Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка технологий получения эпитаксиальных широкозонных гетероструктур для нового поколения СВЧ- и силовых приборов

Докладчик: Каргин Николай Иванович

Должность: И.о. 1-го зам. директора института функциональной ядерной электроники НИЯУ МИФИ, д.т.н., профессор

Цель проекта:
Повышение КПД СВЧ транзисторов не менее чем на 10% и коммутируемого напряжения силовых транзисторов не менее чем в 1,5 раза

Основные планируемые результаты проекта:
1. Перечень основных результатов:
- Эскизная конструкторская документация на гетероэпитаксиальные структуры на основе нитридов галлия и алюминия на подложках кремния и карбида кремния с улучшенными электрофизическими свойствами;
- лабораторная технологическая инструкция получения гетероэпитаксиальных структур на основе нитридов галлия и алюминия на подложках кремния и карбида кремния с улучшенными электрофизическими свойствами;
- экспериментальные образцы гетероэпитаксиальных структур на основе нитридов галлия и алюминия на подложках кремния и карбида кремния для СВЧ - и силовых транзисторов;
- эскизная конструкторская документация на макеты СВЧ - и силовых транзисторов на основе нитридов галлия и алюминия на подложках кремния и карбида кремния;
- лабораторные технологические инструкции получения макетов СВЧ - и силовых транзисторов на основе нитридов галлия и алюминия на подложках кремния и карбида кремния;
- макеты СВЧ - и силовых транзисторов на основе нитридов галлия и алюминия на подложках кремния и карбида кремния.
2. Основные характеристики результатов:
2.1 Гетероэпитаксиальные структуры нитридов галлия и алюминия на подложках кремния должны обладать следующими основными характеристиками:
- концентрация носителей заряда в 2DEG не менее 1,15 Х 1013 см-2;
- подвижность носителей заряда в 2DEG не менее 1700 см2/(В×с).
2.2 Гетероэпитаксиальные структуры нитридов галлия и алюминия на подложках карбида кремния должны обладать следующими основными характеристиками:
- концентрация носителей заряда в 2DEG не менее 1,10 Х 1013 см-2;
- подвижность носителей заряда в 2DEG не менее 2350 см2/(В×с).
2.3 Сверхвысокочастотные транзисторы на основе гетероэпитаксиальных структур должны обладать следующими основными характеристиками:
- рабочий диапазон частот от 8 до 10 ГГц;
- значение КПД не менее 35%;
- коэффициент усиления по мощности не менее 9 дБ.
2.4 Силовые нормально открытые транзисторы на основе гетероэпитаксиальных структур должны обладать следующими основными характеристиками:
- напряжение пробоя не менее 300В;
- рабочий ток не менее 10А.
3. Научная новизна работы.
При реализации проекта впервые будет осуществлено комплексное исследование взаимосвязи структурных, электрофизических и морфологических свойств гетероэпитаксиальных структур нитрида галлия на подложках кремния и карбида кремния с технологическими и конструктивными особенностями их получения методом молекулярно-лучевой эпитаксии, а также проведена апробация полученных результатов при изготовлении СВЧ и силовых транзисторов.
4. Сопоставление с аналогами.
4.1 Подвижность и концентрация носителей заряда двумерного электронного газа в гетероэпитаксиальных структурах нитрида галлия и алюминия на подложках кремния и карбида кремния будет выше, чем в аналогичных коммерческих структурах компании Azzurro (Германия), а также лучших экспериментальных образцах, полученных в университете Линчепинг (Швеция).
4.2 СВЧ транзисторы, изготовленные на основе гетероэпитаксиальных структур, будут обладать большим рабочим диапазоном частот и КПД по сравнению с аналогичными коммерческими транзисторами компании Toshiba.
4.3 Силовые транзисторы, изготовленные на основе гетероэпитаксиальных структур, будут обладать большими напряжениями пробоя по сравнению с аналогичными коммерческими транзисторами компании EPC-Co.
5. Пути и способы достижения результатов проекта.
В проекте планируется установить конструкцию, условия роста и охлаждения буферного слоев, позволяющие избежать растрескивание гетероструктур и понижающие плотность прорастающих дислокаций. Для уменьшения величины упругих напряжений предлагается исследовать эффективность нескольких подходов. Во-первых, включить в состав буфера слои, выращенные при низких температурах. В настоящее время считается, что такие слои из-за слабой связи с ниже и вышележащими слоями могут играть роль демпфера и предотвращать растрескивание гетероструктур при изменении температуры, в том числе при нагреве транзисторов в процессе функционирования. Планируется исследовать влияние условий роста (температуры, величины и соотношения потоков элементов III и V групп) на структурные свойства низкотемпературных слоев, а также структурные и электрофизические свойства последующих слоев. Во-вторых, использовать короткопериодные AlN/GaN сверхрешетки, которые хорошо проявили себя при росте гетероструктур на подложках сапфира. В-третьих, изменяя условия роста, намеренно формировать трехмерные островки, которые способствуют отклонению и аннигиляции прорастающих дислокаций. В-четвертых, наносить субмонослойные пленки Si3N4, которые также могут служить демпферами, а также стимулируют латеральный рост GaN поверх несплошной пленки Si3N4 и тем самым понижают величину упругих напряжений и плотность прорастающих дислокаций. С целью повышения КПД СВЧ приборов и напряжения пробоя силовых приборов будут предложены соответствующие топологии, в том числе близкое к оптимальному расстояние затвор-сток, а также размеры полевой платы "field-plate".

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Гетероэпитаксиальные структуры нитрида галлия и алюминия предназначены для изготовления на их основе полупроводниковых приборов твердотельной электроники, в частности СВЧ и силовых транзисторов. Разрабатываемые СВЧ и силовые транзисторы на основе нитридов галлия и алюминия на подложках кремния и карбида кремния могут быть использованы в электронной аппаратуре широкого применения, включая объекты с экстремальными условиями (космос, повышенная радиационная активность, высокие температуры).

Текущие результаты проекта:
Проведены патентные исследования.
Проведен сравнительный анализ методов изготовления гетероэпитаксиальных структур нитрида галлия и алюминия на подложках карбида кремния и кремния.
Проведен выбор и обоснование оптимального варианта гетероэпитаксиальной структуры AlGaN/GaN.
Проведены теоретические исследования влияния конструкции широкозонного барьерного слоя на электрофизические свойства гетероэпитаксиальных структур нитрида галлия и алюминия.
Проведен выбор и обоснование оптимального варианта топологии СВЧ и силового транзистора.
Заключены договора на поставку материалов, необходимых для реализации проекта.