RU2574808C2

RU2574808C2 - Heavy-duty pseudomorphic shf switch

Info

Publication number: RU2574808C2
Application number: RU2014123220/08A
Authority: RU
Inventors: Грачик Хачатурович Аветисян; Алексей Сергеевич Адонин; Юрий Владимирович Колковский; Вадим Минхатович Миннебаев
Original assignee: Открытое акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Пульсар"
Filing date: 2014-06-09
Publication date: 2016-02-10

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: super-high frequency switch includes a substrate on which the following components are arranged in series: AlN buffer layer, a buffer layer from GaN, a buffer layer from non-doped GaN of i conductivity type. Besides, the SHF switch includes a two-dimensional electron gas of high density, which serves as the lower armature of a capacitor, a smoothing layer from gallium nitride, a dielectric layer from hafnium dioxide, metal electrodes of a strip shape, which form the upper armature of the capacitor, and two capacitors forming double HF keys. The substrate is made from insulating heat-conducting CVD polycrystalline diamond, and on the buffer layer from non-doped GaN of i conductivity type the following components are in-series arranged: a superlattice from Al_XGa_1-XN/GaN, a buffer layer from GaN, a heavily doped layer of n conductivity type from Al_XGa_1-XN, a spacer from Al_XGa_1-XN, a smoothing layer, a channel from In_XGa_1-XN, an additional smoothing layer, a spacer from Al_XGa_1-XN, a heavily doped Al_XGa_1-XN layer, a layer from GaN, a dielectric layer from hafnium dioxide and an additional dielectric layer. The switch has minimum number of deep DX electron traps, and the channel is elastically stressed and of a pseudomorphic type and has InGa concentration of 15-25% and doped on both sides, and the two-dimensional electron gas is formed between the channel and the layer from Al_XGa_1-XN.

EFFECT: improved reliability of the device by reduction of influence of DX centres, increase of density of electrons and elimination of degradation in a heterostructure.

4 cl, 1 tbl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области полупроводниковых изделий и может быть использовано при создании нового поколения СВЧ элементной базы и интегральных схем на основе гетероструктур широкозонных полупроводников.The invention relates to the field of semiconductor products and can be used to create a new generation of microwave element base and integrated circuits based on heterostructures of wide-gap semiconductors.

Известен неуправляемый (пассивный) переключатель мощности [ГАСАНОВ Л.Г. и др. Твердотельные устройства СВЧ в технике связи. М., Радио и связь, 1988, с. 143], состоящий из отрезка линии передачи, параллельно которому включены pin диоды и диод Шоттки, соединенные встречно-параллельно. Диод Шоттки благодаря малой инерционности и меньшей контактной разности потенциалов открывается раньше при малых уровнях входной мощности и своим током открывает pin диоды, повышая быстродействие ограничителя.Known uncontrolled (passive) power switch [HASANOV L.G. and other solid-state microwave devices in communication technology. M., Radio and Communications, 1988, p. 143], consisting of a segment of the transmission line, in parallel with which pin diodes and a Schottky diode are connected, connected counter-parallel. The Schottky diode, due to its low inertia and smaller contact potential difference, opens earlier at low input power levels and opens pin diodes with its current, increasing the speed of the limiter.

При больших уровнях мощности открытые pin диоды отражают основную часть входной мощности и частично ее рассеивают, а поскольку pin диоды располагаются перед диодом Шоттки, то мощность дошедшая до диода Шоттки оказывается значительно ослабленной и безопасной для него. Уровень ограничения проходящей мощности в таком ограничителе соответствует падению прямого напряжения на диоде Шоттки.At high power levels, open pin diodes reflect the main part of the input power and partially dissipate it, and since pin diodes are located in front of the Schottky diode, the power reaching the Schottky diode is significantly weakened and safe for it. The level of limiting transmitted power in such a limiter corresponds to a drop in the forward voltage at the Schottky diode.

Недостатком этого ограничителя является низкая надежность, обусловленная потерей СВЧ сигнала.The disadvantage of this limiter is the low reliability due to the loss of the microwave signal.

Наиболее близким аналогом является мощный переключатель СВЧ (см. Патент РФ №140856, кл. МПК H01P 1/15, опубл. 20.05.2014) на основе соединения галлия, содержащий подложку, поверх которой размещена эпитаксиальная гетероструктура и барьер Шоттки. Переключатель СВЧ изготовлен на нитриде галлия, где в качестве подложки использован сапфир, затем последовательно размещены: буферный слой AlN, буферный слой из GaN, второй буферный слой из нелегированного нитрида галлия (i-тип), твердый раствор Al_xGa_1-xN, и в интерфейсе GaN/Al_xGa_1-xN гетероструктуры образован двумерный электронный газ высокой плотности, который служит нижней обкладкой конденсатора. Поверх твердого раствора Al_xGa_1-xN размещен химически устойчивый сглаживающий слой из нитрида галлия, поверх которого нанесен диэлектрик, содержащий слой из двуокиси гафния, поверх диэлектрика размещены металлические электроды полосковой формы, которые образуют верхнюю обкладку конденсатора.The closest analogue is a powerful microwave switch (see RF Patent No. 140856, class IPC H01P 1/15, publ. 05.20.2014) based on a gallium compound containing a substrate over which an epitaxial heterostructure and Schottky barrier are placed. The microwave switch is made of gallium nitride, where sapphire is used as a substrate, then sequentially placed: AlN buffer layer, GaN buffer layer, second buffer layer of undoped gallium nitride (i-type), Al _x Ga _1-x N solid solution, and a two-dimensional high-density electron gas is formed at the GaN / Al _x Ga _1-x N interface of the heterostructure, which serves as the bottom plate of the capacitor. On top of the Al _x Ga _1-x N solid solution, a chemically stable smoothing layer of gallium nitride is placed, on top of which a dielectric containing a layer of hafnium dioxide is deposited, strip-shaped metal electrodes are placed on top of the dielectric, which form the upper lining of the capacitor.

