автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Разработка мощного полевого транзистора с высокой подвижностью электронов на основе гетероструктур (Al,Ga)N/GaN

На правах рукописи

00504^-

Калинин Борис Вячеславович

РАЗРАБОТКА МОЩНОГО ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА С ВЫСОКОЙ ПОДВИЖНОСТЬЮ ЭЛЕКТРОНОВ НА ОСНОВЕ ГЕТЕРОСТРУКТУР (Al,Ga)N/GaN

Специальность: 05.27.01 — Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 о

Санкт-Петербург - 2012

005042403

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина).

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор Пихтин Александр Николаевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Селезнев Борис Иванович, Институт электронных и информационных систем, ректор;

кандидат физико-математических наук Александров Сергей Борисович, ЗАО «Элтех-СПб», заместитель генерального директора

Ведущая организация: Открытое акционерное общество «ОКБ-Планета»

Защита состоится «¿4 » С 2012 г. в ! ^'часов на заседании диссертационного совета Д 212.238.04 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке СПбГЭТУ «ЛЭТИ».

Автореферат разослан « » _2012 г.

Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций, д. ф. - м. н., профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В последние тридцать лет для создания СВЧ-усилителей мощности в основном используются арсенид галлия и гетеро-структуры на его основе. Недавние исследования выявили ряд новых широкозонных материалов, которые превосходят традиционные полупроводники по основным характеристикам. Использование таких материалов позволяет создавать монолитные и гибридно-монолитные схемы с высокими плотностями мощности и к. п. д. до 70 %. В настоящее время быстро развивается технология производства активных элементов на основе гетеро-структур (А1,Оа)1ч[/Оа>}. Их применение позволит улучшить существующие СВЧ-системы сразу по нескольким параметрам. Например, в усилительных трактах приёмо-передающих модулей активных фазированных антенных решёток станет возможным увеличить удельную мощность антенны, уменьшить массогабаритные характеристики, существенно упростить системы охлаждения. Последнее преимущество связано с тем, что транзисторы на этих гетероструктурах могут обеспечивать требуемые характеристики вплоть до температур -600 °С. Кроме того, приборы, использующие гетероструктуры (А1,Са)М/ОаМ, устойчивы к воздействию радиации, что даёт им преимущества в военной и космической отраслях. Возможно использование таких гетероструктур для изготовления не только мощных, но и малошумящих усилителей, выдерживающих сигналы высокой мощности, попадающие на вход при отсутствии дополнительной защиты. При этом гетероструктуры (А1,Оа)Ы/ОаМ не уступают гетерострук-турам (А1,Оа)Аз/ОаАз по величине минимально достижимого коэффициента шума.

Технология изготовления транзисторных гетероструктур (А1,Оа)ЖЗаМ появилась относительно недавно, поэтому в настоящее время ещё существуют технологические проблемы как в области гетероэпи-таксии, так и в области формирования транзисторов. Это связано с тем, что к транзисторам на гетероструктурах (А],Са)ЖтаК предъявляются несколько иные требования, чем к транзисторам на гетероструктурах (А1,Са)Аз/СаАз. Кроме того, встречаются трудности при расчёте электри-

ческих схем на основе таких транзисторов, потому что становятся важны те части транзисторных характеристик, которые раньше не учитывались.

Настоящая диссертация посвящена решению проблем, возникающих в процессе изготовления и испытания транзисторов на основе гетерострук-тур (А1,Са)МЛЗаК. В работе приведена нелинейная аналитическая модель такого транзистора, которая позволяет рассчитывать амплитудные характеристики СВЧ-усилителей мощности в режиме большого сигнала более точно, чем модели, используемые в настоящее время. Кроме того, приведены примеры расчёта двух усилителей мощности, работающих в в-, Ь- и С-диапазонах, с применением представленной модели. Полученные результаты будут интересны специалистам в области физики и техники полупроводников.

