СВЧ-ТРАНЗИСТОР Российский патент 2014 года по МПК H01L29/72 

Изобретение относится к электронной технике, а именно к полупроводниковым приборам, предназначенным для усиления СВЧ-электромагнитных колебаний.

Одной из основных задач современной полупроводниковой электроники является поиск конструкторских решений приборов, обеспечивающих усиление электромагнитных колебаний в коротковолновой части СВЧ-диапазона с высоким коэффициентом усиления и низкими шумами. Эта задача решается, в частности, путем совершенствования конструкций транзисторов.

Из "Уровня техники" известен малошумящий высокочастотный транзистор, включающий базовую область, сформированную диффузией, эпитаксиальный пассивный эмиттер и контакты к базе и эмиттеру (см. А.С. СССР №764549, опубл. 30.10.1993).

Недостатками известного устройства являются низкая надежность, низкое значение теплоотвода от активной части транзистора и ухудшенные шумовые характеристики.

Из "Уровня техники" также известен полевой СВЧ-транзистор, содержащий подложку, на которой сформирован буферный слой из широкозонного полупроводника, на котором расположен активный слой из узкозонного полупроводника с электродами истока, стока и затвора. Кроме того, активный слой под электродом затвора выполнен неравномерно легированным. При этом концентрация легирующей примеси в направлении электрод истока - электрод стока монотонно возрастает от значения, соответствующего концентрации остаточных примесей, до значения, соответствующего концентрации примесей в буферном слое, а концентрация примесей в буферном слое на 4-5 порядков превышает концентрацию остаточных примесей в активном слое (см. А.С. СССР №1118245, опубл. 19.06.1995).

Недостатками известного устройства являются низкое значение СВЧ-мощности, низкое значение теплоотвода от активной части транзистора и наличие низкочастотных шумов.

Задачей настоящего изобретения является устранение вышеуказанных недостатков.

Технический результат настоящего изобретения заключается в получении высоких значений напряжения пробоя, уровня СВЧ мощности, низких значений шумов, теплового сопротивления, токов утечки и потребляемой мощности.

Технический результат обеспечивается тем, что СВЧ-транзистор содержит базовую подложку из кремния, теплопроводящий поликристаллический слой алмаза, гетероэпитаксиальную структуру, буферный слой, исток, затвор, сток и омические контакты. При этом базовая подложка из кремния выполнена толщиной не более 10 мкм, слой теплопроводящего поликристаллического алмаза имеет толщину по меньшей мере равную 0,1 мм, а на поверхности гетероэпитаксиальной структуры, изготовленной из SiGe, последовательно размещены между истоком, затвором и стоком дополнительный слой теплопроводящего поликристаллического алмаза и барьерные слои из двуокиси гафния и из оксида алюминия, при этом барьерные слои из двуокиси гафния и оксида алюминия имеют суммарную толщину 1,0-4,0 нм, а, кроме того, они размещены под затвором, непосредственно на барьерном канале.

В соответствии с частным случаем выполнения буферный слой выполнен из AlN.

Сущность настоящего изобретения поясняется следующими иллюстрациями:

фиг.1 отображает настоящее устройство;

на фиг.2 приведены вольтамперные характеристики мощного транзистора СВЧ без дополнительных слоев на поверхности кристалла транзистора;

на фиг.3 приведены вольтамперные характеристики мощного транзистора СВЧ с дополнительными слоями из поликристаллического алмаза и двуокиси гафния.

На фиг.1 отображено устройство, содержащее следующие конструктивные элементы:

1 - фланец марки МД-40;

2 - слой припоя из AuSn;

3 - пьедестал;

4 - подслой из AuSn;

5 - базовая подложка из монокристаллического кремния;

6 - буферный слой AlN;

7 - теплопроводящий слой CVD поликристаллического алмаза;

8 - нелегированный слой из кремния;

9 - слой SiGe (спейс);

10 - слой из SiGe n+ типа проводимости;

11 - слой из SiGe - барьерный канал (крыша);

12 - исток;

13 - затвор;

14 - сток;

15 - омические контакты;

16 - дополнительный теплопроводящий слой поликристаллического алмаза;

17 - дополнительный барьерный слой из двуокиси гафния;

18 - дополнительный барьерный слой из оксида алюминия.

