МОЩНЫЙ ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР СВЧ НА ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ГЕТЕРОСТРУКТУРЕ Российский патент 2024 года по МПК H01L29/80 

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

Существенный прогресс в части повышения быстродействия и выходной мощности СВЧ, выделяемой в нагрузке, включенной на выходе полевого транзистора СВЧ, обеспечило изобретение так называемых транзисторов с высокой электронной подвижностью (НЕМТ - High Electron Mobility Transistor). Область с электронной проводимостью в таких транзисторах состоит из легированного донорными примесями широкозонного и нелегированного узкозонного, но заполненного электронами слоев полупроводниковых материалов.

Это обеспечивает существенное увеличение быстродействия таких полевых транзисторов СВЧ до 100 ГГц и удельной выходной мощности СВЧ до 1÷1,1 Вт/мм на рабочей частоте 10 ГГц.

Известен полевой транзистор СВЧ на полупроводниковой 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 увеличения рабочих токов и выходной мощности полевого транзистора посредством увеличения проводимости канального слоя полупроводниковой гетероструктуры, между темплетным и канальным слоями расположены один над другим соответственно переходный слой Al_yGa_1-yΝ, буферный слой Al_zGa_1-zΝ, значение (у) на границе с темплетным слоем составляет 1,0, а на границе с буферным слоем равно значению (z) буферного слоя, при этом 0,3≤x≤0,5, a 0,1≤z,0,5.

При этом буферный слой на границе с канальным слоем легирован кремнием Si на глубину 50,0-150,0 Å [Патент 2316076 РФ Полупроводниковая гетероструктура полевого транзистора /Алексеев А.Н. и др.//Бюл. - 2008 - № 3].

Данный полевой транзистор СВЧ при высокой выходной мощности имеет коэффициент усиления, по меньшей мере, в два раза меньше, чем транзисторы на полупроводниковой гетероструктуре арсенида галлия.

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, выполненные на лицевой стороне полупроводниковой гетероструктуры.

В котором, с целью повышения коэффициента усиления и выходной мощности полевого транзистора СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре, упомянутая полупроводниковая гетероструктура выполнена в виде последовательности следующих основных слоев:

буферного слоя GaAs, толщиной более 200,0 нм,

группы барьерных слоев Al_хGa_1-хAs, в виде i-р-i системы барьерных слоев, толщиной 100,0-200,0 нм, 1,0-20,0 нм, 2,0-15,0 нм соответственно, с концентрацией легирующей, акцепторной примеси более 2,0×10¹⁸ см^-3, расположенных на лицевой стороне полупроводниковой подложки,

группы проводящих слоев, формирующих канал полевого транзистора, в составе,

по меньшей мере, одного - δn-слоя, легированного донорной примесью с поверхностной плотностью легирующей примеси (1,0-30,0)×10¹² см,

спейсерного i-слоя Al_хGa_1-хAs, толщиной 1,0-5,0 нм,

собственно канального слоя In_уGa_1-уAs либо группы слоев последнего, каждый с различным количественным составом (y) химического элемента индия In равным или менее 1,0 мольных долей, общей толщиной более 3,0 нм, при этом δn-слой расположен на группе барьерных слоев Al_хGa_1-хAs, спейсерный i-слой - между δn-слоем и собственно канальным слоем [Патент 2781044 РФ Мощный полевой транзистор СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре /Пашковский А.Б. и др.// Бюл. - 2022 - № 28] - прототип.

Данный мощный полевой транзистор СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре имеет достаточно высокие значения коэффициента усиления (высокие рабочие частоты) и выходной мощности (порядка 17,0 дБ и 60,0 мВт соответственно), однако они остаются недостаточными в ряде случаев их применения.

Технический результат - увеличение выходной мощности и коэффициента усиления мощного полевого транзистора СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре.

