Мощная ВЧ- и СВЧ-транзисторная структура Российский патент 2021 года по МПК H01L29/70 

Заявляемое изобретение относится к полупроводниковой электронике и может быть применено в конструкциях мощных ВЧ- и СВЧ-полупроводниковых приборов.

Известна мощная ВЧ- и СВЧ-транзисторная структура, в которой на полупроводниковой подложке размещены коллекторная, базовая и эмиттерная области, соединенные с соответствующими им электродами корпуса, причем эмиттерная область фрагментирована с целью компенсации эффекта оттеснения тока к периферии эмиттера [Колесников В.Г. и др. Кремниевые планарные транзисторы / Под ред. Я.А. Федотова. - Москва: Сов. радио, 1973. - С. 98].

Недостатком такой транзисторной структуры является сильная локальная и общая положительная токотермическая обратная связь [Колесников В.Г. и др. Кремниевые планарные транзисторы / Под ред. Я.А. Федотова. - Москва: Сов. радио, 1973. - С. 287; 2, С. 98], вызванные отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) полупроводника в рабочем диапазоне температур и приводящие соответственно к неравномерному распределению мощности по активным областям транзисторной структуры [Колесников В.Г. и др. Кремниевые планарные транзисторы / Под ред. Я.А. Федотова. - Москва: Сов. радио, 1973. - С. 285] и термической неустойчивости, в свою очередь обуславливающим снижение максимальной выходной мощности P_1макс, определяемой периметром эмиттера [Колесников В.Г. и др. Кремниевые планарные транзисторы / Под ред. Я.А. Федотова. - Москва: Сов. радио, 1973. - С. 105], и отказоустойчивости транзисторной структуры.

В другой транзисторной структуре между металлизацией области эмиттера и площадкой для присоединения эмиттерного проводника сформирован балластный резистор [Проектирование и технология производства мощных СВЧ-транзисторов / В.И. Никишин, Б.К. Петров, В.Ф. Сыноров и др. - Москва: Радио и связь, 1989. - С. 106]. Наличие балластного резистора, включенного последовательно в цепь эмиттера транзисторной структуры, позволяет уменьшить положительную токотермическую обратную связь транзисторной структуры в целом за счет увеличения ее общего входного сопротивления R_вх1, а при выполнении балластного резистора из металла - дополнительно за счет положительного ТКС резистора, частично компенсирующего отрицательный ТКС полупроводника, а также локальную положительную токотермическую обратную связь отдельных участков транзисторной структуры и тем самым, за счет предотвращения эффекта шнурования тока, повысить выходную максимальную мощность Р_1макс и отказоустойчивость транзисторной структуры.

Недостатком такой транзисторной структуры является ее неравномерный разогрев из-за более интенсивного отвода тепла от периферии транзисторной структуры по сравнению с ее центром [Колесников В.Г. и др. Кремниевые планарные транзисторы / Под ред. Я.А. Федотова. - Москва: Сов. радио, 1973. - С. 293; 2, С. 107], что приводит к недостижению предельного значения Р_1пред максимальной выходной мощности P_1макс, определяемого периметром эмиттера транзисторной структуры [Колесников В.Г. и др. Кремниевые планарные транзисторы / Под ред. Я.А. Федотова. - Москва: Сов. радио, 1973. - С. 105], и не исключает ее полного отказа при превышении рабочей температуры предельно допустимого значения T_макс, определяемого температурой плавления материала подложки или материала контактной металлизации.

Наиболее близкой по совокупности признаков является транзисторная структура, в которой балластный резистор разделен на изолированные участки различной конфигурации [Патент №2216071 Российская Федерация, МПК H01L 29/70 (2000.01). Мощная СВЧ-транзисторная структура: №2002130080: заявл. 10.11.2002: опубл. 10.11.2003 / Петров Б.К., Булгаков О.М.; заявитель ВГУ. - 5 с.: ил. - Текст: непосредственный], что обеспечивает, за счет реализации различных сопротивлений r_БРi участков балластного резистора, уменьшение тока, подводимого к фрагментам или группам фрагментов области эмиттера с худшими условиями отвода тепла, по сравнению с участками с лучшими условиями отвода тепла и позволяет повысить равномерность разогрева транзисторной структуры и за счет этого увеличить Р₁.

