Основной тип СВЧ-транзисторов – это полевые транзисторы с барьером Шотки в качестве затвора, выполненные по арсенид-галлиевой технологии. Между затвором и слоем канала введен слой нелегированного GaAs, назначение которого в повышении пробивного напряжения "затвор – сток".

Разнообразные типы полевых транзисторов можно классифицировать по механизму переноса носителей.

При дрейфе электронов от истока к стоку они испытывают большое количество соударений. Напряженность поля в канале полевых транзисторов обычно превышает 10 кВ/см, а среднее значение энергии электронов в установившемся режиме – 0,3 эВ. Частота соударений при этом намного превышает 10¹³ с^–1. Поскольку пролетное время составляет 10^–12 с, носители испытывают за время пролета десятки или сотни соударений. За время 10^–13 с, проходящее между двумя соударениями, носители проходят расстояние, не превышающее 400 ангстрем.

При конструировании полевых транзисторов приходилось сталкиваться с проблемой падения подвижности при повышении концентрации носителей в канале, необходимой при малой длине канала. Поскольку рост концентрации носителей связан с повышением степени легирования, то возрастание концентрации доноров увеличивает вероятность столкновения носителей с ионами доноров и снижает подвижность. Использование гетеропереходов позволило разрешить это противоречие: двухмерный электронный газ обеспечивает возможность получения слоя с повышенной концентрацией носителей без увеличения концентрации доноров. Пространственное разделение ионов доноров и свободных электронов дает возможность получать высокие концентрации носителей одновременно с высокими значениями подвижности.

Изменение степени легирования в данных транзисторных структурах нашло отражение в их названиях "модуляционно легированный" или "селективно легированный".

Возможны и другие варианты транзисторной структуры с высокой подвижностью электронов (HEMT), например, с каналом в слое GaAs (узкозонный полупроводник) и слоем "поставщика электронов" – широкозонный полупроводник – AlInAs.

Подвижность в канале GaInAs при 300 °K достигает 10000 см²/(В•с). Обеспечивается высокая плотность заряда в слое двухмерного электронного газа (3 – 4,5)•10¹² см^–2.

При этом необходимо отметить, что все эти качества в транзисторе с высокой подвижностью электронов (HEMT) в значительно большей степени проявляются при пониженных температурах.

Одним из серьезных препятствий на пути реализации возможностей транзисторов с высокой подвижностью электронов является наличие глубоких ловушек для электронов при высоком уровне содержания алюминия в AlGa_1–xAs_x. Для получения слоя с двухмерным электронным газом необходимы значения X>=0,2, но при этих значениях глубокие ловушки приводят к срыву стоковых ВАХ, повышению уровня генерационно-рекомбинационных шумов и даже к появлению эффекта фоточувствительности.

В качестве меры противодействия предлагается получать слой двухмерного электронного газа на границе раздела AlGaAs/InGaAs. Другими словами, эта модификация транзистора отличается введением между слоем AlGaAs (30 – 40 ангстрем) и нелегированным GaAs (1 мкм) слоя InGaAs толщиной в 200 ангстрем. Эта модификация получила название псевдоморфного транзистора с высокой подвижностью электронов. Объясняется действие слоя InGaAs тем, что этот материал имеет меньшую, чем арсенид галлия, ширину запрещенной зоны. Именно это дает возможность успешно использовать в паре с ним AlGaAs с низким содержанием алюминия (X=0,15).

Поскольку у InGaAs зона уже, чем у GaAs, то он может играть роль узкозонного полупроводника в гетеропереходе с арсенидом галлия, и квантовый колодец может быть получен и в этом гетеропереходе.

Что же значит название "псевдоморфный"? Если "аморфный" обозначает отсутствие упорядоченной структуры, то "псевдоморфный" говорит нам о "псевдониме", о присвоении чужой "фамилии".

Дело в том, что слой InGaAs наносится на GaAs, а затем на него наносится слой AlGaAs. Решетки AlGaAs и GaAs близки, их расхождение составляет сотые доли процента. Расхождение же решеток GaAs и InGaAs – около 1%. Согласование решеток достигается в этом случае за счет эластичности слоя InGaAs. При этом тонкий слой In_0,15Ga_0,85As оказывается неестественно сжат, отражая структуру арсенида галлия, трансформирую свою "природную" кубическую структуру в несвойственную для этого материала тетрагональную.

Для толщины такого "псевдоморфного" слоя существует критическая величина, зависящая от содержания индия. В данном случае это 200 ангстрем.

Гораздо лучше изученный In_0,53Ga_0,47As (он хорошо согласуется с InP) дает критическое значение толщины слоя в 35 ангстрем и поэтому не может быть использован в транзисторной технике.

Развитие техники псевдоморфных транзисторов приводит нас и к многослойным структурам с тремя и более квантовыми колодцами. К преимуществам транзисторов этого типа относят, например, высокую плотность носителей заряда в слое двухмерного электронного газа, вдвое превосходящую плотность носителей заряда в "стандартном HEMT", и более высокую подвижность и скорость насыщения. В качестве преимуществ отмечается также общность многих технологических процессов и оборудования с применяемыми при изготовлении HEMT и MESFET транзисторов.

Однако приводимые в публикациях сравнительные характеристики этих трех типов транзисторов не показывают сколь-нибудь существенных преимуществ "псевдоморфного" HEMT по сравнению со "стандартным". Так, на частоте 62 ГГц они имеют коэффициент шумов 2,4 и 2,5 дБ при усилении в 4,4 дБ и плотность выходной мощности на единицу длины затвора 0,43 и 0,41 Вт/мм. Существенно различается только КПД, значения которого составляют 28 и 14% соответственно.

Первое практическое применение транзисторы с высокой подвижностью электронов нашли в системах спутниковой связи диапазонов 12 – 18 и 18 – 26,8 ГГц.

Испытания этих транзисторов в малошумящей аппаратуре наземных станций спутниковой связи в диапазоне 20 – 30 ГГц показали возможность получения усиления на малом сигнале в 33 дБ. При этом уровень шумов в линии передачи был снижен до 1,71 дБ, что почти вдвое ниже, чем в устройствах, использующих обычные полевые транзисторы на арсениде галлия.

Эти результаты открывают новые возможности развития спутниковой связи. В настоящее время во всем мире для спутниковой связи используются три пары частот: 6/4, 14/12 и 30/20 ГГц. Первая из частот в каждой паре обеспечивает связь в линии "земля – спутник", вторая – "спутник – земля". Первые две пары частот в настоящее время практически переполнены, и возможности дальнейшего развития спутниковой связи следует искать в более высокочастотном диапазоне.

HEMT-транзисторы с двумя гетеропереходами при испытаниях показали высокую плотность тока и высокие пробивные напряжения затвора. На 20 ГГц была получена выходная мощность в 660 мВт при усилении в 3,2 дБ и КПД примерно 19,3%. На 30 ГГц получены: отдаваемая мощность – 210 мВт, усиление – 2,0 дБ, КПД – 7,5%.

Транзисторы этого типа превосходят обычные GaAs-транзисторы по многим высокочастотным параметрам. Так, крутизна преходной характеристики HEMT-транзисторов при минимальном уровне шумов в 1,5 раза превосходит крутизну обычных GaAs полевых транзисторов. Это дает возможность получить усиление в 8 дБ на частоте 20 ГГц, что недостижимо для последних.

Необходимо отметить, что вне зависимости от того, какой термин будет нами принят для обозначения данного типа транзистора, это техническое решение, использующее один слой двухмерного электронного газа, является всего лишь первым шагом. Дальнейшим развитием этой идеи является использование сверхрешеточных структур, насчитывающих от 100 до 200 слоев при толщине слоев от 5 до 25 ангстрем. Функции, выполняемые сверхрешеткой, в различных модификациях транзистора могут быть различными, в некоторых случаях параметры транзистора улучшаются, хотя механизм этого улучшения неясен.

Указанные конструкции носят название планарных. Основано такое название на том факте, что здесь все три основных электрода транзистора: исток, сток и затвор – расположены в одной плоскости.

Полевые СВЧ-транзисторы работают, как правило, с истоком в качестве общего, заземленного электрода. И вот именно проблема заземления истока представляет собой существенную сложность. "Земляная" – обратная – сторона подложки используется и как общий электрод (масса), и как тепловод, особенно для мощных каскадов.

Необходимость подсоединения кратчайшим путем всех истоков на общую поверхность требует непростого конструкторско-технологического решения – например, контактирования истоков с обратной стороной подложки через сквозные отверстия во всей многослойной структуре (via holes).

