RU2743673C1 - Powerful hf- and microwave transistor structure - Google Patents

Powerful hf- and microwave transistor structure Download PDF

Info

Publication number
RU2743673C1
RU2743673C1 RU2020121286A RU2020121286A RU2743673C1 RU 2743673 C1 RU2743673 C1 RU 2743673C1 RU 2020121286 A RU2020121286 A RU 2020121286A RU 2020121286 A RU2020121286 A RU 2020121286A RU 2743673 C1 RU2743673 C1 RU 2743673C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
transistor structure
sections
emitter
ballast resistor
metallization
Prior art date
Application number
RU2020121286A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Олег Митрофанович Булгаков
Юрий Кимович Николаенков
Михаил Владимирович Таравков
Original Assignee
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Воронежский государственный университет" (ФГБОУ ВО "ВГУ")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Воронежский государственный университет" (ФГБОУ ВО "ВГУ") filed Critical федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Воронежский государственный университет" (ФГБОУ ВО "ВГУ")
Priority to RU2020121286A priority Critical patent/RU2743673C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2743673C1 publication Critical patent/RU2743673C1/en

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof  ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/70—Bipolar devices

Abstract

FIELD: semiconductor electronics.SUBSTANCE: high-power HF and microwave transistor structure includes areas of collector, emitter and base, contact metallization and ballast resistor, divided into sections connected by one edge to contact metallization of emitter, and other edge with contact pad for emitter output connection. Ballast resistor is multilayer, layers materials have different resistivity and melting point, increasing from upper layer to lower one relative to semiconductor substrate.EFFECT: technical result of invention is higher fault tolerance of transistor structure due to increase of its resistance to increase in temperature of sections of active structure area due to deviation of characteristics of amplification mode from standard values, for example, in mismatch of power amplifier end cascade with load; when temperature reaches critical value, invention provides reduction of power by sections of active region of transistor structure due to abrupt increase in resistance of most heated sections of ballast resistor due to evaporation of their upper layers and input resistance of structure as a whole.1 cl, 2 dwg

Description

Заявляемое изобретение относится к полупроводниковой электронике и может быть применено в конструкциях мощных ВЧ- и СВЧ-полупроводниковых приборов.The claimed invention relates to semiconductor electronics and can be used in the design of high-power RF and microwave semiconductor devices.

Известна мощная ВЧ- и СВЧ-транзисторная структура, в которой на полупроводниковой подложке размещены коллекторная, базовая и эмиттерная области, соединенные с соответствующими им электродами корпуса, причем эмиттерная область фрагментирована с целью компенсации эффекта оттеснения тока к периферии эмиттера [Колесников В.Г. и др. Кремниевые планарные транзисторы / Под ред. Я.А. Федотова. - Москва: Сов. радио, 1973. - С. 98].A powerful HF and microwave transistor structure is known, in which the collector, base and emitter regions are located on a semiconductor substrate, connected to the corresponding housing electrodes, and the emitter region is fragmented in order to compensate for the effect of current displacement to the periphery of the emitter [Kolesnikov V.G. and others. Silicon planar transistors / Ed. Ya.A. Fedotov. - Moscow: Sov. radio, 1973. - S. 98].

Недостатком такой транзисторной структуры является сильная локальная и общая положительная токотермическая обратная связь [Колесников В.Г. и др. Кремниевые планарные транзисторы / Под ред. Я.А. Федотова. - Москва: Сов. радио, 1973. - С. 287; 2, С. 98], вызванные отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) полупроводника в рабочем диапазоне температур и приводящие соответственно к неравномерному распределению мощности по активным областям транзисторной структуры [Колесников В.Г. и др. Кремниевые планарные транзисторы / Под ред. Я.А. Федотова. - Москва: Сов. радио, 1973. - С. 285] и термической неустойчивости, в свою очередь обуславливающим снижение максимальной выходной мощности P1макс, определяемой периметром эмиттера [Колесников В.Г. и др. Кремниевые планарные транзисторы / Под ред. Я.А. Федотова. - Москва: Сов. радио, 1973. - С. 105], и отказоустойчивости транзисторной структуры.The disadvantage of such a transistor structure is a strong local and general positive current-thermal feedback [Kolesnikov V.G. and others. Silicon planar transistors / Ed. Ya.A. Fedotov. - Moscow: Sov. radio, 1973. - S. 287; 2, S. 98], caused by the negative temperature coefficient of resistance (TCR) of the semiconductor in the operating temperature range and leading, respectively, to uneven power distribution over the active regions of the transistor structure [Kolesnikov V.G. and others. Silicon planar transistors / Ed. Ya.A. Fedotov. - Moscow: Sov. radio, 1973. - S. 285] and thermal instability, in turn causing a decrease in the maximum output power P 1max , determined by the perimeter of the emitter [Kolesnikov V.G. and others. Silicon planar transistors / Ed. Ya.A. Fedotov. - Moscow: Sov. radio, 1973. - S. 105], and the fault tolerance of the transistor structure.

