GAAS Microwave offset gate self-aligned MESFETs and their applications

G A A S M I C R O W A V E O F F S E T G A T E S E L F - A L I G N E D M E S F E T s A N D T H E I R A P P L I C A T I O N S V . G . La p i n , A . M . T e mn o v , V . A. K r a s n i k , K . I . P e t r o v S t a t e R e s e a r c h a n d P r o d u c t i o n C o r p o r a t i o n " I s t o k " , V o k z a l n a y s t r . 2 a , F r i a z i n o , M o s k o w r e g i o n , 1 4 1 1 2 0 R u s s i a , e - ma i l : i s t k o r @ e l n e t . ms k . r u. A B S T R A C T T h e p r e s e n t p a p e r i s d e v o t e d t o m i c r o w a v e t r a n s i s t o r s , d e v e l o p e d i n S R P C " I s t o k " . D e s i g n , f a b r i c a t i o n a n d c h a r a c t e r i s t i c s o f p o w e r a n d l o w n o i s e G a A s M E S F E T ' s a n d t h e i r a p p l i c a t i o n s a r e p r e s e n t e d i n t h i s p a p e r . T h e l o w n o i s e M E S F E T s e x h i b i t a n o i s e f i g u r e o f 1 . 2 d B a t 1 5 G H z a n d p o w e r M E S F E T ' s s h o w a n o u t p u t p o w e r d e n s i t y o f 0 . 5 W / m m , w i t h a t y p i c a l p o w e r - a d d e d e f f i c i e n c y o f 3 5 % a n d t h e r m a l r e s i s t a n c e o f 1 0 - 1 2°C / W f o r a M E S F E T w i t h a t o t a l g a t e w i d t h o f 4 m m . I N T R O D U C T I O N I t ' s we l l k n o wn t h a t mi c r o wa v e c h a r a c t e r i s t i c s o f G a A s M E S F E T 's d e p e n d o n t h e g a t e l e n g t h . T h e s h o r t e r t h e g a t e t h e h i g h e r t h e o p e r a t i n g fr e q u e n c y . A t p r e s e n t mi c r o w a v e t r a n s i s t o r s a v a i l a b l e a t t h e ma r k e t h a v e t h e g a t e l e n g t h o f 0 . 2 5÷0 . 5 µm a n d t h e r e i s a t e n d e n c y o f i t s r e d u c t i o n d o wn t o 0 . 1 µm. I t ' s a l s o we l l k n o wn , t h a t a n o u t p u t p o we r o f t r a n s i s t o r s d e p e n d s o n t h e t o t a l g a t e wi d t h . P o we r t r a n s i s t o r c h i p s h a v e ma n y g a t e s t r i p e s c o n n e c t e d i n p a r a l l e l . M u l t i g a t e s t r u c t u r e , t o b e e f f e c t i v e , s h o u l d h a v e i d e n t i c a l e l e me n t a r y c e l l s w o r k i n g i n p a r a l l e l . T h i s r e q u i r e me n t c a n b e p r o v i d e d b y i d e n t i c a l g e o me t r y o f t h e e l e me n t a r y c e l l s a n d b y p r o p e r d e v i c e d e s i g n . T h e mo s t i mp o r t a n t p a r t o f t r a n s i s t o r t e c h n o l o g y i s t h e p r o c e s s o f g a t e d e f i n i n g . F o r t h i s p u r p o s e , a n e l e c t r o n b e a m l i t h o g r a p h y ma c h i n e w i t h t h e r e s o l u t i o n o f 0 . 1 µm o r s t e p p e r i s u s e d . T h e e l e c t r o n b e a m ma c h i n e we h a v e a t o u r d i s p o s a l i s ZB A - 2 1 wh i c h h a v e r e s o l u t i o n o f 0 . 2 µm a n d p o s i t i o n i n g a c c u r a c y 0 . 1 5 µm . T h e r e s o l u t i o n o f 0 . 2 µm c a n b e o b t a i n e d o n l y i n a t h i n ( 0 . 3 µm ) l a y e r o f r e s i s t , b u t i n d e f i n i n g g a t e s " t h i c k " ( 0 . 8 - 1 . 0 µm) l a y e r o f t h e r e s i s t s h o u l d b e u s e d t o l i ft o f f t h e g a t e me t a l s u c c e s s f u l l y . I n o r d e r t o o b t a i n a s h o r t g a t e l e n g t h u s i n g o u r ZB A - 2 1 ma c h i n e , we d e v e l o p e d o u r o wn d e s i g n a n d fa b r i c a t i o n t e c h n i q u e o f M E S F E T ' s . T h e k e y f e a t u r e s o f i t a r e : 1 . O r i g i n a l mu l t i g a t e d e s i g n , wh i c h a l l o ws t o d e fi n e g a t e s i n t h e c h a n n e l r e c e s s b y a s e l f -a l i g n e d me t h o d -a n d p r o v i d e t h e o f fs e t o f t h e g -a t e t o t h e s o u r c e -a r e -a . 2 . O b l i q u e e v a p o r a t i o n o f t h e g a t e me t a l t o d e fi n e g a t e s s e t o f f t o t h e s o u r c e a r e a . 3 . V i a h o l e s t o t h e s o u r c e c o n t a c t p a d s ma d e t h r o u g h t h e " t h i n " ( 3 0 -5 0 µm) G a A s , a n d t h i c k b a c k s i d e g o l d me t a l l i z a t i o n . 4 . S e p a r a t i o n o f wa fe r s i n t o c h i p s i s d o n e b y c h e mi c a l e t c h i n g . D E V I C E D E S I G N A N D F A B R I C A T I O N T h e d e v e l o p e d d e s i g n o f a p o we r M E S F E T d i f f e r s fr o m u s u a l o n e . T h e d i f f e r e n c e c a n b e s e e n fr o m F i g . 1 a , wh e r e t h e n e w d e s i g n i s s h o wn s o t h a t y o u c o u l d s e e t h e d i f fe r e n c e wi t h t h e u s u a l o n e ( F i g . 1 b ) . S u c h d e s i g n ( F i g . 1 a ) a l l o ws t o p l a c e t h e g a t e i n t h e c h a n n e l r e c e s s b y o b l i q u e e v a p o r a t i o n , s o t h a t t h e g a t e i s o f f s e t i n t h e r e c e s s t o t h e s o u r c e a r e a , r e d u c i n g p a r a s i t i c s o u r c e r e s i s t a n c e a n d i n c r e a s i n g d r a i n -t o - g a t e b r e a k d o wn v o l t a g e . A l l t h i s l e a d s t o i n c r e a s i n g g a i n a n d o u t p u t p o we r o f M E S F E T ' s . F i g . 2 . i s a s c h e ma t i c i l l u s t r a t i o n o f o u r M E S F E T fa b r i c a t i o n t e c h n o l o g y . H e r e a r e t h e t e c h n o l o g i c a l o p e r a t i o n s : 1 . T h e s o u r c e a n d d r a i n a r e a s a r e s e l e c t i v e l y m e t a l l i z e d w i t h Au G e / N i / A u o h m i c c o n t a c t s . 2 . R e s i s t p a t t e r n i s u s e d t o d e f i n e me s a s . M e s a s a r e f o r me d u s i n g s h a l l o w we t e t c h i n g fo l l o we d b y B+- i o n b o mb a r d me n t .

