RU2787552C1 - Powerful microwave field transistor - Google Patents
Powerful microwave field transistor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2787552C1 RU2787552C1 RU2022111899A RU2022111899A RU2787552C1 RU 2787552 C1 RU2787552 C1 RU 2787552C1 RU 2022111899 A RU2022111899 A RU 2022111899A RU 2022111899 A RU2022111899 A RU 2022111899A RU 2787552 C1 RU2787552 C1 RU 2787552C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- effect transistor
- gate
- drain
- electrodes
- microwave field
- Prior art date
Links
- 230000005669 field effect Effects 0.000 claims abstract description 76
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 30
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 27
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 27
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 21
- JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N AsGa Chemical compound [As]#[Ga] JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 20
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 20
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims abstract description 14
- 239000011253 protective coating Substances 0.000 claims description 9
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 abstract 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000003071 parasitic Effects 0.000 description 4
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 3
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 229910052681 coesite Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052906 cristobalite Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 230000001681 protective Effects 0.000 description 1
- 229910052904 quartz Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 1
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 1
- 229910052682 stishovite Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052905 tridymite Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано в качестве активных элементов устройств СВЧ различного назначения и при этом, прежде всего, в монолитном интегральном исполнении.The invention relates to electronic engineering and can be used as active elements of microwave devices for various purposes and, above all, in a monolithic integrated design.
Выходная мощность и коэффициент усиления по мощности (далее коэффициент усиления) - одни из основных выходных параметров мощных полевых транзисторов СВЧ (далее полевой транзистор).The output power and power gain (hereinafter referred to as the gain factor) are one of the main output parameters of high-power microwave field effect transistors (hereinafter referred to as the field effect transistor).
На сегодня возможные пути их повышения:At present, possible ways to improve them:
- увеличение ширины электрода затвора,- increasing the width of the gate electrode,
- снижение теплового и паразитного электрического сопротивлений,- reduction of thermal and parasitic electrical resistance,
- снижение паразитных емкостей.- reduction of parasitic capacitances.
Наиболее известны технические решения, в которых с целью увеличения ширины электрода затвора используют много затворную конструкцию мощного полевого транзистора СВЧ.The most well-known are technical solutions in which, in order to increase the width of the gate electrode, a multi-gate design of a powerful microwave field effect transistor is used.
При этом, с одной стороны, чем больше ширина общего электрода затвора, тем выше выходная мощность полевого транзистора.In this case, on the one hand, the greater the width of the common gate electrode, the higher the output power of the field-effect transistor.
Однако, с другой стороны, имеется ряд ограничений, а именно:However, on the other hand, there are a number of limitations, namely:
- при достаточно большой ширине единичного электрода затвора снижается эффективность работы полевого транзистора, то есть удельная выходная мощность в расчете на единицу ширины единичного электрода затвора вследствие значительного паразитного сопротивления общего электрода затвора,- with a sufficiently large width of a single gate electrode, the efficiency of the field-effect transistor decreases, that is, the specific output power per unit width of a single gate electrode due to a significant parasitic resistance of the common gate electrode,
- из-за несовершенства технологического оборудования и технологии изготовления, конструкция отличается неточностью совмещения единичных электродов затвора и, соответственно, неидентичностью его каналов, последнее приводит к снижению эффективности сложения мощности каналов,- due to the imperfection of technological equipment and manufacturing technology, the design is characterized by inaccurate alignment of single gate electrodes and, accordingly, non-identity of its channels, the latter leads to a decrease in the efficiency of combining the power of the channels,
- при некоторых размерах области полуизолирующего арсенида галлия (менее 4 мкм) наблюдается повышение тока утечки между единичными электродами исток-сток, что приводит к появлению неуправляемого единичным электродом затвора тока стока,- for some sizes of the region of semi-insulating gallium arsenide (less than 4 μm), an increase in the leakage current between the single source-drain electrodes is observed, which leads to the appearance of a drain current gate that is not controlled by a single electrode,
- при некоторых размерах канавок (менее 0,5 мкм) в парах единичных электродов исток - сток, в которых расположены единичные электроды затвора, имеет место снижение пробивного напряжения между единичными электродами затвор - исток и затвор - сток.- for some groove sizes (less than 0.5 μm) in pairs of single electrodes source - drain, in which single gate electrodes are located, there is a decrease in the breakdown voltage between the single electrodes gate - source and gate - drain.
И, как следствие этого, - некоторое снижение выходной мощности и коэффициента усиления полевого транзистора СВЧ.And, as a consequence of this, there is a slight decrease in the output power and the gain of the microwave field effect transistor.
Эти недостатки полевого транзистора СВЧ с много затворной конструкцией успешно решены следующими техническими решениями.These shortcomings of the microwave field effect transistor with a multi-gate design have been successfully solved by the following technical solutions.
