Введение к работе
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 GaN СВЧ транзисторах позволяют реализовать более высокие рабочие напряжения, большие рабочие токи насыщения и больший уровень импульсной СВЧ мощности по сравнению с GaAs СВЧ транзисторами.
Отмеченные преимущества GaN 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 GaN СВЧ транзисторов на основе совокупности новых научно-обоснованных технических и технологических решений посвящена настоящая диссертация.
Целью данной работы является разработка конструкций и технологии GaN 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 и электромагнитных процессов в GaN 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 X-диапазона.
Научная новизна
1. На основе численного решения нестационарного уравнения теплопроводности для цилиндрической симметрии определены перегревы в области 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 70оС до 40оС в импульсном режиме при выходной плотности мощности 8 Вт/мм, длительности импульса =300мкс и скважности Q=50.
3. Предложен новый AlGaN/GaN СВЧ гетеротранзистор с высокой подвижностью электронов, включающий подложку из монокристаллического кремния p-типа проводимости с выполненным на ней буферным слоем из AlN, поверх которого выполнена теплопроводящая подложка в виде осажденного слоя поликристаллического алмаза, на другой стороне подложки выполнена эпитаксиальная структура AlGaN/GaN СВЧ гетеротранзистора, а между истоком, затвором и стоком выполнен слой изолирующего поликристаллического алмаза.
4. Установлено, что 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 500оС 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 наногетеротранзистора с высокой подвижностью электронов, содержащего базовую подложку из кремния, теплопроводящий поликристаллический слой алмаза, эпитаксиальную структуру на основе AlGaN/GaN, буферный слой (AlN 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-HEMT 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: 3ПШ 997А, 3ПШ 997Б, 3ПШ 997В, 3ПШ988А. 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 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. Слой полиалмаза на поверхности AlGaN/GaN СВЧ транзистора Х-диапазона толщиной 1мкм уменьшает неравномерность температуры поверхности кристалла транзистора с 70оС до 40оС в импульсном режиме при выходной плотности мощности 8 Вт/мм, длительности импульса =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 500оС 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 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 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.
