Доклад представителя Института физики НАН республики Беларусь (г. Минск)

Обзор работ по СВЧ-направлению на 11-й Всероссийской конференции «Нитриды галлия, индия и алюминия: структуры и приборы»

№ 3’2017
PDF версия
В настоящей статье приводится обзор работ по применению гетероструктур нитрида галлия, его твердых растворов и приборов на их основе в СВЧ-электронике, представленных в программе 11-й Всероссийской конференции «Нитриды галлия, индия и алюминия: структуры и приборы», состоявшейся в Москве 1–3 февраля 2017 г. Результаты представленных в обзоре работ актуальны в научном плане, имеют большое прикладное значение в настоящее время и в ближайшем будущем.
Вступительный доклад председателя Программного комитета Конференции

Вступительный доклад председателя Программного комитета Конференции

Полупроводниковые приборы на основе нитридов III группы в настоящее время все шире применяются в электронике. Гетероструктуры нитрида галлия (GaN) и его твердых растворов обладают физическими свойствами, которые обеспечивают приборам на их основе оптические, мощностные и частотные характеристики, позволяющие применять их в разных областях. Наиболее перспективными из них являются оптоэлектроника, силовая и сверхвысокочастотная (СВЧ) электроника.

О GaN и его твердых растворах как об одном из самых перспективных оптоэлектронных материалов заговорили приблизительно с середины 1990‑х гг. Сначала его рассматривали как основу для полупроводниковой оптоэлектроники, а именно для разработки светодиодов сине-зеленой области видимого спектра, светодиодов ближнего ультрафиолетового диапазона, активных сред лазерных диодов и т. д. [1]. Затем структуры на основе GaN и его твердых растворов стали использовать для разработки компонентной базы силовой и СВЧ-электроники — диодов Шоттки и транзисторов.

Транзисторы на основе GaN-гетероструктур перспективны для применения в передающих СВЧ-устройствах. Обусловлено это рядом преимуществ широкозонных структур на основе GaN над структурами на основе узкозонных полупроводниковых материалов [2]. Основное преимущество транзисторов на основе GaN — высокая удельная мощность [2], что существенно упрощает топологию интегральных схем усилителя мощности, повышает эффективность, уменьшает массу и улучшает габаритные параметры. Развитие этой технологии на основе GaN в последние несколько лет привело к существенным практическим результатам и освоению мощных СВЧ-транзисторов, монолитных интегральных схем в промышленном производстве [3], что является актуальной задачей в свете концепции импортозамещения в российской экономике в целом и электронике в частности.

В связи с этим развитие исследований структур GaN и его твердых растворов и для применения в СВЧ-электронике, и для разработки устройств на основе этих структур идет в России весьма активно. Об этом свидетельствует и достаточное число конференций по данной тематике, организованное в последнее время. Обзору работ по применению нитридных структур в СВЧ-электронике, представленных на 11‑й Всероссийской конференции «Нитриды галлия, индия и алюминия: структуры и приборы», состоявшейся 1–3 февраля 2017 г. в Москве на физическом факультете МГУ им. М. В. Ломоносова, посвящена эта статья.

 

Всероссийская конференция по нитридам 

Для начала хотелось бы кратко рассказать об истории упомянутой Всероссийской конференции по нитридам. Эта конференция продолжила традицию предыдущих совещаний и конференций, проводившихся поочередно в Москве и в Санкт-Петербурге с 1997 г. Приведем несколько интересных цифр. Во‑первых, если брать в расчет четыре рабочих совещания, с которых все начиналось и которые прошли в 1997–2000 гг., а также 10 предыдущих конференций, то получается, что такая встреча российских специалистов, занимающихся исследованиями GaN и разработками устройств на его основе, стала 15‑й. Кроме того, со времени первого совещания, которое состоялось в 1997 г., до нынешней конференции прошло 20 лет, что является достаточным сроком, чтобы подвести итоги, касающиеся исследований и разработок в области гетероструктур GaN и его твердых растворов.