Объектом исследования в настоящей работе являлись мощные СВЧ-транзисторы с высокой подвижностью электронов на основе гетеро-структур (А1,Са)М/Са]М, применяющиеся в СВЧ-усилителях мощности.

Целью диссертации являлись разработка и исследование мощного полевого транзистора на основе гетероструктур (А1,Оа)Ы/СаМ, а также создание математической модели, способной описать его характеристики, позволяющей увеличить точность расчёта и упростить использование таких транзисторов при создании монолитных и квазимонолитных интегральных СВЧ-усилителей мощности.

Поставленная цель достигается при решении следующих задач:

- исследование электрофизических и СВЧ-параметров транзисторов на основе гетероструктур (А1,Са)М/СаК;

- определение параметров транзистора, требующих учета при разработке усилителей мощности, и разработка методики их идентификации;

- разработка аналитической модели транзистора, учитывающей такие параметры;

- встраивание разработанной модели в пакет программ для расчётов нелинейных СВЧ-цепей;

- создание методики оценки приборных и электрофизических параметров гетероструктур, а также влияния этапов постростовой обработки транзисторных нитридных гетероструктур на эти параметры;

- применение разработанных моделей при расчёте усилителя мощности;

- создание ряда широкополосных и сверхширокополосных усилителей мощности Б-, Ь- и С-диапазонов частот с использование транзисторов на основе гетероструктур (Л1,Са)К/СаК.

Научная новизна результатов работы заключается в следующем:

- исследованы вольт-амперные характеристики полевого транзистора и предложено их уточненное математическое описание в предпороговой области рабочих напряжений;

- исследованы вольт-фарадные характеристики полевого транзистора и предложено их уточненное математическое описание в предпороговой области рабочих напряжений;

- установлено, что под действием большого входного СВЧ-сигнала происходит дополнительный разогрев канала транзистора, который необходимо учитывать при расчёте усилителей мощности;

- показано, что разработанные модели позволяют более точно рассчитывать цепи согласования и режимы работы усилителей и в результате этого увеличивать их выходную мощность.

Практическая значимость работы определяется следующими положениями:

- разработана и реализована конструкция мощного полевого транзистора на основе ДГС (А1,Са)Ы/СаМ/(А1,Оа)К со следующими характеристиками: ток стока 1000 мА, пробивное напряжение «затвор - сток» 100 В, крутизна ВАХ 200 мСм/мм при длине затвора 0,5 мкм и ширине затвора 1200 мкм;

- разработана методика расчета электрофизических параметров и создана аналитическая модель полевого транзистора с высокой подвижностью электронов на основе гетероструктур (А1,Са)Шла1чГ;

- разработана и реализована конструкция трёх мощных полевых транзисторов на одном кристалле с шириной затворов 300, 600 и 900 мкм на основе ДГС (А1,Са)Ж}аК/(А1,Оа)Г4, предназначенных для создания трёх каскадных усилителей мощности;

- разработан и реализован первый отечественный СВЧ- усилитель мощности на основе гетероструктур (А1,Са)К/ОаН со следующими параметрами: рабочий диапазон частот 0,1-4 ГГц, коэффициент усиления 17-25 дБ, выходная мощность до 2 Вт;

- разработан и реализован гибридно-монолитный балансный СВЧ-усилитель мощности со следующими параметрами: рабочий диапазон частот 4-6 ГГц, коэффициент усиления 10 дБ, выходная мощность 12 Вт.

Научные положения, выносимые на защиту

• Аналитическая модель мощного субмикронного полевого транзистора, построенная на основе электрофизических параметров гетерострук-туры (А1,Оа)М/ОаМ и геометрии транзистора, позволяет рассчитывать его вольт-амперные и вольт-фарадные, а также СВЧ-характеристики в режиме большого сигнала.

• Введение критического параметра, учитывающего разогрев затвора и канала транзистора при превышении предельных значений мощности СВЧ-сигнала, адекватно описывает эксперимент. Значение предельной мощности определяется не только физико-химическими, но и геометрическими параметрами.

