RU2581726C1 - Мощный сверхвысокочастотный транзистор на основе нитрида галлия - Google Patents
Мощный сверхвысокочастотный транзистор на основе нитрида галлия Download PDFInfo
- Publication number
- RU2581726C1 RU2581726C1 RU2015110440/28A RU2015110440A RU2581726C1 RU 2581726 C1 RU2581726 C1 RU 2581726C1 RU 2015110440/28 A RU2015110440/28 A RU 2015110440/28A RU 2015110440 A RU2015110440 A RU 2015110440A RU 2581726 C1 RU2581726 C1 RU 2581726C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- gallium nitride
- substrate
- heat
- heteroepitaxial
- heteroepitaxial structure
- Prior art date
Links
- JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N Gallium nitride Chemical compound [Ga]#N JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 22
- 229910002601 GaN Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 18
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 26
- 238000002161 passivation Methods 0.000 claims abstract description 5
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 5
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 abstract description 14
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 7
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 7
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 32
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 6
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical group [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910002704 AlGaN Inorganic materials 0.000 description 3
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 2
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000005842 heteroatom Chemical group 0.000 description 1
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 1
- 238000013021 overheating Methods 0.000 description 1
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 1
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Junction Field-Effect Transistors (AREA)
Abstract
Изобретение относится к приборам твердотельной электроники и, в частности, к конструкции мощных транзисторов для СВЧ применений. Предлагается мощный сверхвысокочастотный транзистор на основе нитрида галлия, состоящий из подложки, гетероэпитаксиальной структуры на основе соединений нитрида галлия, нанесенной на подложку, электродов, включающих исток, затвор и сток, нанесенных на гетероэпитаксиальную структуру и пространственно-разделенных между собой, пассивационной диэлектрической пленки, нанесенной на гетероэпитаксиальную структуру между контактами электродов, теплоотвода, сформированного на гетероэпитаксиальной структуре, и теплораспределительного слоя, при этом подложка выполнена из высокоомного кремния, а теплораспределительный слой расположен между контактом стока и теплоотводом. Изобретение обеспечивает получение мощного сверхвысокочастотного транзистора на основе нитрида галлия со значением уровня выходной мощности Р≥10 Вт в непрерывном режиме подачи сигнала в сверхвысоком диапазоне частот Δf=8÷10 ГГц при упрощении технологического процесса его изготовления, а также снижении требуемых для этого материальных затрат. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.
Description
Изобретение относится к приборам твердотельной электроники и, в частности, к конструкции мощных транзисторов для СВЧ применений.
Приборы твердотельной электроники на основе широкозонных материалов, включая нитрид галлия (GaN), перспективны для использования в усилителях мощности, бортовой аппаратуре космических аппаратов, в системах безопасности и сигнализации, на объектах с повышенным уровнем радиационной активности и температуры. Одним из главных факторов, ограничивающих работу прибора на высокой мощности, является повышение температуры канала транзистора. Среднее время наработки на отказ коммерчески доступных транзисторов составляет около 106 часов, причем рабочая температура не должна превышать ~ 180°C [1]. Увеличение температуры канала транзистора относительно температуры корпуса прибора может быть определено из выражения:
ΔT=PdiSS·Rth,
где Pdiss - рассеиваемая мощность, Rth - тепловое сопротивление канал-корпус в °C/Вт. Следовательно, при фиксированной ΔT (например 180°C) рассеиваемая мощность, а следовательно, и выходная мощность (определяется в соответствии с КПД прибора) ограничены тепловым сопротивлением, то есть способностью отводить тепло. Поэтому отвод тепла является наиболее важным механизмом увеличения выходной мощности прибора и повышения его надежности (в т.ч. среднего времени наработки на отказ).
