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

Из авторского свидетельства [А. с. №1766220 СССР, МПК H01L 29/73 (1990.01). Мощная ВЧ и СВЧ транзисторная структура: №4833200/25: заявл. 30.05.1990: опубл. 15.11.1994 / Петров Б.К., Булгаков О.М., Безрядина Г.В., Кочетков А.И., Колесникова Л.И.: заявитель ВГУ. - 3 с.: ил. - Текст: непосредственный] известна мощная ВЧ- и СВЧ-транзисторная структура, содержащая полупроводниковую подложку с коллекторными и базовыми областями, в пределах каждой из базовых областей размещены расположенные в ряд эмиттерные области, сформированные в виде непрерывных или имеющих посередине разрывы полосок, включающие области контактов с металлизацией. Последовательно с эмиттерными областями в разрывах эмиттерной металлизации включены балластные резисторы. С целью увеличения выходной мощности, коэффициента усиления по мощности и КПД транзисторной структуры за счет повышения равномерности тепловыделения, области контактов с металлизацией каждой эмиттерной полоски расположены на противоположных по длине полоски краях, а поверхностное сопротивление R_s полосок удовлетворяет определенному условию.

Данное изобретение позволяет повысить отказоустойчивость за счет повышения равномерности тепловыделения в пределах каждой эмиттерной области, однако в пределах всей транзисторной структуры расположение эмиттерных областей характеризуется пространственной неоднородностью. Эмиттерные области, расположенные в центре ряда, обладают худшими условиями отвода тепла по сравнению с областями, расположенными на периферии, что приводит к наличию градиента температуры, растущей с увеличением выделяемой тепловой мощности вследствие отклонения параметров режима усиления (напряжения питания, уровня входной мощности, коэффициента стоячей волны в нагрузке и т.д.) от оптимальных значений, и не исключает частичного или полного отказа транзисторной структуры при превышении рабочей температурой наиболее разогретых областей предельно допустимого значения Т_макс, определяемого температурой плавления материала подложки или материала контактной металлизации, т.е. снижает отказоустойчивость транзисторной структуры.

В другой мощной ВЧ- и СВЧ-транзисторной структуре [Патент №2229184 Российская Федерация, МПК H01L 29/72 (2000.01). Мощная СВЧ-транзисторная структура: №2003101817/28: заявл. 22.01.2003: опубл. 20.05.2004 / Булгаков О.М., Петров Б.К.: заявитель ВГУ. - 6 с.: ил. - Текст: непосредственный], содержащей области коллектора, базы и эмиттера и балластный резистор с некоторым положительным температурным коэффициентом сопротивления α₀, контактирующий одной стороной с металлизацией области эмиттера, а противоположной стороной контактирующий с металлизацией площадки для присоединения эмиттерного проводника, при этом балластный резистор включает в себя по меньшей мере один фрагмент с температурным коэффициентом сопротивления α*≠α₀, такой, что для любых двух участков резистора одинаковой ширины, по меньшей мере один из которых полностью или частично включает в себя фрагмент с α*, выполняется соотношение α₁(T₁)>α₂(T₂), где α₁, α₂ - температурные коэффициенты сопротивления участков при соответствующих средних температурах участков T₁, Т₂ в диапазоне рабочих температур транзисторной структуры, причем T₁>T₂.

Данное изобретение позволяет повысить отказоустойчивость транзисторной структуры за счет перераспределения выделяемой тепловой мощности при изменении теплового баланса в пределах активной области транзисторной структуры, однако отсутствие ограничений на температуру плавления материала фрагментов резистора не исключает частичного или полного отказа транзисторной структуры при превышении рабочей температурой наиболее разогретых областей температуры плавления материала фрагментов резистора, вызванного увеличением выделяемой тепловой мощности вследствие отклонения параметров режима усиления (напряжения питания, уровня входной мощности, коэффициента стоячей волны в нагрузке и т.д.) от оптимальных значений. При превышении рабочей температурой активных областей температуры плавления материала фрагментов может произойти их испарение, влекущее за собой увеличение сопротивления отдельных участков резистора и, как следствие, перераспределение мощности между участками транзисторной структуры. Повышение мощности отдельных участков приведет к увеличению выделяемой тепловой мощности и рабочей температуры и при ее значениях выше предельно допустимого значения T_макс, определяемого температурой плавления материала подложки или материала контактной металлизации, может произойти отказ транзисторной структуры.

