RU2782307C1 - Мощный полевой транзистор СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре на основе нитрида галлия - Google Patents
Мощный полевой транзистор СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре на основе нитрида галлия Download PDFInfo
- Publication number
- RU2782307C1 RU2782307C1 RU2021139166A RU2021139166A RU2782307C1 RU 2782307 C1 RU2782307 C1 RU 2782307C1 RU 2021139166 A RU2021139166 A RU 2021139166A RU 2021139166 A RU2021139166 A RU 2021139166A RU 2782307 C1 RU2782307 C1 RU 2782307C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layer
- effect transistor
- semiconductor heterostructure
- gate electrode
- gallium nitride
- Prior art date
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims abstract description 59
- JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N gallium nitride Chemical compound [Ga]#N JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 50
- 230000005669 field effect Effects 0.000 title claims description 58
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 21
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 21
- 229910002704 AlGaN Inorganic materials 0.000 claims abstract description 15
- PIGFYZPCRLYGLF-UHFFFAOYSA-N aluminum nitride Chemical compound [Al]#N PIGFYZPCRLYGLF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 13
- 229910017083 AlN Inorganic materials 0.000 claims abstract description 12
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 11
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 11
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 claims abstract description 8
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims abstract description 8
- 229910002601 GaN Inorganic materials 0.000 claims abstract 3
- 230000005533 two-dimensional electron gas Effects 0.000 claims description 12
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 6
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 claims description 5
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N Silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 claims description 5
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminum Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 claims description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 4
- 238000005275 alloying Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 94
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N nickel Substances [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 5
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 5
- CJNBYAVZURUTKZ-UHFFFAOYSA-N Hafnium(IV) oxide Chemical compound O=[Hf]=O CJNBYAVZURUTKZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N Silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 4
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 2
- 238000001017 electron-beam sputter deposition Methods 0.000 description 2
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 2
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 230000000051 modifying Effects 0.000 description 2
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 2
- JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N AsGa Chemical compound [As]#[Ga] JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- 101700042133 PMP22 Proteins 0.000 description 1
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N al2o3 Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000313 electron-beam-induced deposition Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 1
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 1
- 238000004321 preservation Methods 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 description 1
Images
Abstract
Изобретение относится к полупровдниковой электронике на основе нитрида галлия, в котором полупроводниковая гетероструктура выполнена в виде следующей прямой последовательности упомянутых слоев узкозонного и широкозонного материалов полупроводниковой гетероструктуры: буферный слой GaN толщиной 1,0-3,0 мкм, при этом непосредственно на упомянутой подложке слой AlN толщиной 0,5-0,7 нм, барьерный слой AlGaN толщиной менее 25 нм, часть полупроводниковой гетероструктуры вне области расположения электрода затвора на глубину от верхней, наружной, поверхности барьерного слоя и до 0,9-2,9 мкм от нижней его поверхности легирована донорной примесью с концентрацией легирующей примеси 1018-1019 см-3, при этом электроды истока и стока выполнены на верхней, наружной, поверхности упомянутых областей полупроводниковой гетероструктуры, легированных донорной примесью, соответственно электрод затвора выполнен на верхней, наружной, поверхности барьерного слоя либо заглублен в упомянутый слой на заданную глубину, при этом электрод затвора выполнен заданной длины, ширины и геометрической формы. Пассивирующее покрытие из диэлектрического материала выполнено толщиной 5-10 нм. Технический результат – повышение выходной мощности и коэффициента усиления, снижение коэффициента шума, повышение крутизны вольт-амперной характеристики 4 з.п. ф-лы, 1 табл., 3 ил.
Description
Изобретение относится к электронной технике СВЧ, а именно мощным полевым транзисторам СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре на основе нитрида галлия и предназначено для широкого класса устройств электронной техники СВЧ различного функционального назначения, в том числе радиолокационных устройств СВЧ.
Мощные электронные приборы СВЧ и прежде всего мощные полевые транзисторы СВЧ и соответственно усилительные и управляющие монолитные интегральные схемы СВЧ на их основе, выполненные на полупроводниковой гетероструктуре на основе нитрида галлия (GaN) (далее полупроводниковая гетероструктура) по совокупности параметров уникальны и отличаются более:
- широким диапазоном рабочих частот, при этом с продвижением в область более высоких значений,
- высокими значениями выходной мощности,
- низкими значениями коэффициента шума,
- высокими значениями рабочих температур и повышенной стойкостью к ионизирующим излучениям, и так далее.