С целью снижения паразитного сопротивления общего электрода затвора, полевой транзистор выполнен в виде так называемой гребенки из чередующейся последовательности единичных электродов исток - затвор - сток, при этом единичные электроды затвора расположены в канавках каналов, выполненных между единичными электродами исток - сток. [«Полевые транзисторы на арсениде галлия. Принципы работы и технология изготовления» Под ред. Д.В. Ди Лоренцо, Д.Д. Канделуола. Перевод с английского под ред. Г.В. Петрова, М.: Радио и связь, 1988 г., с.118].In order to reduce the parasitic resistance of the common gate electrode, the field-effect transistor is made in the form of a so-called comb of an alternating sequence of single source-gate-drain electrodes, while the single gate electrodes are located in the grooves of the channels made between the single source-drain electrodes. [“Field-effect transistors based on gallium arsenide. Operating principles and manufacturing technology, Ed. D.V. Di Lorenzo, D.D. Candeluola. Translation from English, ed. G.V. Petrova, M.: Radio and communication, 1988, p.118].
С целью исключения неточности совмещения единичных электродов затвора полевого транзистора и, соответственно, неидентичности его каналов и, соответственно, снижения эффективности сложения мощности каналов, между парами единичных электродов исток - сток расположены области полуизолирующего арсенида галлия, оптимизирована длина единичных электродов затвора, расположенных в парах единичных электродов исток - сток (не более 0,7 мкм), и при этом единичные электроды затвора выполнены в канавках каналов асимметрично в сторону единичных электродов истока. [«Мощные GaAs полевые СВЧ-транзисторы со смещенным затвором», авторы Лапин В.Г., Красник В.А., Петров К.И., Темнов A.M. Одиннадцатая Международная конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии». Сборник материалов конференции 10-14 сентября 2001 г., Севастополь, Крым, Украина, с.135].In order to eliminate the inaccuracy of matching the single gate electrodes of the field-effect transistor and, accordingly, the non-identity of its channels and, accordingly, the decrease in the efficiency of channel power addition, areas of semi-insulating gallium arsenide are located between pairs of single source-drain electrodes, the length of single gate electrodes located in pairs of single source-drain electrodes (not more than 0.7 μm), and at the same time, single gate electrodes are made in the grooves of the channels asymmetrically towards the single source electrodes. [“Powerful GaAs field-effect microwave transistors with a biased gate”, authors Lapin V.G., Krasnik V.A., Petrov K.I., Temnov A.M. Eleventh International Conference "Microwave Engineering and Telecommunication Technologies". Collection of materials of the conference September 10-14, 2001, Sevastopol, Crimea, Ukraine, p.135].
С целью снижения тока утечки между единичными электродами исток - сток и увеличения пробивного напряжения между единичными электродами затвор - исток и сток - затвор, оптимизированы - ширина области полуизолируещего арсенида галлия, ширина (0,9-1,3) мкм и глубина (0,2-0,3) мкм канавок, расположение единичных электродов затвора в канавках каналов (на расстоянии равном 0,1-0,3 и 0,5-0,7 мкм соответственно. [Патент 2307424 РФ. Мощный СВЧ полевой транзистор с барьером Шотки /Лапин В.Г. и др.// Бюл. - 2007 г. - № 3].In order to reduce the leakage current between single electrodes source - drain and increase the breakdown voltage between single electrodes gate - source and drain - gate, the width of the semi-insulating gallium arsenide region, the width (0.9-1.3) μm and the depth (0. 2-0.3) µm grooves, the location of single gate electrodes in the grooves of the channels (at a distance equal to 0.1-0.3 and 0.5-0.7 µm, respectively. [Patent 2307424 of the Russian Federation. Powerful microwave field effect transistor with a Schottky barrier /Lapin VG and others// Bull. - 2007 - No. 3].
Это позволило значительно увеличить выходную мощность полевого транзистора СВЧ.This made it possible to significantly increase the output power of the microwave field effect transistor.
Выходная мощность этих полевых транзисторов СВЧ составляет порядка (750, 1000) мВт, коэффициент усиления - порядка (10, 12) дБ на частоте 10 ГГц.The output power of these microwave field effect transistors is about (750, 1000) mW, the gain is about (10, 12) dB at a frequency of 10 GHz.
Однако, данный полевой транзистор отличается достаточно большой толщиной полуизолирующей подложки арсенида галлия под активной областью (порядка 100 мкм) и достаточно малой ее толщины (порядка 10 мкм) в области максимального отвода тепла (металлизированного отверстия для заземления электродов).However, this field-effect transistor is distinguished by a rather large thickness of the semi-insulating gallium arsenide substrate under the active region (about 100 µm) and a rather small thickness (about 10 µm) in the region of maximum heat removal (metallized hole for grounding the electrodes).
Это затрудняет возможность обеспечения плотной упаковки единичных электродов исток - затвор - сток, что определяет и высокие массогабаритные характеристики и затрудняет использование в составе кристалла монолитной интегральной схемы СВЧ.This makes it difficult to ensure a dense packing of single electrodes source - gate - drain, which determines the high weight and size characteristics and makes it difficult to use a monolithic microwave integrated circuit in the crystal.
