1. Введение.

В начале 1993 года разработчики компании «APA Optics» во главе с М.Ханом (M.Khan) сообщили о создании транзистора на основе GaN, которые существенно расширили возможности полупроводниковых приборов СВЧ-диапазона. Такие приборы работают в значительно более широком диапазоне частот и при более высоких температурах, с большей выходной мощностью по сравнению с приборами на основе кремния, арсенида галлия, карбида кремния. Применение транзисторов на основе GaN существенно улучшает параметры усилителей, модуляторов и других основных устройств современных радиоэлектронных систем [1]. Широкополосные беспроводные сети, вездесущие электрические транспортные средства, совершенные контроллеры энергетических систем, малогабаритные надежные твердотельные радары – все эти системы, как и многие другие, могут быть реализованы и улучшены благодаря применению транзисторов на нитриде галлия. При столь перспективном рынке сбыта, разработка и совершенствование GaN-технологии становятся приоритетными при постановке НИОКР в области полупроводниковой техники. С момента появления первого транзистора на GaN в полупроводниковой электронике произошли поистине революционные изменения. Одно из самых важных – возможность создания транзисторов на основе нитридов элементов третьей группы таблицы Менделеева (GaN, AlN, InN – тринитридов) и их соединений, превосходящих по своим параметрам приборы на таких традиционных материалах, как кремний (Si), твердый раствор кремний-германий (SiGe), арсенид галлия (GaAs), фосфид индия (InP) и даже карбид кремния (SiC) [2].

В настоящее время одним из главных направлений СВЧ-полупроводниковой электроники, на котором сосредоточены основные силы разработчиков, является создание AlGaN/GaN-гетеропереходных полевых транзисторов с затвором Шоттки (ГПТШ) с высокими эксплуатационными характеристиками. В некоторых ведущих компаниях в области твердотельной СВЧ-электроники уже налажено серийное производство таких ГПТШ. Однако, массовое производство диктует свои требования к свойствам, параметрам и характеристикам изделий – они должны быть воспроизводимы с высоким коэффициентом выхода годных (КВГ), характеризоваться долговременной и стабильной работой в заданных эксплуатационных условиях, а также обладать приемлемой себестоимостью. Эти параметры GaN-приборов зависят от многих факторов: структуры и уровней легирования эпитаксиальных слоев, топологии (конструкции) транзистора, состава слоев металлизации и барьеров Шоттки, метода изоляции "мезаструктуры" (активной области прибора), типа подложки и ее теплопроводности, параметров корпуса и т.д.

Благодаря уникальному сочетанию электрических и тепловых параметров широкозонный полупроводник GaN является весьма привлекательным для создания новой элементной базы систем связи и локации в СВЧ диапазоне. Разработана технология мощных СВЧ AlGaN/GaN транзисторов с субмикронным (100 нм) Т-образным затвором и рабочими частотами до 50 ГГц. Технология изготовления прибора основана на плазменном осаждении тонких диэлектриков и их прецизионном травлении на установках электронного циклотронного резонанса (ЭЦР). ЭЦР-плазма (высокой плотности и с низкой энергией ионов), позволяет наносить высококачественные диэлектрики при низких температурах (20-200 ⁰C) и осуществлять бездефектное травление диэлектриков с высокой скоростью и разрешением около 100 нм. Важным фактором надежной работы изготовленных транзисторов является пассивация нитридом кремния.

Создание гибридных и монолитных микросхем на GaN-транзисторах является одним из выдающихся результатов в этом направлении, позволившим осуществить изготовление монолитной микросхемы двухкаскадного усилителя мощности с:

Другое их достоинство – это высокие показатели GaN-транзисторов на низких частотах. Приборы на нитриде галлия, благодаря его уникальным электрофизическим параметрам, обладают самым низким по сравнению с существующими транзисторами сопротивлением во включенном состоянии. Это позволит транзисторам на основе GaN заменить и даже транзисторы на основе кремния и карбида кремния в силовых системах, где требуются приборы со значениями рабочего тока более 29 [А] и напряжения 600–1000 [В]. Применение GaN-транзисторов позволит снизить потребление энергии в системах запуска электродвигателей, защиты электросетей от перегрузок и неожиданных отключений, а также обеспечить бесперебойную работу компьютеров (сегодня убытки, связанные с внезапным отключением компьютеров, могут достигать нескольких миллиардов долларов).

