Redirect= Мощные GAN СВЧ-транзисторы для применения в перспективных системах связи и радиолокации - Журнал СВЧ-Электроника

Мощные GAN СВЧ-транзисторы для применения в перспективных системах связи и радиолокации

№ 1’2016
PDF версия
Мощные нитрид-галлиевые СВЧ-транзисторы становятся все более востребованными в качестве современной элементной компонентной базы для применения в перспективных системах связи и радиолокации. В статье представлены результаты моделирования и измерения отечественных нитрид-галлиевых транзисторов. При создании структур кристаллов этих мощных полупроводниковых приборов были проработаны различные конструктивные варианты. Приведено сравнение с зарубежными аналогами

С учетом трендов на энергоэффективность и минимизацию форм-фактора электронных приборов нитрид-галлиевые (GaN) транзисторы по праву можно считать одними из самых многообещающих приборов, способных заменить мощные кремниевые (Si) полевые транзисторы в электроприводах, Smart Grid, различных преобразователях и т. д.

Это обусловлено тем, что сопротивление GaN-транзисторов в открытом состоянии весьма низкое — благодаря высокой дрейфовой подвижности носителей заряда, а критическая напряженность электрического поля и, соответственно, пробивное напряжение существенно выше, чем у Si. В Исследовательском центре НАСА им. Дж. Гленна (NASA Glenn Research Center) демонстрировалась работа полевых GaN-транзисторов при температуре +300 °C, а ученые швейцарского Института квантовой физики и фотоники (Institute of Transmissions, Waves and Photonics) показали возможность их работы при +1000 °C в вакууме. Напомним, что максимальная рабочая температура Si-транзисторов не превышает +150 °C. Кроме того, отмечено, что теплопроводность гетероструктур GaN на подложке SiC также значительно выше.

 

Эксперимент

Проект элементарной ячейки GaN транзисторного кристалла с проектной нормой 0,5 мкм был рассчитан с помощью программного комплекса Sentaurus TCAD. Проект включает в себя моделирование технологии создания GaN транзисторного кристалла, оптимизацию расчетной сетки для уменьшения времени расчета и улучшения сходимости проекта, расчет передаточной и выходной характеристик, определение напряжения отсечки (UЗИ ОТС) и пробивного напряжения сток-исток (UСИ ПРОБ). Физико-технологическое моделирование GaN-транзистора осуществлялось в программной оболочке Sentaurus Structure Editor (SDE). Для расчета электрофизических характеристик использовалась программная оболочка Sentaurus Device.

Для верификации расчетов моделей GaN-транзисторов было проведено контрольное моделирование с использованием экспериментальных данных по тестовым пластинам из реального технологического процесса изготовления GaN транзисторных кристаллов. На рис. 1 представлены расчетная и экспериментальная передаточные характеристики.

Расчетная и экспериментальная передаточные характеристики GaN транзисторного кристалла

Рис. 1. Расчетная и экспериментальная передаточные характеристики GaN транзисторного кристалла

С целью повышения значений напряжения отсечки в модели элементарной транзисторной ячейки, рассчитанной в Sentaurus TCAD, была оптимизирована толщина барьерного слоя AlХGa1‑ХN. Оптимизация данного слоя при моделировании элементарной транзисторной ячейки позволила получить значения напряжения отсечки около –3 В (рис. 2б), что соответствует лучшим зарубежным аналогам. Так, например, типовое значение напряжения отсечки для транзистора CGH40010 (Cree, США) согласно спецификации составляет –3 В [3], а для транзистора TGF2023–02 (TriQuint) –3,6 В [4].

Расчетная выходная (а) и передаточная (б) вольт-амперные характеристики элементарной транзисторной ячейки с периметром затвора 5,6 мм

Рис. 2. Расчетная выходная (а) и передаточная (б) вольт-амперные характеристики элементарной транзисторной ячейки с периметром затвора 5,6 мм

С целью повышения пробивного напряжения сток–исток было проведено моделирование двух вариантов конструктивного исполнения транзисторной ячейки:

  • оптимизация конструкции полевого электрода (Field Plate): Source Field Plate (SFP) иGate Field Plate (GFP);
  • увеличение расстояния между истоковыми и стоковыми омическими контактами с 4,5 до 5 мкм, с учетом оптимальной конструкции полевого электрода.