Известен мощный полевой транзистор СВЧ, содержащий полупроводниковую подложку с заданной структурой слоев, на лицевой стороне которой, по меньшей мере, одну заданную топологию элементов активной области полевого транзистора, представляющую собой последовательность единичных электродов истока, затвора, стока, токопроводящий канал с канавкой между каждой парой единичных электродов исток - сток под единичный электрод затвора, защитное покрытие элементов активной области кристалла полевого транзистора, металлизированное отверстие для заземления общего электрода истока, интегральный теплоотвод из высоко тепло-и электропроводящего материала с обратной стороны полупроводниковой подложки, при этом одноименные единичные электроды стока, затвора, истока соединены электрически.A powerful microwave field effect transistor is known, containing a semiconductor substrate with a given layer structure, on the front side of which there is at least one given topology of the elements of the active region of the field effect transistor, which is a sequence of single source, gate, drain electrodes, a conductive channel with a groove between each pair single electrodes source - drain for a single gate electrode, a protective coating of the elements of the active region of the field-effect transistor crystal, a metallized hole for grounding the common source electrode, an integral heat sink from a highly heat- and electrically conductive material on the reverse side of the semiconductor substrate, while the same-named single drain and gate electrodes , source connected electrically.
В котором, с целью повышения выходной мощности и коэффициента усиления, уменьшения массогабаритных характеристик, полупроводниковая подложка выполнена в виде прямой последовательности полуизолирующего слоя, n+-типа проводимости слоя, стоп-слоя, буферного слоя, активного слоя, с толщиной полуизолирующего и буферного слоев (не менее 30,0) и (1,0-20,0) мкм соответственно, часть металлизированного отверстия с лицевой стороны полупроводниковой подложки на глубине, равной сумме толщин активного, буферного и стоп слоев, выполнена с металлизированным дном, а другая часть металлизированного отверстия с обратной стороны полупроводниковой подложки на глубину, равную сумме толщин полуизолирующего и n+-типа проводимости слоев, выполнена глухой в виде сплошного слоя из высоко тепло- и электропроводящего материала, при этом асимметрично в сторону общего электрода стока относительно вертикальной оси металлизированного отверстия, с размером поперечного сечения, равным размеру поперечного сечения топологии элементов активной области полевого транзистора, при этом упомянутые части металлизированного отверстия перекрываются полностью либо частично в горизонтальной плоскости места их соприкосновения, а интегральным теплоотводом одновременно является сплошной слой из высоко тепло-и электропроводящего материала другой части металлизированного отверстия. [Патент 2463685 РФ. Мощный полевой транзистор СВЧ /Воробьев А.А и др. //Бюл. - 2012 - № 28] - прототип.In which, in order to increase the output power and gain, reduce the weight and size characteristics, the semiconductor substrate is made in the form of a direct sequence of a semi-insulating layer, n + -type conductivity layer, stop layer, buffer layer, active layer, with a thickness of semi-insulating and buffer layers ( not less than 30.0) and (1.0-20.0) µm, respectively, a part of the metallized hole on the front side of the semiconductor substrate at a depth equal to the sum of the thicknesses of the active, buffer and stop layers is made with a metallized bottom, and the other part of the metallized hole from the reverse side of the semiconductor substrate to a depth equal to the sum of the thicknesses of the semi-insulating and n + -type conductivity layers, it is blind in the form of a continuous layer of highly thermally and electrically conductive material, while asymmetrically towards the common drain electrode relative to the vertical axis of the metallized hole, with the size cross section equal to the size of the cross section then the elements of the active region of the field-effect transistor, wherein the mentioned parts of the metallized hole overlap completely or partially in the horizontal plane of the place of their contact, and the integral heat sink is simultaneously a continuous layer of highly heat- and electrically conductive material of the other part of the metallized hole. [Patent 2463685 RF. Powerful microwave field effect transistor /Vorobiev A.A. et al. //Bul. - 2012 - No. 28] - prototype.
Наличие в данном мощном полевом транзисторе СВЧ интегрального теплоотвода толщиной порядка 30 мкм позволило:The presence in this powerful microwave field-effect transistor of an integral heat sink with a thickness of about 30 microns made it possible:
во-первых, уменьшить толщину полупроводниковой подложки до 30 мкм, и тем самым - снизить ее тепловое сопротивление и тем самым - повысить отвод тепла и, как следствие, - повышение выходной мощности,firstly, to reduce the thickness of the semiconductor substrate to 30 microns, and thereby reduce its thermal resistance and thereby increase heat removal and, as a result, increase the output power,
во-вторых, повысить плотность упаковки единичных электродов истока, затвора, стока и тем самым уменьшить массогабаритные характеристики, и тем самым - возможность использования данного мощного полевого транзистора СВЧ в составе кристалла монолитной интегральной схемы СВЧ.secondly, to increase the packing density of single electrodes of the source, gate, drain and thereby reduce the weight and size characteristics, and thereby the possibility of using this powerful microwave field effect transistor as part of a crystal of a monolithic microwave integrated circuit.
Однако выходная мощность данного мощного полевого транзистора СВЧ является недостаточно высокой в ряде случаев его применения.However, the output power of this powerful microwave field effect transistor is not high enough in some cases of its application.
Техническим результатом заявленного мощного полевого транзистора СВЧ является повышение удельной выходной мощности, выходной мощности, коэффициента усиления, долговечности, расширение функциональных возможностей.The technical result of the claimed powerful microwave field effect transistor is to increase the specific output power, output power, gain, durability, and expand functionality.
