Содержание к диссертации
Введение
1. Принципы построения SiC-транзистотров с затором Шоттки 10
1.1. Карбид кремния 10
1.2. Мощные СВЧ полевые транзисторы с затвором Шоттки на основе карбида кремния 14
1.3. Основные электрические параметры мощных СВЧ транзисторов с затвором Шоттки 18
1.4. Системы металлизации для высокотемпературной электроники 22
1.5. Создание омических контактов к 4H карбиду кремния 25
Выводы к главе 1 29
2. Методы расчета основных параметров мощных СВЧ полевых транзисторов с затвором Шоттки на основе SiC 30
2.1. Физические основы моделирования карбидкремниевых транзисторов 30
2.1.1. Температурные зависимости характеристик SiC полевых транзисторов с затвором Шоттки 42
2.1.2. Влияние гамма-излучения на характеристики полевых транзисторов с затвором Шоттки 2.2. Возможности САПР Sentaurus TCAD при расчете параметров SiC-транзисторов 47
2.3. Построение модели мощного полевого транзистора с затвором Шоттки в САПР Sentaurus TCAD 50
2.4. Устойчивость систем металлизации к температурным воздействиям 55
2.5. Сопротивление омических контактов 57
Выводы к главе 2 61
3. Зависимость основных параметров мощных SiC СВЧ-транзисторов с затвором Шоттки от конструктивно-технологических и внешних факторов 62
3.1. Зависимость характеристик транзисторов от конструктивно-технологических параметров канальной области 62
3.2. Влияние конструктивно-технолгических факторов буферной области на параметры SiC транзистора 69
3.3. Варианты конструктивно-технологического исполнения при построении полевых транзисторов с затвором Шоттки с заданными электрическими параметрами з
3.4. Температурные зависимости основных параметров мощных СВЧ транзисторов с затвором Шоттки 86
3.5. Зависимости основных параметров мощных СВЧ транзисторов с затвором Шоттки от интенсивности гамма-излучения 93
3.6. Зависимости паразитных емкостей мощных СВЧ транзисторов с затвором Шоттки от конструктивных параметров канальной и буферной областей 96
Выводы к главе 3 99
4. Характеристики экспериментальных образцов мощных СВЧ транзисторов с затвором Шоттки на основе карбида кремния 100
4.1. Технология и электрические параметры лабораторных и опытных образцов 100
4.2. Влияние типа металлизации транзисторного кристалла на скорость термической деградации 115
Выводы к главе 4 136
Основные результаты и выводы 138
Список литературы 140
- Системы металлизации для высокотемпературной электроники
- Сопротивление омических контактов
- Варианты конструктивно-технологического исполнения при построении полевых транзисторов с затвором Шоттки с заданными электрическими параметрами
- Влияние типа металлизации транзисторного кристалла на скорость термической деградации
Введение к работе
Актуальность темы
Мощные СВЧ-транзисторы являются основным элементом усилительных
каскадов и генераторных схем, применяемых в современных радиоэлектронных
системах. Известно, что электрические и массогабаритные показатели
радиоэлектронного оборудования во многом определяются именно
применяемыми СВЧ-транзисторами. Специфика использования такого
оборудования нередко связана с воздействием высоких температур и ионизирующих излучений (космические системы связи и навигации, медицинское оборудование, промышленные управляющие системы, устройства специального назначения). При этом, именно транзисторы, как усилительные элементы, в первую очередь определяют эффективность устройств и систем во всех условиях эксплуатации.
В настоящее время в ряду мощных полупроводниковых СВЧ-приборов наибольшее распространение получили кремниевые LDMOS транзисторы. Данный тип транзисторов хорошо изучен и существенное улучшение их электрических свойств в ближайшем будущем видится маловероятным без преодоления фундаментальных ограничений, накладываемых используемым материалом. Поэтому наиболее перспективным направлением в технике и технологии мощных СВЧ-приборов специалисты связывают с применением широкозонных полупроводниковых материалов в качестве основы для их создания. Это стало возможным благодаря прогрессу в технологиях выращивания монокристаллических пластин карбида кремния приборного качества диаметром более 75 мм, а также совершенствованию технологий эпитаксиального выращивания слоев карбида кремния и нитрида галлия. Высокая подвижность носителей заряда мощных СВЧ-транзисторов на основе нитрида галлия обеспечивает выдающиеся характеристики на частотах порядка десятка ГГц. В свою очередь, СВЧ-приборы на основе карбида кремния демонстрируют лучшие показатели на частотах до 3 ГГц в сочетании с исключительной стойкостью к воздействию высоких температур и ионизирующих излучений. При этом, наибольшее распространение получила разновидность полевого СВЧ-транзистора с затвором Шоттки (ПТШ).
