Диплом (1089200), страница 4

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

Текст из файла (страница 4)

Технология широкозонных нитридов галлия и алюминия (GaN и AlN) в настоящее время является одной из наиболее интенсивно разрабатываемых в области электронной техники экстремального и военного применения. Прогнозы развития нитридных технологий показывают, что наиболее перспективными для изготовления мощных приборов микро и наноэлектроники являются гетероструктуры AlGaN/GaN. Электрофизические параметры подобных систем позволяют создавать приборы с удельной электрической мощностью более , что значительно превышает предельные параметры устройств на основе гетероперехода AlGaAs/GaAs.

По сравнению с маломощными приборами оптической микроэлектроники на основе твердых растворов AlGa/InN, промышленная технология которых уже широко реализована, технологии мощных приборов, таких как мощные полевые транзисторы на основе гетероперехода AlGaN/GaN, к настоящему времени является лабораторной или мелкосерийной. Это связано с тем, что технология мощных полевых транзисторов на основе GaN имеет ряд существенных проблем, включающих как сложности с получением материала с заданными свойствами, так и проблемы с конструированием самого прибора. Проблемы первой группы обусловлены особенностями кристаллической решетки и отсутствием массивных монокристаллов нитридных соединений, что неизбежно приводит к трудностям эпитаксиального роста активных слоев. Широкозонность материала является причиной второй группы проблем технологии мощных приборов на основе GaN. К этим проблемам относятся инертность материала по отношению к жидким травителям, и трудности в создании омических контактов с низким значением удельного сопротивления.

Структуры современных гетеропереходных полевых транзисторов с барьером Шоттки (ГПБШ или ГПТШ) весьма разнообразны. Рассмотрим обобщенную структуру GaN ГПТШ (рисунок №3), помня, что реальные структуры могут существенно отличаться от нее по количеству слоев, типу их материала, степени легирования и другим параметрам конструкции.

Рис. №3:

Типовая гетероэпитаксиальная структура для изготовления полевых транзисторов.

Основной “элемент” гетероструктуры для изготовления ГПТШ - GaN, равно как и в остальных ГПТШ, в частности на основе GaAs, область двумерного электронного газа (2DEG). Она формируется на поверхности нелегированного слоя GaN граничащего c барьерным Al_xGa_1-xN-слоем. Ширина запрещенной зоны у Al_xGa_(1-x)N выше, чем у GaN, и в области гетероперехода граница зоны проводимости GaN оказывается фактически ниже уровня Ферми — образуется потенциальная (квантовая) яма (рисунок №4).

Поскольку в монокристаллическом нелегированном GaN нет ни примесных центров рассеяния, ни связанных с ними дефектов, подвижность электронов проводимости в нем оказывается весьма высокой – на уровне до при комнатной температуре. Таким образом, в канальном GaN-слое непосредственно под гетеропереходом образуется чрезвычайно тонкий слой с высокой плотностью и подвижностью свободных электронов, поэтому его и называют двумерным электронным газом. Инжекция носителей в потенциальную яму из области барьерного слоя обусловлена двумя факторами. Прежде всего, из-за различной ширины запрещенной зоны GaN и Al_xGa_(1-x)N в области их контакта образуется достаточно сильное электростатическое поле, инициирующее переход свободных электронов из Al_xGa_(1-x)N в потенциальную яму. Кроме того, в области контакта GaN и Al_xGa_(1-x)N (или AlN) из-за несовпадения их кристаллических решеток образуется механическая напряженность. А поскольку кристаллы AlN и GaN сильно поляризованы, возникает пьезоэффект, приводящий к дополнительной инжекции носителей в канал. В результате концентрация электронов проводимости в области 2DEG может превышать 10¹³ [см^-2]. Отметим, что пьезоэффект столь велик, что его одного зачастую достаточно для обеспечения должной концентрации носителей в канале. Так, если в ГПТШ на основе GaAs барьерный слой обязательно легируют кремнием (т.е. получают n-Al_xGa_(1-x)As-слой), чтобы обеспечить источник свободных электронов, то в случае нитрида галлия возможно использовать и нелегированный барьерный слой Al_xGa_(1-x)N. Однако в большинстве GaN-структур барьерный слой легирован. Сочетание высоких значений подвижности и концентрации носителей в канале с широкой запрещенной зоной (3,4 [эВ] при комнатной температуре) обуславливают уникальное сочетание частотных и мощностных свойств GaN ГПТШ. Между барьерным и канальным слоем формируют так называемый sub-buff-слой высокоомного нелегированного AlN или AlxGa1-xN, в последнем случае его зачастую именуют спейсером (spacer). Основное назначение этого тонкого (1—3 [нм]) слоя – предотвратить рассеяние носителей в канале на границе с гетеропереходом, путем пространственного разделения 2DEG-слоя и заряда доноров в ОПЗ в области нелегированного слоя Al_xGa_(1-x)N.

