Мощный полевой транзистор СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре Российский патент 2025 года по МПК H10D30/80 

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 мощный полевой транзистор СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре, содержащий полупроводниковую подложку и последовательность, по меньшей мере, одного слоя широкозонного и одного слоя узкозонного материала с заданными характеристиками полупроводниковой гетероструктуры типа AlGaAs-InGaAs-GaAs, электроды истока, затвора, стока, расположенные на наружной поверхности полупроводниковой гетероструктуры, в котором для увеличения удельной 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 и, по меньшей мере, двух дельта легированных донорной примесью δn слоев 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-р-i системы барьерных слоев, одна из которых расположена с одной стороны группы проводящих слоев - подложечная, другая - с противоположной стороны - затворная, при этом барьерные слои в каждой i-р-i системе имеют - толщину (100-200, 4-15, 2-10) нм в подложечной, (2-10, 4-10, 4-15) нм в затворной соответственно, уровень легирования акцепторной примесью (4-20)×10¹⁸ см^-3 соответственно, барьерного слоя i-GaAs толщиной 5-30 нм, слоя омического контакта n⁺-GaAs толщиной (10-60) нм электродов истока и стока. Известен мощный полевой транзистор СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре, содержащим полупроводниковую подложку и последовательность, по меньшей мере, одного слоя широкозонного и одного слоя узкозонного материала с заданными характеристиками полупроводниковой гетероструктуры типа AlGaAs-InGaAs-GaAs, электроды истока, затвора, стока, расположенные на наружной поверхности полупроводниковой гетероструктуры, в котором для увеличения удельной 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 и, по меньшей мере, двух дельта легированных донорной примесью δn слоев 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-р-i системы барьерных слоев, одна из которых расположена с одной стороны группы проводящих слоев - подложечная, другая - с противоположной стороны - затворная, при этом барьерные слои в каждой i-р-i системе имеют - толщину (100-200, 4-15, 2-10) нм в подложечной, (2-10, 4-10, 4-15) нм в затворной соответственно, уровень легирования акцепторной примесью (4-20)×10¹⁸ см^-3 соответственно, барьерного слоя i-GaAs толщиной 5-30 нм, слоя омического контакта n⁺-GaAs толщиной (10-60) нм электродов истока и стока. [Патент РФ на изобретение № 2563545 «Мощный полевой транзистор СВЧ», дата приоритета 27.06.2014, МПК H01L 29/80, B82B/00, опубликовано 20.09.2015, бюл. № 26, авторы: В.Г. Лапин, В.М. Лукашин, А.Б. Пашковский, К.С. Журавлев].

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 11,0 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).

Известен мощный полевой транзистор СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре, содержащим полупроводниковую подложку и последовательность, по меньшей мере, одного слоя широкозонного и одного слоя узкозонного материала с заданными характеристиками полупроводниковой гетероструктуры типа AlGaAs-InGaAs-GaAs, электроды истока, затвора, стока, расположенные на наружной поверхности полупроводниковой гетероструктуры в котором для увеличения удельной 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 12-20 нм и, по меньшей мере, двух дельта легированных донорной примесью δn слоев с поверхностной плотностью доноров (2-20)×10¹² см^-2 и двух спейсерных i слоев Al_xGa_1-xAs нелегированных примесью, толщиной каждый 1-3 нм, попарно расположенных по обе стороны собственно канального слоя, двух групп барьерных слоев Al_xGa_1-xAs, 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 группа барьерных слоев выполнена в виде акцепторно-донорной р-i-δn системы барьерных слоев Al_xGa_1-xAs, затворная группа барьерных слоев - в виде донорно-акцепторной δn-i-р системы барьерных слоев Al_xGa_1-xAs, при этом в каждой группе барьерных слоев, i-слой нелегированный примесью выполнен толщиной 5-100 Å, p-слой, легированный акцепторной примесью выполнен с уровнем легирования, обеспечивающим высоту потенциальных барьеров 0,4-0,8 ширины запрещённой зоны Al_xGa_1-xAs, δn-слой, легированный донорной примесью выполнен с избыточным уровнем легирования, обеспечивающим разницу поверхностной плотности донорной и акцепторной примеси равной (1-10)×10¹² см^-2, барьерного слоя i-Al_xGa_1-xAs толщиной 0,5-10 от толщины i-слоя нелегированного примесью в затворной группе барьерных слоев, слоя омического контакта n⁺-GaAs толщиной (10-60) нм электродов истока и стока, при этом электрод затвора выполнен длиной не более 0,5 мкм.

