конструктивное решение СВЧ транзисторной микросборки позволяет в каждом конкретном случае практической реализации достигать оптимальные выходные энергетические параметры в полосе частот за счет более широких возможностей управления добротностью не только элементов, но и всей согласующе-трансформирующей цепи в целом:
электрофизическими параметрами МДП-конденсатора (величиной емкости, добротности и т.п.);
параметрами встроенного резистора,
добротностью согласующе-трансформирующей цепи за счет варьирования толщины и омности высокоомного слоя кристалла, МДП кондесатора и встроенного резистора.

Сущность изобретения заключается в том, что в СВЧ-транзисторной микросборке, содержащей первый полупроводниковый кристалл с транзисторными структурами, смонтированный на изолированной контактной площадке, второй полупроводниковый кристалл с МДП-кондесатором и встроенным резистором, установленный общим электродом на шине нулевого потенциала, причем структура второго кристалла представляет собой монокристаллическую подложку типа проводимости, и группы проволочных перемычек, соединяющих соответственно контактные площадки активных элементов транзисторных структур, верхнюю обкладку МДП конденсатора, планарный электрод встроенного резистора и электрода корпуса, согласно изобретению во втором кристалле между низкоомным поверхностным слоем и подложкой сформирован высокоомный слой одного с подложкой типа проводимости и толщиной 5-20 мкм и удельным сопротивлением (0,1^oC5) Ом•см, а удельное сопротивление монокристаллической подложки не превышает 0,01 Ом•см.

На фиг. 1 и 2 изображено конструктивное выполнение СВЧ-транзисторной микросборки.

СВЧ-транзисторная микросборка выполнена в корпусе, включающем диэлекрическую подложку 1 с изолированной контактной площадью 2 и шиной нулевого потенциала 3, соединенной с фланцем 4, электроды корпуса коллекторный 5 и базовый 6. На изолированной контактной площадке 2 смонтирован кристалл 7 транзисторной структуры с эмиттерами 8 и базовыми 9 контактными площадками соответствующих активных областей. Между базовым электродом 6 корпуса и полупроводниковым кристаллом 7 транзисторной структуры на шине 3 нулевого потенциала установлен кристалл 10 МДП-конденсатора 11 с встроенным резистором 12.

Структура кристалла 10 включает кремниевую монокристаллическую подложку 13 с удельным сопротивлением r 0,005 Ом•см с нанесенной эпитаксиальной пленкой 14 толщиной (10±15) мкм, удельным сопротивлением (0,2±0,03) Ом•см, поверхность которой легируют до концентрации N≥10¹⁷ см^-3 на глубину d ≃ (2±0,2) мкм.

Толщина высокоомного эпитаксиального слоя 14 определена в пределах 5^oC20 мкм в соответствии с п.2.3 ТУ48-4-298-74 [5] Верхний предел толщины (20 мкм) ограничен требованиями по дефективности поверхностного слоя эпитаксиальных пленок (отсутствием дефектов типа бугры и трипирамиды высотой более 0,5 мкм по всей поверхности). Нижний предел толщины (5 мкм) ограничен технологическими факторами воспроизводимого получения толщин и удельного сопротивления эпитаксиальных слоев вызванными процессами автолегирования.

Величина удельного сопротивления высокоомного эпитаксиального слоя 14 (0,1^oC5,0) ом•см ограничена по нижнему пределу требованиями ТУ 48-4-298-79 (п. 2.1 таблицы), по верхнему пределу допустимой величиной сопротивления встроенного резистора [2]
Легирование тем же типом примеси поверхностного слоя высокоомной эпитаксиальной пленки 14 до N≥10¹⁷ см^-1 ( 0,1 Ом•см) необходимо, во-первых, для создания стабильного омического контакта с металлизацией [6] во-вторых, для исключения возможности образования, накопленного заряда на границе раздела Si-SiO₂ [2]
На поверхности легированной эпитаксиальной пленки 14 формируют диэлектрический слой 15, на котором изготавливают верхний металлический электрод 16 МДП-конденсатора и металлический электрод 17? осуществляющий омический контакт с легированной эпитаксиальной пленкой 14, подложкой 13.

Конструктивно МДП-конденсатор включает верхний электрод 16, диэлектрический слой 15 и нижний электрод, состоящий из кремниевой подложки 13 с легированной эпитаксиальной пленкой 14.

Встроенный резистор 12 включает в себя металлический электрод 17, переходное сопротивление металл-полупроводник (не показано) и кремниевую подложку 13 с легированной эпитаксиальной пленкой 14.