Однако в силу того, что данный полупроводниковый материал относится к широкозонным полупроводниковым материалам.
Это обуславливает определенные как конструкционные, так и технологические трудности при изготовлении как самой полупроводниковой гетероструктуры, так и при изготовлении мощного полевого транзистора СВЧ.
Известен мощный полевой транзистор СВЧ, содержащий базовую подложку из кремния, теплопроводящий поликристаллический слой алмаза, эпитаксиальную структуру на основе широкозонных нитридов третьей группы, буферный слой, электроды истока, затвора, стока.
В котором, с целью повышения выходной мощности СВЧ, эффективного отвода тепла от активной области полевого транзистора, базовая подложка из кремния выполнена толщиной менее 10 мкм, слой теплопроводящего поликристаллического алмаза имеет толщину, по меньшей мере, равную 0,1 мм, а на поверхности эпитаксиальной структуры последовательно расположены дополнительный слой теплопроводящего поликристаллического алмаза и барьерный слой из двуокиси гафния, толщиной 1,0-4,0 нм, который в области электрода затвора расположен под электродом затвора, непосредственно на эпитаксиальной структуре в виде слоя из твердого раствора AlGaN n-типа [Патент № 2519055 RU. Мощный транзистор СВЧ /Австисян Г.Х и др. //Бюл. – 2014 – № 16/].
Известен гетероструктурный модулировано-легированный полевой транзистор, содержащий фланец, пьедестал, гетероэпитаксиальную структуру, буферный слой, электроды истока, затвора, стока.
В котором, с целью повышения теплоотвода от пьедестала и активной области полевого транзистора, обеспечения минимальных утечек тока электрода затвора и достижения наименьшего коэффициента шума в ГГц-диапазоне частот, пьедестал имеет толщину 30-200 мкм и выполнен из теплопроводящего слоя CVD поликристаллического алмаза с имплантированным Ni и с отожженными приповерхностными слоями с двух сторон, поверх пьедестала расположена подложка из монокристаллического кремния толщиной 10-20 мкм, буферный слой, а на поверхности гетеро-эпитаксиальной структуры, между электродами истока, затвора и стока, последовательно размещены дополнительные слои теплопроводящего поликристаллического алмаза, барьерный слой из двуокиси гафния и барьерный слой из оксида алюминия, при этом барьерные слои выполнены суммарной толщиной 1,0-4,0 нм, в области электрода затвора барьерные слои расположены под электродом затвора, непосредственно на эпитаксиальной структуре в виде слоя из твердого раствора AlGaN (Патент № 2534437 RU. Гетероструктурный моделированно-легированный полевой транзистор /Австисян Г.Х.//Бюл. – 2014 – № 33/].
Технические решения данных аналогов позволили повысить выходную мощность полевого транзистора СВЧ.
Однако, эти полевые транзисторы СВЧ отличаются не стабильностью вольт-амперных характеристик (ВАХ).
Известен полевой транзистор на полупроводниковой гетероструктуре нитрида галлия, содержащий подложку из карбида кремния, канальный слой, буферный слой, барьерный слой на основе AlGaN, пассивирующий слой на основе нитрида кремния, электроды стока, затвора, истока.
В котором, с целью улучшения температурной стабильности вольт-амперной характеристики, буферный слой выполнен на основе нитрида галлия, толщина подложки составляет 100 мкм, на подложку нанесен слой с высокой теплопроводностью, модулированный по глубине подложки в районе расположения электрода затвора.
При этом глубина модулирования подложки в районе расположения электрода затвора составляет 50 мкм [Патент № 2646536 RU. /Гетероструктурный полевой транзистор на основе нитрида галлия /Тихомиров В.Г./ /Бюл. – 2016 – № 7/].
Известен полевой транзистор на полупроводниковой гетероструктуре на основе нитрида галлия, содержащий подложку из карбида кремния, зародышевый слой, буферный слой, барьерный слой на основе AlGaN, пассивирующий слой на основе нитрида кремния, электроды истока, затвора, стока.
