ПЛАНАРНЫЙ ДИОД ГАННА Российский патент 2022 года по МПК H01L47/02 

Изобретение относится к микроэлектронике, конкретно к конструктивным параметрам активной области планарной структуры диода Ганна. Величина легирования носителей тока в рабочем слое равна значению, расположенному в диапазоне ~(1.-1.5)*10¹⁵ см^-3 Отношение площади катодного контакта (S_к) к анодному контакту (S_a) расположено в диапазоне ~(0.9-0.98). СВЧ генератор с планарной структурой диод Ганна, изготовленной из GaAs с данными параметрами активного слоя, в диапазоне первой гармоники может иметь К.П.Д до ~ 40% и плавно изменяющийся уровень выходной СВЧ мощности до 10%. Предлагаемое изобретение найдет широкое применение при промышленном выпуске СВЧ генераторов, используемых в военной технике, медицине, сельском хозяйстве и т.д.

Известна конструкция диода Ганна, изготовленного в работе [1], и включающая полупроводниковый активный элемент, состоящий из двух слоев высоколегированного GaAs, покрытых слоем контактного металла и являющихся катодным и анодным контактами. Между контактными слоями GaA расположен активный слой низколегированного GaAs. Одним контактом он соединен с теплоотводящим электродом корпуса диода Ганна, другим - с гибким металлическим проводником, который соединен с другим электродом корпуса диода Ганна. При подаче постоянного напряжения на диод Ганна в нем происходит образование движущихся доменов сильного поля, определяющих частоту генерации СВЧ генератора. В данном режиме (пролетный режим) частота СВЧ генерации определяется толщиной активного слоя и равна ~ 1/T, где Т есть время движения домена сильного поля от катода к аноду. Частота СВЧ перестройки и выходная СВЧ мощность СВЧ генератора невелики и определяются толщиной активного слоя.

Недостатком данной конструкции является небольшой рабочий СВЧ диапазон, малый уровень выходной СЧ мощности ограниченные пролетным режимом.

В работе [2] автор заявляет об отсутствии зависимости между рабочей СВЧ частотой и толщиной активного слоя низколегированного GaAs, что позволяет значительно увеличить как диапазон перестройки частоты СВЧ генерации, так и генерируемую выходную СВЧ мощность диода Ганна. В данном случае речь идет о так называемом режиме "Ограничения Накопления Пространственного Заряда" (ОНОЗ режим). В работе [3] обосновано требование к физическим параметрам полупроводникового материала GaAs, используемого для изготовления диодов Г анна, работающих в режиме ОНОЗ.

n=(2-20)*10⁴*L, где:

n - уровень легирования активного слоя (1/см³);

L - длина активного слоя (мк).

Диоды Ганна, изготовленные из полупроводникового GaAs материала с вышеописанными требованиями, не производятся электронной промышленностью.

В работе [4] описана конструкция диода Ганна с профилем легирования носителей тока в активном слое. Толщина активного слоя равна 80 мк. Концентрация легирования носителей тока на границах активного слоя соответственно равна минимальному (1*10¹³ см^-3) и максимальному (3*10¹³ см^-3) значениям и линейно возрастает вдоль толщины от минимального до максимального значений. Данные параметры активного слоя позволяют, при изменении напряжения питания от 26 вольт до 37 вольт, изменять частоту СВЧ генерации от 26 ГГц до 6 ГГц соответственно. Данный эффект перестройки СВЧ генерации объясняется тем, что при изменении напряжения питания соответственно изменяется длина пролетной области, тем самым изменяется частота СВЧ генерации. Преобразование энергии постоянного тока в переменный происходит в пролетной области активного слоя. При максимальном напряжении питания пролетная область максимальна и равна толщине активного слоя, что соответствует максимальному преобразованию энергии. Так как длина пролетной области максимальна, частота СВЧ генерации будет минимальна. В данном случае она равна 6 ГГц. Уменьшение рабочего напряжения приводит к уменьшению длины пролетной области в активном слое, при этом соответственно частота выходной СВЧ генерации будет увеличиваться. В данной ситуации в части активного слоя напряженность электрического поля становится меньше величины порогового электрического поля возникновения неустойчивости. Эта часть активного слоя будет выполнять роль последовательно включенного паразитного сопротивления, на котором будет рассеиваться часть энергии. Это приведет к тому, что при повышении частоты СВЧ генерации будет происходить значительное уменьшение преобразования энергии постоянного электрического поля в переменное. Физически очевидно, что отношение максимального к минимальному значений генерируемых СВЧ мощностей пропорционально отношению толщин максимальной и минимальной пролетных областей. А при учете образуемого последовательно включенного паразитного сопротивления это отношение будет еще больше.

В данном случае перепад генерируемой СВЧ мощности в указанном диапазоне частот составляет шесть и более число раз, что является существенным недостатком диодов Ганна с данным профилем легирования.

