автореферат диссертации по транспорту, 05.22.01, диссертация на тему:Физико-технологические основы создания мощных биполярных кремниевых транзисторов различного назначения в диапазоне частот 100-1000 МГц

На правах рукописи Для служебного пользования Экз № Х^

АСЕССОРОВ Валерии Викторович

физпко - технологические основы создания мощных биполярных кремниевых транзисторов различного назначения в диапазоне частот 100- 1000 МГц

Специальность: 05.27.01. Твердотельная электроника, микроэлектроника и шноэлектроннка

автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Воронеж - 1999г.

Работа выполнена в научно-исследовательском институте электронной техники

Научный консультант

доктор технических наук, профессор

Петров Б.К.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук доктор технических наук доктор физико-математических наук

Мартынов В.В. Гуляев А.М.

Рембеза С.И.

Ведущая организация: Государственное унитарное предприятие

НПП "Пульсар" (г.Москва)

Защита диссертации состоится« 19 » октября 1999г. в _У1_часов

на заседании диссертационного совета Д 063.81.01. в Воронежском государственном техническом университете по адресу : 394026, г.Воронеж, Московский проспект, 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного технического университета.

Автореферат разослан «/ 7 » 1999года

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.и., профессор

Горлов М.И.

Общая характеристика работы

Актуальность темы диссертации. Среди основных направлений полу-фоводнико-вой электроники важное место занимает разработка и производст-ю кремниевых биполярных ВЧ и СВЧ транзисторов, предназначенных для »аботы в диапазоне частот от 100 МГп до 1 3 ГТц с уровнем выходной мотгости от 5 до 1000 Вт. Эти транзисторы широко применяются в специальной )адиоаппаратуре: в предоконечных и выходных каскадах усилителей мощно-гги передающих устройств различных средств связи, в системах телевизионной шредачи, в космической телеметрии, в фазированных антенных решетках и в фугих устройствах.

Первый серийный СВЧ транзистор фирмы RCA 2N3375 появился в 1965 г., тричем он имел выходную мощность всего лишь 3 Вт на частоте 400 МГц. 1ервый отечественный СВЧ транзистор с аналогичными параметрами был раз-эаботан в 1968г.г. совместно НИИ " Пульсар" (г.Москва) и ЦКБ при ВЗПП г.Воронеж). В 1970 - 1998г. за рубежом и в нашей стране были разработаны и эсвоены в производстве ВЧ и СВЧ транзисторы различного назначения: гене->аторные широкополосные (в том числе и балансные) с элементами внутреннего согласования, импульсные, линейные с мшшм уровнем интермодуляцион-1ых искажений.

Появлению СВЧ транзисторов нового поколения способствовали достиже-шя в области конструктивных и схемотехнических решений, а также прецизи->нной технологии. Прежде всего, это формирование субмикронных диффузионных слоев, повышение плотности упаковки топологических элементов тран-¡исторной структуры, новые конфигурации эмитгерных областей, применение высокоэффективных стабилизирующих резисторов. Наиболее значительный зклад в развитие теоретических основ работы и конструктияно-гехнологических особенностей СВЧ транзисторов внесли отечественные уче-ще Диковский В.Н., Петров Б.К., Аронов B.JI., Синкевич В.Ф., Федотов Я.А. и тр. Несмотря на значительный прогресс, достигнутый в последние десятилетия 1 теории и практике мощных биполярных СВЧ транзисторов, для перехода к технике и технологии нового поколения необходимо решение ряда задач по эбеспечению повышенной точности элементов, разрешающей способности и зоспроизводимости технологических процессов. Поэтому важной народнохо-¡яйственной задачей и чрезвычайно актуальной проблемой твердотельной СВЧ иикроэлектроники является совершенствование методов проектирования, :хемотех1Шки, топологии, конструкции и создания изопланарной технологии с использованием системы золотой металлизации вместо алюминиевой, связанных в едшгую интегрированную систему, которая должна удовлетворять и тре-Зованиям экономичности серийного производства. Только в этом направлении научно-технического развития возможно резкое улучшение параметров, значительное расширение функциональных возможностей ВЧ (СВЧ) транзисторов, тго позволяет ориентировать развитие технологии биполярных ВЧ (СВЧ) тран-шсторов на совершенно новые рубежи.

В отечественной и зарубежной литературе, несмотря на достаточно высо кую степень разработанности физических основ работы мощных биполярны: ВЧ (СВЧ) транзисторов, в начале 70-х годов (к моменту начала работы над дис сертацией) отсутствовали систематизированные научно-обоснованные методь проектирования топологии транзисторных структур, конструкций кристалло) кремния, корпусов, схемотехники, а также реальные технологические маршру ты изготовления кристаллов.

Диссертационная работа непосредственно связана с общенаучными и об щегосударственными задачами и выполнялась в обеспечение планов важней ших работ МЭП СССР, комплексно-целевых программ: "Мощность", "Частота", "Структура", а также в рамках Президентских программ: "Развитие электронной техники в России" ( № 637от 26.06.95), "Национальная технологическая база" (№ 1430 от 11.06.96), "Создание технических средств связи, телевидения и радиовешания (№ 653 от 06.05.96).

Целью работы являлось решение научно-технической проблемы разработки для серийного выпуска мощных кремниевых биполярных ВЧ и СВЧ транзисторов различного назначения (широкополосных, импульсных, линейных) в диапазоне частот 100 4- 1000 МГц.

Для решения указанной проблемы требовалось решить следующие задачи:

1. Теоретически и экспериментально исследовать физические ограничения ВЧ и СВЧ транзисторов по выходной мощности (Р,) в зависимости от различных физических, конструктивных и технологических факторов.

2. Разработать новые конструкции транзисторных структур на основе использования различных конфигураций эмиттеров, эмиттерных стабилизирующих резисторов, дополнительных защитных диодов, согласующих входных ЬС-цепей с МДП-конденсаторами, размещенными внутри корпуса, позволяющих у вновь разработанных транзисторов повысить уровень выходной мощности и надежность в различных режимах работы.

3. Разработать изоиланарный технологический процесс изготовления мощных СВЧ транзисторов с суомнхронными размерами эмиттерных и базовых областей, а также технологические процессы создания согласующих МДП-кондеисаторов, пленочных стабилизирующих резисторе, ограничительных диодов и охранных колец.

4. Разработать технологию сборки ВЧ и СВЧ транзисторов с использованием двухслойных меднополиимидных носителей, обеспечивающий высокую воспроизводимость размеров межсоединений и плоскую конструкцию транзисторов.

Методы проведения исследований. Выполненные исследования базируются на использовании теоретических основ электротехники, радиотехники, полупроводниковой электроники, ВЧ и СВЧ биполярных транзисторов, теории регрессионного и корреляционного анализа, а экспериментальные исследования проводились с применением СВЧ измерительного оборудования и физиче-

их методов на основе ОЖЕ-алектронной спектроскопии, растровой, нтгеновской и просвечивающей электронной микроскопии.

Научная новизна. Получены следующие научные результаты:

1. На основе анализа физических ограничений выходной мощности Р1 ус-иовлено, что в СВЧ многоэмитгерных транзисторах, у которых ширина эмит-эов 1, значительно меньше толщины с!п высокоомного эпитаксиального слоя ллектора (13<0,5сЗа);> значения максимальной плотности тока коллектора тах гесколько раз могут превышать критическую плотность тока ^ ^ что зволяет проектировать транзисторы с большими знамениями мощности и эффициента усиления по мощности К^р по сравнешпо со структурами с фокими эмиттерами.

2. На основе корреляционного анализа статистической обработки ;периментальных исследований -зависимости матосигнального коэффициента мления по току ¡Ьзь! на высокой частоте получено универсальное эмпириче-эе соотношение, связывающее параметр ¡Ьгь I с глубиной залегания эмиттер-го р-п перехода и толщиной технологической базы

3. Предложено и практически реализовано.использование двухслойного итаксиального коллектора п|-гь-п+, у которого удельное сопротивление ниж-го слоя п2 - рп2 в 3-4 раза меньше удельного сопротивления р„1 верхнего П) -эя, что позволяет обеспечивать заданные значения напряжения ик{х, гхр0б, по-сить значение Р|, К>р и увеличить допустимый ток вторичного пробоя Т,,в БГ, 1-4 раза по сравнению с однослойным коллектором при работе на рассогла-ганную нагрузку. Выведена аналитическая формула для расчета напряжения *>ггр<ю транзистора с двухслойным коллектором.

4. Предложена и реатнзована при разработке широкополосных (диапазон ггот до октавы) ВЧ и СВЧ транзисторов (в т.ч. и балансных сборок) методика :чета внутренних одно- и двухзвенных ЬС- согласующих устройств на юве МДП-конденсаторов (внутри корпуса) и илдуктив н остей внутренних эволочных выводов с учетом входного сопротивления Квх транзисторного {сталпа в схеме с ОЭ, зависящего от индуктивности общего электрода.

5. Для мощных линейных СВЧ многоэмитгерных транзисторов, работаю-х в режиме класса А, разработан метод расчета коэффициента интермодуля-энных искажений Мз при воздействии трехтонового входного телевизион-:о сигнала с учетом эффектов нелинейности вольт-амперной характеристики итерного и емкости коллекторного р-п переходов. Полученные аналитиче-1е выражения использованы для инженерных расчетов при проектировании Ч суперлинейных транзисторов и установления оптимальных режимов ра-гы с минимальными искажениями сигнала.

Практическая ценность. Реализация результатов работы.

1. Схемотехнические, конструктивные, технологические способы и методы, дищенные 18 авторскими свидетельствами СССР и 7 патентами РФ, нашли шенение в:

а) разработках 50 типов ВЧ (СВЧ) транзисторов мощностью 0,5 -г 500 Вт I диапазонах частот 100 -йООО МГц;

б) совершенствовании технологических приемов изготовления транзисторных структур (2-х слойные эпитаксиальные структуры, специальные циклы термообработок, формирование пологого рельефа окисных ступенек, отжиг в атмосфере инертного газа при создании базовых областей, согласующи> МДП-конденсаторов), внедренных в серийное производство на ВЗПП и е НИИЭТ (АС№ 858481, АС №625513);

в) оптимизации транзисторных структур (дополнительные области р-тиш между базоньши слоями для повышения устойчивости к лавинному пробою резисторы специальной трапециидальной формы для повышения выходной мощности, секционное расположение базовых областей для снижения теплового сопротивления переход-корпус, специальные МДП-конденсаторы для увеличения широкополосности), внедренных в разработки СВЧ транзисторов и балансных транзисторных сборок (АС №776534, АС №656432);

г) разработке технических требований на двухслойные эпитаксиальныс структуры, на основе которых разработан отраслевой стандарт ЕТ0.035.104ГУ "Кремниевые эпитаксиальные структуры для специальных типов транзисторов";

д) разработке нового метода технологии сборки СВЧ транзисторов с использованием двухслойных меднополиимидных носителей, обеспечивающего фотолитографическую прецизионность воспроизведения параметров базовых и эмитгерных выводов, идентичность и воспроизводимость размеров межсоединений, плоскую конструкцию транзисторов и микроминиатюризацию передающей аппаратуры связи.

2. Методы и средства идентификационной статистической обработки электрофизических параметров и режимов изготовления СВЧ транзисторов обеспечили синтез базового изопланарного технологического маршрута в условиях серийного, опытного и мелкосерийного производства.

3. За период 1978-1998г.г. на основе использования полученных результатов в НИИ электронной техники разработано 50 типов широкополосных, генераторных, импульсных и линейных СВЧ транзисторов нового поколения, отвечающих наивысшим показателям ведущих фирм мира. За этот же период на Воронежском заводе полупроводниковых приборов было изготовлено в серийном производстве 35 млн. шт. 30 типов генераторных, линейных и импульсных СВЧ транзисторов, а в опытном и мелкосерийном производстве в НИИЭТ изготовлено 50 тыс. шт. СВЧ транзисторов, что обеспечило своевременное создание перспективной радиоэлектронной аппаратуры различного назначения.

4. Разработанные под научно-техническим руководством автора СВЧ транзисторы нашли широкое применение на 40 предприятиях России, что обеспечило транзисторизацию передающих трактов радиоаппаратуры в диапазоне (100 + 1000) МГц и создание современных систем связной, радиолокационной, навигационной, телевизионной, аэрокосмической аппаратуры специального и широкого применения.