В другой транзисторной структуре между металлизацией области эмиттера и площадкой для присоединения эмиттерного проводника сформирован балластный резистор [Проектирование и технология производства мощных СВЧ-транзисторов / В.И. Никишин, Б.К. Петров, В.Ф. Сыноров и др. - Москва: Радио и связь, 1989. - С. 106]. Наличие балластного резистора, включенного последовательно в цепь эмиттера транзисторной структуры, позволяет уменьшить положительную токотермическую обратную связь транзисторной структуры в целом за счет увеличения ее общего входного сопротивления Rвх1, а при выполнении балластного резистора из металла - дополнительно за счет положительного ТКС резистора, частично компенсирующего отрицательный ТКС полупроводника, а также локальную положительную токотермическую обратную связь отдельных участков транзисторной структуры и тем самым, за счет предотвращения эффекта шнурования тока, повысить выходную максимальную мощность Р1макс и отказоустойчивость транзисторной структуры.In another transistor structure, a ballast resistor is formed between the metallization of the emitter area and the platform for connecting the emitter conductor [Design and production technology of powerful microwave transistors / V.I. Nikishin, B.K. Petrov, V.F. Synorov et al. - Moscow: Radio and communication, 1989. - P. 106]. The presence of a ballast resistor connected in series to the emitter circuit of a transistor structure makes it possible to reduce the positive current-thermal feedback of the transistor structure as a whole by increasing its total input resistance R in1 , and when the ballast resistor is made of metal - additionally due to the positive TCS resistor, partially compensating for the negative TKS of a semiconductor, as well as local positive current-thermal feedback of individual sections of the transistor structure and thereby, by preventing the effect of pinching of the current, to increase the output maximum power P 1max and the fault tolerance of the transistor structure.

Недостатком такой транзисторной структуры является ее неравномерный разогрев из-за более интенсивного отвода тепла от периферии транзисторной структуры по сравнению с ее центром [Колесников В.Г. и др. Кремниевые планарные транзисторы / Под ред. Я.А. Федотова. - Москва: Сов. радио, 1973. - С. 293; 2, С. 107], что приводит к недостижению предельного значения Р1пред максимальной выходной мощности P1макс, определяемого периметром эмиттера транзисторной структуры [Колесников В.Г. и др. Кремниевые планарные транзисторы / Под ред. Я.А. Федотова. - Москва: Сов. радио, 1973. - С. 105], и не исключает ее полного отказа при превышении рабочей температуры предельно допустимого значения Tмакс, определяемого температурой плавления материала подложки или материала контактной металлизации.The disadvantage of such a transistor structure is its uneven heating due to more intense heat removal from the periphery of the transistor structure in comparison with its center [Kolesnikov V.G. and others. Silicon planar transistors / Ed. Ya.A. Fedotov. - Moscow: Sov. radio, 1973. - S. 293; 2, P. 107], which leads to the failure to reach the limit value P 1lim maximum output power P 1max , determined by the perimeter of the emitter of the transistor structure [Kolesnikov V.G. and others. Silicon planar transistors / Ed. Ya.A. Fedotov. - Moscow: Sov. radio, 1973. - P. 105], and does not exclude its complete failure when the operating temperature exceeds the maximum permissible value T max , determined by the melting temperature of the substrate material or the material of contact metallization.

Наиболее близкой по совокупности признаков является транзисторная структура, в которой балластный резистор разделен на изолированные участки различной конфигурации [Патент №2216071 Российская Федерация, МПК H01L 29/70 (2000.01). Мощная СВЧ-транзисторная структура: №2002130080: заявл. 10.11.2002: опубл. 10.11.2003 / Петров Б.К., Булгаков О.М.; заявитель ВГУ. - 5 с.: ил. - Текст: непосредственный], что обеспечивает, за счет реализации различных сопротивлений rБРi участков балластного резистора, уменьшение тока, подводимого к фрагментам или группам фрагментов области эмиттера с худшими условиями отвода тепла, по сравнению с участками с лучшими условиями отвода тепла и позволяет повысить равномерность разогрева транзисторной структуры и за счет этого увеличить Р1.The closest in terms of the totality of features is a transistor structure in which the ballast resistor is divided into isolated sections of various configurations [Patent No. 2216071 Russian Federation, IPC H01L 29/70 (2000.01). Powerful microwave transistor structure: No. 2002130080: Appl. November 10, 2002: publ. 10.11.2003 / Petrov B.K., Bulgakov O.M .; applicant VSU. - 5 p .: ill. - Text: direct], which provides, due to the implementation of different resistances r BRi sections of the ballast resistor, a decrease in the current supplied to the fragments or groups of fragments of the emitter region with the worst conditions for heat removal, in comparison with areas with better conditions for heat dissipation and allows to increase the uniformity heating the transistor structure and thereby increase P 1 .

Недостатком такой транзисторной структуры является ее неустойчивость к полному отказу вследствие превышения температурой ее отдельных участков значения Tмакс, определяемого температурой плавления материала подложки или материала контактной металлизации, при увеличении выделяемой транзисторной структурой тепловой мощности РT, вызванном отклонением параметров режима усиления (напряжения питания, входной мощности, коэффициента стоячей волны в нагрузке и т.п.) от оптимальных значений, что снижает ее отказоустойчивость.The disadvantage of such a transistor structure is its instability to complete failure due to the temperature of its individual sections exceeding the value T max , determined by the melting temperature of the substrate material or the contact metallization material, with an increase in the thermal power P T released by the transistor structure, caused by the deviation of the amplification mode parameters (supply voltage, input power, standing wave ratio in the load, etc.) from the optimal values, which reduces its fault tolerance.

Заявляемое изобретение предназначено для перераспределения выделяемой отдельными участками активной области транзисторной структуры тепловой мощности при повышении температуры отдельных участков до критических значений за счет увеличения сопротивлений отдельных участков балластного резистора rБРi и общего сопротивления балластного резистора rБР при увеличении до критических значений температуры соединенных непосредственно с ними участков активной области транзисторной структуры, и при его осуществлении может быть повышена отказоустойчивость транзисторной структуры.The claimed invention is intended to redistribute the thermal power allocated by individual sections of the active region of the transistor structure when the temperature of individual sections rises to critical values by increasing the resistances of individual sections of the ballast resistor r BRi and the total resistance of the ballast resistor r BR when increasing the temperature of the sections directly connected to them to critical values active region of the transistor structure, and its implementation can increase the fault tolerance of the transistor structure.