Многие технологические операции создания приборов на основе карбида кремния недостаточно отработаны и требуют более детального изучения. Для оценки влияния технологии изготовления на качество СВЧ-транзисторов необходимо определить зависимости их параметров от конструктивно-технологических факторов, что, в конечном счете, позволит эффективно контролировать процесс производства.
Применение карбида кремния дает возможность поднять рабочую температуру прибора выше 300 С. Однако, для достижения таких показателей по термической устойчивости необходимо удостовериться в способности металлизации кристалла функционировать при таких температурах. Без
выполнения данного условия невозможно гарантировать термическую надежность транзистора.
Таким образом, задача исследования влияния технологии изготовления и качества системы металлизации на характеристики мощных СВЧ-транзисторов на основе карбида кремния, устойчивых к внешним воздействиям, является актуальной.
Цель работы: определение зависимостей основных электрических параметров мощных СВЧ-транзисторных структур с затвором Шоттки на основе карбида кремния от конструктивно-технологических факторов, исследование технологических особенностей создания омических контактов к карбиду кремния и оценка стойкости разрабатываемых транзисторов к воздействию высоких температур и ионизирующих излучений.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
– разработать конструктивную модель мощного СВЧ-транзистора с затвором Шоттки на основе карбида кремния в САПР Sentaurus TCAD;
– установить зависимости основных электрических параметров транзисторной структуры от конструктивно технологических факторов с помощью численного моделирования;
– с помощью предложенных моделей воздействия высоких температур и ионизирующего излучения оценить стойкость разработанных структур к внешним факторам;
– провести оценку стойкости систем металлизации к воздействию высоких температур и, исходя из полученных данных, выбрать систему металлизации для применения в разрабатываемых транзисторах;
– установить основные факторы, влияющие на образование омических контактов выбранной системы металлизации к карбиду кремния и определить оптимальные технологические параметры формирования омического контакта;
– спроектировать транзистор с выходной мощностью 10 Вт при КПД стока не менее 50% и коэффициентом усиления по мощности не менее 12 дБ на частоте 860 МГц.
Научная новизна диссертации определяется полученными
оригинальными результатами и состоит в следующем:
-
Определены основные зависимости влияния конструктивных параметров буферного и канального слоев на электрические характеристики полевых карбидкремниевых транзисторов с затвором Шоттки.
-
Сформулированы принципы проектирования полевых транзисторов с затором Шоттки, исходя из соотношения конструктивно-технологических параметров буферного и канального слоев.
-
Выявлены физические принципы и определены оптимальные параметры создания омических контактов при быстром термическом отжиге к карбиду кремния на основе никеля.
-
Исследована устойчивость многослойной металлизации к воздействию высоких температур.
-
Определены основные зависимости влияния повышенной температуры и гамма-излучения на электрические характеристики полевых SiC-транзисторов Шоттки.
Практическая значимость работы.
Полученные зависимости основных электрических характеристик транзисторов с затвором Шоттки от конструктивно-технологических факторов позволяют ускорить и упростить процесс создания данного типа приборов. В ходе выполнения работы решена одна из основных задач для специалиста, занимающегося численным моделированием микроэлектронных устройств, а именно, приведены основные физические модели, использование которых необходимо для адекватного расчета полупроводниковых приборов на основе карбида кремния.
Приведенные технологические параметры для создания никелевых омических контактов к карбиду кремния могут быть внедрены на предприятиях и производственных комплексах для производства всех видов приборов на основе карбида кремния, требующих создания невыпрямляющих контактов с малым сопротивлением.
Приведенные оценки стойкости транзисторов с затвором Шоттки к внешним воздействующим факторам позволяют определить границы применения разработанных транзисторов в конечных радиоэлектронных устройствах, к которым предъявляются повышенные требования устойчивости к воздействию высоких температур и ионизирующих излучений.
Основные результаты диссертации, а именно: результаты исследований
зависимостей электрических параметров транзисторных структур от
конструктивно-технологических факторов, оценка стойкости транзисторов к внешним воздействующим факторам, технология создания омических контактов к карбиду кремния с применением быстрого термического отжига, использованы при разработке новых типов мощных СВЧ-транзисторов с затвором Шоттки в ходе выполнения ряда ОКР, проводимых в ОАО «НИИЭТ» (г. Воронеж). Использование результатов диссертации подтверждается Актом о внедрении результатов диссертации.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Модель полевого карбидкремниевого транзистора с затвором Шоттки.
-
Зависимости электрических параметров мощных СВЧ-транзисторов с затвором Шоттки от конструктивно-технологических факторов.
-
Физическая модель и технология создания омических контактов с использованием быстрого термического отжига.