В котором, с целью улучшения стабильности вольт-амперной характеристики в условиях воздействия ионизирующих излучений, зародышевый слой выполнен на основе AlN, буферный слой – на основе нитрида галлия, барьерный слой на расстоянии 5-10 нм от канала полевого транзистора, дополнительно содержит слой AlGaN с дельта-легированием, толщиной 5 нм, со стороны буферного слоя, на расстоянии 10-15 нм от канала полевого транзистора, вводится дополнительный слой GaN с легированием по всей глубине слоя [Патент № 2646529 RU. Гетероструктурный полевой транзистор на основе нитрида галлия /Тихомиров В.Г. и др./ /Бюл. – 2018 – № 7/] – прототип.
Технические решения последних двух аналогов, в том числе и прототипа, позволили улучшить температурную стабильность их вольт-амперных характеристик.
Однако, значения выходной мощности, коэффициента усиления, коэффициента шума, крутизны вольт-амперной характеристики – недостаточны в ряде случаев применения этих полевых транзисторов на полупроводниковой гетероструктуре на основе нитрида галлия.
Техническим результатом заявленного мощного полевого транзистора СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре на основе нитрида галлия является повышение – выходной мощности, коэффициента усиления, крутизны вольт-амперной характеристики, снижение – коэффициента шума, удельного сопротивления омических контактов.
Технический результат достигается заявленным мощным полевым транзистором СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре на основе нитрида галлия, содержащим
подложку, расположенную на ней
последовательность, по меньшей мере, одного слоя узкозонного и одного слоя широкозонного материалов полупроводниковой гетероструктуры с заданными параметрами,
канал полевого транзистора, формируемый двумерным электронным газом вблизи гетерограницы слоев узкозонного и широкозонного материалов полупроводниковой гетероструктуры,
электроды истока, затвора, стока, выполненные – расположенные согласно заданной топологии полевого транзистора,
пассивирующее покрытие, из диэлектрического материала, заданной толщины.
В котором
полупроводниковая гетероструктура выполнена в виде следующей прямой последовательности упомянутых слоев узкозонного и широкозонного материалов полупроводниковой гетероструктуры и с следующими их параметрами:
буферный слой нитрида галлия GaN – непосредственно на упомянутой подложке, толщиной (2,0-3,0)×103 нм,
слой нитрида алюминия AlN, толщиной (0,5-0,7) нм,
барьерный слой нидрида галлия алюминя AlGaN, толщиной менее 25 нм,
в полупроводниковой гетероструктуре, вне области расположения электрода затвора, при этом в области расположения электродов истока и стока соответственно, на глубину от верхней – наружной поверхности барьерного слоя и до (1,9-2,9)×103 нм от нижней поверхности буферного слоя выполнен контактный слой, из нитрида галлия GaN, легированный донорной примесью, с концентрацией легирующей примеси (1019-1020 ) см-3,
при этом
электроды истока и стока выполнены на верхней – наружной поверхности упомянутого контактного слоя соответственно,
электрод затвора выполнен на верхней – наружной поверхности барьерного слоя либо заглублен в упомянутый слой на заданную глубину, при этом электрод затвора выполнен заданной длиной, шириной и геометрической формы,
а пассивирующее покрытие выполнено одновременно на всей наружной поверхности активной области полевого транзистора, толщиной (5-10) нм, с обеспечением защиты электродов истока и стока, канала, и электрода затвора.
Подложка выполнена из полупроводникового или диэлектрического материала, максимально согласованного с материалом прилегающего слоя упомянутой полупроводниковой гетероструктуры по параметрам кристаллической решетки и температурному коэффициенту линейного расширения.
Величина заглубления, длина, ширина, геометрическая форма – дельта-образная (Δ), или Г-образная (Γ), или Т-образная (T) электрода затвора определяется заданными электрическими параметрами полевого транзистора и соответственно его топологией.
Электроды истока, стока, затвора выполнены из материала в виде металла или системы металлов, образующих омические контакты электродов истока и стока и барьер Шоттки электрода затвора.
Пассивирующее покрытие выполнено из диэлектрического материала нитрида кремния.
Раскрытие сущности изобретения.
Совокупность существенных признаков формулы изобретения заявленного мощного полевого транзистора СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре на основе нитрида галлия.
Как ограничительной ее части, а именно.
