Диссертация (1090806), страница 8
Текст из файла (страница 8)
Для анализа цепей с высокойдобротностью (фильтры, генераторы и т.д.) подходят методы моментов и конечныхэлементов, а для расчетов во временной области метод конечных разностей вовременной области. Для объемных изделий с большим количеством портовоптимальным методом является метод конечных элементов, а при малом числепортов метод конечных разностей во временной области. При моделированииантенн на корпусе или какой-либо другой поверхности, а также вблизичеловеческого тела, оптимальным является метод конечных разностей вовременной области. Для моделирования МИС со встроенными антеннами,оптимальными являются метод моментов и метод конечных элементов.Для моделирования топологии МИС МШУ будет использован методмоментов, а для моделирования антенн – метод конечных элементов, имеющиеся вСАПР Advanced Design System (ADS) фирмы Keysight Technologies.—53 —2.2 Исследования транзисторов2.2.1ИсследованиястатическихиСВЧпараметровНЕМТнагетероструктурах AlGaN/AlN/GaN/СапфирС целью определения оптимального состава и параметров слоевширокозонной гетероструктуры для создания МИС были проведены исследованияНЕМТ на гетероструктурах AlGaN/AlN/GaN/Сапфир с различной толщинойбарьерного слоя от 17 до 28 нм (Таблица 3).Таблица 3 – Параметры гетероструктур AlGaN/AlN/GaN/СапфирПараметрыСодержаТолщина слоев, нмдвумерного№ние Al вэлектронного газаструктурыслояхподвижностьверхний барьерныйсуммарнаяплотностьAlGaN,спейсерносителей,нелегироваслойтолщина,носителейат.
%AlN-22нный GaN AlGaNнм.N2ДЭГ,см300, см /В·сV-1090(2)2251283311.7·10121330V-1095(1)2151183211.5·10121275V-1100(1)2201233211.8·1012135032121360V-114621411711.6·10Как известно, СВЧ параметры современных полевых транзисторов нагетеропереходах главным образом определяются параметрами затвора. Например,предельная частота усиления по току:h =_2aF≈mFa(2.7)т.е. обратно пропорциональна длине затвора Lg [68], [69]. Для транзисторовмиллиметрового диапазона необходимо иметь Lg < 0.25 мкм.
С другой стороны, всоответствии с формулой Фукуи, коэффициент шума может быть представлен ввиде:X = 1 + o a _ a + F(2.8)—54 —Отсюда можно оценить требования к сечению затвора, полагая Rg = ρgWg иRs = ρs/Wg, где ρg и ρs - удельные сопротивления затвора ([ρg] = Ом/мм) и истока([ρs] = Ом·мм) соответственно, и считая, что для оптимального транзистора Rg = Rs,получим ρg = ρs /Wg2. Так, если ρs = 0.2 Ом·мм, Wg = 20 мкм (типичные размеры длятранзисторов миллиметрового диапазона), то получим ρg = 500 Ом/мм, откудаследует, что в случае обычно применяемой металлизации затвора суммарнойтолщиной 0.6 мкм, сечение затвора должно быть не менее 0.4 мкм2. Для болеенизких частот применяются более широкие транзисторы, следовательно, сечениезатвора должно быть еще больше.
Очевидно, что одновременно получить малуюдлину затвора и большое сечение можно только в том случае, если затвор имеетгрибообразную (или T-образную) форму. Таким образом, получение МИСусилителей для определенного частотного диапазона, определяется материаломполупроводника и геометрией затвора [70].Для оценки параметров гетероструктур и исследования влияния толщиныбарьерного слоя AlGaN на статические и СВЧ характеристики НЕМТ на каждойпластине были изготовлены наборы тестовых транзисторов с Wg = 4 x 50 мкм иWg = 8 x 50 мкм, имеющие контактные площадки для зондовых СВЧ измерений(рисунок 2.2).
Технология их изготовления включала следующие операции:- травление меза-структуры;- двухстадийное изготовление омических контактов с промежуточнымвжиганием в атмосфере азота;- электронно-лучевую литографию затворов с Lg < 200 нм (нанолитографRAITH150-TWO);- пассивацию плазмо-химическим осаждением Si3N4;- изготовление воздушных мостов и гальваническое осаждение золота.—55 —а)б)Рисунок 2.2 – топология тестовых транзисторов с Wg = 4 x 50 мкм (а) иWg = 8 x 50 мкм (б)После изготовления пластин с образцами тестовых транзисторов былиизмерены их основные параметры непосредственно на пластинах. Статическиехарактеристики измерялись с помощью характериографа Tectronix, а СВЧхарактеристики -с помощью векторного анализатора цепей E-8361 фирмыKeysight Technologies.2.2.2 Исследование статических характеристик изготовленных образцовтранзисторов на гетероструктурах AlGaN/AlN/GaN/СапфирИзмерения статических параметров транзисторов на всех пластинахпоказали, что имеется большой разброс их начальных токов по поверхностипластин, что свидетельствует о неравномерности ростового процесса.
