МОЩНЫЙ СВЧ ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР С БАРЬЕРОМ ШОТКИ Российский патент 2007 года по МПК H01L29/00 

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано в качестве активных элементов СВЧ устройств.

Выходная мощность СВЧ полевых транзисторов с барьером Шотки зависит в основном от ширины электрода затвора. Для повышения выходной мощности СВЧ полевого транзистора с барьером Шотки используют много затворную конструкцию. Чем больше общая ширина электрода затвора, тем выше выходная мощность СВЧ полевого транзистора с барьером Шотки.

Однако при достаточно большой ширине единичного электрода затвора снижается эффективность работы СВЧ полевого транзистора, то есть удельная выходная мощность в расчете на единицу ширины электрода затвора.

Известен мощный СВЧ полевой транзистор с барьером Шотки, в котором с целью устранения указанного выше снижения эффективности с увеличением общей ширины электрода затвора, СВЧ полевой транзистор выполнен в виде чередующейся структуры, так называемой гребенки электродов истока, затвора, стока, при этом единичные электроды затвора расположены в канавках каналов, выполненных между электродами истока и стока (1).

Такая конструкция позволяет снизить паразитное сопротивление общего электрода затвора, что приводит к увеличению коэффициента усиления СВЧ полевого транзистора с барьером Шотки по мощности.

Кроме того, она позволяет сделать СВЧ полевой транзистор с барьером Шотки компактным.

Недостаток такого СВЧ полевого транзистора с барьером Шотки заключается в неточности совмещения единичных электродов затвора в каналах, обуславливаемая характеристиками оборудования и технологией изготовления, которая приводит к неидентичности его каналов. А неидентичность каналов в свою очередь приводит к снижению эффективности сложения мощности каналов и, следовательно, снижению выходной мощности СВЧ полевого транзистора с барьером Шотки.

Известен мощный СВЧ полевой транзистор с барьером Шотки, в котором с целью устранения неидентичности его каналов, как было сказано выше из-за неточности совмещения единичных электродов затвора в каналах, он выполнен также в виде гребенки электродов истока, затвора, стока, но при этом в отличие от предыдущего аналога, между парами электродов исток-сток расположены области полуизолирующего арсенида галлия, а в парах электродов исток-сток выполнены каналы с канавками, в последних расположены единичные электроды затвора длиной не более 0,7 мкм, при этом единичные электроды затвора смещены в канавке в сторону электродов истока, при этом одноименные электроды истока, затвора, стока соединены электрически (2 - прототип).

Это приводит к повышению пробивного напряжения сток-затвор, что в свою очередь позволяет повысить напряжение питания электрода стока и тем самым увеличить выходную мощность и коэффициент полезного действия СВЧ полевого транзистора с барьером Шотки.

Однако и данный СВЧ полевой транзистор с барьером Шотки имеет ряд недостатков, а именно:

- во-первых, при некоторых размерах области полуизолирующего арсенида галлия наблюдается повышение тока утечки между электродами исток-сток, что приводит к появлению неуправляемого электродом затвора тока стока, приводящего к снижению коэффициента усиления, выходной мощности и коэффициента полезного действия,

- во-вторых, при некоторых размерах канавок, выполненных в парах электродов исток-сток, в которых расположены единичные электроды затвора, имеет место снижение пробивного напряжения и, следовательно, снижение выходной мощности.

Техническим результатом изобретения является повышение выходной мощности и коэффициента усиления по мощности и, следовательно, повышение коэффициента полезного действия СВЧ полевого транзистора с барьером Шотки.

Данный технический результат достигается тем, что в известном мощном СВЧ полевом транзисторе с барьером Шотки, на полуизолирующей подложке арсенида галлия с активным слоем n-типа проводимости, толщиной не более 0,4 мкм и концентрацией легирующей примеси 2×10¹⁷-1×10¹⁸ см³, выполненном в виде гребенки из чередующейся, по крайней мере, более одной последовательности электродов истока, затвора, стока, при этом между парами электродов исток-сток расположены области полуизолирующего арсенида галлия, а в парах электродов исток-сток выполнены каналы с канавками, в последних расположены единичные электроды затвора длиной не более 0,7 мкм, при этом единичные электроды затвора выполнены асимметричными в сторону электродов истока, при этом одноименные электроды истока, затвора, стока соединены электрически.

При этом отличительными признаками является то, что области полуизолирующего арсенида галлия выполнены шириной, равной 4-6 мкм, канавки в парах электродов исток-сток выполнены шириной, равной 0,9-1,3 мкм, и глубиной, равной 0,2-0,3 мкм, а единичные электроды затвора расположены от края канавок со стороны электродов истока и стока на расстоянии, равном 0,1-0,3 и 0,5-0,7 мкм соответственно.

Мощный СВЧ полевой транзистор с барьером Шотки может иметь контактный слой толщиной 0,1-0,3 мкм, выполненный на активном слое.