5. Экономический эффект err внедрения результатов работы в разработках овой элементной базы составил 9,7 млн. руб. (в ценах до 31.12.91).

Научно-технические результаты диссертации внедрены и учебный процесс оронежского государственного университета при чтении специальных лекци-иных курсов, разработках методических пособий и проведении лабораторных

1нятий.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту

1. Результаты теоретических и экспериментальных исследований физиче-шх ограничений выходной мощности СВЧ миогоэмиттериых транзисторов в тисимости от размеров эмиттерных полосок и толщины высокоомного кол: игорного слоя с учетом насыщения дрейфовой подвижности электронов в ш>ных полях.

2. Эмпирическую зависимость малосигнального коэффициента усиления э току фгь I на высокой частоте от глубины залегания эмиттерных р-п пере-)да Х,о и толщины технологической базы ^^бо.

3. Аналитическую зависимость пробивного напряжения проб в транзи-■орах с охранными кольцами и двухслойным эпитаксиальным коллекторным [оем П) - пг - п+ и способ повышения устойчивости к: электрическому вторич-зму пробою в транзисторах с двухслойным коллекторным слоем с соотноше->ем удельных сопротивлений слоев ра1= (3 ч- 4)рп2.

4. Методику расчета внутренних одно- и двухзвенных ЬС- входных согла-тоших устройств на основе МДП-конденсаторов (внутри корпуса) и нндук-[вностей внутренних выводов в широкополосных (диапазон частот до окга-■0 ВЧ и СВЧ транзисторах (в т.ч. и балансных сборках).

5. Метод расчета коэффициента интермодуляшгонных искажений Мз при 1здействии трехтонового телевизионного сигнала в линейных СВЧ много-пггтерных транзисторах, работающих в режиме класса А.

6. Новые конструкции транзисторных структур и способы их создания, по-оляющие повысить уровень отдаваемой мощности и надежность в различных жимах работы на основе использования различных конфигураций эмиттеров, пгггерных стабилизирующих резисторов с переменным сопротивлением ;оль базовой секции, модульной конструкции транзисторов и дополнительных щятных диодов с р-областями в слое коллектора.

7. Технологические процессы изготовления ВЧ и СВЧ транзисторных руктур, МДП-согласующих конденсаторов, стабилизирующих резисторов, ухслойных эпитаксиальных структур, ограничительных диодов и охранных лец.

8. Новый метод технологии сборки ВЧ и СВЧ транзисторов с использовали двухслойных меднополиимидных носителей, обеспечивающий высокую спроизводимость размеров межсоединений и миниатюрную плоскую конст-кцию транзисторов.

Апробация диссертации. Основные научные и практические результаты ссертации докладывались и обсуждались на всесоюзных, российских научно-хнических и межотраслевых конференциях:

XVIII научно-технической конференции (Ленинград, НПО "Авангард" 1977г.), IX Всесоюзной конференции по электронике сверхвысоких частот (Ки ев, 1979г.); Всесоюзной научно-технической конференции по интегрально! электронике СВЧ (Новгород, 1982); I Всесоюзной конференции "Физически! основы надежности и деградации полупроводниковых приборов (Кишинев 1982г.); научно-технической конференции "Проблемы качества и надежности ИЭТ, РЭА и средств управления" (Минск, 1988г.); межотраслевой конферен ции "Разработка и создание автоматизированных рабочих мест СВЧ измере ний" (Севастополь, 1989г.); межотраслевом семинаре "Проблемы и пути разви тия интегральной и функциональной электроники" (Севастополь, 1992г.), н; Всероссийской научно-технической конференции "Интеллектуальные САПР 97" (Геленджик, 1997г.); П, Ш, IV, V Всероссийских научно-технических кон ференциях с международным участием "Актуальные проблемы твердотельно! электроники и микроэлектроники" (Геленджик, (1995г., 1996г., 1997г., 1998г.).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в монографии, 2'. статьях, опубликованных в центральной печати, 8 тезисах докладов, 20 научно технических отчетах НИИЭТ, 18 авторских свидетельствах СССР и 7 патента: РФ.

Личный вклад автора. Автор теоретически обосновал и сформулировав большинство научных положений, изложенных в работе, лично проделал ана лиз и обобщил полученные результаты. В практических результатах автор; принадлежит приоритет в постановке и реализации задач в качестве главной конструктора по разработке 50 типов линейных, генераторных, импульсны: СВЧ транзисторов, освоенных в серийном и мелкосерийном производстве. Е совместных работах автору принадлежит приоритет в постановке задач, выбор! направления исследований, обсуждении результатов и интерпретации научны: положений и выводов.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав с выводами, заключен»;:, списка использованной литературы из 164 на именований. Содержание диссертации изложено на 254 страницах и включае 79 рисунков, 31 таблицу.

Во введешт определена актуальность работы, формулируется ее цел! кратко излагаются основные решаемые задачи и полученные результаты, вклю чая научную и практическую ценность выполненных исследований и разрабо ток, приводятся научные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена исследованиям влияния характеристик транзи сторных структур на энергетические параметры ВЧ и СВЧ транзисторных ге нераторов, в том числе физических ограничений выходной мощности Р1 в трап зисторных генераторах с внешним возбуждением, влияния технологически:

кторов на граничную частоту усиления ^, площади базы и количества эмит-шых проводников на Куг> и Р|.

Специфичность класса мощных биполярных транзисторов ВЧ и СВЧ вы-сает, прежде всего, из особенностей их схемного применения. Наиболее об-грной областью применения этих приборов является использование их в ВЧ и 54 генераторах с внешним возбуждением (усилителях мощности) с отсечкой ллекторного тока (классы В и С), которые работают в существенно нелиней-IX режимах. Для характеристики этих приборов вводится система парамет-в: энергетических, малосигнальных, предельно допустимых, статических, пловых, конструктивных.

Энергетические параметры (называемые иногда выходными параметрами льшого сигнала) зависят не только от многих физических и конструктивных рактеристик самого транзистора, но и от конкретной схемы включения, Хо-шю нзвесгно, что максимальные значения параметра К.,Р достигается в трансторных каскадах, работающих по схеме с общим эшгггером (ОЭ) в недонап-(женном и критическом режимах на частотах f < 1 ГГц.

Максимальная выходная мощность Р1 иа высокой частоте (мощность пере-лшого сигнала, отдаваемого в нагрузку) для всех типов ВЧ и СВЧ гранзисто->в согласно экспериментальным измерениям в зависимости от входной иош-зсти РВХ1 всегда имеет вид кривой с насыщением . Выходная мощность Р, для шичных углов отсечки коллекторного тока 9 <90° равна

Р, = т^и,,

4

где =211 , и, - амплитуда косинусоидального импульса коллекторного зка и 1-ой гармоники напряжения на нагрузке. Рассмотрим физические при-икы, ограничивающие величину тока в транзисторе.

На частотах Г > 2 Ор !<1\ максимальные значения импульса коллекторного эка в случае одномерного протекания тока в коллекторном слое (при 1, > с^, -ширина эмиттера) не должны превосходить

1км мах^х кр ~ (1)

где Бэ- площадь эмиттера, V.* =107см/с - дрейфовая скорость насыщения лекгронов в кремния при электрических полях Е > Е»р=104 В/см.

Превышение тока I™ ^ возможно, если кош^гграпия электронов в кол-екторном слое п > Мак, что приводит к возникновению отрицательного объем-юго заряда с плотностью q(n - N,1^) и очень большому падению напряжения на ысокоомном слое

2еяе0

где ип - напряжение питания в коллекторной цепи.

Действительно, при ¿„=20-г 5мкм Ийк =2,5-10 см" , и для п = 1,5 N.

(1о,мах=1,5 1*1р) и1И =400^25В > ип= 28В. Амплитуда напряжения на нагрузке 111 равна

л

1Э 0,95 1Э+в

где т - 1—~+—~—, - коэффициент, учитывающий

растекание коллекторного тока в высокоомном слое, 1э- расстояние между эмиттерами.

С целью проверки формулы для максимальной выходной мощности:

Р.«ах = \ -МЮ (2)

были проведены экспериментальные исследования зависимости Р1=Р](РК1) на частоте £= 400 МГц при и„ = 28В для 4-х типов опытных СВЧ транзисторов с разной шириной прямоугольных эмиттеров (1Э=11(А), 8(Б) и 4(В) мкм), а также со структурой «рыбнй скелет»(Т) (1, = 2 мкм).

Все транзисторные структуры были изготовлены на пластинах кремния с двухслойным эпитаксиальным коллектором (¿п)=8 мкм,р„1=2 Ом-смДа= Юмкм, Р> 12 -0,5 Ом-см) и имеют одинаковую толщину \\'ео=0,53 мкм, площадь базы 5б= =0,81 мм2 и емкость коллектор-база Скб(28В)=(10 ±0,5) пФ. В таблице 1 приведены экспериментальные значения Р|ми и расчетные Р'к,лх по формуле (2).

Таблица 1

Параметры Тип транзисторной структуры

А Б в Г

Р| мяу» Вт п 13-14 15-16 15-17

Р'|чах, Вт 8,02 6,18 4,86 4.25

Из таблицы 1 видно, что для транзисторной структуры А, в которой =11 мкм ((^1=8 мкм), значения минимальной выходной мощности Р|,ш = Р';^. Для структур Б, В, Г, в которых 1,< ¿щ, рассчитанные значения Р')мах оказываются а 2-4 раза меньше экспериментальных значений. Следовательно, в приборах с узкими эмиттерами (1Э< с^) из-за двумерного растекания электронов в высокоомном коллекторном слое максимальная амплитуда импульса коллекторного тока 1,3, „ах должна в несколько раз превосходить аналогичную величину, определяемую по формуле (1), которая справедлива в случае одномерного протекания тока. Причем падение напряжения на высокоомном слое икСл<< ип.

Таким образом, при проектировании СВЧ транзисторов с типичной шириной эмиттеров 1, ==-4-3 мкм площадь эмиттера Б, следует выбирать, исходя из условия

К, ш =(3-4)1. „ =(3-4)ЧБЭ-УЮ-КЛ. (3)

Частота ^ является одним из важнейших малосигнальных параметров ВЧ и СВЧ транзисторов, от которого зависит коэффициент усиления по мощности Кур. Этот параметр оказывается наиболее чувствительным к выбору диффузионных параметров транзисторных структур и тем колебаниям их, которые неизбежно имеют место при осуществлении технологического процесса.

Отсутствие точных теоретических моделей расчета которые учитывали бы все реальные физические ограничения, свойственные структурам ВЧ и СВЧ

занзисторов, не позволяют расчетным путем достаточно точно определять се ¡ачение. Такие расхождения показывают, что в реальных транзисторных груктурах большее влияние оказывают особенности субмикронных диффузи-1шых слоев базы и эмиттера, а также особенности конструкции (технологии) эанзисторов, что не учитывается при расчете ^. Отсюда возникает необходи-ость установления эмпирических соотношений, которые позволили бы оце-1ггь значения граничной частоты 1',р на основании знаття структурных и тех-ологических параметров транзистора. С этой целью выполнены эксперимен-шьные исследования на СВЧ транзисторах типа 2Т930А по выявлению взаи-освязи частоты ^, точнее параметра |Ь2]э | - ^ Г (Г = 100 МГц - частота из-ерения) и структурных параметров. Диффузионные параметры этих траизи-торов контролировали по тест-сгруктурам для каждой партии пластин. Тол-[ина базы \УГч варьировалась в пределах от 0,2 до 1,1 мкм, а глубина эмиттера от 0,3 до 1,7 мкм. Полученные экспериментальные данные обрабатывались етодом корреляционно - регрессионного анализа. В результате с точностью о 10-15 % были получены следующие эмпирические соотношения:

|ьяэ|=А^:Еч (4)

пэ / я с > . v эо

л/Х

А = (25 + схр

оО

где А- постоянный коэффициент для конкретного типа транзистора ( для рибора 2Т930А=32,5), Х>,, VIСм - в мкм. Анализ, проведенный для других типов ранзисторов, показал, что выражение (4) универсально, причем коэффициент I зависит от плотности упаковки элементов топологии активных областей ранзистора. Экспериментально было установлено, для транзисторов, тополо-ия которых характеризуется отношением периметра П э к площади базы 5б от 0 до 140 мм"1, значения коэффициента А лежат в узких пределах 28-^34.