Представленные на 11‑й конференции доклады показывают, что фундаментальные исследования и практически важные разработки структур и приборов на основе GaN и его твердых растворов продолжают активно развиваться в нашей стране. Работы, обсуждавшиеся на предыдущих конференциях за прошедшие два десятилетия, внесли существенный вклад в общий поток исследований и разработок, которые определили создание светодиодной промышленности и развитие светодиодного освещения в мире.

Развитие светотехнической промышленности и освещения происходит за счет импортных светодиодов. Основной причиной этого, видимо, является тот факт, что в России еще пока не создано конкурентоспособное массовое производство структур GaN и его твердых растворов. Однако определенная активность в этом направлении наблюдается, и разработки как структур, так и приборов на их основе ведутся. При этом в последние годы наблюдается смещение акцента со светодиодного направления в сторону силовой электроники и СВЧ.

Пик работ по нитридным полупроводникам пришелся на конец первого 10‑летия XXI в. В настоящее время можно утверждать, что светодиоды заняли свое место среди источников света. Таким образом, светодиодная тематика теперь, по большей части, рассматривается на светотехнических конференциях. Интерес к этим работам от промышленных организаций и правительства существенно вырос после присуждения японским ученым Нобелевской премии за светодиодные исследования [4].

Аналогичная тенденция прослеживается и на конференции по GaN. Большинство докладов по светодиодному направлению было представлено на этом мероприятии в 2007–2010 гг., а с 2015 г. наблюдается сокращение числа таких докладов, и наблюдается рост числа докладов по СВЧ-направлению. На конференции 2017 г. по светодиодной теме были представлены 12 устных докладов из 49.

 

Исследования и разработки  GaN для СВЧ-применений

На 11‑й Всероссийской конференции были представлены 12 устных докладов, посвященных СВЧ-направлению. Непосредственно по исследованию структур для транзисторов, а также свойств кристаллов на основе таких структур было восемь докладов, которым были посвящены две сессии во второй день конференции. Кроме того, еще четыре доклада, связанные с применением GaN в СВЧ-электронике, были представлены на других сессиях, посвященных технологиям эпитаксиального роста и характеристикам гетероструктур. Ниже дается краткий обзор некоторых из представленных работ.

Доклад представителя Института физики НАН республики Беларусь (г. Минск)

Доклад представителя Института физики НАН республики Беларусь (г. Минск)

В работе [5], представленной коллективом авторов из Института физики НАН республики Беларусь (г. Минск), исследовалась возможность улучшения зародышевого слоя с помощью применения маски из нитрида кремния в гетероструктурах с высокой подвижностью электронов (HEMT), выращенных на новой установке молекулярно-лучевой эпитаксии. Исследования были проведены на двух HEMT-гетероструктурах, активная область которых состояла из слоя GaN толщиной 150 нм и барьерного слоя Al0.33Ga0.67N толщиной 25 нм. HEMT-гетероструктуры отличались условиями роста зародышевого слоя; для первой структуры высокотемпературный зародышевый слой выращивался непосредственно на подложке сапфира, для второй — на предварительно осажденном слое нитрида кремния, который служил маской, частично закрывающей поверхность подложки.

Результаты исследований спектров фотолюминесценции позволили авторам сделать вывод об ослаблении упругих напряжений сжатия в слое GaN-структуры, выращенной с использованием маски нитрида кремния, по сравнению со спектром структуры, выращенной без маски [5]. Вместе с тем, для структуры, выращенной с маской, наблюдается незначительное понижение интенсивности фотолюминесценции, что свидетельствует о возможности оптимизировать параметры осаждения слоя нитрида кремния.

Таким образом, с использованием установки аммиачной молекулярно-пучковой эпитаксии были выращены структуры, которые демонстрируют высокий потенциал этой структуры и метода роста, поскольку фактически это первые калибровочные образцы, выращенные на установке. Кроме того, авторы [5] показали возможность осаждения слоя нитрида кремния с использованием легирующего источника кремния для формирования маски на поверхности подложки с целью улучшения качества эпитаксиальных слоев.

Далее хотелось бы остановиться на результатах работ, представленных сотрудниками НИЦ «Курчатовский институт» [6–7].