В первом случае для SFP пробивное напряжение сток–исток (UСИ ПРОБ) составило 110 В (IС = 10 мА, UЗИ = –8 В) и 184 В 

(IС = 10 мА, UЗИ = –8 В) для GFP. При увеличении расстояния между истоковыми–стоковыми омическими контактами с 4,5 до 5 мкм UСИ ПРОБ повысилось со 156 В (IС = 8 мА, UЗИ = –8 В) до 237 В (IС = 8 мА, UЗИ = –8 В).

Эпитаксиальные гетероструктуры GaN выращивались методом молекулярно-лучевой эпитаксии с использованием аммиака в качестве источника азота на установке STE3N2 SemiTEq (Россия) на подложках SiC (001) диаметром 2” [5, 6, 7]. Параметры выращенных гетероструктур контролировались при помощи оптической высокоразрешающей микроскопии и бесконтактного измерения эффекта Холла.

Для формирования кристаллов мощных GaN-транзисторов использован технологический процесс, построенный на операциях, включающих в себя циклы формирования омических контактов методом электронно-лучевого напыления Ti/Al/Ni/Au и быстрого термического отжига, плазмохимического травления мезо изоляции, формирования затворной металлизации с проектной нормой 0,5 мкм путем последовательного выполнения контактной УФ-литографии и электронно-лучевого напыления Ni/Au. Транзисторные структуры пассивировались путем плазмохимического осаждения SiNx. При создании кристаллов мощных СВЧ-транзисторов были проработаны различные конструктивно-технологические варианты. В том числе реализованы следующие технологические блоки: блок формирования двухуровневой металлизации, позволившей сформировать «многопальцевые» затворы с воздушными мостами и полевые электроды, а также блок формирования сквозных металлизированных отверстий как за пределами активной области OSV (Outside Source Via) (рис. 3), так и в активной области транзисторной ячейки ISV (Inside Source Via) (рис. 4) [8, 9]. Межоперационный контроль параметрического монитора (Process Control Monitor, PCM) и выходной контроль электрических параметров транзисторных кристаллов на пластине проводились на полуавтоматическом измерительном стенде, состоящем из микрозондовой станции Cascade MicroTech и измерительного оборудования фирмы Agilent.

Схематическое изображение поперечного сечения транзисторной ячейки с воздушными мостами

Рис. 3. Схематическое изображение поперечного сечения транзисторной ячейки с воздушными мостами

Основной особенностью используемых гетероструктур является наличие слоя AlN толщиной 0,2–0,5 мкм и многослойного переходного слоя переменного состава AlxGa1‑xN (0,3<х<1,0) общей толщиной до 1,2 мкм. Наличие этих слоев обеспечивает пробивное напряжение межприборной изоляции свыше 200 В. Далее следует нелегированный слой GaN толщиной 1000 Å, на верхней границе которого с легированным Si-слоем AlХGa1‑ХN (х ≈ 0,33) общей толщиной 250 Å образуется двумерный электронный газ (ДЭГ). Верхним слоем гетероструктуры является нелегированный слой GaN.

Схематическое изображение поперечного сечения транзисторной ячейки с металлизированными сквозными отверстиями в активной области

Рис. 4. Схематическое изображение поперечного сечения транзисторной ячейки с металлизированными сквозными отверстиями в активной области

 

Результаты

На основе разработанного технологического процесса изготовлены GaN-транзисторы ТНГ103104–12 с выходной мощностью 4 Вт для применения в L‑ и S‑диапазоне частот [10].Общая ширина затвора (ШЗ) транзисторов ТНГ103104–12 составляла 5,6 мм. Следует отметить, что пиковая удельная мощность транзисторов в использованном варианте технологии, измеренная на пластине на тестовых СВЧ-транзисторах с ШЗ = 150 мкм и, соответственно, малой периферии, достигает 3,8–4,4 Вт/мм при напряжении питания до 28 В. 

Для надежности измерений или для надежности приборов? Установлено, что основным фактором, ограничивающим эффективное суммирование мощности в приборах с большой шириной затвора и, соответственно, большой периферии, на данном этапе стало последовательное уменьшение пробивного напряжения сток–исток по мере выполнения технологических операций блока формирования воздушных мостов. Так, в приборах малой периферии пробивные напряжения после затворного цикла составляли не менее 80 В, в то время как в кристаллах большой периферии эти значения падали до 35–50 В. В настоящее время проводится оптимизация технологии, уже позволившая увеличить пробивные напряжения до 100–120 В на малых транзисторах и до 60–70 В на транзисторах большой периферии. Еще одним из путей повышения рабочих напряжений транзисторов является оптимизация конструкции полевых электродов, которая на данном этапе исследования не проводилась.