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

при этом упомянутая полупроводниковая гетероструктура выполнена в виде заданной последовательности следующих основных слоев, на лицевой стороне полупроводниковой подложки:

буферного слоя,

группы барьерных слоев Al_хGa_1-хAs, в виде i-р-i системы барьерных слоев,

группы проводящих слоев, формирующих канал полевого транзистора, в виде по меньшей мере, одного δn-слоя, легированного донорной примесью,

спейсерного i слоя Al_хGa_1-хAs, выполненного между собственно канальным слоем и δn-слоем,

собственно канального слоя In_уGa_1-уAs, либо группы слоев последнего, с разной мольной долей (y) химического элемента индия In,

при этом каждый из упомянутых слоев выполнен заданной толщины,

электроды истока, затвора, стока, выполненные на лицевой стороне полупроводниковой гетероструктуры соответственно.

При этом

в полупроводниковой гетероструктуре дополнительно выполнены, по меньшей мере, два квантовых барьерных слоя i-AlAs, каждый толщиной 2-6 атомных монослоёв,

при этом

каждый из упомянутых квантовых барьерных слоев выполнен в части полупроводниковой гетероструктуры - между слоем легированным акцепторной примесью (p) группы барьерных слоев Al_хGa_1-хAs и собственно канальным слоем In_уGa_1-уAs, либо группой слоев последнего с разной мольной долей (y) химического элемента индия In,

при этом

квантовые барьерные слои разделены между собой, по меньшей мере, одним слоем узкозонного материала Al_хGa_1-хAs, каждый с мольной долей (х) химического элемента Al менее 0,4, толщиной равной или более 2 атомных монослоёв.

По меньшей мере, один δn-слой, легированный донорной примесью и, по меньшей мере, один спейсерный i слои Al_хGa_1-хAs группы проводящих слоёв могут одновременно и разделять между собой упомянутые квантовые барьерные слои.

На последнем слое группы проводящих слоев выполнены в заданной последовательности квантовые барьерные i-AlAs, барьерные, переходные и контактные слои.

Заданные характеристики упомянутой полупроводниковой гетероструктуры типа AlGaAs-InGaAs-GaAs, в том числе заданная толщина каждого из слоев, равно как заданные мольные доли (х) и (y) химических элементов Al и In соответственно слоев полупроводниковой гетероструктуры определяют электрические характеристики электронного устройства СВЧ - прибора СВЧ.

Раскрытие сущности изобретения

Совокупность существенных признаков как ограничительной, так и отличительной частей заявленного мощного полевого транзистора СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре обеспечивает, а именно.

Наличие в полупроводниковой гетероструктуре дополнительно, по меньшей мере, двух квантовых барьерных слоев i-AlAs, каждый толщиной 2-6 атомных монослоёв,

при этом когда:

каждый из упомянутых квантовых барьерных слоев выполнен в части полупроводниковой гетероструктуры - между слоем легированным акцепторной примесью (p) группы барьерных слоев Al_хGa_1-хAs и собственно канальным слоем In_уGa_1-уAs, либо группой слоев последнего с разной мольной долей (y) химического элемента индия In,

квантовые барьерные слои разделены между собой, по меньшей мере, одним слоем узкозонного материала Al_хGa_1-хAs, каждый с мольной долей (х) химического элемента Al менее 0,4, толщиной равной или более 2 атомных монослоёв.

Это обеспечивает резкое усиление локализации горячих электронов в области канала полевого транзистора и, тем самым обеспечивает.

Во-первых, существенное ослабление рассеяния электронов и, тем самым существенное увеличение дрейфовой скорости электронов под электродом затвора, до 30% по сравнению с прототипом и, тем самым максимально обеспечивает рост максимальной частоты усиления по току f_t согласно известной математической формулы:

f_t = v/(2πL), где

f_t - максимальная частота усиления по току

v - дрейфовая скорости электронов

π - число π =3,1415…

L - длина электрода затвора.

И, как следствие, - повышение коэффициента усиления К_у~(f_t)² заявленного мощного полевого транзистора СВЧ на заявленной полупроводниковой гетероструктуре.

Во-вторых, упомянутое резкое усиление локализации горячих электронов в области канала полевого транзистора обеспечивает увеличение их поверхностной плотности, до полутора раз по сравнению с прототипом, при этом без существенного падения дрейфовой скорости электронов и, тем самым обеспечивает увеличение рабочего тока полевого транзистора до полутора раз и, как следствие, - повышение выходной мощности заявленного мощного полевого транзистора СВЧ на заявленной полупроводниковой гетероструктуре.