Недостатком этого устройства является низкая надежность, обусловленная быстрым выходом из строя в связи с влиянием DX центров на приборные характеристики, что вносит вклад в коэффициент шума и приводит к коллапсу тока.The disadvantage of this device is the low reliability due to the rapid failure due to the influence of DX centers on the instrument characteristics, which contributes to the noise figure and leads to a current collapse.

Задачей настоящего изобретения является устранение вышеуказанных недостатков.The objective of the present invention is to remedy the above disadvantages.

Технический результат изобретения заключается в повышении надежности устройства с обеспечением снижения влияния DX центров, с повышением плотности электронов и с устранением деградации в гетероструктуре.The technical result of the invention is to increase the reliability of the device while reducing the influence of DX centers, with increasing electron density and eliminating degradation in the heterostructure.

Технический результат обеспечивается тем, что мощный переключатель СВЧ содержит подложку, на которой последовательно размещены: буферный слой AlN, буферный слой из GaN, буферный слой из нелегированного GaN i-типа проводимости. Кроме того, переключатель СВЧ содержит двумерный электронный газ высокой плотности, который служит нижней обкладкой конденсатора, сглаживающий слой из нитрида галлия, слой диэлектрика из двуокиси гафния, металлические электроды полосковой формы, которые образуют верхнюю обкладку конденсатора, и два конденсатора, образующих двойные ВЧ-ключи. Подложка выполнена из изолирующего теплопроводящего CVD поликристаллического алмаза, а на буферном слое из нелегированного GaN i-типа проводимости последовательно размещены сверхрешетка из Al_XGa_1-XN/GaN, буферный слой из GaN. сильнолегированный слой n-типа проводимости из Al_XGa_1-XN, спейсер из Al_XGa_1-XN, сглаживающий слой, канал из In_XGa_1-XN, сглаживающий дополнительный слой, спейсер из Al_XGa_1-XN, сильнолегированный слой Al_XGa_1-XN, слой из GaN, слой диэлектрика из двуокиси гафния и дополнительный слой диэлектрика. При этом переключатель выполнен с минимальным количеством глубоких электронных ловушек DX, а канал выполнен упруго-напряженным псевдоморфным с концентрацией InGa 15-25% и легирован с двух сторон, а двумерный электронный газ образован между каналом и слоем из Al_XGa_1-XN.The technical result is ensured by the fact that the high-power microwave switch contains a substrate on which are sequentially placed: an AlN buffer layer, a GaN buffer layer, an i-type conductive undoped GaN buffer layer. In addition, the microwave switch contains a high-density two-dimensional electron gas, which serves as the bottom plate of the capacitor, a smoothing layer of gallium nitride, a dielectric layer of hafnium dioxide, metal strip electrodes that form the upper plate of the capacitor, and two capacitors forming double RF keys . The substrate is made of insulating heat-conducting CVD polycrystalline diamond, and an Al _X Ga _1-X N / GaN superlattice and a GaN buffer layer are sequentially placed on a buffer layer of undoped GaN i-type conductivity. heavily doped n-type conductivity layer from Al _X Ga _1-X N, spacer from Al _X Ga _1-X N, smoothing layer, channel from In _X Ga _1-X N, smoothing additional layer, spacer from Al _X Ga _1-X N, a heavily doped Al _X Ga _1-X N layer, a GaN layer, a hafnium dioxide dielectric layer and an additional dielectric layer. In this case, the switch is made with a minimum number of deep electronic traps DX, and the channel is made elastically stressed pseudomorphic with an InGa concentration of 15-25% and is doped on both sides, and a two-dimensional electron gas is formed between the channel and the Al _X Ga _1-X N layer.

В соответствии с частными случаями выполнения устройство имеет следующие конструктивные особенности:In accordance with particular cases of execution, the device has the following design features:

Канал выполнен из In_0,17Ga_0,83N с шириной запрещенной зоны 5,35 эВ.The channel is made of In _0.17 Ga _0.83 N with a band gap of 5.35 eV.

Канал выполнен с критической толщиной 7-16 нм.The channel is made with a critical thickness of 7-16 nm.

Дополнительный слой из диэлектрика выполнен из Al₂O_3, или ZrO_2, или La₂O₃, или Υ₂O₃.An additional dielectric layer is made of Al ₂ O _3, or ZrO _2, or La ₂ O ₃ , or Υ ₂ O ₃ .

Сущность настоящего изобретения поясняется следующими иллюстрациями:The essence of the present invention is illustrated by the following illustrations:

фиг. 1 - отображено устройство в разрезе;FIG. 1 - shows a device in section;

фиг. 2 - отображена схема настоящего устройства.FIG. 2 - shows a diagram of the present device.

