RU2574810C2 - Heavy-duty shf switch - Google Patents
Heavy-duty shf switch Download PDFInfo
- Publication number
- RU2574810C2 RU2574810C2 RU2014124856/08A RU2014124856A RU2574810C2 RU 2574810 C2 RU2574810 C2 RU 2574810C2 RU 2014124856/08 A RU2014124856/08 A RU 2014124856/08A RU 2014124856 A RU2014124856 A RU 2014124856A RU 2574810 C2 RU2574810 C2 RU 2574810C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layer
- gan
- buffer layer
- channel
- smoothing
- Prior art date
Links
- 229910002601 GaN Inorganic materials 0.000 claims abstract description 55
- CJNBYAVZURUTKZ-UHFFFAOYSA-N Hafnium(IV) oxide Chemical compound O=[Hf]=O CJNBYAVZURUTKZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 24
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims abstract description 19
- 238000009499 grossing Methods 0.000 claims abstract description 15
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 13
- PIGFYZPCRLYGLF-UHFFFAOYSA-N aluminum nitride Chemical compound [Al]#N PIGFYZPCRLYGLF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 10
- JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N gallium nitride Chemical compound [Ga]#N JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 9
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 9
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 9
- 230000005533 two-dimensional electron gas Effects 0.000 claims abstract description 8
- 229910017083 AlN Inorganic materials 0.000 claims abstract description 7
- GEIAQOFPUVMAGM-UHFFFAOYSA-N oxozirconium Chemical compound [Zr]=O GEIAQOFPUVMAGM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000010432 diamond Substances 0.000 claims description 5
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910021193 La 2 O 3 Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 abstract description 7
- 230000004059 degradation Effects 0.000 abstract description 4
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 230000005611 electricity Effects 0.000 abstract 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 86
- 229910002704 AlGaN Inorganic materials 0.000 description 11
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 7
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 7
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 5
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 5
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 5
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000002161 passivation Methods 0.000 description 3
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 3
- 229910004140 HfO Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 2
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 2
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 2
- 210000004544 DC2 Anatomy 0.000 description 1
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 1
- 125000004429 atoms Chemical group 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 description 1
- 230000001808 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing Effects 0.000 description 1
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 1
- 238000001312 dry etching Methods 0.000 description 1
- 238000010292 electrical insulation Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 150000002259 gallium compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000002530 ischemic preconditioning Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000001465 metallisation Methods 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 1
- 238000005204 segregation Methods 0.000 description 1
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 1
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 description 1
- 238000010301 surface-oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000001039 wet etching Methods 0.000 description 1
Images
Abstract
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", Москва, «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 communications technology", Moscow, "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 that reaches 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 AlXGa1-XN, и в интерфейсе GaN/AlXGa1-XN гетероструктуры образован двумерный электронный газ высокой плотности, который служит нижней обкладкой конденсатора. Поверх твердого раствора AlXGa1-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: a buffer layer of AlN, a buffer layer of GaN, a second buffer layer of undoped gallium nitride (i-type), solid solution Al X Ga 1-X N, 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 колапсу тока.The disadvantage of this device is its 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 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. На буферном слое из нелегированного GaN i-типа проводимости последовательно размещены сверхрешетка из AlXGa1-XN/GaN, буферный слой из GaN, сильнолегированный слой n-типа проводимости из AlXGa1-XN, спейсер из AlXGa1-XN, сглаживающий слой, канал из GaN, сглаживающий дополнительный слой, спейсер из AlXGa1-XN, сильнолегированный слой AlXGa1-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 легирован с двух сторон, а двумерный электронный газ образован между каналом и слоем из AlXGa1-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 . A superlattice of Al X Ga 1-X N / GaN, a GaN buffer layer, a heavily doped n-type conductivity layer from Al X Ga 1-X N, a spacer from Al X Ga 1 are sequentially placed on a buffer layer of undoped GaN of i-type conductivity -X N, smoothing layer, channel from GaN, smoothing additional layer, spacer from Al X Ga 1-X N, heavily doped layer Al X Ga 1-X N, layer from GaN, dielectric layer of hafnium dioxide and additional dielectric layer. In this case, the switch is made with a minimum number of deep electronic traps DX, and the channel 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 частным случаем выполнения дополнительный слой из диэлектрика выполнен из Al2O3, или ZrO2, или La2O3, или Y2O3.In accordance with a particular embodiment, the additional dielectric layer is made of Al 2 O 3 , or ZrO 2 , or La 2 O 3 , or Y 2 O 3 .