Для начала заметим, что на сегодняшний день в НИЦ «Курчатовский институт» создана уникальная для России инфраструктура, которая позволяет взяться за решение всех актуальных научно-технологических задач современной нитридной СВЧ-электроники [6]. Основные тенденции развития нитридной СВЧ-электроники — повышение рабочих частот, увеличение удельных мощностей и понижение шумов транзисторов в интегральных схемах. Следует подчеркнуть, что сочетание разных ростовых технологий, современного парка оборудования для создания микроэлектронных устройств, а также широкого спектра аналитического оборудования позволит за один–два года разработать не имеющую аналогов в России технологическую платформу для создания монолитных СВЧ интегральных схем с частотным диапазоном до 100 ГГц и выше.

В настоящий момент в НИЦ «Курчатовский институт» разработана уникальная для РФ технология роста нитридных гетероструктур приборного качества с ультратонкими барьерными слоями до 3–5 нм, необходимых для создания МИС, рассчитанных на диапазон до 100 ГГц и выше. Кроме того, в этом институте разработана технология получения доращиваемых контактов к двумерному электронному газу, достигнуты значения удельного сопротивления контактов 0,1 Ом•мм [6]. Разработана также оригинальная технология, позволяющая создавать транзисторы с расстоянием исток–сток менее 1 мкм. Работы ведутся на основе подложек сапфира, карбида кремния собственного производства и отечественных эпитаксиальных структур AlGaN/GaN, которые планируется использовать для разработки кристаллов усилителей в частотном диапазоне 92–96 ГГц для спутниковых систем связи [6].

Авторы [7] сообщают о разработанных подходах к росту гетероструктур для GaN HEMT методом аммиачной молекулярно-лучевой эпитаксии и о достигнутых с их помощью результатах. Поскольку рост нитридов осуществляется на сильно рассогласованных по параметру ячейки и коэффициенту температурного расширения подложках, в структурах возникает высокая плотность дефектов, которые оказывают негативное влияние на электрофизические характеристики двумерного электронного газа. Последнее особенно актуально для тонких барьерных слоев. Таким образом, особенно важной является задача разработки ростовых приемов, позволяющих бороться с распространением дефектов и развитием морфологии на всех этапах роста гетероструктур для HEMT. Предложенный в работе [7] подход к росту начальных слоев на первом этапе формирования HEMT-гетероструктур заключается в использовании специфических условий нитридизации и формировании двухслойной пленки AlN с использованием разных ростовых температур. Заметим, что уже была продемонстрирована возможность использования полученных образцов структур в СВЧ-усилителях с частотами до 100 ГГц [7].

В работе [8], представленной коллективом авторов НИИ «Полупроводниковых приборов» (г. Томск), исследовались частотные зависимости минимальных значений коэффициента шума, шумового сопротивления и малосигнального коэффициента усиления по мощности гетероэпитаксиальных HEMT-транзисторов на полуизолирующей подложке карбида кремния (SiC). Результаты проведенных исследований шумовых характеристик 5‑Вт AlGaN/GaN HEMT-транзисторов с Z‑затвором Шоттки в частотном диапазоне 1–9 ГГц позволили определить малошумящие режимы работы транзистора [8], а также объяснить аномальное поведение частотной зависимости коэффициента шума, заключающееся в частотной зависимости дополнительного сопротивления, вносимого в буферный слой инжектированными 2D-электронами [8].

Стенды спонсоров Конференции

Стенды спонсоров Конференции

С несколькими докладами выступили сотрудниками НПП «Пульсар» [9–10]. В [9] представлены результаты измерения теплового сопротивления GaN HEMT по температурной зависимости его вольтамперной характеристики (ВАХ). Исследователи применили весьма простой метод определения статического теплового сопротивления по анализу статических ВАХ GaN HEMT, измеренных при разных температурах. Предложенный метод основан на экспериментально установленном факте, что в области насыщения ток стока GaN HEMT линейно зависит от температуры окружающей среды, а также от температуры канала. Измеренное значение теплового сопротивления исследуемого в работе [9] GaN HEMT практически не зависело от напряжения стока. Данный результат имеет достаточно большую практическую важность для разработки HEMT.