Указанный технический результат достигается заявленным мощным полевым транзистором СВЧ, содержащим полуизолирующую полупроводниковую подложку, на лицевой стороне которой выполнена заданная структура полупроводниковых слоев на основе арсенида галлия, на лицевой стороне последней выполнены элементы, по меньшей мере, одной активной области полевого транзистора, при этом активная область содержит единичные электроды истока, затвора, стока, канал с канавкой между каждой парой единичных электродов исток - сток под каждый единичный электрод затвора.The specified technical result is achieved by the claimed powerful microwave field effect transistor containing a semi-insulating semiconductor substrate, on the front side of which a given structure of semiconductor layers based on gallium arsenide is made, on the front side of the latter there are elements of at least one active area of the field effect transistor, while the active area contains single source, gate, drain electrodes, a channel with a groove between each pair of single source-drain electrodes for each single gate electrode.
При этомWherein
на лицевой стороне элементов активной области полевого транзистора либо на лицевой стороне отдельных элементов активной области в различной их комбинации выполнено теплопроводящее покрытие, из высоко теплопроводящего материала, с удельной теплопроводностью k, толщиной H, причём произведение удельной теплопроводности k и толщины H составляет величину более 10-4 Вт/К.on the front side of the elements of the active region of the field-effect transistor or on the front side of individual elements of the active region in their various combinations, a heat-conducting coating is made, from a highly heat-conducting material, with thermal conductivity k, thickness H , and the product of thermal conductivity k and thickness H is more than 10 - 4 W/K.
Заданная структура полупроводниковых слоев на основе арсенида галлия выполнена в виде гомоструктуры либо гетероструктуры.The specified structure of semiconductor layers based on gallium arsenide is made in the form of a homostructure or heterostructure.
Элементы, по меньшей мере, одной активной области полевого транзистора выполнены согласно его заданной топологии.Elements of at least one active area of the field-effect transistor are made according to its given topology.
Высоко теплопроводящее покрытие выполнено между единичными электродами затвор - сток и самим единичным электродом стока.A highly thermally conductive coating is provided between the single gate-drain electrodes and the single drain electrode itself.
Высоко теплопроводящее покрытие выполнено на поверхности канавки между единичными электродами исток - затвор, затвор - сток и самих единичных электродах истока, затвора и стока.A highly heat-conducting coating is made on the surface of the groove between the single electrodes source - gate, gate - drain and the single electrodes of the source, gate and drain.
Полевой транзистор дополнительно содержит интегральный теплоотвод из высоко тепло- и электропроводящего материала, выполненный на обратной стороне полуизолирующей полупроводниковой подложки.The field-effect transistor additionally contains an integrated heat sink made of a highly heat- and electrically conductive material, made on back side of the semi-insulating semiconductor substrate.
Между элементами активной областей либо между любым набором элементов активной области и высоко теплопроводящим покрытием выполнено защитное покрытие, толщиной менее 0,1 мкм.Between the elements of the active region or between any set of elements of the active region and a highly heat-conductive coating, a protective coating is made, with a thickness of less than 0.1 μm.
Полевой транзистор выполнен в виде единичного - дискретного кристалла, либо в составе кристалла монолитной интегральной схемы СВЧ.The field-effect transistor is made in the form of a single - discrete crystal, or as part of a crystal of a monolithic microwave integrated circuit.
Защитное покрытие может быть нанесено любым образом вне активной области транзистораThe protective coating can be applied in any way outside the active region of the transistor
Теплопроводящее покрытие может быть нанесено любым образом вне активной области транзистора, как на защитное покрытие, так и на поверхность полупроводника.The thermally conductive coating can be applied in any way outside the active region of the transistor, both on the protective coating and on the surface of the semiconductor.
Раскрытие сущности изобретения.Disclosure of the essence of the invention.
Совокупность существенных признаков заявленной формулы изобретения, как ограничительной части, так и отличительной части, а именно.The totality of the essential features of the claimed claims, both the restrictive part and the distinctive part, viz.
Выполнение на лицевой стороне элементов активной области полевого транзистора либо на лицевой стороне отдельных элементов активной области в различной их комбинации теплопроводящего покрытия, из высоко теплопроводящего материала с удельной теплопроводностью k, толщиной H, причём произведение удельной теплопроводности k и толщины H составляет величину более 10-4 Вт/К.Execution on the front side of the elements of the active region of the field-effect transistor or on the front side of individual elements of the active region in their various combinations of a heat-conducting coating, from a highly heat-conducting material with thermal conductivity k, thickness H , and the product of thermal conductivity k and thickness H is more than 10 -4 W/K.
Выполнение высоко теплопроводящего покрытия между единичными электродами затвор - сток и самом единичном электроде стока.Implementation of a highly thermally conductive coating between the single gate-drain electrodes and the single drain electrode itself.
Выполнение высоко теплопроводящего покрытия на канале с канавкой между электродами исток - затвор, затвор - сток и самих единичных электродах истока, затвора, стока.Implementation of a highly thermally conductive coating on a channel with a groove between the electrodes source - gate, gate - drain and the individual electrodes of the source, gate, drain.
Это обеспечивает.It provides.