На фиг. 1 отображены следующие конструктивные элементы:In FIG. 1 displays the following features:

1 - подложка из изолирующего теплопроводящего CVD поликристаллического алмаза;1 - a substrate of insulating heat-conducting CVD polycrystalline diamond;

2 - буферный слой из ΑlΝ;2 - buffer layer of ΑlΝ;

3 - буферный слой из GaN;3 - buffer layer of GaN;

4 - буферный слой из GaN i-типа проводимости:4 - buffer layer of GaN i-type conductivity:

5 - сверхрешетка из Al_XGa_1-XN/GaN;5 - superlattice of Al _X Ga _1-X N / GaN;

6 - буферный слой из GaN;6 - buffer layer of GaN;

7 - сильнолегированный слой n-типа Al_XGa_1-XN;7 - heavily doped layer of n-type Al _X Ga _1-X N;

8 - спейсер из Al_XGa_1-XN;8 - spacer from Al _X Ga _1-X N;

9 - сглаживающий слой:9 - smoothing layer:

10 - канал In_XGa_1-XN;10 - channel In _X Ga _1-X N;

11 - сглаживающий слой;11 - a smoothing layer;

12 - спейсер из Al_XGa_1-XN;12 - spacer from Al _X Ga _1-X N;

13 - сильнолегированный слой n-типа из Al_XGa_1-XN;13 - heavily doped n-type layer of Al _X Ga _1-X N;

14 - дополнительный слой n-типа из GaN;14 is an additional n-type layer of GaN;

15 - слой диэлектрика из двуокиси гафния;15 - dielectric layer of hafnium dioxide;

16 - дополнительный слой диэлектрика из двуокиси металла;16 - an additional dielectric layer of metal dioxide;

17 - металлические электроды полосковой формы, которые образуют верхнюю обкладку конденсатора.17 - strip-shaped metal electrodes that form the top of the capacitor.

Настоящее устройство производился следующим образом.The present device was manufactured as follows.

На поверхности базовой подложки из монокристаллического кремния p-типа проводимости, ориентированного по плоскости (III), последовательно размещены: буферный слой из AlN 2, толщиной 0,1 мкм и слой из теплопроводящего CVD поликристаллического алмаза 1 (подложка), толщиной ≥0,1 мм. После размещения слоя CVD поликристаллического алмаза 1, базовая подложка из кремния удаляется методами мокрого и сухого травления и на буферном слоем 2 размещается многослойная эпитаксиальная структура: из нелегированного буферного слоя 3 GaN, толщиной 200 нм, нелегированного буферного слоя 4 (i-типа) из GaN, толщиной 200 нм, нелегированной сверхрешетки из Al_XGa_1-XN/GaN 5, нелегированного буферного слоя 6 из GaN, толщиной 100 нм, сильнолегированного слоя из твердого раствора Al_XGa_1-XN, толщиной 4,5 нм 7, нелегированного слоя Al_XGa_1-XN (спейсер) 8, толщиной 2 нм, сглаживающего слоя из GaN 9, толщиной 3 нм, нелегированного слоя в виде твердого раствора In_XGa_1-XN (канал) 10, толщиной 12 нм, нелегированного сглаживающего слоя из GaN 11, толщиной 1.5 нм, нелегированного слоя Al_XGa_1-XN (спейс) 12, толщиной 2 нм, сильнолегированного слоя 13 в виде твердого раствора Al_XGa_1-XN, толщиной 16 нм, дополнительного слоя 14 n-типа из GaN, толщиной 15 нм, слоя диэлектрика из двуокиси гафния 15 и дополнительного слоя диэлектрика из двуокиси металла 16. В качестве второго слоя диэлектрика могут быть использованы Al₂O₃, или ZrO₂, или La₂O₃, или Y₂O₃.On the surface of the base substrate of p-type single crystal silicon, oriented along plane (III), successively placed: a buffer layer of AlN 2, 0.1 μm thick and a layer of heat-conducting CVD polycrystalline diamond 1 (substrate), thickness ≥0.1 mm After placing the CVD layer of polycrystalline diamond 1, the silicon base substrate is removed by wet and dry etching and a multilayer epitaxial structure is placed on buffer layer 2: from undoped buffer layer 3 GaN, 200 nm thick, undoped buffer layer 4 (i-type) from GaN , a thickness of 200 nm, an undoped superlattice of Al _X Ga _1-X N / GaN 5, an unalloyed buffer layer 6 of GaN, a thickness of 100 nm, a heavily doped layer of Al _X Ga _1-X N solid solution, 4.5 nm thick 7, undoped Al _X Ga _1-X N layer (spacer) 8, 2 nm thick, smooth a living layer of GaN 9, 3 nm thick, an unalloyed layer in the form of an In _X Ga _1-X N solid solution (channel) 10, 12 nm thick, an unalloyed smoothing layer of GaN 11, 1.5 nm thick, an unalloyed Al _X Ga _1- layer _X N (space) 12, 2 nm thick, highly doped layer 13 in the form of an Al _X Ga _1-X N solid solution, 16 nm thick, an additional n-type GaN layer 14, 15 nm thick, a dielectric layer of hafnium dioxide 15 and an additional dielectric layer of metal dioxide 16. As the second dielectric layer, Al ₂ O ₃ , or ZrO ₂ , or La ₂ O ₃ , or Y ₂ O ₃ can be used.