Вышеуказанная задача решается тем, что в известной мощной ВЧ- и СВЧ-транзисторной структуре, содержащей сформированные в полупроводниковой подложке области коллектора, базы и эмиттера с минимальным расстоянием А между центрами фрагментов области эмиттера, контактную металлизацию и балластный резистор, разделенный на изолированные участки, соединенные одним краем с контактной металлизацией эмиттера, а противоположным краем с металлизацией площадки для присоединения эмиттерного проводника, при этом расстояние между краями смежных участков в местах контактов с металлизацией области эмиттера не превышает Δ/3, согласно изобретению, хотя бы один участок балластного резистора содержит n≥2 слоев, причем материалы слоев имеют разные удельные сопротивления и температуры плавления и удовлетворяют условию:The above problem is solved by the fact that in the known powerful RF and microwave transistor structure containing the collector, base and emitter regions formed in the semiconductor substrate with a minimum distance A between the centers of the fragments of the emitter region, contact metallization and a ballast resistor, divided into isolated sections connected one edge with contact metallization of the emitter, and the opposite edge with metallization of the platform for connecting the emitter conductor, while the distance between the edges of adjacent sections at the points of contacts with metallization of the emitter region does not exceed Δ / 3, according to the invention, at least one section of the ballast resistor contains n≥ 2 layers, and the materials of the layers have different resistivities and melting points and satisfy the condition:

Figure 00000001
Figure 00000001

где ρn и Тn - удельное сопротивление и температура плавления материала слоя участка резистора в порядке возрастания номера слоя от верхнего к нижнему по отношению к полупроводниковой подложке, TП - температура плавления полупроводника.where ρ n and T n are the resistivity and the melting point of the layer material of the resistor section in ascending order of the layer number from upper to lower with respect to the semiconductor substrate, T P is the melting temperature of the semiconductor.

Получаемый при осуществлении изобретения технический результат, а именно повышение отказоустойчивости транзисторной структуры, достигается за счет того, что наличие многослойного (n≥2) секционированного балластного резистора из материалов с различными удельными сопротивлениями ρn и температурами плавления Tn приводит к повышению сопротивления отдельных его участков rБРi (i=1, …, N; N - количество изолированных участков балластного резистора) по мере превышения температуры контактирующих с этими участками активных областей значений T1, затем Т2 и т.д., при изменении параметров режима усиления, и, как следствие, уменьшению тока, протекающего через участки балластного резистора с увеличившимся сопротивлением и снижению тепловой мощности, выделяемой участками транзисторной структуры, контактирующими с такими участками балластного резистора. Увеличение сопротивления участков многослойного балластного резистора по мере увеличения его температуры происходит за счет испарения контактирующих с перегретыми участками активных областей транзисторной структуры участков верхних по отношению к подложке слоев резистора при достижении их температурой температуры плавления материала слоя Тn. При этом часть величины PТ и P1, на которую произошло снижение выделяемой перегретыми участками активных областей транзисторной структуры тепловой и электрической мощности, перераспределяется между другими участками активных областей транзисторной структуры. Увеличение сопротивлений rBPi приводит к увеличению сопротивления rБР балластного резистора в целом и входного сопротивления Rвх1 транзисторной структуры [Проектирование и технология производства мощных СВЧ-транзисторов / В.И. Никишин, Б.К. Петров, В.Ф. Сыноров и др. - Москва: Радио и связь, 1989. - С. 15, 18, 36, 38], что обеспечивает дополнительное снижение РТ и P1 и предотвращает отказ транзисторной структуры.The technical result obtained in the implementation of the invention, namely, an increase in the fault tolerance of the transistor structure, is achieved due to the fact that the presence of a multilayer (n≥2) sectioned ballast resistor made of materials with different resistivities ρ n and melting temperatures T n leads to an increase in the resistance of its individual sections r BRi (i = 1, ..., N; N is the number of isolated sections of the ballast resistor) as the temperature of the active regions contacting with these sections of the values T 1 , then T 2 , etc., is exceeded, when the parameters of the amplification mode change, and, as a consequence, a decrease in the current flowing through the sections of the ballast resistor with an increased resistance and a decrease in the thermal power released by the sections of the transistor structure in contact with such sections of the ballast resistor. The increase in the resistance of the sections of the multilayer ballast resistor as its temperature increases occurs due to the evaporation of the sections of the upper layers of the resistor in contact with the superheated sections of the active regions of the transistor structure with respect to the substrate when their temperature reaches the melting point of the layer material T n . In this case, the part of the value of P T and P 1 , by which there was a decrease in the thermal and electrical power released by the overheated sections of the active regions of the transistor structure, is redistributed between other sections of the active regions of the transistor structure. An increase in the resistance r BPi leads to an increase in the resistance r BR of the ballast resistor as a whole and the input resistance R in1 of the transistor structure [Design and production technology of high-power microwave transistors / V.I. Nikishin, B.K. Petrov, V.F. Synorov et al. - Moscow: Radio i svyaz, 1989. - pp. 15, 18, 36, 38], which provides an additional decrease in P T and P 1 and prevents the failure of the transistor structure.

На фиг. 1 изображен вариант реализации заявляемой мощной ВЧ- и СВЧ-транзисторной структуры, вид сверху, на фиг. 2 изображен вариант реализации заявляемой мощной ВЧ- и СВЧ-транзисторной структуры с двухслойным секционированным балластным резистором, вид сбоку, где 1 - полупроводниковая подложка; 2 - область базы; 3 - область эмиттера; 4 -металлизация эмиттера; 5 - металлизация площадки для присоединения эмиттерного проводника; 6 - эмиттерный проводник; 7 - балластный резистор; 8 - металлизация области базы; 9 - металлизация площадки для присоединения базового проводника; 10 - базовый проводник; 11 - изолирующий окисел.FIG. 1 shows an embodiment of the inventive powerful RF and microwave transistor structure, top view, in Fig. 2 shows an embodiment of the inventive powerful HF and microwave transistor structure with a two-layer sectioned ballast resistor, side view, where 1 is a semiconductor substrate; 2 - base area; 3 - emitter area; 4 -metallization of the emitter; 5 - metallization of the platform for connecting the emitter conductor; 6 - emitter conductor; 7 - ballast resistor; 8 - metallization of the base area; 9 - metallization of the platform for connecting the base conductor; 10 - base conductor; 11 - insulating oxide.