Во-первых, снижение резких перепадов температуры в активной области полевого транзистора и тем самым - равномерный отвода тепла в полуизолирующую полупроводниковую подложку от всех активных элементов активной области полевого транзистора, и тем самым - максимальное снижение температуры в максимально нагретых частях активных элементов активной области полевого транзистора, и тем самым - максимальное снижение общего теплового сопротивления активных элементов активной области полевого транзистора и, как следствие, -Firstly, the reduction of sharp temperature drops in the active region of the field-effect transistor and, thereby, uniform heat removal to the semi-insulating semiconductor substrate from all active elements of the active region of the field-effect transistor, and thus the maximum temperature decrease in the most heated parts of the active elements of the active region of the field-effect transistor, and thereby the maximum reduction in the total thermal resistance of the active elements of the active region of the field-effect transistor and, as a result, -
- повышение удельной выходной мощности,- increase in specific output power,
- выходной мощности,- output power,
- коэффициента усиления,- amplification factor,
- долговечности.- durability.
Во-вторых, оптимизацию конструкционных и функциональных возможностей высоко теплопроводящего покрытия и тем самым - возможность реализации плотной упаковки единичных электродов истока, затвора, стока, и тем самым - возможность использования данной конструкции полевого транзистора, как в виде единичного - дискретного кристалла, так и в составе кристалла монолитной интегральной схемы СВЧ и, как следствие, -Secondly, the optimization of the structural and functional capabilities of a highly heat-conducting coating and, thereby, the possibility of implementing a dense packing of single source, gate, and drain electrodes, and thus the possibility of using this design of a field-effect transistor, both in the form of a single discrete crystal, and in the composition of the crystal of a monolithic microwave integrated circuit and, as a result, -
- уменьшение массогабаритных характеристик,- reduction of weight and size characteristics,
- расширение функциональных возможностей.- expansion of functionality.
Наличие в мощном полевом транзисторе СВЧ дополнительно интегрального теплоотвода из высоко тепло- и электропроводящего материала, выполненного на обратной стороне полуизолирующей полупроводниковой подложки обеспечивает возможность максимального утонения полупроводниковой подложки (до толщины порядка 30 мкм) и тем самым - повышение отвода тепла, и тем самым - снижение теплового сопротивления полупроводниковой подложки и, как следствие, - дополнительно повышение удельной выходной мощности, выходной мощности, коэффициента усиления, долговечности.The presence in a high-power microwave field-effect transistor of an additional integral heat sink made of a highly heat- and electrically conductive material, made on the reverse side of a semi-insulating semiconductor substrate, makes it possible to maximally thin the semiconductor substrate (up to a thickness of about 30 μm) and thereby increase heat removal, and thereby reduce thermal resistance of the semiconductor substrate and, as a result, an additional increase in the specific output power, output power, gain, durability.
Выполнение между элементами активной области полевого транзистора либо между единичными электродами затвор - сток и самом единичном электроде стока элементов активной области и высоко теплопроводящим покрытием защитного покрытия толщиной менее 0,1 мкм обеспечивает долговечность транзистора при сохранении низкого тепловое сопротивление между каналом полевого транзистора и подложкой и, как следствие, - дополнительно повышение удельной выходной мощности, выходной мощности, коэффициента усиления, долговечности.The implementation between the elements of the active region of the field-effect transistor or between the single electrodes of the gate-drain and the very single electrode of the drain of the elements of the active region and the highly thermally conductive coating of the protective coating with a thickness of less than 0.1 μm ensures the durability of the transistor while maintaining low thermal resistance between the channel of the field-effect transistor and the substrate and, as a consequence, an additional increase in the specific output power, output power, gain, durability.
Наличие теплопроводящего покрытия за пределами активной области при нанесении его внутри активной области любым из перечисленных способов, ведёт к дополнительному снижению теплового сопротивление между каналом полевого транзистора и подложкой, как следствие, - дополнительно повышение удельной выходной мощности, выходной мощности, коэффициента усиления, долговечности.The presence of a heat-conducting coating outside the active region when applied inside the active region by any of the above methods leads to an additional decrease in the thermal resistance between the FET channel and the substrate, as a result, an additional increase in the specific output power, output power, gain, durability.
Возможность использования заданной структуры полупроводниковых слоев на основе арсенида галлия как в виде гомоструктуры, так и в виде гетероструктуры, равно как - данной конструкции мощного полевого транзистора СВЧ, как в виде единичного - дискретного кристалла, так и в составе кристалла монолитной интегральной схемы СВЧ обеспечивает расширение функциональных возможностей.The possibility of using a given structure of semiconductor layers based on gallium arsenide both in the form of a homostructure and in the form of a heterostructure, as well as the given design of a powerful microwave field effect transistor, both in the form of a single discrete crystal, and as part of a crystal of a monolithic microwave integrated circuit, provides expansion functionality.
Возможность использования данного мощного полевого транзистора СВЧ в составе кристалла монолитной интегральной схемы СВЧ является на сегодня чрезвычайно актуальным.The possibility of using this powerful microwave field effect transistor as part of a monolithic microwave integrated circuit crystal is extremely relevant today.
Выполнение теплопроводящего покрытия из высоко теплопроводящего материала, когда произведение его удельной теплопроводности k и толщины H менее 10-4 Вт/К недопустимо, так как это практически полностью нивелирует указанный технический результат, а The execution of a heat-conducting coating from a highly heat-conducting material, when the product of its thermal conductivity k and thickness H is less than 10 -4 W/K, is unacceptable, since this almost completely eliminates the specified technical result, and
Выполнение теплопроводящего покрытия на несколько порядков более величины 10-4 Вт/К ограничено только технологическими возможностями.The execution of a heat-conducting coating by several orders of magnitude more than 10 -4 W/K is limited only by technological capabilities.