Затем размещают металлические электроды полосковой формы 17, которые образуют верхнюю обкладку конденсатора. Конструкция переключателя состоит из двух отдельных конденсаторов (ДГМОП), соединенных по принципу «спина к спине».Then, the metal electrodes of the strip form 17, which form the upper plate of the capacitor, are placed. The design of the switch consists of two separate capacitors (DGMOS), connected on a back-to-back basis.

При этом между буферным слоем из ΑlΝ 2 и буферным слоем GaN 3 располагается переходная область, которая служит для уменьшения рассогласования параметров решетки, буферных слоев и растущих на них многослойных эпитаксиальных слоев.In this case, a transition region is located between the buffer layer of ΑlΝ 2 and the GaN 3 buffer layer, which serves to reduce the mismatch of the lattice parameters, buffer layers, and multilayer epitaxial layers growing on them.

Слой из In_XGa_1-XN 10 предназначен для образования в его приповерхностном слое проводящего канала (двумерного электронного газа (ДЭГ) с высокой подвижностью носителей заряда), возникающего за счет разрыва зон и поляризационных эффектов при образовании гетероперехода _InXGa1-XN/Al_XGa_1-XN. Основным требованием к этому слою является структурное совершенство, достаточное для обеспечения высокой подвижности электронов и высокого сопротивления. Поэтому канальный слой не легируется.A layer of In _X Ga _1-X N 10 is intended for the formation of a conducting channel (two-dimensional electron gas (DEG) with high carrier mobility) in its surface layer, which arises due to band gap and polarization effects during the formation of the _InXGa1-X N / Al heterojunction _X Ga _1-X N. The basic requirement for this layer is structural excellence sufficient to provide high electron mobility and high resistance. Therefore, the channel layer is not alloyed.

Рассогласование параметров решеток в случае роста слоев In_XGa_1-XN на AlGaN может достигать более 7,5%. В случае относительно малых значений содержания In в слое InGaN или малых толщин InGaN рассогласование параметров решетки может быть аккомодировано упруго. В этом случае постоянная решетки слоя InGaN принимает значение, отвечающее подложке AlGaN. Такой механизм роста называется псевдомофным, а подобные структуры InGaN/(Al)GaN - псевдоморфными структурами. Таким образом, псевдоморфный канал гетероструктуры InGaN/AlGaN является упруго-напряженным.The mismatch of the lattice parameters in the case of growth of In _X Ga _1-X N layers on AlGaN can reach more than 7.5%. In the case of relatively small In contents in the InGaN layer or small InGaN thicknesses, the mismatch of the lattice parameters can be elastic elastic accommodation. In this case, the lattice constant of the InGaN layer assumes a value corresponding to the AlGaN substrate. Such a growth mechanism is called pseudomorphic, and similar InGaN / (Al) GaN structures are called pseudomorphic structures. Thus, the pseudomorphic channel of the InGaN / AlGaN heterostructure is elastically stressed.

Как отмечено выше, к недостаткам традиционной гетероструктуры системы AlGaN/GaN следует в первую очередь отнести влияние DX центров в слое AlGaN:Si на приборные характеристики. Перезарядка центров на высоких частотах вносит вклад в коэффициент шума, а захват электронов канала на центры при сильных полях приводит к коллапсу тока - сдвигу напряжения открытия устройства в сторону больших значений V_G. Коллапс наиболее сильно сказывается при низких температурах, не позволяя в полной мере использовать улучшение транспортных свойств двумерных электронов при снижении температуры.As noted above, the disadvantages of the traditional heterostructure of the AlGaN / GaN system include, first of all, the influence of DX centers in the AlGaN: Si layer on the instrumental characteristics. The recharging of centers at high frequencies contributes to the noise figure, and the capture of channel electrons by the centers at strong fields leads to a current collapse — a shift in the opening voltage of the device toward large values of V _G. Collapse is most pronounced at low temperatures, not allowing the full use of the improvement in the transport properties of two-dimensional electrons with decreasing temperature.

Снизить влияние DX центров можно, используя слои AlGaN с меньшим составом по Al, что невыгодно вследствие уменьшения разрыва зон на гетерогранице и, как следствие, снижения плотности электронов в канале. Расчеты показывают, что с учетом влияния DX центров, характера зависимости ΔE_C от мольной доли AlN, заглубления донорного уровня, и ограничения на степень легирования слоя AlGaN, плотность электронов в канале МЛГС AlGaN/GaN не может превышать ~1.2-1.3×10^-12 см^-2.The influence of DX centers can be reduced by using AlGaN layers with a lower Al composition, which is disadvantageous due to a decrease in the band gap at the heterointerface and, as a consequence, a decrease in the electron density in the channel. Calculations show that taking into account the influence of DX centers, the nature of the dependence of ΔE _C on the molar fraction of AlN, the depth of the donor level, and the restriction on the degree of doping of the AlGaN layer, the electron density in the AlGaN / GaN MLHS channel cannot exceed ~ 1.2-1.3 × 10 ^-12 cm ^-2 .