Выполнение полевого транзистора на полупроводниковой гетероструктуре на основе нитрида галлия, содержащей последовательность, по меньшей мере, одного слоя узкозонного и одного слоя широкозонного материалов упомянутой полупроводниковой гетероструктуры, благодаря тому, что материал каждого из слоев полупроводниковой гетероструктуры обладает пъезоэлектрическим эффектом (пъезоэффектом), в частности эффектом пъезолегирования, и в силу этого – благодаря этому на гетерогранице узкозонного слоя и широкозонного слоя материалов полупроводниковой гетероструктуры создается (возникает) возможность процесса формирования двумерного электронного газа – канала полевого транзистора СВЧ.
При этом –
Концентрация электронов в двумерном электронном газе может достигать значений, порядка 1013 см-2 .
Подвижность электронов двумерного электронного газа существенно зависит от степени совершенства полупроводниковой гетероструктуры и может достигать значений 2000 см2/(В×с).
Благодаря столь высокой проводимости электронов двумерного электронного газа – канала полевого транзистора на полупроводниковой гетероструктуре на основе нитрида галлия возможно достижение значений плотности тока более 1 А/мм и внешней крутизны вольт-амперной характеристики на уровне 120-200 мСм/мм.
А поскольку способность полевого транзистора СВЧ отдавать мощность зависит от его способности пропускать достаточно большой ток через его канал.
Очевидно, что подобные значения плотности тока в сочетании (совокупности) с высокими пробивными его характеристиками (пробивное напряжение) позволяют достигать значений выходной мощности на полупроводниковой гетероструктуре на основе нитрида галлия на порядок больших, чем на полупроводниковой гетероструктуре на основе арсенида галлия.
Совокупность как вышеуказанных уникальных возможностей полупроводниковой гетероструктуры на основе нитрида галлия, так и заявленных иных конструкционных и иных других признаков (относительно прототипа) отличительной части формулы изобретения, а именно.
Выполнение упомянутой полупроводниковой гетероструктуры в виде следующей прямой последовательности слоев узкозонного и широкозонного материалов полупроводниковой гетероструктуры и с следующими их параметрами:
буферный слой GaN, толщиной (1,0-3,0) мкм, при этом – непосредственно на упомянутой подложке,
слой AlN, толщиной (0,5-0,7) нм,
барьерный слой AlGaN, толщиной менее 25 нм.
И это благодаря
а) иному вышеуказанному (по сравнению с прототипом) выполнению – расположению широкозонного слоя AlN, а именно между буферным – узкозонным слоем GaN и барьерным – широкозонным слоем AlGaN,
б) с указанными иными их параметрами – толщиной каждого из данных слоев материала полупроводниковой гетероструктуры.
Это обеспечивает – дополнительный источник электронов в лице широкозонного слоя AlN для формирования двумерного электронного газа – канала полевого транзистора и тем самым – значительное увеличение концентрации электронов и их подвижности в двумерном электронном газе – канале полевого транзистора, и тем самым, увеличение потока основных носителе заряда (электронов), и тем самым – значительное увеличение удельной плотности тока в канале полевого транзистора.
Следует отметить, что сформированный двумерный электронный газ – канал заявленного полевого транзистора имеет (обладает) достаточно высокими значениями:
а) концентрации электронов двумерного электронного газа (1,2-1,3)×1013 см-2 и
б) подвижности электронов (1600-1700) см2/(В×с).
И, как следствие, вышеуказанного –
повышение выходной мощности, коэффициента усиления, крутизны вольт-амперной характеристики полевого транзистора СВЧ.
Наличие и выполнение контактного слоя, из нитрида галлия GaN, легированного донорной примесью, с концентрацией легирующей примеси (1019-1020) см-3 в полупроводниковой гетероструктуре, вне области расположения электрода затвора, при этом в области расположения электродов истока и стока соответственно, на глубину от верхней – наружной поверхности барьерного слоя и до (1,9-2,9)×103 нм от нижней поверхности буферного слоя.
И в совокупности с выполнением электродов истока и стока на верхней – наружной поверхности упомянутого контактного слоя обеспечивает значительное – снижение удельного сопротивления омических контактов электродов истока и стока и, как следствие, дополнительно к вышеуказанному:
повышение – выходной мощности, коэффициента усиления,
снижение – коэффициента шума полевого транзистора СВЧ.