Верхняя часть барьерного слоя образует с металлом затвора барьер Шоттки, который, как и в обычном полевом транзисторе с барьером Шоттки, управляет проводимостью канала. Структура барьерного слоя может быть неоднородной. В частности, зачастую в ней формируют область с повышенной концентрацией Si (так называемое δ-легирование), а также - верхний n⁺-Al_xGa_(1-x)N-cлой (для улучшения омического контакта стока и истока и увеличения концентрации носителей в канале) и т.п. Для минимизации влияния поверхностных состояний на ГПТШ поверх барьерного слоя формируют так называемый cap-слой (легированный, либо нелегированный GaN, AlN, AlGaN), а также пассивирующий слой, например Si₃N₄ (последний характерен для любых полевых транзисторов). Канальный слой выращивают на толстом буферном слое — высокоомном GaN-слое, нелегированном или компенсированном (например, железом) так, что концентрация свободных носителей в нем становится ниже 10¹³ [см^-3]. Основное назначение буферного слоя – электрическая изоляция активных структур на кристалле друг от друга. Кроме того, он должен ослаблять влияние подложки на канал. С технологической точки зрения буферный слой обеспечивает при эпитаксии плавный переход от подложки к совершенной структуре канала. Зачастую структура буферного слоя оказывается достаточно сложной – в ней формируют несколько различных слоев с обратными переходами, сверхрешетками и т.п. Основное требование к подложке – это низкая электропроводность и высокая теплопроводность при приемлемых механических и структурных свойствах. Наиболее распространенные материалы подложек – сапфир, карбид кремния, кристаллический кремний, а также GaN и AlN. Однако, наиболее теплопроводящие материалы – SiC, GaN и AlN – достаточно дороги, что может стать одним из препятствий (безусловно, преодолимых) на пути массового производства GaN ГПТШ.

Рекордная удельная плотность выходной мощности – одно из самых выдающихся достижений в области создания СВЧ-приборов нового поколения на GaN (удельная плотность считается на единицу ширины затвора ГПТШ). Сегодня одним из лидеров этого направления – компанией «Cree» уже создан GaN ГПТШ с затвором длиной и шириной , выходная мощность (Р_вых) которого в непрерывном режиме на частоте 4 [ГГц] составляет более 7,9 [Вт] при коэффициенте усиления по мощности и . Соответственно, удельная выходная мощность прибора . На частоте 8 [ГГц] при и , что почти в три раза превышает предыдущие рекордные характеристики для ГПТШ. Такие высокие параметры были достигнуты благодаря ряду новых конструктивных решений, позволивших увеличить рабочее напряжение сток-исток до 120 [В] и максимальную плотность тока в канале до .

Приборы изготавливались с дополнительным тонким (1–3 [нм]) sub-buff AlN-слоем, располагаемым на границе с GaN-каналом. Высокоомный буферный слой GaN был легирован железом. Формирование sub-buff-слоя улучшает основные параметры двухмерного электронного газа (2DEG) – плотность носителей n_s и их подвижность m_e, препятствуя переходу свободных электронов из 2DEG-слоя на поверхностные состояния и объемные дефекты в барьерном слое AlGaN. В результате в 2DEG-слое произведение подвижности носителей на их плотность достигло , что имеет следствием снижение сопротивления канала в открытом состоянии до значений (2,1 – 2,3) [Ом·мм] и подавлению токовой нестабильности. Как следствие, существенно возросла удельная плотность тока в импульсном режиме.

