Регистрация / Вход
Прислать материал

14.584.21.0001

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.584.21.0001
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ"
Название доклада
Исследование тепловых свойств графеносодержащих пленок, а также разработка технологии их применения для отвода тепла, выделяющегося при работе СВЧ полупроводниковых приборов на основе GaN
Докладчик
Каргин Николай Иванович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Проект направлен на решение проблемы повышения мощности приборов СВЧ электроники на основе нитрида галлия путем
снижения температуры в канале транзистора за счет использования графенсодержащего теплоотвода.
Целью проекта является исследование тепловых свойств графенсодержащих пленок, а также разработка технологии их
применения для отвода тепла, выделяющегося при работе СВЧ полупроводниковых приборов на основе GaN.
Задачи проекта:
- разработка технологической документации на графеносодержащие пленки и макеты СВЧ транзисторов;
- разработка программы и методики исследований статических и динамических характеристик СВЧ транзисторов;
- разработка программы и методики исследований структурных, морфологических, электрофизических и теплопроводящих свойств графеносодержащих пленок;
- разработка физической модели распределения тепловых полей СВЧ транзистора;
- разработка физической модели теплопроводности графеносодержащих пленок;
- проведение экспериментальных исследований и их сопоставление с теоретическими результатами.
Актуальность и новизна исследования
Актуальность проекта определяется возрастающим интересом исследовательских лабораторий и производственных компаний к твердотельным приборам на основе нитрида галлия (GaN). Благодаря своим уникальным свойствам такие приборы могут быть использованы в электронной аппаратуре широкого применения: радиолокационные станции, линиях беспроводной связи, трактах базовых станций, системах безопасности и сигнализации и др., предназначенной, в том числе, для эксплуатации в экстремальных условиях эксплуатации (космос, объекты с повышенной радиационной активностью и температурой окружающей среды).
Нитридгаллиевые транзисторы обладают достаточно большой удельной мощностью, что в свою очередь предъявляет более жесткие требования к системам отвода тепла по сравнению с аналогичной кремниевой или арсенидогаллиевой электроникой. Поэтому одной из основных проблем, требующей решения при разработке GaN приборов, является задача создания теплоотводящей пленки от рабочей зоны устройства. Одним из перспективных материалов для создания такой пленки является графен.
Научная новизна планируемых работ заключается в способе формирования графеновых слоев, в установлении коэффициента теплопроводности графеновых слоев при низких и комнатных температурах, а также комплексном исследовании свойств СВЧ транзисторов на основе нитрида галлия с графеновым теплоотводом.
Описание исследования

1. Теоретические исследования влияния теплового распределительного слоя на температуру и вольтамперные характеристики нитридгаллиевых транзисторов с высокой подвижностью электронов были решены в рамках гидродинамической модели, включающей уравнения непрерывности, Пуассона и уравнения для температуры электронов и решетки. Температуры электронов и решетки связаны с помощью столкновительного члена уравнения Больцмана. Решение уравнений гидродинамической модели позволяет найти пространственные распределения электронной температуры и плотности, температуры решетки, электрических полей и потенциалов. Моделирование проводилось в программе Synopsys Sentaurus TCAD методом конечных элементов. При расчете были учитены спонтанная и пьезоэлектрическая поляризации, насыщение подвижности в сильных полях. В результате были рассчитаны распределения электронной и решеточной температур, плотности электронов, электрического поля вдоль канала нитридгаллиевого транзистора в зависимости от напряжений на стоке и затворе для различных размеров транзистора и теплового распределителя. Изучен механизм возникновения резко неоднородного распределения электронной и решеточной температуры (горячих точек).

2. Изготовление СВЧ транзисторов на основе нитрида галлия и исследование их основных свойств осуществлялось в лабораториях Института функциональной ядерной электроники НИЯУ МИФИ. Исследование статических характеристик проводилось на измерительном комплексе полупроводниковых приборов Agilent B1500A с использованием ручной зондовой станции ЕР6 компании CascadeMicrotech. Для исследования температурных зависимостей основных характеристик приборов была проведена разварка выводов на уникальной научной установке «Учебно-производственный комплекс мелкосерийное производство высокотехнологичной продукции с автоматизированной системой управления», предназначенном для организации учебно-практического процесса в области функционирования производственных площадок по выпуску высокотехнологичной продукции, а также изготовления опытных образцов. СВЧ свойства приборов анализировались на векторном анализаторе Agilent «PNA-X» с использованием ручной зондовой станции компании CascadeMicrotech.