Выполнение электрода затвора на верхней – наружной поверхности барьерного слоя либо заглубленного в упомянутый слой на заданную (указанную) глубину, обеспечивает увеличение пробивного напряжения и тем самым дополнительно к вышеуказанному:
повышение – выходной мощности, коэффициента усиления и крутизны вольт-амперной характеристики.
При этом вышеуказанное в полной мере обеспечивается для полевых транзисторов СВЧ с электродом затвора различной геометрической формы (дельта-образной (Δ), Г-образной (Γ), Т-образной (T).
Выполнение пассивирующего покрытия одновременно на всей наружной поверхности активной области полевого транзистора, толщиной (5-10) нм, является оптимальным с точки зрения выполнения функциональных свойств, предусмотренных данным пассивирующим покрытием – обеспечение защиты и соответственно сохранение физической целостности омических контактов электродов истока и стока, канала полевого транзистора, электрода затвора, и соответственно сохранение достигнутого технического результата.
Выполнение:
буферного слоя GaN толщиной как менее 2,5×103 нм, так и более 3,0×103 нм, равно как
слоя AlN толщиной как менее 0,5 нм, так и более 0,7 нм, равно как
барьерного слоя AlGaN толщиной более 40 нм, равно как
контактного слоя из нитрида галлия GaN в полупроводниковой гетероструктуре, вне области расположения электрода затвора, при этом в области расположения электродов истока и стока соответственно, на глубину от верхней – наружной поверхности барьерного слоя и до (как менее 1,9, так и более 2,9)×103 нм от нижней поверхности буферного слоя и его легирование донорной примесью, с концентрацией легирующей примеси как менее 1019 см-3, так и более 1020 см-3 не допустимо,
в первом случае приводит к недопустимому повышению удельного сопротивления омических контактов электродов истока и стока,
во втором – к резкому повышению дефектности упомянутых легированных областей и тем самым к достаточно резкому снижению технического результата.
Итак, заявленный мощный полевой транзистор СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре на основе нитрида галлия в полной мере обеспечивает заявленный технический результат, а именно – повышение – выходной мощности, коэффициента усиления, крутизны вольт-амперной характеристики, снижение – коэффициента шума, удельного сопротивления омических контактов.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 дан общий вид заявленного мощного полевого транзистора СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре на основе нитрида галлия, где
- подложка – 1,
- последовательность, по меньшей мере, одного слоя узкозонного и одного слоя широкозонного материалов полупроводниковой гетероструктуры – 2,
- канал полевого транзистора – двумерный электронный газ – 3,
- электроды истока, затвора, стока – 4, 5, 6 соответственно,
- пассивирующее покрытие – 7
- буферный слой GaN – 8,
- слой AlN – 9,
- барьерный слой AlGaN – 10,
- контактный слой – 11.
На фиг. 2 дана его вольт-амперная характеристика.
На фиг. 3 дана его крутизна вольт-амперной характеристики (зависимость крутизны полевого транзистора от напряжения на электродах истока и затвора).
Мощный полевой транзистор СВЧ работает следующим образом.
На электроды затвора 5 и стока 6 подают необходимые напряжения смещения от внешних источников соответственно. При этом на электрод затвора 5 – отрицательное, а на электрод стока 6 – положительное относительно электрода истока 4. На электрод затвора подается СВЧ-сигнал, который усиливается СВЧ-полем транзистора и подается на его выход – электрод стока 6.
Примеры конкретного выполнения.
Заявленный мощный полевой транзистор СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре на основе нитрида галлия выполнен в монолитном исполнении, согласно заданной его топологии, с использованием традиционных (классических) технологических операций методов (процессов) изготовления тонкопленочной технологии.
Пример 1.
Подложка 1 выполнена из диэлектрического материала – карбида кремния (SiC), толщиной 100 мкм (Марка 4H), которая имеет достаточную согласованность с материалом прилегающего буферного слоя GaN 8 упомянутой полупроводниковой гетероструктуры 2 по параметрам кристаллической решетки и температурному коэффициенту линейного расширения (5-6×10-6 К-1 для SiC, 3,3-7,2×10-6 К-1 для GaN).
