Регистрация / Вход
Прислать материал

14.578.21.0062

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.578.21.0062
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ"
Название доклада
Разработка технологий получения эпитаксиальных широкозонных гетероструктур для нового поколения СВЧ- и силовых приборов
Докладчик
Каргин Николай Иванович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
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.
Задачи проекта:
1. Разработка технологии роста гетероэпитаксиальных структур GaN на «чужих» подложках и оптимизация конструкции HEMT, позволяющие снизить плотность прорастающих дислокаций, а также увеличить подвижность и концентрацию носителей в канале транзистора.
2. Разработка технологии изготовления и оптимизация топологии СВЧ и силовых транзисторов на основе гетероэпитаксиальных структур GaN, позволяющие повысить рабочий диапазон частот, КПД прибора, напряжение пробоя, снизить токи утечки, а также решить проблему «коллапса тока».
Актуальность и новизна исследования
Стремительное развитие электроники вызывает необходимость расширения частотного диапазона использования СВЧ приборов, а также коммутирующих напряжений и рабочих токов силовых устройств. Возрастают требования к надежности использования таких систем особенно в условиях повышенных температур и уровне радиационной активности. В этих условиях возникает необходимость использования материалов, стойких к негативным воздействиям указанных факторов. Поэтому новые широкозонные материалы, в частности нитриды металлов III группы (AIIIN), вызывают все больший интерес у разработчиков радиоэлектронной аппаратуры. Учитывая, что нитрид галлия не имеет собственных подложек, задача получения эпитаксиальных пленок AIIIN на различных подложках (кремниевой для снижения себестоимости приборов и карбидокремниевой для повышения эксплуатационных свойств) является особенно актуальной в современных условиях.
Научная новизна проекта заключается в комплексном исследовании взаимосвязи структурных, электрофизических и морфологических свойств гетероэпитаксиальных структур нитридов галлия и алюминия на подложках кремния и карбида кремния с технологическими и конструктивными особенностями их получения методом молекулярно-лучевой эпитаксии, а также апробации данных гетероструктур в устройствах СВЧ и силовой электроники.
Описание исследования

Получение гетероэпитаксиальных структур нитридов галлия и алюминия осуществлялось методом молекулярно-лучевой эпитаксии, позволяющим получать монокристаллические пленки высокой чистоты, выращивать сверхтонкие слои с резкими изменениями состава на границах, осуществлять прецизионный контроль толщин слоев на атомарном уровне, получать высокую однородность состава и уровня легирования вдоль поверхности структуры, осуществлять in-situ диагностику роста при помощи отражательной дифракции быстрых электронов. Важнейшей проблемой, требующей решения при разработке технологии роста AlGaN/GaN гетероэпитаксиальных структур является их растрескивание, связанное с существенной разницей между параметрами решетки слоев и коэффициентами теплового расширения пленки и подложки, которые могут достигать критических значений. Большая величина упругих напряжений приводит также к генерации большой плотности прорастающих дислокаций, которые ухудшают электрофизические параметры гетроструктур, рассеивают электроны и стимулируют формирование точечных дефектов, являющихся глубокими центрами. Поэтому в проекте установлена конструкция, условия роста и охлаждения буферного слоев, позволяющие избежать растрескивания гетероструктур и понижающая плотность прорастающих дислокаций. Для уменьшения величины упругих напряжений были проведены следующие подходы:

- в состав буферного слоя включены слои, получаемые при относительно низких температурах. 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. Поэтому было проведено исследование влияний 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;

- использовались короткопериодные AlN/GaN сверхрешетки;

- изменяя условия роста, намеренно формировались трехмерные островки, которые способствовали отклонению и аннигиляции прорастающих дислокаций;

- наносились субмонослойные пленки Si3N4, служащие демпферами, а также стимулирующие латеральный рост GaN на несплошной пленке Si3N4 и тем самым понижающие величину упругих напряжений и плотность прорастающих дислокаций.