Экспериментально также установлено, что влияние вариаций глубины за-егания эмиттерного перехода X» на разброс малосигнального коэффщщента

силения по току |Ь21э I [ « |ПРИ фиксированных значениях толщины ба-

ы \У(5о на порядок меньше степени влияния вариаций (т.е. производной

) при ее толщине менее 1 мкм, что необходимо учитывать в

фактике проектирования СВЧ транзисторов с субмикронными шффузионными слоями.

Проводились также экспериментальные исследования зависимости коэффициента усиления по мощности К,р от количества эмиттерных проводников 1ри одном и том же фиксированном значении площади базы Бд. Установлено, гго наблюдается эффект насыщения при возрастании параметра Кур с ростом п> Гак для СВЧ транзистора КТ909Б значение К,Р перестает расти уже при пэ=10,

поскольку индуктивность эмитгерных проводников Ьу, повиднмому, достигает уже минимального значения.

Получены важные эмпирические зависимости отношения Бгу'п, от уровня выходной мощности Р] при максимальнодостижимых значениях коэффициента усиления по мощности КуР :

1(Г

для транзисторов с Ш = 28 В 5б /п5 = -0'029

1(Г3

для транзисторов сШ - 12,6В = '

Во второй главе рассмотрены конструктивно-технологические методы оптимизации топологии активных областей мощных ВЧ иСВЧ транзисторов: для повышения устойчивости транзисторов к вторичному электрическому пробою (ЭВП), оптимизации топологии эмиттеров и эмиттерных стабилизирующих резисторов для увеличения выходной мощности Р1.

Для повышения устойчивости транзисторов к ЭВП можно увеличивать напряжение вторичного пробоя и^ш путем использования более толстого вы-сокоомного эпитаксиального коллекторного слоя, поскольку согласно исследованиям Петрова Б.К. [1] IIк6 ни ~ с1 " . Однако, реализовать оптимальное сочетание параметров КчР, 1К ,ф, Р! >и1сс, и^ вп при использовании кремниевых структур п-гГ - типа не удается. Действительно, при разработке СВЧ транзистора эшггаксиальные слои должны быть не менее 20-25мкм (рв =2 Ом-см). Но при этом значительно снижается величина I* (ЦьЫ (1кР) = 0,7|Ь2!э |ча1Х ), что не обеспечивает заданное значение энергетических параметров Р| кшгс и Кур из-за увеличения последовательного сопротивления коллектора И,^., , паразитной рассеиваемой мощности на этом сопротивлении. Использование тонкого коллекторного слоя (1п <10 мкм снижает икб вп, и транзистор не способен работать в условиях даже небольшого рассогласования (выходит из строя при малых КСВН). Для разрешения принципиальных затруднений в реализации оптимальных значений параметров Р[ иак. Кур, и и^т нами предложено использовать в качестве исходного материала при создании мощных ВЧ и СВЧ генераторных транзисторов двухслойную этггаксиальную структуру ПгПгп+ с неоднородным профилем концентрации легирующей примеси: с более высоким удельным сопротивлением рИ| а верхнем слое и более низким р„2 в слое пг у границы с подложкой п+ (рис. 1). Верхний эпитаксиальный слой П| данной структуры, в которой формируется транзисторная структура (эмиттер-ный и базовый слой), должен иметь толщину Х1 не меньше ширины пространственного заряда при (ице-Цйлроб)- Удельное сопротивление нижнего эпитаксиального слоя Пг - Рп2 должно быть в 3-й раза меньше удельного сопротивления р„1верхнего слоя. В этом случае ток коллектора при вторичном пробое бп = =11 гр- возрастает в N^/N^1 =3-4 раза по сравнению с однослойным

коллектором. Суммарная толщина обоих эпитаксиальных слоев Х1 + ДХг выбирается таким образом, чтобы выполнялось условие и^ ва > 1,5и»бо лров, что воз-

южно при Xi + ДХ, = 2Ц>.„ (Ute Iipu3 ). Для установления влияния параметров вухслойных эпитаксиалышх структур (dal, рм, d,a , р,а) на напряжение пробоя оллекторного р-n перехода Uns« щ»б предложен метод расчета этого напряже-ия. С этой целью в области охранных колец с радиусом закругления гь, ме-аллургического р+-п - перехода получено решение уравнения Пуассона в цн-индрических координатах.

не. 1. Структура транзистора с двухслойным коллекторным слоем к охранным кольцом:

1- подложка п , 2- низкоомньш зпитаксиальнцй слой п;, 3 - высокоок^ный эпнтакси-льный слой П1, 4 -базовая область, 5 -эмитгерная область. 6 - диффузионная область охран-ого кольца.

В результате интегрирования находим пробивные напряжегая Uk-go

проо

X,

^кбо проб ~ rto('n 1 )Е(Гка)проб "

[0,5(Xf -rko2)-rto2 In—]+

H-XjECXJln-^ _SÍÍáüi.[0,5(r."2 -X,2)-X.2 In—" 11 X, 2ee0 v 1 У 1 X, >

E(X,) = ^Е(гк1))щхм3 ^}

где

г^Х,-

2егп

1 +

2ee0E (X ■

qHtai x,

(5)

(6) (7)

Максимальное поле при лзвинном пробое охранного кольца Eír^o),^ пола-аем равным максимальному полю при пробое цилиндрических р+-п -переходов ; радиусами закругления rto=2-í-4 мкм: E(rko)nj»)6=(3.6 -ь 3,5)105В/см.

Если г k < X ь то в формуле (5) необходимо положить Е(Х|)=0 , Ndn2 =0. С] = г ¡¡ , а в (7) заменить Xi на rio, E(Xi) на E(rt0)npo6 , т.е получается выражение шя напряжения пробоя цилиндрического р+-п перехода в однослойным кол-

лекторе с Ыа = Ньц Для обеспечения заданного значения и^бо проб необходимо выбрать толщину X, верхнего слоя равной, или на 1-2 мкм больше радиуса закругления коллекторного р+ - п перехода г к при напряжении икбо проб- При экспериментальном исследовании профиля удельного сопротивления по глубине с помощью метода косого шлифа был обнаружен эффект значительного перераспределения легирующей примеси (фосфора) в двухслойных эпитаксиальных структурах после проведения высокотемпературных процессов (диффузия базовой и эмиттерной примесями). Между слоями П1 -Пг образуется переходный слой толщиной Зн-4 мкм, в пределах которого концентрация доноров плавно изменяется от значения Нш до N¿..2. Влияние этого переходного слоя может приводить к некоторому снижению напряжения и^о проб по сравнению с рассчитанным по формуле (5).

Для повышения надежности работы транзистора в режиме рассогласования с нагрузкой и уменьшетш вероятности лавинного пробоя в транзисторной структуре, содержащей подложку-коллектор, эмитгерные и базовые области с охранными кольцами, нами предложено [9] ввести дополнительные области р-типа в коллекторе между базовыми областями, которые электрически соединены с соответствующими эмиттерными областями п-типа.

При работе такого транзистора в режиме рассогласования с нагрузкой возникающие пики напряжения коллектор-эмиттер будут ограничиваться напряжением пробоя р-п переходов дополнительных областей. Экспериментально было установлено, что площадь дополнительных областей должна составлять 5-5-10 % от площади базовых ячеек, а глубина залегания их перехода должна составлять 85 .-90 % от глубины расположения коллекторного перехода. Введение дополнительных р-областей позволило исключить возможность выхода из строя транзистора за счет лавинного пробоя при работе транзистора в условиях рассогласования с нагрузкой при любых фазовых утлах. Предложенный прием был использован в технологии таких изделий как 2Т970А, 2Т971А и др.

Увеличение выходной мощности, к.п.д. и рабочей частоты обеспечивается созданием транзисторных структур с высоким отношением периметра эмиттера к площади базы Пу'Бб. Если для первых СВЧ транзисторов 1, составляла более 200 мкм при ширине 12 мкм в отношении П/8о = 40 4-60 мм"1, то по мере развития технологии производства 1, уменьшилась до 90 мкм при ширине 4 мкм, а отношение П^/Бв достигло значений 140 мм."1 Однако, в такой конструкции плотность тока в начале эмиттерных полосок в несколько раз выше чем в конце, т.е. полезная площадь эмиттеров использовалась не полностью. Это требовало новых подходов к конструированию активных областей и созданию методов и способов, обеспечивающих повышение эффективности работы СВЧ транзисторов.

Появление сетчатых структур, в которых большое количество эмиттерных и базовых областей объединяются общей металлизацией, позволило повысить уровень полезной мощности за счет увеличения рабочего тока, обеспечить лучшую равномерность растекания тока между отдельными эмиттерными об-

астями и значительно увеличить отношение Пу'Бл, уменьшить индуктивность миттерной металлизации и ряд других характеристик.

Дальнейшее снижение теплового сопротивления переход-корпус [ами решалось созданием многоструктурных транзисторов, топология которых ¡редставляет собой набор отдельных многоэмгеттерных структур, соединенных 1араллельно для получения необходимой выходной мощности. Взаимное рас-тояние между структурами выбирается таким, чтобы тепловые потоки от этих трукгур не перекрывались, или перекрывались частично, что позволяет увели-мть общее сечение теплового потока. Все это способствовало совершенство-анию как технологии изготовления, так н характеристик ВЧ и СВЧ транзи-торов.

Исходным моментом проектирования топологии транзисторной структу-1Ы является установление минимальных, технологически приемлемых разме-|0в отдельных эмиттеров, а затем увеличение общей длины эмиттера до полу-ения необходимого его периметра и площади. Более тонкая геометрия (эмкт-ер шириной 3 мкм и контактное окно шириной 1 н-1,2 мкм) предъявляет весьма ерьезные требования к разрешающей способности фоторезиста, точности со-мепхения элементов фотошаблона с элементами на пластине, геометрии эгш-аксиальных структур. Длина эмиттера 1, выбирается в СВЧ мошных транзи-торах обычно в пределах 70ч-100 мкм, поскольку при таких длинах падение апряження вдоль эмитгерной алюминиевой металлизацтш толщиной с!л!-= 1+2 мкм не превосходит КТ/<{=26 мВ даже при токах 1к = 1„ макс. Для онределе-[ия полного количества эмиттеров N и общей площади эмиттеров исходим из аданного значения максимальной выходной мощности Р|ВХ. Полная площадь митгера Б, с учетом выражения (3) равна:

Для транзисторов 2Т930А,Б, 2Т970А, 2Т971А с двухслойным коллектором Х|, ДХ2,< 10 мкм, р „1 =2+2,5 Ом см, р ^ =2 Омсм) расчеты показали, что 1Л] = :25В при и„=28В =4000 + 3200 А/см2), в то время, как для тран-

истора 2Т931А с однослойным коллектором ( 1п=45мкм, р л - 2 Ом-см), вели-ииа ТЛ! не более 21-22 В. С помощью формулы (8) при заданных величинах Р1 пределяем Б, = и количество эмиттеров N. С целью повышения К\р,

беспечення большого запаса по выходной мощности Р1 и увеличения % выхо-,а годных кристатлов был предложен и разработан новый вариант топологии ранзисторной структуры пилообразной конфигурации типа "рыбий скелет. 1ри этом удалось уменьшить число эмиттеров в каждой базовой ячейке до 38 с тагом повторяемости 20 мкм и обеспечить увеличение периметра эмиттера Пэ о 350 мкм, а отношение П^б увеличить до 126 мм"1.

Использование топологии структуры типа "рыбий скелет" позволило уве-ичитъ выходную мощность Р] транзисторов 2Т931А до 100 Вт, коэффициент силения по мощности на частоте 175 МГц до 8+10. Использование такой онфигурации эмиттеров оказывается особенно эффективным для тралзисто-ов, работающих в диапазоне 100+400 МГц, поскольку удается обеспечить не-

обходимые высокочастотные свойства, не прибегая к значительному уменьшению размеров и межэлементных расстояний.

