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

Текст из файла (страница 5)

а) ВАХ при комнатной температуре

б) ВАХ при 600 ^оС

Рис. №4:

Температурная зависимость выходных характеристик АlGaN/GaN ГПТШ.

Максимальная температура стабильной работы GaN-транзисторов компаний «Cree», «Fujitsu», «NEC», изготовленных на 4H-SiC- и 6H-SiC-подложках, превышает 200 ^оС даже при значениях рабочего напряжения U_си = 65 [В]. По мере совершенствования качества эпитаксиальных структур и технологии производства, рабочая температура GaN-транзисторов, по-видимому, будет увеличена до 350 – 400 °С. Фирма «Nitronex», приложившая огромные усилия по коммерциализации AlGaN/GaN ГПТШ на более дешевых, но менее теплопроводных кремниевых подложках (по сравнению с SiC), провела серию испытаний этих приборов на надежность при рабочей температуре 200 °С (что уже превышает рабочую температуру кремниевых и арсенидгаллиевых транзисторов). Испытания 45 приборов компании (ширина затвора W_з = 16 [мм], U_{си раб.} = 28 [В]) в течение 1500 ч при Т = 200 °С показали, что они могут работать с обычным воздушным охлаждением, а также подтвердили возможность устанавливать усилители мощности на них в непосредственной близости к антенне передатчика, исключая тем самым потери в длинном соединительном кабеле. Удешевление GaN-приборов возможно за счет применения высокоомных подложек Si. Гетероэпитаксиальные структуры AlGaN/GaN традиционно выращивались на сапфировых подложках с низкой теплопроводностью ( ) или подложках SiC с высокой теплопроводностью ( ). Несмотря на выдающиеся показатели, коммерциализации таких приборов препятствует высокая стоимость подложек, ограничение диаметра пластин (что также увеличивает себестоимость транзисторов) и недостаточно высокая теплопроводность сапфира. О массовом использовании подложек на основе монокристаллических GaN и AlN сегодня говорить преждевременно. Компромиссом между стоимостью и теплопроводностью могут служить подложки на основе кремния. Они доступны, дешевы, характеризуются достаточно высокой теплопроводностью ( ), не ограничены по диаметру пластин и легко поддаются утоньшению, что упрощает формирование в них сквозных отверстий. Кроме того, они перспективны для изготовления комбинированных схем, сочетающих Si и GaN-элементы. Главная трудность при использовании кремниевых подложек – получение в ходе эпитаксии качественного переходного слоя GaN/Si, что обусловлено сильным различием коэффициента теплового расширения и параметров решетки этих двух материалов. Тем не менее, фирмами Японии, Китая, США, Германии и Франции активно и успешно исследуются возможности применения кремниевой подложки. Так, компания «Nitronex» (США) запатентовала технологию «SIGANTIC», позволяющую выращивать на пластине Si высококачественные эпитаксиальные структуры AlGaN/GaN. Совместно с фирмой «Rockwell Collins» ею создан AlGaN/GaN-транзистор на Si - подложке с Р_вых более 120 [Вт] на частоте 2 [ГГц] при K_p = 11,2 [дБ] и КПД более 39 %. На кремниевой подложке фирмой «Daimler Crysler» создан AlGaN/GaN ГПТШ с удельной мощностью (1,65 [Вт] в непрерывном режиме на частоте 2 [ГГц]) [6].

В исследовательской лаборатории ВМС США изготовлен транзистор с удельной мощностью . Появилось сообщение о получении удельной мощности на частоте 10 [ГГц], что стало рекордом 2004 года для GaN-приборов на кремниевой подложке. По фактору шума (K_ш)транзисторы на GaN уже сейчас практически не уступают традиционным приборам на арсениде галлия. Минимальный фактор шума GaN-транзистора с затвором длиной 0,12 [мкм] составляет 0,53 [дБ] на частоте 8 [ГГц]. Для прибора с затвором длиной 0,25 [мкм] получен K_ш = 1,02 [дБ] на 12 [ГГц]. Совершенствование технологии GaN-транзисторов и улучшение качества исходных эпитаксиальных структур позволили достигнуть в последние годы новых рекордов по максимальной крутизне прибора (до ), по граничной f_t и максимальной f_max частотам до 103 [ГГц] и 170 [ГГц], соответственно, а также по удельной плотности тока канала до . Однако, высокая плотность дефектов не позволяет производить надежные изделия с большой площадью поверхности кристалла. Поэтому достигнутые рекордные значения удельной отдаваемой мощности (10 – 30) следует рассматривать скорее как демонстрацию принципиальных возможностей материала. Существенно, что эти показатели получены на приборах с малой шириной затвора – (0,15 – 1,5) [мм]. При этом измерения мощности проводились при U_{макс.си} и U_пр.си, что для долговременной и стабильной работы приборов, как правило, неприемлемо.