Примерподобного распределения токов по поверхности гетероструктуры №1095 приведенв таблице 4 и проиллюстрирован ниже.В связи со значительным разбросом начальных токов транзисторов присравнении параметров гетероструктур мы ориентировались на транзисторы стоками близкими к максимальным на данной пластине.Пластина V-1090 (толщина барьера AlGaN - 28 нм) - тестовые транзисторыс начальными токами до 880 мА/мм (среднее значение – 700 мА/мм), крутизной до—56 —220 мСм/мм (среднее значение – 200 мСм/мм) и напряжением отсечки минус 4.55.5 В. Вольт-амперные характеристики изображены на рисунке 2.3.
Как видно изрисунка 2.3 (б) транзисторы выдерживают напряжение затвор-сток более 50 В.5Ey75y100010009000800-1VТок стока, мА/мм.Ток стока, мА/мм800600-2V400-3V2007000V-1 V600500-2 V400-3 V300-4 V200100-4V0-5 V00123456789100102030Напряжение сток-исток, В.Напряжение сток-исток, В.а)б)4050Рисунок 2.3 – ВАХ тестовых НЕМТ AlGaN/AlN/GaN (пластина V-1090) принапряжении сток-исток до 10 В (а) и до 50 В (б)Пластина V1100 (толщина барьера AlGaN – 23 нм) - тестовые транзисторы сначальными токами до 460 мА/мм (среднее значение – 400 мА/мм), крутизной до180 мСм/мм (среднее значение – 150 мСм/мм) и напряжением отсечки минус 3.03.5 В. Вольт-амперные характеристики изображены на рисунке 2.4.
Эта пластинаоказалась наиболее слаботочной из всех исследованных гетероструктур, чтонаходится в явном противоречии с данными изготовителя, приведенными вТаблице 3.Пластина №1095 (толщина барьера AlGaN – 18 нм) - тестовые транзисторыс начальными токами до 620 мА/мм (среднее значение – 450-500 мА/мм), крутизнойдо 250 мСм/мм (среднее значение – 180 мСм/мм) и напряжением отсечки минус4.0-4.5 В.
Вольт-амперные характеристики изображены на рисунке 2.5. Разбростоков транзисторов по данной пластине наглядно виден из Таблицы 4 и рисунка2.6. Очевидно наличие определенной структуры распределения токов по пластине,—57 —что свидетельствует о технологической причине неоднородности тока, вероятно,неравномерность распределения температуры при ростовом процессе. Пробивныенапряжения затвор-сток составляют 25-30 В.57y700+1 VТок стока, мА/мм.6005000V400-1 V300200-2V10000510152025Напряжение сток-исток, В.Рисунок 2.4 – ВАХ тестовых НЕМТ AlGaN/AlN/GaN пластины №11004A+1V7006000VIds, mA500-1V400300-2V200-3V1000051015202530Uds, VРисунок 2.5 – ВАХ тестовых НЕМТ AlGaN/AlN/GaN пластины №1095-1Таблица 4 – Распределение максимальных начальных токов (мА) тестовыхтранзисторов (при напряжении на затворе +1 В) по поверхности пластины V-1095-1Строка/колонка12А-B460430C500410D25590E720185F815575G675—58 —Строка/колонка3456А565750-B595535220385C545550245420D60054040590E615540857.5F6906452550G725655-1000ABCDEF6GCurrent,mA8006004002005String4numberD3EF0GCB21AРисунок 2.6 – графическая иллюстрация распределения максимальных начальныхтоков по поверхности гетероструктуры № 10952.2.3 Исследование СВЧ параметров изготовленных образцов транзисторовна гетероструктурах AlGaN/AlN/GaN/СапфирПроведены измерения СВЧ параметров транзисторов, используемый стендпоказан на рисунке 2.7.
Исследовались те же транзисторы, ВАХ которых былиприведены ранее. При измерениях проводился деембеддинг (от англ. deembedding),то есть процедура исключения влияния контактных площадок на результатизмерения [71], [72].—59 —Рисунок 2.7 – Стенд для измерения СВЧ параметров транзисторовИзмеренные S-параметры и СВЧ характеристики исследованных образцовтестовых транзисторов для трех пластин приведены на рисунках 2.8, 2.9 и 2.10.а) Зависимость коэффициентапередачи от частотыб) Зависимость параметра MaxGainот частоты—60 —в) Зависимость параметра |h21| отг) Зависимость параметрачастотыMasonsGain от частотыРисунок 2.8 - СВЧ параметры одного из лучших НЕМТ AlGaN/AlN/GaNна пластине №1090-2 при напряжениях питания 5, 10, 15 и 20 Ва) Зависимость коэффициентапередачи от частотыб) Зависимость параметра MaxGainот частотыв) Зависимость параметра |h21| отг) Зависимость параметрачастотыMasonsGain от частотыРисунок 2.9 - СВЧ параметры одного из лучших НЕМТ AlGaN/AlN/GaN напластине №1100-2 при напряжениях питания 5, 10, 15 и 20 В—61 —а) Зависимость коэффициентапередачи от частотыб) Зависимость параметра MaxGainот частотыв) Зависимость параметра |h21| отг) Зависимость параметрачастотыMasonsGain от частотыРисунок 2.10 - СВЧ параметры одного из лучших НЕМТ AlGaN/AlN/GaNна пластине №1095-1 при напряжениях питания 5 и 10 В барьерного слояAlGaN от 25 до 15 нмИз анализа полученных результатов видно, что, несмотря на существенноразличающиеся статические характеристики транзисторов на разных пластинах(токи максимальны на пластине №1090, минимальны на пластине №1100 и затемвозрастают на пластине №1095), их усиление на частоте 35 ГГц монотонновозрастает при уменьшении толщины.Длянаглядностиосновныепараметрыисследованныхтранзисторовразличных пластин суммированы в таблице 5.
