Діод ганна на основі gan

Реферат: Діод Ганна містить епітаксійну напівпровідникову мезаструктуру, на протилежних поверхнях якої сформовані катодний та анодний багатошарові контакти, на яких нанесені з'єднувальні шари із золота та приєднано тепловідвід до катодного контакту і яка осесиметрично закріплена в діелектричному корпусі із металізованими протилежними поверхнями таким чином, що сторона анодного контакту при допомозі гнучкого виводу і кришки, закріплена з верхньою металізованою поверхнею корпуса, а сторона з катодним контактом, з'єднана з нижньою поверхнею корпуса і тепловідводом. Епітаксійна напівпровідникова мезаструктура виконана з + + + 18 -3 17 -3 n -n-n GaN з концентрацією носіїв в n шарі 10 cм і n шарі 10 см створені багатошарові анодний і катодний контакти Au-Pd-Ti-Pd, бокова поверхня нітрид галієвої мезаструктури 10 пасивована до утворення шару з високим опором порядку 10 Ом • см. UA 94615 U (12) UA 94615 U UA 94615 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до комплектуючих електронної бази радіоелектронних приладів НВЧ діапазону. Найбільш ефективно прилад може бути використаний в генераторах терагерцевого діапазону для створення високошвидкісних систем бездротового зв'язку, які діють на невеликих відстанях. В діагностичній техніці ці пристрої дають змогу одержувати більш чіткі зображення м'яких тканин ніж рентгенівські системи. 3 5 Для створення НВЧ приладів широко використовуються напівпровідникові сполуки А В . Найбільш поширений в наш час є діод Ганна на GaAs. Цей прилад широко та успішно використовується як низько шумові генератори міліметрового діапазону НВЧ. Наприклад, в + ++ аналозі [1] діод Ганна виконаний на основі епітаксійної структури n-n -n , до плоских сторін якої сформовані омічні контакти. Причому омічний контакт до кожної сторони приладу виконаний з золото-германієвого сплаву. Основний недолік діодів Ганна на GaAs - низька ефективність на частотах вищих 60 ГГц. Обмеження пов'язане з присутністю в приконтактній зоні "мертвої" зони, ширина якої на високих частотах стає порівняною з товщиною активної зони діода, що виключає можливість генерації на основній гармоніці. Крім цього генератори на таких діодах не забезпечують можливості електричного перестроювання частоти в достатній смузі. Частково ця проблема розв'язана в приладах на основі фосфіду індію. Цей матеріал забезпечує високе значення граничної частоти з більш високою ефективністю. + ++ В прототипі [2] діод Ганна виконаний на основі епітаксійної мезаструктури n-n -n фосфіду індію. До плоских сторін мезаструктури виконані анодний та катодний контакти із сплаву золотогерманій товщиною 200-400 Å, на який нанесено антидифузійні шари дибориду титану. Напівпровідникова мезаструктура осесиметрично закріплена в діелектричному корпусі із металізованими протилежними поверхнями таким чином, що сторона анодного контакту за допомогою гнучких виводів, з'єднана з верхньою металізованою кришкою корпуса, а сторона з катодним контактом, з'єднана з нижньою поверхнею корпуса і тепловідводом. Прилад показав безвідмовну роботу протягом 1000 годин в складі НВЧ генератора на частоті 100 ГГц з потужністю 3 мВт. Основний недолік приладів на ІnР є високі порогові поля, що приводять до значної потужності, розсіюється, (на порядок вищий чим у приладах на GaAs) та перегріву активної області що викликає пробій при полях менших двох порогових. Тому для роботи цього приладу необхідний більш потужний тепловідвід. Задачею корисної моделі є створення НВЧ приладу, який може працювати на частотах вищих 100 ГГц з більшою потужністю. Поставлена задача вирішується за рахунок створення діоду Ганна, який містить епітаксійну напівпровідникову мезаструктуру, на протилежних поверхнях якої сформовані катодний та анодний багатошарові контакти, на яких нанесені з'єднувальні шари із золота та приєднано тепловідвід до катодного контакту, яка осесиметрично закріплена в діелектричному корпусі із металізованими протилежними поверхнями таким чином, що сторона анодного контакту за допомогою гнучких виводів, з'єднана з верхньою металізованою кришкою корпуса, а сторона з катодним контактом, з'єднана з нижньою поверхнею корпуса і тепловідводом, який відрізняється + + тим, що епітаксійна напівпровідникова мезаструктура виконана з n -n-n GaN з концентрацією + 18 -3 17 -3 носіїв в n шарі 10 см і n шарі 10 см , до якої створені багатошарові анодний і катодний контакти Au-Pd-Ti-Pd, бокова поверхня нітрид галієвої мезаструктури пасивована до утворення 10 шару з високим опором порядка 10 Ом ∙ см. Діод Ганна відрізняєтьсятакож тим, що з метою додаткового підвищення робочої частоти генератора, епітаксійна напівпровідникова мезаструтура з анодним і катодним контактами монтується в діелектричний корпус, який виконаний у вигляді діелектричних опор, металізованих з торців. На Фіг. 1 показано епітаксійну напівпровідникову мезаструктуру, суттєвими відмінними + + ознаками якої є виконання з епітаксійного нітриду галію з структурою n -n-n (1), формування + контактних систем Pd(2)-Ti(3)-Pd(4)-Au(5) до n сторін, захисний пасивуючий шар на бокових поверхнях (6) необхідної товщини виконаний з нітриду галію, який модифіковано потоком 10 нейтронів високої енергії до утворення шару з високим опором (1∙10 Ом ∙ см), структура закріплена до тепловідводу (7). Виконання НВЧ пристрою з такими відмінними ознаками дає змогу збільшити частоту генерації до 200 ГГц і потужність в узгодженому навантаженні в терагерцевому діапазоні до 200 мВт. Для приладів з GaN "мертва зона" значно менша ніж для GaAs і ІnР, що забезпечує більш високий коефіцієнти корисної дії. Високотемпературна витривалість, висока температурна провідність та велика напруженість електричного поля у випадку використання нітриду галію забезпечує вищу граничну частоту в терагерцовому діапазоні з високою ефективністю 3 5 перетворення енергії в порівнянні з існуючими приладами на основі інших сполук А В . Менша діелектрична проникність GaN обумовлює меншу вихідну ємність приладу, дає змогу збільшити 1 UA 94615 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 його площу і таким чином отримати більшу вихідну потужність при даному імпедансі. Теплопровідність GaN вища, ніж в GaAs та ІnР, що полегшує розробку потужних приладів. Енергетичний зазор між верхньою та нижньою долинами зони провідності GaN більший, ніж для ІnР та GaAs. На Фіг. 2, 3 показано структуру створеного діоду (Фіг. 2 - вид зверху, Фіг. 3 - вид збоку), де показано тепловідвід (7), епітаксійну напівпровідникову мезаструктуру (8), діелектричний корпус виконаний у вигляді діелектричних опор (9), гнучкі виводи (10), які з'єднують анодний контакт напівпровідникової мезаструктури з верхньою металізованою кришкою (11) корпусу. Для створення НВЧ приладів з GaN, які працюють в терагерцовому діапазоні, необхідно використовувати діелектричний корпус, який має необхідні трансформу вальні властивості на робочій частоті. Для роботи на частоті 90-100 ГГц необхідний ізолюючий рубіновий корпус з наступними розмірами: зовнішній діаметр - 0,5 мм, внутрішній діаметр - 0,3 мм, висота втулки 0,15 мм. Для додаткового підвищення робочої частоти НВЧ пристрою, необхідно зменшувати ємність внутрішнього діаметру при незмінному внутрішньому діаметрі. Із збільшенням внутрішнього діаметру збільшується довжина виводів і, як наслідок, їхня індуктивність. Тоді резонансна частота такого коливального контуру має зменшуватись. Оскільки виконання діелектричних корпусів з зовнішнім діаметром менше 0,5 мм технологічно складно, то запропоновано використання корпусу у вигляді діелектричних опор для закріплення НВЧ пристрою на GaN. Для одержання генерації на частоті до 400 ГГц ефективним є використання кварцових опор металізованих з торців. [3]. Варіант виготовлення приладу забезпечує мінімальну ємність діелектричних опор - 0,02 пф. Паразитна індуктивність гнучких виводів зменшилась до 0,005 мГн. + + Діод Ганна був виконаний нами на основі епітаксійної структури n -n-n GaN, яка була вирощена методом хлоридної газофазної епітаксії на установці з горизонтальним реактором на високолегованому шарі 4Н SiC, який використовувався в ролі підкладки. На Фіг. 1 показано + + структуру діоду на GaN. В напівпровідниковій структурі n -n-n (1) концентрація носіїв складала 17 + 18 в n шарі 10 , в n шарі 10 , товщини шарів були рівними 1-2 і 2-3,5 мкм, відповідно. + До n шарів GaN послідовно сформовані багатошарові контактні системи Au(2)-Pd(3)-Ti(4)Pd(5). Компоненти контактної системи осаджувались в високому вакуумі при температурі підкладинки Тn= 350 °C. На Фіг. 4, 5 показано розподіл компонентів по товщині контактної системи до (Фіг. 4) та після відпалу (Фіг. 5) при 900 °C тривалістю 30 сек. Для цієї контактної системи характерна шарова структура металізації з різкою межею розподілу контактоутворюючого матеріалу з GaN, яка сформувалася в процесі нанесення компонентів металізації. Питомий контактний опір системи Au-Pd-Ti-Pd-GaN після нанесення вимірювався -5 2 при кімнатній температурі та становив 6,7∙10 Ом∙см . Розрахунок показав, що для роботи на частоті 400 ГГц необхідна напруженість електричного поля Е=250 кВ/см (Фіг. 6). Номінальна робоча напруга діода при цьому складає 75 В, відповідно для роботи приладу необхідна наявність високої електричної міцності бокової поверхні епітаксійної структури. В запропонованій нами корисній моделі захисний діелектричний шар створюється шляхом пасивації бокової поверхні GaN внаслідок опромінення високоенергетичним потоком протонів 2 (іонів гелію) з енергією 2,5-4 Мев при середній густині струму 0,1 мкА/см . Обробка протонами виконувалась через вікна в масці із золота товщиною 1 мкм. Як показано на Фіг. 1 створений + + модифікований шар GaN (6) повністю захистив бокову поверхню епітаксійної структури n -n-n 10 2 та мав високий електричний опір 1∙10 Ом∙см . Завдяки високим діелектричним властивостям захисного шару (6) до активної області n епітаксійної структури GaN стало можливим прикладання високої напруженості електричного поля. До однієї із контактних систем був сформований інтегральний теплові дві д 7 з міді товщиною 40 мкм. Мезаструктура GaN з контактами та інтегральним тепловідводом була закріплена на плоскій поверхні циліндричного тримача. На Фіг. 6 показана залежність граничної частоти існування від'ємної провідності від електричного поля. Максимальне значення напруженості електричного поля 210-250 кВ/см забезпечує можливість генерації пристрою до 420 ГГц. Частота генерації НВЧ пристрою на GaN залежить від довжини активної області епітаксійної структури L (Фіг. 7) і при зменшені довжини активної області зростає відповідно до частоти генерації. Відповідно до Фіг. 7 частота генерації + + 17 -2 при довжині активної п області n -n-n діоду 2 мкм і концентрації донорів в межах (2-5) ∙10 см , знаходиться в діапазоні частот 110-140 ГГц. Залежність вихідного імпедансу X НВЧ пристрою від частоти генерації в діапазоні частот 20180 ГГц кристала при різних значеннях активного опору Rкр (Ом) показана на Фіг. 8. В слабкому полі імпеданс має індуктивний характер, але в області від'ємної диференційної провідності 2 UA 94615 U 5 10 15 змінює свій знак разом з активною складовою, набуває ємнісного характеру. На дуже високих частотах міжзонні переходи вже не встигають проходити за час періоду поля (високочастотна складова населеності долин зменшується) і реактивна провідність стає індуктивною. Одержані параметри забезпечили потужність діода Ганна 200 мВт на частоті 200 ГГц в узгодженому навантаженні в безперервному режимі. Джерела інформації: 1. Деклараційний патент 8493 Україна. НПК H01L29/00; 47/02. Напівпровідниковий надвисокочастотний діод Ганна з арсеніду галію. Іванов В.М., Ковтонюк В.Н., Ніколаєнко Ю.Є. Заявл. 16.12.2004. Опубл. 15.08.2005. 2. МПК H01L29/00; 47/00 Патент на корисну модель 51542 Україна, Діод Ганна з фосфіду індія. Іванов В.М., Веремійченко Г.Н., Раєвська Н.С. Заяв. 24.12.2009. Опубл. 26.07.2010 3. Патент України на корисну модель № 87875, МПК H01L21/66 Активний дискретний НВЧ пристрій / Веремійченко Г.М., Іванов В.М., Ковтонюк В.М., Беляев О.Є., Конакова Р.В., Новицький С.В., Шеремет В.М.; заявник і патентовласник Інститут фізики напівпровідників ім В.Є. Лашкарьова. - u 2013 09809, 25.02.2014, Бюл. № 4, 2014 р. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 20 25 30 1. Діод Ганна, який містить епітаксійну напівпровідникову мезаструктуру, на протилежних поверхнях якої сформовані катодний та анодний багатошарові контакти, на яких нанесені з'єднувальні шари із золота та приєднано тепловідвід до катодного контакту, і яка осесиметрично закріплена в діелектричному корпусі із металізованими протилежними поверхнями таким чином, що сторона анодного контакту при допомозі гнучкого виводу і кришки закріплена з верхньою металізованою поверхнею корпуса, а сторона з катодним контактом, з'єднана з нижньою поверхнею корпуса і тепловідводом, який відрізняється тим, що + + + епітаксійна напівпровідникова мезаструктура виконана з n -n-n GaN з концентрацією носіїв в n 18 -3 17 -3 шарі 10 cм і n шарі 10 см створені багатошарові анодний і катодний контакти Au-Pd-Ti-Pd, бокова поверхня нітрид галієвої мезаструктури пасивована до утворення шару з високим 10 опором порядку 10 Ом • см. 2. Діод Ганна за п. 1, який відрізняється тим, що епітаксійна напівпровідникова мезаструтура з анодним і катодним контактами монтується в діелектричний корпус, який виконаний у вигляді діелектричних опор, металізованих з торців. 3 UA 94615 U 4 UA 94615 U 5 UA 94615 U 6 UA 94615 U Комп’ютерна верстка О. Рябко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7