ПСЕВДОМОРФНЫЙ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ СВЧ Российский патент 2016 года по МПК H01P1/00 

Изобретение относится к области полупроводниковых изделий и может быть использовано при создании нового поколения СВЧ элементной базы и интегральных схем на основе гетероструктур широкозонных полупроводников.

Известен неуправляемый (пассивный) переключатель мощности [ГАСАНОВ Л.Г. и др. "Твердотельные устройства СВЧ в технике связи", Москва «Радио и связь» 1988. с. 143], состоящий из отрезка линии передачи, параллельно которому включены pin диоды и диод Шоттки, соединенные встречно-параллельно. Диод Шоттки благодаря малой инерционности и меньшей контактной разности потенциалов открывается раньше при малых уровнях входной мощности и своим током открывает pin диоды, повышая быстродействие ограничителя.

При больших уровнях мощности открытые pin диоды отражают основную часть входной мощности и частично ее рассеивают, а поскольку pin диоды располагаются перед диодом Шоттки, то мощность дошедшая до диода Шоттки, оказывается значительно ослабленной и безопасной для него. Уровень ограничения проходящей мощности в таком ограничителе соответствует падению прямого напряжения на диоде Шоттки.

Недостатком этого ограничителя является низкая надежность, обусловленная потерей СВЧ сигнала.

Наиболее близким аналогом является мощный переключатель СВЧ (см. Патент РФ №140856, кл. МПК H01P 1/15, опубл. 20.05.2014) 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 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.

Недостатком этого устройства является низкая надежность, обусловленная быстрым выходом из строя в связи с влиянием DX центров на приборные характеристики, что вносит вклад в коэффициент шума и приводит к коллапсу тока.

Задачей настоящего изобретения является устранение вышеуказанных недостатков.

Технический результат изобретения заключается в повышении надежности устройства с обеспечением снижения влияния DX центров, с повышением плотности электронов и с устранением деградации в гетероструктуре.

Технический результат обеспечивается тем, что переключатель СВЧ содержит подложку из сапфира, на которой последовательно размещены: буферный слой AlN, буферный слой из GaN, буферный слой из нелегировангюго GaN i-типа проводимости. Кроме того, переключатель СВЧ содержит двумерный электронный газ высокой плотности, который служит нижней обкладкой конденсатора, сглаживающий слой из нитрида галлия, поверх которого нанесен слой диэлектрика из двуокиси гафния, металлические электроды полосковой формы, которые образуют верхнюю обкладку конденсатора, и два конденсатора, образующих двойные ВЧ-ключи. На буферном слое из нелегированного GaN i-типа проводимости последовательно размещены сверхрешетка из Al_XGa_1-XN/GaN, буферный слой из GaN, сильнолегированный слой n-типа проводимости из Al_XGa_1-XN, спейсер из Al_XGa_1-XN, сглаживающий слой, канал из In_XGa_1-XN, сглаживающий дополнительный слой из GaN, слой диэлектрика из двуокиси гафния и дополнительный слой диэлектрика. При этом переключатель выполнен с минимальным количеством глубоких электронных ловушек DX, а канал выполнен упругонапряженным псевдоморфным с концентрацией InGa 15-25%, а двумерный электронный газ образован между каналом и слоем из Al_XGa_1-XN.

В соответствии с частными случаями выполнения устройство имеет следующие конструктивные особенности.

Канал выполнен из In_0.17Ga_0,83N с шириной запрещенной зоны 5,35 эВ. Канал выполнен с критической толщиной 7-16 нм.

Дополнительный слой из диэлектрика выполнен из Al₂O₃, или ZrO₂, или La₂O₃, или Y₂O₃.

Сущность настоящего изобретения поясняется следующими иллюстрациями:

фиг. 1 - отображено устройство в разрезе;

фиг. 2 - отображена схема настоящего устройства.

