МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ СВЧ-ПРИБОР Советский патент 1995 года по МПК H01L23/367 

Изобретение относится к полупроводниковой технике, в частности к полупроводниковым СВЧ-приборам, таким, например, как лавинно-пролетные диоды, применяемым для генерации, усиления, преобразования и умножения сигналов сверхвысоких частот.

Известны конструкции многоэлементных полупроводниковых СВЧ-приборов, в частности лавинно-пролетных диодов на арсениде галлия, в которых на поверхности металлического теплоотвода наряду с несколькими диодными структурами расположен металлизированный полуизолирующий пьедестал, который находится либо рядом с диодными структурами, либо между ними и предназначен для обеспечения соединений диодных структур межэлементными соединениями между собой и с корпусом прибора.

Недостатком введения в конструкцию прибора металлизированного пьедестала является его значительная паразитная емкость, приводящая к ухудшению СВЧ-параметров прибора. Это обстоятельство, а также большие технологические трудности реализации таких конструкций привели к тому, что они не нашли практического применения в полупроводниковой технике.

Наиболее близким к изобретению является многоэлементный полупроводниковый СВЧ-прибор, состоящий из, по крайней мере, трех одинаковых диодных структур на основе широкозонного материала, преимущественно арсенида галлия, непосредственно контактирующих по плоскости перехода с металлическим теплоотводом и соединенных межэлементными соединениями.

Недостатком такой конструкции является низкий процент выхода годных и недостаточная надежность работы прибора. Это связано с тем, что диодные структуры выступают над поверхностью теплоотвода так, что боковые поверхности структуры и металлическая поверхность теплоотвода не могут быть эффективно защищены диэлектриком от соприкосновения с межэлементными соединениями, расположенными непосредственно над металлической поверхностью теплоотвода и вблизи открытого перехода. Это приводит к частным случаям короткого замыкания и выхода приборов из строя, как в процессе изготовления приборов, так и во время эксплуатации их в аппаратуре. Вероятность соприкосновения межэлементных соединений с металлической поверхностью теплоотвода и с боковой поверхностью диодных структур резко возрастает с увеличением числа диодных структур, поэтому практически данная конструкция может содержать не более 4-х диодных структур.

Цель изобретения увеличение процента выхода годных и повышение надежности работы прибора.

Поставленная цель достигается тем, что в многоэлементном полупроводниковом СВЧ-приборе, состоящем из, по крайней мере, трех одинаковых диодных структур на основе широкозонного материала, преимущественно арсенида галлия, непосредственно контактирующих по плоскости перехода с металлическим теплоотводом и соединенных межэлементными соединениями, диодные структуры расположены в углублениях в теле теплоотвода в форме цилиндра или усеченного конуса, боковые поверхности диодных структур непосредственно контактируют с теплоотводом, переходы изолированы по периферии от теплоотвода полуизолирующими слоями из того же широкозонного материала, а поверхность теплоотвода покрыта слоем диэлектрика с отверстиями над диодными структурами.

Расположение диодных структур в углублениях в теле теплоотвода в форме цилиндра или усеченного конуса, непосредственный контакт боковых поверхностей диодных структур с теплоотводом, изоляция переходов по периферии от теплоотвода полуизолирующими слоями из того же широкозонного материала, из которого выполнены области переходов диодных структур, и покрытие поверхности теплоотвода слоем диэлектрика с отверстиями над диодными структурами для подсоединения межэлементных соединений, например проволочных выводов, надежно изолирует области переходов, улучшает отвод тепла от диодных структур и полностью устраняет возможность непосредственного контакта межэлементных соединений с металлической поверхностью теплоотвода и с боковыми поверхностями диодных структур. Все это в совокупности увеличивает процент выхода годных, повышает надежность работы прибора и позволяет значительно увеличить число диодных структур в одном приборе.

На фиг. 1 дана схема многоэлементного полупроводникового СВЧ-прибора, разрез; на фиг. 2 то же, вид сверху.

Многоэлементный полупроводниковый СВЧ-прибор включает в себя девять диодных структур 1, непосредственно контактирующих по плоскости перехода 2 с металлическим теплоотводом 3 и соединенных межэлементными соединениями 4. Диодные структуры расположены в углублениях 5 в теле теплоотвода в форме усеченного конуса (или цилиндра), боковая поверхность 6 диодных структур непосредственно контактирует с теплоотводом, переход изолирован по периферии от теплоотвода полуизолирующими слоями 7, а поверхность теплоотвода покрыта слоем диэлектрика 8 с отверстиями 9 над диодными структурами.