Целью [10] было проведение комплекса исследований частотных зависимостей вольт-фарадных характеристик (ВФХ) исходных гетероструктур AlGaN/GaN на подложках SiC и кристаллов НЕМТ на их основе для выяснения причин появления наблюдаемой нестабильности емкости при измерении на низких частотах. Результаты исследований ВФХ сравнивались авторами с результатами исследований вторичной ионно-массовой спектроскопии (ВИМС) [10]. Авторы показали возможность возникновения отрицательно заряженного слоя в барьерном слое нитридных гетероструктур, что может приводить к росту величины емкости при измерении на низких частотах. Однако, как утверждают авторы [10], эта проблема требует проведения дальнейших исследований, которые могут дать более детальную и точную картину. Следует обратить внимание на практическую важность этой работы, поскольку предложенная методика может использоваться для контроля кристаллов в процессе производства HEMT.

Обсуждение докладов во время постерной сессии

Обсуждение докладов во время постерной сессии

Не менее интересной является работа [11], цель которой заключалась в исследовании влияния облучения γ-квантами на электрические параметры не только самих гетероструктур AlGaN/GaN, но и некоторых приборных элементов мощных СВЧ-транзисторов, сформированных на таких гетероструктурах. Кроме того, в этой работе рассматриваются возможные взаимодействия внесенных облучением изменений с имеющимися несовершенствами гетероструктур. Полученные экспериментальные результаты показывают, что формирование дефектов, образующихся при взаимодействии радиационных дефектов с имеющимися несовершенствами исходных гетероструктур, может приводить к стабилизации емкостных характеристик при малых дозах гамма-облучения и увеличению нестабильности при больших дозах облучения [10].

Результаты более фундаментальных исследований были представлен сотрудниками ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН в [12]. В этой работе приведены экспериментальные результаты по влиянию предполагаемой ранее фрактальной природы наноматериала AlGaN/GaN НЕМТ-структур [12] на радиационную стойкость и надежность транзисторов. Исследования проводились на НЕМТ-структурах, выращенных в ФТИ им. А. Ф. Иоффе, и транзисторах, созданных на основе этих структур в ЗАО «Светлана-Электронприбор». Облучение проводилось протонами, ускоренными на циклотроне ФТИ им. А. Ф. Иоффе. Образцы НЕМТ-структур и небольшие партии транзисторов из этих же структур облучались разными дозами протонов [12]. В результате анализа экспериментальных результатов авторы сделали вывод, что наблюдается неоднородное дефектообразование. Можно ожидать, что оно происходит, прежде всего, в скоплениях дислокаций на различных дефектах, содержащих по всей глубине НЕМТ-структуры слабо связанные атомы азота и галлия. Дефектообразование может сопровождаться изменением внутренней организации наноматериала, изменением механических напряжений на границах сросшихся доменов, а также проводящих свойств перколяционных каналов, локализованных в протяженных дефектах и неоднородностях состава. При этом свойства отдельных локальных областей могут и ухудшаться, и улучшаться, что выявляется при исследовании транзисторов после облучения протонами. По мере роста дозы увеличивается процент транзисторов, перестающих функционировать, а на оставшихся транзисторах при малых смещениях значительно уменьшается разброс токов затвора, что указывает на снижение проводимости перколяционных каналов. Авторы делают вывод о том, что фрактальная природа наноматериала НЕМТ-структур является одним из важных факторов, влияющих на надежность и радиационную стойкость транзисторов [12]. Эти результаты являются важными с точки зрения перспективы применения HEMT в стратегически важных областях.

 

Заключение

Подводя итоги представленного обзора работ по СВЧ-применению GaN-гетероструктур и приборов на их основе, можно сделать вывод, что работы, которые достаточно активно ведутся в настоящее время, имеют не только фундаментально научный, но и прикладной характер. СВЧ-транзисторы на основе GaN имеют определенные преимущества в сантиметровом, миллиметровом диапазонах и необходимы для решения стратегических задач, в частности, для создания радиолокаторов в оборонной технике.

