Конструкция и технология СВЧ-транзисторов Х-диапазона для систем радиолокации (1090557), страница 2

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

Текст из файла (страница 2)

Во второй главе приводятся результаты исследований конструкций мощных GaN СВЧ транзисторов, пригодных для применения в блоках радиолокационных станций, работающих в Х-диапазоне (8-12ГГц).

Проведено моделирование тепловых режимов и на его основе разработаны конструкции теплоотводов кристалла GaN СВЧ транзисторов.

Установлено, что реализация отвода тепла от областей его выделения в кристалле в основном определяется теплопроводностью подложки. Расчеты влияния различных материалов подложки на зависимость температуры в канале СВЧ транзистора между затвором и стоком и ее связи с длительностью СВЧ импульса были проведены для следующих материалов: подложек кремния толщиной h=100мкм, карбида кремния толщиной h=100мкм, поликристаллического алмаза толщиной h=100мкм, выращенного на кремнии с остаточной толщиной h₁=10мкм и h₂=20мкм; (рис.1а).

а) б)

Рис.1. Зависимость температуры области канала между затвором и стоком GaN СВЧ транзистора от длительности СВЧ импульса для различных материалов подложки: а) 1 – кремний толщиной h=100мкм; 2 – карбид кремния толщиной h=100мкм; 3 – поликристаллический алмаз толщиной h=100мкм, выращенный на кремнии с остаточной толщиной h₁=10мкм; 4 – поликристаллический алмаз толщиной h=100мкм, выращенный на кремнии с толщиной h₂ =20мкм;б) – карбид кремния с учетом зависимости тепловых параметров от температуры по данным различных источников, указанных в диссертации.

Результаты расчетов показывают, что 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.

Проведенный расчет показал наличие неравномерного распределения температуры по поверхности транзисторной структуры, сформированной на SiC подложке. Неравномерность температуры ΔТ=Т_макс-Т_мин рабочих областей, «многопальцевого» транзистора, где выделяется тепло, относительно температуры областей кристалла, расположенных между каналами, составляет ΔТ≈70ºС. При использовании СВЧ транзистора в импульсном режиме, для снижения тепловых нагрузок активной области транзисторного кристалла необходимо уменьшать величину неравномерности распределения температуры на поверхности кристалла.

Этого можно достигнуть нанесением слоя изолирующего полиалмаза на поверхность, включая области канала между истоком, затвором и стоком GaN СВЧ транзистора (рис.2)

Рис.2. Конструкция, оптимизирующая отвод тепла в кристалле СВЧ транзистора путем нанесения слоя полиалмаза на поверхность кристалла GaN СВЧ транзистора

Расчет максимальной температуры на поверхности кристалла в зависимости от протяженности источника тепла в канале транзистора между затвором и стоком b_Т проводился для структуры с шириной затвора 4 мм при плотности мощности в структуре 8 Вт/мм. При расчете учитывалось, что основной источник тепловыделения в СВЧ транзисторе расположен между затвором и стоком и имеет размер b_Т, близкий к длине затвора L_g ( ~ L_g).

Рис.3. Зависимость максимальной температуры в области между затвором и стоком от протяженности источника тепла b_Т:

1 – без слоя полиалмаза, 2 – со слоем полиалмаза толщиной 1 мкм.

Моделирование тепловых режимов конструкции кристалла СВЧ транзистора с теплопроводящей системой на основе полиалмаза показывает, что использование конструкции (рис.4а), обеспечивающей дополнительный отвод тепла в кристалле СВЧ транзистора через слой полиалмаза на поверхности между истоком, затвором и стоком GaN СВЧ транзистора, уменьшает тепловое сопротивление транзисторной структуры, работающей в импульсном режиме в 1.5 раза.

Рис.4. Структура СВЧ транзистора со слоем полиалмаза на поверхности (а) и зависимость температуры разогрева активной области СВЧ транзистора от длительности СВЧ импульса: 1 – без слоя полиалмаза, 2 – со слоем полиалмаза толщиной 1мкм.

Структура AlGaN/GaN СВЧ транзистора Х-диапазона с теплопроводящей подложкой на основе полиалмаза, выращенного на кремнии с толщиной слоя кремния менее 10 мкм и слоем полиалмаза на поверхности AlGaN/GaN СВЧ транзистора толщиной 1 мкм показана на рис. 5.

Рис.5 Структура AlGaN/GaN СВЧ транзисторе с полиалмазными слоями: 1 – фланец; 2 – слой припоя из AuSn; 3 – медный пьедестал; 4 – подслой из AuSn; 5 – теплопроводящая подложка; 6 – буферный слой из AlN; 7 – подложка из Si; 8 – буферный слой из AlN; 9 – нелегированный слой GaN; 10 – нелегированный слой твердого раствора AlGaN; 11 – слой твердого раствора AlGaN n+ типа проводимости; 12 – слой твердого раствора AlGaN; 13 – исток; 14 – затвор; 15 сток; 16 – изолирующий слой из поликристаллического алмаза.