В мощных транзисторах на основе GaN зоны, наиболее подверженные перегреву, расположены, как правило, в области между затвором и стоком и имеют сравнительно небольшие размеры [2]. В этой области создается максимальная температура в структуре транзистора [3]. Уменьшить пик температуры в этой точке возможно путем распределения температуры на большей площади. Тепловой распределитель должен быть изготовлен из материала с наибольшим возможным коэффициентом теплопроводности. Одним из таких материалов является алмаз.
Известна конструкция мощного сверхвысокочастотного транзистора с теплораспределительным слоем на основе алмазных пленок [4]. Теплораспределительный слой расположен между подложкой и гетероэпитаксиальной структурой и состоит из двух пленок, при этом теплопроводность второй пленки выше, чем первой. Недостатком изделия на основе указанной конструкции является, во-первых, усложнение технологического процесса его изготовления вследствие введения дополнительных технологических операций, необходимых для улучшения адгезии между теплораспределительным слоем, расположенным между подложкой и гетероэпитаксиальной структурой и самой гетероэпитаксиальной структурой, во-вторых, применение в процессе изготовления прибора достаточно сложной технологии нанесения алмазной пленки. Поэтому такая технология имеет слабые перспективы коммерциализации.
Альтернативой использования теплораспределительного слоя на основе алмазной пленки является использование теплораспределительного слоя на основе графенсодержащей пленки, поскольку теплопроводность графена (~ 5000 Вт/м·К) выше, чем у алмаза (~ 1000-2500 Вт/м·К), поэтому такая пленка должна обеспечивать лучший теплоотвод. Однако графен не является изолятором, поэтому возможные места его нанесения, как распределителя тепла, ограничены.
В патенте [5] защищена конструкция мощного транзистора, в которой теплораспределительный слой на основе графена расположен между подложкой и гетероэпитаксиальной структурой. Недостатком такой конструкции является, во-первых, ухудшение функциональных характеристик мощного сверхвысокочастотного транзистора вследствие возникновения токов утечки через теплораспределительный слой, расположенный между подложкой и гетероэпитаксиальной структурой, во-вторых, усложнение технологического процесса изготовления изделия вследствие введения дополнительных технологических операций, необходимых для улучшения адгезии между теплораспределительным слоем, расположенным между подложкой и гетероэпитаксиальной структурой и самой гетероэпитаксиальной структурой.
Наиболее близким аналогом (прототипом) заявленного изобретения является конструкция мощного сверхвысокочастотного транзистора на основе соединений нитрида галлия, состоящая из подложки, гетероэпитаксиальной структуры на основе соединений нитрида галлия, нанесенной на подложку, электродов, включающих исток, затвор и сток, нанесенных на гетероэпитаксиальную структуру и пространственно-разделенных между собой, пассивационной диэлектрической пленки, нанесенной на гетероэпитаксиальную структуру между контактами электродов, теплоотвода, сформированного на гетероэпитаксиальной структуре, и теплораспределительного слоя [6]. В конструкции прототипа подложкой является карбид кремния, а теплораспределительный слой расположен в двух местах: между подложкой, выполненной из карбида кремния, и гетероэпитаксиальной структурой, а также на поверхности гетероэпитаксиальной структуры [6]. Однако недостатками такой конструкции изделия являются:
1. Ухудшение функциональных характеристик изделия вследствие возникновения токов утечки через теплораспределительный слой, расположенный между подложкой и гетероэпитаксиальной структурой;
2. Усложнение технологического процесса изготовления изделия вследствие введения дополнительных технологических операций, необходимых для улучшения адгезии между теплораспределительным слоем, расположенным между подложкой и гетероэпитаксиальной структурой и самой гетероэпитаксиальной структурой;
3. Увеличение материальных затрат на изготовление мощного сверхвысокочастотного транзистора за счет использования дорогой подложки карбида кремния.
Предлагаемое изобретение направлено на улучшение функциональных характеристик мощного сверхвысокочастотного транзистора на основе нитрида галлия, упрощение технологического процесса его создания, а также снижение требуемых для этого материальных затрат.
