Мощный быстродействующий ограничительный диод

Полезная модель относится к области микроэлектроники. Мощный быстродействующий ограничительный диод включает омические контакты, средство для теплоотвода и многослойную эпитаксиальную структуру на основе арсенида галлия. При этом средство для теплоотвода выполнено из теплопроводящего слоя CVD поликристаллического алмаза, на поверхности которого нанесен гальваническим осаждением слой из золота, над слоем из золота последовательно расположены эпитаксиальные слои - сильнолегированный слой n+ из арсенида галлия, нелегированный слой из арсенида галлия и сильнолегированный слой p+ из арсенида галлия. Кроме того, диод дополнительно имеет защитное покрытие, выполненное из полиимида. Технический результат заключается в повышении уровня подавления сигнала с одновременным обеспечением высокого уровня входной мощности. 1 з.п. ф-лы, 3 илл.

Полезная модель относится к области микроэлектроники, в частности, к ограничительным диодам (ОД) о высоким уровнем входной мощности для работы в устройствах сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона. Полезная модель может быть использована при создании и развития радиолокационной, связной и навигационной техники, которые требуют создания дискретных полупроводниковых приборов и монолитных интегральных схем.

В системах радиолокации, связи и навигации вход приемного устройства должен быть защищен от воздействия синхронных и несинхронных помех, приводящих как к временной потере работоспособности, так и к выходу из строя входных устройств приемного канала. Для защиты приемника от синхронных помех обычно используется защитное устройство (ЗУ), представляющее собой нелинейный элемент, импеданс которого изменяется в зависимости от амплитуды сигнала. Таковым чаще всего является полупроводниковый диод с pin-структурой включенный параллельно СВЧ тракту. При высоком уровне СВЧ сигнала во время положительной полуволны напряжения происходит инжекция электронов и дырок в i-область, что приводит к росту емкости диода и к снижению его сопротивления. Чем выше уровень сигнала, тем в большей степени снижается импеданс диода. В результате происходит отражение входного сигнала от плоскости диода, происходит и уменьшение уровня мощности на выходе защитного устройства (ЗУ). При повышении рабочей частоты сигнала для сохранения способности ограничительного диода изменять свой импеданс в зависимости от входного сигнала, требуется снижение толщины i-области с тем, чтобы время пролета носителей тока через i-область было существенно меньше полупериода колебаний сигнала.

Из «Уровня техники» известен СВЧ ОД из арсенида галлия (Электронная техника, серия 2. Полупроводниковые проборы, выпуск 1 (224), 2010 г., с. 113-117). В известном устройстве на поверхности углублений в теплоотводе из арсенида галлия создаются островки арсенида галлия с меза-структурами высотой 2-2,5 мкм. Малая толщина арсенида галлия, несмотря на его низкую теплопроводность, позволяет увеличить уровень входной мощности до 80 Вт и добиться значения теплового сопротивления диода.

Недостатком известного устройства является то, что оно обладает недостаточно высоким уровнем подавления сигнала при большой входной мощности.

Задачей настоящей полезной модели является устранение вышеуказанных недостатков.

Технический результат заключается в повышении уровня подавления сигнала с одновременным обеспечением высокого уровня входной мощности.

Технический результат обеспечивается тем, что мощный быстродействующий ограничительный диод включает омические контакты, средство для теплоотвода и многослойную эпитаксиальную структуру на основе арсенида галлия. При этом средство для теплоотвода выполнено из теплопроводящего слоя CVD поликристаллического алмаза, на поверхности которого нанесен гальваническим осаждением слой из золота, над слоем из золота последовательно расположены эпитаксиальные слои - сильнолегированный слой n+ из арсенида галлия, нелегированный слой из арсенида галлия и сильнолегированный слой p+ из арсенида галлия. Кроме того, диод дополнительно имеет защитное покрытие, выполненное из полиимида.