Значения химических элементов х, у соответственно в каждом из упомянутых слоев полупроводниковой гетероструктуры определяются неравенствами 0,25 < х < 0,4 и 0,15 < у < 0,2.

В упомянутой группе проводящих слоев, формирующих канал полевого транзистора, между каждым из спейсерных слоев i-Al_xGa_1-xAs и собственно канальным слоем In_yGa_1-yAs могут быть выполнены переходные слои [Патент РФ на изобретение № 2599275 «Мощный полевой транзистор СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре», дата приоритета 04.06.2015, МПК H01L29/80, опубликовано 10.10.2016, бюл. № 28, авторы: В.Г. Лапин, В.М. Лукашин, А.Б. Пашковский, К.С. Журавлев. Принят за прототип].

Данный полевой транзистор СВЧ имеет достаточно высокий уровень выходной мощности (примерно 2,0 Вт - удельная выходная мощность примерно 1,6 Вт/мм) и коэффициента усиления (примерно 13,0 дБ) на рабочей частоте 10 ГГц). Кроме того, гетероструктура на которой он изготавливается может быть изготовлена как с применением молекулярно-лучевой эпитаксии, так и с применением газофазной эпитаксии. Однако этот транзистор при достаточно высоком коэффициенте усиления имеет ограничения по удельной мощности, которая является недостаточной в ряде случаев его применения и соответственно ограничивают область его применения (использования).

Предлагаемое в качестве изобретения техническое решение направлено на устранение недостатков аналога и прототипа.

Технический результат - повышение удельной выходной мощности при сохранении коэффициента усиления.

Технический результат достигается тем, что в мощном полевом транзисторе СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре, содержащем 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_yGa_1-yAs, с разными значениями химического элемента y, по меньшей мере, двух систем легированных донорной примесью слоёв и двух нелегированных примесью спейсерных i-слоев, попарно расположенных по обе стороны собственно канального слоя, двух групп барьерных слоев Al_xGa_1-xAs, каждая в виде системы барьерных слоев, одна из которых расположена с одной стороны группы проводящих слоев - подложечная, другая - с противоположной стороны - затворная, при этом и подложечная, и затворная системы барьерных слоев независимо выполнены в виде донорно-акцепторной системы барьерных слоев Al_xGa_1-xAs, либо донорной системы барьерных слоев Al_xGa_1-xAs; электроды истока, затвора, стока, расположенные на наружной поверхности полупроводниковой гетероструктуры, при этом, в канальном слое расположен по меньшей мере одна дополнительная система легированных донорной примесью слоёв, отделенная от канала с каждой стороны барьерным слоем или системой слоёв Al_xGa_1-xAs толщиной не менее 1 нм с мольной долей химического элемента Al_х или более 0,05; а между дополнительной системой легированных донорной примесью слоёв, и барьерными слоями по крайней мере с одной стороны, расположен нелегированный слой GaAs.

При этом дополнительная система легированных донорной примесью слоёв содержит нелегированные слои и может содержать по крайней мере или один объемный легированный слой, или один δn-слой, или один объемный легированный слой и один δn-слой.

Сущность изобретения заключается в следующем. Выполнение затворной группы барьерных слоёв в виде донорно-акцепторной системы барьерных слоев Al_xGa_1-xAs, либо в виде донорной системы барьерных слоев Al_xGa_1-xAs обеспечивает усиление - повышение локализации электронов (до 90,0 процентов) в области собственно канального слоя в виде, по меньшей мере, одного слоя In_yGa_1-yAs, 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.