Технический результат достигается тем, что в мощном сверхвысокочастотном транзисторе на основе нитрида галлия предложенной конструкции, состоящем из подложки, гетероэпитаксиальной структуры на основе соединений нитрида галлия, нанесенной на подложку, электродов, включающих исток, затвор и сток, нанесенных на гетероэпитаксиальную структуру и пространственно-разделенных между собой, пассивационной диэлектрической пленки, нанесенной на гетероэпитаксиальную структуру между контактами электродов, теплоотвода, сформированного на гетероэпитаксиальной структуре, и теплораспределительного слоя, согласно изобретению подложка выполнена из высокоомного кремния, а теплораспределительный слой расположен между контактом стока и теплоотводом.
В частном случае теплораспределительный слой может быть выполнен из графенсодержащей пленки.
Улучшение функциональных характеристик мощного сверхвысокочастотного транзистора достигается благодаря расположению теплораспределительного слоя между контактом стока и теплоотводом, позволяющим уменьшить температуру в канале проводимости, и при этом указанное расположение теплораспределительного слоя не приводит к увеличению токов утечек через конструкцию изделия.
На фиг.1 представлен пример реализации предложенного мощного сверхвысокочастотного транзистора на нитриде галлия, где 1 - подложка из высокоомного кремния, 2 - гетероэпитаксиальная структура, состоящая из согласующего слоя AlN, переходного слоя AlGaN, буферного слоя GaN, барьерного слоя AlGaN, защитного слоя GaN, 3 - контакт истока, 4 - контакт стока, 5 - контакт затвора, 6 - пассивационная диэлектрическая пленка на основе нитрида кремния Si3N4, 7 - теплораспределительный слой, 8 - теплоотвод. Размеры указаны в нм. Принцип работы предлагаемого изделия заключается в следующем: в гетероэпитаксиальной структуре 2 между буферным слоем GaN и барьерным слоем AlGaN образуется канал проводимости носителей заряда за счет формирования квантовой ямы на границе раздела этих слоев. Слабый сигнал, подаваемый между контактами 3 и 5, усиливается мощным сигналом, подаваемым между контактами 3 и 4. В результате мощный сигнал, распространяющийся по каналу проводимости между контактами 3 и 4, приобретает форму, аналогичную слабому сигналу, подаваемому между контактами 3 и 5. Вследствие этого изделие способно усиливать мощность сигнала.
На фиг.2. изображено распределение температуры вдоль канала транзистора: 2а - для случая расположения теплораспределительного в двух местах: между подложкой и гетероэпитаксиальной структурой, а также на поверхности гетероэпитаксиальной структуры (согласно конструкции прототипа), 2б - для случая расположения теплораспределительного слоя между контактом стока и теплоотводом. Показано, что расположение теплораспределительного слоя между контактом стока и теплоотводом позволяет снизить температуру в канале проводимости более чем на 20°C по сравнению с расположением теплораспределительного в двух местах согласно конструкции прототипа. Снижение температуры приведет к увеличению мощности изделия. Анализ температурного распределения проведен расчетным путем методом конечных элементов в программе FreeFem++.
Достижение требуемых высоких значений мощности изделия достигается не усложнением технологического процесса, но оптимизацией параметров топологии, а именно расположения теплораспределительного слоя между контактом стока и теплоотводом транзистора.
На фиг.3. представлены результаты исследований выходной мощности предлагаемого изделия при напряжении питания исток-сток UСИ=48 В и токе стока IС=0,6 А. Показано, что величина выходной мощности мощного сверхвысокочастотного транзистора на основе нитрида галлия с теплораспределительным слоем, расположенным между контактом стока и теплоотводом, превышает 40 дБм (10 Вт) в непрерывном режиме подачи сигнала в сверхвысоком диапазоне частот Δf=8÷10 ГГц.
Достижение заявленных рабочих характеристик значения уровня выходной мощности Р≥10 Вт в непрерывном режиме подачи сигнала в сверхвысоком диапазоне частот Δf=8÷10 ГГц транзистором предложенной конструкции проверено с помощью анализатора цепей Agilent N5245A PNA-X.