Выполнение в полупроводниковой гетероструктуре двух квантовых барьерных слоев i-AlAs, каждый толщиной как менее 2, так и более 6 атомных монослоёв недопустимо из-за потери их функциональности,

в первом случае из-за недопустимо малой толщины,

во втором - из-за инверсии Г и Х долин в AlAs (область возможных состояний электрона (дырки) вблизи минимума (максимума) какой-либо из зависимостей энергии носителя от волнового вектора для конкретного полупроводникового материала) в толстых слоях, что в свою очередь и приводит к потере требуемой их функциональности - барьер для горячих электронов.

Следует отметить, в отличие от толстых слоёв (более 6 моноатомных слоёв), в тонких слоях инверсия отсутствует благодаря эффектам размерного квантования в AlAs барьерах, и тонкие слои AlAs в упомянутых долинах остаются барьерами для горячих электронов.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлен общий вид заявленного мощного полевого транзистора СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре, где:

полупроводниковая подложка - 1,

последовательность, по меньшей мере, одного слоя широкозонного и одного слоя узкозонного материалов с заданными характеристиками полупроводниковой гетероструктуры типа AlGaAs-InGaAs-GaAs - 2,

при этом упомянутая полупроводниковая гетероструктура выполнена в виде последовательности следующих основных слоев, на лицевой стороне полупроводниковой подложки:

буферный слой - 3,

группа барьерных слоев Al_хGa_1-хAs - 4, в виде i-р-i системы барьерных слоев,

группа проводящих слоев, формирующих канал полевого транзистора - 5, в виде

одного δn-слоя, легированного донорной примесью 5а,

спейсерного i слоя Al_хGa_1-хAs 5б, выполненного между собственно канальным слоем и δn-слоем,

собственно канального слоя In_уGa_1-уAs 5в,

при этом каждый из упомянутых слоев выполнен заданной толщины,

электроды истока, затвора, стока - 6, 7, 8 выполнены на лицевой стороне полупроводниковой гетероструктуры 2 соответственно,

два квантовых барьерных слоя i-AlAs - 9, 10 соответственно, каждый толщиной 2-6 атомных монослоёв, каждый выполнен между слоем легированным акцепторной примесью (p) группы барьерных слоев Al_хGa_1-хAs и собственно канальным слоем In_уGa_1-уAs и

которые разделены между собой слоем узкозонного материала Al_хGa_1-хAs - 11.

На фиг. 2 - частный случай выполнения, в котором

- каждый из упомянутых квантовых барьерных слоев (9-12) выполнен в части полупроводниковой гетероструктуры 2 - между слоем легированным акцепторной примесью (p) группы барьерных слоев Al_хGa_1-хAs 4 и группой слоев собственно канального слоя In_уGa_1-уAs 5 с разной мольной долей (y) химического элемента индия In,

- квантовые барьерные слои разделены между собой, один δn-слой, легированный донорной примесью и один спейсерный i слои Al_хGa_1-хAs группы проводящих слоёв.

- на последнем слое группы проводящих слоев выполнены квантовые барьерные i-AlAs (13-16), переходный (17) и контактные (18) слои.

Примеры конкретного выполнения.

Пример 1

Мощный полевой транзистор СВЧ выполнен.

На монокристаллической полуизолирующей подложке арсенида галлия 1 АГЧП-76,22-450-(100)2,5°(110)-EJ-ДСП ТУ6365-01-52692510-2010, толщиной 100 мкм.

Полупроводниковая гетероструктура AlGaAs-InGaAs-GaAs - типа - обращенная гетероструктура с донорно-акцепторным легированием 2 выполнена в виде последовательности следующих основных слоев:

по меньшей мере, одного слоя широкозонного и одного слоя узкозонного материалов с заданными характеристиками полупроводниковой гетероструктуры типа AlGaAs-InGaAs-GaAs 2, на лицевой стороне полупроводниковой подложки 1.

А именно:

буферный слой 3, Al_хGa_1-хAs, при этом по его глубине с разным значением мольной доли (х) химического элемента Al, толщиной 600 нм.

