Главная Промышленная автоматика.


контантная площадка втока

KMmOKm/iaR - ШшШЪ т ШЯшт шириной 4,8мм площадка затдора

Твотовые ячейки

Рис. 9.1. Фотография GaAs ПТШ с шириной затвора 4,8 мм в ходе технологического

цикла изготовления

ячейку. Поврежденные ячейки могут использоваться на более низких уровнях выходной мощности. Значительно важнее то, что при исследовательских работах эффекты, обусловленные комбинированием ячеек и очень большой шириной затвора, можно не учитывать при решении различных проблем по улучшению свойств приборов с малой шириной затвора.

Все описываемые приборы были изготовлены с использованием общего базового процесса [1, 2]. Исток и сток получены вплавлением сплава Au-Ge-Ni, расстояние между ними 5 мкм. Затворы изготовлены исклгочительно методом электронно-лучевой литографии [2, 3] и электронно-лучевого испарения Ti-Pt-Au в качестве металла затвора. Непосредственно перед осаждением металла затвора пластину химически травят для того, чтобы углубить затвор ниже поверхности эпитаксиального слоя и уменьшить токи прибора до требуемого уровня. Пленка Ti-Au также напыляется на исток и сток датя увеличения проводцмости. На контактные площадки гальванически осаждается Аи толщиной от 5 до 10 мкм для улучшения термокомпрессии проводников. Активная область защищается слоем нитрида кремния толщиной 0,4 мкм. Истоковые тшощадки некоторых приборов соединены воздушными мостиками на основе гальванического осаждения золота.

В следующем разделе описывается конструирование индивидуальных ячеек с оптимальными свойствами и комбинирование нескольких таких ячеек для получения высокой выходной мощности. Затем следуют некоторые примеры для иллюстратщи основных расчетных (конструкторских) факторов и их совместного выбора. Наконец, приводятся лучшие результаты, полученные фирмой Texas Instruments благодаря оптимальному конструированию приборов.

9.2. КОНСТРУИРОВАНИЕ ОДИНОЧНОЙ ЯЧЕЙКИ

9.2.1. ТОЛЩИНА И УРОВЕНЬ ЛЕГИРОВАНИЯ АКТИВНОГО СЛОЯ

Все пластины, используемые для изготовления мощттьтх ПТШ, содержат буферный и активный слои. Буферный слой не легирован (иОО" cm"j, его толщина изменяется от 1 до 3 мкм. Уровень легирования активного слоя определяется предполагаемой рабочей частотой. Измерения парамет-132




40 50 ВО 70 80 90 WO ПО 120 ISO 140

ис. 9.2. Зависимости выходной мощности на частоте 15 ГГц от тока насыщения GaAs (1 ГШ с шириной затвора 300 мкм, длиной затвора 0,6 мкм при 4„ = 8В для четырех пластин с различной концентрацией носителей заряда в активном слое: • - л = 7-10"см-; * - п = Юсм"; л- и = 1,6. ю" см", о - и = 2 • Ю" см"

;юв МНОГИХ приборов продемонстрировали, что в диапазоне частот от 4 до 16 ГГц [4] на 1 мм тпирины затвора можно получить примерно 1 Вт выходной мощности для оптимально сконструированных приборов. Однако более нысокие частоты работы транзисторов требуют и более высокого уровня 1егирования активного слоя.

Результаты различных экспериментов, проведенных [5] для определения )птимального уровня легирования, показаны на рис. 9.2. При этом опреде-.!ен оптимальный уровень легирования мощного GaAs ПТШ, работающего la частоте 15 ГГц. Выходная мощность определялась в зависимости от то-а /рнас (тока насыщения стока при нулевом смещении на затворе) для идентичных приборов, изготовленных на пластинах с различным уровнем легирования активного слоя. Уровень легирования для получения максимальной выходной мощности на частоте 15 ГГц примерно 1,6-10 см". Оптимальное значение тока„ может быть также определено на рис. 9.2: для значения и = 1,6 Ю см" ток/., = 100... 120 мА (330... 400 мА на I мм ширины затвора). При увеличении 1 выходная мощность растет лабо, однако КПД резко падает (не дано на рис. 9.2).