Мощная ВЧ- и СВЧ-транзисторная структура размещена на полупроводниковой подложке 1, являющейся в данном примере областью коллектора. В пределах области базы 2 размещены фрагменты области эмиттера 3, контактирующие с металлизацией эмиттера 4. Между металлизацией 4 и металлизацией 5 площадки для присоединения эмиттерного проводника 6 расположен разделенный на участки 7 балластный резистор, противоположные стороны которого контактируют с металлизацией 4 и 5. На фиг. 1 также показана металлизация 8 области базы, через которую осуществляется контакт области 2 с металлизацией 9 площадки для присоединения базового проводника 10. Резистор 7 является многослойным с числом слоев n≥2. Расстояние между смежными краями контактов соседних участков резистора 7 с металлизацией 4 не превышает трети расстояния между центрами областей эмиттера 3, что обеспечивает включение всех без исключения областей 3 в схему каскада через металлизацию 4, участки балластного резистора 7, металлизацию 5, проводник 6 и далее через соответствующий электрод корпуса транзистора даже в случае фрагментации металлизации 4 в месте контактов с участками 7 (фиг. 1). Так как конфигурация области эмиттера должна обеспечивать максимальное отношение периметра эмиттера к площади базы [Колесников В.Г. и др. Кремниевые планарные транзисторы / Под ред. Я.А. Федотова. - Москва: Сов. радио, 1973. - С. 105; 2, С. 83], т.е. максимальную плотность размещения областей 3 в пределах области 2, расстояние Δ определяется разрешением литографического процесса - минимальным расстоянием а между двумя ближайшими параллельными линиями структуры. На фиг. 1 металлизации областей эмиттера и базы представляют собой две встречнонаправленных вложенных одна в другую гребенки. Штыри (фрагменты) гребенок контактируют через окна в защитном окисле с областями базы и эмиттера. Величина Δ складывается из удвоенного расстояния от центра области 3 до края контактного окна (2⋅σ/2=σ), удвоенного расстояния от края контактного окна до края фрагмента металлизации 4 (2⋅σ=2σ), удвоенного расстояния от края фрагмента металлизации 4 до края фрагмента металлизации 8 (2σ) и ширины фрагмента металлизации 8, равной удвоенному расстоянию от края фрагмента до края контактного окна и ширине контактного окна, т.е. 3σ. Таким образом, Δ=8σ, а минимальная ширина фрагмента металлизации 4 в месте контакта с участками балластного резистора 7, как и ширина металлизации 8, равна 3σ. Очевидно, во избежание пропуска контакта участков 7 с металлизацией 4, расстояние между краями смежных участков 7 в местах контактов с металлизацией 4 должно быть меньше ширины фрагмента металлизации, т.е. 3σ. Выразив это расстояние через Δ, как более общий конструктивный параметр по сравнению с σ, получим 3Δ/8, а с небольшим запасом для обеспечения перекрытия участков 7 с металлизацией 4-Δ/3.A powerful RF and microwave transistor structure is placed on a semiconductor substrate 1, which in this example is a collector region. Within the base region 2, there are fragments of the emitter region 3 in contact with the metallization of the emitter 4. Between the metallization 4 and the metallization 5 of the platform for connecting the emitter conductor 6, there is a ballast resistor divided into sections 7, the opposite sides of which are in contact with the metallization 4 and 5. FIG. 1 also shows the metallization 8 of the base region, through which the contact of the region 2 is made with the metallization 9 of the pad for connecting the base conductor 10. The resistor 7 is multilayer with the number of layers n≥2. The distance between the adjacent edges of the contacts of adjacent sections of the resistor 7 with metallization 4 does not exceed a third of the distance between the centers of the emitter regions 3, which ensures the inclusion of all regions 3 without exception into the cascade circuit through metallization 4, sections of the ballast resistor 7, metallization 5, conductor 6 and further through the corresponding electrode of the transistor body even in the case of fragmentation of metallization 4 at the point of contacts with sections 7 (Fig. 1). Since the configuration of the emitter area should provide the maximum ratio of the emitter perimeter to the base area [Kolesnikov V.G. and others. Silicon planar transistors / Ed. Ya.A. Fedotov. - Moscow: Sov. radio, 1973. - S. 105; 2, p. 83], ie the maximum density of placement of areas 3 within area 2, the distance Δ is determined by the resolution of the lithographic process - the minimum distance a between the two nearest parallel lines of the structure. FIG. 1, the metallization of the emitter and base regions are two oppositely nested combs. The pins (fragments) of the combs contact through the windows in the protective oxide with the base and emitter regions. The value of Δ is summed up of the doubled distance from the center of region 3 to the edge of the contact window (2⋅σ / 2 = σ), doubled the distance from the edge of the contact window to the edge of the metallization fragment 4 (2⋅σ = 2σ), doubled the distance from the edge of the metallization fragment 4 to the edge of the metallization fragment 8 (2σ) and the width of the metallization fragment 8, equal to twice the distance from the edge of the fragment to the edge of the contact window and the width of the contact window, i.e. 3σ. Thus, Δ = 8σ, and the minimum width of the metallization fragment 4 at the point of contact with the sections of the ballast resistor 7, as well as the metallization width 8, is equal to 3σ. Obviously, in order to avoid skipping the contact of sections 7 with metallization 4, the distance between the edges of adjacent sections 7 at the points of contacts with metallization 4 should be less than the width of the metallization fragment, i.e. 3σ. Expressing this distance in terms of Δ, as a more general design parameter in comparison with σ, we obtain 3Δ / 8, and with a small margin to ensure the overlap of sections 7 with metallization 4-Δ / 3.

