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.

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 максимальную выходную мощность P_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 температуры предельно допустимого значения Т_макс, определяемого температурой плавления материала подложки или материала контактной металлизации.

Наиболее близкой по совокупности признаков является мощная ВЧ и СВЧ транзисторная структура [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], содержащая 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 и 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 расплавление материала, влекущее за собой его растекание, что может привести к короткому замыканию между конструктивными элементами транзистора (между металлизациями эмиттерных и базовых областей, между металлизациями площадок для присоединения проволочных проводников и металлизацией эмиттерной области и т.п.), т.е. к отказу транзисторной структуры.

Заявляемое изобретение предназначено для предотвращения частичного или полного отказа транзисторной структуры при повышении температуры активных областей из-за увеличения тепловой мощности вследствие отклонения параметров режима усиления (напряжения питания, уровня входной мощности, коэффициента стоячей волны в нагрузке и т.д.) от оптимальных значений за счет наложения ограничения на температуры плавления материалов балластного резистора и его фрагментов в зависимости от соотношения их ТКС и при его осуществлении может быть повышена отказоустойчивость транзисторной структуры.

Вышеуказанная задача решается тем, что в известной мощной ВЧ- и СВЧ-транзисторной структуре, 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, а также содержащий 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*, согласно изобретению, температурные коэффициенты сопротивления материалов резистора и фрагментов и их температуры плавления удовлетворяют условию

где α* и α₀ - температурные коэффициенты сопротивления материалов фрагментов и балластного резистора соответственно, T_пл* и T_пл0 - температуры плавления материалов фрагментов и балластного резистора соответственно.

Получаемый при осуществлении изобретения технический результат, а именно повышение отказоустойчивости транзисторной структуры, достигается за счет того, что ограничение на температуры плавления материалов резистора и его фрагментов, удовлетворяющих условию (1), исключает расплавление материала фрагмента при повышении температуры активных областей, контактирующих с участками балластного резистора с фрагментами, вызванном увеличением тепловой мощности вследствие отклонения параметров режима усиления (напряжения питания, уровня входной мощности, коэффициента стоячей волны в нагрузке и т.д.) от оптимальных значений. Использование материала фрагментов с ТКС отличным от ТКС балластного резистора при повышении температуры приведет к перераспределению мощности в сторону ее увеличения для активных областей с лучшими условиями отвода тепла (на краях). В результате повышения мощности будет повышаться температура этих областей, что обуславливает необходимость применения для них материала с большей температурой плавления. Таким образом за счет выполнения условия (1) будет повышена отказоустойчивость транзисторной структуры.

На фиг. 1, 2 изображены варианты реализации заявляемой мощной ВЧ- и СВЧ-транзисторной структуры, вид сверху. В транзисторной структуре, показанной на фиг. 1, ТКС резистора α₀ меньше ТКС фрагментов α_*; на фиг. 2 изображена транзисторная структура, у которой ТКС резистора α₀ больше ТКС фрагментов α_*. Обозначения элементов конструкции транзисторной структуры на фиг. 1 и 2 продублированы.

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 балластный резистор 7, противоположные стороны которого контактируют с металлизацией 4 и 5. В резисторе 7 имеются фрагменты 8 с ТКС α_*, отличным от ТКС резистора. На фиг. 1, 2 также показана металлизация 9 области базы, через которую осуществляется контакт области 2 с металлизацией 10 площадки для присоединения базового проводника 11. Участки резистора шириной h, содержащие и не содержащие фрагмент с ТКС α*≠α₀, обозначены на фиг. 1, 2 соответственно как 12 и 13.

При работе мощной ВЧ- и СВЧ-транзисторной структуры, вариант реализации которой показан на фиг. 1, в составе транзистора в схеме каскада усиления мощности фрагменты 8 с ТКС α_*>α₀ располагаются в непосредственной близости от участков активной области с худшими условиями отвода тепла. При повышении температуры области 2 в целом из-за увеличения рассеиваемой тепловой мощности вследствие отклонения параметров режима усиления (напряжения питания, уровня входной мощности, коэффициента стоячей волны в нагрузке и т.д.) от оптимальных значений за счет положительного ТКС резистора растет его сопротивление. Рост сопротивления балластного резистора приводит к увеличению входного сопротивления транзисторной структуры R_вх1, уменьшению входного тока, снижению мощности и температуры. При относительном повышении температуры отдельных участков области 2 и контактирующих с ними участков резистора с фрагментами происходит увеличение сопротивления этих участков с ростом температуры быстрее, чем сопротивления резистора. В результате происходит перераспределение мощности: в участках области 2 с худшими условиями отвода тепла (в центре) уровень рассеиваемой тепловой мощности и температуры снижается, а в участках области 2 с лучшими условиями отвода тепла (на краях) уровень рассеиваемой тепловой мощности и температуры увеличивается, что приводит к снижению максимальной температуры и повышению равномерности разогрева области 2. В итоге даже при повышенной температуре области 2 в целом в ней отсутствуют «горячие пятна», что свидетельствует о повышенной тепловой устойчивости и отказоустойчивости транзисторной структуры, а выполнение условия (1) исключает расплавление материала резистора.