Подобные эксперименты, проведенные на других частотах, показывают, что на частоте 10 ГГц оптимальной является концентрация примеси п -= 1,2 • Ю см" и на частоте 8 ГГц и = 8 • Ю* см". На частоте 18 ГГц было фоведено меньше экспериментов, однако они показали, что оптимальное шачение концентраций примесей составляет около п = 2- Ю см". Во всех -лучаях оптимальный ток равен 300 -400 мА на 1 мм ширины затвора. >лнализ результатов показал, что выбор уровня легирования более крити-ен на вьюоких частотах.

Результаты, приведенные на рис. 9.2, бьши получены при постоянном напряжении стока 8 В. Приборы с более высоким пробивным напряжением • japbcpa Шотки и с меньшим уровнем легирования материала показали зна-1чтельно большую выходную мощность при больших напряжениях стока.



Однако для обеспечения более высокого КПД и надежности обычно применяется напряжение стока 8 В. Было показано, что отказ в работе GaAs ПТШ происходит из-за пробоя стокового контакта [6, 7]; напряжение отказа практически не зависит от уровня легирования эпитаксиального слоя, так как значение пробивного напряжения барьера Шотки не связано прямо с уровнем легирования.

Поэтому разумно выделять одинаковые безопасные рабочие напряжения для приборов с различным уровнем легирования, но с одной и той же геометрией. Если конструкция прибора изменяется с целью снижения вероятности отказа на стоковом контакте, например, введением и+-слоя под омическими контактами, то приборы могут работать при более высоких напряжениях стока. Это может изменить оптимальные уровень легирования и толщину активного слоя. Оптимальный уровень легирования активного слоя будет до некоторой степени уменьшаться, как и /(.„ас поскольку приборы с большим /(, „ас имеют меньшее напряжение пробоя барьера. Много лабораторий в настоящее время работают в направлении увеличения напряжений стока в мощных GaAs ПТШ.

9.2.2. УГЛУБЛЕНИЕ ЗАТВОРА

Углубление затвора в значительной степени увеличивает выходную мощность прибора. Эксперименты, проводимые с целью оптимизации углубления затвора для увеличения коэффициента усиления и выходной мощности прибора на частоте 15 ГГц [5], проводились па пластинах, имеющих близкую к оптимальной концентрацию носителей тока в активном слое для работы на этой частоте. Однородную пластину с и = 1,7 • 10 см" разделяли на четыре части, так что приборы, изготовленные на разных частях, имели одинаковый ток /спас, но различное углубление затвора. Измеренные профили легирования канала были идентичны, тогда как углубление затвора изменялось от нуля до 80 нм. Как и ожидалось, большое углубление затвора кор-релировалось с меньшими напряжениями насыщения и большей крутизной, обусловленной уменьшением паразитного сопротивления исток-затвор.

Исследовались также СВЧ свойства в зависимости от величины углубления затвора. На рис. 9.3 показаны зависимости выходной мощности от входной на частоте 15 ГГц для тигшчных приборов с различным углублением при 8 В на стоке. Из рис. 9.3 видно, что приборы с большим углублением имеют большую выходную мощность при коэффициенте усиления, равном 4 дБ, однако они также имеют и меньший малосигнальный коэффициент усиления. Хотя это и не показано на рис. 9.3, но при меньшей входной мощности приборы с углублением 30 нм и без углубления дают большее усиление, чем приборы с углублением 45 нм. На рис. 9.3 также не представлены результаты, относящиеся к прибору, изготовленному на другой пластине, но с тем же уровнем концентрации носителей тока и углублением 160 нм. Углубление затвора было столь велико, что малосигнальный коэффициент усиления равнялся 4-5 дБ и прибор нельзя было использовать. Ясно, что оптимальным углублением затвора будет такое, которое приводит к максималь-





0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 [44] 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165

0.0038