Выполнение защитного покрытия толщиной более 0.1 мкм не желательно, так как приводит к значительному увеличению теплового сопротивления полевого транзистора.The implementation of a protective coating with a thickness of more than 0.1 μm is not desirable, since it leads to a significant increase in the thermal resistance of the field-effect transistor.
Итак, заявленный мощный полевой транзистор СВЧ в полной мере обеспечивает указанный технический результат - повышение удельной выходной мощности, выходной мощности, коэффициента усиления, долговечности, расширение функциональных возможностей.So, the claimed powerful microwave field effect transistor fully provides the specified technical result - increasing the specific output power, output power, gain, durability, expanding functionality.
Изобретение поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.
На фиг. 1 дан схематически заявленный мощный полевой транзистор СВЧ, разрез - когда высоко теплопроводящее покрытие выполнено на лицевой стороне элементов активной области, гдеIn FIG. 1 shows a schematically declared powerful microwave field effect transistor, the section is when a highly heat-conducting coating is made on the front side of the elements of the active region, where
-полуизолирующая полупроводниковая подложка - 1,- semi-insulating semiconductor substrate - 1,
-на лицевой стороне, которой выполнена заданная структура полупроводниковых слоев на основе арсенида галлия - 2,- on the front side, which made a given structure of semiconductor layers based on gallium arsenide - 2,
одна заданная топология элементов активной области полевого транзистора, представляющих собойone given topology of the elements of the active region of the field-effect transistor, which are
-последовательность единичных электродов - истока, затвора, стока - 3, 4, 5 соответственно,- a sequence of single electrodes - source, gate, drain - 3, 4, 5, respectively,
-токопроводящий канал - 6 с канавкой - 7,- conductive channel - 6 with a groove - 7,
-защитное покрытие - 8 элементов активной области полевого транзистора,- protective coating - 8 elements of the active area of the field effect transistor,
-покрытие из высоко теплопроводящего материала - 9,- coating of highly heat-conducting material - 9,
-интегральный теплоотвод - 10 из высоко тепло- и электропроводящего материала с обратной стороны полуизолирующей полупроводниковой подложки.- integral heat sink - 10 of highly heat and electrically conductive material on the reverse side of the semi-insulating semiconductor substrate.
И частные случаи выполнения, когда высоко теплопроводящее покрытие выполнено:And special cases of execution, when a highly thermally conductive coating is made:
между единичными электродами затвор - сток и самом единичном электроде стока элементов активной области (фиг. 1а);between the single electrodes of the gate - drain and the single electrode of the drain of the elements of the active region (Fig. 1a);
на канале с канавкой между единичными электродами исток - затвор, затвор - сток и самих единичных электродах истока, затвора, стока элементов активной области полевого транзистора (фиг. 1 б).on the channel with a groove between the single electrodes source - gate, gate - drain and the single electrodes of the source, gate, drain elements of the active region of the field effect transistor (Fig. 1 b).
Мощный полевой транзистор СВЧ работает следующим образом.A powerful microwave field effect transistor works as follows.
На единичные электроды затвора и стока СВЧ полевого транзистора подают необходимые напряжения смещения от внешних источников. При этом на единичные электроды затвора - отрицательные, а на единичные электроды стока - положительные относительно единичных электродов истока. На единичные электроды затвора подают СВЧ сигнал, который усиливается полевым транзистором и подается на его выход - электрод стока.The required bias voltages from external sources are applied to the individual gate and drain electrodes of the microwave field effect transistor. At the same time, negative ones are applied to the individual gate electrodes, and positive ones to the individual drain electrodes relative to the individual source electrodes. A microwave signal is fed to single gate electrodes, which is amplified by a field-effect transistor and fed to its output - a drain electrode.
Примеры конкретного выполнения.Examples of specific implementation.
Пример 1.Example 1
На лицевой стороне полуизолирующей полупроводниковой подложки 1 из GaAs АГЧП-76,2-450-(100)2,5(110)-ЕJ-ДСП ТУ 6365-01-52692510-2010 выполнена заданная структура полупроводниковых слоев на основе арсенида галлия 2 - гетероструктура в виде прямой последовательности следующих полупроводниковых слоев:On the front side of the
- буферный слой, толщиной 0,6 мкм,- buffer layer, 0.6 µm thick,
- нелегированный слой Al0,3Ga0,7As, толщиной 0,05 мкм,- unalloyed Al 0.3 Ga 0.7 As layer, 0.05 µm thick,
- легированный слой GaAs, легированный кремнием, с концентрацией легирующей примеси 1019 см-3, толщиной 0,001 мкм,- doped GaAs layer, doped with silicon, with a dopant concentration of 10 19 cm -3 , 0.001 μm thick,
- нелегированный слой Al0,3Ga0,7As, толщиной 0,002 мкм,- unalloyed Al 0.3 Ga 0.7 As layer, 0.002 µm thick,
- нелегированный слой GaAs, толщиной 0,002 мкм,- undoped GaAs layer, 0.002 µm thick,
- нелегированный слой In0,17Ga0,83As, толщиной 0,013 мкм,- undoped In 0.17 Ga 0.83 As layer, 0.013 µm thick,
- нелегированный слой GaAs, толщиной 0,002 мкм,- undoped GaAs layer, 0.002 µm thick,
- нелегированный слой Al0,3Ga0,7As, толщиной 0,002 мкм,- unalloyed Al 0.3 Ga 0.7 As layer, 0.002 µm thick,
- легированный слой GaAs, легированный кремнием, с концентрацией легирующий примеси 2×1019 см-3, толщиной 0,001 мкм,- doped GaAs layer, doped with silicon, with
- нелегированный слой Al0,3Ga0,7As, толщиной 0,02 мкм,- unalloyed Al 0.3 Ga 0.7 As layer, 0.02 µm thick,
- нелегированный слой GaAs, толщиной 0,02 мкм,- undoped GaAs layer, 0.02 µm thick,
- легированный слой GaAs, легированный кремнием, с концентрацией легирующей примеси 5×1018 см-3, толщиной 0,05 мкм (контактный слой).- doped layer GaAs, doped with silicon, with a dopant concentration of 5×10 18 cm -3 , a thickness of 0.05 μm (contact layer).