Одним из способов уменьшения «коллапса тока», возникающего из-за захвата электронов на ловушки в приповерхностном буферном слое, достигается за счет его пассивации, что, однако, не спасает от захвата электронов на ловушки в буферном слое из GaN. Проблема усугубляется тем, что при его легировании компенсирующие примеси создают дополнительные ловушки. Несмотря на это, наличие пассивации буферного слоя способствует уменьшению утечки затвора на 3-5 порядка, что приводит к понижению уровня нелинейных искажений сигнала, увеличению напряжения на металлические полоски (обкладки переключателя). В результате этого возрастает плотность электронов, и максимальный ток канала увеличивается в 2 раза.One of the ways to reduce the "current collapse" arising due to the capture of electrons by traps in the surface buffer layer is achieved by passivation, which, however, does not save from the capture of electrons by traps in the GaN buffer layer. The problem is compounded by the fact that when it is doped, compensating impurities create additional traps. Despite this, the presence of passivation of the buffer layer helps to reduce gate leakage by 3-5 orders of magnitude, which leads to a decrease in the level of nonlinear distortion of the signal and an increase in the voltage across the metal strips (switch plates). As a result of this, the electron density increases, and the maximum channel current increases by a factor of 2.

Снижение влияния DX центров, повышение плотности электронов, устранения деградации в гетероструктуре мощного переключателя, а также подавление токового коллапса достигается за счет увеличения разрыва зоны проводимости на гетерогранице (ΔE_C) в области канала, используя в составе канала твердого раствора полупроводника с большей шириной запрещенной зоны, например In_0,17Ga_0,83N с шириной запрещенной зоны 5,35 эВ, либо в результате увеличения концентрации InN в твердом растворе InGaN от 15 до 25%, при критической толщине соответственно 7-16 нм.Reducing the influence of DX centers, increasing the electron density, eliminating degradation in the heterostructure of a high-power switch, and also suppressing current collapse is achieved by increasing the breakdown of the conduction band at the heterointerface (ΔE _C ) in the channel region using a semiconductor with a larger band gap in the channel composition , for example, In _0.17 Ga _0.83 N with a band gap of 5.35 eV, or as a result of an increase in the InN concentration in the InGaN solid solution from 15 to 25%, with a critical thickness of 7-16 nm, respectively.

В настоящем устройстве обеспечивается оптимизация отвода тепла из кристалла переключателя и минимизация утечек тока диэлектриком 15. Это обеспечивается с помощью использования теплопроводящего поликристаллического слоя алмаза 1 (подложка) и диэлектрических слоев из двуокиси гафния 15 и оксида металла 16, которые позволяют минимизировать утечки тока, увеличить значение напряжения пробоя и обеспечить пассивацию приповерхностного слоя кристалла.This device provides optimization of heat removal from the switch crystal and minimizes current leakage by dielectric 15. This is achieved by using a heat-conducting polycrystalline layer of diamond 1 (substrate) and dielectric layers of hafnium dioxide 15 and metal oxide 16, which can minimize current leakage, increase the value breakdown voltage and provide passivation of the surface layer of the crystal.

Использование в качестве подложки многослойной гетероструктуры слоя теплопроводящего поликристаллического алмаза одновременно со слоями диэлектриков двуокиси гафния 15 и оксида алюминия 16 повышают величину пробивною напряжения на 15-20%, что обеспечивает повышение эффективности предложенного в изобретении устройства.The use of a layer of thermally conductive polycrystalline diamond as a substrate of a multilayer heterostructure simultaneously with layers of dielectrics of hafnium dioxide 15 and alumina 16 increase the breakdown voltage by 15-20%, which improves the efficiency of the device proposed in the invention.

Настоящее устройство способно функционировать в диапазоне частот вплоть до 30 ГГц. Конструкция гетероструктуры приведена на фиг. 1, а в таблице 1 представлены основные электрофизические параметры гетероструктуры.This unit is capable of operating in the frequency range up to 30 GHz. The design of the heterostructure is shown in FIG. 1, and table 1 presents the main electrophysical parameters of the heterostructure.

Таблица 1Table 1 Температура измерения в канале гетероструктуры, КMeasurement temperature in the channel of the heterostructure, K Слоевая концентрация носителей заряда в канале гетероструктур, не менее, см^-2 Layer concentration of charge carriers in the channel of heterostructures, not less than, cm ^-2 Подвижность носителей заряда в канале не менее, см²/(В×с)The mobility of the charge carriers in the channel is not less than cm ² / (V × s) AlGaN, 300AlGaN, 300 1,2·10¹²-1,3·10¹² 1.2 · 10 ¹² -1.3 · 10 ¹² 1500-20001500-2000 InGaN, 300InGaN, 300 8,5·10¹²-3,5·10¹³ 8.5 · 10 ¹² -3.5 · 10 ¹³ 2100-25002100-2500

Для гетероструктур, изготовленных для мощных псевдоморфных переключателей, одним из важнейших параметров является концентрация электронов в канале. Эта величина достаточно большая (8,5·10¹² см^-2 - 3,5·10¹³ см^-2), но в то же время она ограничена сверху. В связи с этим оптимальным значением концентрации электронов в канале является диапазон 8.5·10¹² см^-2 до 3,5·10¹³ см^-2. Конкретное же значение из указанного диапазона определяется параметрами структуры и функциональным назначением приборов.For heterostructures fabricated for high-power pseudomorphic switches, one of the most important parameters is the electron concentration in the channel. This value is quite large (8.5 · 10 ¹² cm ^-2 - 3.5 · 10 ¹³ cm ^-2 ), but at the same time it is limited from above. In this regard, the optimal value of the electron concentration in the channel is the range 8.5 · 10 ¹² cm ^-2 to 3.5 · 10 ¹³ cm ^-2 . The specific value from the specified range is determined by the structure parameters and the functional purpose of the devices.

