RU2672159C1 - Свч переключатель с изолированными электродами - Google Patents
Свч переключатель с изолированными электродами Download PDFInfo
- Publication number
- RU2672159C1 RU2672159C1 RU2017116629A RU2017116629A RU2672159C1 RU 2672159 C1 RU2672159 C1 RU 2672159C1 RU 2017116629 A RU2017116629 A RU 2017116629A RU 2017116629 A RU2017116629 A RU 2017116629A RU 2672159 C1 RU2672159 C1 RU 2672159C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layer
- graphene
- dielectric
- amorphous
- capacitor
- Prior art date
Links
- CJNBYAVZURUTKZ-UHFFFAOYSA-N hafnium(iv) oxide Chemical compound O=[Hf]=O CJNBYAVZURUTKZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 21
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims abstract description 18
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 14
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 claims abstract description 13
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 10
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 6
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 6
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 claims description 10
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 claims description 5
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052761 rare earth metal Inorganic materials 0.000 claims 1
- 150000002910 rare earth metals Chemical class 0.000 claims 1
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 7
- 230000005855 radiation Effects 0.000 abstract description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000012212 insulator Substances 0.000 abstract 1
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 abstract 1
- LIVNPJMFVYWSIS-UHFFFAOYSA-N silicon monoxide Chemical compound [Si-]#[O+] LIVNPJMFVYWSIS-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 229910002601 GaN Inorganic materials 0.000 description 9
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 5
- JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N Gallium nitride Chemical compound [Ga]#N JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 4
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 4
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 4
- JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N AsGa Chemical compound [As]#[Ga] JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 3
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 3
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 3
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 2
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 2
- 238000005538 encapsulation Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000009499 grossing Methods 0.000 description 2
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000001953 recrystallisation Methods 0.000 description 2
- 229910002704 AlGaN Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000980 Aluminium gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- MXRIRQGCELJRSN-UHFFFAOYSA-N O.O.O.[Al] Chemical compound O.O.O.[Al] MXRIRQGCELJRSN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 1
- 229910052735 hafnium Inorganic materials 0.000 description 1
- VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N hafnium atom Chemical compound [Hf] VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 230000005533 two-dimensional electron gas Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
- H01P1/00—Auxiliary devices
- H01P1/10—Auxiliary devices for switching or interrupting
- H01P1/15—Auxiliary devices for switching or interrupting by semiconductor devices
Landscapes
- Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
Abstract
Использование: для создания нового поколения СВЧ элементной базы и МИС СВЧ на основе графена. Сущность изобретения заключается в том, что переключатель СВЧ изготовлен на графене, где в качестве подложки использован кремний, затем последовательно размещены слой оксида кремния (SiO), наноразмерный двумерный слой графена, который служит нижней обкладкой конденсатора, поверх которого нанесен диэлектрик, содержащий аморфный слой оксида алюминия (АlO), аморфный слой диэлектрика с высокой диэлектрической постоянной, например двуокиси гафния (НfO), и повторно аморфный слой оксида алюминия (АlO), поверх диэлектрика размещены металлические электроды полосковой формы, которые образуют верхнюю обкладку конденсатора, при этом переключатель содержит два конденсатора, образующих двойные ВЧ-ключи. Технический результат: обеспечение возможности уменьшения теплового сопротивления, повышения уровня входной мощности, повышения скорости переключения, повышения надежности, уровня радиационной стойкости. 3 ил.
Description
Изобретение относится к области создания полупроводниковых изделий.
Развитие радиолокационной, связной и навигационной техники требует создания мощных СВЧ переключателей. Высокоскоростные мощные переключающие элементы являются ключевыми компонентами радиолокационных модулей приемника/передатчика, беспроводной и воздушно-космической связи. Среди переключателей наиболее широко применяются мощные СВЧ переключатели на диодах. Большинство переключательных СВЧ-диодов имеют p-i-n структуру, так как диоды с p-i-n структурой отличаются меньшей барьерной емкостью, которая к тому же очень слабо зависит от напряжения, и это препятствует возникновению дополнительных частотных искажений полезного сигнала.
Недостатком переключательных СВЧ диодов с p-i-n структурой является инерционность процесса рассасывания носителей зарядов из i-слоя при переключении диода с прямого направления на обратное, так как толщина слоя может составлять несколько десятков микрометров, а скорость движения носителей заряда ограничена. Значительно большую скорость переключения можно получить при использовании диодов Шоттки, изготовленных на арсениде галлия. Однако уровень переключаемой СВЧ мощности при этом на несколько порядков ниже, чем при применении переключательных СВЧ диодов с p-i-n структурой.