Всероссийская конференция по GaN всегда способствовала взаимодействию академических и университетских лабораторий с отечественными промышленными организациями. Результаты конференции, проведенной в начале 2017 г., показывают, что указанное взаимодействие сохраняется. Необходимо дальнейшее укрепление этой связи.

Литература
  1. А.Н.  Туркин. Нитрид галлия как один из перспективных материалов в современной оптоэлектронике. Компоненты и технологии, № 5. Стр. 6–10, 2011.
  2. Ю.  Федоров. Широкозонные гетероструктуры (Al, Ga, In)N и приборы на их основе для миллиметрового диапазона длин волн. Электроника НТБ, № 2. Стр. 92–107, 2011.
  3. А.А.  Кищинский. Твердотельные СВЧ-усилители на нитриде галлия — состояние и перспективы развития. Материалы 19 Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», Севастополь, Вебер, 2009.
  4. А.Н.  Туркин, А. Э . Юнович. Лауреаты Нобелевской Премии 2014 г.: по физике — И.  Акасаки, Х.  Амано, С . Накамура. Природа, № 1. Стр. 75–81, 2015.
  5. Е.В.  Луценко, Н.В.  Ржеуцкий, А.Г . Войнилович, И.Е . Свитенков, Г.П.  Яблонский, С.И.  Петров, В.В . Мамаев, А.Н . Алексеев. Тезисы докладов 11‑й Всероссийской конференции «Нитриды галлия, индия и алюминия — структуры и приборы». Москва. 1–3 февраля 2017 г. Стр. 44–45.
  6. М.Л.  Занавескин, Ю.В.  Грищенко, И.С . Езубченко, И.О . Майборода, Ю.В.  Федоров, Р.Р.  Галиев, А.Ю.  Павлов. Тезисы докладов 11‑й Всероссийской конференции «Нитриды галлия, индия и алюминия — структуры и приборы». Москва. 1–3 февраля 2017 г. Стр. 108–109.
  7. И.О.  Майборода, Ю.В.  Грищенко, И.С . Езубченко, М.Л . Занавескин. Тезисы докладов 11‑й Всероссийской конференции «Нитриды галлия, индия и алюминия — структуры и приборы». Москва. 1–3 февраля 2017 г. Стр. 110–111.
  8. Н.А.  Торхов, Л.И.  Бабак. Тезисы докладов 11‑й Всероссийской конференции «Нитриды галлия, индия и алюминия — структуры и приборы». Москва. 1–3 февраля 2017 г. Стр. 112–113.
  9. А.А.  Дорофеев, Н.Б.  Гладышева, Е.С.  Кондратьев, С.В . Аверин, Н. В. Алкеев. Тезисы докладов 11‑й Всероссийской конференции «Нитриды галлия, индия и алюминия — структуры и приборы». Москва. 1–3 февраля 2017 г. Стр. 118–119.
  10. К.Л.  Енишерлова, В.Г.  Горячев, В.В . Сарайкин, С.А . Капилин. Тезисы докладов 11‑й Всероссийской конференции «Нитриды галлия, индия и алюминия — структуры и приборы». Москва. 1–3 февраля 2017 г. Стр. 128–129.
  11. В.Г.  Горячев, К.Л.  Енишерлова, Ю.В . Колковский. Тезисы докладов 11‑й Всероссийской конференции «Нитриды галлия, индия и алюминия — структуры и приборы». Москва. 1–3 февраля 2017 г. Стр. 142–143.
  12. Е.И.  Шабунина, Н.М.  Шмидт, В.В.  Емцев, Е.Е . Заварин, М.Ф . Кудояров, В.В.  Лундин, Г.А.  Оганесян, В. Н.  Петров, А. В.  Сахаров, Д.С . Полоскин, В.Н.  Вьюгинов. А.А.  Зыбин, А.Е.  Черняков, В.В.  Козловский. ФТИ Тезисы докладов 11‑й Всероссийской конференции «Нитриды галлия, индия и алюминия — структуры и приборы». Москва. 1–3 февраля 2017 г. Стр. 140–141.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.