3. Синтез графенсодержащей пленки и ее перенос на рабочую поверхность СВЧ транзисторов проведен в Белорусском государственном университете информатики и радиоэлектроники с использованием метода химического парофазного осаждения при атмосферном давлении на подложке из медной фольги толщиной 60 мкм, с использованием метана в качестве углеводородного прекурсора. Синтез осуществлялся при температуре 1050°С, в качестве газа носителя использовалась смесь аргона и водорода. После процесса синтеза медная фольга растворялась в растворе FeCl3. Исследование основных свойств осуществлялось методом изучения спектров комбинационного рассеяния света (рамановская спектроскопия). Исследование структуры пленки проведено для области размером 4х4 мкм2. В качестве источника возбуждающего света использовался лазер с длиной волны 473 нм.

Результаты исследования

1. Впервые решена задача о влиянии теплового распределительного слоя на температуру и вольтамперные характеристики GaN транзисторов с высокой подвижностью электронов. Изучен механизм возникновения пиков электронной и решеточной температур (горячих точек). Показано, что введение теплового распределителя позволяет значительно понизить максимальную температуру (так, например, на 263 K для сапфировой подложки и на 163 K – для карбида кремния) и улучшить вольтамперные характеристики. Показано, что тепловой распределитель, расположенный в области между затвором и стоком, более эффективно снижает электронную и решеточную температуры за счет отвода тепла от горячей точки. Рассчитана эффективность работы теплового распределителя в зависимости от его толщины, размера затвора, материала подложки и выбрана оптимальная конструкция.

2. Изготовлены экспериментальные образцы СВЧ транзисторов с графенсодержащим теплоотводом и проведены исследования их основных свойств. Установлено, что напряжение отсечки СВЧ транзисторов составило величину Uотс ≤ -7,0 В, при этом величина тока утечки не превысила 100 мкА. Значение коэффициента усиления по мощности СВЧ транзисторов в диапазоне частот 8 - 10 ГГц составило ku1 = 9,3 ± 0,2 дБ и ku2 = 9,7 ± 0,2 дБ для приборов без графенсодержащего теплоотвода и с ним соответственно, что соответствует требованиям технического задания. Показано, что вольт-амперные характеристики СВЧ транзисторов с графенсодержащим теплоотводом в диапазоне температур от 25 до 175 °С практически не изменяются, при этом изменение граничной частоты усиления по току в данном диапазоне температур не превышает 5%. Значение коэффициента усиления по току СВЧ транзисторов с графенсодержащим теплоотводом в диапазоне частот 8-10 ГГц составило величину 11 дБ. 

3. Иностранным партнером проведены исследования, направленные на оптимизацию технологии формирования графенсодержащей пленки по величине ее теплопроводности в зависимости от размера зерен графена. Установлено, что степень дефектности графенсодержащей пленки должна быть такой, чтобы технология, обеспечивающая ее получение с заданной степенью дефектности, позволяла формировать пленку максимально близко к зоне тепловыделения. Установлено, что теплопроводность графенсодержащей пленки слабо зависит от размера зерна и варьируется от 100 до 1000 Вт *м-1*К-1. Показано, что в наибольшей степени теплопроводность графенсодержащих пленок снижают анизотропные дефекты, расположенные перпендикулярно тепловому потоку. Анизотропные дефекты, расположенные параллельно тепловому потоку, влияют на коэффициент теплопроводности в гораздо меньшей степени. Показано, что графенсодержащая пленка содержит домены с однослойным графеном. Наблюдается значительное смещение позиций 2D и G полос спектра комбинационного рассеяния света к большим значениям волнового числа для моноатомного графена. Кроме того, наблюдаются изменения в дефектности графенсодержащих пленок после переноса, что связано с появлением химически индуцированных дефектов, а также дефектов, вызываемых механическим напряжением. Установлено, что значения коэффициента теплопроводности для графеносодержащих пленок составляют 220 Вт/м*К и 550 Вт/м*К для 30 и 18 % доли неграфеновых включений соответственно, что соответствует результатам мирового уровня.

Практическая значимость исследования
Разрабатываемые нитридгаллиевые транзисторы могут быть использованы в электронной аппаратуре широкого применения:
радиолокационные станции, линиях беспроводной связи, трактах базовых станций, системах безопасности и сигнализации и
др., предназначенной, в том числе, для эксплуатации в экстремальных условиях эксплуатации (космос, объекты с повышенной
радиационной активностью и температурой окружающей среды). Разрабатываемые технологии формирования СВЧ
транзисторов с графеновым теплоотводом позволят производить перспективную отечественную электронную компонентную
базу как гражданского, так и специального назначения.
Использование теплоотвода на основе графенсодержащей пленки от рабочей поверхности СВЧ транзистора позволит снизить
рабочую температуру прибора и повысить тем самым его производительность и КПД.
Постер

Poster_IN_7281896.ppt