Указанные изменения, внесенные в конструкцию прототипа, в совокупности позволяют создавать мощные транзисторы на основе нитрида галлия для СВЧ электроники диапазона частот Δf=8÷10 ГГц с требуемыми высокими характеристиками (Р≥10 Вт в непрерывном режиме подачи СВЧ сигнала), но при этом минимально сказываются на стандартном технологическом процессе изготовления транзисторов и приводят к снижению материальных затрат за счет использования более дешевой кремниевой подложки по сравнению с подложками из карбида кремния.
Источники информации
1. Yan, Zhong. Thermal Properties of Graphene and Applications for Thermal Management of High-Power Density Electronics. PhD dissertation. University of California, Riverside, 2013.
2. Jorge A. Ferrer-Pérez. Photoluminescence-Based Electron and Lattice Temperature Measurements in GaN-Based HEMTs / Journal of Electronic Materials // 2014, Volume 43, Iss. 2, pp 341-347.
3. Jorge A. Ferrer P′erez. Thermal study of a GaN-based HEMT. PhD dissertation. University of Notre Dame, Indiana, 2012. http://www3.nd.edu/~msen/Research/Theses/Ferrer.pdf.
4. US 7884373 B2 «Gallium nitride layer with diamond layers».
5. US 8652946 B2 «Graphene layer formation on a carbon based substrate».
6. US 2014353722 «Graphene capped HEMT device».
Claims (2)
1. Мощный сверхвысокочастотный транзистор на основе нитрида галлия, состоящий из подложки, гетероэпитаксиальной структуры на основе соединений нитрида галлия, нанесенной на подложку, электродов, включающих исток, затвор и сток, нанесенных на гетероэпитаксиальную структуру и пространственно-разделенных между собой, пассивационной диэлектрической пленки, нанесенной на гетероэпитаксиальную структуру между контактами электродов, теплоотвода, сформированного на гетероэпитаксиальной структуре, и теплораспределительного слоя, отличающийся тем, что подложка выполнена из высокоомного кремния, а теплораспределительный слой расположен между контактом стока и теплоотводом.
2. Мощный сверхвысокочастотный транзистор на основе нитрида галлия по п. 1, отличающийся тем, что теплораспределительный слой выполнен из графенсодержащей пленки.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015110440/28A RU2581726C1 (ru) | 2015-03-24 | 2015-03-24 | Мощный сверхвысокочастотный транзистор на основе нитрида галлия |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015110440/28A RU2581726C1 (ru) | 2015-03-24 | 2015-03-24 | Мощный сверхвысокочастотный транзистор на основе нитрида галлия |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2581726C1 true RU2581726C1 (ru) | 2016-04-20 |
Family
ID=56194958
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2015110440/28A RU2581726C1 (ru) | 2015-03-24 | 2015-03-24 | Мощный сверхвысокочастотный транзистор на основе нитрида галлия |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2581726C1 (ru) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2668635C1 (ru) * | 2017-12-26 | 2018-10-02 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ, НИ ТГУ) | Способ изготовления мощного нитрид-галлиевого полевого транзистора |
| RU2743675C1 (ru) * | 2020-06-22 | 2021-02-24 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Воронежский государственный университет" (ФГБОУ ВО "ВГУ") | Мощная ВЧ- и СВЧ-транзисторная структура |
| WO2022019799A1 (ru) | 2020-07-24 | 2022-01-27 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Вандер Технолоджис" | Гетероэпитаксиальная структура с алмазным теплоотводом |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006216671A (ja) * | 2005-02-02 | 2006-08-17 | Toshiba Corp | 窒素化合物半導体素子 |
