Сверхвысокочастотный биполярный p-n-p транзистор

Сверхвысокочастотный биполярный p-n-p транзистор

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, в частности к конструированию высоковольтных сверхвысокочастотных (СВЧ) биполярных транзисторов р-n-р-типа.

Биполярные р-n-р-транзисторы используются в усилительных и генераторных СВЧ-устройствах на частотах вплоть до X-СВЧ диапазона (1÷10 ГГц).

Все известные конструктивные решения высоковольтных биполярных р-n-р-транзисторов выполнены на основе кремниевых материалов. В настоящее время во всем мире выпускаются десятки типономиналов СВЧ р-n-р кремниевых транзисторов. Из-за физических ограничений частотные свойства кремниевых р-n-р СВЧ-транзисторов колеблются от нескольких сотен мегагерц до величин, близких к гигагерцовому диапазону. Основное ограничение связано с подвижностью µ_р неосновных носителей дырочного типа, величина которой колеблется в пределах от 480 см²/B·с до 50 см²/B·с при концентрации легирующей примеси от N=10¹⁴ см^-3 до N=10²⁰ см^-3.

Теоретический предел повышения предельной частоты кремниевого биполярного транзистора определяется скоростью насыщения носителей и напряженностью электрического поля при пробое, он не может быть выше произведения U_K·f_T≤200 В·ГГц для транзисторов электронного типа (n-р-n) и ≤100 B·ГГц для транзисторов дырочного типа (р-n-р), где U_K - напряжение пробоя коллектор-база перехода, a f_T - частота в долях или единицах гигагерц.

Известны конструкции р-n-р сверхвысокочастотных транзисторов ряда фирм (On Semiconductor, США; ТТ Electronics - Semelab, Великобритания; Infineon, Германия и др.), которые имеют предельные частоты свыше 300 МГц и напряжения несколько десятков вольт. Наиболее близкими прототипами являются конструкции СВЧ р-n-р кремниевых транзисторов 2N3209DCSM фирмы ТТ Electronics - Semelab (www.semelab.com) (1), BF660 фирмы Infineon, Германия (www.infineon.com) (2), имеющие напряжения пробоя коллектор-база от 20 до 50 B и предельные частоты коэффициента усиления по току 400÷700 МГц.

Конструкции кристаллов известных (1), (2) р-n-р СВЧ транзисторов выполнены на кремниевых эпитаксиальных подложках р⁺-р-типа с последующим созданием диффузионных n⁺-n-р-типа перехода и р⁺-эмиттера. р⁺-Эмиттер выполнен в виде так называемой «overlay» ячеистой топологии и состоит из множества автономных ячеек, соединенных параллельно с помощью силицидных металлов. Толщина базовой области таких транзисторных структур чрезвычайно мала и не превышает значений 0,15÷0,2 мкм, т.е. она значительно тоньше, чем толщина базовой области n-р-n-транзисторов аналогичного частотного диапазона в 1,5÷1,8 раза из-за соответствующего меньшего значения подвижности неосновных носителей в n-базе р-n-р-транзистора. В этой связи сложно получить предельные значения параметра U_K·f_T. Ширина эмиттерных полос или ячеек р-n-р СВЧ транзистора не превышает нескольких единиц микрометров, так, к примеру, при ширине эмиттерной полоски в 3 мкм и толщине базовой области в 0,15 мкм соотношение ширины эмиттерной полоски к толщине базы будет равно 20, что накладывает ограничения на токораспределение инжектируемого тока из эмиттера в базу из-за эффекта краевого оттеснения эмиттерного тока. Очевидно, что для приближения предельной частоты коэффициента усиления к 1,0 ГГц ширина эмиттерной ячейки не должна превышать 1,0÷1,5 мкм.

К очевидным недостаткам конструкций р-n-р СВЧ кремниевых транзисторных структур относятся:

- невысокая подвижность носителей дырочного типа и сильная зависимость ее от концентрации легирующей примеси в базовой n-области, что влияет на частотные свойства;

- низкие значения пробивных напряжений коллектор-база и коллектор-эмиттер из-за исключительно малых значений толщины базовой области;

- необходимость очень точного воспроизведения токораспределения в структуре стабилизирующими резисторами в цепи эмиттера из-за тонкой базы;

- высокая вероятность «прокола» базовой области повышенной напряженностью коллекторного перехода;

- сильно выраженный краевой эффект оттеснения эмиттерного тока из-за малых толщин базовой области;

- сложность получения сочетания больших значений рабочих токов и напряжений, связанная с резким увеличением активной площади структуры;

- невысокая рабочая выходная мощность;

- сильно выраженная температурная зависимость параметров транзистора.

Целью настоящего изобретения является резкое повышение рабочих напряжений в 5÷10 раз, рабочих токов и выходной мощности - в несколько раз, увеличение граничной частоты коэффициента усиления по току в 1,5÷3 раза, области безопасной работы в статическом и динамическом режимах.

