Конструкция и технология СВЧ-транзисторов Х-диапазона для систем радиолокации

24

На правах рукописи

Курмачев Виктор Алексеевич

КОНСТРУКЦИИ и ТЕХНОЛОГИЯ СВЧ GaN ТРАНЗИСТОРОВ Х-ДИАПАЗОНА ДЛЯ СИСТЕМ РАДИОЛОКАЦИИ.

05.27.01-твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва – 2013

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии «Научно-производственное предприятие «Пульсар».

Научный руководитель: доктор технических наук,

старший научный сотрудник

Колковский Юрий Владимирович

Официальные оппоненты: Косов Александр Сергеевич

доктор технических наук,

заведующий лабораторией

Института космических исследований РАН

Щука Александр Александрович,

доктор технических наук, профессор,

профессор кафедры

полупроводниковых приборов

МГТУ МИРЭА

Ведущая организация: ФГУП «НПП «Исток»,

г. Фрязино, Московской области

Защита состоится 28 _06 2013 г. В 16-00 часов на заседании диссертационного совета Д212.131.02в МГТУ МИРЭА по адресу: 119454, г. Москва, проспект Вернадского, 78.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ МИРЭА по адресу: 119454, г. Москва, проспект Вернадского, 78. Автореферат диссертации размещен на сайте МГТУ МИРЭА www.mirea.ru

Автореферат разослан «___» _____ 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

к.ф.-м.н. А.Н. Юрасов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность

Анализ основных направлений работ по созданию нового поколения радиолокационных систем показывает, что в настоящее время в Х-диапазоне наиболее перспективным является применение в них СВЧ транзисторов на основе новых широкозонных полупроводниковых материалов, таких как нитрид галлия [Л1].

Эти приборы могут работать при более высоких температурах по сравнению с приборами, созданными на основе кремния или арсенида галлия. Более высокие пробивные напряжения в GaN СВЧ транзисторах позволяют реализовать более высокие рабочие напряжения, большие рабочие токи насыщения и больший уровень импульсной СВЧ мощности по сравнению с GaAs СВЧ транзисторами.

Отмеченные преимущества GaN СВЧ транзисторов позволяют создавать твердотельные СВЧ блоки и модули, предназначенные для антенных фазированных решеток РЛС и других радиоэлектронных систем с учётом требований по минимизации массо-габаритных характеристик аппаратуры при обеспечении устойчивости к внешним дестабилизирующим факторам [Л1].

Решению актуальной задачи создания конструкций и технологии мощных GaN СВЧ транзисторов на основе совокупности новых научно-обоснованных технических и технологических решений посвящена настоящая диссертация.

Целью данной работы является разработка конструкций и технологии GaN СВЧ транзисторов, обеспечивающих необходимый отвод тепла от активной области транзистора и защиту от электрического пробоя при воздействии мощных импульсных СВЧ сигналов.

Для достижения поставленной цели в работе:

1) проведен анализ конструкций, технологических процессов создания GaN СВЧ транзисторов и технологического оборудования для разработки и производства СВЧ транзисторов;

2) проведены исследования и моделирование тепловых и электромагнитных процессов в GaN СВЧ транзисторах при воздействии СВЧ мощности;

3) проведена оптимизация технологического процесса создания мощных СВЧ транзисторов Х-диапазона;

4) изложены результаты экспериментальных исследований и практического применения предложенных теплоотводящих конструкций и технологических процессов в GaN СВЧ транзисторах для радиолокационных систем X-диапазона.

Научная новизна

1. На основе численного решения нестационарного уравнения теплопроводности для цилиндрической симметрии определены перегревы в области канала многослойных AlGaN/GaN СВЧ транзисторов с высокой подвижностью электронов в зависимости от мощности, длительности и скважности радиоимпульсов. Результаты расчетов показали, что для AlGaN/GaN СВЧ транзистора Х-диапазона применение теплопроводящих подложек на основе полиалмаза, выращенного на кремнии, обеспечивает лучший отвод тепла по сравнению с подложками на карбиде кремния при толщине слоя кремния менее 10 мкм при длительности импульса более 50 мкс.