На основе топологии эмиттера типа "рыбий скелет" были разработаны и освоены в серийном производстве мощные широкополосные с напряжением питания 28 В транзисторы 2Т930А,Б ( £=200-г400 МГц, Рвых - 45 и 75 Вт), 2Т971А (£=100-^200 МГц, Рвьи =150 Вт). Разработка мощного широкополосного транзистора 2Т970А с выходной мощностью 100 Вт в диапазоне частот 200-400 МГц при напряжении питания 28 В потребовала дальнейшего усовершенствования топологии транзисторной структуры. Была предложена топология эмиттера в виде двухсторонней гребенки, которая позволила решить задачу повышения выходной мощности с 75 Вт (для 2Т930Б) до 100 Вт без изменения суммарной площади коллектора. Общее число таких эмиттеров для изделия 2Т970А составляет 1080 пггук, а ширина зубца "гребенки" на чертеже равна 1,2 мкм.

При одном и том же количестве эмиттеров, расположенных на той же базовой площади, общий периметр для топологии гребенчатой конфигурации примерно в 1,7 раза больше периметра эмиттера, имеющего конфигурацию типа "рыбий скелет". За счет этого повысился уровень критического тока 1К с 19 до 23 А и максимальной выходной мощности с 75 до 100 Вт при сохранении тех же размеров кристалла и общего числа базовых и эмиттерных областей.

С целью улучшения тепловых свойств транзисторов 2Т970А был применен секционный принцип размещения всей совокупности отдельных транзисторных ячеек, в то время как у транзисторов 2Т930Б базовые секции расположены на одинаковом расстоянии друг от друга. Модульная конструкция кристалла транзистора 2Т970А при такой же площади базовой области, как и для 2Т930Б позволила уменьшить тепловое сопротивление переход-корпус Ят п-к с 1,0°С/Вт до 0,7°С/Вт. Наряду с уменьшением теплового сопротивления, такая топология увеличила число привариваемых проводников, что привело к снижению индуктивности внутренних выводов.

В мощных СВЧ многоэмитгериых транзисторах для обеспечения равномерного токораспределения по структуре и борьбы с локальными тепловыми перегревами в эмиттерную цепь вводятся стабилизирующие резисторы. С точки зрения обеспечения максимально достижимой мощности рассеивания Рк мах номинал резисторов следует увеличивать как можно больше, а с точки зрения получения высоких значений коэффициента усиления по мощности и КПД, номинал резисторов должен быть минимален, поскольку на этих резисторах происходит потеря высокочастотной мощности.

Вместе с тем при работе транзистора центральная часть любой из базовых секций и центральная часть всего кристалла всегда нагреты сильнее вследствие взаимного подогрева от боковых участков секций шш кристалла. Этот эффект может быть скомпенсирован, если отношение значений сопротивлений четных и нечетных балластных резисторов не превышает значения Уд. И в этом случае распределение эмиттерного тока не достигает своего критического значения, приводящего к-тепловому шнурованию тока.

Нами установлено, что номинал резисторов эмиттерной цепи должен уста-«авливаться индивидуально для каждого эмиттера, причем больший по величи-(е номинал должен быть для центральных эмиттеров структуры, а наименьший для краевых эмиттеров. Конструктивно это выполняется в виде протяженного ■онкопленочного резистора с изменяющейся шириной. Такой резистор распо-шгается вдоль осей отдельной структуры, причем ширина его постепенно уменьшается в направлешш от центра к краю, т.е. он имеет трапециидальную [>орму. В данном случае возникновение положительной обратной связи для митральной структуры будет устранено за счет большего падения входного тпряжения на резисторах с более высоким номиналом и уменьшения уровня :ока, протекающего через центральные эмиттера. В другом предложенном пали способе равномерность в распределении тока достигается за счет повы-пеиия равномерности распределения тепла, выделяемого при протекании тока юрез транзистор, в котором длины краев каждой транзисторной ячейки связа-ш соотношением

а> Ь >(1 - 0,3 \УЬ),

где: а - длина края транзисторной ячейки, обращенного к краю коллекторной тлощадки, соединенному с металлическим выводом (мм), Ь— длина противоположного ему края (мм), Ь - высота трапеции (мм),

-численный коэффициент (« 0,30 1/мм). Изменяя соотношение между широкой и узкой частями клина, можно 1ерераспределить электрическую и тепловую мощности в пределах гранзисторной ячейки так, что чин —у0. Экспериментально было

эбнаружено, что в этом случае начинает проявляться более тонкий эффект, вы-шаниый нарастанием тока в коллекторной области транзистора и связанный с югтнчием горизонтальной составляющей этого тока в направлении коллектор-гого вывода. Это вызывает дополнительные активные потери, а выделяющееся три этом тепло приводит к повышению температуры края транзисторной ячей-ш, обращенного к коллекторному выводу (под которым плотность горизонтальной составляющей тока в теле коллектора и выделяющаяся дополнитель-1ая тепловая мощность максимальны). Для компенсации этого дополнительного фактора, увеличивающего Тис ~ Т40Ш предлагается транзисторные ячейки телать трапециидальной формы так, чтобы малое основание трапеции располагалось у ближнего к коллекторному выводу края транзисторного кристалла. Та-<им образом, число элементарных тепловых источников в пределах транзи-;торной ячейки монотонно убывает в направлешш коллекторного вывода, а ¡начит убывает выделяющаяся в коллекторном р-п переходе тепловая мощ-тость, что позволяет скомпенсировать неоднородный дополнительный разогрев 1а счет наличия горизонтальной составляющей тока в теле коллектора.

В случае использования переменного номинала стабилизирующих резисторов перепад температуры по ширине кристалла составляет 18 °С для транзисторов с РроОч-100 Вт, а для постоянного номинала резисторов вдоль базовой секши 45 "С. Поскольку в целом в. эмиттернуго цепь транзистора оказывается зклоченным суммарное сопротивление меньшей величины, чем в случае па-

раллельной комбинации одинаковых по номиналу резисторов, увеличивается коэффициент усиления по мощности на 15-20%. Это объясняется тем, что уменьшаются потери входной мощности возбуждения, рассеиваемой на суммарном добавочном сопротивлении в цепи эмиттера, всегда появляющемся при введении стабилизирующих эмиттерных резисторов. Максимальная мощность рассеивания Рк щ у транзисторов с распределенным вдоль базовой секции номиналом на 20-25% больше, чем у приборов с постоянным сопротивлением стабилизирующих резисторов. Такая конструкция распределенного резистора была использована в топологии приборов 2Т985АС, 2Т9105АС, 2Т970А, 2Т9125АС, 2Т958А, 2Т960А. Закон изменения номинала резисторов в кристалле в общем случае может бьггь более сложным. Если задаться конкретной величиной температурного градиента вдоль кристалла, то этот закон можно установить с помощью расчета на ЭВМ. Однако он всегда будет нуждаться в экспериментальной проверке с тем, чтобы в итоге было найдено наиболее оптимальное соотношение между мощностью рассеивания и эксплуатационными параметрами транзистора на высокой частоте.

В третьей главе представлены теоретические и экспериментальные исследования интермодуляционных искажений линейных СВЧ транзисторов при трехтоновом входном ТВ сигнале.

Мощные транзисторы, которые используются в усилительных каскадах для передачи телевизионных сигналов, получили название «сверхлинейных». Особенность режима работы СВЧ приборов, предназначенных для использования в телевизионной аппаратуре, связана с амплитудно-частотной расстановкой трехтонового сигнала, показанной на рис.2.

pi/pnnk

fit fM fi! fi f

Рис.2. Соотношение мощностей составляющих трехтонового сигнала в цветном телевидении (Рлю - пошлость в пике синхроимпульса),

где fH - несущая изображения; f3 -несущая: звука (f, - fH = 6,5 МГц); f„ - подне-сущая цветности (f„ - fH = 4,43 МГц). При подаче на вход транзистора трех смешанных синусоидальных сигналов f„, £,, fu в выходном спектре появляются комбинационные составляющие 3-, 5-го и других порядков. Наибольшую

амплитуду имеет комбинационная составляющая с частотой = + 1~3 - £, = <+2,07 МГц.

Нами впервые получены аналитические выражения для амплитуд комбинационных составляющих и коэффициента М, при трехтоновом входном сигнале с учетом нелинейности вольт-амперной характеристики эмиттерного и емкости коллекторного р-н переходов, что позволило использовзть их для ншкепер-[1ых расчетов оптимальной конструкции и токового режима ВЧ и СВЧ транзисторов в линейных усилителях.

Учет нелинейных свойств вольт-амперной характеристики эмиттерного р-п перехода проводился следующим образом. Предполагалось, что транзистор работает в усилителе класса А по схеме с ОЭ, причем, на вход подаются три малых высокочастотных сигнала с частотами со,, ,аэ3, гоп . Тогда напряжение на эмнтгерном р-п переходе

и, = иэо +иэи51п©и1 + иэ,51пю,!+иэ1151пюц1, (9)

где Цэо - постоянное напряжение смещения; и-*,, 11э1, 'Ъц - амплитуды высокочастотных сигналов, причем и-эи +и>, + и-*, < кТЛ}=26 мВ (при Т=300° К).

Подставляя вьфаженне (9) в формулу для эмиттерного тока 1э= 1,3ехр(чиУкТ) и разлагая в ряд Тейлора экспоненту, ограничиваясь первыми 4-мя членами, находим амплитуду тока комбинационной составляющей с частотой ¡ч == ^ + - ~ ^2,07 МГц:

1 14 [РГ (ри

(10)

1 ОМ ~

4 Г

эа

где Ь, - амплитуда тока составляющей Ги, постоянная составляющая эмиттерного тока, Р3 =0,5 I Э1

Rl- эквивалентное сопротивление нагрузки для всех частот.

Коэффициент интермодуляционных искажений для частоты ^ = +- -по определензпо равен:

М3 = 101ё —^— = 101д —- 8

Поскольку =0,16РПЭТ;,

то окончательное выражение для Мз примет вид:

где:

1э.=

М

2Р.

ю

1

204 ,5

I.

л4

\ * оо у

- 8

1,14Р„,

Р =0ЮР Р =002Р

(11)

Рср=Ри + Р,+Ри=175Ри.

Из формулы (11) следует, что коэффициент интермодуляционных искажений М3 при постояшшх значениях Рср и амплитуде напряжения ии на нагрузке

1 с^сцж г Кз Кц

составляющей с частотой {и убывает с ростом постоянной составляющей эмит-терного тока по закону М3 и ^. Напряжение ин н сопротивление нагрузки К] из-за нелинейных свойств уже коллекторного р-п перехода зависят от заданного значения М,.

Действительно, наибольшая амплитуда комбинационной составляющей с частотой

о м =а> „+ (Оц через сопротивление нагрузки К) оказывается равной

I 4 _ III ^

1км(')= 4 ^ £ ^+кскб(ип)к,]2 " (12)

Если разделить выражение (10) для на (12) для Гы, то можно дать сравнительную оценку влияния нелинейности вольт-амперной характеристики эмиттерного и емкости коллекторного р-п переходов на амплитуду комбинационной составляющей

1ом _У14-(а)мСКб(Цй)К1)Т Цп2

*км ®мСКра(ип) • (13)

В реальных СВЧ линейных транзистора со нСк6(ип)К| > I, СР1р.п(ип)= =(0,33-ь0,50)СКо(ип). Кроме того, для получения значений М, --55 ^ -59дБ требуется выполнение соотношения 1^=(4^-5)1)И. Тогда из (13) находим

—-= (0,19 - 0,08)(и „ / и и )2

' Км

Следовательно, влияние нелинейности вольт-амперной характеристики эмиттерного р-п перехода преобладает над влиянием нелинейности емкости коллекторного р-п перехода при ии =(0,33-=-0,25)ип , а сопротивление нагрузки при

этом Я, =-^- = 0,32*1,25)^-.

ки *Э0

Итак, при заданных значениях средней мощности Рср =РПик/3,5=0,286РПМс трех-тонового сигнала и коэффициента М3 = -55 -г -59дБ из выражения

_ 1,14Рср _ 1.14Р ср 11н _ ц ^ _ ~~^ при ии =(0,33-гО,25)ип находим амплитуду тока 1,н ( с

частотой ©п ), а затем требуемые значения постоянной составляющей эмиттерного или коллекторного тока 1к0=(4^5)[эи:

^эо =(13,82-^22,8)—- (14)

п

Экспериментальные исследования зависимости М3=Г(110) линейного СВЧ транзистора КТ983В, который обеспечивает выходную мощность в пике синхроимпульса Рпи* =3,5 Вт (Рср=1Вт для трехтонового сигнала с £,=860 МГц, =866,5 МГц, ^=864,3 МГц при напряжении коллекторного источника ип=28 В)

юказали, что Мз = -60, -62 дБ достигаются при токах Г,о = 0,6 ~ 0,8 А. Из фор-1улы (14) получаем близкие значения 1КО=0,81 А.

