Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 3)

Анализ современного состояния в области такого рода направлений электронной техники указывает на то, что на ряде ведущих электронных фирм США, Франции, Германии, Японии наблюдается значительный рост целенаправленных исследований в области создания СВЧ, силовой и оптоэлектроники, сенсорной техники на так называемых широкозонных полупроводниковых материалах. Приборы, созданные на этих материалах обладают уникальными свойствами. Большая ширина запрещенной зоны (3,2 [эВ] для SiС и 3,4 [эВ] для GaN по сравнению с 1,1 [эВ] для Si и 1,4 [эВ] для GaAs) позволяет обеспечивать большие пробивные напряжения и высокие рабочие температуры изготовленных на них приборов. Сообщается также о разработках AlGaN/GaN НЕМТ –приборов со значениями f_t, и f_max, превышающими 100 [ГГц], и крайне высокими уровнями плотности выходной мощности (выходной мощности на мм ширины затвора). Транзисторы могут эксплуатироваться не только в нормальных условиях с рекордными параметрами по отдаваемой ВЧ и СВЧ мощности, рабочему напряжению, большой плотности тока, но могут также применяться в "экстремальных" условиях при высоких температурах (до 300-400°С), радиационных потоках (до ), в химически агрессивных средах.

В рамках развития твердотельной электроники предусматривается производство силовых приборов на основе широкозонного материала - карбида кремния (SiС) в танках и самолетах для замены исполнительных гидравлических и пневматических устройств электрическими. Имеются планы создания SiС мощных коммутаторов для систем питания оружия с электрической накачкой, устройств с повышенной устойчивостью к радиационным и электромагнитным поражающим факторам, а так же приборов, твердотельной радиолокации и устройств, интегрирующих оптические и электронные способы обработки информации.

Значительные финансовые вложения позволили американским фирмам создать прототипы карбидокремниевых приборов (транзисторов, диодов, и др.), превосходящих по техническим характеристикам кремниевые аналоги в 3 – 10 раз, и на их основе разработать мощные усилители СВЧ диапазона, которые имеют в 5 раз меньший объем и вес и функционируют без принудительного охлаждения. Экспериментальные датчики на широкозонных полупроводниках используются для контроля высокотемпературных процессов в камерах сгорания двигателей, средствах диагностики ядерных энергетических установок и обеспечения безопасности хранения ядерных отходов.

Как показывают первые наработки, внедрение SiС-элементной базы позволяет отказаться от громоздких и тяжелых специализированных систем охлаждения электронного оборудования, что особенно актуально для бортовой аппаратуры.

По сравнению с существующими полупроводниковыми приборами на традиционных материалах, таких как кремний и арсенид галлия, приборы на широкозонных материалах имеют на порядок превосходство по интегральному критерию «мощность – частота». В области силовой электроники приборы на карбиде кремния превосходят традиционные кремниевые приборы более, чем в 5 раз по импульсно-энергетическим характеристикам. В области оптоэлектроники на этом материале уже созданы фотоприемники, обладающие хорошей чувствительностью в области ультрафиолетового излучения. В области СВЧ мощной полупроводниковой электроники получены рекордные значения по удельной мощности для группы GaN-транзисторов.

Применение СВЧ приборов на широкозонных материалах решает задачу
создания мощных компактных АФАР без громоздкой системы теплоотвода
для устройств наземного, морского и воздушного базирования. Силовые приборы на SiС благодаря повышенным значениям фактора напряжение-ток и высокому быстродействию кардинальным образом изменят облик аппаратуры
электропитания и коммутации. Создание матричных фотоприемников,
чувствительных в ультрафиолетовом диапазоне длин волн, позволит
регистрировать факелы ракетных и реактивных двигателей в условиях
солнечного ослепления в системах раннего обнаружения стартов ракет и
системах наведения ПВО и ПРО. Перспективность приборов на основе
карбида кремния и композиций с нитридами алюминия и галлия (AlN, GaN)
определяется исключительно благоприятным сочетанием электрофизических и химико-технологических характеристик, значительно превосходящих характеристики традиционных материалов современной полупроводниковой электроники (Si, GaAs).