группа барьерных слоев Al_хGa_1-хAs, в виде i-р-i системы барьерных слоев 4, общей толщиной 12 нм,

группа проводящих слоев, формирующих канал полевого транзистора 5, в виде

одного δn-слоя, легированного донорной примесью с поверхностной концентрацией легирующей примеси 6×10¹²см^-2,

спейсерного i слоя Al_хGa_1-хAs, выполненного между собственно канальным слоем и δn-слоем, толщиной 1,5 нм,

собственно канальный слой In_уGa_1-уAs, толщиной 12 нм,

два квантовых барьерных слоя i-AlAs 9, 10, каждый выполнен в части полупроводниковой гетероструктуры - между слоем легированным акцепторной примесью (p) группы барьерных слоев Al_хGa_1-хAs 4 и собственно канальным слоем In_уGa_1-уAs группы проводящих слоев 5в, при этом квантовые барьерные слои разделены между собой, узкозонным слоем Al_хGa_1-хAs, с мольной долей (х) химического элемента Al 0,2, толщиной 2 нм.

электроды истока, затвора, стока 6, 7, 8 выполнены на лицевой стороне полупроводниковой гетероструктуры 2 соответственно.

При этом электрод затвора 7 выполнен длиной 0,25 мкм, шириной 100 мкм (Фиг. 1).

При этом упомянутые слои полупроводниковой гетероструктуры 2 заявленного мощного полевого транзистора СВЧ выполнены посредством технологических операций технологического процесса тонкопленочной технологии.

Заданные характеристики упомянутой полупроводниковой гетероструктуры типа AlGaAs-InGaAs-GaAs, в том числе заданная толщина каждого из слоев, равно как заданные мольные доли (х) и (y) химических элементов Al и In соответствующих слоев полупроводниковой гетероструктуры определяют электрические характеристики электронного устройства СВЧ.

Примеры 2-6. Аналогично примеру 1 изготовлены образцы мощных полевых транзисторов СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре, но при других конструкционных параметрах, указанных в формуле изобретения (примеры 2-3, 6), так и за ее пределами (примеры 4-5).

Пример 6 соответствует частному случаю выполнения мощного полевого транзистора СВЧ, когда:

а) каждый из упомянутых квантовых барьерных слоев выполнен в части полупроводниковой гетероструктуры 2 - между слоем легированным акцепторной примесью (p) группы барьерных слоев Al_хGa_1-хAs 4 и группой слоев собственно канальным слоя In_уGa_1-уAs 5 с разной мольной долей (y) химического элемента индия In,

б) на последнем слое группы проводящих слоев выполнены в последовательности квантовые барьерные i-AlAs, барьерные, переходные и контактные слои (Фиг. 2).

Пример 7 - прототип.

На изготовленных образцах измерены:

Выходная мощность (Р_вых.), Вт, посредством ваттметра (СМЗ010);

Коэффициент усиления (К_У) посредством анализатора цепей (Agilent Technologies PNA Network Analyzer), на частоте 10 ГГц.

Данные представлены в таблице.

Как видно из таблицы образцы мощного полевого транзистора СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре, изготовленные согласно заявленной формулы изобретения (примеры 1-3, 6) имеют значения:

выходной мощности 80 - 100 Вт,

коэффициента усиления 17,8 - 20,5 дБ,

В отличие от образцов, выполненных за пределами формулы изобретения (примеры 4-5), которые имеют примерно значения - выходной мощности 50 - 75 Вт, коэффициента усиления - 15,0 - 17,6 дБ.

Таким образом, заявленный мощный полевой транзистор СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре обеспечит повышение:

выходной мощности (Р_вых.), примерно в 1,5 раза,

коэффициента усиления (К_У), примерно на 0,3 - 3,0 дБ.

Таблица № п/п Мощный полевой транзистор СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре Результаты измерений Полупроводниковая подложка, материал Слои полупроводниковой гетероструктуры Выходная мощность на частоте 10 ГГц (мВт) при ширине затвора 100 мкм Коэффициент усиления, (дБ) на частоте 10 ГГц Основные слои Дополнительные слои Буферный слой, толщиной (нм) Группа барьерных слоёв, общей толщиной 25 нм. Группа проводящих слоёв, общей толщиной 12 нм Квантовые барьерные слои
i-AlAs Разделительный узкозонный слой
Al_xGa_1-xAs Количество Толщина, атомные монослои Мольная доля (x) химического элемента Al Толщина, атомные монослои 1 Арсенид галлия - GaAs 600,0 Al_xGa_1-xAs In_yGa_1-yAs 2 4 0 5 80,0 17,8 2 2 2 0,2 2 80.0 17.7 3 2 6 0 10 77,0 17,6 4 2 1 0 1 75,0 17,3 5 2 7 0.5 12 65,0 16,0 6 8 3 0 4 115,0 20,5 7 -прототип Иные конструкционные параметры 75,0 17,5