Известен переключатель СВЧ, содержащий соединение трех линий передачи с одинаковыми волновыми сопротивлениями, одна линия передачи предназначена для входа СВЧ-сигнала, две другие - для выхода, каждая из двух линий передачи на выходе снабжена по крайней мере одним электронным ключом, в качестве которых использованы полевые транзисторы с барьером Шоттки, при этом их стоки соединены с линиями передачи на выходе, истоки - с линией передачи на входе, а на затворы подают постоянное управляющее напряжение (патент РФ №2072593, опубл. 27.01.1997).
Недостатками известного устройства являются низкая надежность, обусловленная прямыми потерями СВЧ-сигнала. Кроме того, из уровня техники известен переключатель СВЧ, который включает полевой транзистор на арсенидных гетеропереходах AlGaAs/GaAs с подложкой из GaAs (патент США №5214275, опубл. 25.05.1993).
Недостатком известного устройства является также низкая надежность, обусловленная низкой подвижностью ДЭГ и небольшой плотностью тока.
Кроме того, известен переключатель СВЧ RU 2563533 от 27.08.2015 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. Переключатель содержит два конденсатора, образующих двойные ВЧ-ключи.
Сущность изобретения поясняется на фиг. 1.
На фиг. 1 отображены следующие конструктивные элементы:
1 - подложка из слоя сапфира;
2 - буферный слой из AlN;
3 - буферный слой из GaN;
4 - слой из GaN i типа;
5 - слой твердого раствора AlXGa1-XN;
6 - нижняя обкладка конденсатора образованная ДЭГ в интерфейсе AlGaN/GaN;
7 - сглаживающий слой из нитрида галлия;
8 - диэлектрик, включающий слой из HfO2;
9 - металлические электроды полосковой формы, которые образуют верхнюю обкладку конденсатора.
На фиг. 2 приведена схема работы СВЧ переключателя.
На входной контакт варактора, верхний электрод конденсатора, поступает СВЧ сигнал (f≥1 ГГц) и при наличии отрицательного или положительного смещения между верхним электродом и каналом двумерного электронного газа (2DEG), который является нижней обкладкой конденсатора возникает сильная емкостная парная связь, которая эффективно шунтирует канал 2DEG. Компонент вертикального тока является исключительно емкостным, а компонент горизонтального тока проходит через канал 2DEG низкого сопротивления - это обеспечивает наличие низкого импеданса контактов.
Недостатком устройства, при его высоких технических характеристиках, является сложность формирования заземляющих контактов из-за наличия изолирующей подложки сапфира, что приводит к увеличению импеданса входных потерь. Введение дополнительных технологических операций, например формирования в сапфире сквозных заземляющих отверстий, значительно усложняют технологию создания СВЧ устройств.
Задачей настоящего изобретения является устранение вышеуказанных недостатков.
Технический результат заключается в уменьшении теплового сопротивления мощных переключателей, повышении уровня допустимой входной мощности, повышении скорости переключения, повышении надежности приборов, уровня радиационной стойкости и уровня деградации. Для этого переключатель СВЧ изготовлен на графене, где в качестве подложки использован кремний. Затем последовательно размещены: слой оксида кремния (SiO2), двумерный слой графена, который служит нижней обкладкой конденсатора, поверх которого нанесен комбинированный диэлектрик, содержащий аморфный слой оксида алюминия (Al2O3), аморфный слой диэлектрика с высокой диэлектрической постоянной, например двуокиси гафния (HfO2) и повторно аморфный слой оксида алюминия (Al2O3), поверх диэлектрика размещены металлические электроды полосковой формы, которые образуют верхнюю обкладку конденсатора, при этом переключатель содержит два конденсатора, образующие двойные ВЧ-ключи.
Технические преимущества обеспечиваются простотой формирования заземляющих контактов, уменьшении теплового сопротивления мощных переключателей, повышении уровня допустимой входной мощности, повышении скорости переключения, повышении надежности приборов, уровня радиационной стойкости и в снижении уровня деградации.