При работе мощной ВЧ- и СВЧ-транзисторной структуры, вариант реализации которой показан на фиг. 1, в составе транзистора в схеме каскада усиления мощности наличие многослойного (n≥2) секционированного балластного резистора позволяет уменьшить выделение мощности участками активной области транзисторной структуры при отклонении параметров режима усиления от оптимальных за счет увеличения сопротивления контактирующих с ними отдельных участков балластного резистора. Оптимальный подбор конструктивных параметров (материал, количество и геометрические размеры слоев и участков) и внешних управляющих напряжений обеспечивает достижение оптимального набора энергетических параметров: выходной мощности Р1, коэффициента усиления по мощности Kр, КПД коллекторной цепи η за счет реализации некоторого оптимального распределения тепловой мощности PT по всем участкам транзисторной структуры.When operating a powerful RF and microwave transistor structure, the embodiment of which is shown in FIG. 1, the presence of a multilayer (n≥2) sectioned ballast resistor as part of a transistor in a power amplification cascade circuit makes it possible to reduce the release of power by sections of the active region of the transistor structure when the amplification mode parameters deviate from the optimal ones by increasing the resistance of individual sections of the ballast resistor in contact with them. Optimal selection of design parameters (material, number and geometrical dimensions of layers and sections) and external control voltages ensures the achievement of an optimal set of energy parameters: output power P 1 , power gain K p , efficiency of the collector circuit η due to the implementation of some optimal distribution of thermal power P T over all sections of the transistor structure.

В процессе работы мощной ВЧ- и СВЧ-транзисторной структуры эмиттерный ток распределяется по сечению и ширине балластного резистора неравномерно. По ширине балластного резистора больший ток протекает по крайним участкам, контактирующим с участками активной области с лучшими условиями отвода тепла. По поперечному сечению каждого участка больший ток протекает по верхнему слою с меньшим удельным сопротивлением. По мере увеличения температуры активных областей, вызванном повышением выделяемой тепловой мощности вследствие отклонения параметров режима усиления от оптимальных значений, сначала происходит линейное увеличение сопротивлений участков балластного резистора rБРi за счет положительного ТКС материала. При достижении температурой отдельных участков области 2 и контактирующих с ними участков 7 значений, превышающих температуру плавления Т1 первого слоя участка, происходит испарение этого слоя, уменьшение площади поперечного сечения участка балластного резистора и, как следствие, скачкообразное увеличение его сопротивления rБРi. Увеличение сопротивления rБРi участка балластного резистора, подключенного к отдельному участку активной области транзисторной структуры, приводит к уменьшению тепловой мощности, выделяемой этим участком активной области, и ее перераспределению по остальным участкам активной области транзисторной структуры. В итоге максимальная и средняя температуры области 2 понижаются, что повышает термическую устойчивость и отказоустойчивость транзисторной структуры.In the process of operation of a powerful HF and microwave transistor structure, the emitter current is distributed unevenly over the cross section and width of the ballast resistor. Along the width of the ballast resistor, a larger current flows along the extreme sections in contact with sections of the active region with better heat dissipation conditions. Over the cross section of each section, a larger current flows through the upper layer with a lower resistivity. As the temperature of the active regions increases, caused by an increase in the released thermal power due to the deviation of the parameters of the amplification mode from the optimal values, first there is a linear increase in the resistances of the sections of the ballast resistor r BRi due to the positive TCS of the material. When the temperature of the individual sections of region 2 and the sections 7 in contact with them reaches values that exceed the melting temperature T 1 of the first layer of the section, this layer evaporates, the cross-sectional area of the ballast resistor section decreases and, as a consequence, an abrupt increase in its resistance r BRi . An increase in the resistance r BRi of the section of the ballast resistor connected to a separate section of the active region of the transistor structure leads to a decrease in the thermal power released by this section of the active region and its redistribution over the remaining sections of the active region of the transistor structure. As a result, the maximum and average temperatures of region 2 decrease, which increases the thermal stability and fault tolerance of the transistor structure.

Наличие в транзисторной структуре многослойного секционированного балластного резистора приводит к повышению термической устойчивости транзисторной структуры и ее отказоустойчивости. Поскольку увеличение сопротивлений rБРi и rБР не связано с увеличением площади балластного резистора, и, как следствие его емкости, входящей в состав паразитной проходной емкости коллектор-эмиттер [Проектирование и технология производства мощных СВЧ-транзисторов / В.И. Никишин, Б.К. Петров, В.Ф. Сыноров и др. - Москва: Радио и связь, 1989. - С. 109], повышение отказоустойчивости не приводит к заметному (>10%) снижению коэффициента усиления по мощности транзисторной структуры на основной рабочей частоте.The presence of a multilayer sectioned ballast resistor in the transistor structure leads to an increase in the thermal stability of the transistor structure and its fault tolerance. Since the increase in the resistances r BRi and r BR is not associated with an increase in the area of the ballast resistor, and, as a consequence of its capacitance, which is part of the parasitic throughput collector-emitter capacitance [Design and production technology of powerful microwave transistors / V.I. Nikishin, B.K. Petrov, V.F. Synorov et al. - Moscow: Radio i svyaz, 1989. - P. 109], an increase in fault tolerance does not lead to a noticeable (> 10%) decrease in the power gain of the transistor structure at the fundamental operating frequency.