Кроме того, подложка может быть выполнена из изолирующего теплопроводящего CVD поликристаллического алмаза.In addition, the substrate can be made of insulating heat-conducting CVD polycrystalline diamond.
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.
Па фиг. 1 отображены следующие конструктивные элементы:Pa 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 AlN;2 - buffer layer of AlN;
3 - буферный слой из GaN;3 - buffer layer of GaN;
4 - буферный слой из GaN проводимости;4 - buffer layer of GaN conductivity;
5 - сверхрешетка из AlXGa1-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 AlXGa1-XN;7 - heavily doped layer of n-type Al X Ga 1-X N;
8 - спейсер из AlXGa1-XN;8 - spacer from Al X Ga 1-X N;
9 - сглаживающий слой;9 - a smoothing layer;
10 - канал из GaN;10 - channel from GaN;
11 - сглаживающий слой;11 - a smoothing layer;
12 - спейсер из AlXGa1-XN;12 - spacer from Al X Ga 1-X N;
13 - сильнолегированный слой n-типа из AlXGa1-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 из GaN, толщиной 200 нм, нелегированной сверхрешетки из AlXGa1-XN/GaN 5, нелегированного буферного слоя из GaN, толщиной 100 нм 6, сильнолегированного слоя из твердого раствора AlXGa1-XN, толщиной 4,5 нм 7, нелегированного слоя AlXGa1-XN (спейсер) 8, толщиной 2 нм, сглаживающего слоя из GaN 9, толщиной 3 нм, нелегированного слоя в виде твердого раствора GaN (канал) 10, толщиной 12 нм, нелегированного сглаживающего слоя из GaN 11, толщиной 1,5 нм, нелегированного слоя AlXGa1-XN (спейс) 12, толщиной 2 нм, сильнолегированного слоя 13 в виде твердого раствора AlXGa1-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 the buffer layer 2: from an undoped buffer layer 3 of GaN, 200 nm thick, unalloyed buffer layer 4 of GaN, 200 nm thick, undoped superlattices of Al X Ga 1-X N / GaN 5, an undoped GaN buffer layer, 100 nm thick, 6 a heavily doped layer of Al X Ga 1-X N solid solution, 4.5 nm thick, an unalloyed Al X Ga 1 layer -X N (spacer) 8, 2 nm thick, smoothing the third layer of GaN 9 with a thickness of 3 nm, an undoped layer in the form of a GaN solid solution (channel) 10, 12 nm thick, an undoped smoothing layer of GaN 11, a thickness of 1.5 nm, an undoped Al X Ga 1-X N layer (space ) 12, 2 nm thick, of a heavily 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 AlN 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, between the buffer layer of AlN 2 and the buffer layer of GaN 3 there is a transition region, which serves to reduce the mismatch of the lattice parameters, buffer layers and multilayer epitaxial layers growing on them.
Слой из GaN 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 GaN/AlXGa1-XN. Основным требованием к этому слою является структурное совершенство, достаточное для обеспечения высокой подвижности электронов и высокого сопротивления.A layer of GaN 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 rupture of bands and polarization effects during the formation of the GaN / Al X Ga 1-X N. heterojunction. The basic requirement to this layer is structural perfection sufficient to ensure high electron mobility and high resistance.
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 VG. 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.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.
Расчеты показывают, что с учетом влияния DX-центров, характера зависимости ΔEC 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.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 deepening 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 .