Поставленная цель достигается тем, что в известном конструктивном решении сверхвысокочастотного биполярного р-n-р-транзистора, содержащего коллекторную область на основе р⁺-типа монокристаллической кремниевой подложки, эпитаксиальный р-типа кремниевый слой, диффузионную тонкую n-область, диффузионную р⁺-типа эмиттерную область и металлические контакты к активным областям взамен кремниевой р⁺-р-n-р⁺-структуры выполнена следующая структура р-n-р СВЧ транзистора, коллекторная и базовая области которой выполнены из соединений галлия и мышьяка на основе р⁺-монокристаллической подложки коллектора, последовательных эпитаксиальных слоев р⁺-р-р^--типа коллектора, эпитаксиального i-слоя с проводимостью, близкой к собственной, n-типа, n⁺-типа тонких эпитаксиальных слоев базовой области, а эмиттерная область выполнена из последовательного гетерофазного эпитаксиального р-р⁺-типа эмиттера на основе соединений алюминия, галлия, мышьяка.

Сущность изобретения поясняется на Фиг.1, где 1 - р⁺-монокристаллическая подложка из GaAs; 2 - эпитаксиальный GaAs р⁺-типа слой; 3 - эпитаксиальный GaAs р-типа слой; 4 - эпитаксиальный GaAs р^--типа слой; 5 - эпитаксиальный i-GaAs слой; 6 - тонкий эпитаксиальный GaAs n-типа слой; 7 - тонкий эпитаксиальный GaAs n⁺-слой; 8 - эпитаксиальный GaAs/AlGaAs р-типа слой; 9 - эпитаксиальный GaAs/AlGaAs р⁺-типа слой; 10, 11, 12 - металлические контакты к активным областям структуры.

На фиг.2 приведены профили распределения примесных атомов в новой предложенной структуре р-n-р СВЧ транзистора на основе соединений алюминия, галлия и мышьяка.

При создании предложенной конструкции р-n-р СВЧ транзистора первоочередной целью ставилось достижение сочтания таких важнейших параметров, как максимально возможная предельная частота f_T усиления сигнала и предельно допустимые напряжения на коллекторном переходе.

Время задержки сигнала при передаче из эмиттера в коллектор определяется из суммы четырех составляющих: времени заряда перехода эмиттер-база (τ_ЭБ), времени пролета через базовую область (τ_Б), времени пролета через обедненный слой коллекторного р-n-перехода (τ_Ki) и времени заряда коллекторного р-n-перехода (τ_БК).

Предельная частота f_T определяется по формуле:

f_T=1/2πτ_КЭ=1/2π(τ_ЭБ+τ_Б+τ_Ki+τ_БК)

Исходя из того, что определяющим вкладом в значение времени заряда перехода эмиттер-база является емкость гетероперехода AlGaAs.GaAs, очень важно сохранить инжекционные свойства гетероперехода и одновременно иметь наименьшую удельную емкость - εε₀ S/L_{p-n ЭБ}, где εε₀ - диэлектрическая постоянная гетеоструктуры, S - площадь перехода эмиттер-база, L_{p-n ЭБ} - ширина обедненного слоя р-n перехода.

Толщина слоя объемного заряда эмиттер-база перехода р-n⁺-типа при нулевом смещении W_ЭБО находится в пределах (1÷8)·10^-5 и зависит от уровня легирования p-области AlGaAs, зависимость емкости перехода эмиттер-база описывается выражением C~(U₀-U)^1/2 (резкий р-n переход), где U₀ - контактная разность потенциала на гетероструктуре, которая находится в пределах 1,18÷1,4 B; U - прямое смещение на р-n-переходе эмиттер-база. Расчеты времени зарядки эмиттерной емкости выполняются исходя из формулы

,

где kT/q - постоянная, равная 0,026, C_ЭБ гетероструктуры в зависимости от площади эмиттера колеблется в пределах (1÷5)·10^-10Ф, таким образом при единицах ампер, значение τ_ЭБ не превышает 10^-10÷10^-12 сек.

Время пролета через базу определяется по формуле:

где W_Б - эффективная толщина базы, в нашем случае меньше 0,25 мкм или 2,5·10^-5 см; D_p - определяется из соотношения Эйнштейна и зависит от подвижности дырок в базовой области. Подвижность дырок в базовой n⁺-n-области рассчитывается по формуле:

где N_D - концентрация легирующей примеси в базе.

При росте µ_р необходимо учитывать не только среднее значение концентрации легирующей примеси в базовой области, но и наличие встроенного ускоряющего электрического поля в n⁺-n GaAs базе р-n-р-транзистора с учетом высокого градиента перепада примеси в n⁺ GaAs слое и правильного подбора n-слоя из GaAs, встроенное поле придаст ускорительный дрейфовый механизм переноса носителей через базовую область.