Несмотря на очевидную массу сложностей технического и финансового характера, на Западе создание АФАР однозначно связывают с использованием СВЧ транзисторов, изготовленных на основе гетероструктур на основе широкозонных полупроводников (SiC, GaN, AlN). АФАР на основе ставшего уже традиционным полупроводниковым материалом

GaAs рассматривается как этап переходного периода длительностью 5 - 10 лет, по завершению которого АФАР будут изготавливать только на основе приборов на компонентах широкозонных полупроводников. Основанием для такого подхода является возможность достижения гораздо больших мощностей, более высоких рабочих температур (что позволяет обходиться только воздушным охлаждением) и, по-видимому, большей радиационной стойкости - параметрами, определяемыми физическими свойствами широкозонных полупроводников. Прогнозируемый объём спроса СВЧ - компонент на основе GaN за рубежом со стороны государства столь велик, что обеспечивает высокую рентабельность производства, работающего только на удовлетворение военного заказа. При этом параллельно существует и развивается обширный рынок гражданского применения.

С использованием SiC как подложки получены светодиоды яркого свечения голубого и зеленого света с помощью выращенных эпитаксиальных слоев материалов группы III-нитридов (GaN, AlN, InN). Несмотря на значительные успехи в области разработки приборов на SiC, дальнейший прогресс в этой области сдерживается сложностью технологических процессов при высокотемпературных обработках: диффузии, ионной имплантации и отжига имплантированных слоев, термического окисления и других.

Гетеропереходная структура Al_xGa_(1-x)N/GaN оказалась наиболее уникальной из известных гетероструктурных пар и, как показывают расчеты, по удельной отдаваемой мощности MODFET приборы на основе AlGaN/GaN превосходят кремниевые мощные приборы примерно в 100 раз, приборы на GaAs в 30 раз и даже карбид кремниевые в 3 раза. Концентрация свободных носителей в двумерном электронном газе в таких структурах достигает значений , дрейфовая скорость порядка (при ), подвижность электронов около при Т = 300 [К] и без принудительного легирования слоя канала. Такие высокие электрофизические параметры гетероперехода AlGaN/GaN (на порядок лучше, чем в НЕМТ-структype GaAlAs/GaAs) достигаются не только за счет высокой разницы ширины запрещенной зоны (например в Al_0,5Ga_0,5N/GaN E_g = 1,31 [эВ]), но и вследствие вклада носителей в двумерный электронный газ за счет так называемого пьезоэффекта.

Примером такого уникального использования гетеропереходной пары, имеющей пьезоэффект, является структура GaAlN/GaN. По сравнению с широко известными структурами НЕМТ, например, такими как GaAlAs/GaAs, структуры GaAlN/GaN, сочетая пьезоэффект и эффект образования двумерного электронного газа на гетерогранице, позволяют многократно улучшить потребительские свойства приборов, в частности, удельную плотность мощности на единицу ширины затвора - в десятки раз в разных диапазонах частот вплоть до миллиметрового диапазона. Кроме этого за счет значительно более широкой запрещенной зоны увеличивается температурный диапазон работы приборов вплоть до 500 - 600 °С, повышается напряжение питания транзисторов, уменьшаются токи в токоведуших проводниках, что положительно влияет на характеристики приборов.

Из отмеченного следует, что такие широкозонные материалы как алмаз, карбид кремния и нитрид галлия, а также его соединения с алюминием являются перспективными для создания полупроводниковых приборов нового поколения, так что совершенствование их качества будет активно продолжаться.