На фиг. 1 отображены следующие конструктивные элементы:

1 - подложка из сапфира;

2 - буферный слой из AlN;

3 - буферный слой из GaN;

4 - буферный слой из GaN i-типа проводимости;

5 - сверхрешетка из Al_XGa_1-XN/GaN;

6 - буферный слой из GaN;

7 - сильнолегированный слой n-типа Al_XGa_1-XN;

8 - спейсер Al_XGa_1-XN;

9 - сглаживающий слой из GaN;

10 - канал In_XGa_1-XN;

11 - сглаживающий дополнительный слой из GaN;

12 - слой диэлектрика из двуокиси гафния;

13 - дополнительный слой диэлектрика из двуокиси металла;

14 - металлические электроды полосковой формы, которые образуют верхнюю обкладку конденсатора;

Настоящее устройство производился следующим образом.

На поверхности подложки из сапфира последовательно размещены: буферный слой из AlN 2, толщиной 0,1 мкм, затем буферный слое из GaN 3 и многослойная гетероэпитаксиальная структура из нелегированного буферного слоя 3 GaN толщиной 200 нм, нелегированный буферный слой 4 (i-типа) GaN толщиной 200 нм, нелегированная сверхрешетка, состава Al_XGa_1-XN/GaN 5, нелегированный буферный слой, толщиной 100 нм 6, сильнолегированный слой твердого раствора Al_XGa_1-XN, толщиной 4,5 нм 7, в виде нелегированного слоя Al_XGa_1-XN (спейсер) 8, толщиной 2 нм, сглаживающий слой GaN 9, толщиной 3 нм, нелегированный слой из твердого раствора In_XGa_1-XN (канал) 10, толщиной 12 нм, сглаживающий дополнительный слой из GaN 11, слой диэлектрика из двуокиси гафния 12 и дополнительный слой диэлектрика из двуокиси металла 13, например из оксида алюминия, который применяется при необходимости повышения электрической прочности слоя диэлектрика. В качестве второго слоя диэлектрика могут быть использованы также ZrO₂, или La₂O₃, или Y₂O₃. Затем поверх слоев из диэлектрика размещают металлические электроды полосковой формы 14, которые образуют верхнюю обкладку конденсатора. Конструкция переключателя состоит из двух отдельных конденсаторов (ДГМОП), соединенных по принципу «спина к спине», при этом, между буферным слоем из ΑlΝ 2 и буферным слоем GaN 3 располагается переходная область, которая служит для уменьшения рассогласования параметров решетки, буферных слоев и растущих на них многослойных эпитаксиальных слоев. Слой из In_XGa_1-XN 10 предназначен для образования 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 In_XGa_1-XN Al_XGa_1-XN. Основным требованием к этому слою является структурное совершенство, достаточное для обеспечения высокой подвижности электронов и высокого сопротивления. Поэтому канальный слой не легируется.

Рассогласование параметров решеток в случае роста слоев In_XGa_1-XN на AlGaN может достигать более 7,5%. В случае относительно малых значений содержания In в слое InGaN или малых толщин InGaN рассогласование параметров решетки может быть аккомодировано упруго. В этом случае постоянная решетки слоя InGaN принимает значение, отвечающее подложке AlGaN. Такое псевдоморфное строение гетероструктуры InGaN/(Al)GaN принципиально отличается от традиционных гетероструктур AlGaN/GaN, где с помощью буферных слоев согласовывают постоянные решеток, а псевдоморфный канал гетероструктуры InGaN/AlGaN является упругонапряженным.