3 . T h e g a t e o p e n i n g s i n t h e r e s i s t a r e f o r me d b y e l e c t r o n -b e a m l i t h o g r a p h y , t h e n r e c e s s e s a r e fo r me d b y we t e t c h i n g . 4 . G a t e me t a l l i z a t i o n o b l i q u e e v a p o r a t i o n p l a c e s t h e g a t e s t r i p e s i n t o t h e c h a n n e l r e c e s s , t h e s t r i p e s b e i n g o f f s e t t o t h e s o u r c e a r e a . 5 . T h e p a s s i v a t i o n d i e l e c t r i c i s d e p o s i t e d a n d p a t t e r n e d b y o p t i c a l l i t h o g r a p h y . 6 . C o n t a c t p a d s a n d " a i r b r i d g e s " a r e fo r me d b y s e l e c t i v e g o l d p l a t i n g . 7 . G a A s wa f e r s a r e l a p p e d a n d p o l i s h e d t o 1 0 0 µm t h i c k n e s s a n d t h e n e t c h e d t o 3 0÷5 0 µm. 8 . V i a - h o l e s a r e ma d e t h r o u g h G a A s s u b s t r a t e t o t h e s o u r c e c o n t a c t p a d s b y c h e mi c a l e t c h i n g u s i n g a p h o t o r e s i s t a s a m a s k . A n e t c h a n t o f o u r o wn c o mp o s i t i o n i s u s e d f o r t h e p u r p o s e . 9 . T h e b a c k s i d e o f a G a A s wa f e r i s m e t a l l i z e d a n d s e l e c t i v e l y g o l d p l a t e d . T h e t h i c k n e s s o f t h e b a c k s i d e me t a l i s 1 5 -2 0 µm . 1 0 .C h i p s e p a r a t i o n i s d o n e b y c h e mi c a l e t c h i n g . D C A N D M I C R O W A V E P E R F O R M A N C E T yp i c a l D C c u r r e n t - v o l t a g e c h a r a c t e r i s t i c s o f a 0 . 5 x 1 2 0 0 µm M E S F E T a r e s h o wn i n F i g . 3 . T h e d e v i c e e x h i b i t s a v e r y l o w k n e e v o l t a g e o f 1 V a n d a ma x i mu m e x t r i n s i c t r a n s c o n d u c t a n c e o f 1 7 0 mS / m m. T h e g a t e -t o - d r a i n b r e a k d o wn v o l t a g e i s me a s u r e d t o b e 1 6 V a n d g a t e -t o - s o u r c e t o b e 8 V wh i c h i s s u f f i c i e n t fo r p o we r a p p l i c a t i o n . T h e mi c r o wa v e c h a r a c t e r i s t i c s o f 0 . 5 x 1 2 0 0 µm M E S F E T a r e p r e s e n t e d i n T a b l e 1 a n d t h e s a me c h a r a c t e r i s t i c s a r e s h o wn i n F i g 4 . T h e mi c r o wa v e c h a r a c t e r i s t i c s o f s o me t r a n s i s t o r s d e v e l o p e d u s i n g t h i s t e c h n o l o g y p r e s e n t e d i n T a b l e 2 . S -p a r a me t e r s a n d t h e e q u i v a l e n t c i r c u i t o f t h e 2 2 5 0 µm t r a n s i s t o r a r e s h o w n i n F i g . 5 . T h i s t r a n s i s t o r s we r e u s e d i n t h e d e v e l o p me n t a n d p r o d u c t i o n o f mi c r o wa v e p o we r a mp l i f i e r s fo r c o m mu n i c a t i o n s s y s t e ms . P a r a me t e r s o f t h e a mp l i f i e r s a r e p r e s e n t e d i n T a b l e 3 . P o we r a mp l i f i e r s fo r hi gh e r fr e q ue n c y b a nd a r e un d e r d e v e l o p me n t no w. W e h a v e a l s o d e v e l o p e d l o w n o i s e t r a n s i s t o r s wi t h n o i s e fi g u r e ≤1 . 2 d B a n d a s s o c i a t e d g a i n o f 9 d B a t 1 5 G H z , wh i c h we r e u s e d t o d e v e l o p a mp l i f i e r s o f o r i g i n a l c o p l a n a r d e s i g n , a l l e l e me n t s a n d g r o u n d me t a l l i z a t i o n o f wh i c h a r e p l a c e d o n t h e o n e s i d e o f t h e d i e l e c t r i c s u b s t r a t e a n d o n l y t h e M E S F E T a n d t h e d i o d e c h i p s a r e mo u n t e d o n t h e d i e l e c t r i c s u b s t r a t e . T h i s d e s i g n a l l o ws t o i n c r e a s e t h e e l e me n t d e n s i t y a n d t o e x c l u d e h y b r i d c a p a c i t o r s a n d wi r e c o n n e c t i o n s a n d u s e l u mp e d c o p l a n a r e l e me n t s . T h e c o p l a n a r d e s i g n a l l o w s t o u s e t h e fa b r i c a t i o n p r o c e s s wi t h h i g h t h r o u g h p u t a n d r e p r o d u c i b i l i t y . C O N C L U S I O N T h e mi c r o wa v e t r a n s i s t o r s d e s i g n a n d fa b r i c a t i o n t e c h n o l o g y p r e s e n t e d i n t h i s r e p o r t a l l o we d t o d e v e l o p a n d p r o d u c e a fa mi l i e s o f l o w n o i s e a n d p o we r mi c r o wa v e t r a n s i s t o r s u s i n g u s u a l G a A s e p i t a x i a l wa fe r s . T h e t r a n s i s t o r s a r e wi d e l y u s e d i n s e v e r a l mi c r o wa v e d e v i c e s o f S R P C " I s t o k " a n d s h o w h i g h p e r fo r ma n c e : - M e a n t i me t o fa i l u r e ( M T T F ) – 1 07 h o u r s - T h e r ma l r e s i s t a n c e - 1 0÷1 2 °C / W ( 4 m m M E S F E T ) - O u t p u t p o we r d e n s i t y – 0 . 5 W / m m - P o we r a d d e d e f f i c i e n c y - 3 0÷4 0 % T a b l e 1 . P i n -P o u t c h a r a c t e r i s t i c o f a 0 . 5 x 1 2 0 0 µm d e v i c e . I d s s o = 4 0 0 m A f= 1 5 G H z . P i n , mW P o u t , mW G , d B ID, m A VD ηa d d, % 1 5 . 2 5 3 . 2 7 2 . 0 8 2 . 5 1 1 5 . 5 1 0 0 3 5 0 4 5 0 5 0 0 6 0 0 8 . 2 8 . 2 8 . 0 7 . 8 7 . 2 1 9 3 2 0 0 2 0 5 2 0 6 2 1 0 7 . 0 7 . 0 7 . 0 7 . 0 7 . 0 6 . 3 2 1 2 6 2 9 3 3