• Разработанные модели, учитывающие особенности вольт-амперных и вольт-фарадных характеристик гетероструктур на предпорого-вых участках, позволяют подобрать режим согласования СВЧ-транзистора с нагрузкой или последующим каскадом для получения максимальной мощности.

Апробация результатов. Основные результаты диссертационной работы апробированы на следующих конференциях:

- Седьмая всероссийская конференция «Нитриды галлия, индия и алюминия: структуры и приборы» (Москва, 2010);

- Третья общероссийская конференция «Обмен опытом в области создания сверхширокополосных РЭС» (Омск, 2010);

, - Всероссийская конференция молодых учёных «Новые материалы и нанотехнологии в электронике СВЧ» (Санкт-Петербург, 2010);

- Научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (Санкт-Петербург, 2011г.).

Достоверность и обоснованность научных положений и выводов

подтверждается:

- реализацией мощного полевого транзистора, не уступающего по своим характеристикам лучшим мировым аналогам;

- реализацией на основе такого транзистора двух усилителей мощности, не уступающих по параметрам лучшим мировым аналогам;

- использованием современных методов анализа и новейших образцов технологического и измерительного оборудования;

- соответствием практических результатов работы литературным данным.

Публикации. По теме диссертации получен патент на изобретение и опубликованы 5 научных работ, в том числе: 1 статья в ведущих научных изданиях, входящих в перечень ВАК, и тексты 3 докладов на международных научных конференциях и симпозиумах.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, приложения и списка литературы, включающего 135 наименований. Основной материал изложен на 104 страницах и содержит 45 рисунков и 15 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, определены цель и задачи работы, сформулированы положения о научной новизне и практической значимости полученных результатов, а также научные положения, выносимые на защиту.

Первая глава носит обзорный характер, в ней обобщены и систематизированы литературные данные по разработке, исследованию, изготовлению и применению мощных полевых транзисторов на основе гетерост-руктур (А1,Са)М/СаМ. Изложены основные принципы создания мощных СВЧ -транзисторов. Обоснована актуальность применения при создании СВЧ-усилителей мощности транзисторов с двойной гетероструктурой типа (А1,Оа)Ш-га1Ч. Рассмотрены основные особенности таких гетероструктур. Продемонстрированы основные принципы моделирования транзисторов

для разработки усилителей мощности. Показано, что используемые в настоящее время модели СВЧ-транзисторов не в полной мере описывают их характеристики, поскольку при разработке СВЧ-усилителей мощности важно учитывать эффекты саморазогрева канала и затвора транзистора и их влияние на СВЧ-характеристики. Рассмотрены зависимости температуры канала транзистора от толщины и количества слоёв, формирующих чип транзистора, а также от предпороговых эффектов и топологических особенностей затвора транзистора.

На основании анализа литературы сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

Во второй главе проведён выбор гетероструктуры, позволяющей создавать нелинейные СВЧ-устройства с высокими плотностями мощности, и описана методика проводимых исследований. В ходе работы с применением современного технологического и измерительного оборудования исследовались электрофизические, а также линейные и нелинейные СВЧ-параметры транзисторов. В работе использовались как усовершенствованные классические методики, так и оригинальные методики оценки характеристик транзисторов, разработанные автором.

Для низкочастотных измерений применялись измеритель параметров полупроводниковых устройств НР4145В и измеритель вольт-фарадных и вольт-сименсных характеристик НР4280А, а также зондовая станция «Зонд-А5». Для измерения линейных СВЧ-характеристик в полосе частот от 500 МГц до 20 ГГц применялись векторный анализатор цепей НР8510А, источники постоянного тока НР6038А, зондовая станция Cascade Microtech М40 с копланарными СВЧ-зондами. Для измерения мощностных характеристик использовались измеритель средней мощности Agilent Е4419В, специально разработанная схема включения транзистора с широкополосными цепями питания и источники постоянного тока. Топология транзистора была разработана, исходя из необходимости измерения его характеристик на СВЧ зондовой станции (рис. 1, а).