Таблица 1. Свойства полупроводниковых материалов

Наименование параметра, ед. измерения

Si

GaAs

6H-SiC

4H-SiC

GaN

Алмаз

Ширина запрещенной зоны, эВ

1,12

1,43

3,03

3,26

3,45

5,45

Диэлектрическая проницаемость

11,9

13,1

9,66

10,1

9

5,5

Напряженность электрического поля пробоя, кВ/см

300

455

2500

2200

2000

10 000

Подвижность электронов, см2/В•с

1500

85

 

500

1000

1000–2000*

Подвижность дырок, см2/В•с

600

400

101

115

850

850

Теплопроводность, Вт/см•К

1,5

0,46

4,9

4,9

1,3

22

Скорость дрейфа электронов в режиме насыщения, 107 см/с

1

1

2

2

2,2

2,7

* – данные получены для гетероструктуры AlGaN/GaN

Транзисторные кристаллы ТНГ103104–12 монтировались в  металлокерамический корпус КТ‑55 С‑1 при помощи серебросодержащего клея. Полученный теплоотвод признан достаточным для данного уровня удельной мощности. Внешний вид транзисторных кристаллов ТНГ103104–12 представлен на рис. 5.

Транзисторный кристалл ТНГ103104-12 в металлокерамическом корпусе

Рис. 5. а) Транзисторный кристалл ТНГ103104-12 в металлокерамическом корпусе; б) Фото транзисторного кристалла ТНГ103104-12 на пластине полуизолирующего карбида кремния

При помощи стенда для проведения измерений энергетических параметров мощных СВЧ-транзисторов с автоматическим согласованием по входу и выходу были исследованы собранные транзисторы ТНГ103104–12. Измерения проводились в непрерывном режиме на частотах 1500, 2000, 2700, 2900 и 3100 МГц при напряжении питания 12,5 В. Результаты измерения параметров транзисторов представлены в табл. 2.

Таблица 2. Типовые значения параметров транзистора ТНГ103104-12

РВЫХ, Вт

f, МГц

КУР, дБ

ηС, %

UПИТ, В

3,3

1500

15

48

12,5

3,7

2000

14

45

3,7

2700

11

43

3,7

2900

11

40

3,7

3100

11

40

Для оценки полученных результатов был проведен сравнительный анализ электрических параметров GaN-транзистора ТНГ103104–12, разработанного ОАО «НИИЭТ», и зарубежного транзистора TGF2023–02 фирмы TriQuint (США). Для корректного сопоставления результатов анализа электрических параметров транзисторов измерения проводились в одинаковых условиях (режим работы — непрерывный, f = 2000 МГц, UПИТ = 12,5 В). Результаты измерений приборов представлены в табл. 3.

Таблица 3. Топологические и электрические параметры приборов

Наименование параметра

TGF2023-02, фирма TriQuint

ТНГ103104-12,
ОАО «НИИЭТ»

LЗ, мкм

0,25

0,5

WЗ, мм

2,5

5,6

Размер кристалла, мм

0,82×0,92

0,9×0,9

RСИ, Ом

0,83

0,6–0,8

Крутизна

0,84

0,77

IС, мА

250

200–250

РВЫХ 1 дБ (f = 2 ГГц, UПИТ = 12,5 В, IС = 0,2 А), Вт

3,5

3,7

РВЫХ 3 дБ (f = 2 ГГц, UПИТ = 12,5 В,
IС = 0,2 А), Вт

4

≈5

ηС 1дБ (f = 2 ГГц, UПИТ = 12,5 В, IС = 0,2 А), %

52,9

43

ηС 3дБ (f = 2 ГГц, UПИТ = 12,5 В,
IС = 0,2А), %

57

48

КУР 1 дБ (f = 2 ГГц, UПИТ= 12,5 В, IС = 0,2 А), дБ

20,4

15,6

КУР 3 дБ (f = 2 ГГц, UПИТ= 12,5 В,
IС = 0,2 А), дБ

18,4

13,6

Вид межсоединений истоковых шин на транзисторном кристалле

OSV (outside source via) & Air Bridge

OSV (outside source via) & Air Bridge

На текущий момент времени в рамках научно-исследовательской работы, выполняемой за счет собственных средств, ОАО «НИИЭТ» разработаны отечественные GaN-транзисторы с выходной мощностью 10 Вт и напряжением питания 28 В. Данные транзисторы выполнены по проектной норме 0,25 мкм с формированием истоковых металлизированных сквозных отверстий в активной области. Транзисторные кристаллы ТНГ40010-28 монтировались в металлокерамический корпус КТ‑81 С при помощи серебросодержащего клея.