Настоящее устройство производят следующим образом.

На фланце марки МД-40 1 толщиной 1600 мкм размещен слой припоя из состава AuSn 2 толщиной 25 мкм, на который запаивается пьедестал 3 из CVD поликристаллического алмаза толщиной ~150 мкм. Поверх пьедестала 3 наносится подслой из AuSn 4 толщиной ~25 мкм, который в дальнейшем служит основой для укрепления кристалла транзистора к пьедесталу 3.

На поверхности базовой подложки 5 из монокристаллического кремния р-типа проводимости, ориентированного по плоскости (III), последовательно размещены: буферный слой из AlN 6 толщиной 0,1 мкм, слой CVD поликристаллического алмаза 7 толщиной 0,1 мм.

После размещения слоя CVD поликристаллического алмаза 7 базовая подложка 5 утоняется методами мокрого и сухого травления до толщины 10 мкм. Затем размещают слой из нелегированного кремния 8, гетероэпитаксиальную структуру в виде слоев 9-11, состоящих из слоя SiGe (спейс) 9, слоя SiGe n+-типа проводимости 10, слоя SiGe барьерный канал (крыша) 11. Формируют исток 12, затвор 13, сток 14 и омические контакты. Кроме того, устройство снабжают дополнительными слоями, размещенными между истоком 12, затвором 13 и стоком 14. Эти слои выполняют в виде дополнительного слоя теплопроводящего поликристаллического алмаза 16, барьерного слоя из двуокиси гафния 17 толщиной 1,0-4,0 нм и дополнительного барьерного слоя из оксида алюминия 18. При этом слои из двуокиси гафния 17 и оксида алюминия 18 проходят под затвором 13, непосредственно на гетероэпитаксиальной структуре в виде слоя 11 из SiGe.

В настоящем устройстве обеспечивается оптимизация отвода тепла из многослойной структуры транзистора и минимизация утечек. Это обеспечивается в помощью использования теплопроводящего поликристаллического слоя алмаза 7, пьедестала 3, а также осуществляется через слой изолирующего поликристаллического алмаза 16 и дополнительных барьерных слоев из двуокиси гафния 17 и оксида алюминия 18.

Достоинством предложенного устройства является также ввод в активную область транзистора двух барьерных слоев 17, 18 под затвором, которые позволяют минимизировать утечки тока и увеличить значение напряжение пробоя.

Кроме того, все слои в структурах получены с использованием хорошо известных методов послойного атомного осаждения и не требуются специальные технологии обработки и/или способы присоединения слоев. Полупроводниковая структура оказывается сформированной практически на поверхности подложки большой конструкционной толщины из высокотеплопроводного поликристаллического алмаза. При этом исключается необходимость в проведении трудоемкой операции полировки поверхности алмаза до состояния, пригодного для технологии термоприсоединения слоев при дальнейшем изготовлении приборов.

Использование технического решения обеспечивает дополнительный отвод тепла и снижение утечек в кристалле транзистора СВЧ через дополнительные слои теплопроводящего поликристаллического алмаза и двуокиси гафния, нанесенные на поверхность кристалла между истоком, затвором и стоком мощного транзистора СВЧ. Они уменьшают тепловое сопротивление транзисторной структуры в 1.5 раза и утечки тока. Использование дополнительного слоя теплопроводящего поликристаллического алмаза на поверхности кристалла транзистора между истоком, затвором и стоком транзистора и барьерных слоев из двуокиси гафния и оксида алюминия, размещенных под затвором, увеличивают пробивное напряжение транзистора на более 20%.

На фиг.2 и 3 приведены вольтамперные характеристики мощного транзистора СВЧ: фиг.2 - без слоя изолирующего поликристаллического алмаза на поверхности кристалла СВЧ транзистора, между истоком, затвором и стоком; фиг.3 - со слоем изолирующего поликристаллического алмаза на поверхности кристалла транзистора и дополнительными барьерными слоями из двуокиси гафния и оксида алюминия между истоком, затвором и стоком, а также выполнением дополнительных барьерных слоев, проходящих под затвором и на поверхности барьерного канала 11.