На основе указанных гетероэпитаксиальных структур были проведены исследования физико-технологических основ формирования СВЧ и силовых транзисторов, в том числе:

- исследования формирования низкоомного омического контакта к слоям нитридов галлия и алюминия. С целью снижения удельного переходного сопротивления омических контактов в металлическую пленку между слоями нитрида галлия и кремния включен дополнительный слой титана толщиной 5-10 нм;

- исследования влияния топологических параметров на рабочий диапазон частот, коэффициент усиления по мощности и КПД СВЧ транзисторов. В результате установлены близкие к оптимальным расстояния между контактами транзистора, величины и положения полевой платы "field-plate", а также параметры длины ножки затвора и ширины его шляпки. Полученные данные были внесены в эскизную конструкторскую документацию и лабораторную технологическую инструкцию СВЧ транзисторов, на основе которых были изготовлены и исследованы макеты приборов;

- исследования влияния топологических параметров на напряжение пробоя и рабочий ток силовых транзисторов. В результате установлены близкие к оптимальным расстояния между контактами транзистора. Полученные данные были внесены в эскизную конструкторскую документацию и лабораторную технологическую инструкцию силовых транзисторов, на основе которых были изготовлены и исследованы макеты приборов.

Результаты исследования

1. Разработана технология формирования гетероэпитаксиальных структур нитрида галлия и алюминия с величиной подвижности носителей заряда в 2DEG ~ 1780 см2/В×с и ~ 2420 см2/В×с на подложках кремния и карбида кремния соответственно. Полученные значения соответствуют лучшим мировым аналогам.

2. Показано, что перед процессом роста гетероэпитаксиальных структур соединений нитрида галлия и алюминия на кремнии важно создать высокоупорядоченный слой SiN с целью получения приемлемого качества гетерограницы AlGaN/GaN. Для подавления дислокаций в буферном слое на подложках SiC достаточно использовать достаточно тонкий слой AlN.

3. Впервые показано, что на подложках карбида кремния лучшие параметры гетероэпитаксиальных структур достигаются за счет использования буферного слоя, включающего в себя зародышевый слой AlN и сверхрешётку из чередующихся слоёв AlN/GaN, а на подложках кремния – включающего в себя трёхслойную композицию с чередующимися слоями AlN/GaN/AlN. 

4. Впервые установлено, что повышение концентрации акцепторов увеличивает локализацию двумерного электронного газа, которая играет более существенную роль в улучшении параметров транзисторов.

5. Впервые продемонстрированы гетероэпитасиальные структуры для нормально закрытых транзисторов на основе AlN/GaN со сверхтонким барьерным слоем.

6. Установлено, что легирование кремнием приводит к уменьшению сжимающих напряжений в слоях AlхGa1-хN:Si, что необходимо учитывать при изготовлении транзисторов на основе гетероэпитаксиальных структур с легированным барьерным слоем. 

7. Разработана технология формирования СВЧ и силовых транзисторов на основе гетероэпитаксиальных структур нитридов галлия и алюминия на подложках кремния и карбида кремния. Установлено, что коэффициент усиления по мощности макетов СВЧ транзисторов в диапазоне рабочих частот 8 – 10 ГГц составил 9,8±0,5 дБ для приборов на подложке кремния и 11,3±0,5 дБ для приборов на подложке карбида кремния, что соответствует теоретически проведенным исследованиям. Максимальный КПД превысил 40% и практически не отличался для СВЧ транзисторов на подложке кремния и карбида кремния. Установлено, что напряжение пробоя силовых транзисторов составило значение 375 ± 45 В, при этом рабочий ток превысил 10 А, что также соответствует теоретическим расчетом. Параметры созданных приборов по ряду показателей превосходят зарубежные аналоги.

8. Разработана технология формирования омического контакта к соединениям на основе нитрида галлия, позволяющая снизить величину удельного сопротивления контакта до значения 0,2 Ом×мм и менее, и величину удельного переходного сопротивления до значения 9.95×10-6 Ом×см2. Полученный результат соответствует лучшим мировым аналогам.

Практическая значимость исследования
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.
Использование полупроводниковых приборов на основе широкозонных материалов, в частности нитрида галлия, позволяет повысить энергоэффективность электронных устройств за счет снижения массогабаритных показателей, а также повышения мощности и надежности их использования особенно при экстремальных условиях эксплуатации.
Постер

Poster_IN_2931189.ppt