Для снижения механических напряжений в AlGaN/GaN СВЧ транзисторе с полиалмазными слоями использован буферный слой A1N или HfN (рис.6);

Рис.6. Структура AlGaN/GaN СВЧ транзисторе с полиалмазным слоем и буферными слоями A1N или HfN: 1 - фланец марки МД-40; слой припоя из AuSn; 2- медный пьедестал; 3- подслой из AuSn;4 - базовая подложка из монокристаллического кремния; 5- буферный слой A1N или HfN; 6- теплопроводящий слой CVD поликристаллического алмаза; 7- нелегированный слой из GaN; 8- буферный слой из AlN; 9 - слой твердого раствора из AlGaN (спейс); 10- слой твердого раствора из AlGaN n+типа проводимости; 11- слой твердого раствора из AlGaN (крыша); 12- исток; 13- затвор; 14- сток; 15- омические контакты; 16- дополнительный теплопроводящий слой поликристаллического алмаза; 17- дополнительный барьерный слой из двуокиси гафния.

Для экспериментальной проверки эффективности дополнительного отвода тепла от активной области СВЧ транзистора на рабочую поверхность кристалла транзистора наносилась суспензия алмазного порошка в декане.

Использование слоя суспензии алмазного порошка на поверхности между истоком, затвором и стоком GaN СВЧ транзистора позволило увеличить пробивные напряжения транзисторов в среднем на 20% (рис.7, рис.8).

Рис.7 Вольт-амперные характеристики GaN СВЧ транзистора:

а) – без слоя суспензии алмазного порошка на поверхности между истоком, затвором и стоком; б) – со слоем суспензии алмазного порошка на поверхности между истоком, затвором и стоком.

Рис. 8. Распределение пробивных напряжений U_пр на выборке N=20 GaN СВЧ транзисторов: а) – без слоя суспензии алмаза на поверхности между истоком, затвором и стоком; б) – со слоем суспензии алмаза на поверхности между истоком, затвором и стоком.

Проведенное исследование влияния технологии металлизации барьеров Шоттки на надежность GaN СВЧ транзисторов показало, что при работе в энергонапряженных режимах тепловые перегрузки могут приводить к повреждению барьера Шоттки, что приводит к изменению зависимостей токов утечки затвор-исток I_з от напряженияU_си, (рис.9).

Рис.9. Зависимости токов утечки затвор-исток I_з от напряженияU_зи: 1 – у исходного СВЧ транзистора и 2 – у СВЧ транзистора, поврежденного в результате воздействия выбросов напряжения U_зи.

Показано, что перспективным направлением снижения токов утечки барьера Шоттки GaN СВЧ транзисторов является применением вместо системы Ni-Au системы Ir- Au.

Для изготовления контактов Шоттки на основе иридия использовалась мишень с содержанием иридия 99,9902%, массой 136,36 г, диаметром 51 мм. Напыление иридия и никеля производилось магнетронным методом. Контакты Шоттки GaN СВЧ транзисторов, отжигали при 500^оС в течение 30 мин. в атмосфере азота.

Показано, что эффективность использования конструкций барьера Шоттки на основе металлизации Ir/Au проявляется после температурной обработки (рис.10).

Рис. 10. Зависимости токов утечки затворов Шоттки GaN СВЧ транзисторов I_з от напряжения Uзи СВЧ транзисторов на нитриде галлия для различных систем металлизации: а) – Ni/Au, b) – Ir/Au; 1– до термической обработки, 2 – после термической обработки при Т=500^оС в течение 30-ти минут

Отжиг при 500^оС для систем металлизации Ir/Au обеспечил уменьшение тока утечки барьера Шоттки, более чем в 4 раза по сравнению с током утечки без отжига, рис.10б, тогда как для барьера Ni/Au, обратный ток после отжига при этих же условиях не только не уменьшается, но даже несколько возрастает, рис.10,а. Основной причиной полученного эффекта может быть увеличение высоты энергетического барьера системы металлизации типа Ir/Au при отжиге и меньший коэффициент диффузии иридия по сравнению с коэффициентом диффузии никеля в гетерослое AlGaN.

Это показывает эффективность применения системы Ir/Au для барьеров Шоттки СВЧ транзисторов усилителей мощности Х-диапазона, работающих в энерго-напряженных режимах, поскольку тепловые перегревы (отжиг) не приводят к росту токов утечки.

Глава 3. Технологический маршрут создания СВЧ гетеротранзисторов и интегральных схем на их основе и методы контроля технологических процессов.

В третье главе рассмотрен технологический маршрут создания СВЧ гетеротранзисторов и приведено исследование методов контроля технологических процессов создания GaN СВЧ транзисторов и интегральных схем и приведены результаты оптимизации технологического процесса создания мощных импульсных СВЧ транзисторов.

Блок-схема технологического маршрута приведена на рис.11

Рис.11. Блок-схема технологического маршрута AlGaN/GaN/SiC гетеротранзисторов.

Определен выбор контрольных точек и методов контроля технологического процесса создания СВЧ транзисторов и ИС.

Установлено, что дефекты подложек существенно влияют на параметры СВЧ транзистора, в частности на характеристики двумерного электронного газа (ДЭГ), поэтому в технологическом процессе создания СВЧ транзистора первой контрольной точкой является контроль дефектности подложек. Методы растровой электронной микроскопии (РЭМ) позволяют контролировать качество подложек SiC и гетероструктур AlGaN/GaN/SiC (рис.12).

Рис.12. Включения частиц (углерода) в карбиде кремния

Важнейшим методом контроля подложек SiC является также поляризационный метод, позволяющий выявлять крупные дефекты в SiC (рис.13).

а) б)

Характеристики

Список файлов диссертации