Конструктивное использование в едином кристалле МДП-конденсатора со встроенным резистором известно [2] Общий нижний электрод МДП-конденсатора 11 и встроенного резистора 12, в качестве которого используют монокристаллическую кремниевую подложку 13, электрически соединен с шиной 3 нулевого потенциала. Группы проволочных перемычек 18 электрически соединяют изолированную контактную площадку 2 со смонтированным кристаллом 7 транзисторной структуры и коллекторный электрод 5 корпуса. Группа проволочных перемычек 19 электрически соединяет эмиттерные контактные площадки 8 кристалла 7 соответственно с шиной 3 нулевого потенциала и электродом 17 встроенного резистора 12. Группа проволочных перемычек 20 электрически соединяют базовые контактные площадки 9 кристалла 7 с верхним электродом 16 МДП-конденсатора 11 и базовым электродом 6 корпуса.

СВЧ-транзисторная микросборка, выполненная по схеме с общим эмиттером, работает следующим образом.

При воздействии на входной базовый электрод 6 относительно шины 3 нулевого потенциала высокочастотного сигнала в группе 17 проволочных перемычек возникает высокочастотный ток. Группа 17 проволочных перемычек и МДП-конденсатор 11 образуют входной LC-контур, ширина полосы частот которого согласно [1] равна
,
где ω_в, ω_н, ω_o верхняя, нижняя и центральная частоты соответственно;
Q добротность контура.

Применение МДП конденсатора, изготовленного на низкоомной подложке, со сформированным тонким высокоомным слоем приводит к снижению потерь в нем, повышению добротности по сравнению с прототипом.

Введение в цепь эмиттера встроенного резистора с сопротивлением ≈ 70•10^-3 Ом, превышающим собственное активное сопротивление эмиттера (≈ 30•10^-3 Ом) многоэмиттерного транзистора, снижает добротность каскада с общим эмиттером, повышает его входное сопротивление, тем самым расширяется ширина полосы частот [1, 7]
Изобретение поясняется таблицей.

Источники информации, принятые во внимание при составлении описания
1. Никишин В. И. и др. Проектирование и технология производства мощных СВЧ-транзисторов. М. Радио и связь, 1989, с. 45-52.

2. Заявка Японии N 55-34-583, кл. H 01 L 23/12 (прототип).

3. Асессоров В. В. Конструирование и технологические методы создания мощных широкополостных ВЧ- и СВЧ-транзисторов. Уч. N 3216. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Воронеж: 1983, с. 141-143.

4. Отчет по ОКР "Разработка генераторного транзистора с медианным значением выходной мощности 50 Вт в потоке частот 0,7 ^oC1,0 Гц", (Полоса 1) регистрационный N 019-106, 30.12.82, с. 11,12.

5. Структуры кремниевые эпитаксиальные однослойные, ТУ 48-4-298-74.

6. Элементы интегральных схем. М. Мир, 1989, с. 51, 199, 225, 365.

7. Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. М. Энергия, 1973, с. 321-331.

Использование: изобретение относится к полупроводниковой электронике, в частности к конструкции СВЧ-транзисторных широкополосных микросборок. Сущность изобретения: в СВЧ-транзистоpной микросборке, включающей первый полупроводниковый кристалл с транзисторными структурами, второй полупроводниковый кристалл с МПД-конденсатором и встроенным резистором и группу проволочных перемычек, соединяющих соответственно контактные площадки активных элементов транзисторных структур, верхнюю обкладку МДП-кондесатора, электроды встроенного резистора и электроды корпуса, согласно изобретению, во втором кристалле между низкоомным поверхностным слоем и подложкой дополнительно сформирован высоомный слой одного с подложкой типа проводимости толщиной 5^oC20 мкм и удельным сопротивлением 0,1^oC5 Ом•см, при этом удельное сопротивление монокристаллической подложки не превышает 0,01 Ом•см. 1 з. п. ф-лы, 2 ил, 1 табл.

1. СВЧ-транзисторная микросборка, включающая первый полупроводниковый кристалл с транзисторными структурами, смонтированный на изолированной контактной площадке, второй полупроводниковый кристалл с МДП-конденсатором с встроенным резистором, установленный общим электродом на шине нулевого потенциала, причем структура второго кристалла представляет собой монокристаллическую подложку со сформированным низкоомным поверхностным слоем одного с подложкой типа проводимости, и группы проволочных перемычек, соединяющие соответственно контактные площадки активных элементов транзисторных структур, верхнюю обкладку МДП-конденсатора, планарный электрод встроенного резистора и электроды корпуса, отличающаяся тем, что в втором полупроводниковом кристалле между низкоомным поверхностным слоем и подложкой дополнительно сформирован высокоомный слой одного с подложкой типа проводимости толщиной 5 20 мкм и удельным сопротивлением 0,1 5,0 Ом • см. 2. Микросборка по п. 1, отличающаяся тем, что удельное сопротивление монокристаллической подложки не превышает 0,01 Ом • см.