Недостатком такой транзисторной структуры является ее неустойчивость к полному отказу вследствие превышения температурой ее отдельных участков значения T_макс, определяемого температурой плавления материала подложки или материала контактной металлизации, при увеличении выделяемой транзисторной структурой тепловой мощности Р_T, вызванном отклонением параметров режима усиления (напряжения питания, входной мощности, коэффициента стоячей волны в нагрузке и т.п.) от оптимальных значений, что снижает ее отказоустойчивость.

Заявляемое изобретение предназначено для перераспределения выделяемой отдельными участками активной области транзисторной структуры тепловой мощности при повышении температуры отдельных участков до критических значений за счет увеличения сопротивлений отдельных участков балластного резистора r_БРi и общего сопротивления балластного резистора r_БР при увеличении до критических значений температуры соединенных непосредственно с ними участков активной области транзисторной структуры, и при его осуществлении может быть повышена отказоустойчивость транзисторной структуры.

Вышеуказанная задача решается тем, что в известной мощной ВЧ- и СВЧ-транзисторной структуре, содержащей сформированные в полупроводниковой подложке области коллектора, базы и эмиттера с минимальным расстоянием А между центрами фрагментов области эмиттера, контактную металлизацию и балластный резистор, разделенный на изолированные участки, соединенные одним краем с контактной металлизацией эмиттера, а противоположным краем с металлизацией площадки для присоединения эмиттерного проводника, при этом расстояние между краями смежных участков в местах контактов с металлизацией области эмиттера не превышает Δ/3, согласно изобретению, хотя бы один участок балластного резистора содержит n≥2 слоев, причем материалы слоев имеют разные удельные сопротивления и температуры плавления и удовлетворяют условию:

где ρ_n и Т_n - удельное сопротивление и температура плавления материала слоя участка резистора в порядке возрастания номера слоя от верхнего к нижнему по отношению к полупроводниковой подложке, T_П - температура плавления полупроводника.

Получаемый при осуществлении изобретения технический результат, а именно повышение отказоустойчивости транзисторной структуры, достигается за счет того, что наличие многослойного (n≥2) секционированного балластного резистора из материалов с различными удельными сопротивлениями ρ_n и температурами плавления T_n приводит к повышению сопротивления отдельных его участков r_БРi (i=1, …, N; N - количество изолированных участков балластного резистора) по мере превышения температуры контактирующих с этими участками активных областей значений T₁, затем Т₂ и т.д., при изменении параметров режима усиления, и, как следствие, уменьшению тока, протекающего через участки балластного резистора с увеличившимся сопротивлением и снижению тепловой мощности, выделяемой участками транзисторной структуры, контактирующими с такими участками балластного резистора. Увеличение сопротивления участков многослойного балластного резистора по мере увеличения его температуры происходит за счет испарения контактирующих с перегретыми участками активных областей транзисторной структуры участков верхних по отношению к подложке слоев резистора при достижении их температурой температуры плавления материала слоя Т_n. При этом часть величины P_Т и P₁, на которую произошло снижение выделяемой перегретыми участками активных областей транзисторной структуры тепловой и электрической мощности, перераспределяется между другими участками активных областей транзисторной структуры. Увеличение сопротивлений r_BPi приводит к увеличению сопротивления r_БР балластного резистора в целом и входного сопротивления R_вх1 транзисторной структуры [Проектирование и технология производства мощных СВЧ-транзисторов / В.И. Никишин, Б.К. Петров, В.Ф. Сыноров и др. - Москва: Радио и связь, 1989. - С. 15, 18, 36, 38], что обеспечивает дополнительное снижение Р_Т и P₁ и предотвращает отказ транзисторной структуры.

На фиг. 1 изображен вариант реализации заявляемой мощной ВЧ- и СВЧ-транзисторной структуры, вид сверху, на фиг. 2 изображен вариант реализации заявляемой мощной ВЧ- и СВЧ-транзисторной структуры с двухслойным секционированным балластным резистором, вид сбоку, где 1 - полупроводниковая подложка; 2 - область базы; 3 - область эмиттера; 4 -металлизация эмиттера; 5 - металлизация площадки для присоединения эмиттерного проводника; 6 - эмиттерный проводник; 7 - балластный резистор; 8 - металлизация области базы; 9 - металлизация площадки для присоединения базового проводника; 10 - базовый проводник; 11 - изолирующий окисел.