Ведение в канальный слой по меньшей мере одной дополнительной системы легированных донорной примесью слоёв обеспечивает повышение до двух раз поверхностной плотности электронов, а значит, повышается и ток, протекающий через транзистор, что увеличивает удельную выходную мощность транзистора. Отделение системы легированных донорной примесью слоёв (объемный легированный слой, или один δn-слой, или объемный легированный слой и δn-слой) от канала с каждой стороны барьерным слоем Al_xGa_1-xAs толщиной не менее 1 нм с мольной долей химического элемента Al х более 0,05 обеспечивает высокую подвижность электронов в канале, а значит и коэффициент усиления транзистора.

Выполнение барьерных слоев Al_xGa_1-xAs толщиной менее 1 нм с мольной долей химического элемента Al х менее 0,05, - нецелесообразно из-за усиления рассеяния электронов в легирующем слое и соответствующего падении коэффициента усиления.

Введение нелегированного слоя GaAs между системой легированных слоёв и барьерными слоями предотвращает диффузию донорной примеси в барьерные слои и через них в канал, уменьшая тем самым рассеяние электронов канала на донорной примеси и соответственно увеличивая подвижность электронов в канале.

Изобретение поясняется чертежом. На фиг. 1 представлен мощный полевой транзистор СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре, 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_yGa_1-yAs, 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_xGa_1-xAs - 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 б,

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

- группы вводимых внутриканальных слоёв (11) в составе легированной донорной примесью δn-слоя - 12, отделённого от канала с каждой стороны барьерным слоем i- Al_xGa_1-xAs (13а,б) и спейсерными слоем GaAs (14а,б),

- δn-слои отделены от барьерных слоёв слоями нелегированного GaAs (15а,б,в,г,д,е) (выполнены в слое GaAs).

Устройство работает следующим образом. На электрод затвора 9 подается сигнал, на электроды истока 8 и стока 10 - постоянное напряжение. Сигнал затвора модулирует поверхностную плотность электронов в канале 4 транзистора, который сформирован на гетероструктуре 3. Гетероструктура 3 сформирована на подложке 1 с буферным слоем 2 и включает в себя легированные донорной примесью δn-слои 5, нелегированные примесью спейсерные i-слои 6, барьерные слои Al_xGa_1-xAs 7. Введение в гетероструктуру дополнительной системы слоев 11 позволяет увеличить поверхностную плотность электронов в канале без падения их подвижности, что приводит к увеличению тока транзистора, а соответственно его выходной мощности без падения коэффициента усиления. С электрода стока 10 снимается усиленный сигнал.

Для различных вариантов мощного полевого транзистора, указанных ниже, были рассчитаны:

- удельная выходная мощность, Вт/мм;

- коэффициент усиления, дБ на рабочей частоте 10.

Пример 1. Мощный полевой транзистор СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре (фиг.1) спроектирован следующим образом. На полупроводниковой подложке арсенида галлия GaAs 1, толщиной 100 мкм формируют буферный слой 2, в виде системы GaAs - Al_xGa_1-xAs слоёв, 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_yGa_1-yAs, 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_xGa_1-xAs 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_xGa_1-xAs,

другая - с противоположной стороны - затворная 7 б группа барьерных слоёв в виде донорно системы барьерных слоев Al_xGa_1-xAs.

- группы вводимых внутриканальных слоёв (11) в составе легированной донорной примесью δn-слоя - 12, отделённого от канала с каждой стороны барьерным слоем i- Al_0,3Ga_0,7As (13а,б) и слоем i- GaAs (15в,г) и спейсерных слоёв i- GaAs (14а,б).

Далее формируют электроды истока 8, затвора 9, стока 10 на наружной поверхности полупроводниковой гетероструктуры 3.

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

Пример 2. Мощный полевой транзистор СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре, где δn-слои выполнены в слое легированного донорной примесью Al_0,3Ga_0,7As толщиной h=0,5 нм, с концентрацией легирующей примеси (кремний Si) n_d=10¹⁸ см^-3 (15а,б,в,г,д,е), а подложечная 7б группа барьерных слоёв выполнена в виде донорной группы барьерных слоев Al_xGa_1-xAs.