На практике с увеличением ширины затвора как GaN- так и GaAs-приборов выходная мощность возрастает по нелинейному закону. И если удельная мощность GaN-транзисторов с малой шириной затвора превышает 10 (против (1 — 1,5) для GaAs-приборов с аналогичной шириной затвора), то с увеличением ширины затвора до 20 – 40 [мм] она падает до 1 – 3 . Тем не менее, это значение в пять-десять раз выше, чем у GaAs-приборов ((0,2 – 0,3) ) с аналогичной шириной затвора.

Гарантированный срок службы прибора – 105 часов. В конечном итоге через два с половиной года с начала работ предполагается освоить производство транзистора с указанным выходом годных монолитной СВЧ-микросхемы (MMIC) усилителя мощности на частоту (8 – 12) [ГГц] с выходной мощностью в непрерывном режиме 15 [Вт], усилением 16 [дБ], КПД 55% и рабочим напряжением 48 [В]. Первоначальная сумма, ассигнуемая на эти работы, составляет 26,9 млн. долл., но если задачи будут успешно выполняться, финансирование может быть увеличено до 59,4 млн. долларов. По мнению участников этой части проекта, привлечение к работам компании позволит добиться успеха раньше намеченных сроков.

1. Конструкции мощных транзисторов и перспективы их применения.

Основной тип СВЧ-транзисторов – полевые транзисторы с барьером Шоттки в качестве затвора, выполненные по арсенид-галлиевой технологии. Между затвором и слоем канала введен слой нелегированного GaAs, назначением которого является повышение 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 10¹² с^-1, носители испытывают за время пролета десятки или сотни соударений. За t = 10¹³ с^-1, 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 его малой длине. Поскольку рост концентрации носителей связан с повышением степени легирования, то возрастание концентрации доноров увеличивает вероятность столкновения носителей с ионами доноров и снижает их подвижность (примесное рассеяние носителей). Использование гетеропереходов позволило разрешить это противоречие: двумерный электронный газ обеспечивает возможность получения слоя с повышенной концентрацией носителей, пространственно отделенного от ионов доноров, что 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".

Необходимо отметить, что вне зависимости от того, какой термин будет нами принят для обозначения данного типа транзистора, это техническое решение, использующее один слой двумерного электронного газа, является всего лишь первым шагом на пути создания многослойных транзисторных гетероэпитаксиальных структур.

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.

Рис. №5:

Исходная гетероэпитексиальная структура.

Рис. №6:

Конструкция полевого транзистора с затвором в виде барьера Шоттки.

Полевой транзистор с затвором Шоттки создается на полупроводниковой подложке GaN, на которой расположен эпитаксиальный слой n-типа (называемый каналом) толщиной около 0,2 мкм, получаемый эпитаксиальным выращиванием (рисунок 6). Иногда между полупроводниковой подложкой и эпитаксиальным слоем вводится буферный слой. Буферный слой ограничивает диффузию примеси из подложки. Исток и сток полевого транзистора наносятся на активный эпитаксиальный слой с помощью фотолитографии. Между истоком и стоком расположен другой электрод, называемый затвором. Обычно длина затвора L составляет 0,2 – 0,6 мкм.

При подаче смещения на выводы полевого транзистора в эпитаксиальном слое образуются обедненный слой с низкой проводимостью. Объемная трехмерная обедненная область, управляемая напряжениями на электродах определяет эквивалентную схему транзистора, а также зависимости элементов эквивалентной схемы от напряжений (рисунки 7, 8).

Рис. №7:

Эквивалентная схема ПТБШ.

Рис. №8:

Физическая эквивалентная схема полевого СВЧ-транзистора.

Топология кристаллов линейной и гребенчатой конструкции изображена на рисунках 9 и 10, а разрезы соответствующих кристаллов – на рисунках 11 и 12.

Рис. №9:

Топология кристалла мощного ПТБШ линейной конструкции (W_з = 500 мкм).

Рис. №10:

Топология кристалла мощного ПТБШ гребенчатой конструкции (W_з = 1,4 мм).

Рис. №11, 12.

Полевые транзисторы с затвором Шоттки находят применение в малошумящих СВЧ усилителях, мощных усилителях, генераторах, смесителях, модуляторах, ограничителях. Для разработчика СВЧ устройств необходимо знать характеристики прибора и его эквивалентную схему. Эквивалентная схема может иметь различную структуру. Важно, чтобы такая модель транзистора как можно точнее отражала поведение реального прибора в широком диапазоне частот и напряжений на выводах.

1. Электронно-лучевая литография.

Процесс электронно-лучевой литографии основан на формировании в слое резиста топологического рисунка с помощью сфокусированного электронного луча. При решении вопроса о технической и экономической целесообразности использования ЭЛЛ на первый план выступают технические характеристики установок, осуществляющих формирование, фокусировку и перемещение луча по заданной программе.

Характеристики

Список файлов ВКР