К недостаткам традиционной гетероструктуры системы AlGaN/GaN следует в первую очередь отнести влияние DX центров в слое AlGaN:Si на приборные характеристики. Перезарядка центров на высоких частотах вносит вклад в коэффициент шума, а захват электронов канала на центры при сильных полях приводит к коллапсу тока - сдвигу напряжения открытия устройства в сторону больших значений V_G. Коллапс наиболее сильно сказывается при низких температурах, не позволяя в полной мере использовать улучшение транспортных свойств двумерных электронов при снижении температуры. Снизить влияние DX центров можно, используя слои AlGaN с меньшим составом по Al, что невыгодно вследствие уменьшения разрыва зон на гетерогранице и, как следствие, снижения плотности электронов в канале. Расчеты показывают, что с учетом влияния DX-центров, характера зависимости ΔE_C от мольной доли AlN, заглубления донорного уровня, и ограничения на степень легирования слоя AlGaN, плотность электронов в канале МЛГС AlGaN/GaN не может превышать ~1.2-1.3×10-12 см^-2. Одним из способов уменьшения «коллапса тока», возникающего из-за захвата электронов на ловушки в приповерхностном буферном слое, достигается за счет его пассивации, что, однако, не спасает от захвата электронов на ловушки в буферном слое из GaN. Проблема усугубляется тем, что при его легировании компенсирующие примеси создают дополнительные ловушки.

Снижение влияния DX центров, повышение плотности электронов, устранение деградации в гетероструктуре мощного переключателя, а также подавление токового коллапса достигается за счет увеличения разрыва зоны проводимости на гетерогранице (ΔE_C) в области канала, используя в составе канала твердого раствора полупроводника с большей шириной запрещенной зоны, например In_0,17Ga_0,83N с шириной запрещенной зоны 5,35 эВ, либо в результате увеличения концентрации InN в твердом растворе InGaN от 15 до 25%, при критической толщине соответственно 7-16 нм.

Настоящий переключатель выполнен с возможностью работы в диапазоне частот вплоть до 30 ГГц. Конструкция гетероструктуры приведена на фигуре 1, а в таблице 1 представлены основные электрофизические параметры гетероструктуры.

Таблица 1 Температура в канале гетероструктуры, °K Слоевая концентрация носителей заряда в канале гетероструктур, см^-2 Подвижность носителей заряда в канале, см²/(В×с) AlGaN, 300 1.2·1012-1.3·1012 1500-2000 InGaN, 300 3.5·1012-8.5·1012 2000-2200

Одним из важнейших параметров является концентрация электронов в канале. Эта величина достаточно большая (n_s>3.5·10¹² см^-2-≤8,5·10¹² см^-2), но в то же время она ограничена сверху. Примером оптимизации гетероструктуры может служить структура, опробованная в работе по проверке основных параметров гетероструктур, демонстрирующая при концентрации носителей в канале 8.9·10¹² см^-2 подвижность от 1500 до 2000 см²/В·с при комнатной температуре.

Для данного содержания In в слое InGaN (данной величины рассогласования), существует некоторая толщина слоя, который может быть выращен в псевдоморфном режиме. Дальнейшее увеличение толщины слоя приводит к формированию дислокаций несоответствия, снимающих механическое напряжение. Подвижность в рассогласованных структурах снижается в результате образования дислокаций превышения критической толщины слоя.

Критическая толщина зависит от упругих свойств материалов, образующих гетеропереход, и уменьшается с увеличением содержания In в слое InGaN и для концентрации около 20% составляет примерно 15 нм.

Ограничения, накладываемые критической толщиной, приводят к тому, что при содержании In свыше 30% слой, который может быть выращен бездислокационно, оказывается слишком тонким и неприемлем для использования в приборе. Таким образом, увеличение энергии размерного квантования в яме GaN/In_XGa_1-XN/AlGaN компенсирует увеличение ΔE_C с ростом x. В рамках данного предложения при использовании в качестве канала псевдоморфных переключателей использованы слои с содержанием In около 15-25% (толщина слоев около 6-17 нм).

При использовании напряженных квантовых ям шириной ~10·15 нм с составом до 25% изготовленные гетероструктуры по своим характеристикам превосходят традиционные гетероструктуры с GaN каналом.