В четвертой главе рассмотрены расчет, конструирование и технологиче-кие особенности изготовления согласующих цепей широкополосных ВЧ и 'ВЧ транзисторов.

Ограничение полосы частот обусловлено реактивными состашшопшми ходкого и выходного импедансов транзисторов, которые иа высоких частотах Г < ГГр) имеют большие значения, а также малую активную составляющую ход1юго сопротивления КРХ1"11 /^.Основная проблема - это согласование ходного сопротивления транзистора выходного каскада с выходным сопро-ивлением предыдущего каскада во всей полосе частот. Эквивалентная схема ходной цепи транзистора представляет собой параллельное соединение нндук-ивности проводников входного электрода Ц (для схемы с ОЭ), сопротивления и внешней емкости С.

Внешний конденсатор С образует с индуктивностью [_,-, параллельный конур с резонансной частотой ~.Нормированное входное

опротивление контура равно:

Кх(«)| 1

R „

■«I Jl + 2Qk/A(0{(*y 7

где Rljj ^»¡Lg/R^- входное сопротивлетге на резонансной частоте со0, 'к— 0.x = w0LPlX/R,4| - добротность контура; До) = о - со0 -отклонение от ре-энаясной частоты са0. Из условия, что на верхней ш„ и нижней со,, частотах иапазона частот со) = 0,/R ^,, находим ширину полосы частот данного кон-гра. сов - aH =a„/QK =Явх1/Цч.

Относительная полоса частот зависит только от добротности контура: Й, - СО„ 1

<0,

Q.

Известно, что при использовании ВЧ и СВЧ транзисторов в шкрокопо-эсных усилителях мощности согласование в полосе частот можно осущест-гть с помощью низкочастотных IX- фильтров с достаточно большим числом !еньев (рис. 3).

Б __т~г\ гг^г\___ ,... ггп.

R,

U

С,

1С.З. Согласующая входная цепь в виде многозвенного фильтра нижних частот.

При этом последовательная индуктивность Ц первого звена на рис.3 должна быть достаточно малой (0,4^0,1 нГн) для транзисторов с КВХ1= 0,5-И Ом и рабочими частотами {МЗ.З-4-1 ГТц, а емкость конденсатора Сы = 500->50 пФ. Если первое звено Ц Си размещать вне корпуса, то для дискретного транзистора большой мощности (Р| > 10 Вт) практически невозможно реализовать столь малые значения индуктивности Ц,, поскольку для указанных выше транзисторов индуктивность входного электрода, включающая индуктивность внутренних проводников и внешнего лееточного вывода корпуса, составляет 2-й нГн.

Решение проблемы создания мощных широкополосных усилителей с полосой частот в одну октаву и более (^„>2) может быть достигнуто лишь путем размещения первого Ц.Сч-1 звена НЧ - фильтра внутри корпуса транзистора в непосредственной близости от кристалла транзистора, чтобы исключить индуктивность внешнего ленточного вывода входного электрода (базового для схемы с ОЭ. В этих приборах требуемое значение емкости С^.) ооеспечивается с помощью МДП-конденсатора, который напаивается на специальной металлизированной площадке, размещенной на бериллиевой теплоотводящей керамике и соединенной с общим эмитгерным выводом. При этом низкие значения индуктивности Ц получаются в результате разваркя достаточно большого числа базовых проволочных выводов на верхнюю обкладку МДП - конденсаторов (рис.4).

Базовый вывод МДП-конденсатор

б) Б» Б,/ Б4 б5 б

!

х1 О и р д и ц с( д У р а я ь ц 0 я и 6

э' / Эз э4 э5 Эб

/

Кристалл Эмиттер ная балка

Рис.4. Конструкция ВЧ и СВЧ транзистора с внутренней согласующей однозвенной ЬС цепью.

Введение такой внутренней согласующей ЕС-цепи позволяет трансформировать низкое входное сопротивление транзисторного кристалла К»Х|=0,1-И Ом в Зн-5 раз большее значение /11^1

Для реализации полного входного НЧ фильтра, т.е. для окончательно? трансформации входного сопротивления транзистора в стандартную величи-

iy (Riä50 Ом), используются внешние элементы LnjCoj и т.д. (см. рис. 3), прн-1ем значения индуктивностей I^.lU-i оказываются достаточно большими >1 нГн) и легко реализуемы.

Нам» предложена методика расчета номиналов LC-цепей входных согла-:уюших цепей широкополосных ВЧ и СВЧ транзисторов, предназначенных для )аботы в диапазоне частот до октавы (tVfH<2) При этом относительная нирина полосы частот составляет (Юв-ЮиУсОср.^б?, где соср=0,5(ю, ~соя) -:реднее арифметическое значение частоты в рабочей полосе. Входная согласующая цепь должна обеспечивать в этой полосе заданную величину 1абочего затухания: вр= 10 !g(Pr]/PTOi), где Рг) - номинальная мощность, которая <ожег быть передана от предыдущего каскада на вход данного транзистора при [деальном согласовании; Рвх| - мощность, потребляемая транзистором на час-оте (ш,,<(о<(0в). В реальных широкополосных усилителях мощности допустимо атухание вр=0,5+1 дБ (РГ|={1,12+ -=-l,26)Pe*i). Кроме того, необходимо опреде-[ить значите действительной составляющей входного сопротивления RBXi ранзисторного кристалла с учетом индуктивности внутренних проводников |бщего электрода Ьэ (для схемы с ОЭ) по формуле

К г,х 1 -

СИ(ЦВ) , ш,

C„,(Un) ©КУ)(0)

1 + и, /о>ку,(0) 1+«9к/й>ку,(0)

1

де ©к = ~— . к^ - тг- - эквивалентное сопротивление нагрузки,

-ка(ип) - активная емкость коллекторного перехода,

1| аип в критическом режиме, = 1/2 -1,-*-,- граничная частота коэффициента ереноса базы, (пр6 - время пролета неосновных носителей через базу толщи-ой \¥бо, у 1(0)^0,47-0,50 для косинусоидального импульса коллекторного тока тиш1чными углами отсечки 9=80+90°. Для нахождения максимально воз-южного коэффициента трансформации входного сопротивления Кт = ля однозвенных или двухзвенных входных согласующих ЬгСгиепей еобходимо воспользоваться таблицами для расчета трансформаторов оггротивлений в виде фильтра нижтгх частот Чебышева. Для однозвенной 2С1 - цепи при относительной полосе (сов -<о,1)/мср = 0,60 и рабочем затухании р = 0,5 -г 1,0дБ , коэффициент трансформации Кт = 3+6. Для двухзвенной ЬС-епм коэффициент трансформации Кт может достигать гораздо больших зна-ений в той же полосе - 15+30.

Нормированные значения параметров элементов согласующих цепей для днозвенной цепочки = С'ь ¿2 =Ь'2 = §х/К1 представлены в таблице 2

Таблица 2

Кт Ст L-2

3 1,355 0,452

4 1,659 0,415

5 1,916 0,383

Переход от нормированных значений С'] к значениям Ьг (Гн) и С) (Ф)

осуществляется по формулам:

с,=с,-!—— чка«

еаг

(15)

Аналогичным образом для двухзвенной ЬС-иепи (рис. 6) определяются нормированные значения = С1!, & = Ь'г, = С'з = ^ = Ь'^1/Кг, а затем используются пересчетные формулы (15).

Рис.5. Конструкция СВЧ транзистора с двухзвенной входной согласующей 1-С-цепью.

На основе предложенных методов расчетов были разработаны серии широкополосных СВЧ транзисторов различных конструкций, имеющих внутренние согласующие цепи по входу (2Т9125АС, 2Т991АС, 2Т9147АС, КТ9133А, КТ9151А, КТ9152А и др.), входу и выходу (2Т985АС, 2Т9161А, 2Т9132АС), а также двухзвенные согласующие цепи (2Т9153БС, 2Т9156БС) с шириной полосы до октавы.

К конструкции встраиваемых в корпус МДП-конденсаторов предъявляются требования обеспечения минимальных размеров, прочных механических и электрических соединений с держателем корпуса и транзисторной структурой, малых диэлектрических потерь и токов утечки, высоких удельной емкости, электрической прочности и напряжения пробоя, определяющих в целом эксплуатационную надежность работы ВЧ (СВЧ) транзисторов.

На основе проведенных исследований за базовую принята структура из двух диэлектрических слоев: двуокиси кремния (0,032-И),25 мкм) и нитрида кремния (0,01 мкм) и технология изготовления, в которой обеспечивается дефектность не более 2 деф/см2, электрическая прочность (З-гб)-Ю 6 а/см, удельная емкость 3,9-104 пФ/см2, а также отсутствие деградации изоляционных свойств при УЗ присоединении А1 выводов.• Для входной согласующей двухзвенной ЬС-цепи СВЧ транзисторов 2Т970А, 2Т9153БС, 2Т9156БС была предложена и спроектирована улучшенная секционная конструкция базовых и эмитгерных электродов обеих конденсаторов с введением токоведущих дорожек, связывающих электрически секции электродов. Эти принципиальные решения позволили увеличить добротность конденсатора, т.е. сократить энергетические потери во входной согласующих цепи на 15-20%. По периферии кристалла расположены две секции МДП-конденсатора первого звена емкостью

310 ±10) пФ. Токоведущая дорожка шириной 13мкм связывает обе секции, )орма дорожки ступенчатая. В конструкции МДП-конденсатора предусмотрена 4 плошадки для приварки выводов с базового вывода корпуса. Под этими лошадками толщина диэлектрического слоя составляет 0,4-г0,5мкм. Увеличении толщины диэлектрического слоя практически исключаются короткие заикания между базовым электродом и подложкой при приварке выводов.

С целью увеличения воспроизводимости параметров мощной СВЧ транзн-торной структуры, выравнивания падений напряжения и высокочастотных оков конденсатор формируется на поверхности толстого Si02 (с!=1,5ч-2мкм), [окрываюшего кристалл кремния с транзисторными ячейками. Слой SiOj d=0,l ч-0,3мкм) на нижней обкладке конденсатора и узкая металлическая шина бразуют встроенный Г-образный трансформатор входного импеданса. Вы-авнивание индуктивных сопротивлений достигается за счет того, что верхняя бкладка МДП-конденсатора выполнена в виде двух параллельных кристаллу ранзистора секций, а акпгвные области транзисторов средней и крайних час-ей соединяются только с определенными секциями конденсатора, что привода к компенсации падений напряжения на краях и в середине кристалла.

Более совершенная конструкция МДП-конденсатора, которая обеспечивает юстоянство амплитуд эмиттерного тока, неизменность величины действитель-:ой части входного сопротивления и, как следствие, стабильности выходных нергетических параметров основана на том, что конденсатор изготавливается ia низкоомной подложке (0,01 Ом-см) на которой сформирован высокоомный лой одного с подложкой типа проводимости (d-5~20 мкм, р=0,l-r-5 Ом -см), то приводит к снижению потерь в нем, повышению добротности. Введение в ;епь эмиттера встроенного тонко пленочного терморезистора приводит к стаби-изании частотных характеристик транзисторной микросборки по схеме с ОЭ в :иапазоне температур от +125° С до -60°С.

С целью увеличения электрической прочности и снижения энергетических отерь в конденсаторах нами предложен и внедрен метод изготовления МДП-онденсаторов, в котором после нанесения слоя нитрида кремния вакуумным апылением наносится пленка алюминия или сплав на его основе толщиной ,5^ 0,8 мкм. После формирования рисунка диэлектрика на металле проводят еактивно-иотюе травление слоя SijN4 - SiCb через маскирующий слой фото-езиста. МДП-конденсаторы, изготовленные с применением изложенного выше ¡етода, имеют электрггческуго прочность ЕГ1Г, = (7-ь 8)-10ь В/см при удельной ем-ости СУд = (3* 4)-Ю-4 пФ/см.

Наряду с использованием входных согласуюпшх LC-цепей, для повыше-Т1Я входного сопротивления RBX) в 4 раза существует и другой подход - создание балансного транзистора. Балансный транзистор представляет сборку, со-тоящую из двух биполярных транзисторов, встроенных в один корпус и рабо-ающую по схеме двухтактного усилителя мощности.