| US8652946B2 (en) * | 2012-04-16 | 2014-02-18 | Uchicago Argonne, Llc. | Graphene layer formation on a carbon based substrate |
| RU2534002C1 (ru) * | 2013-06-18 | 2014-11-27 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ" (НИЯУ МИФИ) | Высоковольтный нитрид-галлиевый транзистор с высокой подвижностью электронов |
-
2015
- 2015-03-24 RU RU2015110440/28A patent/RU2581726C1/ru active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006216671A (ja) * | 2005-02-02 | 2006-08-17 | Toshiba Corp | 窒素化合物半導体素子 |
| US8652946B2 (en) * | 2012-04-16 | 2014-02-18 | Uchicago Argonne, Llc. | Graphene layer formation on a carbon based substrate |
| RU2534002C1 (ru) * | 2013-06-18 | 2014-11-27 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ" (НИЯУ МИФИ) | Высоковольтный нитрид-галлиевый транзистор с высокой подвижностью электронов |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2668635C1 (ru) * | 2017-12-26 | 2018-10-02 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ, НИ ТГУ) | Способ изготовления мощного нитрид-галлиевого полевого транзистора |
| RU2743675C1 (ru) * | 2020-06-22 | 2021-02-24 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Воронежский государственный университет" (ФГБОУ ВО "ВГУ") | Мощная ВЧ- и СВЧ-транзисторная структура |
| WO2022019799A1 (ru) | 2020-07-24 | 2022-01-27 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Вандер Технолоджис" | Гетероэпитаксиальная структура с алмазным теплоотводом |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8507919B2 (en) | Field-effect transistor | |
| US9240473B2 (en) | High temperature performance capable gallium nitride transistor | |
| TWI484630B (zh) | 具有閘極源場極板之寬能帶隙電晶體 | |
| Ranjan et al. | Investigation of self-heating effect on DC and RF performances in AlGaN/GaN HEMTs on CVD-diamond | |
| CN104409431B (zh) | 一种半导体器件 | |
| Meyer et al. | Large-signal RF performance of nanocrystalline diamond coated AlGaN/GaN high electron mobility transistors | |
| Lee et al. | A compact 30-W AlGaN/GaN HEMTs on silicon substrate with output power density of 8.1 W/mm at 8 GHz | |
| JP2010272689A (ja) | 電界効果トランジスタ | |
| JPWO2012063329A1 (ja) | 半導体装置、および半導体装置の製造方法 | |
| Ahmeda et al. | Role of self-heating and polarization in AlGaN/GaN-based heterostructures | |
| RU2581726C1 (ru) | Мощный сверхвысокочастотный транзистор на основе нитрида галлия | |
| Chang et al. | High power fast flexible electronics: Transparent RF AlGaN/GaN HEMTs on plastic substrates | |
| Zhu et al. | Study on the effect of diamond layer on the performance of double-channel AlGaN/GaN HEMTs | |
| Rahman et al. | Optimization of graded AlInN/AlN/GaN HEMT device performance based on quaternary back barrier for high power application | |
| US20210013307A1 (en) | Binary III-Nitride 3DEG heterostructure HEMT with graded channel for high linearity and high power applications | |
| US9263533B2 (en) | High-voltage normally-off field effect transistor including a channel with a plurality of adjacent sections | |
| CN105762184A (zh) | 一种具有半绝缘层的氮化镓基高电子迁移率晶体管 | |
| Sque | High-voltage GaN-HEMT devices, simulation and modelling | |
| CN211789028U (zh) | 一种hemt器件 | |
| Volcheck et al. | Suppression of the self-heating effect in GaN HEMT by few-layer graphene heat spreading elements | |
| Ranjan et al. | Enhanced DC and RF performance of AlGaN/GaN HEMTs on CVD-Diamond in high power CW operation | |
| Ejeckam et al. | Gan-on-diamond wafers: Recent developments | |
| WO2019176138A1 (en) | High electron mobility transistor | |
| Murugapandiyan et al. | Comparative Study of AlGaN/InGaN/β-Ga2O3 and InAlN/InGaN/β-Ga2O3 HEMTs for Enhanced RF Linearity | |
| WO2017098603A1 (ja) | 窒化物半導体装置 |