В соответствии с частным случаем выполнения о на поверхности омического контакта выполнен слой из золота.

Сущность настоящей полезной модели поясняется следующими иллюстрациями:

Фиг. 1 - отображает многослойную эпитаксиальную структуру;

Фиг. 2 - отображает настоящее устройство в разрезе;

Фиг. 3 - приведена зависимость сопротивления R_d от обратной величины прямого тока I^-1.

На иллюстрациях отображены следующие конструктивные элементы:

1 - сильнолегированный слой p+ арсенида галлия - подложка;

2 - промежуточный слой твердого раствора GaAlAs;

3 - сильнолегированный слой p+ арсенида галлия;

4 - нелегированный слой n из арсенида галлия;

5 - сильнолегированный слой n+ арсенида галлия;

6 - средство для теплоотвода из теплопроводящего CVD поликристаллического алмаза;

7 - слой золота;

8 - слой золота, нанесенного поверх омического контакта;

9 - защитное покрытие из полиимида.

Для изготовления ограничительного диода использовалась многослойная гетероэпитаксиальная структура арсенида галлия. Подложку 1 выращивают методом газофазной эпитаксии в МОС-гидридной транспортной системе. На сильнолегированной подложке 1 из арсениде галлия выращивают слои 3, 4, 5. При этом толщина слоев 3 и 5 равны 0,4 мкм, а концентрация примесей Na=1·10¹⁹ см^-3 в 3 слое и Nд=4·10¹⁸ см^-3 в 5 слое. Нелегированный рабочий слой 4 имеет толщину Wп=1,5 мкм и концентрацию Nд=1·10 ¹⁴ см^-3. Промежуточный слой GaAlAs 2 выполняет роль «стопорного» при химическом травлении арсенида галлия 1. С помощью стандартных методов фотолитографии ограничивают размеры рабочей области диода. Диодные структуры формируют в процессах вакуумного напыления металлов, ионно-химического травления, прецизионного химического травления арсенида галлия и гальванического осаждения металлов, а омические контакты создают напылением многокомпозиционных систем Pt-Ti-TiN-Ti-Au и AuGe-Tu-TiN-Ti-Au соответственно, с последующим отжигом в вакууме.

Диод представляет собой островки арсенида галлия высотой 2-2,5 мкм. Малая толщина материала с низкой теплопроводностью позволяет значительно увеличить допускаемую рассеиваемую мощность. Матрица диодных структур располагается на поверхности средства для теплоотвода (6), представляющего собой двухслойную структуру из теплопроводящего слоя CVD поликристаллического алмаза и гальванически осажденного металла с высокой теплопроводностью - золота 7, толщиной 20 мкм, размещенного поверх слоя теплопроводящего CVD поликристаллического алмаза. Над слоем из золота 7 последовательно расположены эпитаксиальные слои - сильнолегированный слой n+ из арсенида галлия 5, нелегированный слой из арсенида галлия 4 и сильнолегированный слой p+ из арсенида галлия 3. Еще один слой золота 8 наносят поверх слоя омического контакта к p+ области pin диода.. Во избежание возможных при сборке закороток, на поверхность готовых структур наносится защитное покрытие 9, например из полиимида. Окончательный вид диодной структуры показан на фигуре 2.

Толщины и концентрации примесей в диоде определяют параметрами эпитаксиальных слоев за исключением подложки 1 и стопорного слоя твердого раствора GaAlAs 2, которые в процессе изготовления диодов удалялись травлением.

