Монолитные GaAs ИС на полевых транзисторах Шоттки

При повышении рабочей частоты существенно возрастает влияние наводок сигнала при близком расположении соседних элементов монолитных ИС. Поэтому СВЧ ИС обычно существенно уступают устройствам, работающим на более низких частотах, по степени интеграции. Для систем связи типичны устройства, содержащие десятки, редко сотни элементов на кристалле. В качестве подложки наиболее часто используется GaAs с максимальным удельным сопротивлением (его называют «полуизолирующим»), в котором достигаются более низкие диэлектрические потери, чем в наиболее высокоомном кремнии. Для увеличения быстродействия активных приборов важны также более высокие значения подвижности и максимальной дрейфовой скорости электронов в GaAs. Помимо этого, интенсивно осваиваются такие перспективные широкозонные материалы, как InP, GaN, SiC и другие [18], делаются попытки создания активных приборов на алмазе [19].

Наиболее освоены для массового производства монолитные ИС, в которых базовым активным прибором является GaAs ПТШ, используются также диоды с барьером Шоттки. Для примера на рис. 9.5 представлен в разрезе вариант фрагмента ИС, содержащего помимо транзистора и диода планарный резистор, конденсатор со структурой металл-диэлектрик-металл и металлизированное сквозное отверстие для заземления; показан способ выполнения двухуровневой металлизации на базе микрополосковых линий.

Основными технологическими операциями, применяемыми при создании монолитных GaAs ИС, являются ионная имплантация, вакуумное напыление металлов и фотолитография; для более сложных структур используется также эпитаксиальное выращивание полупроводниковых слоев.

Этапы изготовления монолитной GaAs ИС, показанной на рисунке, кратко отражены в таблице 9.1.

Таблица 9.1. Основные этапы изготовления монолитной GaAs ИС

Приведенный пример технологии не является единственным, многие фирмы разрабатывают и совершенствуют свои оригинальные методы изготовления ИС. Помимо ПТШ, в монолитных СВЧ ИС применяются описанные выше двухзвтворные полевые транзисторы, гетеротранзисторы с высокой подвижностью электронов (HEMT – High Electron Mobility Transistor) и др. [20], данная область полупроводниковой техники интенсивно развивается.

10. Сравнение активных полупроводниковых СВЧ приборов

Важнейшей характеристикой активных СВЧ приборов является зависимость выходной мощности в режиме генерации или усиления от рабочей частоты. Такие характеристики используются для сравнения приборов, способных генерировать или усиливать мощные сигналы в СВЧ диапазоне; по мере развития техники собранные данные обновляются. В качестве примера на рис. 10.1. приведен набор подобных зависимостей для различных полупроводниковых приборов.

Рис. 10.1. Сравнение активных СВЧ приборов

На рисунке использованы следующие обозначения:

ТД – туннельный диод;

БТ – биполярный транзистор;

ПТ – полевой транзистор;

ДГ – диод Ганна;

ЛПД – лавинно-пролетный диод.

Линии соединяют точки, соответствующие лучшим известным приборам на рассматриваемом этапе. Сплошные линии отражают данные для одиночных приборов, работающих в непрерывном режиме; штриховые линии соответствуют импульсному режиму. Начало и конец каждой линии приблизительно указывают на интервал частот, в котором данный прибор используется наиболее широко.

Наименьшую выходную мощность способны обеспечивать туннельные диоды при работе на участке прямой ветви ВАХ, на котором диод имеет отрицательную дифференциальную проводимость (см. раздел 5.1). Малая рабочая мощность следует из ограниченной протяженности этого участка, не превышающей по напряжению сотен милливольт.

Транзисторы широко используются в усилителях и генераторах СВЧ диапазона. На его низкочастотном краю чаще применяются более дешевые кремниевые биполярные транзисторы. На частотах свыше 4 ГГц большей выходной мощностью обладают GaAs полевые транзисторы, они имеют также преимущество по коэффициенту усиления и более низкий уровень шума.

Наибольшую выходную мощность в непрерывном режиме способны обеспечивать ЛПД, которые широко применяются в выходных каскадах твердотельных усилителей и генераторов на частотах до 200 – 300 ГГц. Однако в импульсном режиме преимущество имеют диоды Ганна при работе в режиме ограниченного накопления объемного заряда, который рассматривается в разделе 7.3.

Рассмотренные кривые демонстрируют снижение выходной мощности с увеличением рабочей частоты, что характерно для всех типов приборов (как показано, например, для ЛПД в разделе 6.2). Указанная закономерность связана с тем, что для повышения рабочей частоты требуется снижать характерное время пролета для активной области и емкость структуры (за счет уменьшения ее площади). Это приводит с снижению максимальных значений рабочего напряжения и тока, которые определяют выходную мощность прибора.

ЛИТЕРАТУРА