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-