На подложке 1 выполненяют:
- прямую последовательность – одного слоя узкозонного и двух слоев широкозонного материалов полупроводниковой гетероструктуры 2 с заданными параметрами методом осаждения из газовой фазы металлоорганических соединений (MOCVD) соответствующего состава (Dragon-125), а именно:
буферный слой GaN 8 толщиной 2,5×103 нм – узкозонный, непосредственно на упомянутой подложке 1,
слой AlN 9, толщиной 0,6 нм, – широкозонный,
барьерный слой AlxGa1-xN 9, толщиной 15,0 нм – широкозонный;
- контактный слой 11, из нитрида галлия GaN, легированный донорной примесью кремния, с концентрацией легирующе примеси 5×1019 см- 3, в полупроводниковой гетероструктуре 2, вне области расположения электрода затвора 5, при этом в области расположения электродов исток 4 и стока 6 соответственно, на глубину от верхней – наружной поверхности барьерного слоя 10 и до 2,4×103 нм от нижней поверхности буферного слоя 8, методом эпитаксиальног выращивания (методом MOCVD);
- электроды истока 4 и стока 6 на верхней – наружной поверхности упомянутых областей контактного слоя 11 соответственно, в виде прямой последовательности системы металлических слоев титан (Ti)-алюминий (Al)-никель (Ni)-золото (Au), общей толщиной 280 нм соответственно, образующих омические контакты электродов истока и стока, методом электронно-лучевого напыления (ВАК-761).
Электрод затвора 5 заглублен в барьерный слой AlGaN 10 на глубину 10 нм, при этом электрод затвора выполнен заданной – длиной 250 нм, шириной 1,0 мм и Δ-образной геометрической формы, из системы металлических слоев никель (Ni)-золото (Au), общей толщиной 600 нм, образующих барьер Шоттки электрода затвора, методом электронно-лучевого напыления.
Выполняют пассивирующее покрытие 7 из нитрида кремния (Si3N4), толщиной 7,5 нм, методом электронно-лучевого напыления.
При этом взаимное расположение узкозонного буферного слоя GaN 8 и широкозонных слоев AlN 9 и барьерного слоя AlGaN 10, вблизи их гетерограницы AlN/GaN/AlGaN обеспечивают формирование двумерного электронного газа – канала полевого транзистора 3, с концентрацией основных носителей заряда – электронов 1,25×1013 см-2 и подвижностью 1650 см2/(В×с).
Примеры 2-6. Аналогично примеру 1 изготовлены образцы мощных полевых транзисторов СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре на основе нитрида галлия, но при других конструкционных параметрах, указанных в формуле изобретения (примеры 2-3, 6), а также за ее пределами (примеры 4-5).
Пример 7 – прототип.
На изготовленных образцах мощного полевого транзистора СВЧ.
Измерены:
Выходная мощность (Рвых.), Вт, посредством ваттметра (СМЗ010).
Коэффициент усиления (КУ) посредством анализатора цепей (Agilent Technologies PNA Network Analyzer).
Коэффициент шума (Кш), дБ посредством индикатора коэффициента шума (Х5-2 (ИКШ-2)).
Удельное сопротивление омических контактов электродов истока и стока ( ρ), Ом×мм посредством метода длинных линий (TLМ метод).
Крутизна вольт-амперной характеристики (S) рассчитана по формуле:
S = ΔIc/ΔU
Данные представлены в таблице и на фиг. 2, 3
Как видно из таблицы и фиг. 2, 3 образцы мощного полевого транзистора СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре на основе нитрида галлия, выполненные согласно формулы изобретения (примеры 1-3, 6) имеют соответственно:
выходную мощность (5,3, 4,8, 4,85, 6,1) Вт,
коэффициент усиления (15,0, 12,0, 12,5, 15,0), дБ,
крутизну вольт-амперной характеристики (200,0, 170,0, 175,0, 200,0) мСм/мм,
коэффициент шума (1,7, 2,0, 2,01, 1,6) дБ,
удельное сопротивление омических контактов электродов истока и стока (0,1, 0,15, 0,15, 0,1) Ом×мм.
В отличие от образцов, выполненных за пределами формулы изобретения (примеры 4-5), которые имеют примерно – выходную мощность 3,2 Вт, коэффициент усиления 7,0 дБ, крутизну вольт-амперной характеристики 150,0 мС/мм, коэффициент шума 2,2 дБ, удельное сопротивление омических контактов электродов истока и стока 0,3 Ом×мм.