Предложенная оптимизация ширины области полуизолируещего арсенида галлия, ширины и глубины канавок, в которых расположены единичные электроды затвора, позволяет исключить указанные выше недостатки прототипа, а именно, повышенные токи утечки между электродами исток-сток, снижение пробивного напряжения и, следовательно, обеспечить повышение выходной мощности, коэффициента усиления по мощности и коэффициента полезного действия СВЧ полевого транзистора с барьером Шотки.

Предложенная оптимизация расположения единичных электродов затвора, а именно, единичные электроды затвора расположены от края канавки со стороны электродов истока и стока на расстоянии, равном 0,1-0,3 и 0,5-0,7 мкм соответственно, в совокупности с вышеуказанной оптимизацией ширины области полуизолируещего арсенида галлия, ширины и глубины канавки обеспечивает оптимизацию пробивных напряжений электродов исток-затвор и сток-затвор и паразитного сопротивления исток-затвор и тем самым обеспечивает повышение выходной мощности, коэффициента усиления по мощности и коэффициента полезного действия СВЧ полевого транзистора с барьером Шотки.

Выполнение полуизолирующей области шириной менее 4 мкм нежелательно из-за значительного повышения токов утечки, а более 6 мкм приводит к повышению габаритных размеров СВЧ полевого транзистора.

Выполнение канавки шириной менее 0,9 мкм приводит к существенному снижению пробивных напряжений, а более 1,3 мкм приводит к увеличению расстояния между единичными электродами затвора и краем канавок со стороны электродов стока, что влечет за собой снижение выходной мощности.

Выполнение канавки глубиной менее 0,2 мкм приводит к снижению пробивных напряжений, а более 0,3 мкм к увеличению ширины канавки за указанные пределы, а именно, 1,3 мкм, из-за возможного бокового травления канавки.

Выполнение расстояния между краем канавок и единичными электродами затвора менее 0,1 мкм приводит к снижению пробивного напряжения, а более 0,3 мкм к возрастанию паразитного сопротивления электродов исток-затвор, что влечет за собой снижение коэффициента усиления по мощности.

Выполнение контактного слоя толщиной как менее 0,1 мкм, так и более 0,3 мкм нежелательно, в первом случае он не выполняет своей функции, а именно снижение контактного сопротивления электродов истоков и стоков, а во втором, из-за возможного бокового травления канавки.

Изобретение иллюстрируется чертежом.

На чертеже дан фрагмент мощного СВЧ полевого транзистора с барьером Шотки, где:

- полуизолирующая подложка арсенида галлия - 1,

- активный слой - 2,

- гребенка из чередующейся, по крайней мере, более одной последовательности электродов истока, затвора, стока - 3,

- пары электродов исток-сток - 4,

- области полуизолирующего арсенида галлия - 5,

- каналы - 6,

- канавки - 7,

- единичные электроды затвора - 8.

Мощный СВЧ полевой транзистор с барьером Шотки работает следующим образом:

На электроды затвора и стока мощного СВЧ полевого транзистора подаются необходимые напряжения смещения от внешних источников. При этом на электроды затвора - отрицательное, а на электроды стока - положительное относительно истока. На электроды затвора СВЧ полевого транзистора подается СВЧ сигнал, который усиливается СВЧ полевым транзистором и подается на его выход.

Коэффициент усиления по мощности СВЧ полевого транзистора определяется как отношение мощности на выходе к мощности подаваемого СВЧ сигнала на электроды затвора.

Способность СВЧ полевого транзистора отдавать мощность зависит от его способности пропускать достаточно большой ток через его канал.

И, следовательно, указанная способность СВЧ полевого транзистора увеличивается с каждой чередующейся в гребенке последовательностью электродов исток, затвор, сток.

Количество последовательностей электродов исток, затвор, сток может ограничиваться как размерами кристалла СВЧ полевого транзистора, так и его физическими параметрами, которые могут в свою очередь ограничить его применение в устройствах СВЧ диапазона.

Пример 1

Мощный СВЧ полевой транзистор с барьером Шотки выполнен на полуизолирующей подложке арсенида галлия с активным слоем n-типа проводимости, толщиной не более 0,4 мкм и концентрацией легирующей примеси не более 3×10¹⁷ см³.

Мощный СВЧ полевой транзистор с барьером Шотки выполнен в виде гребенки 3, например, из двух чередующихся последовательностей электродов истока, затвора, стока. При этом между парами электродов исток-сток 4 расположены области полуизолирующего арсенида галлия 5 шириной равной 5 мкм. В парах электродов исток-сток 4 выполнены каналы 6 с канавками 7. Ширина канавок равна 1,1 мкм, глубина 0,25 мкм. В канавках 7 расположены единичные электроды затвора 8 длиной не более 0,7 мкм. Единичные электроды затвора 8 расположены от края канавок 7 со стороны электродов истока и стока на расстоянии, равном 0,2 и 0,7 мкм соответственно.