Преимущество конструкции настоящего изобретения заключается в следующем:

- использование дополнительного буферного слоя в виде короткопериодной сверхрешетки AlGaN/GaN позволяет существенно снизить плотность ростовых дефектов и улучшить электрическую изоляцию между каналом гетероструктуры и подложкой;

- относительно малая суммарная толщина буферных слоев GaN, позволяющая улучшить ограничение носителей в канале;

- наличие дополнительного тонкого слоя нелегированного GaN между псевдоморфным InGaN каналом и AlGaN спейсером, улучшающего структурное качество границы раздела (сглаживающий слой);

- наличие дополнительного слоя n-типа из GaN под слоем диэлектрика из двуокиси гафния обеспечивает высокое качество границы диэлектрика с гетероструктурой на химически более стабильном по сравнению с AlGaN материале, кроме того, обеспечивает уменьшение шероховатости поверхности, что уменьшает окисление поверхности и повышает надежность переключателя, препятствуя «коллапсу тока»;

- увеличение значений плотности и подвижности электронов в канале, изготовленного на основе InGaN, достигается оптимальным выбором независимых параметров структуры: концентрации легирующей примеси в сильнолегированном материале - 2,5÷3×1019 см^-3, толщина нелегированного спейсера -2 -3 нм и концентрация InN в твердом растворе от 15 до 25%.

Двуокись гафния перспективный диэлектрический материал и для ДГМОП переключателей в качестве пассивирующего слоя и подзатворного диэлектрика. Этот материал обладает высокой диэлектрической проницаемостью K=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 с емкостно соединенными контактами, с изолированным затвором имеет высокую диэлектрическую проницаемость и пригоден для более низких пороговых напряжений и более сильной емкостной связи. Двуокись гафния была использована в качестве диэлектрика в МОП структуре. Этот материал с нанесенным поверх слоем диэлектрика позволили минимизировать утечки тока затвора (на 3-5 порядка), улучшили пассивацию буферного приповерхностного слоя, увеличили значение напряжения пробоя.

Между слоем твердого раствора In_XGa_1-XN (канал) и диэлектрическим слоем HfO₂ размещен дополнительный слой из химически более стабильного, по сравнению с InGaN материалом, слой нитрида галлия (сглаживающий слой).

В настоящем изобретении использована конструкция переключателя, который позволяет использовать емкостно соединенные контакты. Два соединенных "спина к спине" конденсатора образуют двойные ВЧ-ключи. тем самым устраняя потребность в омических контактах, где процесс металлизации обходится без отжигов контактов. Состав конструкции с емкостно двойными контактами входит МОП транзистор с гетероструктурой AlGaN/InGaN в качестве полупроводника. Приведенная конструкция переключателя сочетает преимущества структуры МОП (очень низкий ток утечки затвора) и AlGaN-InGaN гетероперехода (канал ДЭГ высокой плотности с высокой подвижностью). Это приводит к очень низкому поверхностному сопротивлению канала и рекордно высоким токам насыщения, свыше 1 А/мм, а мощность переключения превышает 60 Вт/мм. Низкое сопротивление в открытом состоянии возникает в результате чрезвычайно высокой плотности носителей в канале - сверх 8,0×10¹² см^-2, высокой подвижности электронов до или даже выше чем 2200 см²/В·с, высоких полей пробоя и широкого диапазона рабочих температур в пределах от криогенного до 300°C или даже выше. Конструкция переключателя обеспечивает повышенную радиационную стойкость и пониженную деградацию. Предлагаемое устройство может быть использовано для мощных переключателей, ограничителей мощности, фазовращателей и других мощных ВЧ-устройств.

Схема устройства приведена на фиг. 2. Первый электрод (E₁), сформированный на полупроводниковом канале и полупроводниковый канал образуют первый управляемый напряжением конденсатор; второй электрод (E₂), сформированный на полупроводниковом канале и полупроводниковый канал образуют второй управляемый напряжением конденсатор Входной импульс может быть подан между землей E₀ и электродом E₁ в то время как второй импульс подается между землей E₀ и электродом E₂.