Таким образом, заявленный мощный полевой транзистор СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре на основе нитрида галлия обеспечивает заявленный технический результат, а именно;
Достаточно высокие значения:
- выходной мощности примено 5,3 Вт,
- коэффициента усиления примерно 15 дБ,
- крутизны вольт-амперной характеристики более 200 мСм/мм,
Достаточно низкие значения:
- коэффициента шума примерно 1,7 дБ,
- удельного сопротивления омических контактов электродов истока и стока примерно 0,1 Ом×мм.
Аналогичные данные, по вышеуказанным основным параметрам полевого транзистора в описании прототипа не даны [Патент № 2646529 RU. Гетероструктурный полевой транзистор на основе нитрида галлия. /Тихомиров В.Г. и др./ /Бюл. – 2018 – № 7/].
Следует отметить, что заявленный мощный полевой транзистор СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре на основе нитрида галлия с достаточно высокими значениями вышеуказанных основных параметров может быть использован в качестве объекта по импортозамещению аналогичных изделий, что на сегодня чрезвычайно актуально.
Claims (5)
1. Мощный полевой транзистор СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре на основе нитрида галлия, содержащий подложку, расположенную на ней последовательность по меньшей мере одного слоя узкозонного и одного слоя широкозонного материалов полупроводниковой гетероструктуры с заданными параметрами, канал полевого транзистора, формируемый двумерным электронным газом вблизи гетерограницы слоев узкозонного и широкозонного материалов полупроводниковой гетероструктуры, электроды истока, затвора, стока, выполненные – расположенные согласно заданной топологии полевого транзистора, пассивирующее покрытие из диэлектрического материала заданной толщины, отличающийся тем, что полупроводниковая гетероструктура выполнена в виде следующей прямой последовательности упомянутых слоев узкозонного и широкозонного материалов полупроводниковой гетероструктуры и следующими их параметрами: буферный слой нитрида галлия GaN непосредственно на упомянутой подложке толщиной (2,0-3,0)x103 нм, слой нитрида алюминия AlN толщиной 0,5-0,7 нм, барьерный слой нидрида галлия алюминя AlGaN толщиной менее 25 нм, в полупроводниковой гетероструктуре, вне области расположения электрода затвора, при этом в области расположения электродов истока и стока соответственно на глубину от верхней, наружной, поверхности барьерного слоя и до (1,9-2,9)x103 нм от нижней поверхности буферного слоя выполнен контактный слой из нитрида галлия GaN, легированный донорной примесью, с концентрацией легирующей примеси 1019-1020 см-3, при этом электроды истока и стока выполнены на верхней, наружной, поверхности упомянутого контактного слоя соответственно, электрод затвора выполнен на верхней, наружной, поверхности барьерного слоя либо заглублен в упомянутый слой на заданную глубину, при этом электрод затвора выполнен заданной длины, ширины и геометрической формы, а пассивирующее покрытие выполнено одновременно на всей наружной поверхности активной области полевого транзистора толщиной 5-10 нм с обеспечением защиты электродов истока, стока, канала и электрода затвора.
2. Мощный полевой транзистор СВЧ по п. 1, отличающийся тем, что подложка выполнена из полупроводникового или диэлектрического материала, максимально согласованного с материалом прилегающего слоя упомянутой полупроводниковой гетероструктуры по параметрам кристаллической решетки и температурному коэффициенту линейного расширения.
3. Мощный полевой транзистор СВЧ по п. 1, отличающийся тем, что величина заглубления, длина, ширина, геометрическая форма – дельта-образная (Δ), или Г-образная (Γ), или Т-образная (T) электрода затвора определяется его заданными электрическими параметрами.
4. Мощный полевой транзистор СВЧ по п. 1, отличающийся тем, что электроды истока, стока, затвора выполнены из материала в виде металла или системы металлов, образующих омические контакты электродов истока и стока и барьер Шоттки электрода затвора.
