Главная Промышленная автоматика.

Таблица 101 Зависимости пробивного напряжения сток- исток и входной мощности от типа С1руктуры на сгоке транзистора

Номер ба- Тип Эдтнтаксиальыой зовой кон структуры

струкщш

п слой

Структура с п кон гактным слоем То же

Тип структуры на стоке

Плоская структура Углубление на всем пространстве сток -исток I, расстоянием затвор -исток 2 мкм 1о ХР t оагиоянием aaiBop-

ClOF 4 МКМ

Bali, iyii /И-счол с(> стороны сгока

Вмстуц п слоя со стороны .-ток! и и с! ока

Пробивное напряжение с гок-исток,

10-20 25 35

В.ходная Мощность, Вт/мм

1-2 2,5-3,5

2,5-

-3,5

ще говоря, мгновенный пробои происходит при первоначальном приложении стокового напряжения, тогда как долговременный отказ встречается во время нормальной работы или при ускоренных испытаниях при повышенной температуре [19- 21] Результаты испытаний избранной нами конструкции канала с кратковремеччтм пробоем отражены в табл. 10.1. Эти результаты были получены от приборо-j с пшриной затвора 6 мм, с током стока 600 мА и высокочастотной вхот.т!ой мощностью 28 дБм. В фирме BTL были изучены пять базовых конструкндй канала (рис 10.3) :

1. Планарный стоковый контакт без «"-поверхностттого слоя (рис. 10.3). Используемая с 1976 i., эта с.рук тура обычно способна выдерживать напряжение па стоке 10-20 В (1-2 Вт/мм). В этом случае наблюдается слабое увеличетше пробивною напряхс тия сток-исток при увеличении расстояния между стоком и истоком [14!

2,3. Стоковая ступенька «ртк 10 36, в) Введение поверхностного имелся и его да.1ьнеЙ1иее удаление .химическим травлением с использованием металла тсонтактов в качестве маски при травлении позволяет получить пробивное напряжение сток-h"iOi- 25 35 В (2,5 - 3,5 Вт/мм) . Увеличение расстояния затвор - сток от 2 ло 1 мкм не повышает пробивные напряжения затвор-сток и сток исток [I]

4,5. Стоковый ивысгуа (рис. Ю.Зг и д) Нведеттие допо.чнительного литографического процессз по формированйч. края стокового контакта увеличивает пробивное напряжение до 40 - 50 В (4 5 Вт/мм) . Такие уровни входной мопщости по постоянному тоьу, превышающие 5 Вт/мм, равны или превышают уровни, приведенные в работе [22] дчя приборов с шириной затвора от 1 до 1,5 мrv!,изloтoвлeнныx фирмами Texas Instruments (4,5 Вт/мм) Dexel (3,8 Вт/мм), MSC (4,8 Вт/м.м) и NFC f2.,9 Вт/мм), Введение допотши-тельного выступа к исюковому ксчтакгу не дает заметного улучшения, и это подкрепляет (фецтюложенис о юм, что сток является именно тем мес-



3отбор из kl

JTi-Pt-Ai


lu Ge-Ag «И

, 3отбор из АI

jsilClullli



ЩШерШслои Подложка 1}

Au-Ge-Ag-Au

Затвор из 11

л-GaAs

Au-Ge-Ag-Au

Рис. 10.3. Схематическое представление различных конструкций канала, исследованных на фирме Bell Laboratories. Все конструкции имеют утопленную структуру затвора со следующими особенностями. а -планарный стоковый контакт без й*чглоя; б ~ /1*-слой под контактами истока и стока с расстоянием между электродами 2 мкм; в - расстоянием между электродами 4 мкм; г - п*-такта; д - и*-выступы длиной 2 мкм


V7«-Ga»s

Подложка д)

AU-Ge-Ag-Au

-слой под контактами стока и истока с выступ длиной 2 мкм у стокового кон-у контактов стока и истока

ТОМ, где происходит внезатшый отказ. Ясно, что и+-контактный слой, в особенности применяемый в комбинации с указанной геометрией края стокового контакта, подавляет механизмы отказа и делает возможным работу прибора при высоких напряжениях сток-исток.