На лицевой стороне гетероструктуры полупроводниковых слоев 2 выполнена одна активная область полевого транзистора согласно его заданной топологи, при этом активная область содержит - единичные электроды истока 3, затвора 4, стока 5, канал 6 с канавкой 7 единичными электродами истока 3 - стока 5 под единичным электродом затвора 5. On the front side of the heterostructure of
На лицевой стороне элементов активной области полевого транзистора выполнено теплопроводящее покрытие 9, из высоко теплопроводящего материала - полиалмаза, удельной теплопроводностью k равной 1000 Вт/К/м, толщиной H равной 5 мкм, (при этом их произведение составляет величину 5×10-3 Вт/К, что более 10-4) (фиг. 1).On the front side of the elements of the active region of the field-effect transistor, a heat-conducting
Примеры 2-3.Examples 2-3.
Аналогично примеру 1 изготовлены образцы мощного полевого транзистора, но при других конструкционных параметрах фиг.1.Similarly to example 1, samples of a powerful field-effect transistor were made, but with other design parameters of Fig.1.
Пример 4.Example 4
Аналогично примеру 1 изготовлены образцы мощного полевого транзистора (его частные случаи его выполнения) (фиг. 1 а, б).Similarly to example 1, samples of a powerful field-effect transistor (its special cases of its implementation) were made (Fig. 1 a, b).
Заданная структура выполнена в виде гомоструктурыThe given structure is made in the form of a homostructure
теплопроводящее покрытие 13 выполнено.the heat-conducting coating 13 is made.
Между единичными электродами затвор 4 - сток 5 и самом единичном электроде стока 5 элементов активной области и на элементах вне активной области полевого транзистора ( фиг. 1 а). Between the single electrodes gate 4 -
На канале 6 с канавкой 7 между единичными электродами исток 5 - затвор 6 и затвор 6 - сток 7, и самих единичных электродах истока, затвора, стока элементов активной области полевого транзистора (фиг. 1 б). On
При этом данный образец мощного полевого транзистора содержит:In this case, this sample of a powerful field-effect transistor contains:
- интегральный теплоотвод 10;-
- между упомянутой поверхностью единичных электродов затвор 4 - сток 5 и самом единичном электроде стока 5 элементов активной области полевого транзистора и высоко теплопроводящим покрытием 9 выполнено защитное покрытие 8, толщиной менее 0,1 мкм.- between the said surface of the single electrodes gate 4 -
При этом эта структура полупроводниковых слоев на основе арсенида галлия 2 выполнена в виде гомоструктуры, прямой последовательности:At the same time, this structure of semiconductor layers based on
- полуизолирующего слоя,- semi-insulating layer,
- n+-типа проводимости слоя, толщиной 30,0 мкм,- n + -type conductivity layer, 30.0 µm thick,
- стоп-слоя,- stop layer,
- буферного слоя, толщиной 10 мкм,- buffer layer, 10 microns thick,
- активного слоя, (фиг.1 а, 1 б).- active layer, (Fig.1 a, 1 b).
Пример 5 соответствует прототипу.Example 5 corresponds to the prototype.
На изготовленных образцах мощного полевого транзистора СВЧ были измерены электрические параметры посредством метода согласующих трансформаторов, а именно удельная выходная мощность (Вт/мм), выходная мощность Вт, коэффициент усиления (дБ) на частоте 10 ГГц.On the manufactured samples of a powerful microwave field effect transistor, the electrical parameters were measured by the method of matching transformers, namely, specific output power (W/mm), output power W, gain (dB) at a frequency of 10 GHz.
Определена долговечность при работе в непрерывном режиме с максимальной отдаваемой выходной мощностью опытно-расчетным путем. The durability was determined when operating in continuous mode with the maximum output power output experimentally and by calculation .
Данные представлены в таблице.The data are presented in the table.
Как видно из таблицы указанные параметры заявленного мощного полевого транзистора составляют примерно:As can be seen from the table, the indicated parameters of the declared powerful field-effect transistor are approximately:
- удельная выходная мощность 1,0 Вт/мм,- specific output power 1.0 W/mm,
- выходная мощность 0,8 Вт,- output power 0.8 W,
- коэффициент усиления 10,5 дБ,- gain 10.5 dB,
- долговечность (5-10)×106 часов (примеры 2-4).- durability (5-10)×10 6 hours (examples 2-4).