В МЛГС на основе системы AlGaN/GaN увеличение значений плотности и подвижности электронов в канале достигается оптимальным выбором независимых параметров структуры: концентрации легирующей примеси в материале барьера, толщины нелегированного спейсера и мольной доли AlN в барьере. Уровень легирования не может быть слишком высоким. С одной стороны, он ограничен самокомпенсацией атомов донорной примеси (кремния), которая начинает сказываться при уровнях легирования ~5×1018 см-3, а с другой - увеличением тока утечки затвора из-за образования параллельной проводимости по легированному слою. Типичные значения составляют 1÷2×1018 см-3. По этой причине для мощных СВЧ переключателей следует применять структуры с двусторонним легированием, т.е. в структуру вводится нижний (со стороны подложки) легированный слой. Это позволяет увеличить концентрацию электронов в канале в несколько раз без существенного уменьшения подвижности носителей. Для структур с двусторонним легированием, применяющихся, в основном для изготовления мощных СВЧ приборов, одним из важнейших параметров является концентрация электронов в канале. Эта величина достаточно большая (ns>3.5·1012 см-2-≤5,5·1012 см-2), но в то же время она ограничена сверху. В связи с этим оптимальным значением концентрации электронов в канале является диапазон 3.5·1012 см-2 до 5.5·1012 см-2. Конкретное же значение из указанного диапазона определяется параметрами структуры и функциональным назначением приборов.In MLGS based on the AlGaN / GaN system, an increase in the electron density and mobility in the channel is achieved by the optimal choice of independent structural parameters: the concentration of the dopant in the barrier material, the thickness of the undoped spacer, and the molar fraction of AlN in the barrier. The doping level cannot be too high. On the one hand, it is limited by the self-compensation of atoms of the donor impurity (silicon), which begins to affect at doping levels of ~ 5 × 10 18 cm -3 , and on the other, by an increase in the gate leakage current due to the formation of parallel conductivity along the doped layer. Typical values are 1 ÷ 2 × 10 18 cm -3 . For this reason, double-sided doping structures should be used for high-power microwave switches, i.e. the lower (from the substrate side) doped layer is introduced into the structure. This allows you to increase the electron concentration in the channel several times without a significant decrease in carrier mobility. For structures with two-sided doping, which are used mainly for the manufacture of high-power microwave devices, one of the most important parameters is the electron concentration in the channel. This value is quite large (n s > 3.5 · 10 12 cm -2 -≤5.5 · 10 12 cm -2 ), but at the same time it is bounded from above. In this regard, the optimal concentration of electrons in the channel is a range of 3.5 · 10 12 cm -2 to 5.5 · 10 12 cm -2 . The specific value from the specified range is determined by the structure parameters and the functional purpose of the devices.
Настоящее устройство может функционировать в диапазоне частот вплоть до 30 ГГц. Конструкция гетероструктуры приведена на фиг. 1, а в таблице 1 представлены основные электрофизические параметры гегероструктуры.This unit can operate 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 hegerostructure.
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 возрастет 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, the electron density will increase, and the maximum channel current will increase by 2 times.
Другим немаловажным параметром оптимизации гетероструктур для мощных СВЧ приборов является отношение уровней легирования верхнего и нижнего барьера (Nd2/Nd1). 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 GaN.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 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 GaN channel.
Исследования показали, что для малошумящих приборов лучшим соотношением является 2, в то время как для мощных СВЧ переключателей подходит Nd2/Nd1=3.Studies have shown that for low-noise devices, the best ratio is 2, while for high-power microwave switches, N d2 / N d1 = 3 is suitable.
Снижение влияния DX центров, повышение плотности электронов, устранение деградации в гетероструктуре мощного переключателя, а также подавление токового коллапса достигается за счет двустороннего легирования канала переключателя, увеличения разрыва зоны проводимости на гетерогранице (ΔEC) в области канала, используя в составе канала твердого раствора полупроводника с большей шириной запрещенной зоны.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 bilaterally doping the channel of the switch, increasing the gap in the conduction band at the heterointerface (ΔE C ) in the channel region using a semiconductor solid solution with a larger band gap.
Преимущество конструкции настоящего устройства заключается в следующем:The advantage of the design of this device is as follows:
- использование дополнительного буферного слоя в виде короткопериодной сверхрешетки AlGaN/GaN позволяет существенно снизить плотность ростовых дефектов и улучшить электрическую изоляцию между каналом гетероструктуры и подложкой;- the use of an additional buffer layer in the form of a short-period AlGaN / GaN superlattice 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 позволяет улучшить ограничение носителей в канале;- the relatively small total thickness of the GaN buffer layers allows to improve the carrier restriction in the channel;
- наличие дополнительного тонкого слоя нелегированного GaN между GaN каналом и AlGaN спейсером улучшает структурное качество границы раздела (сглаживающий слой);- the presence of an additional thin layer of undoped GaN between the GaN channel and the AlGaN spacer 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 транзистора, 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 transistor, preventing “current collapse”;
- увеличение значений плотности и подвижности электронов в канале с двусторонным легированием, изготовленного на основе GaN, достигается оптимальным выбором независимых параметров структуры: концентрации легирующей примеси в материале барьера - 2,5÷3×1019 см-3, толщины нелегированного спейсера - WSP≈r2-3 нм.- an increase in the density and mobility of electrons in the channel with double-sided doping, made on the basis of GaN, is achieved by the optimal choice of independent structural parameters: the concentration of the dopant in the barrier material is 2.5 ÷ 3 × 10 19 cm -3 , the thickness of the undoped spacer is W SP ≈r2-3 nm.
