МОЩНЫЙ ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР СВЧ НА ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ГЕТЕРОСТРУКТУРЕ Российский патент 2023 года по МПК H01L29/80 H01L29/786 B82Y40/00 

Изобретение относится к электронной технике СВЧ, а именно полевым транзисторам СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре и предназначено для разработки и производства широкого класса устройств электронной техники СВЧ, в том числе радиолокационных устройств СВЧ.

Существенный прогресс в части повышения электрических параметров полевых транзисторов СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре обеспечивают так называемые транзисторы с высокой подвижностью электронов (НЕМТ - High Electron Mobility Transistor). Область с электронной проводимостью в таких транзисторах состоит из легированного донорными примесями широкозонного слоя и нелегированного узкозонного слоя.

Это обеспечивает существенное повышение - рабочей частоты до 100 ГГц, удельной выходной мощности СВЧ до 1-1,1 Вт/мм, коэффициента усиления до 10 дБ на рабочей частоте 10 ГГц.

Известен полевой транзистор СВЧ на гетероструктуре, включающий монокристаллическую подложку из нитрида алюминия AlN, темплетный слой AlN, канальный слой нитрида галлия GaN и барьерный слой Al_xGa_1-xN.

В котором, с целью повышения рабочих токов и выходной мощности посредством повышения проводимости канального слоя полупроводниковой гетероструктуры, между темплетным и канальным слоями расположены один над другим соответственно переходный слой Al_yGa_1-y N, буферный слой Al_zGa_1-z N, при этом значение химического элемента y на границе с темплетным слоем составляет 1, а на границе с буферным слоем равно значению z буферного слоя, при этом 0,3(х(0,5, a 0,1≤z(0,5.

При этом буферный слой на границе с канальным слоем легирован кремнием Si на глубину 50-150 Å [Патент №2093924 РФ. Полевой транзистор на гетероструктуре /Богданов Ю.М. и др.// Бюлл. - 1993 г.].

Данный полевой транзистор СВЧ отличается высокой выходной мощностью.

Однако имеет не высокий коэффициент усиления.

Известен мощный полевой транзистор СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре, содержащий полупроводниковую подложку и последовательность, по меньшей мере, одного слоя широкозонного и одного слоя узкозонного материалов, с заданными характеристиками полупроводниковой гетероструктуры типа AlGaAs-InGaAs-GaAs, электроды истока, затвора, стока, расположенные на наружной поверхности полупроводниковой гетероструктуры.

В котором, с целью повышения выходной мощности и коэффициента усиления, упомянутая полупроводниковая гетероструктура выполнена в виде последовательности следующих основных слоев: по меньшей мере, одного буферного слоя GaAs, толщиной не менее 200 нм, группы проводящих слоев, формирующих канал полевого транзистора, в составе собственно канального слоя In_yGa_1-yAs, толщиной 12-18 нм, по меньшей мере, двух δn-слоев, легированных донорной примесью с поверхностной плотностью доноров (2-10)×10¹² см^-2 и двух спейсерных i-слоев Al_xGa_1-xAs, толщиной каждый 1-3 нм, попарно расположенных по обе стороны собственно канального слоя, двух групп барьерных слоев Al_xGa_1-xAs, каждая в виде i-p-i системы барьерных слоев, одна из которых расположена с одной стороны группы проводящих слоев - подложечная, другая - с противоположной стороны - затворная [Патент №2563545 РФ. Мощный полевой транзистор СВЧ /Лапин В.Г. и др. //Бюлл. - 2015 г.] - прототип.

Данный полевой транзистор СВЧ имеет достаточно высокий уровень выходной мощности (примерно 1,2 Вт - удельная выходная мощность примерно 1,5 Вт/мм) и коэффициента усиления (примерно 12,0 дБ) на рабочей частоте 10 ГГц).

Однако указанный уровень (значения) коэффициента усиления является недостаточным в ряде случаев его применения и соответственно ограничивают область его применения (использования).

Технический результат заявленного мощного полевого транзистора СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре - повышение коэффициента усиления, при сохранении удельной выходной мощности.