Примеры 2-5

Аналогично примеру 1 выполнены мощные СВЧ полевые транзисторы с барьером Шотки, но при других значениях ширины области полуизолирующего арсенида галлия 5, ширины и глубины канавок 7, и расстоянии, на котором расположены единичные электроды затвора 8 от края канавок 7 со стороны электродов истока и стока соответственно как указанных в формуле изобретения, так и выходящих за ее пределы.

На изготовленных образцах мощных СВЧ полевых транзисторов с барьером Шотки были измерены выходная мощность, коэффициент усиления по мощности и коэффициент полезного действия.

Данные сведены в таблицу.

Как видно из таблицы, образцы мощных СВЧ полевых транзисторах с барьером Шотки, изготовленные согласно конструкционным параметрам, указанным в формуле изобретения (примеры 1-3), обладают достаточно высокой выходной мощностью порядка 750 мВт, высоким коэффициентом усиления по мощности порядка 10 дБ и высоким коэффициентом полезного действия в отличие от образцов мощных СВЧ полевых транзисторов с барьером Шотки (примеры 4-5), изготовленных с конструкционными параметрами, выходящими за пределы, указанные в формуле изобретения.

При этом следует отметить, что прототип близок по конструкционным параметрам примеру 5.

Таким образом, предлагаемая конструкция мощного СВЧ полевого транзистора с барьером Шотки позволит по сравнению с прототипом повысить:

во-первых, выходную мощность на 25%,

во-вторых, коэффициент усиления по мощности на 2-2,5 дБ,

в-третьих, коэффициент полезного действия порядка 7%.

Источники информации

1. Полевые транзисторы на арсениде галлия. Принципы работы и технология изготовления. Под ред. Д.В.ДиЛоренцо, Д.Д.Канделуола, Перевод с английского под ред. Г.В.Петрова, М., «Радио и связь», 1988 г., стр.118.

2. «Мощные GaAs полевые СВЧ транзисторы со смещенным затвором», авторы Лапин В.Г., Красник В.А., Петров К.И., Темнов А.М. Одиннадцатая Международная конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии». Сборник материалов конференции 10-14 сентября 2001 г., Севастополь, Крым, Украина, стр.135.

Конструктивные параметрыРезультаты измерений СВЧ параметров на частоте 15 ГГц№ п/пШирина области полуизолирующего GaAs, мкмШирина единичной канавки, мкмГлубина единичной канавки, мкмРасстояние единичных затворов от края канавки, мкмК_у, ДБР_вых, мВткпд, %истокастока151,10,250,20,61075040240,90.20,10,59,875038361,30,30,30,79,974038430,80,10,050,48,040025571,40,40,40,88,060033

Изобретение относится к электронной технике. Техническим результатом изобретения является повышение выходной мощности и коэффициента усиления по мощности и, следовательно, повышение коэффициента полезного действия СВЧ полевого транзистора с барьером Шотки. Это достигается тем, что в мощном СВЧ полевом транзисторе с барьером Шотки на полуизолирующей подложке арсенида галлия с активным слоем n-типа проводимости, толщиной не более 0,4 мкм и концентрацией легирующей примеси 2×10¹⁷-1×10¹⁸ см³, выполненном в виде гребенки из чередующейся, по крайней мере, более одной последовательности электродов истока, затвора, стока, при этом между парами электродов исток-сток расположены области полуизолирующего арсенида галлия шириной, равной 4-6 мкм, а в парах электродов исток-сток выполнены каналы с канавками шириной, равной 0,9-1,3 мкм, и глубиной, равной 0,2-0,3 мкм, в последних расположены единичные электроды затвора длиной не более 0,7 мкм, при этом единичные электроды затвора расположены от края канавок со стороны электродов истока и стока на расстоянии, равном 0,1-0,3 и 0,5-0,7 мкм соответственно. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Мощный СВЧ полевой транзистор с барьером Шотки, на полуизолирующей подложке арсенида галлия с активным слоем n-типа проводимости, толщиной не более 0,4 мкм и концентрацией легирующей примеси 2·10¹⁷-1·10¹⁸ см³, выполнен в виде гребенки из чередующейся, по крайней мере, более одной последовательности электродов истока, затвора, стока, при этом между парами электродов исток-сток расположены области полуизолирующего арсенида галлия, а в парах электродов исток-сток выполнены каналы с канавками, в последних расположены единичные электроды затвора длиной не более 0,7 мкм, при этом единичные электроды затвора выполнены асимметричными в сторону электродов истока, при этом одноименные электроды истока, затвора, стока соединены электрически, отличающийся тем, что области полуизолирующего арсенида галлия выполнены шириной, равной 4-6 мкм, канавки в парах электродов исток-сток выполнены шириной, равной 0,9-1,3 мкм, и глубиной, равной 0,2-0,3 мкм, а единичные электроды затвора расположены от края канавок со стороны электродов истока и стока на расстоянии, равном 0,1-0,3 и 0,5-0,7 мкм соответственно.2. Мощный СВЧ полевой транзистор с барьером Шотки по п.1, отличающийся тем, что он может иметь контактный слой толщиной 0,1-0,3 мкм, выполненный на активном слое.