Пример. На фиг. 2 изображен вариант реализации заявляемой мощной ВЧ- и СВЧ-транзисторной структуры с двухслойным секционированным балластным резистором, вид сбоку. Балластный резистор шириной 500 мкм и длинной 40 мкм располагается на изолирующем окисле 11. Толщины верхнего и нижнего слоев равны 0,089 мкм. Верхний слой балластного резистора изготовлен из висмута с удельным объемным сопротивлением ρ=1,068⋅10-6 Ом⋅м (при 20°С) и температурой плавления 271°С (при 760 мм. рт.ст.) [Чиркин В.С. Теплофизические свойства материалов / В.С. Чиркин. - Москва: гос. из-во физмат, литературы, 1959. - С. 187]. Нижний слой изготовлен из более тугоплавкого, чем висмут, нихрома марки Х15Н60 с удельным сопротивлением ρ=1,16⋅10-6 Ом⋅м (при 20°С) и температурой плавления 1410°С [Бабаков А.А. и др. Материалы в машиностроении. Справочник в пяти томах. Выбор и применение. Том 3. Специальные стали и сплавы / Под ред. Ф.Ф. Химушина. - Москва: Машиностроение, 1968. - С. 307, 308]. При указанных размерах слоев и удельных объемных сопротивлениях верхний и нижний слои резистора обладают удельными поверхностными сопротивлениями в 12

Figure 00000002
(Ом на квадрат, то есть сопротивление на единицу площади поверхности) и 13,034
Figure 00000003
соответственно. Балластный резистор имеет типовое для биполярных транзисторов значение сопротивления в rБР=0,5 Ом, что соответствует удельному поверхностному сопротивлению в 6,25
Figure 00000004
При испарении верхнего слоя сопротивление rБРi участка балластного резистора увеличивается в 2,085 раза, что приводит к снижению на 30-40% входной мощности участка активной области транзисторной структуры, контактирующего с данным участком балластного резистора, и на 35-50% величины его выходной мощности Р1 и выделяемой им тепловой мощности [Проектирование и технология производства мощных СВЧ-транзисторов / В.И. Никишин, Б.К. Петров, В.Ф. Сыноров и др. - Москва: Радио и связь, 1989. - С. 15, 18, 36, 38]. При количестве участков балластного резистора N=10 значение rБР, в зависимости от значения rБРi, увеличится на 10-15%, что приведет к уменьшению выходной мощности Р1 транзисторной структуры не более, чем на 4-7%.Example. FIG. 2 shows an embodiment of the inventive powerful HF and microwave transistor structure with a two-layer sectioned ballast resistor, side view. A ballast resistor with a width of 500 µm and a length of 40 µm is located on the insulating oxide 11. The thicknesses of the upper and lower layers are equal to 0.089 µm. The upper layer of the ballast resistor is made of bismuth with a specific volumetric resistance ρ = 1.068⋅10 -6 Ohm⋅m (at 20 ° C) and a melting point of 271 ° C (at 760 mm Hg) [Chirkin V.S. Thermophysical properties of materials / V.S. Chirkin. - Moscow: state. Iz-in Physics and Mathematics, Literature, 1959. - S. 187]. The lower layer is made of more refractory than bismuth, nichrome grade X15N60 with a specific resistance ρ = 1.16⋅10 -6 Ohm⋅m (at 20 ° C) and a melting point of 1410 ° C [Babakov A.A. and other Materials in mechanical engineering. Handbook in five volumes. Selection and application. Volume 3. Special steels and alloys / Ed. F.F. Himushina. - Moscow: Mechanical Engineering, 1968. - S. 307, 308]. With the indicated layer sizes and specific volume resistances, the upper and lower layers of the resistor have specific surface resistances of 12
Figure 00000002
(Ohms per square, i.e. resistance per unit surface area) and 13.034
Figure 00000003
respectively. The ballast resistor has a resistance value typical for bipolar transistors in r BR = 0.5 Ohm, which corresponds to a specific surface resistance of 6.25
Figure 00000004
With the evaporation of the upper layer, the resistance r BRi of the ballast resistor section increases by 2.085 times, which leads to a 30-40% decrease in the input power of the active region section of the transistor structure in contact with this section of the ballast resistor, and by 35-50% of the value of its output power P 1 and the thermal power allocated by it [Design and production technology of powerful microwave transistors / V.I. Nikishin, B.K. Petrov, V.F. Synorov and others - Moscow: Radio and communication, 1989. - S. 15, 18, 36, 38]. With the number of sections of the ballast resistor N = 10, the value of r BR , depending on the value of r BRi , will increase by 10-15%, which will lead to a decrease in the output power P 1 of the transistor structure by no more than 4-7%.

Установлено, что проводимость тонких пленок материалов для полупроводниковых приборов появляется при их толщине, превышающей некоторое критическое значение dкр, когда отдельные кристаллы срастаются и пленка становится сплошной, а пропорциональность отношения удельного объемного сопротивления материала пленки к ее толщине выполняется при толщинах по порядку величины больших 100