T a b l e 2 . M i c r o wa v e p a r a me t e r s o f d e v e l o p e d t r a n s i s t o r s . T o t a l g a t e wi d t h , µm P1 d B, mW G1 d B, d B ID Sx VD S, m A x V f, G H z η, % 1 2 0 0 ( 1 8 x 6 6 ) 2 2 5 0 ( 1 8 x 1 2 0 ) 4 0 0 0 ( 3 2 x 1 2 5 ) 6 0 0 9 0 0 2 1 0 0 7 . 0 7 . 0 8 . 0 2 0 0 x 7 3 0 0 x 7 6 0 0 x 8 1 5 1 2 8 3 0 3 5 3 7 T a b l e 3 . M i c r o wa v e p a r a me t e r s o f p o we r a mp l i f i e r s . T yp e f, G H z • p , d B mi n ∆• p , d B ma x P o u t , W U x I , V x A M 1 0 1 5 M 1 4 2 0 M 3 4 3 9 M 1 0 2 0 -4 M 3 4 3 9 -1 0 Y M 5 1 1 1 5 Y M 1 1 1 3 M 8 1 8 4 1 . . 1 , 5 1 , 4 . . 2 3 , 4 . . 3 , 9 1 . . 2 3 , 4 . . 3 , 9 3 , 4 . . 3 , 9 5 , 6 7 . . 6 , 1 7 8 , 1 . . 8 , 4 3 0 3 0 3 3 2 0 1 3 4 0 3 6 4 0 2 2 1 4 1 1 1 1 1 2 1 2 3 6 1 0 1 5 1 0 1 1 + 8 , 6 x6 ; -5 x0 , 2 + 8 , 6 x6 ; -5 x0 , 2 + 8 x1 , 8 ; -5 x0 , 2 + 9 , 5 x3 ; -5 x0 , 2 + 8 x4 ; -5 x0 , 2 + 8 x 1 0 ; -5 x 0 , 4 + 8 x7 ; -5 x0 , 3 + 7 , 5 x6 ; -5 x0 , 2