Наиболее близкой по совокупности признаков является транзисторная структура, в которой 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 максимальную выходную 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; Проектирование и технология производства мощных СВЧ-транзисторов. / В.И. Никишин, Б.К. Петров, В.Ф. Сыноров и др. - Москва: Радио и связь, 1989. - 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; Проектирование и технология производства мощных СВЧ-транзисторов. / В.И. Никишин, Б.К. Петров, В.Ф. Сыноров и др. - Москва: Радио и связь, 1989. - С. 83], и не исключает ее полного отказа при превышении рабочей температурой предельно допустимого значения Т_макс, определяемого температурой плавления материала подложки или материала контактной металлизации.

Заявляемое изобретение предназначено для предотвращения перегрева транзисторной структуры при отклонении параметров режима усиления (напряжения питания, уровня входной мощности, коэффициента стоячей волны в нагрузке и т.д.) от оптимальных значений за счет уменьшения уровня выделяемой активными областями тепловой мощности вследствие увеличения сопротивления участков балластного резистора, контактирующих с наиболее подверженными перегреву участками транзисторной структуры, и в целом сопротивления балластного резистора r_БР и входного сопротивления транзисторной структуры R_BX1, при превышении рабочей температурой некоторого критического значения T_макс, предшествующего полному отказу транзисторной структуры, и при его осуществлении может быть повышена отказоустойчивость транзисторной структуры.

Вышеуказанная задача решается тем, что в известной мощной ВЧ- СВЧ-транзисторной структуре, содержащей сформированные в полупроводниковой подложке области коллектора, эмиттера и базы, контактную металлизацию и балластный резистор, соединенный одним краем с контактной металлизацией эмиттера, а другим краем с контактной площадкой для присоединения эмиттерного вывода, согласно изобретению, балластный резистор 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 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 нескольких слоев балластного резистора n≥2 из материалов с различными удельными сопротивлениями ρ_n и температурами плавления Т_n приводит к повышению его сопротивления r_БР по мере превышения температуры контактирующих с ним активных областей значений T₁, затем Т₂ и т.д. при изменении параметров режима усиления и, как следствие, снижению выделяемой транзисторной структурой тепловой мощности. Увеличение сопротивления участков многослойного балластного резистора по мере увеличения его температуры происходит за счет испарения контактирующих с перегретыми активными областями участков верхних по отношению к подложке слоев резистора при достижении их температурой температуры плавления материала слоя Т_n.

На фиг. 1 изображен вариант реализации заявляемой мощной ВЧ- и СВЧ-транзисторной структуры, вид сверху, на фиг. 2 представлен вариант реализации заявляемой мощной ВЧ- и СВЧ-транзисторной структуры с двухслойным 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 (фиг. 1) 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 балластный резистор 7, противоположные стороны которого контактируют с металлизацией 4 и 5. Резистор 7 является многослойным с числом слоев n≥2. На фиг. 1 также показана металлизация 8 области базы, через которую осуществляется контакт области 2 с металлизацией 9 площадки для присоединения базового проводника 10.

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) балластного резистора позволяет уменьшить выделение мощности активной областью транзисторной структуры при отклонении параметров режима усиления от оптимальных за счет увеличения сопротивления балластного резистора r_БР. Оптимальный подбор конструктивных параметров (материал, количество и геометрические размеры слоев) и внешних управляющих напряжений обеспечивает достижение оптимального набора энергетических параметров: выходной мощности Р₁, коэффициента усиления по мощности K_Р, КПД коллекторной цепи η_k за счет реализации некоторого оптимального распределения тепловой мощности Р_k по всем транзисторным структурам.

В процессе работы мощной ВЧ- и СВЧ-транзисторной структуры эмиттерный ток распределяется по сечению балластного резистора неравномерно, большая его часть протекает по слою с меньшим удельным сопротивлением. При повышении температуры активных областей транзисторной структуры, вызванном увеличением выделяемой тепловой мощности вследствие отклонения параметров режима усиления (напряжения питания, уровня входной мощности, коэффициента стоячей волны в нагрузке и т.д.) от оптимальных значений, сначала происходит линейный рост сопротивления балластного резистора за счет положительного ТКС материалов слоев. По мере достижения температурой Т области 2 транзисторной структуры и контактирующей с ней области металлизации 7 значения, превышающего температуру плавления первого слоя T₁, происходит испарение этого слоя, или, по меньшей мере, его части, непосредственно контактирующей с участком транзисторной структуры, нагретого до температуры Т≥T₁, уменьшение площади поперечного сечения балластного резистора и, как следствие, скачкообразное увеличение его сопротивления. Увеличение сопротивления балластного резистора транзисторной структуры приводит к уменьшению поступающей на ее вход мощности Р_вх1 и ее коэффициента усиления по мощности К_УР [Проектирование и технология производства мощных СВЧ-транзисторов. / В.И. Никишин, Б.К. Петров, В.Ф. Сынорови др. - Москва: Радио и связь, 1989. - С. 15, 18, 36,38], а при наличии нескольких транзисторных структур на общем транзисторном кристалле [Колесников В.Г. и др. Кремниевые планарные транзисторы / Под ред. Я.А. Федотова. - Москва: Сов. радио, 1973. - С. 238] - дополнительно к частичному перераспределению Р_вх1 по остальным транзисторным структурам. Как следствие, уменьшается выходная мощность Р₁ транзисторной структуры и выделяемая ее активными областями тепловая мощность, что в итоге приводит к снижению рабочей температуры Т области 2 и выполнению условия Т≤Т_макс, тем самым - предотвращению полного отказа транзисторной структуры, т.е. повышению ее отказоустойчивости.