Проведено сравнение используемого транзистора с известными аналогами. Показано, что, несмотря на то, что транзистор, созданный в рамках настоящей работы не уступает зарубежным аналогам, существуют проблемы, которые ограничивают его применение, в частности, отсутствует аналитическая модель, адекватно описывающая его работу в режиме большого сигнала.

AI03Ga07N aN (100 нм)

AI01Ga09N ~

Градиент (AI,Ga)N/GaN

Afo.3Gao.7N

Подложка SiC

Рис. 1. Топология тестового СВЧ-транзистора (о) и расположение слоев ге-тероструктуры (б)

В третьей главе проведён анализ известных аналитических нелинейных моделей мощных полевых транзисторов. Представлены результаты разработки аналитической модели субмикронного транзистора с высокой подвижностью электронов на гетероструктурах (Al,Ga)N/GaN. За основу была взята нелинейная модель полевого транзистора [1], [2], которая описывается эквивалентной схемой (рис. 2). Основными её элементами являются три нелинейных источника тока, управляемых напряжением (Ids, Igs, Igd), и два источника заряда, управляемых напряжением (Cgd, Cgs). Кроме того, в схему введён ряд элементов, уточняющих описание высокочастотных характеристик транзистора.

Экспериментальные исследования вольт-амперных характеристик транзисторов на гетероструктурах (Al,Ga)N/GaN показали значительное

падение тока стока при увеличение напряжения «сток-исток» и при напряжении на затворе, близком к нулю (рис. 3). Это может быть вызвано двумя эффектами:

- увеличением рассеиваемой мощности транзистора и, как следствие, увеличением температуры его канала;

- коллапсом тока под действием высоких напряжений.

Cgdpe

U

Г

А

Source

Рис. 2. Эквивалентная схема нелинейной модели полевого транзистора[1]

Но, как было показано во второй главе, в гетероструктурах на основе (Al,Ga)N/GaN с двойным ограничением канала эффекты коллапса практически отсутствуют, и потому падение тока стока может быть описано достаточно простым выражением, учитывающим потребляемую устройством мощность. При напряжениях на затворе, близких к напряжению отсечки, наблюдается увеличение тока стока при увеличении напряжения на стоке. Этот эффект связан с тем, что на гетероструктурах (Al,Ga)N/GaN барьер Шоттки имеет достаточно высокие токи утечки, которые проявляются подобным образом на вольт-амперных характеристиках. Учёт затворного тока в характеристиках тока стока позволяет точнее описать ход кривой. На рис. 4 показаны зависимости тока стока и крутизны от напряжения на затворе при нескольких напряжениях на стоке. Как видно из графиков, расчётные кривые достаточно точно описывают измеренные характеристики. В ходе анализа характеристик транзисторов на гетероструктурах

(А1,0а)К№аМ были выработаны рекомендации по проектированию усилителей мощности на их основе.

Рис. 3. Семейство ВАХ транзистора на гетероструктурах СаЫ/АЮаМ. Сравнение расчётных (непрерывная линия) и измеренных (точки) характеристик

Точность описания вольт-фарадных характеристик может значительно влиять на результаты расчётов различных нелинейных схем, в частности, схем СВЧ-усилителей мощности. Используемые в настоящее вре-

мя модели вольт-фарадных характеристик для 8р1се-анализа базируются на выражениях для заряда, содержащегося в такой емкости и зависящего от

Кои=20 В

5, мСм 150

В

«-ю в

УсГ155

-V. =20 В

Рис. 4. Зависимости тока стока (а) и крутизны (б) от напряжения на затворе транзистора на гетероструктурах (А1,Оа)»/СаМ. Сравнение расчётных (непрерывная линия) и измеренных (точки) характеристик

напряжения. Для емкости, нелинейно зависящей от приложенного напряжения, справедливо выражение: С = <1(2/(1]/.