Указанный технический результат достигается заявленным мощным полевым транзистором СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре, содержащим полупроводниковую подложку, буферный слой, последовательность, по меньшей мере, одного слоя широкозонного и одного слоя узкозонного материалов, полупроводниковой гетероструктуры типа AlGaAs-InGaAs-GaAs, с заданными характеристиками в виде:

группы проводящих слоев, формирующих канал полевого транзистора, в составе собственно канального слоя в виде, по меньшей мере, одного слоя In_уGa_1-уAs, с разными значениями химического элемента y,

по меньшей мере, двух легированных донорной примесью δn-слоев и двух нелегированных примесью спейсерных i-слоев, попарно расположенных по обе стороны собственно канального слоя соответственно,

двух групп барьерных слоев Al_хGa_1-хAs, каждая в виде системы барьерных слоев, одна из которых расположена с одной стороны группы проводящих слоев - подложечная, другая - с противоположной стороны - затворная, при этом подложечная выполнена в виде акцепторно-донорной системы барьерных слоев Al_хGa_1-хAs,

электроды истока, затвора, стока, расположенные на наружной поверхности полупроводниковой гетероструктуры.

При этом

затворная группа барьерных слоев выполнена в виде донорно-акцепторной системы барьерных слоев Al_хGa_1-хAs, либо донорной системы барьерных слоев Al_хGa_1-хAs,

подложечная, равно как и затворная группы барьерных слоев полупроводниковой гетероструктуры, каждая дополнительно содержит, по меньшей мере, два барьерных слоя i-AlAs, каждый толщиной 2-6 атомных монослоев,

при этом которые, в каждой упомянутой группе барьерных слоев, разделены между собой слоем узкозонного материала Al_хGa_1-хAs, с мольной долей химического элемента Al х менее 0,4, толщиной равной или более 2 атомных монослоев.

Раскрытие сущности изобретения.

Существенные признаки ограничительной части и отличительной части формулы изобретения заявленного мощного полевого транзистора СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре типа AlGaAs-InGaAs-GaAs, каждый в отдельности и в совокупности обеспечивают, а именно.

Выполнение затворной группы барьерных слоев в виде донорно-акцепторной системы барьерных слоев Al_хGa_1-хAs, либо в виде донорной системы барьерных слоев Al_хGa_1-хAs обеспечивает усиление - повышение локализации электронов (до 90,0 процентов) в области собственно канального слоя в виде, по меньшей мере, одного слоя In_уGa_1-уAs, с разными значениями химического элемента In y и, тем самым - повышение тока насыщения полевого транзистора и, как следствие, - сохранение высоких значений, как удельной выходной мощности, так и коэффициента усиления полевого транзистора СВЧ на уровне прототипа, а именно примерно - удельной выходной мощность 1,5 Вт/мм и коэффициента усиления 12,0 дБ на рабочей частоте 10 ГГц.

Наличие дополнительно в подложечной, равно как и в затворной группах барьерных слоев полупроводниковой гетероструктуры, в каждой, по меньшей мере, двух барьерных слоев i-AlAs, каждый толщиной 2-6 атомных монослоев,

при этом которые, в каждой упомянутой группе барьерных слоев, разделены между собой слоем узкозонного материала Al_хGa_1-хAs, с мольной долей химического элемента Al х менее 0,4, толщиной равной или более 2 атомных монослоев.

Это обеспечивает дальнейшее, при этом значительное усиление - повышение локализации электронов (до 99,0 процентов) в упомянутой области собственно канального слоя группы проводящих слое в виде, по меньшей мере, одного слоя In_уGa_1-уAs, с разными значениями химического элемента In y и, тем самым - значительное повышение скорости электронов под электродом затвора полевого транзистор и, как следствие - значительное повышение коэффициента усиления полевого транзистора СВЧ.

Итак, заявленный мощный полевой транзистор СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре в полной мере обеспечивает заявленный технический результат - значительное повышение коэффициента усиления, при сохранении удельной выходной мощности.

Наличие в подложечной, равно как и затворной группах барьерных слоев полупроводниковой гетероструктуры, в каждой дополнительно менее двух барьерных слоев i-AlAs, каждый толщиной как менее 2, так и более 6 атомных монослоев нецелесообразно с точки зрения достижения технического результата, а именно - сохранение удельной выходной мощности, а более двух ограничено технологическими возможностями.