В отличие от образца прототипа, который имеет примерно удельную выходную мощность 0,8 Вт/мм, выходную мощность 0,65 Вт, коэффициент усиления 9,5 дБ, долговечность 106 часов.In contrast to the prototype sample, which has approximately a specific output power of 0.8 W/mm, an output power of 0.65 W, a gain of 9.5 dB, a durability of 10 6 hours.
Таким образом, заявленный мощный полевой транзистор СВЧ по сравнению с прототипом обеспечит повышение:Thus, the claimed powerful microwave field effect transistor, in comparison with the prototype, will provide an increase in:
- удельной выходной мощности на 10-15 процентов,- specific output power by 10-15 percent,
- выходной мощности на 10-15 процентов,- output power by 10-15 percent,
- коэффициента усиления на 10-15 процентов,- gain by 10-15 percent,
- долговечности в 2-3 раза.- durability in 2-3 times.
МОЩНЫЙ ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР СВЧPOWERFUL MICROWAVE FIELD TRANSISTOR
k (Вт/м/K)Specific thermal conductivity
k (W/m/K)
Claims (8)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2787552C1 true RU2787552C1 (en) | 2023-01-10 |
Family
ID=
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2407106C1 (en) * | 2009-08-03 | 2010-12-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Исток" (ФГУП НПП "Исток") | Power semiconductor device |
RU2534437C1 (en) * | 2013-07-04 | 2014-11-27 | Открытое акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Пульсар" | Heterostructure modulated-doped field-effect transistor |
RU2539754C1 (en) * | 2013-10-02 | 2015-01-27 | Открытое акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Пульсар" | Modulation-doped field-effect transistor |
EA201891662A1 (en) * | 2016-01-19 | 2019-02-28 | Бриллиант Лайт Пауэр, Инк. | THERMOPHOTOGALVANIC ELECTRIC POWER GENERATOR |
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2407106C1 (en) * | 2009-08-03 | 2010-12-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Исток" (ФГУП НПП "Исток") | Power semiconductor device |
RU2534437C1 (en) * | 2013-07-04 | 2014-11-27 | Открытое акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Пульсар" | Heterostructure modulated-doped field-effect transistor |
RU2539754C1 (en) * | 2013-10-02 | 2015-01-27 | Открытое акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Пульсар" | Modulation-doped field-effect transistor |
EA201891662A1 (en) * | 2016-01-19 | 2019-02-28 | Бриллиант Лайт Пауэр, Инк. | THERMOPHOTOGALVANIC ELECTRIC POWER GENERATOR |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2463685C1 (en) | High-power uhf field transistor | |
US7180103B2 (en) | III-V power field effect transistors | |
EP1153438A2 (en) | Offset drain fermi-threshold field effect transistors | |
Madadi et al. | New high-voltage and high-speed β-Ga2O3 MESFET with amended electric field distribution by an insulator layer | |
US6297533B1 (en) | LDMOS structure with via grounded source | |
Steighner et al. | Simulation and analysis of InGaAs power MOSFET performances and reliability | |
Yu et al. | Analysis and optimization of GaN based multi-channels FinFETs | |
Khoorabeh et al. | Improvement of a novel SOI-MESFET with an embedded GaN layer for high-frequency operations | |
RU2787552C1 (en) | Powerful microwave field transistor | |
Fong et al. | Power DMOS for high-frequency and switching applications | |
Fukuta et al. | 4-GHz 15-W Power GaAs MESFET | |
CN111048581B (en) | Diamond field effect transistor with air-bridge-like source field plate structure | |
Bergman et al. | InAs/AlSb HFETs with f/sub/spl tau//and f/sub max/above 150 GHz for low-power MMICs | |
Agarwal et al. | MICROX-An advanced silicon technology for microwave circuits up to X-band | |
Hui et al. | A new substrate and gate current phenomenon in short-channel LDD and minimum overlap devices | |
RU2393589C1 (en) | High-performance uhf field transistor with schottky barrier | |
Ejebjörk et al. | Optimization of SiC MESFET for high power and high frequency applications | |
Gholipour et al. | An embedded β-Ga2O3 layer in a SOI-LDMOS to improve breakdown voltage | |
RU2784754C1 (en) | Uhf field-effect transistor with a schottky barrier | |
Zhu et al. | Improved 4H-SiC Metal–Semiconductor Field-Effect Transistors with Double-Symmetric-Step Buried Oxide Layer for High-Energy-Efficiency Applications | |
De et al. | An analytical threshold voltage and subthreshold current model for short-channel MESFETs | |
RU2307424C1 (en) | Schottky-barrier high-power microwave field-effect transistor | |
Kachhawa et al. | Simulation of β-Ga2O3 based MOSFETs for depletion and enhancement mode operation | |
Hu et al. | Characterization of RF lateral-diffused metal–oxide–semiconductor field-effect transistors with different layout structures | |
Chiu et al. | The improvement of device linearity in AlGaN/GaN HEMTs at millimeter-wave frequencies using dual-gate configuration |