Для содержания InN в слое InGaN (данной величины рассогласования) существует некоторая толщина слоя, который может быть выращен в псевдоморфном режиме. Дальнейшее увеличение толщины слоя приводит к формированию дислокаций несоответствия, снимающих механическое напряжение. Подвижность в рассогласованных структурах снижается в результате образования дислокаций превышения критической толщины слоя. Критическая толщина зависит от упругих свойств материалов, образующих гетеропереход, и уменьшается с увеличением содержания InN в слое InGaN и для концентрации около 20% составляет примерно 15 нм.For the InN content in the InGaN layer (given mismatch value), there is a certain layer thickness that can be grown in a pseudomorphic mode. A further increase in the layer thickness leads to the formation of misfit dislocations that relieve mechanical stress. Mobility in mismatched structures decreases as a result of the formation of dislocations exceeding the critical layer thickness. The critical thickness depends on the elastic properties of the materials forming the heterojunction, and decreases with increasing InN content in the InGaN layer and is about 15 nm for a concentration of about 20%.

Ограничения, накладываемые критической толщиной, приводят к тому, что при содержании InN свыше 30% слой, который может быть выращен бездислокационно, оказывается слишком тонким и неприемлем для использования в приборе. Таким образом, увеличение энергии размерного квантования в яме GaN/In_XGa_1-XN/AlGaN компенсирует увеличение ΔE_C с ростом x. В рамках данного предложения при использовании в качестве канала псевдоморфных переключателей использованы слои с содержанием InN около 15-25% (толщина слоев около 6-17 нм).The restrictions imposed by the critical thickness lead to the fact that, with an InN content of more than 30%, the layer that can be grown without dislocation is too thin and unacceptable for use in the device. Thus, an increase in the size quantization energy in the GaN / In _X Ga _1-X N / AlGaN well compensates for the increase in ΔE _C with increasing x. In the framework of this proposal, using pseudomorphic switches as a channel, layers with an InN content of about 15-25% (layer thickness of about 6-17 nm) were used.

При использовании напряженных квантовых ям шириной ~10÷15 нм с составом до 25% изготовленные гетероструктуры по своим характеристикам превосходят традиционные гетероструктуры с GaN каналом.When using strained quantum wells with a width of ~ 10–15 nm with a composition of up to 25%, the fabricated heterostructures in their characteristics are superior to traditional heterostructures with a GaN channel.

Другим немаловажным параметром оптимизации гетероструктур для мощных СВЧ приборов является отношение уровней легирования верхнего и нижнего барьера (N_d2/N_d1). Зонная диаграмма гетероструктуры асимметрична из-за высокого поверхностного потенциала, поэтому легирование верхнего барьера должно быть сильнее. Кроме того, при выращивании слоев структур существует сегрегация примесей в направлении роста, и введение большого количества примесей в нижний барьерный слой вызвало бы нежелательное увеличение концентрации фоновой примеси кремния в канале InGaN.Another important optimization parameter for heterostructures for high-power microwave devices is the ratio of the doping levels of the upper and lower barriers (N _d2 / N _d1 ). The band diagram of the heterostructure is asymmetric due to the high surface potential; therefore, the doping of the upper barrier should be stronger. In addition, during the growth of structure layers, there is a segregation of impurities in the growth direction, and the introduction of a large amount of impurities into the lower barrier layer would cause an undesirable increase in the concentration of the background silicon impurity in the InGaN channel.

Исследования показали, что для малошумящих приборов лучшим соотношением является 2, в то время как для усилителей мощности подходит N_d2/N_d1=3.Studies have shown that for low-noise devices, the best ratio is 2, while for power amplifiers, N _d2 / N _d1 = 3 is suitable.

Преимущества конструкции настоящего устройства заключаются в следующем:The design advantages of this device are as follows:

- использование слоя в виде короткопериодной сверхрешетки AlGaN/GaN, позволяющего существенно снизить плотность ростовых дефектов и улучшить электрическую изоляцию между каналом гетероструктуры и подложкой;- the use of a layer in the form of a short-period AlGaN / GaN superlattice, which can significantly reduce the density of growth defects and improve the electrical insulation between the heterostructure channel and the substrate;

- относительно малая суммарная толщина буферных слоев GaN, позволяющая улучшить ограничение носителей в канале:- a relatively small total thickness of the GaN buffer layers, which allows to improve the carrier restriction in the channel:

- наличие дополнительного тонкого слоя нелегированного GaN между псевдоморфным InGaN каналом и AlGaN спейсером, улучшающего структурное качество границы раздела (сглаживающий слой);- the presence of an additional thin layer of undoped GaN between the pseudomorphic InGaN channel and the AlGaN spacer, which improves the structural quality of the interface (smoothing layer);

- наличие дополнительного слоя n-типа GaN под слоем диэлектрика из двуокиси гафния обеспечивает высокое качество границы диэлектрика с гетероструктурой на химически более стабильном по сравнению с AlGaN материале. Кроме того, обеспечивает уменьшение шереховатости поверхности, что уменьшает окисление поверхности и повышает надежность переключателя, препятствуя «коллапсу тока»;- the presence of an additional layer of n-type GaN under the dielectric layer of hafnium dioxide provides a high quality interface between the dielectric and the heterostructure on a chemically more stable material compared to AlGaN. In addition, it provides a reduction in surface roughness, which reduces surface oxidation and increases the reliability of the switch, preventing "current collapse";

- увеличение значений плотности и подвижности электронов в канале, изготовленного на основе InGaN, достигается оптимальным выбором независимых параметров структуры: концентрации легирующей примеси в сильнолегированном материале - 2,5÷3×10¹⁹ см^-3, толщины нелегированного спейсера - 2-3 нм и концентрации InN в твердом растворе от 15 до 25%.- an increase in the density and mobility of electrons in the channel made on the basis of InGaN is achieved by the optimal choice of independent structural parameters: the concentration of the dopant in the highly doped material is 2.5 ÷ 3 × 10 ¹⁹ cm ^-3 , the thickness of the undoped spacer is 2-3 nm and concentrations of InN in solid solution from 15 to 25%.