Выполнение слоя узкозонного материала Al_хGa_1-хAs:

с мольной долей химического элемента Al х более 0,4 недопустимо, из-за недопустимого изменения физических свойств вышеуказанного материала (резкого снижения рабочего тока в группе проводящих слоев),

толщиной менее 2 атомных монослоев нежелательно, из-за снижения функциональности (разделительных свойств) слоя узкозонного материала Al_хGa_1-хAs, а более ограничено технологическими возможностями.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 и 2 дан фрагмент заявленного мощного полевого транзистора СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре (его варианты выполнения) соответственно, где:

- полупроводниковая подложка - 1,

- буферный слой - 2,

- последовательность, по меньшей мере, одного слоя широкозонного и одного слоя узкозонного материалов полупроводниковой гетероструктуры, с заданными характеристиками - 3 в виде:

- группы проводящих слоев - 4, формирующих канал полевого транзистора, в составе собственно канального слоя в виде, по меньшей мере, одного слоя In_уGa_1-уAs, с разными значениями химического элемента In y,

- двух легированных донорной примесью δn-слоев - 5 (а, б) и двух нелегированных примесью спейсерных i-слоев - 6 (а, б), попарно расположенных по обе стороны собственно канального слоя 4 соответственно,

- двух групп барьерных слоев Al_хGa_1-хAs - 7 (а, б), каждая в виде системы барьерных слоев, одна из которых расположена с одной стороны группы проводящих слоев - подложечная 7 а, другая - с противоположной стороны - затворная 7 6,

- электроды истока, затвора, стока - 8, 9, 10 соответственно, расположенные на наружной поверхности полупроводниковой гетероструктуры 3,

- четыре барьерных слоя i-AlAs - 11 (а, 6, в, г), попарно расположенные в подложечной 7 а и затворной 7 6 группах барьерных слоев соответственно,

- два слоя узкозонного материала Al_хGa_1-хAs - 12 (а, б), по одному расположенные в подложечной 7а и затворной 7б группах барьерных слоев соответственно (Вариант 1).

На фиг. 2 дан заявленный мощный полевой транзистор СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре (Вариант 2), когда:

затворная группа барьерных слоев выполнена в виде донорной системы барьерных слоев Al_хGa_1-хAs;

- восемь барьерных слоев i-AlAs - 11 (а, 6, в, г, д, е, ж, з), попарно расположенные в подложечной 7 а и затворной 7 6 группах барьерных слоев соответственно,

- восемь слоев узкозонного материала Al_хGa_1-хAs - 12 (а, 6, в, г, д, е, ж, з), по одному расположенные в подложечной 7 а и затворной 7 6 группах барьерных слоев соответственно.

Примеры конкретного выполнения заявленного мощного полевого транзистора СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре.

Пример 1.

Мощный полевой транзистор СВЧ выполнен следующим образом.

На полупроводниковой подложке арсенида галлия GaAs 1, толщиной 100 мкм формируют:

буферный слой 2, в виде системы GaAs - Al_хGa_1-хAs слоев.

последовательность, по меньшей мере, одного слоя широкозонного и одного слоя узкозонного материалов полупроводниковой гетероструктуры 3, с заданными характеристиками в виде:

группы проводящих слоев, формирующих канал 4 полевого транзистора, в составе собственно канального слоя в виде, по меньшей мере, одного слоя In_уGa_1-уAs, со значением химического элемента In y с мольной долей равным 0,2,

двух легированных донорной (кремний Si) примесью δn-слоев 5 (а, б) и двух нелегированных примесью спейсерных i-слоев 6 (а, б), попарно расположенных по обе стороны собственно канального слоя 4 соответственно,

двух групп барьерных слоев Al_хGa_1-хAs 7 (а, б), каждая в виде системы барьерных слоев:

одна из которых, расположена с одной стороны группы проводящих слоев 4 - подложечная 7 а в виде акцепторно-донорной (бор В - кремний Si соответственно) системы барьерных слоев Al_хGa_1-хAs,

другая - с противоположной стороны - затворная 7 6 группа барьерных слоев в виде донорно-акцепторной (кремний Si - бор В соответственно) системы барьерных слоев Al_хGa_1-хAs.