При использовании диода в устройстве защиты важнейшие его параметры (потери в режиме малого сигнала и допустимая входная мощность в режиме большого сигнала) определялись конструктивно-технологическими параметрами диода: сопротивлением потерь Rs и тепловым сопротивлением Rt. Сопротивление Rs состоит из трех основных составляющих: сопротивлений контактов 3 и 5 слоев и сопротивления в золотом теплоотводе R _Au. Сопротивления к p+ и n+ слоям ничтожно малы из-за высокой концентрации примесей в них. Отжиг омических контактов позволяет получить переходные сопротивления p_п+=10^-6 Ом см² и p_р+=7*10^-6 Ом·см ². Для площадь рабочего перехода равной 10^-4 Ом см² сопротивление потерь в контактах составит R_sp=710^-2 Ом и R_sn=10^-2 Ом. При расчете сопротивления потерь в золоте учитывается, что переходное сопротивление p_Au=2,7·10^-6 Ом·см² и толщина скин-слоя в S-диапазоне частот =1,7 мкм

R_Au=p_Au/ln(a/d)/2

Где - a ширина «кристалла» из золотого теплоотвода, равная 600 мкм, d - диаметр перехода, равная 100 мкм. Подставляя эти значения в формулу, получим R_sAu =8.10^-3 Ом. В результате суммарное сопротивление диода R_s=8,8.10^-2 Ом.

После расчета теплового сопротивления методом тепловых эквивалентов, итоговое сопротивление диода с диаметром 100 мкм оказалось равно 19,6°C/Вт, а для двух включенных параллельно диодов диаметром 80 мкм получилось R_t=13°/Вт.

Исследование параметров диода проводились на стенде. Для определения сопротивления R _s измерялся на малом сигнале коэффициент передачи L=p _н(1)/p_вх, в зависимости от прямого тока 1, где p_н - мощность в нагрузке, p_вх - входная мощность под которой понимается номинальная мощность источника СВЧ сигнала. Общее сопротивление диода

R_d =R_s+R_пр(I)=25×L^0,5

Где R_пр(I) - сопротивление диода при прямом токе I.

На фиг. 3. приведена зависимость сопротивления R _d от обратной величины прямого тока I^-1. Как и следовало ожидать, точки легли на прямую, которая отсекает на оси ординат величину R_s. Она оказалась равной 0,325 Ом и включает наряду с сопротивлением диода потери в измерительной оснастке.

На большом сигнале исследовались 3 образца в диапазоне мощностей от 10,1 до 80,64 Вт.

Оценка температуры диода 3 при P_вх=80 Вт показала: при использовании в качестве средства для теплоотвода двухслойной структуры слоев меди и золота, мощность, выделяющаяся в диоде p_d=2p _вх.L^0,5 равна 3,6 Вт, так что при R_t =19,6°/BT перегрев активной области диода достигает 70 K. При использовании в качестве средства для теплоотвода двухслойной структуры из теплопроводящего CVD поликристаллического слоя алмаза покрытого слоем золота, на котором располагается матрица диодных структур, мощность, выделяющаяся в диоде p_d=2p _вх.L^0,5 становится равной 3,6 Вт и при R _t=16,3°/BT перегрев активной области диода достигает значения 58,7 K. Кроме того использование двухслойной структуры из теплопроводящего CVD поликристаллического слоя алмаза покрытого слоем золота повышает уровень допустимой входной мощности до 20%.

Настоящее устройство выполнено с допустимой входной мощностью более 88 Вт при умеренной температуре p-n перехода, которая гарантирует высокую надежность их работы. Время переключения составляет 2-3 нс.

1. Мощный быстродействующий ограничительный диод, включающий омические контакты, средство для теплоотвода и многослойную эпитаксиальную структуру на основе арсенида галлия, отличающийся тем, что средство для теплоотвода выполнено из теплопроводящего слоя CVD поликристаллического алмаза, на поверхности которого нанесен гальваническим осаждением слой из золота, над слоем из золота последовательно расположены эпитаксиальные слои - сильнолегированный слой n+ из арсенида галлия, нелегированный слой из арсенида галлия и сильнолегированный слой p+ из арсенида галлия, кроме того, диод дополнительно имеет защитное покрытие, выполненное из полиимида.

2. Диод по п. 1, отличающийся тем, что на поверхности омического контакта выполнен слой из золота.

РИСУНКИ