Для создания многослойных наногетероструктур твердых растворов AlGaN/InGaN/GaN использовалась молекулярно-пучковая эпитаксия, основным достоинством которой является возможность выращивания многослойных гетероструктур полупроводниковых соединений с чрезвычайно резкими профилями элементного состава и легирования.To create multilayer nanoheterostructures of AlGaN / InGaN / GaN solid solutions, molecular beam epitaxy was used, the main advantage of which is the possibility of growing multilayer heterostructures of semiconductor compounds with extremely sharp elemental composition and doping profiles.

Двуокись гафния является представителем наиболее перспективных диэлектрических материалов для гетероМОП переключателей в качестве пассивирующего слоя и подзатворного диэлектрика. Этот материал обладает высокими диэлектрической проницаемостью К=20-25 и шириной запрещенной зоны Eg=5,8 эВ, а также термодинамически стабилен в диапазоне рабочих температур рассматриваемых устройств. Кроме того, двуокись гафния как диэлектрический материал для устройств с емкостно соединенными контактами, с изолированным затвором имеет высокую диэлектрическую проницаемость и пригоден для более низких пороговых напряжений и более сильной емкостной связи, высокую электрическую прочность диэлектрика для более высоких пробивных напряжений и низкую плотность состояния границы раздела. Поверх слоя 15 размещается слой оксида металла 16 (Al₂O₃, или ZrO₂, или La₂O₃, или Y₂O₃). Использование слоев из двуокиси гафния 15 и оксида металла 16 позволяет минимизировать утечки тока, улучшает пассивацию буферного приповерхностного слоя, увеличивает значение напряжения пробоя. Слой из InGaN 10 предназначен для образования в его приповерхностном слое проводящего канала (двумерного электронного газа (ДЭГ) с высокой подвижностью носителей заряда), возникающего за счет разрыва зон и поляризационных эффектов при образовании гетероперехода AlGaN/InGaN. Основным требованием к этому слою является структурное совершенство, достаточное для обеспечения высокой подвижности электронов и высокого сопротивления. Между буферным слоем из нитрида алюминия 2 и буферным слоем из нитрида галлия 4 i-типа располагается переходная область в виде буферного слоя из нитрида галлия 3, которая служит для уменьшения рассогласования параметров решетки и растущих на ней эпитаксиальных слоев. Между слоем твердого раствора Al_XGa_1-XN 12 и диэлектрическим слоем 15 из HfO₂ размещен дополнительный слой 14 из химически более стабильного нитрида галлия (сглаживающий слой)Hafnium dioxide is a representative of the most promising dielectric materials for heteroMOS switches as a passivating layer and a gate insulator. This material has a high dielectric constant K = 20-25 and the band gap Eg = 5.8 eV, and is also thermodynamically stable in the operating temperature range of the devices under consideration. In addition, hafnium dioxide as a dielectric material for devices with capacitively connected contacts, with an insulated gate has a high dielectric constant and is suitable for lower threshold voltages and stronger capacitive coupling, high dielectric strength for higher breakdown voltages and low density of the interface . On top of layer 15 is a metal oxide layer 16 (Al ₂ O ₃ , or ZrO ₂ , or La ₂ O ₃ , or Y ₂ O ₃ ). The use of layers of hafnium dioxide 15 and metal oxide 16 minimizes current leakage, improves the passivation of the buffer surface layer, increases the value of the breakdown voltage. A layer of InGaN 10 is intended for the formation of a conducting channel (two-dimensional electron gas (DEG) with high carrier mobility) in its surface layer, which arises due to band gap and polarization effects during the formation of the AlGaN / InGaN heterojunction. The main requirement for this layer is structural perfection sufficient to ensure high electron mobility and high resistance. Between the buffer layer of aluminum nitride 2 and the buffer layer of gallium nitride 4 of the i-type, there is a transition region in the form of a buffer layer of gallium nitride 3, which serves to reduce the mismatch of the lattice parameters and the epitaxial layers growing on it. Between the Al _X Ga _1-X N 12 solid solution layer and the HfO ₂ dielectric layer 15, an additional layer 14 of chemically more stable gallium nitride (a smoothing layer) is placed