Двуокись гафния, как диэлектрический материал для устройств с емкостно соединенными контактами, с изолированным затвором имеет высокую диэлектрическую проницаемость, K=20-25, высокую электрическую прочность и большую ширину запрещенной зоны Eg=5,8 эВ, а также он термодинамически стабилен в диапазоне рабочих температур рассматриваемых устройств. Этот материал пригоден для более низких пороговых напряжений и более сильной емкостной связи, для более высоких пробивных напряжений и обеспечивает низкую плотность состояния границы раздела в качестве пассивирующего слоя и подзатворного диэлектрика.Hafnium dioxide, as a dielectric material for devices with capacitively connected contacts, with an insulated gate, has a high dielectric constant, K = 20-25, high dielectric strength and a large band gap Eg = 5.8 eV, and it is thermodynamically stable in the operating range temperatures of the considered devices. This material is suitable for lower threshold voltages and stronger capacitive coupling, for higher breakdown voltages and provides a low density of the state of the interface as a passivating layer and a gate dielectric.
Поверх слоя двуокиси гафния размещается слой оксида металла. Использование этих слоев позволяет минимизировать утечки тока и увеличить значение напряжения пробоя. В качестве оксида металла могут быть использованы Al2O3, или ZrO2, или La2O3, или Y2O3.A metal oxide layer is placed on top of the hafnium dioxide layer. The use of these layers minimizes current leakage and increases the value of breakdown voltage. As the metal oxide, Al 2 O 3 , or ZrO 2 , or La 2 O 3 , or Y 2 O 3 can be used.
Слой из GaN 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/GaN. Основным требованием к этому слою является структурное совершенство, достаточное для обеспечения высокой подвижности электронов и высокого сопротивления.A layer of GaN 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 an AlGaN / GaN heterojunction. The main requirement for this layer is structural perfection sufficient to ensure high electron mobility and high resistance.
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.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.
Между слоем твердого раствора AlXGa1-XN 13 и диэлектрическим слоем 15 HfO2 размещен дополнительный слой 14 из химически более стабильного нитрида галлия.Between the Al X Ga 1-X N 13 solid solution layer and the HfO 2 dielectric layer 15, an additional layer 14 of chemically more stable gallium nitride is placed.
В данном изобретении предлагается конструкция переключателя, который позволяет использовать емкостно соединенные контакты. Два соединенных "спина к спине" гетероМОП конденсатора образуют двойные ВЧ-ключи, тем самым устраняя потребность в омических контактах, при этом процесс металлизации обходится без отжигов контактов. В состав конструкции с емкостно двойными контактами входит МОП транзистор с гетероструктурой AlGaN/GaN с двусторонне легированным каналом (ДГМОП). 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 высоким токам насыщения, свыше 1 А/мм, а мощность переключения превышает 50 Вт/мм. Использование слоя HfO2, как диэлектрик затвора, обеспечивает поверхностную пассивацию и имеет более низкие токи утечки.The present invention proposes a switch design that allows the use of capacitively connected contacts. Two connected back-to-back hetero-MOS capacitors form double RF keys, thereby eliminating the need for ohmic contacts, while the metallization process is dispensed with without annealing the contacts. The structure with capacitively double contacts includes a MOS transistor with an AlGaN / GaN heterostructure with a two-sided doped channel (DGMOS). 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 high saturation currents above 1 A / mm, and the switching power exceeds 50 W / mm. Using an HfO 2 layer as a gate dielectric provides surface passivation and has lower leakage currents.