В литературе предлагается несколько функций для аппроксимации такой зависимости. Модели, предложенные в [1] и [2], недостаточно точны при напряжениях, близких к напряжению отсечки. Это связано с тем, что для описания области перегиба используется симметричная функция, в результате чего кривая в области напряжений вблизи напряжения отсечки расходится с экспериментальными данными. Вольт-фарадную характеристику транзистора на гетеро структур ах (А1,Оа)]Ч/СаК можно разделить на три области [3] (рис. 5).

-модель

Рис. 5. Вольт-фарадная характеристика транзистора на гетерострук-турах (А1,Оа)М/ОаМ. Сравнение расчётных (непрерывная линия) и измеренных (кресты) характеристик

Область I обусловлена наличием между затвором и слоем двумерного электронного газа (2ВЕО) легированной области (А1,Са)К с высокой концентрацией свободных носителей. При подаче отрицательного смещения на электрод с барьером Шоттки толщина обедненного слоя увеличивается, а значит ёмкость уменьшается. При увеличении смещающего потенциала зависимость переходит в область II, где емкость связана с глубиной залегания слоя 2БЕО. Таким образом, возникает конденсатор, одной об-

кладкой которого служит электрод катода, а другой - слой 2БЕС. При дальнейшей подаче смещающего потенциала (вплоть до порогового) ёмкость перехода меняется незначительно, что объясняется искривлением зон в области гетероперехода. Когда напряжение становится больше напряжения отсечки остаётся только ёмкость, связанная с геометрическими ёмкостями электродов и ёмкостью, создаваемой в объёме гетероструктуры зарядом свободных носителей.

ом-2 2

1

О

Рис. 6. Зависимость поверхностной концентрации электронов от глубины. Сравнение расчётных (непрерывная линия) и измеренных (кресты) характеристик.

Полученные математические выражения были «встроены» в нелинейную модель полевого транзистора из работы [2] в программной среде автоматизированного проектирования AWR Microwave Office, чтобы в дальнейшем рассчитать нелинейные амплитудные характеристики транзистора и усилителей мощности на его основе.

В четвертой главе рассмотрены вопросы ограничения выходной мощности СВЧ-усилителей, связанные с падением к. п. д. Важным ограничением такого типа является резкое возрастание плотности высокочастотных токов в металле затвора. Это приводит к чрезмерному разогрев}', снижению коэффициента усиления, снижению к. п. д. и выходу изделия из строя. В рамках диссертации была исследована работа транзистора на ге-тероструктурах (Al,Ga)N/GaN в импульсном и непрерывном режимах. На

-.....-......— .......— - •••

—Модель

х Эксперт мент

25 26 27 28 29 30

Глубина, нм

основе полученных данных сделаны выводы о значительном влиянии этого эффекта на работу транзистора.

Для расчёта плотностей высокочастотных токов в затворе транзистора была разработана численная модель такого затвора, позволяющая рассчитать его высокочастотные характеристики. Для балочного затвора длиной 0,5 1цкм и высотой 0,5 мкм получена линейная плотность тока 330 мА/мкм при входной мощности 100 мВт на затворе. Причём наибольшая линейная плотность тока в такой геометрии достигается в месте перехода с металла разводки на затвор (рис. 7).

330 мА/мкм 250 мА/мкм 170 мА/мкм 83 мА/мкм

0 мА/мкм

Рис. 7. Распределение линейной плотности высокочастотного тока в затворе транзистора

При линейной плотности тока 250 мА/мкм температура затвора может достигать 350-370 °С [4], что приводит к перегреву канала транзистора и снижению коэффициента усиления по мощности.

Для уменьшения линейной плотности тока была оптимизирована геометрия затвора. Для этого были проанализированы её различные варианты, в том числе уже применяемые в современной СВЧ-микроэлектронике. Наилучшим вариантом оказалась комбинация нескольких видов топологии, содержащая грибообразный затвор, соединённый с изолированным затвором в месте перехода с металла разводки на затвор и в месте окончания затвора. Такая топология приводит к уменьшению обшей линейной плотности тока и более равномерному его распределению по ширине при ширине затвора менее 100 мкм. Кроме того, предложенная топология мало влияет на СВЧ-характеристики транзистора.