5. Мощный полевой транзистор СВЧ по п. 1, отличающийся тем, что пассивирующее покрытие выполнено из диэлектрического материала нитрида кремния.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2782307C1 true RU2782307C1 (ru) | 2022-10-25 |
Family
ID=
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2805563C1 (ru) * | 2023-03-01 | 2023-10-19 | Общество с ограниченной ответственностью Арсенид-галлиевые актуальные технологии (ООО АГАТ) | КРИСТАЛЛ СИЛОВОГО ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ДИОДА С БАРЬЕРОМ ШОТТКИ И p-n ПЕРЕХОДАМИ |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2393589C1 (ru) * | 2009-05-25 | 2010-06-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Исток" (ФГУП НПП "Исток") | Мощный свч полевой транзистор с барьером шотки |
| TW201110345A (en) * | 2009-07-27 | 2011-03-16 | Univ Hong Kong Science & Techn | Transistors and rectifiers utilizing hybrid electrodes and methods of fabricating the same |
| TW201246538A (en) * | 2011-05-03 | 2012-11-16 | Samsung Led Co Ltd | Nitride-based heterostructure field effect transistor having high efficiency |
| RU2646529C1 (ru) * | 2016-12-21 | 2018-03-05 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) | Гетероструктурный полевой транзистор на основе нитрида галлия с улучшенной стабильностью вольт-амперной характеристики к ионизирующим излучениям |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2393589C1 (ru) * | 2009-05-25 | 2010-06-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Исток" (ФГУП НПП "Исток") | Мощный свч полевой транзистор с барьером шотки |
| TW201110345A (en) * | 2009-07-27 | 2011-03-16 | Univ Hong Kong Science & Techn | Transistors and rectifiers utilizing hybrid electrodes and methods of fabricating the same |
| TW201246538A (en) * | 2011-05-03 | 2012-11-16 | Samsung Led Co Ltd | Nitride-based heterostructure field effect transistor having high efficiency |
| RU2646529C1 (ru) * | 2016-12-21 | 2018-03-05 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) | Гетероструктурный полевой транзистор на основе нитрида галлия с улучшенной стабильностью вольт-амперной характеристики к ионизирующим излучениям |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2805563C1 (ru) * | 2023-03-01 | 2023-10-19 | Общество с ограниченной ответственностью Арсенид-галлиевые актуальные технологии (ООО АГАТ) | КРИСТАЛЛ СИЛОВОГО ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ДИОДА С БАРЬЕРОМ ШОТТКИ И p-n ПЕРЕХОДАМИ |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Xing et al. | Gallium nitride based transistors | |
| Hatakeyama et al. | High-breakdown-voltage and low-specific-on-resistance GaN p–n junction diodes on free-standing GaN substrates fabricated through low-damage field-plate process | |
| US7859014B2 (en) | Semiconductor device | |
| Nanjo et al. | AlGaN channel HEMT with extremely high breakdown voltage | |
| EP2270870B1 (en) | Wide bandgap hemts with source connected field plates | |
| Dang et al. | Measurement of drift mobility in AlGaN/GaN heterostructure field-effect transistor | |
| JP4677499B2 (ja) | 電子デバイス用エピタキシャル基板およびその製造方法 | |
| US7226850B2 (en) | Gallium nitride high electron mobility transistor structure | |
| US20050145851A1 (en) | Gallium nitride material structures including isolation regions and methods | |
| US20050133816A1 (en) | III-nitride quantum-well field effect transistors | |
| CN103548127A (zh) | 半导体装置及其制造方法 | |
| WO2011099097A1 (ja) | 窒化物半導体装置及びその製造方法 | |
| Gu et al. | Vertical GaN Schottky barrier diodes on Ge-doped free-standing GaN substrates | |
| CN102460664A (zh) | 电子器件用外延衬底及其制造方法 | |
| JP2012015304A (ja) | 半導体装置 | |
| US11545566B2 (en) | Gallium nitride high electron mobility transistors (HEMTs) having reduced current collapse and power added efficiency enhancement | |
| US20220157980A1 (en) | Nitride semiconductor device | |
| CN113555431B (zh) | 基于P型GaN漏电隔离层的同质外延氮化镓高电子迁移率晶体管及制作方法 | |
| EP1863075A1 (en) | Group iii nitride semiconductor device and epitaxial substrate | |
| CN105957881A (zh) | 具有背势垒的AlGaN/GaN极化掺杂场效应晶体管及制造方法 | |
| RU2782307C1 (ru) | Мощный полевой транзистор СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре на основе нитрида галлия | |
| US8524550B2 (en) | Method of manufacturing semiconductor device and semiconductor device | |
| CN116053306A (zh) | 基于氮化镓的高电子迁移率晶体管器件及其制备方法 | |
| US11201217B2 (en) | Nitride semiconductor substrate | |
| Zhao et al. | AlGaN/GaN HEMTs with a magnetron-sputtered AlN buffer layer |