Устройство подключено в другую схему, если амплитуда входного сигнала (A) не превышает напряжение, необходимое для обеднения одного из конденсаторов (C₁) или (C₂), импеданс устройства будет очень низким и устройство не будет ограничивать мощность СВЧ. Однако, если амплитуда входного сигнала (В) превышает напряжение, конденсаторы (C₁) и (C₂) выключаются в течение соответствующего положительного и отрицательного полупериодов.

Изобретение относится к области полупроводниковых изделий, Технический результат - повышение надежности устройства путем снижения влияния DX центров, повышения плотности электронов и устранения деградации в гетероструктуре. Для этого переключатель СВЧ содержит подложку из сапфира, на которой последовательно размещены буферный слой AlN, буферный слой из GaN, буферный слой из нелегированного GaN i-типа проводимости, двумерный электронный газ высокой плотности, который служит нижней обкладкой конденсатора, сглаживающий слой из нитрида галлия, поверх которого нанесен слой диэлектрика из двуокиси гафния, металлические электроды полосковой формы, которые образуют верхнюю обкладку конденсатора, и два конденсатора, образующих двойные ВЧ-ключи. На буферном слое из нелегированного GaN i-типа проводимости последовательно размещены сверхрешетка из Al_XGa_1-XN/GaN, буферный слой из GaN, сильнолегированный слой n-типа проводимости из Al_XGa_1-XN, спейсер из Al_XGa_1-XN, сглаживающий слой, канал из In_XGa_1-XN, сглаживающий дополнительный слой из GaN, слой диэлектрика из двуокиси гафния и дополнительный слой диэлектрика. При этом переключатель выполнен с минимальным количеством глубоких электронных ловушек DX, а канал выполнен упругонапряженным псевдоморфным с концентрацией InGa 15-25%, а двумерный электронный газ образован между каналом и слоем из Al_XGa_1-XN. 3 з.п. ф-лы. 1 табл., 2 ил.

1. Переключатель СВЧ, содержащий подложку из сапфира, на которой последовательно размещены буферный слой AlN, буферный слой из GaN, буферный слой из нелегированного GaN i-типа проводимости, кроме того, переключатель СВЧ содержит двумерный электронный газ высокой плотности, который служит нижней обкладкой конденсатора, сглаживающий слой из нитрида галлия, поверх которого нанесен слой диэлектрика из двуокиси гафния, металлические электроды полосковой формы, которые образуют верхнюю обкладку конденсатора, и два конденсатора, образующих двойные ВЧ-ключи, отличающийся тем, что на буферном слое из нелегированного GaN i-типа проводимости последовательно размещены сверхрешетка из Al_XGa_1-XN/GaN, буферный слой из GaN, сильнолегированный слой n-типа проводимости из Al_XGa_1-XN, спейсер из Al_XGa_1-XN, сглаживающий слой, канал из In_XGa_1-XN, сглаживающий дополнительный слой из GaN, слой диэлектрика из двуокиси гафния и дополнительный слой диэлектрика, при этом переключатель выполнен с минимальным количеством глубоких электронных ловушек DX, а канал выполнен упругонапряженным псевдоморфным с концентрацией InGa 15-25%, а двумерный электронный газ образован между каналом и слоем из Al_XGa_1-XN.

2. Переключатель по п. 1, отличающийся тем, что канал выполнен из In_0,17Ga_0,83N с шириной запрещенной зоны 5,35 эВ.

3. Переключатель по п. 1, отличающийся тем, что канал выполнен с критической толщиной 7-16 нм.

4. Переключатель по п. 1, отличающийся тем, что дополнительный слой из диэлектрика выполнен из Al₂O₃, или ZrO₂, или La₂O₃, или Y₂O₃.