МОЩНЫЙ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ СВЧ Российский патент 2015 года по МПК H01P1/15 

Изобретение относится к области создания полупроводниковых изделий и может быть использовано при создании нового поколения СВЧ элементной базы и интегральных схем на основе гетероструктур широкозонных полупроводников, а именно к полупроводниковым приборам, предназначенным для усиления СВЧ электромагнитных колебаний. Развитие радиолокационной, связной и навигационной техники требует создание дискретных полупроводниковых приборов, в частности полупроводниковых переключателей. Высокоскоростные мощные переключающие элементы являются ключевыми компонентами радиолокационных модулей приемника/передатчика, беспроводной и воздушно-космической связи, мощных преобразователей, фазовращателей и т.д.

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 (см. 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.

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 в снижении утечки тока затвора и уровня деградации.

Технический результат обеспечивается тем, что мощный переключатель СВЧ на основе соединения галлия, содержащий подложку, поверх которой размещена эпитаксиальная гетероструктура и барьер Шоттки. Переключатель СВЧ изготовлен на нитриде галлия, где в качестве подложки использован сапфир. Затем последовательно размещены буферный слой A1N, 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, при этом переключатель содержит два конденсатора, образующие двойные ВЧ-ключи.

В соответствии с частным случаем выполнения диэлектрик содержит дополнительный слой из оксида алюминия

Сущность настоящего изобретения поясняется иллюстрацией, на которой изображено настоящее устройство.

На фиг.1 отображены следующие конструктивные элементы:

1 - подложка из слоя сапфира;

2 - буферный слой из A1N;

3- буферный слой из GaN;

4 - слой из GaN i типа;

5- слой твердого раствора Al_XGa_1-XN;

6 - нижная 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.

Настоящее устройство производят следующим образом. На подложке из сапфира 1 толщиной 150-200 мкм последовательно размещены буферный слой нитрида алюминия 2 толщиной 0,7 нм, эпитаксиальная структура на основе широкозонных III-нитридов в виде слоев 3-6, состоящих из второго буферного слоя 3 из GaN толщиной 200 нм, нелегированного слоя 4 из GaN i-типа толщиной 200 нм, слоя твердого раствора Al_XGa_1-XN 5 толщиной 4,5 нм, а в интерфейсе Al_XGa_1-XN/GaN гетероструктуры с двумерным электронным газом высокой плотности образована нижняя обкладка 6 конденсатора. Поверх твердого раствора 5 Al_XGa_1-XN последовательно размещены сглаживающий слой нитрида галлия 7 толщиной 3-8 нм, слой двуокиси гафния 8 в качестве диэлектрика и слой металлического электрода 9 полосковой формы, который образует верхнюю обкладку конденсатора. При изготовлении сверхмощных переключателей в качестве диэлектрика 8 используются слой из двуокиси гафния, поверх которого размещается дополнительный слой оксида алюминия (при необходимости повышения прочности слоя диэлектрика). Двуокись гафния является представителем наиболее перспективных диэлектрических материалов для ДГМОП переключателей в качестве пассивирующего слоя и подзатворного диэлектрика. Этот материал обладает высокими диэлектрической проницаемостью (К=20-25) и шириной запрещенной зоны Eg=5,8 эВ, а также термодинамически стабилен в диапазоне рабочих температур рассматриваемых устройств. Кроме того, двуокись гафния, как диэлектрический материал для устройств емкостно соединенных контактами с изолированным затвором, имеет высокую диэлектрическую проницаемость и пригоден для более низких пороговых напряжений и более сильной емкостной связи, высокую электрическую прочность диэлектрика для более высоких пробивных напряжений и низкую плотность состояния границы раздела.

При необходимости повышения электрической прочности диэлектрика 8, поверх слоя 8 размещается слой оксида алюминия. Использование слоев из двуокиси гафния 8 и оксида алюминия позволяет минимизировать утечки тока и увеличить значение напряжения пробоя.