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

При этом примеры 2-5: затворная 7б группа барьерных слоёв выполнена в виде донорно-акцепторной системы барьерных слоев Al_xGa_1-xAs, пример 6: когда подложечная 7а группа барьерных слоёв выполнена в виде донорной - акцепторной системы барьерных слоев Al_xGa_1-xAs как в примере 1, а легирование выполнено как в примере 2.

Пример 7 соответствует образцу - прототипа.

Данные по образцам 1- 7 сведены в таблицу 1. Анализ полученных результатов показал, что образцы мощного полевого транзистора СВЧ, спроектированные по заявляемому техническому решению (примеры 1 и 2), имеют значения коэффициента усиления на уровне (12,0-13,0) дБ, в то время как образцы по примерам 4 и 5, имеют значения коэффициента усиления на уровне (8,0-10,5) дБ. Значения удельной выходной мощности составляет - примерно (2,5-3,5) Вт/мм.

Таким образом, заявляемый мощный полевой транзистор СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре типа AlGaAs-InGaAs-GaAs по сравнению с прототипом обеспечивает повышение удельной выходной мощности до полутора раз (примерно 2,5-3,0) Вт/мм при сохранении коэффициента усиления на уровне (12-13 дБ), что подтверждает достижение заявленного технического результата.

Изобретение относится к электронной технике СВЧ диапазона. Согласно изобретению в мощном полевом транзисторе СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре, содержащем 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, электроды истока, затвора, стока, расположенные на наружной поверхности полупроводниковой гетероструктуры, при этом в канальном слое расположена по меньшей мере одна дополнительная система легированных донорной примесью слоёв, отделенная от канала с каждой стороны барьерным слоем или системой слоёв Al_xGa_1-xAs толщиной не менее 1 нм с мольной долей химического элемента Alх более 0,05; а между дополнительной системой легированных донорной примесью слоёв и барьерными слоями по меньшей мере с одной стороны, расположен нелегированный слой GaAs. Изобретение обеспечивает повышение удельной выходной мощности при сохранении коэффициента усиления. 3 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Мощный полевой транзистор СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре, содержащий полупроводниковую подложку, буферный слой, последовательность по меньшей мере одного слоя пшрокозонного 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_yGa_1-yAs с разными значениями химического элемента у, по меньшей мере двух систем легированных донорной примесью слоев и двух нелегированных примесью спейсерных i-слоев, попарно расположенных по обе стороны собственно канального слоя, двух групп барьерных слоев Al_xGa_1-xAs, каждая в виде системы барьерных слоев, одна из которых расположена с одной стороны группы проводящих слоев - подложечная, другая - с противоположной стороны - затворная, при этом и подложечная, и затворная системы барьерных слоев независимо выполнены в виде донорно-акцепторной системы барьерных слоев Al_xGa_1-xAs либо донорной системы барьерных слоев Al_xGa_1-xAs; электроды истока, затвора, стока, расположенные на наружной поверхности полупроводниковой гетероструктуры, отличающийся тем, что в канальном слое расположена по меньшей мере одна дополнительная система легированных донорной примесью слоев, отделенная от канала с каждой стороны барьерным слоем или системой слоев Al_xGa_1-xAs толщиной не менее 1 нм с мольной долей химического элемента Al_х более 0,05; а между дополнительной системой легированных донорной примесью слоев и барьерными слоями по меньшей мере с одной стороны расположен нелегированный слой GaAs.

2. Мощный полевой транзистор СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре по п. 1, отличающийся тем, что дополнительная система легированных донорной примесью слоев содержит по крайней мере один объемный легированный слой или δn-слой.

3. Мощный полевой транзистор СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре по п. 1, отличающийся тем, что дополнительная система легированных донорной примесью слоев содержит по крайней мере один объемный легированный слой и один δn-слой.

4. Мощный полевой транзистор СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре по п. 1, отличающийся тем, что дополнительная система легированных донорной примесью слоев содержит нелегированные слои.