Регистрация / Вход
Прислать материал

14.607.21.0003

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.607.21.0003
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Научно-технологический центр микроэлектроники и субмикронных гетероструктур Российской академии наук
Название доклада
Подложки карбида кремния и AlInGaN наногетероструктуры для мощных СВЧ транзисторов и МИС
Докладчик
Сахаров Алексей Валентинович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цель исследования: Разработка новейших принципов обработки подложек полуизолирующего карбида кремния диаметром до 100 мм для последующего изготовления транзисторных AlInGaN наногетерострктур и сверхвысокочастотных (СВЧ) транзисторов и монолитных интегральных схем (МИС), позволяющих увеличить число СВЧ транзисторов и МИС, изготавливаемых в одном технологическом процессе, по сравнению с используемыми в настоящее время подложками карбида кремния. Задачи исследования: разработка методов обработки подложек карбида кремния для обеспечения качества поверхности, необходимого для последующего гетероэпитаксиального роста нитридных наногетероструктур, адаптация технологии выращивания наногетероструктур НЕМТ транзисторов, оптимизация конструкции и технологии получения СВЧ транзисторов и МИС частотного диапазона до 6 ГГц c выходной мощностью – от 5 Вт до 45 Вт .
Актуальность и новизна исследования
Актуальность исследования заключается в необходимости создания СВЧ транзисторов и МИС на основе GaN, работающих при высоких плотностях мощности и температурах для замены существующих приборов на основе кремния и арсенида галлия.Научная новизна исследования заключается в разработке методов формирования epi-ready поверхности подложек, контроля изгибов подложек при полировке и в разработке технологии эпитаксиального роста подавляющей формирование дефектов и обеспечивающей необходиые парметры гетероструктур приводящие к высоким рабочим характеристикам тразисторов.
Описание исследования

Процесс обработки подложек, начиная с заготовки полученной после распила ориентированного слитка карбида кремния состоит из следующих операций:

  1.  двусторонняя шлифовка пластин;
  2.  двусторонняя полировка пластин;
  3.  снятие фасок;
  4.  химико-механическая полировка пластин;
  5.  финишная отмывка и упаковка

Исследования показали, что для минимизации изгиба подложек Двусторонняя шлифовка и полировка пластин карбида кремния должна быть двусторонней. Снижение давления на обрабатываемую поверхность пластин до 0.5 кг/см2 при полировке позволило уменьшить величину прогиба до значений менее 20 микрон. Для дальнейшего улучшения параметров была подобрана шлифовальная суспензия с более высокой концентрацией алмазов (20-25 карат/л ), что позволило снизить величины прогиба до ~10 микрон.
При проведении ХМП были опробованы различные типы суспензий , в частности была изменена кислотность суспензий в следующем порядке: щелочные – нейтральные – кислотные и обнаружено что лучший результат достигается при ХМП с использованием слабо щелочной суспензии; было установлено что при ХМП оптимальным является среднее давление на подложку до 1 кг/см2 .
Вместе с оптимизацией процессов шлифовки, полировки и ХМП была также усовершенствована технология финишной отмывки подложек перед эпитаксией. В процесс был добавлен шаг отмывки горячей (>80С) деионизованной водой подающейся под давлением на вращающуюся подложку, что позволило удалить мелкие остаточные загрязнения, не удаленные химическим способом. Общее количество микродефектов на эпитаксиальной пленке снизилось более чем на порядок до нескольких единиц на подложку.

Транзисторная AlInGaN наногетероструктура на подложке SiC состоит из следующих частей:

  1. переходный слой Al(Ga)N
  2. толстый слой непроводящего GaN
  3. барьерный слой AlN/AlGaN
  4. покровный слой GaN и/или пассивирующий слой  SiN

Исследования показали, что для реализации планарного роста необходимо использование переходного слоя с мольной долей AlN более 20%. Дальнейшие исследования показали, что изгиб  гетероструктуры при росте слоя GaN зависит от мольной долей AlN в переходном слое. Было проведено моделирование эволюции кривизны в процессе эпитаксиального роста многослойной гетероструктуры на основании  математической модели и верификация модели на экспериментальных данных, что позволило управлять изгибом выращенной структуры и реализовать близкие к планарным наногетероструктуры. 