Низкое сопротивление в открытом состоянии возникает в результате чрезвычайно высокой плотности носителей в канале - сверх 3,5-5,5×1012 см-2, высокой подвижности электронов - более 2000 см2/В·с, высоких полей пробоя и широкого диапазона рабочих температур, в пределах от криогенного до 300°C. 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.Low open resistance arises as a result of extremely high carrier density in the channel — in excess of 3.5-5.5 × 10 12 cm -2 , high electron mobility — more than 2000 cm 2 / V · s, high breakdown fields and a wide range of working temperatures ranging from cryogenic to 300 ° C. 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 E0 и электродом E1, в то время как второй импульс подается между землей E0 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 ground E 0 and electrode E 1 , while a second pulse is applied between ground E 0 and 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 (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014124856/08A RU2574810C2 (en) | 2014-06-18 | Heavy-duty shf switch |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014124856/08A RU2574810C2 (en) | 2014-06-18 | Heavy-duty shf switch |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2014124856A RU2014124856A (en) | 2015-12-27 |
| RU2574810C2 true RU2574810C2 (en) | 2016-02-10 |
Family
ID=
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2653180C1 (en) * | 2017-05-12 | 2018-05-07 | Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Пульсар" | Multichannel microwave switching device with isolated electrodes |
| RU2810241C1 (en) * | 2023-06-09 | 2023-12-25 | Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Пульсар" | Monolithic integrated circuit of high-power uhf switch |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4818964A (en) * | 1986-04-28 | 1989-04-04 | Hughes Aircraft Company | Switchable multi-power-level short slot waveguide hybrid coupler |
| EP1445819A1 (en) * | 2003-02-06 | 2004-08-11 | Com Dev Ltd. | Bi-planar microwave switches and switch matrices |
| RU2313866C1 (en) * | 2006-04-27 | 2007-12-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Исток" (ФГУП НПП "Исток") | Microwave switch |
| RU140856U1 (en) * | 2014-01-28 | 2014-05-20 | Открытое акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Пульсар" | POWERFUL MICROWAVE SWITCH |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4818964A (en) * | 1986-04-28 | 1989-04-04 | Hughes Aircraft Company | Switchable multi-power-level short slot waveguide hybrid coupler |
| EP1445819A1 (en) * | 2003-02-06 | 2004-08-11 | Com Dev Ltd. | Bi-planar microwave switches and switch matrices |
| RU2313866C1 (en) * | 2006-04-27 | 2007-12-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Исток" (ФГУП НПП "Исток") | Microwave switch |
| RU140856U1 (en) * | 2014-01-28 | 2014-05-20 | Открытое акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Пульсар" | POWERFUL MICROWAVE SWITCH |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2653180C1 (en) * | 2017-05-12 | 2018-05-07 | Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Пульсар" | Multichannel microwave switching device with isolated electrodes |
| RU2810241C1 (en) * | 2023-06-09 | 2023-12-25 | Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Пульсар" | Monolithic integrated circuit of high-power uhf switch |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9490324B2 (en) | N-polar III-nitride transistors | |
| EP1751803B1 (en) | Wide bandgap hemts with source connected field plates | |
| TWI553859B (en) | Wide bandgap transistors with gate-source field plates | |
| US8390029B2 (en) | Semiconductor device for reducing and/or preventing current collapse | |
| US20150179741A1 (en) | Semiconductor device | |
| WO2014026018A1 (en) | Iii-nitride enhancement mode transistors with tunable and high gate-source voltage rating | |
| JP2010135640A (en) | Field-effect transistor | |
| KR20080079604A (en) | Compound semiconductor device and doherty amplifier using compound semiconductor device | |
| TWI621265B (en) | Semiconductor device and method of fabrication the same | |
| KR20140110615A (en) | Nitride based semiconductor device | |
| JP2012227456A (en) | Semiconductor device | |
| US20190131441A1 (en) | High hole mobility transistor | |
| JP2018037435A (en) | Semiconductor device | |
| US9343544B2 (en) | Multi-finger large periphery AlInN/AlN/GaN metal-oxide-semiconductor heterostructure field effect transistors on sapphire substrate | |
| JP2022103163A (en) | Nitride semiconductor transistor device | |
| JP2010165987A (en) | Semiconductor device and method for manufacturing the same | |
| CN210897283U (en) | Semiconductor device with a plurality of transistors | |
| CN109742144B (en) | Groove gate enhanced MISHEMT device and manufacturing method thereof | |
| TWI728165B (en) | Ⅲ-nitride high electron mobility field effect transistor device | |
| RU135182U1 (en) | PSEUDOMORPHIC HETEROSTRUCTURE MODULATED-ALLOYED FIELD TRANSISTOR | |
| RU2563533C2 (en) | Uhf power switch | |
| JP6693142B2 (en) | Semiconductor device, electronic component, electronic device, and method for manufacturing semiconductor device | |
| RU2574810C2 (en) | Heavy-duty shf switch | |
| RU2574808C2 (en) | Heavy-duty pseudomorphic shf switch | |
| RU2558649C1 (en) | Microwave power limiter |