Использование: для разработки и производства широкого класса устройств электронной техники СВЧ. Сущность изобретения заключается в том, что в полупроводниковой гетероструктуре мощного полевого транзистора СВЧ дополнительно выполнены, по меньшей мере, два квантовых барьерных слоя i-AlAs, каждый толщиной 2-6 атомных монослоёв, каждый из упомянутых квантовых барьерных слоев выполнен в части полупроводниковой гетероструктуры – между слоем легированным акцепторной примесью (p) группы барьерных слоев Al_хGa_1-хAs и собственно канальным слоем In_уGa_1-уAs, либо группой слоев последнего с разной мольной долей (y) химического элемента индия (In_y), квантовые барьерные слои разделены между собой, по меньшей мере, одним слоем узкозонного материала Al_хGa_1-хAs, каждый с мольной долей (х) химического элемента Al_х менее 0,4, толщиной, равной или более 2 атомных монослоёв. Технический результат: обеспечение возможности увеличения выходной мощности и коэффициента усиления мощного полевого транзистора СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре. 3 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. 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,

при этом упомянутая полупроводниковая гетероструктура выполнена в виде заданной последовательности следующих основных слоев, на лицевой стороне полупроводниковой подложки:

буферного слоя,

группы барьерных слоев Al_хGa_1-хAs, в виде i-р-i системы барьерных слоев,

группы проводящих слоев, формирующих канал полевого транзистора, в виде

по, меньшей мере, одного δn-слоя, легированного донорной примесью,

спейсерного i слоя Al_хGa_1-хAs, выполненного между собственно канальным слоем и δn-слоем,

собственно канального слоя In_уGa_1-уAs, либо группы слоев последнего, с разной мольной долей (y) химического элемента индия In,

при этом каждый из упомянутых слоев выполнен заданной толщины,

электроды истока, затвора, стока, выполненные на лицевой стороне полупроводниковой гетероструктуры соответственно,

отличающийся тем, что

в полупроводниковой гетероструктуре дополнительно выполнены, по меньшей мере, два квантовых барьерных слоя i-AlAs, каждый толщиной 2-6 атомных монослоёв,

при этом

каждый из упомянутых квантовых барьерных слоев выполнен в части полупроводниковой гетероструктуры – между слоем, легированным акцепторной примесью (p) группы барьерных слоев Al_хGa_1-хAs, и собственно канальным слоем In_уGa_1-уAs, либо группой слоев последнего с разной мольной долей (y) химического элемента индия In,

при этом квантовые барьерные слои разделены между собой по меньшей мере одним слоем узкозонного материала Al_хGa_1-хAs, каждый с мольной долей (х) химического элемента Al менее 0,4, толщиной, равной или более 2 атомных монослоёв.

2. Мощный полевой транзистор СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре по п. 1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один δn-слой, легированный донорной примесью, и, по меньшей мере, один спейсерный i-слой Al_хGa_1-хAs группы проводящих слоёв могут одновременно разделять между собой и упомянутые квантовые барьерные слои.

3. Мощный полевой транзистор СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре по п. 1, отличающийся тем, что на последнем слое группы проводящих слоев выполнены в заданной последовательности квантовые барьерные i-AlAs, барьерные, переходные и контактные слои.

4. Мощный полевой транзистор СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре по п. 1, отличающийся тем, что заданные характеристики упомянутой полупроводниковой гетероструктуры типа AlGaAs-InGaAs-GaAs, в том числе заданная толщина каждого из слоев, равно как заданные мольные доли (х) и (y) химических элементов Al и In соответственно слоев полупроводниковой гетероструктуры, определяют электрические характеристики электронного устройства СВЧ – прибора СВЧ.