Целью настоящей дипломной работы являлась разработка лабораторной технологии ПТБШ на основе GaN с затвором, сформированным с помощью электронной литографии, и изготовление экспериментальных образцов транзисторов, имеющих граничную частоту не менее:

.

1. Основная часть.

   1. Электрические свойства широкозонных полупроводников.

В высокотемпературной электронике условными границами между узкозонными, среднезонными и широкозонными полупроводниками являются значения ширины запрещенной зоны:

и

соответственно. GaAs, имеющий ширину зоны 1,4 [эВ] можно отнести к материалам со средним значением ∆ Еg. Поскольку, при достаточно больших значениях запрещенной зоны ( ∆Е_g ≥ 1,3 [эВ]) глубина ловушек также велика ( ≈ ∆Еg / 2), то среднезонные и широкозонные полупроводниковые материалы (далее - просто широкозонные), можно перевести в диэлектрическое состояние путем их облучения быстрыми протонами, α – частицами и другими видами проникающей радиации, способными создавать структурные дефекты в объеме полупроводника, подвергнувшегося облучению. Данное свойство широкозонных полупроводников часто используется в разработках интегральных микросхем для создания изоляции между их элементами.

На рисунке № 1 приведены основные электрофизические свойства широкозонных полупроводников (ШЗП), определяющие параметры изготовленных на их основе приборов.

Рис. №1:

Сравнительный анализ широкозонных полупроводников для создания ПТБШ.

Граничная частота работы прибора при прочих равных условиях тем выше, чем больше подвижность носителей, скорость насыщения и тем меньше диэлектрическая проницаемость материала. Следовательно, наиболее высокочастотные приборы можно создавать (отвлекаясь от качества полупроводникового материала и его технологичности) не только на основе GaAs, но и на карбиде кремния, алмазе и нитриде галлия.

Для увеличения напряжения пробоя мощного прибора (диода, биполярного и полевого транзисторов, тиристора и биполярного транзистора с изолированным затвором и др.), предпочтение отдается карбиду кремния и алмазу, имеющим высокие значения критических полей:

.

Для создания сильноточных и мощных приборов целесообразно использовать полупроводниковые материалы с высоким значением коэффициента теплопроводности, т. е. карбид кремния ( λ = 4, 9 [Вт/см ∙ К] ) и алмаз ( λ = 22 [Вт/ см ∙ К]).

Однако, основными факторами, определяющими возможность изготовления прибора на основе какого – либо ШЗП, являются их частота и технологичность ( возможность создания омического контакта с низким сопротивлением и барьера Шоттки, низкая плотность объемных ловушек, термостойкость, радиационная стойкость, высокая адгезия металлов к полупроводнику и д.р.)[3]. По совокупности электрофизических свойств и технологичности, в настоящее время лидером (после кремния и арсенида галлия, разумеется) является нитрид галлия (GaN), транзисторы, на основе которого уже в настоящее время имеют рекордные параметры и, по-видимому, в ближайшем будущем потеснят в ряде областей применения кремниевые и арсенид - галлиевые транзисторы.

1. Сравнительный анализ параметров транзисторов на основе широкозонных полупроводников.