Мощная ВЧ- и СВЧ-транзисторная структура размещена на полупроводниковой подложке 1, являющейся в данном примере областью коллектора. В пределах области базы 2 размещены фрагменты области эмиттера 3, контактирующие с металлизацией эмиттера 4. Между металлизацией 4 и металлизацией 5 площадки для присоединения эмиттерного проводника 6 расположен разделенный на участки 7 балластный резистор, противоположные стороны которого контактируют с металлизацией 4 и 5. На фиг. 1 также показана металлизация 8 области базы, через которую осуществляется контакт области 2 с металлизацией 9 площадки для присоединения базового проводника 10. Резистор 7 является многослойным с числом слоев n≥2. Расстояние между смежными краями контактов соседних участков резистора 7 с металлизацией 4 не превышает трети расстояния между центрами областей эмиттера 3, что обеспечивает включение всех без исключения областей 3 в схему каскада через металлизацию 4, участки балластного резистора 7, металлизацию 5, проводник 6 и далее через соответствующий электрод корпуса транзистора даже в случае фрагментации металлизации 4 в месте контактов с участками 7 (фиг. 1). Так как конфигурация области эмиттера должна обеспечивать максимальное отношение периметра эмиттера к площади базы [Колесников В.Г. и др. Кремниевые планарные транзисторы / Под ред. Я.А. Федотова. - Москва: Сов. радио, 1973. - С. 105; 2, С. 83], т.е. максимальную плотность размещения областей 3 в пределах области 2, расстояние Δ определяется разрешением литографического процесса - минимальным расстоянием а между двумя ближайшими параллельными линиями структуры. На фиг. 1 металлизации областей эмиттера и базы представляют собой две встречнонаправленных вложенных одна в другую гребенки. Штыри (фрагменты) гребенок контактируют через окна в защитном окисле с областями базы и эмиттера. Величина Δ складывается из удвоенного расстояния от центра области 3 до края контактного окна (2⋅σ/2=σ), удвоенного расстояния от края контактного окна до края фрагмента металлизации 4 (2⋅σ=2σ), удвоенного расстояния от края фрагмента металлизации 4 до края фрагмента металлизации 8 (2σ) и ширины фрагмента металлизации 8, равной удвоенному расстоянию от края фрагмента до края контактного окна и ширине контактного окна, т.е. 3σ. Таким образом, Δ=8σ, а минимальная ширина фрагмента металлизации 4 в месте контакта с участками балластного резистора 7, как и ширина металлизации 8, равна 3σ. Очевидно, во избежание пропуска контакта участков 7 с металлизацией 4, расстояние между краями смежных участков 7 в местах контактов с металлизацией 4 должно быть меньше ширины фрагмента металлизации, т.е. 3σ. Выразив это расстояние через Δ, как более общий конструктивный параметр по сравнению с σ, получим 3Δ/8, а с небольшим запасом для обеспечения перекрытия участков 7 с металлизацией 4-Δ/3.

При работе мощной ВЧ- и СВЧ-транзисторной структуры, вариант реализации которой показан на фиг. 1, в составе транзистора в схеме каскада усиления мощности наличие многослойного (n≥2) секционированного балластного резистора позволяет уменьшить выделение мощности участками активной области транзисторной структуры при отклонении параметров режима усиления от оптимальных за счет увеличения сопротивления контактирующих с ними отдельных участков балластного резистора. Оптимальный подбор конструктивных параметров (материал, количество и геометрические размеры слоев и участков) и внешних управляющих напряжений обеспечивает достижение оптимального набора энергетических параметров: выходной мощности Р₁, коэффициента усиления по мощности K_р, КПД коллекторной цепи η за счет реализации некоторого оптимального распределения тепловой мощности P_T по всем участкам транзисторной структуры.