Высокочастотные потенциалы на входных электродах этих транзисторов двинуты по фазе относительно друг друга на 180*. Транзисторная сборка со-.ержит две симметрично расположенные транзисторные структуры, а также

две входные согласующие ЬС - цепи, если необходимо повысить входное сопротивление более чем в 4 раза.

При двухтактном включении балансных транзисторов потенциал их средней точки теоретически равен нулю, что соответствует условию искусственной "земли". Такое включение реально обеспечивает четырехкратное увеличение комплексного сопротивления по сравнению с однотактным при одинаковом уровне сигнала и эффективное подавление четных гармоник сигнала, что при полосе частот в одну октаву и более сделать иными средствами трудно.

Применение балансных транзисторов позволяет сделать конструкцию усилителя более совершенной, а отсутствие индуктивности общих внешних ленточных выводов обеспечивает большую широкополосность, т.к. ток основной гармоники протекает по общей контактной площадке, размещенной внутри корпуса, минуя соответствующие внешние выводы.

Полное входное сопротивление оказывается в 4 раза выше, чем аналогичное сопротивление биполярного транзистора с этой же выходной мощностью Р., но изготовленного на одном большом кристалле. Действительно, в балансном транзисторе входные сопротивления Я'.,, и К^, двух кристаллов оказываются соединены последовательно и, кроме того, входной ток в 2 раза меньше, так как сопротивление нагрузки и амплитуда напряжения на нагрузке Ь*1 в 2 раза выше, чем в однокристальном транзисторе с той же мощностью Р\.

Наличие двух близко расположенных кристаллов в одном корпусе уменьшает обшую индуктивность схемы (Ь, для схемы с ОЭ), что позволяет повысить К,и, увеличить ширину рабочей полосы частот, а также упростить схему внешнего согласования по входу. Структура внутренних согласующих цепей одинакова и представляет собой симметричные лестничные Т-образные цепи с двумя входными и выходными индуктивностями и двумя МДП-конденсаторами, соединенными последовательно с заземленной средней точкой.

Моделированием и оптимизацией на ЭВМ было установлено, что выходная цепь, состоящая из двух коллекторных контактных площадок, соединенных между собой внутри корпуса прибора отрезком микрополосковой линии, позволяет использовать транзисторные структуры с большей коллекторной емкостью (до 70пФ) на один кристалл прибора, чем другие цепи, применяемые для внутреннего согласования в СВЧ транзисторах. Такие структуры обеспечивают повышенную надежность прибора как ввиду их большей площади и лучшего теплоотеода, так и в силу меньшей амплитуды выброса напряжения на коллекторе при работе в режиме усиления классов В и С.

Численное моделирование на этапе проектирования позволило определить оптимальные значения параметров Ьс, Сю, транзисторной структуры, поскольку, например, чрезмерно большие значения Ц и Ск, приводят к возрастанию усиления вблизи верхней границы

полосы частот и потере устойчивости. Исходя из указанных соображений и требований равномерности коэффициента усиления К>Р в диапазоне частот, а также технологичности прибора, близкими к оптимальным являются значе-

ия гст= 0,05 Ом, 1,в= 0,05 нГ'н, ^0,10+0,20 Ом, Со-7 гтф, при Скб(28 В)=60 пФ гхя одного кристалла прибора. Действительная составляющая входного со-ротивления на один кристалл Я,,] в диапазоне частот 50+700 МГц согласно асчетам составляла 0,35+0,15 Ом. Эти значения Кв<) использовались при интезе входных согласующих цепей.

На основе проведенных исследований за период 198б-1998гг были разра-отаны серии баланс:шх сборок: генераторных (2Т985, 2Т9105, 2Т9125, 19132, 2Т9128, 2Т9147, 2Т9153, 2Т9156 и др.), линейных ( КТ9150, КТ9151, Т9152, 2Т9155, КТ9173, КТ9174, КТ9182, КТ9194 и др.) и импульсных ГГ9136, 2Т9161, 2Т9164) различной мощности и частотных диапазонов.

Для создания законченных усилителей мощности нами предлагается ринципиально новое решение, связанное с использованием третьего много-митгерного транзистора, располагаемого на одной диэлектрической подложке ежду двумя балансными транзисторами. В третьем полупроводниковом кри-галле многоэмитгерных транзисторных структур содержится в два раза ольше, чем в первом и втором полупроводниковых кристаллах. Стоячие олны взаимно гасятся, и резонанса этих волн не возникает. Поэтому частот-ая характеристика балансного усилителя СВЧ не имеет резонансных про-алов, что обеспечивает высокие значения к.п.д. и коэффициента усиления о мощности во всем диапазоне рабочих частот.

Для решения проблемы микроминиатюризации СВЧ транзисторов нами редложен и разработан принципиально новый метод сборки транзисторов а двухслойном гибком носителе, основанный на использовании фотолито-рафических процессов.

Гибкий носитель представляет собой миниатюрную гибкую печатную пла-у, на которой методами фотолитографии создается рисунок проводников из еталлической фольги и необходимые отверстия в изолирующей пленке, исунок межсоединений на гибкой печатной плате можно спроектировать ак, чтобы все базовые и эмиттерные проводники имели минимальную дли-у и были объединены в широкие шины. Таким образом, может быть снижена бщая индуктивность базовых и эмиттерных соединений. Проводники на ибкой печатной плате обладают высокой стабильностью размеров, беспечиваемой фотолитографией и жестко закреплены на изолирующей плене.

Из серийно выпускаемых гибких носителей для СВЧ транзисторов наибо-ее подходит двухслойный материал ДЛ-ПМ2, состоящий из медной фольги олппшой 35 мкм и полки мила толщиной 25 мкм. Прочность гибких выводов в О раз выше проволочных, что увеличивает эксплуатационную надежность ранзисторов. Следует отметать возможность измерений и испытаний кри-таллов до сборки их в корпусе, что значительно повышает эффективность редварительной отбраковки и экономит расход дорогостоящих корпусов. Гредлагаемый метод обеспечивает возможность поверхностного монтажа и оздание плоских конструкций, что особенно актуально для низковольтных 14, СВЧ транзисторов и гибридных усилителей мощности на их основе.

Проведенные физико-химические исследования по разработке технологических процессов изготовления выводных рамок, УЗ присоединения балочных выводов и герметизации кристаллов привели к созданию принципиально новой конструкции микроминиатюрных маломощных СВЧ транзисторов и оптимизировать технологический маршрут.

В питой главе представлены результаты разработки и экспериментального исследования изопланарного технологического процесса изготовления мощных СВЧ транзисторов с субмикронными размерами эмиттерных Х-» и базовых \Убо структур.

Основная трудность, которую необходимо было преодолеть на пути унификации - это оптимально объединить типы серийных приборов, где возможна их технологическая реализация на базе единых технолопсческих режимов. Следует заметить, что эта сложность связана с тем, что ВЧ и СВЧ мощные транзисторы относятся к различным классам приборов по рабочей частоте, уровню отдаваемой мощности, напряжению питания. Однако, проведенный анализ эксплуатационных параметров позволил выделить такие группы транзисторов. При этом учитывалось соотношение таких электрических параметров транзисторов, как выходная мощность, диапазон рабочих частот усиления и параметр топологии - отношение периметра эмиттера к гшошади базы Пу''5о.

В первую группу формирования базовых слоев вошли транзисторы гигагерцового диапазона (2Т911А.Б, 2Т962А,Б,В, 2Т976А. КТ983А,Б,В, КТ9150А, КТ9142А, КТ9152А); во вторую группу - приборы с выходной мощностью менее 8 Вт диапазона 200+400 МГц и с выходной мощностью до 40 Вт диапазона 100-175 МГц (2Т904А, 2Т907А, 2Т922АДВ, 2Т929А,КТ9189А,Б,В); в третью группу - транзисторы с выходной мощностью более 20 Вт, предназначенные для работы с напряжением питания 28 В и серия низковольтных транзисторов диапазона 200-500 МГц (2Т909А,Б; 2Т925А,Б,В; 2Т920ВА,Б,В; 2Т934В; 2Т930А, Б; 2Т960А; 2Т970А, КТ9174А).

Для установления статистически обоснованных норм на электрофизические параметры транзисторных структур и режимы их изготовления был использован специально разработанный тестовый кристалл, содержащий 30 типов тестовых структур, в том числе две ТС для контроля фотолитографических процессов. Набором таких структур производится оперативный контроль и статистическая отработка режимов. Линейные величины изменения геометрических слоев и рассовмешения определяются непосредственно при выполнении фотолитографических операций. Результаты экспериментальных исследований позволили построить адекватные уравнения регрессии и взаимосвязи геометрических размеров элементов и их изменений, времени экспонирования, проявления, сушки и установить область оптимальных режимов, при которых уход размера элементов составляет ±0,14 мкм при увеличении размера элемента на 1 мкм.

Для создания ВЧ и СВЧ транзисторных структур нами разработана изо-планарная технология, которая обеспечивает по сравнению с обычной планар-ной технологией: меньшую рельефность поверхности, возможность самосо-

дещения и селективного сухого травления с минимальным уходом элементов »пологии, более прочные диэлектрические слои, уменьшение количества опе-щий, влияющих на качество поверхности активных областей транзисторной руктуры и заряд в диэлектрике.

В результате статистической обработки почти тридцати типов промыш-:нно выпускаемых транзисторов установлено, что разброс как параметров ба->вых слоев, так и приборов связан с нестабильностью дефектной структуры >емния, а не с вариацией таких технологических факторов, как темперзтура ■жига, скорость потока газа носителя, количество загруженного диффузанта. гот результат, говорящий об определяющем влиянии на стабильность пара-гтров приборов воспроизводимости базовых, а не эмиттерных слоев, приводит важному заключению.

Во-первых, ответственные за воспроизводимость параметров дефекты эрмируются в кристалле кремния уже на этапе создания базового слоя.

Во-вторых, такими дефектами не могчт быть возникающие при этом дис-жацни, поскольку имеет место обратная связь между количеством дислока-ш в базовом слое и воспроизводимостью параметров. В качестве таких дебетов, с точки зрения современных представлений, наиболее правильно рас-!атривать микродефектные нарушения. Это следует из соображешш сильного [ияния микродефектов на электрическую активность легирующих примесей в (емнии и стабилизирующего воздействия на них, присутствующих п кристал-: дислокаций вследствие обмена между ними свободными точечными дефек-ми (вакансиями и междоузельными атомами).

Предложенные нами два способа стабилизации подсистемы микродефект-.¡х нарушений в кремнии на финишных операциях изготовления приборов )еследовали цель воздействия на подсистему микродефектных нарушений, сположенных в электрически активных областях кристалла. В обоих спосо-¿х это достигалось путем определенной выдержки при заданной температуре последующего охлаждения с контролируемой скоростью. Была обнаружена кономерность в поведении микродефектных нарушен я й, которая заключается том, что микродефектные нарушения вблизи поверхности кремниевого кри-алла в процессе отжита располагаются не случайным, хаотическим образом, а «центрируются в явно выраженные слои. Расстояние между слоями постоян-1 и являются, по-видимому, некоторым собственным свойством кремния, по-ольку не зависят от вида примеси, типа материала, температуры отжига и т.д. знаруженные особенности этого влияния позволили выявить, что в местах сположения слоя микродефектов на имеющей в среднем линейный характер внешности появляются перегибы, другими словами, имеет место задержка в орости диффузии. Было найдено, что такой показатель как воспроизводи->сть количества электрически активной примеси в базовом слое для транзи-оров, у которых глубина перехода базового слоя совпадает со слоем микро-фектов, почти в два раза выше, чем для приборов с промежуточной между оями микродефектов глубиной залегания.

Для получения транзисторных структур с высокими значениями граничной стоты усиления (^ > 1500 МГц) нами был предложен прием, основанный на

выравнивании фронта коллекторного р-п переходов под змиттерными областями, т.е. ликвидацию эффекта оттеснения базы в указанных участках. Достигается это путем создания на участках базовой области, куда в последующем будет вводиться эмитгерная примесь тонких защитных пленок, устойчивых к термическому окислению, например, пленок нитрида кремния.