Наличие в транзисторной структуре многослойного балластного резистора приводит к повышению термической устойчивости транзисторной структуры и ее отказоустойчивости. Поскольку увеличение сопротивления балластного резистора не связано с увеличением его площади, 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 (>20%) 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 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 ρ₁=1,068⋅10^-6 Ом⋅м (при 20°С) и температурой плавления T₁=271°С (при 760 мм.рт.ст.) [Чиркин B.C. Теплофизические свойства материалов / B.C. Чиркин. - Москва: гос. из-во физмат, литературы, 1959. - С. 187]. Нижний слой изготовлен из более тугоплавкого, чем висмут, нихрома марки Х15Н60 с удельным сопротивлением ρ₂=1,16⋅10^-6 Ом⋅м (при 20°°С) и температурой плавления Т₂=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 балластный резистор имеет типовое для биполярных транзисторов значение сопротивления r_БР=0,5 Ом.

При превышении рабочей температурой Т активных областей транзисторной структуры температуры плавления верхнего слоя Т₁ и ее дальнейшем повышении происходит испарение слоя висмута, и сопротивление балластного резистора повышается до значения r_БР=1,04 Ом. При размере базовой области кремниевой транзисторной структуры 500×75 мкм² и типовых значениях физических параметров ее конструктивных элементов входное сопротивление транзисторной структуры повысится на 30-40%, что приведет к снижению, как минимум, на такую же величину значения входной мощности Р_вх1 и на 35-50% величины выходной мощности Р₁ транзисторной структуры и выделяемой ей тепловой мощности и предотвращению полного отказа транзисторной структуры.

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 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. А.с. №1766220 СССР, МПК H01L 29/73 (1990.01). Мощная ВЧ и СВЧ транзисторная структура: №4833200/25: заявл. 30.05.1990: опубл. 15.11.1994 / Петров Б.К., Булгаков О.М., Безрядина Г.В., Кочетков А.И., Колесникова Л.И.: заявитель ВГУ. - 3 с.: ил. - Текст: непосредственный.

4. Патент №2229184 Российская Федерация, МПК H01L 29/72 (2000.01). Мощная СВЧ-транзисторная структура: №2003101817/28: заявл. 22.01.2003: опубл. 20.05.2004 / Булгаков О.М., Петров Б.К.: заявитель ВГУ. - 6 с.: ил. - Текст: непосредственный.

5. Чиркин B.C. Теплофизические свойства материалов / B.C. Чиркин. - Москва: гос. из-во физмат, литературы, 1959. - 356 с.

6. 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.

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

8. 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, соединенный 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 активных областей структуры вследствие отклонения характеристик режима усиления от штатных значений, например при рассогласовании оконечного каскада усилителя мощности с нагрузкой. При превышении температурой некоторого критического значения изобретение обеспечивает уменьшение выделяемой активными областями мощности за счет скачкообразного увеличения сопротивления балластного резистора вследствие испарения его верхнего слоя и входного сопротивления структуры в целом. 2 ил.

Мощная ВЧ- и СВЧ-транзисторная структура, содержащая сформированные в полупроводниковой подложке области коллектора, эмиттера и базы, контактную металлизацию и балластный резистор, соединенный одним краем с контактной металлизацией эмиттера, а другим краем - с контактной площадкой для присоединения эмиттерного вывода, отличающаяся тем, что балластный резистор содержит n≥2 слоев, причем материалы слоев имеют разные удельные сопротивления и температуры плавления и удовлетворяют условию: ρ₁<ρ₂<ρ_n, Т₁<Т₂<Т_n<Т_П, где ρ_n и T_П - удельное сопротивление и температура плавления материала слоя резистора в порядке возрастания номера слоя от верхнего к нижнему по отношению к полупроводниковой подложке, T_П - температура плавления полупроводника.