Технический результат обеспечивается тем, что в мощном переключателе СВЧ на основе графена, используется низкоомная подложка кремния, в которой сразу формируются эффективные заземляющие контакты; двумерный слой графена - это двумерная аллотропная форма углерода, в которой атомы объединены в гексагональную кристаллическую решетку, материал с очень высокой проводимостью электричества и тепла; подвижность носителей заряда в графене при комнатной температуре достигает 200000 см2 /В⋅с (А.K. Geim, K.S. Novoselov, Nature Matrerials 6, 183 (2007) (для сравнения подвижность электронов в 2DEG до 2500 см2/В⋅с), что обеспечит повышение скорости переключения и наличие низкого импеданса контактов. Для повышения надежности приборов предусмотрено капсулирование двуокиси гафния (HfO2) сверху и снизу аморфным слоем оксида алюминия (Al2O3). Длительная эксплуатация и воздействие повышенных температур могут приводить к кристаллизации HfO2, что может привести к изменению параметров СВЧ переключателя и повышению уровня деградации. Аморфные слои оксида алюминия (Al2O3) не подвержены рекристаллизации в широком диапазоне температур (во всем диапазоне рабочих и критических температур работы СВЧ устройств) наличие аморфных диэлектриков на границах с двуокисью гафния не будут создавать центры кристаллизации и это позволит повысить уровень радиационной стойкости СВЧ устройств и их надежность.
Сущность заявляемого технического решения схематично отображается на фиг. 3, где:
10. Подложка кремния;
11. Слой оксида кремния (SiO2)
12. Двумерный слой графена (нижняя обкладка конденсатора);
13. Аморфный слой оксида алюминия (Al2O3);
14. Аморфный слой оксида гафния (HfO2);
15. Аморфный слой оксида алюминия (Al2O3);
16. Металлический электрод.
Настоящее устройство состоит из следующих компонентов: на подложке кремния 10, толщиной 150-200 мкм, последовательно размещены слой оксида кремния 11, двумерный слой графена 12 (нижняя обкладка конденсатора). Поверх слоя графена нанесен комбинированный диэлектрик, включающий последовательно нанесенные слои 13, 14, 15:
- аморфный слой оксида алюминия (Al2O3) 1-3 нм;
- аморфный слой оксида гафния (HfO2) 7-10 нм;
- аморфный слой оксида алюминия (Al2O3) 1-3 нм.
Двуокись гафния является представителем наиболее перспективных диэлектрических материалов для переключателей. Этот материал обладает высокими диэлектрической проницаемостью (К=20-25) и шириной запрещенной зоны Eg=5,8 эв. Кроме того, двуокись гафния, как диэлектрический материал подходит для устройств с емкостно соединенными контактами с изолированным затвором, имеет высокую диэлектрическую проницаемость, и пригоден для более сильной емкостной связи. Для повышения надежности приборов предусмотрено капсулирование двуокиси гафния (HfO2) сверху и снизу аморфным слоем оксида алюминия (Al2O3). Длительная эксплуатация и воздействие повышенных температур могут приводить к кристаллизации HfO2, что может привести к изменению параметров СВЧ переключателя и повышению уровня деградации. Аморфные слои оксида алюминия (Al2O3) не подвержены рекристаллизации в широком диапазоне температур (во всем диапазоне рабочих и критических температур работы СВЧ устройств) наличие аморфных диэлектриков на границах с двуокисью гафния не будут создавать центры кристаллизации для двуокиси гафния и это позволит повысить уровень радиационной стойкости СВЧ устройств и их надежность. Поверх комбинированного диэлектрика размещены управляющие электроды полосковой формы Mo/Ti/Au 16.