В процессе последующего формирования эмитгерных областей происходит результирующее выравнивание коллекторного перехода (вследствие эмит-тсрного оттеснения базы), и фронт перехода оказывается практически линейным, что позволяет заметно повысить процент выхода годных изделий, особенно в случае, когда толщина базового слоя составляет лишь доли микрона. Полученные результаты исследований базировались на применении наиболее «бездефектного» метода легирования из стеклообразных диффузантов на основе фосфоро-мышьяково-германиевого стекла, при котором в приповерхностном слое кристалла не возникают дополнительные структурные нарушения из-за низкой (1019 см"1) концентрации базовой примеси.

«Охранное кольцо» и «диффузионные резисторы» формировались с применением процесса ионного легирования В+ через слой нитрида кремния для уменьшения эффекта каналирования и увеличения крутизны «хвостовых» участков профилей легирования.

Формирование «активной базы» транзисторной структуры может быть осуществлено различными способами. Один из них - легирование области базы ионами В+ через пленку нитрида кремния с последующим формирующим отжигом ионно-легированных слоев бора до необходимой глубины. Глубина залегания коллекторного р-п перехода и концентрация бора пропорциональна энергии ионов, дозе легирования, режимам отжига и выбираются, исходя из требований различных групп транзисторов.

Второй способ формирования базы также связан с ионным легированием В+ и основан на способности ионов бора в кремнии иметь разные коэффициенты диффузии в окисляющей среде и в инертной атмосфере. После ионного легирования чистой поверхности кремния атомами бора при термическом отжиге в атмосфере с увлажнением наблюдается ускоренный коэффициент диффузии по сравнению с участками поверхности кремния, защищенными пленкой нитрида кремния. В дальнейшем процесс формирования р-п переходов идет с применением ионного легирования через маску фоторезиста. Эмиттер формировался ионным легированием фосфора с последующей защитой пиролитическим окислом и нитридом кремния. После защиты эмиттерного перехода диэлектрической пленой SЮ2+SiзN.4 производился формирующий отжиг для получения необходимой толщины базы под эмиттером. В результате ейр-эффекта при разгонке фосфора формируется прогиб коллекторного р-п перехода. Разница в профилях базы (первого и второго способов формирования) приводит к тому, что в первом случае мы имеем прогиб коллекторного р-п перехода, а во втором случае этого нет или р-п переход смещен еще ближе к базе. Поэтому первый вариант возможно использовать только для изготовления 1и 3 групп транзисторов. В то время как второй вариант возможно использовать для всех групп транзисторов. Кроме того, исключение эффекта оттеснения при изготовлении

шзисторных кристаллов по второму варианту позволит усграпить причины зждевременного прокола базы и повысить допустимые рабочие напряжения шзистора июшк.

В таблице 3 приведены типичные значения х-«, У/,*,, с!яо к для разных дтп транзисторов, изготовленных по изопланарной технологии

Таблица 3

Группы X»,мкм , мкм Толщина окисла, мкм

1 0,32 0,21 2,3

2 0,45 0,32 3,0

3 0,45 0,32 1,3

Применение системы кремний - двуокись кремния - нитрид кремния еспечило получение окислов толщиной 2+3 мкм (окисление при да&тении атм и Г-950°С) и пропорционально снизить емкость базовых Сб ,п. и эмиттер-х С, а-,. контактных площадок.

Для создания полого рельефа на окисных ступеньках разработан техноло-юский метод, основанный на использовании эффекта уменьшения химиче-эй плотности радиационного нарушенного слоя после имплантации ионами ра и аргона при плотности ионного тока 2+2,5 мкА/см".

Анализ рельефа края окон в окисле показывает, что он характеризуется тогам скосом под определенным углом при наличии некоторой ступеньки на 1сной поверхности. Наличие ступеньки связано с тем, что скорость травле-я нарушенного слоя на два порядка выше скорости травления основной тол-шы окисиой пленки. Выбором режима облучения величину ступеньки или, крайней мере, ее влияние на качество в последующем формируемой метал-зацин можно свести к нулю. Практически при энергии 15кэВ вводимых иов бора величина ступеньки составляет 0,06 + 0,08 мкм, а для ионов Аг ->2+0,03мкм.

Установлено, что при облучении ионами аргона с энергией 15кэВ наиболее гимальный дозовый режим 60+80 мкКул/см реализует наиболее пологий тьеф в окисном окне с углом скоса порядка 5 + 5,5°. Создание полого рельефа профиле окисных ступенек транзисторных структур позволило исключить разование разрывов металлизации в местах пересечения полосок контактной таллизашш со ступенькой, а также повысить воспроизводимость параметров фоцент выхода годных транзисторных структур на 15+20%.

Для реализации заданных параметров и обеспечения высокой надежности ¡работанных транзисторов используется многослойная система металлизации основе золота (Тх + + Аи) . Имея высокие электро- и теплопроводность, сокую стойкость к электромиграции и коррозии, золото имеет плохую адге-о к диэлектрику (ЗЮ2, 51зМ») и обладает высоким коэффициентом диффузии гремний. В качестве материала, контактирующего с кремнием, была выбрана атнгна. Силицид платины Г^ обеспечивает омический контакт с высоколеги-занным кремнием, является одним из наиболее стабильных соединений

кремния, исключительно устойчив к коррозии, твердая фаза сохраняется до 980° С.

Формирование силицида в контактных окнах проводилось путем импульсного вжигания после напыления платины толщиной 0,05+0,1мкм. После стравливания излишков платины на пластины последовательно в одном цикле напыляют пленки П и Р{. "П используется в качестве слоя, который обеспечивает хорошую адгезию к диэлектрическим слоям, а слой Р( - "П в качестве барьерного, исключающего контакт золота с кремнием. На пленку платины проводится гальваническое осаждение слоя золота

С целью повышения адгезии системы ЗЬЫ) -ПРс-Ам и 51-Рг81-Т1'Р1-Аи было предложено на пластины после создания контактных окон наносить тонкий слой поликремния, затем напылять платину толщиной 0,2 мки из расчета, что 0,05мкм пойдет на образование силицида, а 0,15мкм на барьерный слой. После импульсного вжигания платины силицид на поверхности не наблюдается. По этому слою платины проводят осаждение золота.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы. Основным результатом работы является решение научно-технической проблемы разработки для серийного выпуска мощных биполярных кремниевых ВЧ и СВЧ транзисторов различного назначения (генераторных, широкополосных, импульсных, линейных) с выходной мощностью 5 +500 Вт в диапазоне частот 100 -г 1000 МГц.

Практическим результатом является непосредственное и активное использование разработанных теоретических положений и технологических методов, способов, решений и рекомендаций при создании 50 типов ВЧ и СВЧ транзисторов. их серийное производство и мелкосерийное производство, поставка 60 предприятиям России и широкое применение в системах связи, телевидения, радиовещания радиолокации, навигации, аэрокосмической технике, фазированных антенных решетках и т.д.

Эффективность внедрения определяется повышением процента выхода годных (в 2 раза), снижением трудоемкости изготовления кристаллов (в 4 раза), экономии материалов (в 2 раза), уменьшением себестоимости и цены в 2+3 раза.

Основные выводы заключаются в следующем:

1. Для мощных СВЧ многоэмиттерных транзисторов с малой шириной полос-ковых эмиттеров I, по сравнению с толщиной высокоомного коллекторного слоя с1„ (К< 0,5с1„) теоретически и экспериментально установлено, что максимальная плотность тока коллектора ^ П1ач вследствие двухмерного эффекта растекания электронов п-слоя коллектора в несколько раз превышает критическую плотность тока зккр=я У^М^ в одномерном приближении.

2. Установлено, что использование специально разработанных эпитаксиальных структур с двухслойным коллектором, у которого удельное сопротивление нижнего слоя р„? в 3+4 раза меньше удельного сопротивления верхнего слоя р„; ток коллектора при лавинном вторичном пробое 18бо в« возрастает в 3+4 раза пс

¡равнению с однослойным коллеетором, что позволяет обеспечивать устойчивую работу транзисторов на рассогласованную нагрузку с KtT.u~10.

3. Выведено аналитическое выражение для напряжения пробоя U^go проб транзи-ггороа с двухслойным коллектором.

4. Получены аналитические выражения для расчета интермодуляционных искажений в линейных СВЧ транзисторах при воздействии трехтонового сигнала г учетом нелинейности вольт-амперной характеристики эмиттерного р-п- перевода и емкости коллекторного р-п- перехода.

5. Экспериментально установлено универсальное эмпирическое соотношение ^9) для малосигнального коэффициента усиления [h^bl в зависимости от залегания эмиттерного р-п перехода Хм н толщины базы Wgo.

5. Разработана методика расчета внутренних одно- и двухзвенных LC- согласующих устройств на основе МДП-конденсаторов внутри корпуса и индукгив-тостей внутренних проволочных выводов с учетом входного сопротивления ilBXi транзисторного кристалла, зависящего от индуктивности общего электрода эмиттерного для схемы с ОЭ), позволившая создать широкополосные (диапа-юн частот до октавы) ВЧ и СВЧ транзисторы.

7. Исследованы и разработаны новые методы создания и совершенствования • гранзисторных структур на основе использования различных конфигурации эмиттеров, резисторов и терморезисторов с переменным сопротивлением вдоль Зазовой секции, модульной конструкции транзисторов, для уменьшения тепло-юго сопротивления переход-корпус RT п_к , дополнительных р-областей в кол-1екторе для защиты от лавинного пробоя, что обеспечило повышение гранич-юй частоты, мощности рассеивания и надежность ВЧ и СВЧ тратисторов. 5. Предложен и реализован метод конструирования ВЧ и СВЧ транзисторов с шутренними одно- и двухзвенными LC-элементами согласования на основе «пользования индуктивности проволочных или ленточных базовых выводов и *ЛДП-конденсаторов различной конструкции, располагаемых на теплоотводя-цей бериллиевой подложке рядом с кристаллом транзистора, что обеспечило нирину полосы в одну октаву для транзисторов мощностью 40+150 Вт в даапазонах частот 100+200 МГц, 200+400 МГц, 500+1000 МГц и работоспособ->сстъ СВЧ транзисторов в условиях рассогласования нагрузки. 1. Разработана изопланарная технология серийного производства мощных ВЧ и ЗВЧ транзисторов, в которой в качестве маски при локальном окислении крем-шя используется слой нитрида кремния, а также выращивание толстых слоев шуокиси кремния (2+2,5 мкм) путем окисления кремния при повышенном дав-гении и при относительно низких температурах («950°С). В результате удается ;ш!зить емкость базовых Ceot и эмиттерных Сэпл контактных площадок под п-голлектором почти в 2 раза, выходную емкость C^CUn) - в 1,5 раза, уменьшить гтупеньку окисла над поверхностью активной части кристалла, а, следователь-ю, возможность обрыва металлизации из-за злектромиграции по сравнению с (бычной планарной технологией.

10. Предложен и внедрен новый метод сборки транзисторов на двухслойном нбком носителе (медная фольга со слоем полиимнда), в котором ВЧ и СВЧ

транзисторы имеют балочные выводы с гораздо меньшей индуктивностью (в 2 раза) и более высокой воспроизводимостью индуктивности, чем обычные проволочные выводы.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях:

1. Асессоров В.В., Бачурин В.В., Горохов B.C., Никишин В.И., Петров Б.К., Сыноров В.Ф. Проектирование и технология производства мощных СВЧ транзисторов. - М.: Радио и связь, 1989,-144 с.

2. Асессоров В.В., Петров Б.К., Кожевников В.А., Гвоздевская Н.И. О физических ограничениях выходной мощности в СВЧ транзисторных генераторах с внешним воздействием. // Специальная электроника.Сер.2 Полупроводниковые приборы.-1983.-Вып.2.~ С.25-30, ДСП.

3. Асессоров В.В., Горохов B.C., Кожевников В.А. Анализ влияния технологического разброса структурных параметров на граничную частоту мощных СВЧ транзисторов.// Электронная техника.Сер.2. Полупроводниковые приборы. - 1979. -Вып 2. -С.25-30.

4. Асессоров В.В.„ Горохов B.C., Кожевников В.А. Оценка граничной частоты мощных СВЧ генераторных транзисторов // Электронная техника.Сер.2 Полупроводниковые приборы. - 1980. - Вып. 4. - С.49-53.

5. Асессоров В.В., Кожевников В.А., Чигиринская Т.Ю. Некоторые особенности влияния микродефектных нарушений на параметры мощных СВЧ транзисторов -Тезисы докл. 1 Всесоюзной научно-технической конференции по интегральной электронике СВЧ, Новгород, 1982. - С.272.

