КОММУТИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО СВЧ Российский патент 2016 года по МПК H01P1/10 

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.

Из уровня техники известен СВЧ-коммутатор, содержащий лазер, фотокатод и отрезок прямоугольного волновода, на концах которого установлены соответственно входная и выходная щелевые диафрагмы, а на четвертьволновом расстоянии от них и одна от другой установлены индуктивные диафрагмы, в каждую из которых помещены соосно и попарно включенные емкостные конусы. При этом один из конусов, размещенный в индуктивной диафрагме, ближайшей к выходной щелевой диафрагме, выполнен усеченным со сквозным осевым отверстием, ось которого совпадает с оптической осью лазера, емкостные конусы, размещенные в остальных индуктивных диафрагмах, также выполнены усеченными. Другой конус, размещенный в индуктивной диафрагме, ближайшей к выходной щелевой диафрагме, выполнен неусеченным. В сквозном осевом отверстии герметично установлена перегородка из материала, прозрачного для излучения лазера, и на ней со стороны, обращенной к вершине усеченного конуса, размещен фотокатод (см. А.С. СССР №1739404, опубл. 07.06.1992).

Недостатками известного устройства являются низкая надежность, низкая скорость переключения, низкий уровень выходной мощности и низкий уровень радиационной стойкости.

Задачей настоящего изобретения является устранение всех перечисленных недостатков.

Технический результат заключается в повышении надежности, повышении скорости переключения, увеличении уровня выходной мощности, а также в увеличении уровня радиационной стойкости.

Технический результат обеспечивается тем, что коммутирующее устройство СВЧ содержит электроды и емкостной элемент. Емкостной элемент представляет собой конденсатор. Кроме того, коммутирующее устройство СВЧ включает подложку из сапфира, на которой последовательно размещены: буферный слой из AlN, буферный слой из GaN, слой из нелегированного GaN, слой из твердого раствора AlGaN. В интерфейсе GaN/AlGaN гетероструктуры образован двумерный электронный газ высокой плотности, который служит нижней обкладкой конденсатора. Поверх твердого раствора AlGaN размещен химически устойчивый сглаживающий слой из GaN, поверх которого нанесен диэлектрик, содержащий слой из двуокиси гафния и слой из оксида алюминия. Поверх диэлектрика размещены металлические электроды полосковой формы, которые образуют верхнюю обкладку конденсатора.

Сущность настоящего изобретения поясняется следующими иллюстрациями:

фиг. 1 - отображено устройство в разрезе;

фиг. 2 - отображена схема трехэлектродного двухканального устройства;

фиг. 3 - отображена схема четырехканального устройства.

На фиг. 1 отображены следующие конструктивные элементы:

1 - подложка из слоя сапфира;

2 - буферный слой из AlN;

3- буферный слой из GaN;

4 - слой из GaN i типа;

5 - слой твердого раствора AlGaN;

6 - нижняя обкладка конденсаторов образованная ДЭГ в интерфейсе AlGaN/GaN;

7 - сглаживающий слой из GaN;

8 - диэлектрик, включающий слой из HfO₂;

9 - металлические электроды полосковой формы, которые образуют верхнюю обкладку конденсаторов.

Настоящее устройство изготавливают следующим образом.

На подложке из сапфира 1, толщиной 150-200 мкм, последовательно размещают буферный слой из нитрида алюминия 2, толщиной 0,7 нм, эпитаксиальную структуру 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 AlGaN 5, толщиной 4,5 нм, а в интерфейсе AlGaN/GaN гетероструктуры с двумерным электронным газом высокой плотности, образующим нижнюю обкладку 6 конденсатора. Поверх твердого раствора 5 AlXGaN последовательно размещены: сглаживающий слой из нитрида галлия 7 толщиной 3-8 нм, диэлектрик в виде слоя из двуокиси гафния 8 и слоя из оксида алюминия и слой металлических электродов 9 полосковой формы, которые образуют верхнюю обкладку конденсатора.

Использование слоев из оксидов металлов обусловлено следующим. Двуокись гафния является представителем наиболее перспективных диэлектрических материалов для ДГМОП переключателей в качестве пассивирующего слоя и подзатворного диэлектрика. Этот материал обладает высокими 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 подходит для устройств с емкостно соединенными контактами, имеет высокую диэлектрическую проницаемость, более сильную емкостную связь и низкую плотность состояний 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 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 AlGaN 5 (канал) и диэлектрическим слоем 8 HfO₂ размещен дополнительный слой 7 из химически более стабильного, по сравнению с AlGaN, материала из нитрида галлия (сглаживающий слой).