Интенсивные эксперименты в фирме BTL, включая изменения в омическом контакте, показали, что стоковый контакт играет важную роль в стойкости прибора к появлению постепенного отказа. Эти результаты детально обсуждены в отдельной публикации [23]. Дополнительные исследования механизмов постепенного отказа, включающие химические изменения поверхности, показали, что использование пассивации диэлектриком S13N4 лучше, чем, например, SЮг [17].

10,5.2. КОНТЮЛЬ ПРОБОЯ СТОК-ЗАТВОР ПРИ УГЛУБЛЕННОЙ СТРУКТУРЕ ЗАТВОРА

До СИХ пор обсуждение бьшо сконцентрировано на механизмах внезапного отказа исток-сток как ограничивающего фактора входной мощности по постоянному току (и отсюда высокочастотной выходной мощности) GaAs ПТШ. Затвор играет лишь второстепенную роль в процессе пробоя при напряжении на нем, меньшем напряжения отсечки, однако роль затвора велика в управлении выходной мощностью, поскольку пробой затвор-сток оказывает основное воздействие на колебания напряжения или тока стока.



Показано [12], что пробивное напряжение затвор - сток в 2-3 раза больше того, которое предсказывалось одномерной моделью для объемного материала. Это можно объяснить в рамках двумерной модели обедненной области, постепенно распространяющейся в направлении от затвора к стоку при больших напряжениях затвор-сток, если использована подходящая конструкция канала. Желательное распространение обедненного зарядового слоя особенно усиливается, если минимизирован заряд в эпитаксиальном слое на единицу площади 2ед- Этот заряд (в единицах 10 см~) связан с током насыщения в канале соотношением /слас = 176 2ед- Здесь /[.„ас "Р*" водится в мА/мм и коэффициент 176 получен в предположении, что дрейфовая скорость насыщения носителей в GaAs принята равной 1,1 -10 см/с. При оптимальном конструировании канала должны быть: 1) обеспечен минимальный необедненный заряд в пространстве затвор-сток, чтобы увеличилось пробивное напряжение затвор-сток; 2) максимально увеличен заряд под затвором, поскольку максимальный ток при прямом смещении затвора /щ, пропорционален этому заряду; 3) учтено обеднение заряда на поверхности GaAs, обусловленное изгибом зон, связанным с расположением уровня Ферми в середине запрещенной зоны. Эти принципы конструирования требуют как можно меньшею заряда в необедненном слое в пространстве затвор-сток и вместе с тем достаточно высокого заряда под затвором, который необходим для обеспечения большого размаха высокочастотного сигнала. Для выполнения этого требования необходимо дополнительно углублять затвор на величину, большую толщины обедненного слоя под затвором uq при нулевом смещении на нем. Для и = 10 см~ ао !*0,1 мкм, в то время как для и = 4 • 10* см~ ао *0,16 мкм.

Экспериментально установлено, что объемная модель пробоя пригодна при > 2,6, в то время как модель тонкопленочного продольного распространения - при < 2,3. В последнем случае, как показывает статистика, нет значительной зависимости напряжения пробоя от уровня легирования в области 3 • 10* см" < и < 2 • 10 см". Этот экспериментальный результат согласуется с моделью продольного распространения, однако не согласуется с теорией одномерного пробоя, которая подсказывает, что зс "W" • Нанш транзисторы с 4< и/10* см~ < 7 сконструированы так, что 2,0 < < 2,3 соответствует току насыщения перед травлением затвора примерно 350 мА/мм, а толщина эпитаксиального слоя под затвором соответствует примерно току насыщения, равному 250мА/мм перед осаждением А1. После осаждения А1 "взрывным" способом это дает /(-нас <200 мА/мм. На рис. 10.4 представлены типичные выходные вольт-амперные характеристики, снятые в импульсном режиме. Заметим, что ток стока появляется при и14В. Это объясняется пробоем затвора, начинающимся при иИВ. В классическом транзисторе, описываемом равенствами (10.1) и (10.2) ирис. 10.2, напряжение затвор-сток будет составлять не более 21 В, что обусловлено быстрым возрастанием тока затвор-сток. В противоположность этому в ПТШ, рассчитанном с применением принципов продольного распространения, может быть реализовано дополнительное повышение напряжения и дальнейшее возрастание выходной мощности, посколь-





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

0.004