Тонкая базовая область n-типа колеблется от долей микрометра до 1,5÷2 мкм в зависимости от уровня легирования данного участка высокоомной «пролетной» базы. Концентрация легирующей примеси выбирается из условия полного обеднения в ней и наличия готового встроенного ускоряющего поля, предшествующего более сильному ускоряющему полю носителей в i-области. Ускоряющее поле в n-зоне создается за счет «стекания» электронов в активной области к границе n-i-слоев. Расчеты показывают, что время пролета через базу меньше чем 2·10^-10 сек.

Время пролета носителей через i-слой и область обеднения в зоне i-р^--перехода определяется выражением:

где S_K - площадь перехода коллектор-база, скорость насыщения носителей при значениях εε₀~1,0·10^-9Ф для GaAs и емкостях не выше чем ~10÷20 пФ при напряженности поля, близкой к 10⁵÷10⁶ B/см и скоростях пролета, близких к (1÷2)·10⁷ см/сек. Значение данного параметра (τ_ki) будет близким к 10^-10 сек. Время перезарядки R_KC_K цепочки коллекторной области определяется по формуле в упрощенном виде: τ_КБ=С_К(R_K+r_Б)·2π, где R_K - сопротивление р^--коллектора, r_Б - распределенное сопротивление («листовое») базы.

Время τ_КБ зависит и от плотности тока, площади перехода коллектор-база, а также правильности выбора ε-области.

В целом это время с учетом соотношения εε₀(GaAs)÷толщина i-слоя ÷ площадь перехода коллектор-база не является критичным и может приближаться к значениям 10¹¹ сек.

Особенность данной структуры состоит в том, что в ней нет, как принято в обычном понимании, слаболегированной области коллектора, а вводится взамен этого эпитаксиального р-слоя i-область, размеры которой диктуются временем пролета через нее (τ_КБ) и уровнем

где E_i - напряженность электрического поля в i-области, которая определяющим образом влияет на пролетное время носителей. Толщина i-слоя может достигать значений до 10 мкм и более.

Конкретный пример выполнения р-n-р СВЧ транзисторной GaAs/AlGaAs структуры описан ниже.

Методом LPE-жидкостной эпитаксии на р⁺-монокристаллической GaAs подложке с концентрацией акцепторной примеси (3÷5)·10¹⁹ см^-3 последовательно выращиваются р⁺-р-р^- эпитаксиальные слои с общей толщиной 10÷20 мкм с резким - мягким - резким перепадом концентрации акцепторной примеси от (3÷5)-10^-19 см^-3, затем выращивается i-область с практически собственной проводимостью толщиной от нескольких единиц и более микрометров, n-область толщиной от долей микрометра до 1,5÷2 мкм с концентрацией донорной примеси менее чем 3·10¹⁵ см^-3. На n-области последовательно выращивается тонкий, от 0,25 мкм n⁺-эпитаксиальный базовый слой с уровнем концентрации доноров до 10¹⁸ см^-3.

На готовой «сэндвич»-эпитаксиальной структуре р⁺-р-р^--i-n-n⁺-типа из GaAs выращиваются методом МОС-гидридной эпитаксии р-р⁺-типа слои гетероструктурного соединения из алюминия, галлия и мышьяка (р-р⁺ AlGaAs-слой) области эмиттера. Методами фотолитографии, плазмохимии и вакуумного напыления создаются зоны с омическими контактами к n⁺-базе и р⁺-эмиттеру р-n-р-транзистора. Наиболее прецизионными операциями являются литографические операции для создания эмиттерных ячеистых локальных структур р-р⁺-типа с минимальным размером р⁺-областей от 1,0 мкм. Коллекторные контакты выполнялись из Ti-Ni-Au слоев на коллекторной стороне с толщинами 100, 500, 1000 нанометров соответственно. Эмиттерные и базовые контакты выполнены на основе системы металлизации Au-Ge:Ti-Au с толщинами 100, 100 и 500 нанометров соответственно. В некоторых случаях вместо Au (500 нм) выполнялся слой алюминия толщиной менее 1,0 мкм.

Чипы монтируются в СВЧ полосковые корпуса с изолированным оксидом бериллия фланцем, например в корпуса типа КТ-31.

Сверхвысокочастотный (СВЧ) биполярный транзистор p-n-p-типа, содержащий коллекторную область на основе p⁺-типа монокристаллической кремниевой подложки, эпитаксиальный p-типа кремниевый слой, диффузионную тонкую р-типа область, диффузионную р⁺-типа эмиттерную область и металлические контакты к активным областям транзистора, отличающийся тем, что коллекторная и базовая области сверхвысокочастотного биполярного p-n-p транзистора выполнены из соединений галлия и мышьяка на основе р⁺-монокристаллической подложки коллектора, последовательных эпитаксиальных слоев p⁺-p-p^--типа коллектора, эпитаксиального i-слоя с проводимостью, близкой к собственной, n-типа, n-типа тонких эпитаксиальных слоев базовой области, а эмиттерная область выполнена из последовательного гетерофазного эпитаксиального p-p⁺-типа эмиттера на основе соединений алюминия, галлия, мышьяка.