Аналогичный эффект достигается, когда фрагменты 8 с ТКС α_*<α₀ располагаются в непосредственной близости от участков активной области с лучшими условиями отвода тепла (фиг. 2). При относительном повышении температуры отдельных участков области 2 и не содержащих фрагменты их сопротивление растет медленнее, чем сопротивление резистора. В результате происходит увеличение температуры областей с лучшими условиями отвода тепла и ее уменьшение для областей с худшими условиями отвода тепла. Выполнение условия (1) исключает расплавление материала фрагментов с большей температурой плавления. В обоих случаях выполнение условия (1) повышает термическую устойчивость и отказоустойчивость транзисторной структуры.

Наличие в транзисторной структуре балластного резистора с фрагментами и выполнение условия (1) 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. В мощной ВЧ- и СВЧ-транзисторной структуре балластный резистор шириной 700 мкм, длинной 40 мкм и толщиной 0,142 мкм условно разделен по ширине на 3 части, две из которых (по краям) изготовлены из материала с меньшим ТКС и имеют ширину от обшей ширины резистора, третья (средняя) имеет ширину от общей ширины резистора. Крайние части изготовлены из хромали марки ОХ23Ю5А с удельным объемным сопротивлением ρ=1,35⋅10^-6 Ом⋅м (при 20°С), температурным коэффициентом сопротивления α=0,02⋅10^-3 °С^-1 (Материалы в приборостроении и автоматике: справочник / Под ред. Ю.М. Пятина. - 2-е изд., перераб. и доп. - Москва: Машиностроение, 1982. - С. 262, С.266), температурой плавления Т_пл=1500°С и предельной рабочей температурой T_пр=1200°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. 308, С. 305). Средняя часть изготовлена из нихрома марки Н30Х18 с удельным объемным сопротивлением ρ=0,95⋅10^-6 Ом⋅м (при 20°С), температурным коэффициентом сопротивления α=0,33⋅10^-3 °С^-1 и предельной рабочей температурой T_пр=900°С (Прецизионные сплавы: справочник / Под. ред. Б.В. Молотилова. - Москва: Металлургия, 1974. - С. 284). При указанных размерах слоев и удельных объемных сопротивлениях балластный резистор имеет типовое для биполярных транзисторов значение сопротивления r_БР=0,5 Ом.

При повышении рабочей температуры Т активных областей транзисторной структуры из-за увеличения рассеиваемой тепловой мощности вследствие отклонения параметров режима усиления (напряжения питания, уровня входной мощности, коэффициента стоячей волны в нагрузке и т.д.) от оптимальных значений за счет положительного ТКС материалов резистора его сопротивление увеличивается, причем сопротивление среднего участка за счет более высокого чем у крайних участков ТКС растет быстрее с ростом температуры. При относительном перегреве активных областей ΔТ=300°С общее сопротивление резистора станет равным r_БР=0,514 Ом, а сопротивление отдельных его частей повысится с 1,355 Ом; 1,907 Ом; 1,355 Ом до 1,363 Ом; 2,096 Ом; 1,363 Ом соответственно, что соответствует повышению неравномерности распределения сопротивления балластного резистора с 40,7% до 53,8%. Повышение неравномерности распределения сопротивления балластного резистора на фоне незначительного роста сопротивления (2,8%) приводит к перераспределению тока по активным областям транзисторной структуры в сторону его увеличения для областей с лучшими условиями отвода тепла и наоборот, снижению выделяемой тепловой мощности и, как следствие, температуры для областей с худшими условиями отвода тепла и повышению отказоустойчивости транзисторной структуры в целом.

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 Å, 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 указанной толщине балластный 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 №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. - с: ил. - Текст: непосредственный.

4. Материалы в приборостроении и автоматике: справочник / Под ред. Ю.М. Пятина. - 2-е изд., перераб. и доп. - Москва: Машиностроение, 1982. - 528 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. Прецизионные сплавы: справочник / Под. ред. Б.В. Молотилова. - Москва: Металлургия, 1974. - 447 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 содержит фрагменты с температурным коэффициентом сопротивления располагающиеся так, что при наличии градиента температуры больший ток протекает по активным областям транзисторной структуры с лучшими условиями отвода тепла, а температурные коэффициенты сопротивления материалов и их температуры плавления удовлетворяют некоторому условию. Техническим результатом изобретения является повышение отказоустойчивости транзисторной структуры за счет повышения ее максимальной рабочей температуры и устойчивости к увеличению температуры активных областей структуры вследствие отклонения параметров режима усиления (напряжения питания, уровня входной мощности, коэффициента стоячей волны в нагрузке и т.д.) от оптимальных значений за счет наложения ограничения на температуры плавления материалов балластного резистора и его фрагментов в зависимости от соотношения их ТКС. При увеличении температуры изобретение обеспечивает перераспределение выделяемой активными областями тепловой мощности в сторону ее увеличения для участков с лучшими условиями отвода тепла. 2 ил.

Мощная ВЧ- и СВЧ-транзисторная структура, содержащая 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, а также содержащий по меньшей мере один фрагмент с температурным коэффициентом сопротивления такой, что для любых двух участков резистора одинаковой ширины, по меньшей мере, один из которых полностью или частично включает в себя фрагмент с α_*, отличающаяся тем, что температурные коэффициенты сопротивления материалов резистора и фрагментов и их температуры плавления удовлетворяют условию где α_* и α₀ - температурные коэффициенты сопротивления материалов фрагментов и балластного резистора соответственно, T_пл* и T_пл0 - температуры плавления материалов фрагментов и балластного резистора соответственно.