дерхний с/70 а Ti-Pt-Au Стон

Выотуп стока Исток

Металлический / слой с-

омическоао контакта

Затвор

v Ступенька \ мезаструктуры Al-Ti-Pt-Au

1 Ai-Tt-Pt-Ии / Соединения

Шина затдора

10 мкм

Рис. 10.1. Фотография мезаструктуры, полученная с помощью сканирующего электронного микроскопа под малым углом в точке, где затвор поднимается на столик. Видны омические контакты из Au-Ge, затвор из А1 и толстый верхний слой металлизации Ti-Pt-Au. Также можно различить стоковый край канала. Необходимо отметить, что для изготовления фотографии диэлектрический слой был удален, однако следы плазменного травления указывают на местоположение окон, вскрытых в Si3N,, для приварки проволочного вывода на стоковом контакте

ния: 1) наносится первый слой фоторезиста, который затем подвергается обработке с помощью "взрывной" литографии; 2) напыляется Ti-Pt-Au электронно-лучевым способом; 3) наносится слой фоторезиста, решетка которого обратна решетке первого слоя; 4) производится ионное травление слоев Аи и Pt, причем второй слой фоторезиста является маской при травлении Аи и Pt; 5) удаляется первый слой фоторезиста. При этом Ti также удаляется.

Пассивация. Это последний этап изготовления кристалла, при котором пластина покрывается осажденным в плазме слоем нитрида кремния. Затем в нитриде кремния вскрываются окна плазменным травлением с использованием соответствующей маски фоторезиста.

Утоньшете пластины, разделение, монтаж в СВЧ корпус. После процесса формирования кристалла подложка утоньшается до 30 - 50 мкм и покрывается химически осажденным золотом толщиной 25 мкм, затем скрай-бируется лазером и разделяется на кристаллы [13]. Прибор монтируется в СВЧ корпус с использованием припоя Au-Sn, и электроды истока, стока и затвора соединяются проволоками с корпусом. В некоторых случаях производится сквозное соединение истоков через отверстия в GaAs подложке с заполнением их металлом, что является частью процесса утоньшения пластины и покрытия золотом обратной стороны.

На рис. 10.1 показана фотография канала прибора, выполненная в растровом электронном микроскопе после окончания процесса изготовления

кристалла. Следует отметить, что затвор имеет расширенную часть при входе на мезаструктуру высотой 1 мкм для облегчения покрытия ступеньки. Диэлектрик был удален из этого прибора во избежание появления электростатического заряда во время фотографирования с помощью растрового электронного микроскопа. Остатки диэлектрика остаются в канале на стоковой площадке, показывая окно в диэлектрике для стокового проводника (проволоки). Размеры канала исток-сток обсуждались в разд. 10.4.

10.4. ОБЗОР ОБЩИХ ПРИНЦИПОВ КОНСТРУИРОВАНИЯ МОЩНЫХ ПТШ

Мощный ПТШ можно рассматривать как простой переключатель тока. Максимально возможную мощность можно выразить как (рис. 10.2)

(10.1)

где /jjp - максимальный ток стока (А/мм) при прямом смещении затвора; синас ~ напряжение насыщения, как указано на рис. 10.2; И - общая нш-рина затвора (обычно в мм). Общее допущение заключается в том, что си ограничивается пробивным напряжением затвор-сток, а t/g,, как изображено на рис. 10.2, определяется выражением

(10.2)

где f/gjjQj, - напряжение отсечки. Как обсуждается далее, неравенство (10.2) непригодно для расчетов при конструировании канала ПТШ, применяемого на фирме BTL. Конструирование канала прибора, который должен обладать максимальной выходной мощностью на единичную ячейку Ру, должно обеспечить большие токи исток-сток, и /j, а также больщие напряжения исток-сток t/.. Принятые на фирме BTL основные принципы конструирования мощных ПТШ, которые направлены на обеспечение этих требований, можно подразделить на три основные группы.