Figure 00000005
что вероятнее всего обусловлено повышением однородности пленки [Гимпельсон В.Д., Радионов Ю.А. Тонкопленочные микросхемы для приборостроения и вычислительной техники / В.Д. Гимпельсон, Ю.А. Радионов. - Москва: Машиностроение, 1976. - С. 18; Парфенов О.Д. Технология микросхем / О.Д. Парфенов. - Москва: Высшая школа, 1977. - С. 145]. По мере увеличения толщины пленки влияние размерных эффектов и дефектов структуры пленки становится меньше, удельное сопротивление уменьшается и приближается к значениям массивных образцов, оставаясь несколько более высоким. При толщине пленки свыше 600-700 Å удельное объемное сопротивление материала приобретает стабильное значение. Таким образом, при указанных толщинах слоев двухслойный резистор обладает стабильными характеристиками и их хорошей воспроизводимостью.It has been established that the conductivity of thin films of materials for semiconductor devices appears when their thickness exceeds a certain critical value dcr , when individual crystals grow together and the film becomes continuous, and the proportionality of the ratio of the specific volume resistivity of the film material to its thickness is fulfilled at thicknesses of the order of magnitude greater than 100
Figure 00000005
which is most likely due to an increase in the uniformity of the film [Gimpelson VD, Radionov Yu.A. Thin-film microcircuits for instrumentation and computer technology / V.D. Gimpelson, Yu.A. Radionov. - Moscow: Mechanical Engineering, 1976. - P. 18; Parfenov O.D. Microcircuit technology / O.D. Parfenov. - Moscow: Higher school, 1977. - S. 145]. As the film thickness increases, the influence of size effects and defects in the structure of the film becomes less, the resistivity decreases and approaches the values of bulk samples, remaining somewhat higher. With a film thickness over 600-700 Å, the specific volume resistivity of the material acquires a stable value. Thus, at the indicated layer thicknesses, the two-layer resistor has stable characteristics and good reproducibility.

ЛитератураLiterature

1. Колесников В.Г. и др. Кремниевые планарные транзисторы / Под ред. Я.А. Федотова. - Москва: Сов. радио, 1973. - 336 с.1. Kolesnikov V.G. and others. Silicon planar transistors / Ed. Ya.A. Fedotov. - Moscow: Sov. radio, 1973 .-- 336 p.

2. Проектирование и технология производства мощных СВЧ-транзисторов / В.И. Никишин, Б.К. Петров, В.Ф. Сыноров и др. - Москва: Радио и связь, 1989. - 144 с.2. Design and production technology of powerful microwave transistors / V.I. Nikishin, B.K. Petrov, V.F. Synorov and others - Moscow: Radio and communication, 1989 .-- 144 p.

3. Патент №2216071 Российская Федерация, МПК H01L 29/70 (2000.01). Мощная СВЧ-транзисторная структура: №2002130080: заявл. 10.11.2002: опубл. 10.11.2003 / Петров Б.К., Булгаков О.М.; заявитель ВГУ. - 5 с.: ил. - Текст: непосредственный.3. Patent No. 2216071 Russian Federation, IPC H01L 29/70 (2000.01). Powerful microwave transistor structure: No. 2002130080: Appl. November 10, 2002: publ. 10.11.2003 / Petrov B.K., Bulgakov O.M .; applicant VSU. - 5 p .: ill. - Text: direct.

4. Чиркин В.С. Теплофизические свойства материалов / В.С.Чиркин. - Москва: гос. из-во физмат, литературы, 1959. - 356 с.4. Chirkin V.S. Thermophysical properties of materials / V.S. Chirkin. - Moscow: state. Iz-in Physics and Mathematics, Literature, 1959. - 356 p.

5. Бабаков А.А. и др. Материалы в машиностроении. Справочник в пяти томах. Выбор и применение. Том 3. Специальные стали и сплавы / Под ред. Ф.Ф. Химушина. - Москва: Машиностроение, 1968. - 448 с.5. Babakov A.A. and other Materials in mechanical engineering. Handbook in five volumes. Selection and application. Volume 3. Special steels and alloys / Ed. F.F. Himushina. - Moscow: Mechanical Engineering, 1968 .-- 448 p.

6. Гимпельсон В.Д., Радионов Ю.А. Тонкопленочные микросхемы для приборостроения и вычислительной техники / В.Д. Гимпельсон, Ю.А. Радионов. - Москва: Машиностроение, 1976. - 328 с.6. Gimpelson V.D., Radionov Yu.A. Thin-film microcircuits for instrumentation and computer technology / V.D. Gimpelson, Yu.A. Radionov. - Moscow: Mechanical Engineering, 1976 .-- 328 p.

7. Парфенов О.Д. Технология микросхем / О.Д. Парфенов. - Москва: Высшая школа, 1977. - 256 с.7. Parfenov O.D. Microcircuit technology / O.D. Parfenov. - Moscow: Higher school, 1977 .-- 256 p.

Claims (1)

Мощная ВЧ- и СВЧ-транзисторная структура, содержащая сформированные в полупроводниковой подложке области коллектора, базы и эмиттера с минимальным расстоянием А между центрами фрагментов области эмиттера, контактную металлизацию и балластный резистор, разделенный на изолированные участки, соединенные одним краем с контактной металлизацией эмиттера, а противоположным краем с металлизацией площадки для присоединения эмиттерного проводника, при этом расстояние между краями смежных участков в местах контактов с металлизацией области эмиттера не превышает Δ/3, отличающаяся тем, что хотя бы один участок балластного резистора содержит n≥2 слоев, причем материалы слоев имеют разные удельные сопротивления и температуры плавления и удовлетворяют условию: ρ1<ρ2<ρn, Т1<Т2<Tn<TП, где ρn и Tn - удельное сопротивление и температура плавления материала слоя участка резистора в порядке возрастания номера слоя от верхнего к нижнему по отношению к полупроводниковой подложке, TП - температура плавления полупроводника.A powerful RF and microwave transistor structure containing collector, base and emitter regions formed in a semiconductor substrate with a minimum distance A between the centers of fragments of the emitter region, contact metallization and a ballast resistor, divided into isolated sections, connected by one edge with contact metallization of the emitter, and the opposite edge with metallization of the platform for connecting the emitter conductor, while the distance between the edges of adjacent sections at the points of contacts with metallization of the emitter region does not exceed Δ / 3, characterized in that at least one section of the ballast resistor contains n≥2 layers, and the materials of the layers have different resistivity and melting points and satisfy the condition: ρ 1 <ρ 2 <ρ n , T 1 <T 2 <T n <T P , where ρ n and T n are the resistivity and melting point of the material of the layer of the resistor section in ascending order layer numbers from top to bottom with respect to the semiconductor substrate, T P - tempera round of melting of a semiconductor.
RU2020121286A 2020-06-22 2020-06-22 Powerful hf- and microwave transistor structure RU2743673C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020121286A RU2743673C1 (en) 2020-06-22 2020-06-22 Powerful hf- and microwave transistor structure

