Регистрация / Вход
Прислать материал

14.578.21.0212

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.578.21.0212
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники"
Название доклада
Исследования по разработке конструкции и технологических принципов изготовления гетеробиполярных транзисторов на основе гетероструктурных соединений А3В5.
Докладчик
Егоркин Владимир Ильич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Создание основ технологии гетеробиполярных транзисторов (ГБТ) на основе арсенида галлия, позволяющих изготавливать собственные транзисторы и монолитные интегральные схемы (МИС), обеспечивающие импортозамещение.
В ходе выполнения прикладного научного исследования и экспериментальной разработки (ПНИЭР) необходимо разработать технологию изготовления гетеробиполярных транзисторов на основе гетероструктур арсенида галлия для использования их в разработках генераторов управляемых напряжением (ГУН) и генераторов фиксированной частоты (ГФЧ). В настоящее время существует серьезное отставание отечественных разработок ГУН и ГФЧ в коротковолновой части см-го диапазона от зарубежного уровня по величине фазовых шумов. Основная причина отставания – отсутствие в РФ технологии гетероструктурных биполярных транзисторов (ГБТ). Создание в РФ технологий и конструкций ГБТ в коротковолновой области СВЧ позволит на 10-20 дБ снизить уровень фазовых шумов отечественных генераторов, что крайне необходимо для импортозамещения в ключевых комплексах ВВТ.
Для успешного преодоления вышеуказанных многолетних проблем необходимо решить ряд задач по разработке ростовых и постростовых технологий. Провести моделирование с использованием современных САПР для определения оптимальной конструкции ГБТ. Разрабатываемые модели должны будут обеспечивать расчет двумерных распределений потенциала, электрического поля, концентрации электронов и дырок в сечении прибора, а также принципиальную возможность расчета статических вольт-амперных характеристик гетероструктурных биполярных СВЧ транзисторов в системе материалов AlGaAs/GaAs на подложках GaAs.
Актуальность и новизна исследования
Последние достижения в развитии СВЧ техники, у нас в стране связано с развитием технологии полевых транзисторов с затвором Шоттки. Однако существует целый ряд применений, где выдвигаются иные требования к параметрам СВЧ приборов, например высокое дифференциальное сопротивление, большее пробивное напряжение, малые токи утечки, низкие фазовые шумы. Такие проблемы можно решать с применением гетеробиполярных транзисторов (ГБТ) на основе гетероструктур арсенида галлия.
Гетеробиполярные транзисторы на сегодняшний день являются одним из самых распространенных СВЧ-полупроводниковых приборов. Это связано с удобством однополярного питания, более простой схемотехникой усилителей и генераторов с малыми фазовыми шумами. Проще оказывается и технология изготовления. По сравнению с полевыми транзисторами для освоения заданного частотного диапазона топологические нормы различаются почти на порядок. Технология контактной литографии оказывается достаточной для изготовления работоспособных активных элементов миллиметрового диапазона длин волн. Этим обстоятельством активно пользуются зарубежные фирмы, наладившие выпуск дешевых кристаллов для мобильных телефонов и базовых станций.
Наша работа нацелена на разработку специальных ростовых и постростовых технологий для изготовления тестовых модулей на основе гетеробиполярных структур с целью определить возможность изготовления в России гетеробиполярных транзисторов и СВЧ-генераторов на их основе. Одновременно с разработкой планируется постановка технологии у Индустриального партнера, сборка макетов генераторов и опробование заказного характера изготовления эпитаксиальных структур.