Примером предлагаемой конструкции служит лавинно-пролетный диод на арсениде галлия, содержащий девять диодных элементов, предназначенный для работы в 1,5 см диапазоне длин волн. Исходным материалом такой конструкции служит пластина арсенида галлия толщиной 200 мкм и диаметром 25 мм с концентрацией доноров п⁺⁺= 1 ˙10¹⁸ см^-3, на которой последовательно выращиваются два эпитаксиальных слоя:буферный слой толщиной 3 мкм с концентрацией доноров п⁺= 5 ˙10¹⁷ см^-3 и рабочий слой толщиной 2 мкм с концентрацией доноров п=4 ˙10¹⁶ см^-3. На поверхность рабочего слоя напыляют пластину толщиной 0,15 мкм. С помощью фотолитографии, ионно-плазменного травления платины и химического травления арсенида галлия на поверхности рабочего слоя создают выступы в форме усеченного конуса с платиновыми электродами диаметром 90 мкм. При ионно-плазменном травлении арсенида галлия форма выступов получается цилиндрической. На поверхность рабочего слоя напыляют второй слой платины толщиной 0,05 мкм, на который электролитически осаждают золото толщиной 20 мкм, тем самым создавая первый слой интегрального теплоотвода. Арсенид галлия со стороны п⁺⁺ слоя стравливают до вскрытия платины. В результате в толще золотого теплоотвода утоплены островки арсенида галлия в форме усеченного конуса высотой 5-6 мкм и диаметрами оснований 130 мкм и 120 мкм, при этом плоскость перехода и боковые поверхности диодных структур непосредственно контактируют с теплоотводом. В зависимости от числа диодных структур в одном приборе и от рабочего диапазона частот, для которого предназначен прибор, геометрические размеры углублений в теплоотводе могут быть изменены как в сторону увеличения, так и уменьшения. На поверхность диодных структур из арсенида галлия, размещенных в углублениях и теплоотводе, напыляют золото толщиной 0,1 мкм и с помощью фотолитографии формируют окна диаметром 30 мкм, в которые электролитически осаждают золото толщиной 2-3 мкм. Далее проводят ионно-плазменное травление арсенида галлия до толщины 3,5-4,5 мкм и облучение пластины протонами с энергией 500-1000 кэВ. В результате облучения области арсенида галлия, незащищенные золотыми электродами, преобразуются из полупроводника в полуизолятор с удельным сопротивлением не менее 10⁶ Ом˙см, и изолируют активные области прибора с переходом пластин арсенида галлия по периферии перехода от золотого теплоотвода. Таким образом получают на пластине 400-600 окончательно сформированных диодных структур, расположенных в углублениях в теплоотводе. После этого доращивают теплоотвод до толщины 100 мкм электрическим осаждением меди. Поверхность теплоотвода покрывают сплошным слоем диэлектрика полиимидного лака марки АД-91-03 толщиной 3-5 мкм, в котором после полимеризации при 250^оС, используя металлическую маску из ванадия и фотолитографию, селективно вытравливают отверстия диаметром 40 мкм, расположенные над диодными элементами. Пластину разрезают на кристаллы с девятью диодными элементами. Кристаллы собирают в стандартные металлокерамические корпуса типа КД-129. Пайку кристаллов производят сплавом золото-германий. Диодные элементы соединяют между собой и с верхним фланцем ножки корпуса 15-микронной золотой проволокой методом термокомпрессии. Герметизацию корпуса осуществляют конденсаторной контактной сваркой. Было изготовлено около 200 образцов лавинно-пролетных диодов данной конструкции, которые успешно прошли полный цикл механических и климатических испытаний. Уровень выходной СВЧ-мощности девятиэлементных ЛПД превышает 1 Вт в 1,5 см диапазоне длин волн, что является наилучшим показателем для отечественных твердотельных генераторных приборов. Аналогично описанному примеру предлагаемой конструкции могут быть изготовлены многоэлементные лавинно-пролетные диоды на основе гетероструктур, например GaAlAs-GaAs.

Для сравнения технических показателей были изготовлены партии лавинно-пролетных диодов на арсениде галлия с пятью и девятью диодными элементами двух конструкций по предлагаемому изобретению и прототипу. Результаты эксперимента, приведенные в таблице, показывают, что лавинно-пролетные диоды, предлагаемые по изобретению, не уступают по СВЧ-параметрам, превышают по надежности и значительно превышают по проценту выхода (в 1,8-12,6 раза в зависимости от числа диодных элементов) лавинно-пролетные диоды-прототипы.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого изобретения заключается в том, что предлагаемая по изобретению конструкция многоэлементного полупроводникового СВЧ-диода позволяет создавать приборы, характеризующиеся высокими значениями выходных параметров, повышенной надежностью и высоким процентом выхода, что позволит создавать более качественную по техническим характеристикам аппаратуру СВЧ-диапазона по сравнению с прототипом, одновременно являющимся и базовым объектом.

МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ СВЧ-ПРИБОР, состоящий из по крайней мере трех одинаковых диодных структур на основе широкозонного материала, преимущественно арсенида галлия, непосредственно контактирующих по плоскости перехода с металлическим теплоотводом и соединенных межэлементными соединениями, отличающийся тем, что, с целью увеличения процента выхода годных и повышения надежности работы прибора, диодные структуры расположены в углублениях в теле теплоотвода в форме цилиндра или усеченного конуса, боковые поверхности диодных структур непосредственно контактируют с теплоотводом, переходы изолированы по периферии от теплоотвода полуизолирующими слоями из того же широкозонного материала, а поверхность теплоотвода покрыта слоем диэлектрика с отверстиями над диодными структурами.