В подложечной 7 а, равно как и в затворной 7 6 группах барьерных слоев полупроводниковой гетероструктуры 3 дополнительно сформированы, в каждой упомянутой группе барьерных слоев: -

попарно два барьерных слоя i-AlAs 11 (а, 6, в, г) соответственно, каждый толщиной 4 атомных монослоя и

один слой узкозонного материала Al_хGa_1-хAs 12 (а, б), с мольной долей химического элемента Al х равной 0,2, толщиной 3 атомных монослоя соответственно.

Далее формируют электроды истока 8, затвора 9, стока 10 на наружной поверхности полупроводниковой гетероструктуры 3. (Вариант 1), когда затворная 7 6 группа барьерных слоев выполнена в виде донорно-акцепторной системы барьерных слоев Al_хGa_1-хAs).

При этом заявленный мощный полевой транзистор СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре выполнен посредством традиционных (классических) технологических операций методов (процессов) изготовления тонкопленочной технологии.

Примеры 2-5.

Изготовлены образцы мощного полевого транзистора СВЧ аналогично примеру 1, но при других конструкционных параметрах: согласно формулы изобретения (примеры 2-3, 6) и за ее пределами (примеры 4-5).

При этом:

примеры 2-5, когда затворная 7 6 группа барьерных слоев выполнена в виде донорно-акцепторной системы барьерных слоев Al_хGa_1-хAs (Вариант 1),

пример 6 - когда затворная 7 6 группа барьерных слоев выполнена в виде донорной системы барьерных слоев Al_хGa_1-хAs имеющих

- восемь барьерных слоев i-AlAs - 11 (а, 6, в, г, д, е, ж, з), попарно расположенные в подложечной 7 а и затворной 7 6 группах барьерных слоев соответственно,

- восемь слоев узкозонного материала Al_хGa_1-хAs - 12 (а, 6, в, г, д, е, ж, з), по одному расположенные в подложечной 7а и затворной 7б группах барьерных слоев соответственно. (Вариант 2)

Пример 7 соответствует образцу - прототипа.

На изготовленных образцах мощных полевых транзисторов СВЧ были измерены:

- удельная выходная мощность, Вт/мм;

- коэффициент усиления, дБ на рабочей частоте 10 ГГц (Стенд для измерения электрических параметров в режиме непрерывного и импульсного сигнала СВЧ КГ-4-33-81).

Данные сведены в таблицу.

Из таблицы видно.

Образцы мощного полевого транзистора СВЧ, изготовленные:

- согласно формулы изобретения (примеры 1-3 - Вариант 1), пример 6 - Вариант 2) имеют значения коэффициента усиления примерно (12,5-15,5) дБ;

- в отличие от образцов - за ее пределами (примеры 4-5 - Вариант 1), которые имеют значения коэффициента усиления примерно (11,0-12,0) дБ.При этом

Значения удельной выходной мощности - примерно (1,5-1,7) Вт/мм.

Таким образом, заявленный мощный полевой транзистор СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре типа AlGaAs-InGaAs-GaAs по сравнению с прототипом обеспечит повышение:

коэффициента усиления примерно в 2 раза (на 3 дБ),

при сохранении удельной выходной мощности (примерно 1,5-1,7) Вт/мм.

Таблица Конструкционные параметры мощного полевого транзистора на полупроводниковой гетероструктуры типа AlGaAs-InGaAs-GaAs Результаты измерений Полупроводниковая подложка Подложечная
группа барьерных слоев в виде акцепторно - донорной системы, барьер i - AlAs (дополнительные слои) Группа проводящих слоев, собственно канальный слой In_yGa_1-yAs Затворная группа барьерных слоев в виде донорно - акцепторной, либо донорной системы, барьер i - AlAs (дополнительные слои) Узкозонный слой в виде
Al_xGa_1-xAs Выходная мощность, (Вт) на
частоте 10 ГГц при
ширине затвора 1,0 мм Коэффициент усиления, (дБ) на частоте 10 ГГц количество Толщина атомных монослоев(МС) Количественный состав y
химического элемента In,
(мольная доля) Толщина слоя, (нм) Количество Толщина атомных монослоев (МС) Число слоев, в каждой группе барьерных слоев Мольная
доля химического элемента Al
x Толщина атомных монослоев (МС) 1 GaAs 2 4 0,2 10,0 2 4 1 0,2 4 1,6 14,0 2 2 2 0,2 10,0 2 2 1 0,2 4 1,55 13.5 3 2 6 0,2 10,0 2 6 1 0,2 4 1,5 12,5 4 1 3 0,15 12,0 1 3 отсутствует 1,5 12,5 5 2 8 0,15 12,0 2 8 1 0,3 10 1,0 11,0 6 4 3 0,2 10,0 4 3 4 0,2 4 1,7 15,5 7 Прото тип Иные конструкционные параметры 1,5 12,0