Fi g.1 a. New d esi gn of Fi g.1b. Usual desi gn of

mult i gate M ES FET's. mul ti gat e MES FET's.

Fi g.2. Schemat ic illus trati on of MES FET

fabri cation t echn iqu e b y obli qu e ev apo ratio n.

F i g . 3 . T y p i c a l D C c u r r e n t -v o l t a g e F i g . 4 . P o u t a n d P A E v e r s u s c h a r a c t e r i s t i c s o f a 0 . 5 x 1 2 0 0 µm d e v i c e . P i n fo r a 0 . 5 x 1 2 0 0 µm M E S F E T .

g m 3 6 5 . 1 4 m A τ 4 . 5 6 p s B o n d i n g w i r e c o n d i t i o n R g 1 . 4 6 7 Ω N u mb e r ( p c p ) L e n g t h ( A p p r o x ) ( m m) D i a ( m m) R s 0 . 4 1 6 Ω D r a i n 3 0 . 4 1 8 R d 2 . 4 2 E -4 Ω G a t e 3 0 . 4 1 8 R g s 0 . 1 3 Ω R d s 4 3 . 7 7 Ω C g s 4 . 1 5 3 p F C g d 0 . 1 6 p F C d s 0 . 7 6 5 p F L g 0 . 1 0 6 n H L s 0 . 0 1 1 5 n H Ld 0 . 1 1 9 n H F i g . 5 . S -p a r a me t e r s a n d t h e e q u i v a l e n t c i r c u i t o f t h e 2 2 5 0 µm t r a n s i s t o r .