Одним из возможных решений может являться конструкция транзистора с затвором и истоком, расположенными друг против друга: транзистор с противолежащими истоком и стоком (OGST – opposed gate-source transistor). В литературе можно встретить также название "транзистор с вертикальной структурой". В предлагаемой конструкции подложка из полуизолирующего арсенида галлия с нанесенными на ее поверхность слоями AlGaAs и GaAs служит основой будущего транзистора с высокой подвижностью. Затвор в этой конструкции располагается между двумя контактами стока. Под исток с обратной стороны подложки протравливается строго сцентрированное относительно затвора и стоков отверстие и заполняется металлом.

Предполагается, что обычные конструкции полевых транзисторов обладают очень большими значениями входных емкостей, во много раз превосходящими активную емкость затвора, и значительной индуктивностью истока, даже при заземлении истока через сквозные отверстия. Эти паразитные параметры ограничивают в значительной степени возможности использования таких транзисторов в миллиметровом диапазоне.

Предлагаемая конструкция обеспечивает не только уменьшение индуктивности истока, но и повышение крутизны передаточной характеристики (практически вдвое) за счет симметричного расположения стоковых электродов по обе стороны от затвора, снижение потерь в линиях передачи на входе (затвор – исток) и выходе (сток – исток) за счет согласования их импедансов.

Отметим некоторые особенности технологии изготовления транзисторов этого класса:

1. В технологическом процессе используется молекулярно-лучевая эпитаксия. В качестве подложек применяются пластины арсенида галлия.

2. Вольфрамовые электроды затворов изготавливаются с помощью электронно-лучевой литографии и реактивного ионного травления. Получены электроды шириной менее 0,25 мкм и высотой более 1 мкм.

3. Активные области стоков легируются кремнием с помощью ионной имплантации.

4. Совмещение элементов прибора с двух сторон подложки (затвор и исток) проводится в инфракрасном свете.

5. Возможны два варианта транзистора этой конструкции: на однородной активной области канала и с гетеропереходом и слоем двухмерного электронного газа (по типу HEMT).

Особо следует отметить двухзатворный вариант полевых транзисторов. Эта конструкция особенно удобна для использования в схемах автоматической регулировки усиления или в каскадах с управляемым усилением, как это требуется, например, в модулях фазированной антенной решетки.

Гетеропереход в эмиттере позволяет существенно увеличить коэффициент инжекции эмиттера. Обычно увеличение (приближение к единице) коэффициента инжекции достигается за счет существенной разницы в степени легирования областей эмиттера и базы. Стремление уменьшить величину сопротивления базы заставляет увеличивать степень легирования базы, что приводит к возрастанию в прямом токе перехода "эмиттер – база" доли тока инжекции носителей из базы в эмиттер.

Использование для области эмиттера и области базы полупроводников с различной шириной запрещенной зоны (гетеропереход) резко ограничивает инжекцию носителей в эмиттер даже при высоком уровне легирования базовой области. В результате сопротивление базы резко снижается, а коэффициент усиления по току при этом может достигать 500. В перспективе рабочие частоты таких транзисторов могут охватить 50 – 100 ГГц.

В заключение необходимо отметить, что отнюдь не каждый вариант СВЧ-транзистора по своим технологическим особенностям допускает его реализацию в составе монолитной ИМС.

Технологическая несовместимость может закрыть путь к оптимальному режиму, и если выбор другого, технологически совместимого, типа транзистора невозможен, то будем вынуждены обратиться к гибридному варианту решения как к единственно возможному.

Гибридный вариант нежелателен не только в силу соображений большой трудоемкости. Определенные сложности возможны при проектировании входных цепей и конструктивных элементов, необходимых для установки бескорпусного транзистора в схему.

Сложности организационного плана могут встретиться и в связи с использованием бескорпусных транзисторов. В ряде случаев поставщик не может гарантировать стопроцентную годность поставляемой им продукции в связи с тем, что проверка некоторых параметров становится возможной только после окончательного монтажа транзистора. Нагладный пример – режим максимально отдаваемой мощности для транзисторов выходных каскадов. Эти проблемы решаются значительно легче, если такие транзисторы изготавливаются на том же предприятии, в том же производственном поцессе, что и гибридная интегральная схема.

Из изложенного следует, что, выбирая тип транзистора, нельзя ограничиваться только оценкой его технических параметров, а следует оценить также и то, в какой степени технологические процессы его изготовления могут вписаться в технологию монолитной ИМС. А для этого совершенно надо иметь представление о технологических процессах микроэлектроники: методах и режимах нанесения различных слоев, возможностях различных методов литографии (оптической, рентгеновской, электронно-лучевой), включая различные варианты сухого и мокрого травления, особенностях ионной имплантации и отжига и т. п.