В процессе изготовления экспериментальных образцов коммутатора в гетероструктуре кристалла 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, предлагается конструкция коммутирующего устройства, которое позволяет использовать емкостные соединенные контакты. Соединенные "спина к спине" конденсаторы (ДГМОП) образуют ВЧ-ключи, тем самым устраняя потребность в омических контактах. Процесс металлизации обходится без отжигов контактов. Приведенная конструкция коммутирующего устройства сочетает преимущества 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 1А/мм. Использование слоя из HfO₂ обеспечивает низкие токи утечки и хорошую емкостную связь.

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 300С или даже выше.

Принцип работы 3-электродного 2-канального устройства приведен на фиг. 2. Входной импульс может быть подан между землей Е₀ и электродом Е₂, в то время как два маршрутных канала (каналы А, В) подсоединены между между землей Е₀ и электродами Е₃ и Е₁ соответственно. Для работы коммутирующего устройства управляющее напряжение (+Uc₁) может быть подано на Е₃, а отрицательное управляющее напряжение (-Uc₁) может быть подано на Е₁. Когда полярность управляющего напряжения положительна, конденсатор для E₁ будет включен, а для Е₃ будет выключен. В результате входной сигнал будет направлен к каналу, подсоединенному между Е₃ и Е₀ (канал А). Аналогично, когда полярность управляющего напряжения отрицательна, то входной сигнал будет направлен между E₁ и Е₀ (канал В).

Принцип работы коммутирующего устройства может быть распространен на ВЧ коммутаторы любого количества каналов. На фиг. 3 показан четырехканальный коммутатор с вариантом реализации изобретения. В этом случае каждый выходной сигал трехэлектродной конфигурации является входным сигналом для другой трехэлектродной конфигурации. В частности, входной сигнал подан между землей Е₀ и электродом Е₂, а четыре маршрутных канала подсоединены между землей и Е₄, Е₆, Е₇ и Е₉ соответственно. Подавая три управляющих напряжения Uc₁, Uc₂, Uc₃ между электродами E₁ и Е₃, Е₄ и Е₆, а также Е₇ и Е₉ соответственно, и изменяя их полярности, как требуется, входной сигнал может быть направлен на любой желаемый канал, соединенный с Е₄, Е₆, Е₇ или Е₉.

Изобретение относится к технике СВЧ. Технический результат - повышение надежности и скорости переключения, увеличение уровня выходной мощности и уровня радиационной стойкости. Для этого коммутирующее устройство СВЧ содержит электроды и емкостной элемент, представляющий собой конденсатор, при этом коммутирующее устройство СВЧ включает подложку из сапфира, на которой последовательно размещены: буферный слой из AlN, буферный слой из GaN, слой из нелегированного GaN, слой из твердого раствора AlGaN и в интерфейсе GaN/AlGaN гетероструктуры образован двумерный электронный газ высокой плотности, который служит нижней обкладкой конденсатора. Поверх твердого раствора AlGaN размещен сглаживающий слой из GaN, поверх которого нанесен диэлектрик, содержащий слой из двуокиси гафния и слой из оксида алюминия. Поверх диэлектрика размещены металлические электроды полосковой формы, которые образуют верхнюю обкладку конденсатора. 3 ил.

Коммутирующее устройство СВЧ, содержащее электроды и емкостной элемент, отличающееся тем, что емкостной элемент представляет собой конденсатор, кроме того, коммутирующее устройство СВЧ включает подложку из сапфира, на которой последовательно размещены: буферный слой из AlN, буферный слой из GaN, слой из нелегированного GaN, слой из твердого раствора AlGaN, и в интерфейсе GaN/AlGaN гетероструктуры образован двумерный электронный газ высокой плотности, который служит нижней обкладкой конденсатора, поверх твердого раствора AlGaN размещен химически устойчивый сглаживающий слой из GaN, поверх которого нанесен диэлектрик, содержащий слой из двуокиси гафния и слой из оксида алюминия, а поверх диэлектрика размещены металлические электроды полосковой формы, которые образуют верхнюю обкладку конденсатора.