В дальнейшем было проведено численное моделирование и расчетная и экспериментальная оптимизации геометрии и составов  гетероструктур GaN/AlN/AlGaN с  высокой подвижностью электронов. По данным моделирования установлено, что нет необходимости увеличивать мольную долю AlN и толщину слоя AlGaN выше 35% и 35 нм, соответственно. При экспериментальных исследованиях толщина и состав слоя AlGaN варьировались в различных образцах в диапазоне 15-35 нм и 20-35%, соответственно. Наилучшие электрофизические параметры получены при использовании барьерного слоя AlN/AlGaN и толщинах слоя AlN 0,7-1 нм, слоя AlGaN 20-25 нм и мольной доли AlN 21-26%.

Разработанные методы in-situ нанесения пассивирующего слоя SiN позволили существенно уменьшить плотность поверхностных состояний на поверхности наногетероструктуры и подавить эффект коллапса тока. Исследования также показали что наличие или отсутствие покровного слоя GaN не оказывает существенного влияния на свойства структуры.

Исследования методов пост-ростовой обработки структур показали что для создания качественной воспроизводимой металлизации омических контактов необходимо использование многослойной фотолитографии с нижним слоем на основе LOR (lift-off-resist) . Наилучшие результаты в качестве металлизации n-контакта получены для схемы Ti/Al/Ti/Ni/Au  с последующим вжиганием. Для барьерных контактов предпочтительно использовать многослойную фотолитографию на основе LOR/PMMA и схему металлизации Ni/Au. Для пассивации и изоляции мез рекомендуется использовать диэлектрик Si3N4.

Были изготовлены транзисторы с шириной затвора от 0,36 до 14,4 мм и СВЧ МИС. Исследования показали, что транзисторы являютя нормально открытыми, полностью перекрываются при обратном смещении -4 - -10В, насыщенный ток превышает 1000 мА/мм, при ширине  затвора 3.6 мм получена выходная мощность 9 Вт.

Результаты исследования

В результате проведенных работ:

- разработана лабораторная технология обработки подложек полуизолирующего карбида кремния;

- изготовлены экспериментальные образцы подложек полуизолирующего карбида кремния диаметром до 100 мм;

- разработана технология эпитаксиального выращивания транзисторных наногетероструктур на подложках карбида кремния включающая в себя методы эпитаксиального выращивания слоев непроводящего GaN, барьерных слоев AlGaN и пассивирующих слоев SiN;

 - проведено компьютерное моделирование изгибов подложки и релаксации напряжений при росте гетероструктур и проведено сопоставление полученных результатов эпитаксиального роста с результатами моделирования;

- разработаны методы изготовления СВЧ транзисторов и МИС, включая методы многослойной взрывной литографии для получения омических, барьерных контактов и дополнительной контактной металлизации; 

- изготовлены экспериментальные образцы транзисторных AlInGaN наногетероструктур на подложках карбида кремния и проведены их испытания;

- изготовлены экспериментальные образцы СВЧ транзисторы и МИС и проведены их испытания.

Созданы экспериментальные образцы подложек полуизолирующего карбида кремния диаметром 2", 3" и 100мм с epi-ready подготовкой поверхности со следующими параметрами:

  • сопротивление более 1×1011  Ом×см;
  • коробление/изгиб менее 15 мкм;
  • шероховатость поверхности менее 0,15 нм;
  • плотность микропайпов менее 15 микропайпов/см2.

По всем параметрам данные подложки соответствуют мировому уровню, существует  всего один производитель (CREE, USA) производящий подложки больших диаметров и более высокого качества.

Созданы экспериментальные образцы транзисторных AlInGaN наногетероструктур со следующими параметрами (при комнатной температуре):

  • концентрация носителей 1,0-1,4 ×1013 см-2;
  • подвижность носителей 1700-2000 см2/(В×с).

По всем параметрам данные наногетероструктуры соответствуют мировому уровню.

На основе  образцов транзисторных AlInGaN наногетероструктур созданы СВЧ транзисторы со следующими параметрами:

  • максимальная рабочая частота более 10 ГГц;
  • напряжение питания  30 В;
  • крутизна более 200 мСим/мм;
  • ширина затвора 0,36-14,4 мм;
  • мощность  3- 42 Вт.

По всем параметрам данные транзисторы соответствуют мировому уровню и могут быть использованы для прямой замены импортных аналогов.

Практическая значимость исследования
Научно-технический задел, полученный в результате выполнения работы позволит преодолеть техническую зависимость производителей аппаратуры как гражданского, так и двойного назначения от поставщиков импортной электронной компонентной базы в СВЧ-диапазоне и создаст предпосылки к массовому производству мощных СВЧ-транзисторов и монолитных интегральных схем на отечественном предприятии. Использование разработанных SiC подложек большого диаметра создаст предпосылки к развитию силовой и высокочастотной электроники на основе широкозонных полупроводников.