К резкому росту отдаваемой мощности приводит и увеличение рабочего напряжения сток-исток, поскольку в режиме усиления класса «А» выходная мощность пропорциональна квадрату рабочего напряжения . Очевидно, что максимальное рабочее напряжение пропорционально напряжению пробоя U_пр.си. Вот почему U_пр.си необходимо увеличивать. Рекордные значения параметров GaN-транзисторов фирм «Cree», «NEC», «Fujitsu» получены именно благодаря увеличению рабочего напряжения U_си до (25 – 65) [В] против (7 – 12) [В] для GaAs-приборов. Так, разработчиками компании Fujitsu создан транзистор с рабочим напряжением 63 [В] и выходной мощностью 174 [Вт] при КПД более 54%.

Но, при увеличении напряжения сток-исток возникает ряд сложностей.
Одна из существенных проблем GaN-технологии, препятствующая достижению высоких характеристик – нестабильность тока стока при увеличении напряжения стока, отмеченная уже у первых GaN-транзисторов как ПТШ, так и ГПТШ-типов. Прежде всего, разработчики столкнулись с резким падением тока стока при достижении определенных значений U_си. Это явление назвали коллапсом. Кроме того, обнаружилось ухудшение параметров приборов на высокой частоте, даже если они имели великолепные статические характеристики. Эффект получил название «дисперсия крутизны». Проявился и еще один тип нестабильности GaN-транзисторов – несоответствие в импульсном режиме выходного сигнала на стоке входному сигналу на затворе при изменении его значения, так называемый эффект «задержки затворного сигнала». Исследования показали, что все эти эффекты нестабильности, как и в транзисторах на GaAs, связаны с дефектами материала (ловушечными центрами захвата) как на поверхности в области затвор-сток и затвор-исток, так и в объеме буферного GaN-слоя. Самый простой и эффективный способ борьбы с ловушечными центрами на поверхности – пассивация поверхности готовых транзисторных структур тонкой диэлектрической пленкой SiN_x с определенным зарядом, связывающим поверхностные ловушечные состояния (уровень энергии ловушек Е₁ = 1,8 [эВ]). Пассивация пленкой SiN_x позволяет на 70 – 80 % решать проблему коллапса. Остальные 20 – 30 % нестабильностей обусловлены влиянием ловушечных центров в объеме буферного GaN-слоя. Одна из основных причин образования ловушек как на поверхности, так и в объеме – присутствие в структуре углерода (Е₂ = 2,85 [эВ]). В результате пассивации возрастает ток стока, улучшаются высокочастотные свойства. Однако, крутизна пассивированных транзисторов снижается.

По мере совершенствования качества исходного материала GaN-транзисторов подавление коллапса станет еще эффективнее. В целом же борьбу с коллапсом необходимо вести на всех уровнях изготовления структуры - от подложки и до поверхностных слоев, одновременно совершенствуя технологию транзисторов (процессов обработки поверхности, пассивации, введения различных оптимизированных cap-слоев, формирования углублений под контакты и затвор и др.). Чтобы еще больше повысить рабочее напряжение GaN-транзисторов, над пассивирующим слоем SiN_x в пространстве затвор-сток размещают металлический электрод, соединенный с затвором. С помощью этого метода, названного методом формирования "полевого электрода" (Field-Plate – FP), удалось почти вдвое увеличить рабочее напряжение прибора и устранить коллапс.

Технология Field-Plate наряду с пассивацией поверхности кристалла диэлектрической пленкой уже используется компаниями Cree, NEC и другими при разработке ГПТШ с выходной мощностью более (50 – 100) [Вт] в диапазоне частот 2 [ГГц].

В полевых транзисторах пробивное напряжение затвор-сток, как правило, ниже теоретически возможного. На краю затвора со стороны стока и на краю стокового контакта, обращенного к затвору, напряженность поля значительно выше, чем в пространстве сток-исток. В таких областях наступает преждевременный пробой. Снизить напряженность поля в краевых областях и тем самым увеличить значение пробивного напряжения (соответственно, и рабочее напряжение сток-исток) ГПТШ можно различными способами. Один из них — углубление областей стока и истока, что уменьшает напряженность поля у края стокового контакта. Именно так специалисты компании Fujitsu добились увеличения пробивного (следовательно, и рабочего) напряжения сток-исток.
Высокая рабочая температура - еще одно преимущество GaN-технологии. Транзисторы на GaN, ширина запрещенной зоны которого равна 3,4 [эВ], должны сохранять работоспособность при температурах до 500 – 600°С (рисунок 4)

Характеристики

Список файлов ВКР