Характеристики приборов на основе нитрида галлия были достигнуты главным образом благодаря большому объему работ по исследованию и совершенствованию эпитаксиальных структур на подложках из сапфира, SiC, Si, выращиваемых методами осаждения из паровой фазы металлоорганических соединений (MOCVD), молекулярно-лучевой эпитаксии (MBE) и хлоридно-гидридной эпитаксии (HVPE). Новый метод Me-MOCVD позволил значительно улучшить кристаллическое совершенство эпитаксиальных структур и снизить плотность винтовых дислокаций до 3·10⁸ см-2. С его помощью на подложках диаметром 50, 75 и 100 мм выращены ГПТШ-структуры с существенно улучшенными параметрами. В частности, удалось увеличить пробивное напряжение затвор-сток. Используя метод Me-MOCVD и сформировав тонкий барьерный sub-buff-слой AlN, специалисты компании Cree получили эпитаксиальные структуры с подвижностью носителей в 2DEG-слое свыше 2000 [ ]. Выходная мощность транзисторов с шириной затвора 1 мм, изготовленных на таких структурах, достигла 3,6 [Вт] на 30 [ГГц] и 3,4 [Вт] на 35 [ГГц].

Развитие разработок в области микроэлектроники (СВЧ - компоненты и устройства) на основе нитридов третей группы финансируются во всём мире за счёт бюджетных средств. Такая государственная политика (в первую очередь в США) связана, как упоминалось выше, с чрезвычайно привлекательными перспективами использования СВЧ компонентов и устройств на основе соединений GaN для приборов военного и двойного применения. Необходимо отметить, что современное оборудование для осаждения слоёв Si₃N₄ включено США в перечень продуктов двойного назначения, требует лицензирования при экспорте и, следовательно, имеет потенциальные ограничения при приобретении их российскими предприятиями.

Разработкой структур на основе широкозонных полупроводников для микроэлектроники ведущие мировые компании занимаются более 10 лет и за это время в данной области произошли значительные изменения. На начальном этапе развития технологии безусловным лидером был карбид кремния, но, приборы оказывались очень дорогими, технология продолжала оставаться очень сложной, и коммерческое производство таких транзисторов практически не реализовано. Наряду с совершенствованием технологии карбида кремния, благодаря мощному финансированию работ в области технологии производства другого полупроводника - AlGaN на различных типах подложек (в основном на сапфире и на карбиде кремния), наблюдается бурный рост параметров приборов и схем на основе GaN. Наибольшую мощность обеспечивают транзисторы на AlGaN, осажденном на SiC, что связано с высокой теплопроводностью последнего. Одновременно они являются и самыми дорогими материалами. Рост эпитаксиальных структур на кремнии, несмотря на очевидную дешевизну подложек, пока не даёт результаты вследствие большой дефектности растущего материала. Если оценивать перспективность по объёму вложений в разработки, то, безусловно, будущее СВЧ транзисторов для АФАР видится в приборах из AlGaN на подложке AlN. Данный материал обладает теплопроводностью, сравнимой с SiC, но в несколько раз дешевле, имеет исходную плотность дислокаций ниже, чем в SiC, одинаковый с растущим эпитаксиальным слоем параметр кристаллической решётки и её тип. Гетероструктуры подобного типа обеспечивают практически такую же плотность мощности как и в приборах на основе AlGaN/SiC, но существенно при более низких ценах. К тому же, плотность дислокаций в гетероструктурах на подложке A1N на несколько порядков ниже, что обеспечивает больший срок службы и, возможно, больший процент выхода годных при больших значениях ширины затвора [6].

Нитридные СВЧ транзисторы на сапфировой и кремниевой подложке будут использоваться для производства относительно недорогих высокотемпературных транзисторов малой и средней мощности (до 5-7 [Вт]), на подложке AlN будут изготавливаться мощные (10 - 15 [Вт]) одиночные транзисторы и МИСы, а на подложках SiC будут изготавливаться самые мощные и самые дорогостоящие одиночные транзисторы и МИСы из небольшого числа элементов. Следует отметить, что конструкции нитридных структур подвержены сильной деградации, которая стала причиной того, что анонсированное на 2001-2002 гг. начало коммерческого производства нитридных СВЧ-транзисторов было перенесено на 2006г. Анализ литературы показывает, что разработке перспективных структур основное внимание уделяют все изготовители, в том числе и фирмы, добившиеся высоких результатов (кроме срока службы) в разработке приборов на их основе.

Рис. №2:

Прогноз развития СВЧ-транзисторов на основных освоенных в производстве полупроводниковых материалах.