Claims (1)
- СВЧ переключатель с изолированными электродами, отличающийся тем, что переключатель СВЧ изготовлен на графене, где в качестве подложки использован кремний, затем последовательно размещены слой оксида кремния (SiO2), наноразмерный двумерный слой графена, который служит нижней обкладкой конденсатора, поверх которого нанесен диэлектрик, содержащий аморфный слой оксида алюминия (Al2O3), аморфный слой диэлектрика с высокой диэлектрической постоянной, например двуокиси гафния (HfO2), а также в качестве аморфного слоя диэлектрика с высокой диэлектрической постоянной могут использоваться диэлектрики других оксидов редких и редкоземельных металлов, после чего повторно нанесен аморфный слой оксида алюминия (Al2O3), поверх диэлектрика размещены металлические электроды полосковой формы, которые образуют верхнюю обкладку конденсатора, при этом переключатель содержит два конденсатора, образующих двойные ВЧ-ключи.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017116629A RU2672159C1 (ru) | 2017-05-12 | 2017-05-12 | Свч переключатель с изолированными электродами |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017116629A RU2672159C1 (ru) | 2017-05-12 | 2017-05-12 | Свч переключатель с изолированными электродами |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2672159C1 true RU2672159C1 (ru) | 2018-11-12 |
Family
ID=64327877
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017116629A RU2672159C1 (ru) | 2017-05-12 | 2017-05-12 | Свч переключатель с изолированными электродами |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2672159C1 (ru) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5086329A (en) * | 1990-07-27 | 1992-02-04 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Planar gallium arsenide NPNP microwave switch |
| US5214275A (en) * | 1991-09-30 | 1993-05-25 | The Boeing Company | Optically controlled microwave switch and signal switching system |
| RU2563533C2 (ru) * | 2014-01-28 | 2015-09-20 | Открытое акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Пульсар" | Мощный переключатель свч |
| RU2574808C2 (ru) * | 2014-06-09 | 2016-02-10 | Открытое акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Пульсар" | Мощный псевдоморфный переключатель свч |
-
2017
- 2017-05-12 RU RU2017116629A patent/RU2672159C1/ru active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5086329A (en) * | 1990-07-27 | 1992-02-04 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Planar gallium arsenide NPNP microwave switch |
| US5214275A (en) * | 1991-09-30 | 1993-05-25 | The Boeing Company | Optically controlled microwave switch and signal switching system |
| RU2563533C2 (ru) * | 2014-01-28 | 2015-09-20 | Открытое акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Пульсар" | Мощный переключатель свч |
| RU2574808C2 (ru) * | 2014-06-09 | 2016-02-10 | Открытое акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Пульсар" | Мощный псевдоморфный переключатель свч |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| А. С. Адонин, И. М. Аболдуев, А. Ю. Евграфов, В. М. Миннебаев, А. В. Перевезенцев, SPST C3 MOS переключатель с ёмкостной связью контактов на AlGaN/GaN гетероструктурах, Электронная техника. Серия 2. Полупроводниковые приборы. Выпуск 4 (238), с. 15-20, 2015. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Bae et al. | High breakdown voltage quasi-two-dimensional β-Ga2O3 field-effect transistors with a boron nitride field plate | |
| Sheoran et al. | A comprehensive review on recent developments in ohmic and Schottky contacts on Ga2O3 for device applications | |
| US8816787B2 (en) | High frequency oscillator circuit and method to operate same | |
| Meyer et al. | High electron velocity submicrometer AlN/GaN MOS-HEMTs on freestanding GaN substrates | |
| CN107393890B (zh) | 一种石墨烯掩埋散热层和纵向沟道GaN MISFET元胞结构及制备方法 | |
| JP2015529019A (ja) | 調整可能な及び高いゲート・ソース定格電圧を備えるｉｉｉ‐窒化物エンハンスメントモードトランジスタ | |
| CN105336789A (zh) | 一种高质量MIS结构的GaN基场效应晶体管及其制备方法 | |
| JP2020526033A (ja) | 負のキャパシタゲートを備えた高電子移動度トランジスタ | |
| Cui et al. | Enhanced performances of AlGaN/GaN HEMTs with dielectric engineering of HfZrOx | |
| Singisetti et al. | High-performance N-polar GaN enhancement-mode device technology | |
| Sharma et al. | Gallium arsenide and gallium nitride semiconductors for power and optoelectronics devices applications | |
| Bi et al. | InGaZnO tunnel and junction transistors based on vertically stacked black phosphorus/InGaZnO heterojunctions | |
| Guo et al. | Tri-Gate Normally-Off AlN/GaN HEMTs With 2.36 W/mm of Power Density and 67.5% Power-Added-Efficiency at V d= 12 V | |
| Li et al. | Development of two-dimensional materials for electronic applications | |
| RU2672159C1 (ru) | Свч переключатель с изолированными электродами | |
| Jessen et al. | Gallium oxide technologies and applications | |
| CN109742144B (zh) | 一种槽栅增强型mishemt器件及其制作方法 | |
| RU2563533C2 (ru) | Мощный переключатель свч | |
| Murugapandiyan et al. | 30 nm T-gate enhancement-mode InAlN/AlN/GaN HEMT on SiC substrates for future high power RF applications | |
| RU177500U1 (ru) | Мощный переключатель свч | |
| Ye et al. | Ferroelectric-gated GaN HEMTs for RF and mm-wave switch applications | |
| TW201911421A (zh) | 三族氮化物高速電子遷移率場效應電晶體元件 | |
| RU2653180C1 (ru) | Многоканальное коммутирующее устройство свч с изолированными электродами | |
| Zhao et al. | Ultra-high current gain tunneling hot-electron transfer amplifier based on vertical van der Waals heterojunctions | |
| RU2558649C1 (ru) | Органичитель мощности свч |