Регистрация / Вход
Прислать материал

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

Номер контракта: 14.578.21.0062

Руководитель: Стриханов Михаил Николаевич

Должность руководителя: Ректор

Докладчик: Каргин Николай Иванович, Профессор

Организация: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ"
Организация докладчика: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ"

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
широкозонный полупроводник, нитрид галлия, нитрид алюминия, гетероструктура, эпитаксия, свч транзистор, силовой транзистор

Цель проекта:
Проект направлен на разработку технологии получения эпитаксиальных широкозонных гетероструктур на основе соединений нитрида галлия и алюминия на подложках кремния и карбида кремния методом молекулярно-лучевой эпитаксии, а также СВЧ и силовых транзисторов с улучшенными параметрами на их основе. Цель проекта – повышение КПД СВЧ транзисторов не менее чем на 10% и обратного напряжения силовых приборов не менее чем в 1,5 раза по сравнению с имеющимися аналогами. Уникальный идентификатор прикладных научных исследований (проекта) RFMEFI57814X0062.

Основные планируемые результаты проекта:
В результате выполнения работ по проекту будут созданы:
- технологии роста гетероэпитаксиальных структур GaN на «чужих» подложках и оптимизирована конструкция HEMT, позволяющие снизить плотность прорастающих дислокаций, а также увеличить подвижность и концентрацию носителей в канале транзистора;
- технологии изготовления СВЧ и силовых транзисторов на основе гетероэпитаксиальных структур GaN, позволяющие повысить рабочий диапазон частот и КПД приборов, увеличить напряжение пробоя, снизить токи утечки, а также решить проблему «коллапса тока».

Основные характеристики экспериментальных образцов гетероэпитаксиальных структур нитридов галлия и алюминия на подложках кремния:
- концентрация носителей заряда в 2DEG не менее 1,15 Х 1013 см-2
- подвижность носителей заряда в 2DEG не менее 1700 см2/(В×с)
- шероховатость поверхности не более 100 нм
- плотность дислокаций не более 109 см-2

Основные характеристики экспериментальных образцов гетероэпитаксиальных структур нитридов галлия и алюминия на подложках карбида кремния:
- концентрация носителей заряда в 2DEG не менее 1,10 Х 1013 см-2
- подвижность носителей заряда в 2DEG не менее 2350 см2/(В×с)
- шероховатость поверхности не более 100 нм
- плотность дислокаций не более 7Х108 см-2

Основные характеристики макетов СВЧ транзисторов:
- рабочий диапазон частот от 8 до 10 ГГц
- значение КПД не менее 35%
- коэффициент усиления по мощности не менее 9 дБ

Основные характеристики макетов силовых транзисторов:
- напряжение пробоя не менее 300В
- рабочий ток не менее 10А.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Основные результаты проекта:
1. Эскизная конструкторская документация на гетероэпитаксиальные структуры на основе нитридов галлия и алюминия на подложках кремния и карбида кремния с улучшенными электрофизическими свойствами.
2. Лабораторная технологическая инструкция получения гетероэпитаксиальных структур на основе нитридов галлия и алюминия на подложках кремния и карбида кремния с улучшенными электрофизическими свойствами.
3. Экспериментальные образцы гетероэпитаксиальных структур на основе нитридов галлия и алюминия на подложках кремния и карбида кремния для СВЧ - и силовых транзисторов.
4. Эскизная конструкторская документация на макеты СВЧ - и силовых транзисторов на основе нитридов галлия и алюминия на подложках кремния и карбида кремния.
5. Лабораторные технологические инструкции получения макетов СВЧ - и силовых транзисторов на основе нитридов галлия и алюминия на подложках кремния и карбида кремния.
6. Макеты СВЧ - и силовых транзисторов на основе нитридов галлия и алюминия на подложках кремния и карбида кремния.

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 апробация данных гетероэпитаксиальных структур в СВЧ и силовых транзисторах.

На сегодняшний день имеются образцы гетероэпитаксиальных структур нитридов галлия и алюминия:
- на подложках кремния компании Azzurro (Германия), обладающие величиной концентрация носителей заряда в 2DEG 1,1 Х 1013 см-2 и подвижности носителей заряда в 2DEG 1600 см2/(В×с);
- на подложках карбида кремния, изготовленных в университете Линчепинг (Швеция), обладающие величиной концентрация носителей заряда в 2DEG 1,04 Х 1013 см-2 и подвижности носителей заряда в 2DEG 2300 см2/(В×с).
Таким образом характеристики разрабатываемых гетероэпитаксиальных структур превышают параметры лучших мировых аналогов.
Параметры заявленных макетов СВЧ и силовых транзисторов на данных гетероструктурах будут также соответствовать параметрам аналогичных приборов компании Toshiba и EPC-Co соответственно.

С целью получения заявленных результатов будут проведены теоретические исследования получения гетероэпитаксиальных структур AlGaN и транзисторов на их основе путем моделирования, экспериментальные исследования основных свойств синтезированных образцов и макетов и сравнительная оценка рассчитанных значений с экспериментальными результатами.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Разрабатываемые СВЧ и силовые транзисторы на основе нитридов галлия и алюминия на подложках кремния и карбида кремния предназначены для использования в электронной аппаратуре широкого применения, включая объекты с экстремальными условиями (космос, повышенная радиационная активность, высокие температуры). Технология изготовления разрабатываемых приборов будет адаптирована к производственной линии индустриального партнера ОАО «ОКБ-Планета» путем проведения последующих опытно-конструкторских и опытно-технологических работ.
Разрабатываемые технологии формирования гетероэпитаксиальных структур соединений нитрида галлия и алюминия, а также СВЧ и силовых транзисторов на их основе позволят производить перспективную Отечественную электронную компонентную базу как гражданского, так и специального назначения путем модернизации имеющегося производства.
На основе проведенных исследований могут быть реализованы опытно-технологические и опытно-конструкторские работы, направленные на организацию серийного производства СВЧ и силовых транзисторов на основе нитрида галлия.

Текущие результаты проекта:
Разработана технология начальных стадий роста структур AlN на подложках SiC. Изготовлены экспериментальные образцы гетероструктур AlGaN/Si и AlGaN/SiC в количестве 10 штук каждого вида. Величина подвижности носителей заряда 2DEG в гетероструктурах составила ~ 1780 см2/В×с и ~ 2420 см2/В×с для AlGaN/Si и AlGaN/SiC соответственно. Разработана технология формирования омического контакта к соединениям на основе AlGaN, позволяющая снизить величину удельного сопротивления контакта до значения 0,2 Ом×мм и менее. Полученные результаты соответствует лучшим мировым аналогам. Проведены теоретические исследования в области влияния топологических параметров на рабочий диапазон частот СВЧ транзисторов и напряжение пробоя силовых транзисторов на основе нитрида галлия. Показано, что для формирования силовых транзисторов, рассчитанных на напряжение пробоя более 300 В, необходимо увеличить расстояние затвор-сток на величину более 5 мкм.