Описание исследования

  По сравнению с полевыми транзисторами заданного частотного диапазона топологические нормы гетеробиполярного транзистора различаются почти на порядок. Гетеробиполярные транзисторы известной фирмы TriQuint с рабочей частотой до 60 ГГц имеют минимальный топологический размер 3мкм, а полевые pHEMT транзисторы для работы на этой частоте требуют длину затвора 0.15мкм. Конечно, постростовая технология кроме относительно легкой технологии контактного совмещения содержит довольно трудные операции, особенно это операции прецизионного травления слоев полупроводниковой гетероструктуры с толщинами порядка 1000 ангстрем. Необходимо методами химического или плазмохимического травления очень точно остановиться в слое базы и слое коллектора и сделать так называемый «ледж» (отступ от эмиттерного контакта до базы), для уменьшения поверхностной рекомбинации на уровне базы. Особо следует отметить сложность разработки эпитаксиальных технологий, где требуется получать сложные гетерограницы на p-n переходах. Дополнительным преимуществом таких транзисторов по сравнению с полевыми транзисторами является однополярное питание. Все мировые лидеры по разработке и изготовлению приборов и схем на основе гетероструктур арсенида галлия имеют технологии гетеробиполярного транзистора, используемые как для производства СВЧ-микросхем так и фаундри по заказам.
На сегодняшний момент для изготовления ГБТ используются  методы молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ) и металлорганической газофазной эпитаксии (МОСГФЭ). Обе технологии обеспечивают достижение таких параметров гетероструктур, как высокая однородность толщин, составов и уровней легирования эпитаксиальных слоев при низкой (менее 100 см-2) плотности поверхностных дефектов. Установки  МОГФЭ имеют более низкую начальную стоимость, но их эксплуатационные затраты значительно выше, чем у установок МПЭ, т.к. требуется частая замена дорогостоящих расходных элементов реактора. Кроме того для обеспечения работоспособности установок МОГФЭ требуется  оборудование для подачи, очистки и утилизации высокотоксичных и пожароопасных и взрывоопасных газов. Таким образом по стоимости технологического процесса МОГФЭ сравнима с МПЭ, но более требовательна к обеспечению безопасности труда из-за своей  повышенной токсичности, пожаро- и взрывоопасности. Эти обстоятельства определили выбор метода МПЭ как базового для создания гетероструктур ГБТ в рамках настоящей работы.
 Проведены исследования методов эпитаксиального роста  структур гетеробиполярного транзистора. Выбран и отработан метод выращивания методом молекулярно-пучковой эпитаксии на установке Riber. Для реализации высокого β(усиление по току) была выбрана толщина базы менее 100нм с уровнем легирования порядка 1019 см-3.  Использование таких приборов в усилителях мощности предполагает высокое пробивное  напряжение. Для реализации пробивных напряжений около 25В было выбрано легирование коллектора на уровне 1016см-3 и толщина коллектора 700нм. Соединение  AlGaAs с содержанием алюминия 25% служило разделяющим слоем в гетеропереходе эмиттер-база. Структура с последовательностью слоев представалена на постере.

Основные трудности в технологии гетеробиполярных транзисторов связаны с точным травлением полупроводникового материала. Необходимо методами химического или плазмохимического травления остановиться в слое базы и в слое коллектора. Для преодоления этой проблемы нами разработан специальный технологический тестовый модуль, который с помощью измерений вольт-амперных диодных характеристик позволяет останавливаться на нужном эпитаксиальном слое и оценивать качество гетероструктуры с помощью измерений транзистора с широким эмиттером.

На первом этапе работы для проведения СВЧ-измерений и моделирования гетеробиполярных транзисторов разработана  конструкция транзисторов с площадью эмиттера 3×5мкм2, 3×20мкм2, 3×60мкм2 и заземленным эмиттером с возможностью измерений на стандартном зондовом СВЧ-устройстве. Конструкция транзисторов представлена на постере.

Результаты исследования

На первом этапе ПНИЭР в соответствии с календарным планом проведен аналитический обзор по технологическим и конструктивным подходам к решению задач, связанных с созданием гетеробиполярных транзисторов, необходимых для разработки  СВЧ-микросхем генераторов управляемых напряжением и генераторов фиксированной частоты. Проведены теоретические исследования принципов создания и конструкций наногетероструктур на основе арсенида галлия, необходимых для изготовления гетеробиполярных транзисторов. Выбран метод роста структур - МПЭ для гетеробиполярных транзисторов и последовательность слоев с составом слоя, толщиной слоя и уровнем легирования. Отработаны технологические операции роста слоев наногетероструктур на основе  арсенида галлия и алюминий индий арсенида для гетеробиполярных транзисторов. Разработаны конструкции  гетеробиполярных транзисторов и тестовых элементов для контроля параметров наногетероструктур и основных параметров транзисторов во время движения пластин по технологическому маршруту изготовления гетеробиполярных транзисторов. Проведены патентные исследования по ГОСТ 15.011-96.

Практическая значимость исследования
ПНИЭР соответствует направлению технологии создания сложно функциональных блоков и радиоэлектронных устройств на основе СВЧ электроники стратегической программы исследований, осуществляемых Технологической платформой. В настоящее время существует серьезное отставание отечественных разработок ГУН и ГФЧ в коротковолновой части см-го диапазона от зарубежного уровня по величине фазовых шумов. Основная причина отставания – отсутствие в РФ технологии гетероструктурных биполярных транзисторов (ГБТ). ГБТ или по зарубежной классификации HBT обладают более, чем на порядок более низкими избыточными НЧ токовыми шумами по сравнению с полевыми транзисторами и в силу этого являются наилучшими активными элементами генераторов всех классов в коротковолновой области СВЧ.
Создание в РФ технологий и конструкций ГБТ в коротковолновой области СВЧ позволит на 10-20 дБ снизить уровень фазовых шумов отечественных генераторов, что крайне необходимо для импортозамещения в ключевых комплексах ВВТ.