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020121286A RU2743673C1 (en) 2020-06-22 2020-06-22 Powerful hf- and microwave transistor structure

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2743673C1 true RU2743673C1 (en) 2021-02-24

Family

ID=74672703

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020121286A RU2743673C1 (en) 2020-06-22 2020-06-22 Powerful hf- and microwave transistor structure

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2743673C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2789511C1 (en) * 2022-04-26 2023-02-06 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Воронежский государственный университет" (ФГБОУ ВО "ВГУ") Powerful hf and microwave transistor structure

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2216069C1 (en) * 2002-11-10 2003-11-10 Воронежский государственный университет Heavy-power microwave transistor structure
RU2216072C1 (en) * 2002-11-10 2003-11-10 Воронежский государственный университет Heavy-power microwave transistor
RU2403651C1 (en) * 2009-08-25 2010-11-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный университет" High-power radio-frequency transistor
RU2498448C1 (en) * 2012-05-14 2013-11-10 Открытое акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Пульсар"" (ОАО "НПП "Пульсар") Manufacturing method of shf ldmos transistors
CN103606554A (en) * 2013-11-13 2014-02-26 江苏博普电子科技有限责任公司 A bipolar transistor which raises a BVceo and a production technique thereof
CN103872107B (en) * 2012-12-18 2017-05-17 株式会社村田制作所 Heterojunction bipolar transistor, power amplifier including the same, and method for fabricating heterojunction bipolar transistor
US20190190464A1 (en) * 2017-12-20 2019-06-20 Nxp Usa, Inc. Rf power transistors with impedance matching circuits, and methods of manufacture thereof
US20200119172A1 (en) * 2013-03-15 2020-04-16 Matthew H. Kim Advanced wafer bonded heterojunction bipolar transistors and methods of manufacture of advanced wafer bonded heterojunction bipolar transistors

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2216069C1 (en) * 2002-11-10 2003-11-10 Воронежский государственный университет Heavy-power microwave transistor structure
RU2216072C1 (en) * 2002-11-10 2003-11-10 Воронежский государственный университет Heavy-power microwave transistor
RU2403651C1 (en) * 2009-08-25 2010-11-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный университет" High-power radio-frequency transistor
RU2498448C1 (en) * 2012-05-14 2013-11-10 Открытое акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Пульсар"" (ОАО "НПП "Пульсар") Manufacturing method of shf ldmos transistors
CN103872107B (en) * 2012-12-18 2017-05-17 株式会社村田制作所 Heterojunction bipolar transistor, power amplifier including the same, and method for fabricating heterojunction bipolar transistor
US20200119172A1 (en) * 2013-03-15 2020-04-16 Matthew H. Kim Advanced wafer bonded heterojunction bipolar transistors and methods of manufacture of advanced wafer bonded heterojunction bipolar transistors
CN103606554A (en) * 2013-11-13 2014-02-26 江苏博普电子科技有限责任公司 A bipolar transistor which raises a BVceo and a production technique thereof
US20190190464A1 (en) * 2017-12-20 2019-06-20 Nxp Usa, Inc. Rf power transistors with impedance matching circuits, and methods of manufacture thereof

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2789511C1 (en) * 2022-04-26 2023-02-06 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Воронежский государственный университет" (ФГБОУ ВО "ВГУ") Powerful hf and microwave transistor structure
RU2791863C1 (en) * 2022-04-26 2023-03-14 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Воронежский государственный университет" (ФГБОУ ВО "ВГУ") Powerful rf and microwave transistor structure

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US3283221A (en) Field effect transistor
KR0182061B1 (en) Bipolar transistor, amplifier using this bipolar transistor and integrated circuit
US3737743A (en) High power microwave field effect transistor
RU2743673C1 (en) Powerful hf- and microwave transistor structure
US4789823A (en) Power sensor for RF power measurements
US5907180A (en) Ballast monitoring for radio frequency power transistors
RU2743674C1 (en) Powerful hf- and mf-transistor structure
US5287072A (en) Semiconductor device for improving high-frequency characteristics and avoiding chip cracking
US4016643A (en) Overlay metallization field effect transistor
NO116329B (en)
RU2791863C1 (en) Powerful rf and microwave transistor structure
RU2743675C1 (en) Powerful hf- and microwave transistor structure
US4266236A (en) Transistor having emitter resistors for stabilization at high power operation
KR100359978B1 (en) Emitter Stable Bypass for Radio Frequency Power Transistors
RU2789511C1 (en) Powerful hf and microwave transistor structure
Braun et al. Precision thin-film cermet resistors for integrated circuits
NO150439B (en) INTERMEDIATES FOR THE PREPARATION OF ANTIBACTERYLY ACTIVE OLEANDOMYCIN DERIVATIVES
CN107946712B (en) Temperature compensation attenuator
JP2021125579A (en) Heat flow switching element
US20150077214A1 (en) Composite resistors
RU2216070C1 (en) Heavy-power microwave transistor structure
RU2216072C1 (en) Heavy-power microwave transistor
US6503809B2 (en) Method and system for emitter partitioning for SiGe RF power transistors
RU2229184C1 (en) High-power microwave transistor structure
RU2216073C1 (en) Heavy-power microwave transistor