Устройство содержит два соединенных "спина к спине" гетероМОП конденсатора, которые образуют двойные ВЧ-ключи, тем самым устраняя потребность в омических контактах, где процесс металлизации обходится без отжигов контактов. В состав конструкции с емкостно двойными контактами входит МОП транзистор с гетероструктурой AlGaN/InGaNGaN в качестве полупроводника (А-ГМОП). Приведенная конструкция переключателя сочетает преимущества структуры МОП (очень низкий ток утечки затвора) и AlGaN-GaN гетероперехода (канал ДЭГ высокой плотности с высокой подвижностью). Это приводит к очень низкому поверхностному сопротивлению канала и рекордно высоким токам насыщения, свыше 1 А/мм, а мощность переключения превышает 60 Вт/мм. Использование слоя HfO₂ обеспечивает поверхностную пассивацию и имеет более низкие токи утечки. Низкое сопротивление в открытом состоянии возникает в результате чрезвычайно высокой плотности носителей в канале - сверх 10¹³ см^-2, высокой подвижности электронов, высоких полях пробоя и широкого диапазона рабочих температур в пределах от криогенного до 300°C или даже выше. Конструкция переключателя обеспечивает повышенную радиационную стойкость и пониженную деградацию. Предлагаемое устройство может быть использовано для мощных переключателей, ограничителей мощности, фазовращателей и других мощных ВЧ-устройств.The device contains two back-to-back heteroMOS capacitors connected, which form double RF keys, thereby eliminating the need for ohmic contacts, where the metallization process is dispensed with without annealing the contacts. The structure with capacitively double contacts includes a MOS transistor with an AlGaN / InGaNGaN heterostructure as a semiconductor (A-GMO). The above switch design combines the advantages of the MOS structure (very low gate leakage current) and the AlGaN-GaN heterojunction (high-density DEG channel with high mobility). This leads to a very low surface resistance of the channel and record high saturation currents of more than 1 A / mm, and the switching power exceeds 60 W / mm. The use of an HfO ₂ layer provides surface passivation and has lower leakage currents. Low open resistance arises as a result of extremely high carrier density in the channel — in excess of 10 ¹³ cm ^-2 , high electron mobility, high breakdown fields, and a wide range of operating temperatures ranging from cryogenic to 300 ° C or even higher. The design of the switch provides increased radiation resistance and reduced degradation. The proposed device can be used for powerful switches, power limiters, phase shifters and other powerful RF devices.

Схема устройства приведена на фиг. 2. Первый электрод (E₁), сформированный на полупроводниковом канале, и полупроводниковый канал образуют первый управляемый напряжением конденсатор; второй электрод (E₂), сформированный на полупроводниковом канале, и полупроводниковый канал образуют второй управляемый напряжением конденсатор. Входной импульс может быть подан между землей E_o и электродом E₁, в то время как второй импульс подается между землей E_o и электродом E₂.The device diagram is shown in FIG. 2. The first electrode (E ₁ ) formed on the semiconductor channel and the semiconductor channel form a first voltage-controlled capacitor; a second electrode (E ₂ ) formed on the semiconductor channel and the semiconductor channel form a second voltage-controlled capacitor. An input pulse can be supplied between the ground E _o and the electrode E ₁ , while the second pulse is fed between the ground E _o and the electrode E ₂ .

Устройство подключено в другую схему, если амплитуда входного сигнала (A) не превышает напряжение, необходимое для обеднения одного из конденсаторов (C₁) или (C₂), импеданс устройства будет очень низким и устройство не будет ограничивать мощность СВЧ. Однако если амплитуда входного сигнала (B) превышает напряжение, конденсаторы (C₁) и (C₂) выключаются в течение соответствующего положительного и отрицательного полупериодов.The device is connected to another circuit, if the amplitude of the input signal (A) does not exceed the voltage required to deplete one of the capacitors (C ₁ ) or (C ₂ ), the impedance of the device will be very low and the device will not limit the microwave power. However, if the amplitude of the input signal (B) exceeds the voltage, the capacitors (C ₁ ) and (C ₂ ) are turned off during the corresponding positive and negative half-cycles.

Claims

1. Powerful microwave switch containing a substrate on which are sequentially arranged: AlR buffer layer, GaN buffer layer, i-type conductive undoped GaN buffer layer, in addition, the microwave switch contains a high-density two-dimensional electron gas, which serves as the bottom plate of the capacitor , a smoothing layer of gallium nitride, a dielectric layer of hafnium dioxide, strip-shaped metal electrodes that form the upper lining of the capacitor, and two capacitors forming double RF keys, characterized in that the substrate is made of insulating heat-conducting CVD polycrystalline diamond, and a superlattice of Al _X Ga _1-X N / GaN, a GaN buffer layer, a heavily doped n-type conductivity layer of Al _X Ga are sequentially placed on a buffer layer of undoped GaN i-type conductivity _1-X N, Al _X Ga _1-X N spacer, smoothing layer, In _X Ga _1-X N channel, smoothing additional layer, Al _X Ga _1-X N spacer, highly alloyed Al _X Ga _1-X N, a layer of GaN, a dielectric layer of hafnium dioxide and an additional dielectric layer, the switch being made with a minimum nym number of deep electron traps DX, and the channel is elastically strained pseudomorphic a concentration InGa 15-25% and is alloyed with the two sides and the two-dimensional electron gas is formed between the duct and the layer of Al _X Ga _1-X N.

2. The switch according to claim 1, characterized in that the channel is made of In _0.17 Ga _0.83 N with a band gap of 5.35 eV.

3. The switch according to claim 1, characterized in that the channel is made with a critical thickness of 7-16 nm.

4. The switch according to claim 1, characterized in that the additional dielectric layer is made of Al ₂ O ₃ , or ZrO ₂ , or La ₂ O ₃ , or Y ₂ O ₃ .