В процессе работы мощной ВЧ- и СВЧ-транзисторной структуры эмиттерный ток распределяется по сечению и ширине балластного резистора неравномерно. По ширине балластного резистора больший ток протекает по крайним участкам, контактирующим с участками активной области с лучшими условиями отвода тепла. По поперечному сечению каждого участка больший ток протекает по верхнему слою с меньшим удельным сопротивлением. По мере увеличения температуры активных областей, вызванном повышением выделяемой тепловой мощности вследствие отклонения параметров режима усиления от оптимальных значений, сначала происходит линейное увеличение сопротивлений участков балластного резистора r_БРi за счет положительного ТКС материала. При достижении температурой отдельных участков области 2 и контактирующих с ними участков 7 значений, превышающих температуру плавления Т₁ первого слоя участка, происходит испарение этого слоя, уменьшение площади поперечного сечения участка балластного резистора и, как следствие, скачкообразное увеличение его сопротивления r_БРi. Увеличение сопротивления r_БРi участка балластного резистора, подключенного к отдельному участку активной области транзисторной структуры, приводит к уменьшению тепловой мощности, выделяемой этим участком активной области, и ее перераспределению по остальным участкам активной области транзисторной структуры. В итоге максимальная и средняя температуры области 2 понижаются, что повышает термическую устойчивость и отказоустойчивость транзисторной структуры.

Наличие в транзисторной структуре многослойного секционированного балластного резистора приводит к повышению термической устойчивости транзисторной структуры и ее отказоустойчивости. Поскольку увеличение сопротивлений r_БРi и r_БР не связано с увеличением площади балластного резистора, и, как следствие его емкости, входящей в состав паразитной проходной емкости коллектор-эмиттер [Проектирование и технология производства мощных СВЧ-транзисторов / В.И. Никишин, Б.К. Петров, В.Ф. Сыноров и др. - Москва: Радио и связь, 1989. - С. 109], повышение отказоустойчивости не приводит к заметному (>10%) снижению коэффициента усиления по мощности транзисторной структуры на основной рабочей частоте.

Пример. На фиг. 2 изображен вариант реализации заявляемой мощной ВЧ- и СВЧ-транзисторной структуры с двухслойным секционированным балластным резистором, вид сбоку. Балластный резистор шириной 500 мкм и длинной 40 мкм располагается на изолирующем окисле 11. Толщины верхнего и нижнего слоев равны 0,089 мкм. Верхний слой балластного резистора изготовлен из висмута с удельным объемным сопротивлением ρ=1,068⋅10^-6 Ом⋅м (при 20°С) и температурой плавления 271°С (при 760 мм. рт.ст.) [Чиркин В.С. Теплофизические свойства материалов / В.С. Чиркин. - Москва: гос. из-во физмат, литературы, 1959. - С. 187]. Нижний слой изготовлен из более тугоплавкого, чем висмут, нихрома марки Х15Н60 с удельным сопротивлением ρ=1,16⋅10^-6 Ом⋅м (при 20°С) и температурой плавления 1410°С [Бабаков А.А. и др. Материалы в машиностроении. Справочник в пяти томах. Выбор и применение. Том 3. Специальные стали и сплавы / Под ред. Ф.Ф. Химушина. - Москва: Машиностроение, 1968. - С. 307, 308]. При указанных размерах слоев и удельных объемных сопротивлениях верхний и нижний слои резистора обладают удельными поверхностными сопротивлениями в 12 (Ом на квадрат, то есть сопротивление на единицу площади поверхности) и 13,034 соответственно. Балластный резистор имеет типовое для биполярных транзисторов значение сопротивления в r_БР=0,5 Ом, что соответствует удельному поверхностному сопротивлению в 6,25 При испарении верхнего слоя сопротивление r_БРi участка балластного резистора увеличивается в 2,085 раза, что приводит к снижению на 30-40% входной мощности участка активной области транзисторной структуры, контактирующего с данным участком балластного резистора, и на 35-50% величины его выходной мощности Р₁ и выделяемой им тепловой мощности [Проектирование и технология производства мощных СВЧ-транзисторов / В.И. Никишин, Б.К. Петров, В.Ф. Сыноров и др. - Москва: Радио и связь, 1989. - С. 15, 18, 36, 38]. При количестве участков балластного резистора N=10 значение r_БР, в зависимости от значения r_БРi, увеличится на 10-15%, что приведет к уменьшению выходной мощности Р₁ транзисторной структуры не более, чем на 4-7%.