Формирование канала исток-сток. Особенностями конструкции мощного ПТШ являются: 1) выступ стокового контакта («"-слой) с концентрацией носителей тока 10** см" для достижения высоких пробивных напряжений исток -сток; 2) углубленная структура затвора, выполненная с учетом уровня легирования активного слоя и наличия поверхностного обедненного слоя при нулевом смещении на затворе для того, чтобы минимизировался заряд в канале сток-сток и таким образом подавлялось развитие пробоя затвор-сток; 3) надлежащий выбор легирования активного слоя; 4) покрытие канала диэлектрической пленкой 81зК4, которая

Рис. 10.2. Схематическое изображение стоковых вольт-амперных характеристик GaAs ПТШ, показывающее их важность для получения высокой выходной мощности

значительно увеличивает время жизни прибора и защищает металлический слой от химической коррозии.

Структура металлических слоев. В приборе с высокой надежностью должна применяться металлизация истока, стока и затвора, совместимая с высокими плотностями токов, которые протекают в мощном ПТШ. Выбирая три базовые системы металлизапии: 1) металлизацию контактов стока и истока Au-Ge-Ag-Au; 2) затворы из А1; 3) толстый слой золота, используемый в комбинации с барьерными слоями Ti и Pt, рассматриваем влияние электромиграции как в А1, так и в Аи, а также образование интерметаллической фазы между Ли и А1. Как правило, плотности тока в верхнем слое Аи составляют менее 2-10 А/см.

Топология кристалла. При выборе топологии для уменьщения температуры канала в рабочем режиме и уменьщения электромиграции металла необходимо учитывать: 1) размеры электродов; 2) расстояние затвор-затвор; 3) цшрину индивидуального зубца затвора; 4) толщину поддожки. Обычно используются подложки толщиной 30 - 50 мкм. Усилительные свойства, как обычно допускается, зависят от: длины затвора, ширины зубца затвора, специфической топологии соединений. Особенно тщательно исследовались соединехтия истоков с помощью сквозных отверстий в GaAs и многократные соединения проволоками с общей шиной истока, расположенной на краю кристалла. Полученные результаты не показали сильной зависимости от дайны затвора или ширины зубца пальца вплоть до частот 12 ГГц.

10.5. ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИИ КАНАЛА С ЦЕЛЬЮ ПОЛУЧЕНИЯ МАКСИМАЛЬНЫХ ВЫХОДНОЙ МОиЩОСТИ И НАДЕЖНОСТИ

10 5.1. СОЗДАНИЕ УГЛУБЛЕНИЯ В КАНАЛЕ ДЛЯ УВЕЛИЧЕНИЯ ДИАПАЗОНА РАБОЧИХ НАПРЯЖЕНИЙ

Одним из ключевых вопросов увеличения высокочастотной выходной мощности является увеличение пробивного напряжения на стоке. Ранние работы [14-16] представляли стоковый контакт как наиболее вероятное место для возникновения мшовенного пробоя. В различных лабораториях видоизменяли стоковый котакт введением и+-слоев, образованных селективной эпитаксией [5] и+-контакгпого слоя [1, 15, 16] или просто углубленной структуры [15]. и наблюдали увеличение пробивного напряжения сток-исток. Эксперименты ншпей лаборатории [17], а также результаты работы [18] показывают, что мгновенный пробой в конечном счете ограничен входной мощностью постоянного тока, а не отдельно напряжением и током за счет тепловых эффектов в некотором локальном месте, когда температура возрастает до 550° С [17]. Была выбрана оптимизированная конструкция канала прибора с током /„а,, около 200 мА/мм, что соответствовало оптимальному току смещения 100 мА/мм при работе на высокой частоте прибора. Стандартные приборы фирмы BTL работают при = 14 В.

Перед дальнейшим рассмотрением важно отделить кратковременный (или мгновенный) пробой сток-исток от постепенного отказа [17]. Про-