В работе [5] представлен генератор СВЧ, содержащий активный и управляющие частотой и мощностью элементы, выполненные каждый на полевом транзисторе с барьером Шотки по схеме с общим истоком. Один конец колебательной системы соединен с затвором полевого транзистора с барьером Шотки активного элемента, а другой - со стоком полевого транзистора с барьером Шотки, управляющего частотой элемента. Активный элемент подключен к соответствующим источникам посредством фильтров питания. При этом вышеупомянутая конструкция выполнена в виде интегральной схемы на одной из сторон изолирующей подложки, а на другой ее стороне выполнена металлическая пленка толщиной 5-10 мкм, в которой выполнена продольная осесимметричная щель, коротко замкнутая на одном конце. Проводник колебательной системы, соединенный с затвором полевого транзистора с барьером Шотки активного элемента, расположен перпендикулярно продольной осесимметричной щели. Исток и сток полевого транзистора с барьером Шотки, управляющего мощностью элемента, соединены с металлической пленкой посредством сквозных металлизированных отверстий в изолирующей подложке по обеим сторонам продольной осесимметричной щели на расстоянии каждый, равном четверти длины волны, как от коротко замкнутого конца продольной осесимметричной щели, так и от упомянутого проводника колебательной системы.

Недостатки выходных характеристик данного СВЧ генератора следующие:

1. небольшой диапазон СВЧ перестройки;

2. большой перепад генерируемой СВЧ мощности;

3. малый уровень выходной СВЧ мощности.

В качестве прототипа используется конструкция диода Ганна, выполненная по меза-технологии [6]. Конструктивные параметры материала GaAs, используемого при изготовлении диода Ганна следующие:

1. Значение толщины активного слоя диода Ганна расположено в диапазоне (1.0-1.8) мк.

2. Значения уровня легирования носителей тока в активном слое равномерно изменяется от (1.1-1.4)*10¹⁶ см^-3, на первой границе активного слоя, до (1.8-2.4)*10¹⁶ см^-3 на второй границе активного слоя.

СВЧ генераторы, использующие в качестве активных элементов диоды Ганна с вышеперечисленными параметрами, имеют низкий уровень коэффициента полезного действия выходной СВЧ мощности, что и является их недостатком.

Целью данного изобретения является повышение коэффициента полезного действия генерируемой СВЧ мощности (~ до 40%), при сохранении диапазона СВЧ перестройки и минимального перепада генерируемой в данном СВЧ диапазоне, СВЧ мощности.

Поставленная цель достигается одновременным выполнением следующих условий.

1. Активный, полупроводниковый элемент диода Ганна СВЧ генератора, имеет планарную конструкцию.

2. Пролетное расстояние от катодного до анодного контактов расположено в диапазоне (3-4) мкм.

3. Отношение токопроводящей области поперечного сечения катодного контакта (S_k) к соответствующей области анодного контакта (S_a) расположено в диапазоне S_k=(0.9-0.95)*S_a.

4. Значение уровня легирования носителей тока в активном (рабочем) слое расположено в диапазоне (1-1.5)*10¹⁵ см³.

На фиг. 1 приведены результаты:

- двумерного моделирования в частотном диапазоне диодов Ганна, для определения к.п.д планарной (а) и меза (b) конструкций;

- одномерного моделирования в частотном диапазоне диодов Ганна, для определения к.п.д меза (с) конструкций;

- экспериментального определения в частотном диапазоне к.п.д. диодов Ганна меза (d) конструкций.

Примечание. Сравнение характеристик (с) и (d) фиг. 1 было проведено в работе [6].

ВЫВОДЫ.

Исходя из результата сравнения характеристик (b - двумерное и с - одномерное моделирование в частотном диапазоне для определения к.п.д. диодов Ганна меза конструкций) можно видеть их хорошее соответствие. Это указывает на их адекватность. Следовательно с большой долей вероятности расчетная характеристика (а) также адекватна.

ЛИТЕРАТУРА

[1]. Пат. USA №3422289, М.К. H01K 3/26, от 1962 г.

[2]. Пат. USA №3617940, М.К. Н01В 7/14, от 02.11.1971.

[3]. Шур М., "Современные приборы на основе арсенида галлия", Изд. "МИР", 1991 г., с. 253.

[4]. Пат. USA №5256579, М. Кл. H01L 47/02, от 26.10.1993 г.

[5]. Пат. RU №2357355, МПК, Н03В 19/14 (2006.01).

[6]. Пат. SU №2456715, М.П.К., H01L 47/02, от 01.04.2011.

Изобретение найдет применение в народном хозяйстве, более конкретно в медицине, военной промышленности и т.д. Использование данного изобретения позволит значительно увеличить кпд генераторов СВЧ на диодах Ганна, что позволит расширить их функциональный диапазон. Данный положительный эффект будет получен при одновременном выполнении следующих условий: активный полупроводниковый элемент диода Ганна СВЧ генератора имеет планарную конструкцию; пролетное расстояние от катодного до анодного контактов расположено в диапазоне (3-4) мкм; отношение токопроводящей области поперечного сечения катодного контакта (S_k) к соответствующей области анодного контакта (S_a) расположено в диапазоне S_k=(0.9-0.95)*S_a; значение уровня легирования носителей тока в активном (рабочем) слое расположено в диапазоне (1-1.5)*10¹⁵ см³. 1 ил.

Полупроводниковый элемент Ганна, состоящий из последовательно соединенных подложки (N_п), активного (N_a) и контактного (N_к) слоев, металлических контактов, сформированных из металлического слоя, нанесенного на поверхность активного (N_a), отличающийся тем, что с целью повышения коэффициента полезного действия последний имеет форму планарной конструкции, причем пролетное расстояние от катодного до анодного контактов расположено в диапазоне (3-4) мкм, а отношение токопроводящей области поперечного сечения катодного контакта (S_k) к соответствующей области анодного контакта (S_a) расположено в диапазоне S_k=(0.9-0.95)*S_a, а значение уровня легирования носителей тока в активном (рабочем) слое расположено в диапазоне (1-1.5)*10¹⁵ см³.