Проведенное моделирование тепловых режимов СВЧ транзисторов показало, что применение в теплопроводящих подложках на основе поликристаллического алмаза, выращенного на кремнии 5 с буферным слоем из AlN 6, обеспечивает значения теплового сопротивления транзисторной структуры меньшие, чем у СВЧ-транзисторов с теплопроводящими подложками на основе карбида кремния. Нанесение слоя изолирующего поликристаллического алмаза на поверхность кристалла СВЧ-транзистора, между истоком, затвором и стоком, уменьшает тепловое сопротивление транзисторной структуры более чем в 1.5 раза. Наличие в области затвора (под ним) дополнительных барьерных слоев из двуокиси гафния и оксида алюминия с суммарной толщиной 1,0-4,0 нм повышает величину пробивного напряжения на более 20%.

Отмеченные преимущества СВЧ-транзисторов на SiGe гетеростуктурах позволяют создавать твердотельные СВЧ блоки и модули с улучшенными параметрами, предназначенные для антенных фазированных решеток и других радиоэлектронных систем и для замены СВЧ электровакуумных приборов - передатчиков существующих средств связи и РЛС с учетом требований по минимизации массогабаритных характеристик аппаратуры при обеспечении устойчивости к внешним дестабилизирующим факторам.

Настоящая конструкция малошумящего транзистора, изготовленного на SiGe и устойчивого к воздействию мощных СВЧ-сигналов, может применяться в усилителях, генераторах, переключателях, смесителях. Наиболее перспективное применение малошумящих СВЧ SiGe транзисторов - это малошумящие усилители, логарифмические усилители, линейные усилители, широкополосные и операционные усилители.

Настоящая конструкция транзистора, изготовленного на SiGe и устойчивого к воздействию мощных СВЧ-сигналов, может быть использована в аналоговых СВЧ-схемах, цифровых, а также в аналого-цифровых преобразователях, в области связи (СВЧ и оптическая), радарах: для электронного оборудования для военных целей, различного рода инструментов, для применения в блоках и узлах передающей РЭА, для обеспечения элементной базой перспективных направлений радиолокационной и связной техники.

Изобретение относится к электронной технике, а именно к полупроводниковым приборам, предназначенным для усиления СВЧ-электромагнитных колебаний. СВЧ-транзистор содержит базовую подложку из кремния, теплопроводящий поликристаллический слой алмаза, гетероэпитаксиальную структуру, буферный слой, исток, затвор, сток и омические контакты. При этом базовая подложка из кремния выполнена толщиной не более 10 мкм, слой теплопроводящего поликристаллического алмаза имеет толщину по меньшей мере равную 0,1 мм, а на поверхности гетероэпитаксиальной структуры, изготовленной из SiGe, последовательно размещены между истоком, затвором и стоком дополнительный слой теплопроводящего поликристаллического алмаза и барьерные слои из двуокиси гафния и из оксида алюминия, при этом барьерные слои из двуокиси гафния и оксида алюминия имеют суммарную толщину 1,0-4,0 нм, а, кроме того, они размещены под затвором, непосредственно на барьерном канале. Технический результат изобретения заключается в получении высоких значений напряжения пробоя, уровня СВЧ-мощности, низких значений шумов, теплового сопротивления, токов утечки и потребляемой мощности. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. СВЧ-транзистор, содержащий базовую подложку из кремния, теплопроводящий поликристаллический слой алмаза, гетероэпитаксиальную структуру, буферный слой, исток, затвор, сток и омические контакты, отличающийся тем, что базовая подложка из кремния выполнена толщиной не более 10 мкм, слой теплопроводящего поликристаллического алмаза имеет толщину по меньшей мере равную 0,1 мм, а на поверхности гетероэпитаксиальной структуры, изготовленной из SiGe, последовательно размещены между истоком, затвором и стоком дополнительный слой теплопроводящего поликристаллического алмаза и барьерные слои из двуокиси гафния и из оксида алюминия, при этом барьерные слои из двуокиси гафния и оксида алюминия имеют суммарную толщину 1,0-4,0 нм, а, кроме того, они размещены под затвором, непосредственно на барьерном канале.

2. Транзистор по п.1, отличающийся тем, что буферный слой выполнен из AlN.