2. Показано, что слой полиалмаза на поверхности AlGaN/GaN СВЧ транзистора Х-диапазона толщиной 1мкм уменьшает неравномерность температуры поверхности кристалла транзистора с 70^оС до 40^оС в импульсном режиме при выходной плотности мощности 8 Вт/мм, длительности импульса τ=300мкс и скважности Q=50.

3. Предложен новый AlGaN/GaN СВЧ гетеротранзистор с высокой подвижностью электронов, включающий подложку из монокристаллического кремния p-типа проводимости с выполненным на ней буферным слоем из AlN, поверх которого выполнена теплопроводящая подложка в виде осажденного слоя поликристаллического алмаза, на другой стороне подложки выполнена эпитаксиальная структура AlGaN/GaN СВЧ гетеротранзистора, а между истоком, затвором и стоком выполнен слой изолирующего поликристаллического алмаза.

4. Установлено, что использование металлизации для контакта Шоттки AlGaN/GaN СВЧ транзисторов с высокой подвижностью электронов на основе системы Ir/Au с последующей обработкой в азоте при температуре порядка 500^оС обеспечивает значения токов утечки барьера Шоттки в 4 раза меньшие, чем для традиционно используемой системы Ni/Au. Полученный результат объясняется меньшим значением коэффициента диффузии иридия в AlGaN по сравнению с коэффициентом диффузии никеля, а также тем, что высота барьера на границе Ir-AlGaN больше, чем высота барьера Ni-AlGaN.

Практическая полезность

1.Разработаны и внедрены технологические процессы создания мощных AlGaN/GaN СВЧ гетеротранзисторов с высокой подвижностью электронов, предназначенных для создания блоков радиолокационных станций, работающих в Х-диапазоне (8-12 ГГц).

2. Предложена новая конструкция мощного СВЧ наногетеротранзистора с высокой подвижностью электронов, содержащего базовую подложку из кремния, теплопроводящий поликристаллический слой алмаза, эпитаксиальную структуру на основе AlGaN/GaN, буферный слой (AlN или HfN), отличающаяся тем, что базовая подложка из кремния выполнена толщиной менее 10 мкм, слой теплопроводящего поликристаллического алмаза имеет толщину, 0,1 мм, а на поверхности эпитаксиальной структуры последовательно размещены дополнительный слой теплопроводящего поликристаллического алмаза и барьерный слой из двуокиси гафния толщиной 1,0-4,0 нм.

3. На основе методов контроля неоднородности поверхностного сопротивления по площади напыляемых слоев омических контактов к истоку и стоку СВЧ транзисторов на AlGaN/GaN гетероструктурах, обеспечивающих контроль неоднородности толщины осажденных металлизированных слоев по площади с точностью 1%, установлено, что при создании омических контактов на основе Ti, Al, Ni и Au неоднородность их поверхностного сопротивления не превышает 6% при нанесении пленок на подложки диаметром 4 дюйма.

4. Для создания твердотельных модулей, включающих AlGaN/GaN-HEMT и Si-МИС предложен мультисистемный производственный процесс на основе трехуровневой структуры, состоящей из раздельных производственных помещений (кластеров) для операций создания барьеров Шоттки и омических контактов для AlGaN/GaN/SiC-HEMT, диффузии, нанесения металлов и диэлектриков для Si-МИС, общих кластеров литографии, «мокрого» и «сухого» травления и отмывки пластин и общих производственных участков корпусирования, присоединения выводов и измерений параметров приборов

5. Основные результаты исследований, проведенных в данной работе, использованы при разработке технологии СВЧ транзисторов: 3ПШ 997А, 3ПШ 997Б, 3ПШ 997В, 3ПШ988А. Указанные транзисторы использовались при создании твердотельных СВЧ модулей БКВП.468714.033, БКВП.468173.020 БКВП.468714.030.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Применение в AlGaN/GaN СВЧ транзисторе Х-диапазона теплопроводящих подложек на основе полиалмаза, выращенного на кремнии, обеспечивает лучший отвод тепла по сравнению с подложками на карбиде кремния при толщине слоя кремния менее 10 мкм при длительности импульса более 50 мкс.