При помощи стенда для проведения измерений энергетических параметров мощных СВЧ-транзисторов с автоматическим согласованием по входу и выходу были исследованы электрические параметры ТНГ40010–28. Измерения проводились в непрерывном режиме на частотах 2500, 3500 и 4000 МГц при напряжении питания 28 В (табл. 4).

Таблица 4. Результаты измерения транзисторов ТНГ40010-28

РВЫХ, Вт

f, МГц

ZS, Ом

ZL, Ом

КУР, дБ

ηС, %

 ПИТ, В

10,94

2500

6,03 – j1,83

15,33 + j2,83

15,39

48,73

28

10,65

3500

7,20–j8,11

15,09–j1,95

12,27

47,18

10,30

4000

7,44–j9,86

16,38–j3,72

11,12

44,47

После усовершенствования и оптимизации топологии элементарной транзисторной ячейки планируется разработать серии мощных GaN-транзисторов для напряжения питания 50 В.

Разработка серии отечественных мощных GaN-транзисторов позволит заместить зарубежные аналоги, которые в настоящее время применяются при разработке отечественной аппаратуры.

 

Выводы

Разработана конструкция и базовая технология создания мощных GaN-транзисторов для применения в L‑ и S‑диапазонах частот.

Сравнение результатов моделирования с экспериментальными данными показало близкое совпадение, на основании чего можно сделать заключение об адекватности виртуальных моделей транзисторных кристаллов реальным приборам.

На основании полученных результатов сделано заключение о возможности применения в инженерной практике САПР Sentaurus TCAD для разработки изделий силовой СВЧ-электроники на основе нитрид-галлиевой компонентной базы с заданными характеристиками по технологии предприятия-изготовителя.

Реализован технологический процесс, включающий в себя формирование всех конструкционных элементов, необходимых для проектирования мощных СВЧ-устройств, в том числе усиленной многоуровневой металлизации и сквозных металлизированных отверстий.

Полученные экспериментальные GaN-транзисторы в исследованных режимах по основным эксплуатационным параметрам соответствуют зарубежному техническому уровню.

Определены направления оптимизации конструкции и технологии экспериментальных GaN-транзисторов с целью адаптации их характеристик к рабочим режимам, используемым в перспективных типах РЭА.

Литература
  1.  Neudeck  P., Okojie  R. S., and Chen  L.  Y . Hightemperature electronics — a role for wide bandgap semiconductors?//Proceedings of the IEEE. 2002. Vol. 90. № 6.
  2. Medjdoub  F.  Carlin  J.-F., Gonschorek  M., et al. Can InAlN/GaN be an alternative to high power high temperature AlGaN/GaN devices? Electron Devices Meeting (IEDM) 2006.
  3. www.cree.com
  4. www.triquint.com
  5.  С. Б. Александров, Д. А. Баранов, А. П. Кайдаш, Д. М. Красовицкий, М. В. Павленко, С. И. Петров, Ю. В. Погорельский, И. А. Соколов, М. В. Степанов, В. П. Чалый, Н. Б. Гладышева, А. А. Дорофеев, Ю. А. Матвеев, А. А. Чернявский, «СВЧ полевые транзисторы на основе нитридов III группы». ФТП, 2004, том 38, вып. 10, с. 1275–1279.
  6. В. В. Волков и др.//Письма в ЖТФ. 2004. Т. 30.
  7.  Пат. № 2222845 (РФ) от 01.04.2003. http://bd.patent.su/2222000–2222999/pat/servl/servletdd2e.html
  8. Алексеев  А., Красовицкий  Д., Петров  С., Чалый В   Многослойные гетероструктуры AlN/AlGaN/GaN/AlGaN — основа новой компонентной базы твердотельной СВЧ-электроники//Компоненты и технологии. 2008. № 2.
  9. Красовицкий  Д. и др. Тезисы докладов девятой Всероссийской конференции «Нитриды галлия, индия и алюминия — структуры и приборы». Москва, 13–15 июня 2013 г.
  10.  Свид-во о регистрации топологии интегральной микросхемы № 2013630107 от 19 июля 2013 г.
  11.  Гольцова  М . Moщные GaN-транзисторы: истинно революционная технология//Электроника: НТБ. 2012

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *