автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Конструкции и технология СВЧ GaN транзисторов X-диапазона для систем радиолокации

На правах рукописи

Курмачев Виктор Алексеевич

КОНСТРУКЦИИ и ТЕХНОЛОГИЯ СВЧ GaN ТРАНЗИСТОРОВ Х-ДИАПАЗОНА ДЛЯ СИСТЕМ РАДИОЛОКАЦИИ.

05.27.01-твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

7 О '"ОН ¿013

Москва - 2013

005062062

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии «Научно-производственное предприятие «Пульсар».

Научный руководитель: доктор технических наук,

старший научный сотрудник Колковский Юрий Владимирович Официальные оппоненты: Ко'сов Александр Сергеевич

доктор технических наук, заведующий лабораторией Института космических исследований РАН

Щука Александр Александрович, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры полупроводниковых приборов МГТУ МИРЭА

Ведущая организация: ФГУП «НПП «Исток»,

г. Фрязино, Московской области

Защита состоится 28 июня 2013 г. в^^__часов на заседании диссертационного совета Д212.131.02в МГТУ МИРЭА по адресу: 119454, г. Москва, проспект Вернадского, 78.

. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ МИРЭА по адресу: 119454, г. Москва, проспект Вернадского, 78. Автореферат диссертации размещен на сайте МГТУ МИРЭА www.mirea.ru

Автореферат разослан

О $ 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.ф.-м.н.

А.Н. Юрасов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность

Анализ основных направлений работ по созданию нового поколения радиолокационных систем показывает, что в настоящее время в Х-диапазоне наиболее перспективным является применение в них СВЧ транзисторов на основе новых широкозонных полупроводниковых материалов, таких как нитрид галлия [Л1].

Эти приборы могут работать при более высоких температурах по сравнению с приборами, созданными на основе кремния или арсенида галлия. Более высокие пробивные напряжения в ваЫ СВЧ транзисторах позволяют реализовать более высокие рабочие напряжения, большие рабочие токи насыщения и больший уровень импульсной СВЧ мощности по сравнению с ваАв СВЧ транзисторами.

Отмеченные преимущества ваИ СВЧ транзисторов позволяют создавать твердотельные СВЧ блоки и модули, предназначенные для антенных фазированных решеток РЛС и других радиоэлектронных систем с учётом требований по минимизации массо-габаритных характеристик аппаратуры при обеспечении устойчивости к внешним дестабилизирующим факторам [Л1].

Решению актуальной задачи создания конструкций и технологии мощных СаИ СВЧ транзисторов на основе совокупности новых научно-обоснованных технических и технологических решений посвящена настоящая диссертация.

Целью данной работы является разработка конструкций и технологии СаЫ СВЧ транзисторов, обеспечивающих необходимый отвод тепла от активной области транзистора и защиту от электрического пробоя при воздействии мощных импульсных СВЧ сигналов.

Для достижения поставленной цели в работе:

1) проведен анализ конструкций, технологических процессов создания ваМ СВЧ транзисторов и технологического оборудования для разработки и производства СВЧ транзисторов;

2) проведены исследования и моделирование тепловых и электромагнитных процессов в ОаЫ СВЧ транзисторах при воздействии СВЧ мощности;

3) проведена оптимизация технологического процесса создания мощных СВЧ транзисторов Х-диапазона;

4) изложены результаты экспериментальных исследований и практического применения предложенных теплоотводящих конструкций и технологических процессов в баИ СВЧ транзисторах для радиолокационных систем Х-диапазона.

Научная новизна

1. На основе численного решения нестационарного уравнения теплопроводности для цилиндрической симметрии определены перегревы в обла-

сти канала многослойных AlGaN/GaN СВЧ транзисторов с высокой подвижностью электронов в зависимости от мощности, длительности и скважности радиоимпульсов. Результаты расчетов показали, что для AlGaN/GaN СВЧ транзистора Х-диапазона применение теплопроводящих подложек на основе полиалмаза, выращенного на кремнии, обеспечивает лучший отвод тепла по сравнению с подложками на карбиде кремния при толщине слоя кремния менее 10 мкм при длительности импульса более 50 мкс.

2. Показано, что слой полиалмаза на поверхности AlGaN/GaN СВЧ транзистора Х-диапазона толщиной 1мкм уменьшает неравномерность температуры поверхности кристалла транзистора с 70°С до 40°С в импульсном режиме при выходной плотности мощности 8 Вт/мм, длительности импульса т=300мкс и скважности Q=50.

3. Предложен новый AlGaN/GaN СВЧ гетеротранзистор с высокой подвижностью электронов, включающий подложку из монокристаллического кремния р-типа проводимости с выполненным на ней буферным слоем из A1N, поверх которого выполнена теплопроводящая подложка в виде осажденного слоя поликристаллического алмаза, на другой стороне подложки выполнена эпитаксиальная структура AlGaN/GaN СВЧ гете-ротранзистора, а между истоком, затвором и стоком выполнен слой изолирующего поликристаллического алмаза.

4. Установлено, что использование металлизации для контакта Шотт-ки AlGaN/GaN СВЧ транзисторов с высокой подвижностью электронов на основе системы Ir/Au с последующей обработкой в азоте при температуре порядка 500°С обеспечивает значения токов утечки барьера Шоттки в 4 раза меньшие, чем для традиционно используемой системы Ni/Au. Полученный результат объясняется меньшим значением коэффициента диффузии иридия в AlGaN по сравнению с коэффициентом диффузии никеля, а также тем, что высота барьера на границе Ir-AlGaN больше, чем высота барьера Ni-AlGaN.

Практическая полезность

1 .Разработаны и внедрены технологические процессы создания мощных AlGaN/GaN СВЧ гетеротранзисторов с высокой подвижностью электронов, предназначенных для создания блоков радиолокационных станций, работающих в Х-диапазоне (8-12 ГГц).

2. Предложена новая конструкция мощного СВЧ наногетеротранзисто-ра с высокой подвижностью электронов, содержащего базовую подложку из кремния, теплопроводящий поликристаллический слой алмаза, эпитаксиаль-ную структуру на основе AlGaN/GaN, буферный слой (A1N или HfN), отличающаяся тем, что базовая подложка из кремния выполнена толщиной менее 10 мкм, слой теплопроводящего поликристаллического алмаза имеет толщину, 0,1 мм, а на поверхности эпитаксиальной структуры последовательно размещены дополнительный слой теплопроводящего поликристаллического алмаза и барьерный слой из двуокиси гафния толщиной 1,0-4,0 нм.

3. На основе методов контроля неоднородности поверхностного сопротивления по площади напыляемых слоев омических контактов к истоку и

стоку СВЧ транзисторов на AlGaN/GaN гетероструктурах, обеспечивающих контроль неоднородности толщины осажденных металлизированных слоев по площади с точностью 1%, установлено, что при создании омических контактов на основе Ti, Al, Ni и Au неоднородность их поверхностного сопротивления не превышает 6% при нанесении пленок на подложки диаметром 4 дюйма.

4. Для создания твердотельных модулей, включающих AlGaN/GaN-НЕМТ и Si-МИС предложен мультисистемный производственный процесс на основе трехуровневой структуры, состоящей из раздельных производственных помещений (кластеров) для операций создания барьеров Шоттки и омических контактов для AlGaN/GaN/SiC-HEMT, диффузии, нанесения металлов и диэлектриков для Si-МИС, общих кластеров литографии, «мокрого» и «сухого» травления и отмывки пластин и общих производственных участков корпусирования, присоединения выводов и измерений параметров приборов

5. Основные результаты исследований, проведенных в данной работе, использованы при разработке технологии СВЧ транзисторов: ЗПШ 997А, ЗПШ 997Б, ЗПШ 997В, ЗПШ988А. Указанные транзисторы использовались при создании твердотельных СВЧ модулей БКВП. 468714.033, БКВП.468173.020 БКВП.468714.030.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Применение в AlGaN/GaN СВЧ транзисторе Х-диапазона теплопро-водящих подложек на основе полиалмаза, выращенного на кремнии, обеспечивает лучший отвод тепла по сравнению с подложками на карбиде кремния при толщине слоя кремния менее 10 мкм при длительности импульса более 50 мкс.

2. Слой полиалмаза на поверхности AlGaN/GaN СВЧ транзистора X-диапазона толщиной 1мкм уменьшает неравномерность температуры поверхности кристалла транзистора с 70°С до 40°С в импульсном режиме при выходной плотности мощности 8 Вт/мм, длительности импульса т=300мкс и скважности Q=50.

3. Использование металлизации для контакта Шоттки AlGaN/GaN СВЧ транзисторов с высокой подвижностью электронов на основе системы Ir/Au с последующей обработкой в азоте при температуре порядка 500°С обеспечивает значения токов утечки барьера Шоттки в 4 раза меньшие, чем для традиционно используемой системы Ni/Au.

4. Для создания систем на кристалле, включающих AlGaN/GaN-HEMT и Si-МИС необходим мультисистемный производственный процесс, на основе трехуровневой структуры, состоящей из раздельных производственных помещений (кластеров) для операций создания барьеров Шоттки и омических контактов для AlGaN/GaN/SiC-HEMT, диффузии, нанесения металлов и диэлектриков для Si-МИС, общих кластеров литографии, «мокрого» и «сухого» травления и отмывки пластин при соблюдении дополнительных условий очистки, исключающих влияние газов и загрязнений, в первую очередь,

на кристаллы AlGaN/GaN-HEMT и общих производственных участков кор-пусирования, присоединения выводов и измерений параметров приборов.

Апробация работы

Содержание и результаты работы доложены и обсуждены:

-на VII международной научно-технической конференции «Вакуумная техника, материалы и технология», Москва, КВЦ «Сокольники» 10-12 апреля 2012 г.;

-на XIX научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Вакуумная наука и техника», Республика Украина, Судак, сентябрь 2012 г.

- на XI научно-технической конференции «Твердотельная электроника, Сложные функциональные блоки РЭА - «Пульсар-2012», Дубна 17-19 октября 2012 г.

- на Всероссийской научной конференции - Научной Сессии НИЯУ МИФИ, Москва 1-6 февраля 2013 г.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 16 печатных работ, в том числе 7 работ - в рецензируемых журналах, установленных ВАК по выбранной специальности. Получен патент на полезную модель и положительное решение по заявке второго патента на полезную модель.

Личный вклад автора в результаты работы

Основные теоретические результаты получены автором самостоятельно и опубликованы в ряде работ в том числе - в рецензируемых журналах, установленных ВАК по выбранной специальности. Во всех экспериментальных исследованиях автор принимал непосредственное участие в части постановки экспериментов; автор принимал непосредственное участие в разработке технологических процессов создания GaN СВЧ транзисторов, являясь руководителем работ по модернизации и техническому перевооружению производственного комплекса НПП «Пульсар».

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованных источников, включающего 167 наименований. Работа содержит 111 страниц текста, включая 86 рисунков и 10 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируется цель работы и задачи исследования. Указаны научная новизна, положения, выносимые на защиту, и практическая значимость работы.

Глава 1. Анализ конструкций, технологических процессов и методов контроля технологии создания GaN СВЧ гетеротранзисторов и МИС.

В первой обзорной главе проведен анализ конструкций и технологических процессов создания GaN СВЧ гетеротранзисторов с высокой подвиж-

6

ностью электронов.

Рассмотрены тепловые и электромагнитные процессы, ограничивающие уровень выходной СВЧ мощности транзистора.

Проанализированы структура технологического маршрута создания ваЫ СВЧ транзисторов и основные типы технологического оборудования для обеспечения технологических процессов, входящих в технологический маршрут.

На основании проведенного анализа сформулированы цель и задачи, решаемые в диссертационной работе.

Глава 2. Моделирование и исследование конструкций и технологии мощных GaN СВЧ 1 етеротранзисторов.

Во второй главе приводятся результаты исследований конструкций мощных СаИ СВЧ транзисторов, пригодных для применения в блоках радиолокационных станций, работающих в Х-диапазоне (8-12ГГц).

Проведено моделирование тепловых режимов и на его основе разработаны конструкции теплоотводов кристалла ОаИ СВЧ транзисторов.

Установлено, что реализация отвода тепла от областей его выделения в кристалле в основном определяется теплопроводностью подложки. Расчеты влияния различных материалов подложки на зависимость температуры в канале СВЧ транзистора между затвором и стоком и ее связи с длительностью СВЧ импульса были проведены для следующих материалов: подложек кремния толщиной Ь=100мкм, карбида кремния толщиной Ь=100мкм, поликристаллического алмаза толщиной 11=100мкм, выращенного на кремнии с остаточной толщиной |11 = 10мкм и Ьг=20мкм; (рис.1а).

зоо

250 200 150 100 50 о

/

-гтлГГЦ Г

-1

-2 -3 -4

а 150 о.

я 100 в.

в 50 Е

о

р.

1

в)

0.001 0.01 0.1 Дгоггсльностъ импульса, мс

0.001 0.01 0-1 1 ю

Длигельносп. импульса, мс

а) б)

Рис.1. Зависимость температуры области канала между затвором и стоком ОаН СВЧ транзистора от длительности СВЧ импульса для различных материалов подложки: а) 1 - кремний толщиной Ь=100мкм; 2 - карбид кремния толщиной Ь=100мкм; 3 - поликристаллический алмаз толщиной 11=100мкм,

выращенный на кремнии с остаточной толщиной Ь1 = 10мкм; 4 - поликристаллический алмаз толщиной Ь=100мкм, выращенный на кремнии с толщиной Ь2=20мкм;б) - карбид кремния с учетом зависимости тепловых пара-

метров от температуры по данным различных источников, указанных в диссертации.

Результаты расчетов показывают, что применение в АШаМ/ОаЫ СВЧ транзисторе Х-диапазона теплопроводящих подложек на основе полиалмаза, выращенного на кремнии, обеспечивает лучший отвод тепла по сравнению с подложками на карбиде кремния при толщине слоя кремния менее 10 мкм при длительности импульса более 50 мкс.

Проведенный расчет показал наличие неравномерного распределения температуры по поверхности транзисторной структуры, сформированной на 5,¡С подложке. Неравномерность температуры АТ=Тмакс-Тмин рабочих областей, «многопальцевого» транзистора, где выделяется тепло, относительно температуры областей кристалла, расположенных между каналами, составляет ДТ=^70°С. При использовании СВЧ транзистора в импульсном режиме, для снижения тепловых нагрузок активной области транзисторного кристалла необходимо уменьшать величину неравномерности распределения температуры на поверхности кристалла.

Этого можно достигнуть нанесением слоя изолирующего полиалмаза на поверхность, включая области канала между истоком, затвором и стоком ОаЫ СВЧ транзистора (рис.2)

Полиалмаз

Рис.2. Конструкция, оптимизирующая отвод тепла в кристалле СВЧ транзистора путем нанесения слоя полиалмаза на поверхность кристалла ОаЫ СВЧ транзистора Расчет максимальной температуры на поверхности кристалла в зависимости от протяженности источника тепла в канале транзистора между затвором и стоком Ьт проводился для структуры с шириной затвора 4 мм при плотности мощности в структуре 8 Вт/мм. При расчете учитывалось, что основной источник тепловыделения в СВЧ транзисторе расположен между затвором и стоком и имеет размер Ьт, близкий к длине затвора ( ~

Температура,0 С 120

130 120 100 90 80

I 1

и. "2

1

0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 Протяженность источника тепла между затвором и стоком Ь^.мкм

Рис.3. Зависимость максимальной температуры в области между затвором и стоком от протяженности источника тепла Ьт: 1 - без слоя полиалмаза, 2 - со слоем полиалмаза толщиной 1 мкм.

Моделирование тепловых режимов конструкции кристалла СВЧ транзистора с теплопроводящей системой на основе полиалмаза показывает, что использование конструкции (рис.4а), обеспечивающей дополнительный отвод тепла в кристалле СВЧ транзистора через слой полиалмаза на поверхности между истоком, затвором и стоком ваИ СВЧ транзистора, уменьшает тепловое сопротивление транзисторной структуры, работающей в импульсном режиме в 1.5 раза.

Полиалмаз

81\

Г,С

с,»*

пай™

а)

10 10" 10 ю 10" 0,1 1 б)

Рис.4. Структура СВЧ транзистора со слоем полиалмаза на поверхности (а) и зависимость температуры разогрева активной области СВЧ транзистора от длительности СВЧ импульса: 1 - без слоя полиалмаза, 2 - со слоем полиалмаза толщиной 1мкм. Структура AlGaN/GaN СВЧ транзистора Х-диапазона с теплопрово-

9

дящей подложкой на основе полиалмаза, выращенного на кремнии с толщиной слоя кремния менее 10 мкм и слоем полиалмаза на поверхности А1-ОаЫ/ОаЫ СВЧ транзистора толщиной 1 мкм показана на рис. 5.

Рис.5 Структура AlGaN/GaN СВЧ транзисторе с полиалмазными слоями: 1 - фланец; 2 - слой припоя из AuSn; 3 - медный пьедестал; 4 - подслой из AuSn; 5 - теплопроводящая подложка; 6 - буферный слой из A1N; 7 -подложка из Si; 8 — буферный слой из A1N; 9 - нелегированный слой GaN; 10 - нелегированный слой твердого раствора AlGaN; 11 - слой твердого раствора AlGaN п+ типа проводимости; 12 - слой твердого раствора AlGaN; 13 - исток; 14 - затвор; 15 сток; 16 - изолирующий слой из поликристаллического алмаза.

Для снижения механических напряжений в AlGaN/GaN СВЧ транзисторе с полиалмазными слоями использован буферный слой А1N или HfN (рис.6);

Рис.6. Структура AlGaN/GaN СВЧ транзисторе с полиалмазным слоем

и буферными слоями АНЧилиНЯЧ: 1 - фланец марки МД-40; слой припоя из AuSn; 2-

медный пьедестал; 3- подслой из AuSn;4 - базовая подложка из монокристаллического кремния; 5- буферный слой A1N или HfN; 6- теплопроводящий слой CVD поликристаллического алмаза; 7- нелегированный слой из GaN; 8- буферный слой из A1N; 9 - слой твердого раствора из AlGaN (спейс); 10- слой твердого раствора из AlGaN n+типа проводимости; 11- слой твердого раствора из AlGaN (крыша); 12- исток; 13- затвор; 14- сток; 15- омические контакты; 16- дополнительный теплопроводящий слой поликристаллического алмаза; 17- дополнительный барьерный слой из двуокиси гафния.

Для экспериментальной проверки эффективности дополнительного отвода тепла от активной области СВЧ транзистора на рабочую поверхность кристалла транзистора наносилась суспензия алмазного порошка в декане.

Использование слоя суспензии алмазного порошка на поверхности между истоком, затвором и стоком GaN СВЧ транзистора позволило увеличить пробивные напряжения транзисторов в среднем на 20% (рис.7, рис.8).

Ic. А

ЬА

1,0 0,8 0,6 <W 0.2 0.

[Г

О |в 2« W 40 S8 68 *

а)

в)

Рис.7 Вольт-амперные характеристики GaN СВЧ транзистора: а) - без слоя суспензии алмазного порошка на поверхности между истоком, затвором и стоком; б) - со слоем суспензии алмазного порошка на поверхности между истоком, затвором и стоком.

N

и„р,в

0 10 20 30 40 S0 60 70 80 90100110 о 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100110

я) 6)

Рис. 8. Распределение пробивных напряжений ипр на выборке N=20 GaN СВЧ транзисторов: а) - без слоя суспензии алмаза на поверхности между истоком, затвором и стоком; б) - со слоем суспензии алмаза на поверхности между истоком, затвором и стоком.

Проведенное исследование влияния технологии металлизации барьеров Шоттки на надежность ваИ СВЧ транзисторов показало, что при работе в энергонапряженных режимах тепловые перегрузки могут приводить к повреждению барьера Шоттки, что приводит к изменению зависимостей токов утечки затвор-исток 13 от напряжения11с„, (рис.9).

I з, м А

О -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8

Рис.9. Зависимости токов утечки затвор-исток 13 от напряженияизи: 1 - у исходного СВЧ транзистора и 2 - у СВЧ транзистора, поврежденного в результате воздействия выбросов напряжения изи.

Показано, что перспективным направлением снижения токов утечки барьера Шоттки ОаЫ СВЧ транзисторов является применением вместо системы №-Аи системы 1г- Аи.

Для изготовления контактов Шоттки на основе иридия использовалась мишень с содержанием иридия 99,9902%, массой 136,36 г, диаметром 51 мм. Напыление иридия и никеля производилось магнетронным методом. Контакты Шоттки СаЫ СВЧ транзисторов, отжигали при 500°С в течение 30 мин. в атмосфере азота.

Показано, что эффективность использования конструкций барьера Шоттки на основе металлизации 1г/Аи проявляется после температурной обработки (рис.10).

I,, мА 0 -1 -2 -3 -4 -5 -6

I з, мА

U,n,B

0 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8

а)

Рис. 10. Зависимости токов утечки затворов Шоттки GaN СВЧ транзисторов 13 от напряжения изи СВЧ транзисторов на нитриде галлия для различных систем металлизации: а) - Ni/Au, b) - Il/Au; 1- до термической обработки, 2 - после термической обработки при Т=500°С в течение 30-ти минут 12

Отжиг при 500°С для систем металлизации Ir/Au обеспечил уменьшение тока утечки барьера Шоттки, более чем в 4 раза по сравнению с током утечки без отжига, рис.106, тогда как для барьера Ni/Au, обратный ток после отжига при этих же условиях не только не уменьшается, но даже несколько возрастает, рис.10,а. Основной причиной полученного эффекта может быть увеличение высоты энергетического барьера системы металлизации типа Ir/Au при отжиге и меньший коэффициент диффузии иридия по сравнению с коэффициентом диффузии никеля в гетерослое AIGaN.

Это показывает эффективность применения системы Ir/Au для барьеров Шоттки СВЧ транзисторов усилителей мощности Х-диапазона, работающих в энерго-напряженных режимах, поскольку тепловые перегревы (отжиг) не приводят к росту токов утечки.

Глава 3. Технологический маршрут создания СВЧ гетеротранзисторов и интегральных схем на их основе и методы контроля технологических

процессов.

В третье главе рассмотрен технологический маршрут создания СВЧ гетеротранзисторов и приведено исследование методов контроля технологических процессов создания GaN СВЧ транзисторов и интегральных схем и приведены результаты оптимизации технологического процесса создания мощных импульсных СВЧ транзисторов.

Блок-схема технологического маршрута приведена на рис.1 1

Входной контроль пластин SiC Входной контроль гетеросгруктур AIGaîV/GaN/SiC

Изготовление и термообработка омических контактов

фотолитографические процессы, напыление металлов -

Изготовление барьеров Шотпси Фотолитографические процессы, напыление металлов Термобрабомка

Технологический контроль параметров омических контактов и оарьеров Шоттки

^

Нанесение диэлектриков в область канала

Изготовление и металлизация отверстий для заземления истоков транзисторов

Проверка параметров транзисторов на пластине зондовыми методами

Резка пластины на кристаллы, присоединение выводов, герметизация

| Измерение параметров, испытания приборов J

Рис.11. Блок-схема технологического маршрута AlGaN/GaN/SiC гетеротранзисторов. 13

Определен выбор контрольных точек и методов контроля технологического процесса создания СВЧ транзисторов и ИС.

Установлено, что дефекты подложек существенно влияют на параметры СВЧ транзистора, в частности на характеристики двумерного электронного газа (ДЭГ), поэтому в технологическом процессе создания СВЧ транзистора первой контрольной точкой является контроль дефектности подложек. Методы растровой электронной микроскопии (РЭМ) позволяют контролировать качество подложек и гетероструктур АЮаМ/ОаШЗ^С (рис.12).

Рис.12. Включения частиц (углерода) в карбиде кремния Важнейшим методом контроля подложек Б ¡С является также поляризационный метод, позволяющий выявлять крупные дефекты в 51С (рис.13).

а) б)

Рис.13. Плотность включений и повреждений поверхности 51С, контролируемая поляризационным методом а) - 1^-108-10'см"2; б - Мд-Ю'см"2.

Наличие нанометровых включений и повреждений поверхности существенно снижает процент выхода годных приборов с пластины, поскольку дефектность поверхностных слоев АЮаЫ/СаЫ коррелирует с плотностью дефектов исходных 81С-подложек.

Следующим этапом контроля технологического процесса изготовления СВЧ транзисторов является контроль планарной технологии изготовления.

Металлизированные слои, как показано в гл.2, определяют параметры омических контактов и барьеров Шоттки транзисторов на широкозонных материалах. При этом, так как толщина металлизированных слоев должна выдерживаться с большой точностью, требования к однородности толщины пленок, с которой однозначно связано поверхностное сопротивление метал-

лических пленок, являются достаточно жесткими.

На основе методов контроля неоднородности поверхностного сопротивления по площади напыляемых слоев пленок для омических контактов СВЧ транзисторов на AlGaN/GaN гетероструктурах, обеспечивающих контроль неоднородности толщины металлизированных слоев по площади при их осаждении с точностью 1%, проведено исследование неоднородности поверхностного сопротивления пленок на основе "Л, А1, № и Аи, применяющихся для создания омических контактов истока и стока.

Результаты распределения неоднородности поверхностного сопротивления металлизированного слоя показывают сложную картину распределения неоднородностей по поверхности структуры для поверхностного сопротивления пленок титана, алюминия, никеля и хрома приведены на рис.14.

Рис.14. Распределение поверхностного сопротивления для пленок, титана, алюминия и никеля

Разброс поверхностного сопротивления пленки на кремниевой подложке при создании омических контактов на основе 14, А1, № и Аи к истоку и стоку СВЧ транзисторов на АЮаМ/ОаЫ гетероструктурах показал, что неоднородность поверхностного сопротивления не превышает 6% при нанесении пленок на подложки диаметром 4 дюйма. На подложках диаметром 50 и 76 мм разброс поверхностного сопротивления меньше и не превышает 3 и 4%, соответственно.

Разработаны методы обеспечения совместных процессов производства кремниевых МИС и АЮа№Са№81С-НЕМТ.

Проведенный анализ показал, что мультисистемный производственный процесс создания 81-МИС и АЮаМ/ОаЫ^С-НЕМТ может быть реализован на основе трехуровневой системы, состоящей из:

- раздельных производственных помещений (кластеров) для операций создания омических контактов и барьеров Шоттки для АЮаЫ/Оа№81С-НЕМТ, операций диффузии, нанесения металлов и диэлектриков для технологии создания 81-МИС;

- общих кластеров литографии, «мокрого» и «сухого» травления и отмывки пластин при соблюдении дополнительных условий очистки, исключающих влияние газов и загрязнений, в первую очередь, на кристаллы АЮаЫ/ОаЫ-НЕМТ;

- общих производственных участков корпусирования, присоединения выводов и измерений параметров.

Реализация мультисистемного производственного процесса позволяет:

- привести в соответствие современному технологическому уровню

организационно-техническую структуру предприятий, занимающихся разработкой и производством современной ЭКБ и аппаратуры на ее основе;

- обеспечить переход твердотельной СВЧ электроники на новый уровень интеграции, а именно, на элементную базу нового поколения: интеллектуальные, адаптивные СВЧ мультисистемы на кристалле, использующие сложные алгоритмы обработки сигналов;

- обеспечить инновационное развитие радиоэлектронной промышленности России на основе критических и прорывных технологий на новых полупроводниковых материалах (ОаИ. 8Юе, 51С).

Глава 4. Результаты практического применения конструктивно-технологических решений создания GaN СВЧ гетеротранзисторов и интегральных схем для радиолокационных систем Х-диапазона

В четвертой главе рассмотрены результаты разработки и внедрения при модернизации и техническом перевооружении производственного комплекса НПП «Пульсар», позволяющего реализовывать мощные СВЧ транзисторные структуры.

Исследованы результаты практического применения, предложенных в главе 2 теплоотводящих конструкций и технологических процессов создания GaN СВЧ транзисторов.

Применение предложенных теплопроводящих конструкций в базовом кристалле СВЧ НЕМТ (рис. 15а) позволили реализовать на его основе внут-рисогласованные транзисторы (рис.156 и в), которые обеспечивают пробивные напряжения более 110В и малошумящие СВЧ транзисторы, обеспечивающие коэффициент шума Кш < 2,4 дБ при уровне СВЧ помех Рп =100Вт (рис. 1 6).

шшшвашт шил

Рис. 15. Конструкция базового кристалла СВЧ НЕМТ - а) и внутрисогласованные СВЧ транзисторы на основе базового кристалла НЕМТ производства ФГУП «НПП «Пульсар»: б) - 6-кристальный СВЧ транзистор С- диапазона с параметрами: AF=5,1-^5,9 ГГц; Римп=110 Вт; t„M„ =100 мкс; Q=4; Рср = 50Вт; в) - 4-кристальный СВЧ транзистор Х- диапазона с параметрами: AF=9,5-H0,5 ГГц; Р„мп=90 Вт; t„M„ =100 мкс; Q=4; Рср = 30Вт;

Рис.16. Малошумящий СВЧ транзистор ЗПШ988

Разработанные с помощью предложенного технологического процесса и конструктивно-технологических решений ОаЫ СВЧ транзисторы позволили реализовать твердотельные СВЧ модули, внедренные в ряд радиолокационных систем, что позволило обеспечить создание соответствующих радиоэлектронных комплексов

Был разработан импульсный усилитель мощности на ваИ СВЧ транзисторах с импульсной мощностью Римп = 8 кВт при длительности импульса тимп=1-..200 мкс и минимальной скважностью Омин=б с системой водяного охлаждения. Основными преимуществами, получаемыми в результате применения ОаЫ СВЧ транзисторов, являются их высокие пробивные и рабочие напряжения и высокая удельная мощность. Импульсный усилитель мощности на GaN СВЧ транзисторах с импульсной мощностью Римп = 8кВт представляет собой многотранзисторное устройство, в состав которого входит 272 мощных СВЧ транзистора.

Малошумящие СВЧ транзисторы использованы при создании СВЧ приемников РЛС с уровнем синхронных помех Рпо=300Вт и асинхронных помех Рас=50Вт.

Таким образом, разработанные с помощью реализованного технологического процесса и конструктивно-технологических решений ОаЫ СВЧ транзисторы позволили реализовать твердотельные СВЧ модули, внедренные в ряд радиолокационных систем, что позволило обеспечить создание радиоэлектронных комплексов нового поколения.

Заключение

Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований, проведенных в настоящей работе, заключаются в следующем:

1. На основе проведенных тепловых расчетов установлено, что для АЮаН/ОаИ СВЧ транзистора Х-диапазона применение теплопроводящих подложек на основе полиалмаза, выращенного на кремнии, обеспечивает лучший отвод тепла по сравнению с подложками на карбиде кремния при толщине слоя кремния менее 10 мкм при длительности импульса более 50 мкс.

2. Показано, что слой полиалмаза на поверхности АШаМ/СаМ СВЧ

17

транзистора Х-диапазона толщиной 1мкм уменьшает неравномерность температуры поверхности кристалла транзистора с 70°С до 40°С в импульсном режиме при выходной плотности мощности 8 Вт/мм, длительности импульса т=300мкс и скважности (3=50.

3. Установлено, что современные методы нанесения металлических пленок "П, А1, Аи, N1 на полупроводниковые подложки обеспечивают неоднородность поверхностного сопротивления по площади пленок не более 6% для пленок, нанесенных на пластины диаметром 4 дюйма и не более 4% для пленок, нанесенных на пластины диаметром 3 дюйма, что достаточно для обеспечения производства омических контактов и барьеров Шоттки.

4 Анализ и исследование технологического процесса создания ОаК СВЧ транзисторов и интегральных схем позволили сформулировать требования к технологическому оборудованию необходимому для реализации заданных параметров СВЧ приборов и обеспечения их высокой надежности. Выбор технологического оборудования ориентирован на процесс изготовления ОаК СВЧ транзисторов и интегральных схем, реализующих большую номенклатуру изделий при их относительно невысоком количественном выпуске, что позволяет реализовать баланс между специальными стратегическими и коммерческими целями производства.

5. Показано, что мультисистемный производственный процесс создания систем на кристалле на основе 51-МИС и АЮаЫ/ОаК/51С-НЕМТ может быть реализован на основе трехуровневой структуры, состоящей из:

- раздельных производственных помещений (кластеров) для операций диффузии, создания омических контактов и барьеров Шоттки для технологии АЮаМ/ОаК/51С-НЕМТ, операций диффузии, нанесения металлов и диэлектриков для технологий создания БьМИС;

- общих кластеров литографии, «мокрого» и «сухого» травления и отмывки пластин при соблюдении дополнительных условий очистки,исключающих влияние газов и загрязнений, в первую очередь, на кристаллы АЮаМ/Са1Ч-НЕМТ;

- общих производственных участков корпусирования, присоединения выводов и измерений параметров.

6. Основные результаты исследований, проведенных в данной работе, внедрены, при модернизации и техническом перевооружении производственного комплекса НПП «Пульсар» и в технологический процесс создания

GaN СВЧ транзисторов и использованы при разработке СВЧтранзисторов: ЗПШ 997А, ЗПШ 997Б. ЗПШ 997В, ЗПШ988А и СВЧ твердотельных модулей БКВП.468714.03 3, БКВП.468 1 73.020 БКВП.468714.030 на их основе.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ, ОТРАЖАЮЩИХ ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

В изданиях, рекомендованных ВАК

AI. Иванов К.А., Курмачев В.А., Филатов А.Л. GaN мощные СВЧ транзисторы на подложках из полиалмаза. Электронная техника. Серия 2. Полупроводниковые приборы.2012. Вып. 1. Стр.82-85.

А2. Глыбин A.A., Иванов К.А., Курмачев В.А., Филатов А.Л. Моделирование тепловых режимов мощных GaN СВЧ транзисторов. Электронная техника. Серия 2. Полупроводниковые приборы.2012. Вып. 1. Стр.86-89.

A3. Концевой Ю.А., Курмачев В.А. Методы контроля технологии нано-гетероструктурных СВЧ AlGaN/GaN-транзисторов. Интеграл. 2012. №2. Стр.10-11.

A4. Курмачев В.А. Мультисистемные технологии. Совместимость производства Si-транзисторов и AlGaN/GaN/SiC-HEMT. Интеграл. 2012. №3. Стр.28-31.

А5. Глыбин A.A., Синкевич В.Ф., Курмачев В.А.Метод снижения вероятности электрического пробоя GaN СВЧ транзисторов при работе в режиме максимальной выходной мощности. Электронная техника. Серия 2. Полупроводниковые приборы.2012 г. Вып. 2. Стр.18-21

А6. Ванюхин К.Д. , Кобелева С.П., Концевой Ю.А., Курмачев В.А., Сейдман Л.А. Исследование однородности поверхностного сопротивления металлических пленок Ti, AI, Ni, Cr и Au. Известия вузов. Материалы электронной техники. 2012. №4. Стр.33-36.

А7. Курмачев В.А. Иридиевые контакты Шотгки для гетероструктур AlGaN/GaN. Электронная техника. Серия 2. Полупроводниковые приборы.2013. Вып. 1.

А8. Аветисян Г.Х., Гладышева Н.Б., Дорофеев A.A., Курмачев В.А. Полупроводниковый прибор^ (варианты). Патент на полезную модель № 126509, приоритет 24 сентября 2012 г.

А9. Аветисян Г.Х., Адонин A.C., Дорофеев A.A., Колковский Ю.В., Курмачев В.А., Миннебаев В.М. Мощный транзистор СВЧ. Положительное решение Роспатента от 11 марта 2013 г. по заявке на полезную модель № 2012156270/28 (088986) с приоритетом 25.12.2012.

Опубликованных в других изданиях

А10. Енишерлова К.Л., Концевой Ю.А., Курмачев В.А., Митрофанов Е.А., Симакин С.Б. Исследование электрофизических параметров металлических пленок алюминия и титана. Материалы VII международной научно-технической конференции «Вакуумная техника, материалы и технология». Москва, КВЦ «Сокольники», 2012, стр.87-89

AI 1. Енишерлова К.Л., Концевой Ю.А., Курмачев В.А., Митрофанов Е.А., Симакин С.Б. Исследование электрофизических и оптических свойств металлических пленок, сформированных ионно-плазменными методами. Вакуумная наука и техника. Материалы XIX научно-технической конференции. Под ред. д.т.н., профессора Д.В. Быкова. М. МИЭМ. 2012. Стр.159-160

А12. Гуськов Б.Л., Завадский Ю.И., Концевой Ю.А., Курмачев В. А., Резвый P.P. Оптические методы контроля параметров гетероструктур. Электронная промышленность. 2012. №1. Стр.29-43

А13. Анфимов И.М., Ванюхин К.Д., Курмачев В.А., Сейдман Л.А. Исследование однородности поверхностного сопротивления металлических пленок Ti, AI, Ni, Cr и Au. Материалы научно-технической конференции «Пульсар2012». Москва, НТО им. A.C. Попова. 2012. Стр.147-149.

А14. Крымко М.М., Колковский Ю.В., Миннебаев В.М., Синкевич В.Ф., Курмачев В.А., Борисов О.В., Легай Г.В. 8-киловаттный нитридгалли-евый импульсный усилитель мощности Х-диапазона. Материалы научно-технической конференции «Пульсар2012». Москва, НТО им. A.C. Попова. 2012. Стр.9-12.

А15. Борисов О.В., Герасимов А.О., Колковский Ю.В., Синкевич В.Ф., Курмачев В.А., Миннебаев В.М., Редька Ал.В., Таран П.В.. 500-Ваттный GaN усилитель мощности: оптимизация энергетических и надежностных характеристик. Материалы научно-технической конференции «Пульсар2012». Москва, НТО им. A.C. Попова. 2012. Стр.13-17

AI 6. Ванюхин К.Д., Захарченко Р.В., Концевой Ю.А., Курмачев В.А., Сейдман Л.А..Исследование однородности поверхностного сопротивления металлических пленок, полученных термическим испарением. Тезисы доклада на Всероссийской научной конференции - Научной Сессии НИЯУ МИФИ - 2013, г. Москва, проводимой в НИЯУ МИФИ с 01 по 06 февраля 2013 г.

Цитируемая литература

Л1. Васильев А.Г., Колковский Ю.В., Концевой Ю.А. СВЧ приборы и устройства

на широкозонных полупроводниках. М.: Техносфера. 2011.416 с.

20

Курмачев Виктор Алексеевич

КОНСТРУКЦИИ и ТЕХНОЛОГИЯ СВЧ GaN ТРАНЗИСТОРОВ Х-ДИАПАЗОНА ДЛЯ

СИСТЕМ РАДИОЛОКАЦИИ

Автореферат

Заказ № 35.Тираж 150 экз. Отпечатано в типографии ФГУП «НПП «Пульсар» 105187, Москва, Окружной проезд, 27 Подписано к печати 20 мая 2013 г.

Федеральное государственное унитарное предприятие «Научно-производственное предприятие «Пульсар»

04201358040

На правах рукописи

Курмачев Виктор Алексеевич

КОНСТРУКЦИИ И ТЕХНОЛОГИЯ СВЧ GaN ТРАНЗИСТОРОВ Х-ДИАПАЗОНА ДЛЯ СИСТЕМ

РАДИОЛОКАЦИИ.

Специальность:

05.27.01-«Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах»

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, старший научный сотрудник

Колковский Ю. В.

Москва - 2013

Содержание

Стр.

ВВЕДЕНИЕ 5

Глава 1. АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИЙ, 10

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ ТЕХНОЛОГИИ СОЗДАНИЯ GaN СВЧ ТРАНЗИСТОРОВ И МИС

1.1 Основные требования к СВЧ транзисторам 10 импульсных СВЧ передатчиков Х-диапазона и

пути их реализации

1.2 СВЧ транзисторы на широкозонных мате- 12 риалах и гетероструктурах

1.2.1 Структуры СВЧНЕМТ на основе АЮаЫ/СаИ 12

1.3 Технология создания НЕМТ на основе GaN 17

1.3.1 Конструктивные особенности АЮаЫ/СаЫ гетеро- 17 структур и методы их выращивания

1.3.2 Омические контакты НЕМТ на основе СаК 19

1.3.3 Полевые затворы в НЕМТ: барьеры Шоттки 23

1.3.4 Изоляция поверхности 30

1.3.5 Особенности фотолитографических процес- 31 сов

1.4 Методы контроля параметров гетероэпи- 32 таксиальных структур, транзисторов и ИС в процессе разработки и производства

1.4.1 Оптические методы контроля 32

1.4.2 Рентгеновские методы контроля 33

1.4.3 Электронно-микроскопические методы исследования 35 структурного совершенства широкозонных полупроводников и гетеро структур

1.4.4 Растровая электронная микроскопия (РЭМ) 35

1.4.5 Примеры методов контроля гетероструктур 37

1.5 Некоторые примеры отечественных разработок в 37 области создания элементов СВЧ-устройств

1.6 Применение алмазных пленок в технологии GaN 40

НЕМТ

1.6.1 Транзисторы на алмазных подложках 40

1.6.2 Возможности использования алмазных слоев для вы- 42 равнивания температуры поверхности АЮаЫ/ОаЫ НЕМТ

1.7 Цель и основные задачи диссертационной 45

работы

ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ И 47

ИССЛЕДОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ И ТЕХНОЛОГИИ МОЩНЫХ GaN СВЧ ГЕТЕРОТРАНЗИСТОРОВ

2.1 Тепловые режимы мощных GaN СВЧ гете- 47 ротранзисторов в импульсных передатчиках

2.1.1 Тепловые режимы мощных СаМ СВЧ гетеро- 47 транзисторов

2.1.2 Моделирование и исследование тепловых ре- 58 жимов СаЫ СВЧ транзисторов в импульсных передатчиках

2.2 Исследование и моделирование электриче- 60 ского пробоя GaN СВЧ транзисторов при работе

в режиме максимальной импульсной выходной мощности

2.3 Исследование влияния конструкции и тех- 63 нологии металлизации барьеров Шоттки на надежность GaN СВЧ транзисторов

2.4 Выводы 68 ГЛАВА 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ 69

МАРШРУТ СОЗДАНИЯ СВЧ

ГЕТЕРОТРАНЗИСТОРОВ И ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ НА ИХ ОСНОВЕ И МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

3.1 Технологический маршрут создания СВЧ 69 транзисторов и интегральных схем

3.2 Выбор контрольных точек и методов кон- 72 троля технологического процесса создания СВЧ транзисторов

3.2.1 Контроль качества подложек 57С 72

3.2.2 Контроль качества гетероструктур А1- 73 СаЫ/0аЫ/81С или аналогичных

3.2.3 Электрические и оптические методы кон- 75 троля параметров элементов транзисторных структур

3.3 Контроль качества металлизации 76

3.4 Методы обеспечения совместных процессов 79 производства кремниевых полевых транзисторов и А1-Са1Ч/Са1Ч/81С-НЕМТ

3.4.1 СВЧ приборы и устройства на основе критических 80 технологий

3.4.2 Сопоставление технологических операций совмест- 82 но го производства 57 и АI ОаМ/СаЫ/БЮ приборов

3.4 Выводы 87

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ 88

ПРАКТИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ СОЗДАНИЯ GaN СВЧ ГЕТЕРОТРАНЗИСТОРОВ И ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ ДЛЯ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ СИСТЕМ Х-ДИАПАЗОНА

4.1 Реализация технологического процесса со- 88 здания GaN СВЧ транзисторов и интегральных схем

4.2 GaN СВЧ транзисторы для радиолокацион- 94 ных систем Х-диапазона

4.3 Твердотельные СВЧ модули на GaN СВЧ 97 транзисторах для радиолокационных систем X-диапазона

4.4 Выводы 99 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 100

ЛИТЕРАТУРА 101

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность

Анализ основных направлений работ по созданию нового поколения радиолокационных систем показывает, что в настоящее время в X-диапазоне наиболее перспективным является применение в них СВЧ транзисторов на основе новых широкозонных полупроводниковых материалов, таких как нитрид галлия [Л1].

Эти приборы могут работать при более высоких температурах по сравнению с приборами, созданными на основе кремния или арсенида галлия. Более высокие пробивные напряжения в БаИ СВЧ транзисторах позволяют реализовать более высокие рабочие напряжения, большие рабочие токи насыщения и больший уровень импульсной СВЧ мощности по сравнению с ваАз СВЧ транзисторами.

Отмеченные преимущества ОаИ СВЧ транзисторов позволяют создавать твердотельные СВЧ блоки и модули, предназначенные для антенных фазированных решеток РЛС и других радиоэлектронных систем с учётом требований по минимизации массо-габаритных характеристик аппаратуры при обеспечении устойчивости к внешним дестабилизирующим факторам [Л1].

Решению актуальной задачи создания конструкций и технологии мощных ОаЫ СВЧ транзисторов на основе совокупности новых научно-обоснованных технических и технологических решений посвящена настоящая диссертация.

Целью данной работы является разработка конструкций и технологии ОаИ СВЧ транзисторов, обеспечивающих необходимый отвод тепла от активной области транзистора и защиту от электрического пробоя при воздействии мощных импульсных СВЧ сигналов.

Для достижения поставленной цели в работе:

1) проведен анализ конструкций, технологических процессов создания GaN СВЧ транзисторов и технологического оборудования для разработки и производства СВЧ транзисторов;

2) проведены исследования и моделирование тепловых процессов в ОаЫ СВЧ транзисторах при воздействии СВЧ мощности;

3) проведена оптимизация технологического процесса создания мощных СВЧ транзисторов Х-диапазона;

4) изложены результаты экспериментальных исследований и практического применения предложенных теплоотводящих конструкций и технологических процессов в GaN СВЧ транзисторах для радиолокационных систем Х-диапазона.

Научная новизна

1. Разработана теоретическая модель для расчета тепловых потоков в многослойных наногетероструктурах СВЧ транзисторов А1-GaN/GaN, основанная на численном решении нестационарного уравнения теплопроводности для цилиндрической симметрии. Модель позволяет рассчитывать тепловые потоки и перегревы в области канала транзистора между истоком и стоком в зависимости от мощности, длительности и скважности радиоимпульсов. На основе решения нестационарного уравнения теплопроводности показано, что применение в GaN СВЧ транзисторе теплопроводящих полиалмазных подложек, выращенных на кремнии, может позволить исключить из технологического процесса создания AlGaN/GaN НЕМТ подложки на основе карбида кремния при условии, что толщина слоя кремния, расположенного между полиалмазом и GaN слоем, не превышает 10 мкм.

2. Показано, что уменьшение импульсного теплового сопротивления AlGaN/GaN СВЧ транзисторов, по крайней мере, в 1,5 раза можно реализовать, нанося слой полиалмаза на поверхность СВЧ транзистора. При этом, нанося слой полиалмаза толщиной порядка 1мкм, можно уменьшить неравномерность температуры поверхности кристалла транзистора с 70°С до 40°С при работе транзистора в импульсном режиме за счет изменения пространственного распределения потока тепла. Это позволяет реализовать выходную мощность СВЧ транзистора 8 Вт, при длительности импульса т=300мкс для значений скважности Q=50 и при длине затвора L=0.5 мкм.

Показано, что после нанесения на поверхность кристалла СВЧ транзистора суспензии алмазного порошка в декане величина пробивных напряжений СВЧ транзисторов Х-диапазона возрастает на 20%.

3. Предложен новый полупроводниковый наногетеротранзистор, включающий подложку из монокристаллического кремния р-типа проводимости с выполненным на ней буферным слоем из A1N, поверх которого выполнена теплопроводящая подложка в виде осажденного слоя поликристаллического алмаза, на другой стороне подложки

выполнена эпптаксиальная структура полупроводникового прибора на основе широкозонных III-нитридов, исток, затвор и сток, при этом между истоком, затвором и стоком выполнен слой изолирующего поликристаллического алмаза. Указанная конструкция защищена патентом на полезную модель.

4. Предложена новая конструкция мощного СВЧ наногетеротран-зистора, содержащего базовую подложку из кремния, теплопроводящий поликристаллический слой алмаза, эпитаксиальную структуру на основе широкозонных III-нитридов, буферный слой (A1N или HfN), отличающийся тем, что базовая подложка из кремния выполнена толщиной менее 10 мкм, слой теплопроводящего поликристаллического алмаза имеет толщину, по меньшей мере, равную 0,1 мм, а на поверхности эпитакси-альной структуры последовательно размещены дополнительный слой теплопроводящего поликристаллического алмаза и барьерный слой из двуокиси гафния толщиной 1,0-4,0 нм. На конструкцию получено положительное решение при ее оформлении на полезную модель.

5. При создании омических контактов на основе Ti, Al, Ni и Au к истоку и стоку СВЧ транзисторов на AlGaN/GaN гетероструктурах требования к разбросу толщины металлизированных слоев являются жесткими (10-20%), поэтому необходим контроль неоднородности толщины металлизированных слоев по площади при их осаждении. Обычный метод контроля толщины по кварцевым датчикам не дает информации о разбросе толщины по площади. Показано, что для этой цели может быть использована аппаратура, обеспечивающая контроль неоднородности поверхностного сопротивления по площади напыляемых слоев. Экспериментальные результаты показывают, что для всех указанных металлов неоднородность поверхностного сопротивления не превышает 6% при нанесении пленок на подложки диаметром 4 дюйма.

7. Установлено, что использование металлизации для контакта Шоттки на основе системы Ir/Au с последующей обработкой в азоте при температуре порядка 500°С обеспечивает значения токов утечки барьера Шоттки в 4 раза меньшие, чем для традиционно используемой системы Ni/Au. Это связано с тем, что коэффициент диффузии иридия в AlGaN меньше, чем коэффициент диффузии никеля в том же материале, а высота барьера на границе Ir-AlGaN больше, чем высота барьера Ni-AlGaN.

Практическая полезность

1 .Разработаны и внедрены технологические процессы создания мощных АЮаМ/ОаЫ СВЧ гетеротранзисторов, предназначенных для создания блоков радиолокационных станций, работающих в Х-диапазоне (8-12 ГГц).

2. Для создания твердотельных модулей, включающих АЮаШОаМ-НЕМТ и 81-МИС, предложен мультисистемный производственный процесс на основе трехуровневой структуры, состоящей из раздельных производственных помещений (кластеров) для операций создания барьеров Шоттки и омических контактов для АЮаШОаЫ/^С-НЕМТ, диффузии, нанесения металлов и диэлектриков для 81-МИС, общих кластеров литографии, «мокрого» и «сухого» травления и отмывки пластин и общих производственных участков корпусирования, присоединения выводов и измерений параметров приборов.

2. Основные результаты исследований, проведенных в данной работе, использованы при разработке технологии СВЧ транзисторов: ЗПШ 997А, ЗПШ 997Б, ЗПШ 997В, ЗПШ 988А. Указанные транзисторы использовались при создании твердотельных СВЧ модулей БКВП.468714.033, БКВП.4681 73.020 БКВП.468714.030.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Применение в ОаЫ СВЧ транзисторе теплопроводящих подложек на основе полиалмаза, выращенного на кремнии, может позволить исключить из технологического процесса создания АЮаШваЫ НЕМТ дорогостоящие и дефицитные подложки на основе карбида кремния в мощных СВЧ транзисторах при условии, что толщина слоя кремния не превышает 10 мкм.

2. Уменьшение импульсного теплового сопротивление СВЧ транзисторов, по крайней мере, в 1,5 раза можно реализовать, нанося слой полиалмаза на поверхность СВЧ транзистора. При этом, нанося слой полиалмаза толщиной порядка 1мкм, можно уменьшить неравномерность температуры поверхности кристалла транзистора с 70°С до 40°С при работе транзистора в импульсном режиме при выходной мощности СВЧ транзистора 8 Вт, при длительности импульса т=300мкс для значений скважности (^=50 и при длине затвора Ь=0.5 мкм.

3. Предложены новые конструкции мощных СВЧ транзисторов, основанные на использовании полиалмаза, тонких слоев кремния, буферных слоев из A1N или HfN.

4. Для создания твердотельных модулей, включающих AlGaN/GaN-НЕМТ и Si-МИС, предложен мультисистемный производственный процесс на основе трехуровневой структуры, состоящей из раздельных производственных помещений (кластеров) для операций создания барьеров Шоттки и омических контактов для AlGaN/GaN/SiC-HEMT, диффузии, нанесения металлов и диэлектриков для Si-МИС, общих кластеров литографии, «мокрого» и «сухого» травления и отмывки пластин при соблюдении дополнительных условий очистки, исключающих влияние газов и загрязнений, в первую очередь, на кристаллы AlGaN/GaN-HEMT и общих производственных участков корпусирования, присоединения выводов и измерений параметров приборов.

Апробация работы

Содержание и результаты работы доложены и обсуждены:

-на VII международной научно-технической конференции «Вакуумная техника, материалы и технология», Москва, КВЦ «Сокольники» 10-12 апреля 2012 г.;

-на XIX научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Вакуумная наука и техника», Республика Украина, Судак, сентябрь 2012 г.

- на XI научно-технической конференции «Твердотельная электроника, Сложные функциональные блоки РЭА - «Пульсар-2012», Дубна 1719 октября 2012 г.

- на Всероссийской научной конференции - Научной Сессии НИЯУ МИФИ, Москва 1-6 февраля 2013 г.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 16 печатных работ, в том числе 7 работ - в рецензируемых журналах, установленных ВАК по выбранной специальности. Получен патент на полезную модель и положительное решение по заявке второго патента на полезную модель.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованных источников, включающего 167 наименований. Работа содержит 111 страниц текста, включая 86 рисунков и 10 таблиц.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИЙ, ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ ТЕХНОЛОГИИ СОЗДАНИЯ GaN СВЧ ГЕТЕРОТРАНЗИСТОРОВ И МИС.

1.1. Основные требования к СВЧ транзисторам импульсных СВЧ передатчиков Х-диапазона и пути их реализации. Анализ состояния современного уровня элементной базы для импульсных СВЧ передатчиков Х-диапазона гражданского и военного применения [1-4] позволяет отметить следующие основные направления работ по совершенствованию и повышению их технического уровня:

- разработка, создание и организация промышленного выпуска нового поколения СВЧ элементной базы для импульсных СВЧ передатчиков Х-диапазона для систем локации и связи, обладающей значительно улучшенными функциональными и эксплуатационными характеристиками по сравнению с существующей элементной базой за счет использования высокосовершенных наногетероструктур соединений А3В5И широкозонных материалов;

- разработка новой архитектуры и схемотехники импульсных СВЧ передатчиков Х-диапазона радиоэлектронной аппаратуры;

- применение новых материалов, в частности широкозонных полупроводников, среди которых наиболее перспективные GaN и гетеропереходы на основе GaN для создания приборов твердотельной СВЧ электроники, в частности, для мощных и малошумящих СВЧ транзисторов и интегральных схем.

До настоящего времени существовали ограничения, сдерживающие развитие твердотельной СВЧ радиоэлектронной техники:

- суммирование большого количества кремниевых и арсенид гал-лиевых транзисторов для повышения мощности СВЧ устройств усложняло конструкцию аппаратуры и повышало ее стоимость. Присущие СВЧ арсенид галлиевым транзисторам низкие рабочие напряжения и вследствие этого повышенные рабочие токи, необходимые для создания заданной мощности увеличивают потери полезной мощности и ухудшают КПД передатчиков.

Были созданы новые СВЧ приборы НЕМТ (High Electron Mobility Transistor). Реализация СВЧ транзисторов типа НЕМТ на GaAs гетеро-эпитаксиальных структурах позволило создать малошумящие СВЧ тран-

зисторы С-, Х- и Ки- диапазонов с значением шумовой температуры не превышающей 40 К, а также - СВЧ мощные внутрисогласованные транзисторы с выходной мощностью до 60 Вт в С-диапазоне и до 25 Вт в X-диапазоне.

Мощные биполярные кремниевые приборы ограничены частотным диапазоном порядка 4 ГГц из-за невозможности получения низкого сопротивления в базе (при высокой концентрации носителей заряда в базе уменьшается коэффициент инжекции дырок).

Для устранения ос