В приложении приведены методики расчёта усилителей мощности. Представлены результаты разработки сверхширокополосного усилителя мощности для диапазона частот 100 МГц - 4 ГГц с выходной мощность до 2 Вт и широкополосного усилителя мощности для диапазона частот 4-6 ГГц с выходной мощность до 12 Вт. Приведено сравнение результатов расчёта и экспериментального исследования линейных и нелинейных СВЧ-параметров этих усилителей. Рассмотрено влияние параметров модели на характеристики конечного устройства. Благодаря полученным результатам, стало возможным оптимизировать схему широкополосного усилителя мощности.

В заключении сформулированы основные результаты работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ:

- выбрана гетероструктура, оптимально подходящая для создания усилителей мощности;

- разработаны модели вольт-амперных и вольт-фарадных характеристик транзистора на гетероструктурах (Al,Ga)N/GaN;

- определено влияние сигнала высокой мощности на характеристики транзистора и разработаны рекомендации по снижению этого эффекта;

- разработаны СВЧ-усилители мощности S-, L-, С-диапазонов.

Цитируемая литература:

1. Statz Н. GaAs FET Device and Circuit Simulation in SPICE // IEEE Transaction Electron Devices. 1987, Vol. ED-34.

2. Angelov I., Zirath H., Rorsman N. A new empirical nonlinear model for HEMT and MESFET devices // IEEE Transaction on MTT. 1992, Vol. 40, № 12.

3. Dang X. Z., Asbeck P. M. Measurement of drift mobility in A!GaN/GaN heterostructure field-effect transistor // Applied physics letter. 1999, Vol 74, №25.

4. Селезнёв Б. И., Романов В. Л., Драгуть М. В. Влияние токовой обработки затвора на параметры ПТШ на основе арсенида галлия // Физика и химия новых материалов, Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2008, №1.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В изданиях, рекомендованных ВАК России:

1. Калинин Б. В., Ламкин И. А., Тарасов С. А. Моделирование вольт-фарадных и вольт-амперных характеристик DHFET на основе гетерострук-тур AlGaN / GaN // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2012. №2., стр. 16-20

Другие статьи и материалы конференций:

2. Пат. РФ № 2354010 / В. Г. Гук, Б. В. Калинин, Г. А. Филаретов и др. Трехэлектродный высокочастотный полупроводниковый прибор; опубл. 27.04.2009.

3. Квазимонолитный сверхширокополосный СВЧ-усилитель мощности на основе гетеростуктур AlGaN/GaN / Б. В. Калинин, В. Г. Гук, В. П. Чалый, А. Н. Пихтин // Материалы 7-й Всероссийской конференции «Нитриды галлия, индия и алюминия: структуры и приборы». - М. :Изд-во МГУ, 2010.

4. Разработка СВЧ монолитной ЭКБ на базе GaAs и GaN технологий / В. Г. Гук, Б. В. Калинин, Г. А. Филаретов, Л. Б. Шустерман // Материалы 3-й общероссийской научно-технической конференции «Обмен опытом в области создания сверхширокополосных РЭС» / Омск: Изд-во ОмГТУ, 2010.

5. Усилитель мощности С-диапазона на гетероструктурах ОаК-АЮаЫ / Б. В. Калинин, Л. Н. Житомирский, А. Ю. Белов и др. // Материалы 1-й Всероссийской конференции молодых учёных «Новые материалы и нанотехнологии в СВЧ-электронике». - СПБ.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2010.

Подписано в печать 20.04.2012. Формат 60x84/16 Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии ЗАО «КопиСервис». Печать ризографшеская. Заказ № 1/0420. П. л. 1.0. Уч.-изг. л. 1.0. Тираж 100 экз.

ЗАО «КопиСервис» Адрес: 197376, Санкт-Летербург, ул. Проф. Попова, д. 3. те*.: (812) 327 5098