Установлено, что проводимость тонких пленок материалов для полупроводниковых приборов появляется при их толщине, превышающей некоторое критическое значение d_кр, когда отдельные кристаллы срастаются и пленка становится сплошной, а пропорциональность отношения удельного объемного сопротивления материала пленки к ее толщине выполняется при толщинах по порядку величины больших 100 что вероятнее всего обусловлено повышением однородности пленки [Гимпельсон В.Д., Радионов Ю.А. Тонкопленочные микросхемы для приборостроения и вычислительной техники / В.Д. Гимпельсон, Ю.А. Радионов. - Москва: Машиностроение, 1976. - С. 18; Парфенов О.Д. Технология микросхем / О.Д. Парфенов. - Москва: Высшая школа, 1977. - С. 145]. По мере увеличения толщины пленки влияние размерных эффектов и дефектов структуры пленки становится меньше, удельное сопротивление уменьшается и приближается к значениям массивных образцов, оставаясь несколько более высоким. При толщине пленки свыше 600-700 Å удельное объемное сопротивление материала приобретает стабильное значение. Таким образом, при указанных толщинах слоев двухслойный резистор обладает стабильными характеристиками и их хорошей воспроизводимостью.

Литература

1. Колесников В.Г. и др. Кремниевые планарные транзисторы / Под ред. Я.А. Федотова. - Москва: Сов. радио, 1973. - 336 с.

2. Проектирование и технология производства мощных СВЧ-транзисторов / В.И. Никишин, Б.К. Петров, В.Ф. Сыноров и др. - Москва: Радио и связь, 1989. - 144 с.

3. Патент №2216071 Российская Федерация, МПК H01L 29/70 (2000.01). Мощная СВЧ-транзисторная структура: №2002130080: заявл. 10.11.2002: опубл. 10.11.2003 / Петров Б.К., Булгаков О.М.; заявитель ВГУ. - 5 с.: ил. - Текст: непосредственный.

4. Чиркин В.С. Теплофизические свойства материалов / В.С.Чиркин. - Москва: гос. из-во физмат, литературы, 1959. - 356 с.

5. Бабаков А.А. и др. Материалы в машиностроении. Справочник в пяти томах. Выбор и применение. Том 3. Специальные стали и сплавы / Под ред. Ф.Ф. Химушина. - Москва: Машиностроение, 1968. - 448 с.

6. Гимпельсон В.Д., Радионов Ю.А. Тонкопленочные микросхемы для приборостроения и вычислительной техники / В.Д. Гимпельсон, Ю.А. Радионов. - Москва: Машиностроение, 1976. - 328 с.

7. Парфенов О.Д. Технология микросхем / О.Д. Парфенов. - Москва: Высшая школа, 1977. - 256 с.

Использование: полупроводниковая электроника. Сущность изобретения: мощная ВЧ- и СВЧ-транзисторная структура содержит области коллектора, эмиттера и базы, контактную металлизацию и балластный резистор, разделенный на участки, соединенные одним краем с контактной металлизацией эмиттера, а другим краем с контактной площадкой для присоединения эмиттерного вывода. Балластный резистор является многослойным, материалы слоев имеют разные удельные сопротивления и температуры плавления, возрастающие от верхнего слоя к нижнему по отношению к полупроводниковой подложке. Техническим результатом изобретения является повышение отказоустойчивости транзисторной структуры за счет повышения ее устойчивости к увеличению температуры участков активной области структуры вследствие отклонения характеристик режима усиления от штатных значений, например, при рассогласовании оконечного каскада усилителя мощности с нагрузкой. При достижении температурой критического значения изобретение обеспечивает уменьшение выделяемой участками активной области транзисторной структуры мощности за счет скачкообразного увеличения сопротивления наиболее разогретых участков балластного резистора вследствие испарения их верхних слоев и входного сопротивления структуры в целом. 2 ил.

Мощная ВЧ- и СВЧ-транзисторная структура, содержащая сформированные в полупроводниковой подложке области коллектора, базы и эмиттера с минимальным расстоянием А между центрами фрагментов области эмиттера, контактную металлизацию и балластный резистор, разделенный на изолированные участки, соединенные одним краем с контактной металлизацией эмиттера, а противоположным краем с металлизацией площадки для присоединения эмиттерного проводника, при этом расстояние между краями смежных участков в местах контактов с металлизацией области эмиттера не превышает Δ/3, отличающаяся тем, что хотя бы один участок балластного резистора содержит n≥2 слоев, причем материалы слоев имеют разные удельные сопротивления и температуры плавления и удовлетворяют условию: ρ₁<ρ₂<ρ_n, Т₁<Т₂<T_n<T_П, где ρ_n и T_n - удельное сопротивление и температура плавления материала слоя участка резистора в порядке возрастания номера слоя от верхнего к нижнему по отношению к полупроводниковой подложке, T_П - температура плавления полупроводника.