Величины S21 и MaxGain приведеныдля частоты 35 ГГц, что позволяет провести сравнительный анализ транзисторов.—62 —На рисунке 2.11 приведены зависимости СВЧ параметров НЕМТ от их начальныхтоков для пластины №1095.Таблица 5 – Статические и СВЧ параметры НЕМТ на гетероструктурахAlGaN/AlN/GaN/СапфирСтатическиепараметрыСВЧ параметры НЕМТ№ пласНЕМТтиныMaxGain, дБGm,Ft, ГГцFmax, ГГцS21, дБ (35 ГГц)Idss(0),(35 ГГц)мСм/мА/мммм 5 В 10 В 15 В 20 В 5 В 10 В 15 В 20 В 5 В 10 В 15 В 20 В 5 В 10 В 15 В 20 В10908802203940383684103 118 130 2.0 2.4 2.2 1.8 7.3 8.3 8.8 9.0110046018041484038117163 138 142 2.5 3.3 3.4 3.1 8.5 9.8 10.2 10.4109562025077706356149174 177 175 5.5 6.1 5.8 5.2 10.3 11.2 11.3 11.01146720240-69---1581405.3---10.2--MaxGain9110810079080706050Ft40306543S2121200100100-10FmaxS21, MaxGain, dBFt, Fmax, ГГц120-11150130-200300400500600700-1100200Начальный ток стока, мА/мм.300400500600700Начальный ток, мА/ммРисунок 2.11 - Зависимости СВЧ параметров НЕМТ от их начальных токов(пластина №1095)Как видно, все СВЧ параметры изменяются прямо пропорциональновеличине начального тока транзисторов, независимо от их положения на пластине.Это свидетельствует об общности причины, влияющей на СВЧ параметры и токтранзисторов в разных точках пластины.
Очевидно, эти изменения определяютсяименно качеством гетероструктуры, а не последующих технологических—63 —процессов. Прямо пропорциональная связь между начальным током транзистора ичастотой отсечки Ft, т.е. одновременное увеличение тока и Ft, может быть только вслучае соответствующего увеличения дрейфовой скорости электронов в каналеНЕМТ. В самом деле, поскольку je=enVдр и одновременно Ft =Vдр/2pLg, то эта связьстановится очевидной. Поэтому можно полагать, что наблюдаемый разброс токови СВЧ параметров определяется качеством гетерограницы AlN/GaN, а именно еерезкостью, поскольку присутствие даже небольшого количества Al в каналетранзистора GaN резко снижает, как известно, дрейфовую скорость электронов.Таким образом, проведенные исследования НЕМТ на отечественныхширокозонных гетероструктурах AlGaN/AlN/GaN/Сапфир с различной толщинойбарьерного слоя показали:1) Полученные усилительные параметры широкозонных НЕМТ на пластине1095соответствуютмировомууровнюиудовлетворяютнеобходимымтребованиям для создания МИС диапазона частот 57-64 ГГц.2) Отечественные гетероструктуры AlGaN/AlN/GaN/Сапфир пригодны длясоздания СВЧ приборов V-диапазона (50-75 ГГц).2.3 Использование сквозных отверстий и заземляющей плоскости на нитридегаллия на подложке сапфираНа начальном этапе МШУ рассчитывался по копланарной технологии нанитриде галлия на подложке сапфира, однако при использовании копланарнойтехнологии не удалось обеспечить стабильность усилителя в рабочем диапазоне.Зарубежные усилители на арсениде галлия, у которых показана топология,построены по микрополосковой технологии.
Если в схемах на арсениде галлияиспользование микрополосков не является проблемой, так как пластины легкоутоняются и хорошо химически травятся, то в схемах на нитриде галлия наподложке сапфира создание заземляющей плоскости связано с серьезнымитехнологическимитрудностями.Былопредложеноконструкторско-—64 —технологическое решение этой проблемы, заключающееся в размещении землянойплоскости не на обратной стороне пластины, а на лицевой поверх активной частиМИС через слой фотолака (разработка ИВС РАН). Такое решение изображено нарисунке 2.12, также показаны сквозные отверстия, через которые будетосуществлятьсязаземлениеистоковтранзисторовиконденсаторов,чтообеспечивает общий электрический контакт одного общего электрода.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