6. Асессоров В.В., Горохов B.C., Кожевников В.А. Оптимизация конструктивных параметров мощных СВЧ генераторных транзисторов// Электронная техника.Сер.2. Полупроводниковые приборы. - 1980. - Вып 2. - С.83-88.

7. A.C. 598468 (СССР) Транзисторная ячейка СВЧ планарного транзистора / Асессоров В.В., Булгаков С.С.,Горохов B.C., Петров Б.К и др., ДСП.

8. Асессоров В.В., Яценко Н.Г. Эпитаксиальные структуры кремния для СБИС и СВЧ транзисторов// В кн. Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники : Тез.докл. III Всероссийской конференции с международ-ньшучастием. Таганрог. - 1996. -С.154.

9. А..С. 776534(СССР) Транзисторная структура/ Асессоров В.В., Горохов B.C., Кочетков А,И. и др., ДСП.

10. Асессоров В.В., Безрядина Г.В., Колесникова Л.И. Влияние технологических и конструктивных особенностей формирования охранных и делительных колец на напряжение пробоя высокочастотного транзистора// Тез.докл. НТК Проблемы качества и надежности ИЭТ, радиоэлектронной аппаратуры и средств управления. Минск. - 1988. - С.8.

11. Асессоров В.В., Петров Б.К., Сыноров В.Ф. Влияние топологии транзисторных структур на предельную частоту кремниевых транзисторов// В сб. статей. Физика полупроводников и микроэлектроника. - Воронеж: ВГУ. - 1971. -С. 52-59.

Патент РФ 1630564 Способ изготовления мощных многоэмнтгерных руктур с балластными резисторами 1 Асессоров В.В., Велитура Г.А., ДСП . Асессоров В.В., Горохов В.С.,Кожевников В.А., Косой А.Я.. Мощные вы-кочастотные кремниевые транзисторы 2Т970А, 2Т971А // Специальная элек-оника. Сер.2. Полупроводниковые приборы - 1979. - Вып. 1(39). - С.55-58. . Асессоров В.В., Горохов В.С,Кожевников В.А., Скляр A.A. Мощные вы-кочастотные кремниевые транзисторы 2Т958А, 2Т960А // Специальная элек-оника. Сер.2. Полупроводниковые приборы, - 1979. - Вып.2 (С34). - С.10-15. . Асессоров В.В., Жильцов В.И., Кожевников В.А., Косой А_Я. Петров Б.К эшные импульсные транзисторы 2T984A,2T98S,2T9109A для диапазона част 720-820МГц // Электронная техника. Сер.2 Полупроводниковые приборы. -86. - Вып.5. - С.31-39.

А.С.897061(СССР) Планарный мощный транзистор / Асессоров В.В., Ко-¡вников В.А., Сидоров В.П., Черкасов С.Н..

. А.С.656432 (СССР) Мощная ВС (СВЧ) транзисторная структура / Асессо-в В.В., Булгаков С.С.,Горохов B.C., Кочетков А.И., Кожевников В.А., ДСП.

Патент РФ 1769640 Мощный ВЧ и СВЧ транзистор / Асессоров В В., Бул-ков О.М., Кочетков А.И., Петров Б.К.-ДСП.

. A.C. 1679922 (СССР) Мощный ВЧ и СВЧ транзистор / АсессоровВ.В, Бул-ков О.М., Инкерманлы И.Л., Кочетков А.И., Петров Б.К., ДСП. С. 1485934 (СССР) Способ изготовления мощных СВЧ транзисторов с ни-омовыми резисторами / Асессоров В.В., Бутырин Н.П., Велигура Г.А., ДСП. . Асессоров В.В., Гвоздевская Н.И., Кожевников В.А., Косой А..Я., ггров Б.К. Исследование интермодуляционных искажений мощных СВЧ ли-йных транзисторов типа КТ983В в спектре трехтонового сигнала.// Специ-ьная электроника. Сер.2. Полупроводниковые приборы.-1983. -Вып.2. -35-43, ДСП.

. Асессоров В.В., Булгаков С.С., Горохов B.C. и др. Широкополосные тран-ггоры с внутренними согласующими LC - цепочками // Электронная про-нпленность.-1975.-Вып.2Т. -С.30-34, ДСП.

Асессоров В.В,, Горохов B.C., Друзяков Е.П, и др. Мощные ВЧ и СВЧ знзисторы для работы в условиях рассогласования нагрузки// Электроннная омышленность,- 1975.-Вьш.2Т. - С.20-24, ДСП.

Асессоров В.В., Горохов B.C., Грибачев А..П.., Косой А.Я. Конструирова-е мощных СВЧ транзисторов с внутренними элементами согласования // ектрониая промышленность.-1980.-Вып. 1 Т. -С.67-69, ДСП. ,А.С.858481(СССР) Способ изготовления МДП-конденсаторов для СВЧ щных транзисторов / Асессоров В.В., Асеев Ю.Н., Бутырр»н Н.П., лезнев А.Е.

. Асессоров В.В. Исследование свойств МДП-конденсаторов, применяемых я создания СВЧ широкополосных транзисторов.//Специальная электронн-,сер,5. -1990. -Вып.5 (19). -С. 39 , ДСП.

A.C. 1395054 (СССР) Мощная СВЧ транзисторная структура / Асессоров 3., Булгаков С.С., Косой А.Я., Петров Б.К., ДСП. . Патент РФ Лгз 1574121 СВЧ мощный транзистор / Асессоров В.В,

Асеев Ю.Н., Петров Б.К. и др.

29. Патент РФ № 2101803 СВЧ транзисторная микросборка / Асессоров В.В., Гаганов В.В., Жильцов В.И.

30. Патент РФ № 2101804 СВЧ транзисторная микросборка / Асессоров В.В., Асеев Ю.Н., Гаганов В.В., Велигура Г.А.

31. Отчет по ОКР «Прут». Разработка транзисторных сборок с выходной мощностью 125 Вт в диапазоне частот 200 - 400 МГц для двухтактных схем. НИИ-ЭТ,№ ГР-Ф16732. - Воронеж. -1983. - С. 71, ДСП.

32. Асессоров В.В, Выгловский В.М., Петров Б.К. и др. Балансные сборки транзисторов 2Т985АС и 2Т9105АС-новый класс широкополосных СВЧ транзисторов для двухтактных усилителей мощности. // Специальная электроника. сер.2 Полупроводниковые приборы.-1987.-Вып.1. -С.70- 74, ДСП.

33.Асессоров В.В, Выгловский В.М., Петров Б.К. и др. Мощные широкополосные транзисторы 2АТ991АС и 2Т9101 АС для двухтактных усилителей мощности в диапазоне 350-700 МГц // Специальная электроника. Сер.2. Полупроводниковые приборы-1987.-Вып. 1.-С.82-87.

34. A.C. 1301270(СССР) Балансный усилитель СВЧ/Асессоров В.В., Китаев A.M., Косой А.Я., Петров Б.К.

35. Асессоров В.В. Автоматизированный тестовый контроль производства СВЧ транзисторов на основе идентификации регрессионных моделей.// В кн. Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники: Тез.докл. V Всероссийской конференции с международным участием, Таганрог. .-1998. -С.22.

36. А.С.762641 (СССР) Шаблон для контроля изменения геометрических размеров топологических элементов / Асессоров В В., Фетисова С.Ф.,

Лебедев Ю.П. и др., ДСП.

37. A.C.780734 (СССР) Комплект шаблонов для микролитографии/ Асессоров В.В., Фетисова C.B., Лебедев Ю.П. и др., ДСП.

38. Отчет по НИР «Приз». Исследование изопланарной технологии для создания мощных СВЧ транзисторов . НИИЭТ, № ГР Ф27400. - Воронеж. - 1987. -34 е., ДСП.

39. A.C. 494995 (СССР) Способ термической обработки полупроводниковых пластин / Асессоров В.В., Булгаков С.С., Никишин В.И. и др., ДСП.

40. A.C. 625513 (СССР) Способ изготовления кремниевых лланарных полупроводниковых приборов / Асессоров В.В., Горохов B.C., Кожевников В.А. и др.,ДСП.

41. A.C. 683462 Способ изготовления СВЧ транзисторной структуры / Асессоров В.В., Булгаков С.С., Выгловский В.М. и др., ДСП.

42. A.C. 1072682 Способ изготовления мощных СВЧ транзисторных структур/ Асессоров В.В, Выгловский В.М., Кожевников В.А., ДСП.

43. A.C. 603283 Состав для травления полупроводниковых кремниевых структур/ Асессоров В.В., Жильцов В.И.

44. А.С,470232 (СССР) Способ изготовления кремниевого планарного п-р-п транзистора / Асессоров В.В., Кожевников В.А., Никишин В.И., Пашков В.Н., ДСП.

ЗакшМЗ_5_9_от_15. <?. _1999г. Тир. _64__*кз. Лаборатория оперативкой полиграфии ВГУ

>. А.С, 409627 (СССР) Способ изготовления многозмиттерного СВЧ транзита./ AceccopoD В.В., Булгаков С.С., Викин Г.А., Скляр A.A., Хорошков Ю.В., СП.

>. А.С.519046 (СССР) Способ изготовления кремниевого планарного п-р-п »анзистора / Асессоров В.В., Булгаков С.С., Зайцева Э.А. и др., ДСП.

Патент РФ № 2107982 Способ изготовления биполярных n-p-п приборов, сессоров В.В ., Дикарев В.И., Кожевников В. А.

i. Отчет по НИР «Полынь». Исследование возможности создания cepim низ-шольтных транзисторов для мобильных средств связи в ДМВ диапазоне с !ых =2,7,15,40 Вт. НИИЭТ, № ГР У54321 - Воронеж. -1993. - 42с., ДСП. >. Асессоров В.В., Асессоров А.В„ Еремин С.А. Бескорпусной СВЧ транзи-ор на гибком носителе // В кн. Актуальные проблемы твердотельной электронен и микроэлектроники: Тез. доклада IV Всероссийской научно-технической ¡нференции с международным участием,- Таганрог, 1997.-е.75. I. Асессоров В.В. Конструкгорско-технологичесю!е основы микроминиатюр-.IX СВЧ транзисторов на гибком носителе // В кн: Актуальные проблемы твер-тельной электроники и микроэлектроники; Тез.докл. V Общероссийской на-но-технической конференции с международным участием,- Таганрог. - 1998. . Асессоров В.В..Кожевников В,А, Косой А.Я. Тенденция развития СВЧ анзисторов для применения в радиовешании, телевидении и средствах связи Электронная промышленность. -1994. -№ 4-5. -С.78-80. . Асессоров В.В..Кожевников В.А., Косой А.Я. Тенденция развития мощных 34 транзисторов // Радио. -1994. - № 6. -С.2-3.

Асессоров В.В., Гурин A.C., Еремин С.А. Суперлинейные СВЧ транзисторы Г9116А, КТ9133А, КТ9173А для применения в радиовещании и телевидении В кн. Актуальные проблемы твердотельной электроники и (кроэлектроннки: Тез. доклада II Всероссийской научно-технической конфе-ншш с международным участием.-Таганрог.-1995.-С. 101. . Асессоров В.В., Асессоров A.B., Кожевников В. А. Твердотельные СВЧ моли для усилителей мощности ТВ передатчиков.// В кн. Актуальные проблемы грдотельной микроэлектроники: тез.докл. IV Всероссийской конференции. -ленджих. - 1997,- -С.76.

. Асессоров В.В., Асеев Ю.Н., Гаганов В.В., Кожевников В.А. Модули ВЧ илителей мощности для портативных средств связи // Электросвязь.-1997. -7. -С.21-22.

. Асессоров В.В., Асессоров A.B., Кожевников В.А., Матвеев С.А. Линейные 54 транзисторы для усилителей мощности /I Радио. -1998. -№3. -С.49-51. . Асессоров В.В., Кожевников В.А., Дикарев В.И. Мощные СВЧ транзисторы -прежнему популярны// Электроника: Наука, Технология, Бизнес. - Москва. 999. -№2. -С.2-4.

Асессоров В.В., Асессоров A.B., Кожевников В.А., Дикарев В.И. Мощные 14 транзисторы для связной аппаратуры // Электроника, Наука, Типология, знес. - Москва. - 1999,- № 2 .- С. 22-24. //