В [3] приводятся параметры приборов, показавших лучшие мощностные характеристики в режиме большого сигнала. Проанализировав данные, можно отметить динамику основных параметров приборов. С 1996 года плотность тока в приборе достигла значения ; крутизна g_м, составила . Пробивные напряжения затвор-сток (U_зс) достигли значений 220 [В]; предельная частота единичного усиления по току (f_t) составила 52 [ГГц], а максимальная частота генерации мощности (f_max) достигала значения 111 [ГГц]. Приборы работали на рабочей частоте (f_p) от 1,95 [ГГц] до 20 [ГГц]. В настоящее время плотность СВЧ мощности возросла с 0,13 [Вт/мм] до 6,9 [Вт/мм] при обшей мощности от 0,1 [Вт] на 15 [ГГц] до 10,3 [Вт] на 10 [ГГц]; лучшие значения КПД составили 74% на частоте 3 [ГГц] и 22,5 % на частоте 20 [ГГц]; лучшие значения коэффициента усиления по мощности (К_р) составили 23,5 [дБ] на частоте 1,95 [ГГц] и 11,5 [дБ] на частоте 20 [ГГц]. Значительным успехом является достижение на частоте 30 ГГц уровня мощности 1,47 [Вт] при К_ур = 11,8 [дБ]. Структура транзистора на основе AlGaN/GaN с длиной затвора 0,25 [мкм] и шириной 1,2 [мм] была сформирована на сапфировой подложке.

Динамичное улучшение СВЧ параметров связано главным образом с улучшением качества эпитаксиальных структур (ЭС), улучшением теплопроводности за счет использования в качестве подложки полуизолируюшего карбида кремния и оптимизации параметров ЭС. Кроме того, заметные успехи были достигнуты в снижении сопротивлений омических контактов, значения которых достигают порядка (10^-6 - 10^-7) [Ом ∙см^-2].

Хорошие результаты получены в приборах на ЭС, выращенных методом химического осаждения из паров металлоорганического соединения (MOCVD). Сообщается о СВЧ мощности более 3,3 [Вт] на частоте 15 [ГГц] и 0,594 [Вт] на 20 [ГГц]. Такие высокие значения мощности были достигнуты в приборе, изготовленном на ЭС, выращенных методом MOCVD на полуизолирующей подложке SiC с буферным слоем GaN толщиной (2 - 3) [мкм], на котором выращивался затворный слой A1_0,25Ga_0,75N, легированный Si с концентрацией носителей n = 1∙10¹⁹ [см^-3]. Концентрация носителей в слое двумерного электронного газа у гетероперехода была n = 1,1∙10¹³ [см^-2] с подвижностью при комнатной температуре . Омический контакт был изготовлен по стандартной технологии на основе двухслойной металлизации Ti/Al, вжигавшейся при температуре 900 °С. Омический контакт имел удельное сопротивление R = 0,5 [Ом∙мм²]. Барьер Шоттки изготавливали из слоев Ni/Au. Затвор выполнялся с помощью электронной литографии и имел длину 0,3 [мкм] и ширину 1,6 [мм]. Статические характеристики показали плотность тока сток-исток , напряжение отсечки U_отс = - 4,5 [В], крутизну . При напряжении U_си = 20 [В] крутизна и ток стока I_си уменьшались на 15 % из-за небольшого саморазогрева. В конструкции для соединения истоковых контактов применялись золотые воздушные мостики.

1. Параметры полевых транзисторов на основе GaN.

Исследования широкозонных полупроводниковых материалов (AlGa/InN, SiC, GaP, алмаз и т.п.) за последние пятнадцать лет достигли значительных результатов, уровень которых соответствует началу разработок технологий серийного производства мощных приборов микро и наноэлектроники. Применение широкозонных материалов в качестве активной среды полупроводникового прибора делает возможным использовать такой элемент в экстремальных, по сравнению с приборами на кремнии (Si) или арсениде галлия (GaAs), режимах и условиях (высокие напряжения, повышенные температуры и т.д.). Это особенно важно в связи с растущими потребностями миниатюризации электронных устройств, например, использованием мощных полевых транзисторов в усилительных каскадах передающих СВЧ-систем, что может стать альтернативой вакуумным лампам, которые до сих пор применяются в радиопередающих устройствах военного и гражданского назначения.

Характеристики

Список файлов ВКР