Согласно изобретению мощный полевой транзистор СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре содержит полупроводниковую подложку, буферный слой, последовательность слоев широкозонного и слоя узкозонного материалов типа AlGaAs-InGaAs-GaAs с заданными характеристиками, при этом группы проводящих слоев, формирующих канал, содержат по меньшей мере один слой In_уGa_1-уAs с разными значениями y химического элемента, по меньшей мере два легированных донорной примесью δn-слоя, по меньшей мере два спейсерных i-слоя, попарно расположенных по обе стороны канального слоя, две группы барьерных слоев Al_хGa_1-хAs, каждая в виде системы барьерных слоев, одна из которых расположена с одной стороны группы проводящих слоев над подложкой - подложечная, другая – с противоположной стороны – затворная, при этом подложечная выполнена в виде акцепторно-донорной системы барьерных слоев Al_хGa_1-хAs, электроды истока, затвора, стока расположены на наружной поверхности полупроводниковой гетероструктуры. Затворная группа барьерных слоёв выполнена в виде донорно-акцепторной системы барьерных слоев Al_хGa_1-хAs либо нелегированной системы барьерных слоев Al_хGa_1-хAs, подложечная и затворная группы барьерных слоёв полупроводниковой гетероструктуры дополнительно содержат по меньшей мере два барьерных слоя i-AlAs толщиной 2-6 атомных монослоёв каждый, при этом в каждой упомянутой группе барьерных слоёв, которые разделены между собой слоем узкозонного материала Al_хGa_1-хAs с мольной долей х химического элемента Al менее 0,4, толщиной более 3 атомных монослоев. Изобретение обеспечивает повышение коэффициента усиления при сохранении выходной мощности. 2 ил.

Мощный полевой транзистор СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре, содержащий полупроводниковую подложку, буферный слой, последовательность по меньшей мере одного слоя широкозонного и одного слоя узкозонного материалов полупроводниковой гетероструктуры типа AlGaAs-InGaAs-GaAs с заданными характеристиками в виде группы проводящих слоев, формирующих канал полевого транзистора, в составе собственно канального слоя, в виде по меньшей мере одного слоя In_уGa_1-уAs, с разными значениями химического элемента y, по меньшей мере двух легированных донорной примесью δn-слоев и двух нелегированных примесью спейсерных i-слоев, попарно расположенных по обе стороны собственно канального слоя, двух групп барьерных слоев Al_хGa_1-хAs, каждая в виде системы барьерных слоев, одна из которых расположена с одной стороны группы проводящих слоев – подложечная, другая – с противоположной стороны – затворная, при этом подложечная выполнена в виде акцепторно-донорной системы барьерных слоев Al_хGa_1-хAs, электроды истока, затвора, стока, расположенные на наружной поверхности полупроводниковой гетероструктуры, отличающийся тем, что затворная группа барьерных слоёв выполнена в виде донорно-акцепторной системы барьерных слоев Al_хGa_1-хAs либо донорной системы барьерных слоев Al_хGa_1-хAs, подложечная, равно как и затворная группа барьерных слоёв полупроводниковой гетероструктуры, каждая дополнительно содержит по меньшей мере два барьерных слоя i-AlAs, каждый толщиной 2-6 атомных монослоёв, при этом которые, в каждой упомянутой группе барьерных слоёв, разделены между собой по меньшей мере одним слоем узкозонного материала Al_хGa_1-хAs с мольной долей химического элемента Al х менее 0,4, толщиной равной или более 2 атомных монослоёв.