2. Слой полиалмаза на поверхности AlGaN/GaN СВЧ транзистора Х-диапазона толщиной 1мкм уменьшает неравномерность температуры поверхности кристалла транзистора с 70^оС до 40^оС в импульсном режиме при выходной плотности мощности 8 Вт/мм, длительности импульса τ=300мкс и скважности Q=50.

3. Использование металлизации для контакта Шоттки AlGaN/GaN СВЧ транзисторов с высокой подвижностью электронов на основе системы Ir/Au с последующей обработкой в азоте при температуре порядка 500^оС обеспечивает значения токов утечки барьера Шоттки в 4 раза меньшие, чем для традиционно используемой системы Ni/Au.

4. Для создания систем на кристалле, включающих AlGaN/GaN-HEMT и Si-МИС необходим мультисистемный производственный процесс, на основе трехуровневой структуры, состоящей из раздельных производственных помещений (кластеров) для операций создания барьеров Шоттки и омических контактов для AlGaN/GaN/SiC-HEMT, диффузии, нанесения металлов и диэлектриков для Si-МИС, общих кластеров литографии, «мокрого» и «сухого» травления и отмывки пластин при соблюдении дополнительных условий очистки, исключающих влияние газов и загрязнений, в первую очередь, на кристаллы AlGaN/GaN-HEMT и общих производственных участков корпусирования, присоединения выводов и измерений параметров приборов.

Апробация работы

Содержание и результаты работы доложены и обсуждены:

-на VII международной научно-технической конференции «Вакуумная техника, материалы и технология», Москва, КВЦ «Сокольники» 10-12 апреля 2012 г.;

-на XIX научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Вакуумная наука и техника», Республика Украина, Судак, сентябрь 2012 г.

- на XI научно-технической конференции «Твердотельная электроника, Сложные функциональные блоки РЭА – «Пульсар-2012», Дубна 17-19 октября 2012 г.

- на Всероссийской научной конференции – Научной Сессии НИЯУ МИФИ, Москва 1-6 февраля 2013 г.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 16 печатных работ, в том числе 7 работ – в рецензируемых журналах, установленных ВАК по выбранной специальности. Получен патент на полезную модель и положительное решение по заявке второго патента на полезную модель.

Личный вклад автора в результаты работы

Основные теоретические результаты получены автором самостоятельно и опубликованы в ряде работ в том числе – в рецензируемых журналах, установленных ВАК по выбранной специальности. Во всех экспериментальных исследованиях автор принимал непосредственное участие в части постановки экспериментов; автор принимал непосредственное участие в разработке технологических процессов создания GaN СВЧ транзисторов, являясь руководителем работ по модернизации и техническому перевооружению производственного комплекса НПП «Пульсар».

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованных источников, включающего 167 наименований. Работа содержит 111 страниц текста, включая 86 рисунков и 10 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируется цель работы и задачи исследования. Указаны научная новизна, положения, выносимые на защиту, и практическая значимость работы.

Глава 1. Анализ конструкций, технологических процессов и методов контроля технологии создания GaN СВЧ гетеротранзисторов и МИС.

В первой обзорной главе проведен анализ конструкций и технологических процессов создания GaN СВЧ гетеротранзисторов с высокой подвижностью электронов.

Рассмотрены тепловые и электромагнитные процессы, ограничивающие уровень выходной СВЧ мощности транзистора.

Проанализированы структура технологического маршрута создания GaN СВЧ транзисторов и основные типы технологического оборудования для обеспечения технологических процессов, входящих в технологический маршрут.

На основании проведенного анализа сформулированы цель и задачи, решаемые в диссертационной работе.

Глава 2. Моделирование и исследование конструкций и технологии мощных GaN СВЧ гетеротранзисторов.