Слой из AlGaN 5 предназначен для образования в гетеропереходе AlGaN/GaN, в его приповерхностном слое проводящего канала (двумерного электронного газа (ДЭГ) с высокой подвижностью носителей заряда), возникающего за счет разрыва зон и поляризационных эффектов при образовании гетероперехода AlGaN/GaN. Основным требованием к этому слою является структурное совершенство, достаточное для обеспечения высокой подвижности электронов и высокого сопротивления. Поэтому канальный слой не легируется, а в ряде случаев используются специальные приемы для обеспечения необходимого сопротивления. Между буферным слоем из нитрида алюминия 2 и буферным слоем из нитрида галлия 4 i-типа располагается переходная область в виде второго буферного слоя из нитрида галлия 3, которая служит для уменьшения рассогласования параметров решетки и растущих на ней эпитаксиальных слоев. Между слоем твердого раствора Al_XGa_1-XN 5 (канал) и диэлектрическим слоем 8 HfO₂ размещен дополнительный слой из химически более стабильного, по сравнению с AlGaN материалом 5, слой 7 из нитрида галлия (сглаживающий слой). В процессе изготовления экспериментальных образцов переключателей в гетероструктуре кристалла переключателя вместо буферного слоя нитрида галлия 3 был опробован дополнительный буферный слой в виде короткопериодной сверхрешетки AlGaN/GaN, что позволило существенно снизить плотность ростовых дефектов и улучшить электрическую изоляцию между каналом переключателя и подложкой.

Таким образом, в данном изобретении предлагается конструкция переключателя, которая позволяет использовать емкостно соединенные контакты. Два соединенных "спина к спине" конденсатора (ДГМОП) образуют двойные ВЧ-ключи, тем самым устраняя потребность в омических контактах, где процесс металлизации обходится без отжигов контактов. Состав конструкции с емкостно двойными соединенными контактами входит МОП транзистор с гетероструктурой AlGaN/GaN в качестве полупроводника. Приведенная конструкция переключателя сочетает преимущества структуры МОП (очень низкий ток утечки затвора) и AlGaN-GaN гетероперехода (канал ДЭГ высокой плотности с высокой подвижностью). Это приводит к очень низкому поверхностному сопротивлению канала, ниже 300 Ω/квадрат и рекордно высоким токам насыщения, свыше 1 А/мм, а мощность переключения превышает 60 Вт/мм. Использование слоя HfO₂ как диэлектрика затвора обеспечивает поверхностную пассивацию и имеет более низкие токи утечки.

Низкое сопротивление в открытом состоянии возникает в результате чрезвычайно высокой плотности носителей в канале - сверх 10¹³ см^-2, высокой подвижности электронов до 2500 см²/В·с, высоких полей пробоя и широкого диапазона рабочих температур в пределах от криогенного до 300^оС или даже выше. Конструкция переключателя обеспечивает повышенную радиационную стойкость и пониженную деградацию.

Предлагаемое устройство может быть использовано для мощных переключателей, ограничителей мощности, фазовращателей аттенюаторов и других мощных ВЧ-устройств.

Изобретение относится к области создания полупроводниковых изделий, а именно к мощному переключателю СВЧ на основе соединения галлия, содержащему подложку, поверх которой размещена эпитаксиальная гетероструктура и барьер Шоттки. Технический результат заключается в уменьшении теплового сопротивления мощных переключателей, повышении уровня допустимой входной мощности, повышении скорости переключения, повышении надежности приборов, уровня радиационной стойкости и в снижении утечки тока затвора и уровня деградации. Для этого переключатель СВЧ изготовлен 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, при этом переключатель содержит два конденсатора, образующие двойные ВЧ-ключи. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Мощный переключатель СВЧ на основе соединения галлия, содержащий подложку, поверх которой размещена эпитаксиальная гетероструктура и барьер Шоттки, отличающийся тем, что переключатель СВЧ изготовлен 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, при этом переключатель содержит два конденсатора, образующие двойные ВЧ-ключи.

2. Переключатель по п.1, отличающийся тем, что диэлектрик содержит дополнительный слой из оксида алюминия.