-
Условия устойчивости многослойных систем металлизаций к воздействию высоких температур.
-
Основные зависимости электрических параметров от температуры и ионизирующего излучения.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и
обсуждались на международных, российских и региональных конференциях, в
том числе: XIX международной научно-технической конференции
«Радиолокация, Навигация, Связь» (Воронеж, 2013 г.); 1-ой Российско-
Белоруской научно-технической конференции «Элементная база отечественной
радиоэлектроники» (Нижний Новгород, 2013 г.); III всероссийской
конференции «Электроника и микроэлектроника СВЧ» (Санкт-Петербург, 2014
г.); 13-й научно-технической конференции «Твердотельная электроника.
Сложные функциональные блоки РЭА» (Дубна, 2014 г.); IV всероссийской
конференции «Электроника и микроэлектроника СВЧ» (Санкт-Петербург, 2015
г.); на XIV международном семинаре «Физико-математическое моделирование
систем» (Воронеж, 2015); 14-й научно-технической конференции
«Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА» (Москва, 2015).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 21 работа, в том числе 7 статей в научных журналах, входящих в перечень ведущих периодических изданий ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения с выводами, изложенных на 161 страницах машинописного теста, включая 80 рисунков, 12 таблиц, 1 приложение и список литературы из 126 наименований.
Системы металлизации для высокотемпературной электроники
Для класса мощных СВЧ транзисторов наиболее важными параметрами являются те из них, которые определяют предельные мощности транзистора и способность его функционирования на высоких частотах. Работу транзистора на высоких частотах во многом определяют паразитные емкости прибора. При увеличении периметра структуры, без изменения организации транзисторной элементарной ячейки, паразитные емкости пропорционально увеличиваются. Мощностные характеристики транзистора по большей части определяются токами в структуре и напряжением питания транзистора. Для обеспечения больших значений рабочих токов в транзисторе можно масштабировать транзисторную ячейку, что, как было сказано выше, приведет также к увеличению паразитных емкостей прибора. Поэтому при разработке мощных СВЧ транзисторов величину удельных рабочих токов, приведенную к единице ширины затвора стараются максимизировать. Основными способами увеличения удельных рабочих токов нормально открытых транзисторов являются увеличение приведенных к ширине затвора значений начального тока стока и уменьшать сопротивление транзисторной ячейки.
Другим путем увеличения мощности транзистора является увеличение его напряжения питания. В свою очередь напряжение питания транзистора ограничивается таким параметром, как пробивное напряжение сток-исток. Обычно для стабильной работы транзистора необходимо, чтобы пробивное напряжение превышало напряжение питания в 2-3 раза. Кроме указанных параметров важно знать пороговое напряжение транзистора и крутизну выходной вольтамперной характеристики. Значения этих параметров определяют логику построения и подбор элементов усилительных каскадов на базе разработанных транзисторов. Согласно [27] перечисленные выше параметры вводятся следующим образом.
Пороговым напряжением нормально открытого транзистора Vpo является такое напряжение, при котором ток стока достигает заданного низкого значения. В зависимости от специфики применения ПТШ его величина может принимать значение от -3 до -17 В.
Сопротивление сток-исток транзистора в открытом состоянии R – это сопротивление между стоком и истоком в открытом состоянии транзистора при заданном напряжении сток-исток, меньшем напряжения насыщения. Оно складывается из сопротивления канала непосредственно под ОПЗ затвора транзистора, сопротивления дрейфовых областей канала, сопротивления высоколегированных областей стока и истока транзистора, а также контактного сопротивления омических контактов стоковой и истоковой металлизации. Контактное сопротивление имеет сложную зависимость от технологических режимов его формирования и, в частности, переделяется механизмом переноса зарядов через контактную область. Сопротивлением металлизированных дорожек, проволочных выводов транзисторного кристалла, а также ленточных выводов транзистора обычно пренебрегают при расчетах из-за их незначительного вклада в общее сопротивление прибора. При проектировании мощных транзисторов сопротивление сток-исток необходимо минимизировать. Значения данного параметра в современных ПТШ может варьироваться от единиц до десятков Ом.
Начальным током стока ID, sat называют ток, фиксируемый на стоке транзистора, при напряжении между затвором и истоком, равном нулю и при напряжении сток-исток, равном или превышающем напряжение насыщения. При проектировании мощных СВЧ транзисторов для увеличения удельной плотности мощности значение данного параметра стараются увеличить. Значения начального тока стока приведенного к ширине затвора в серийных зарубежных ПТШ составляют порядка 0,1–0,3 А/мм. Пробивное напряжение VDSbr между стоком и истоком при закрытом канале транзистора представляет собой такое напряжение на стоке транзистора, при котором начинает проявляться один или несколько механизмов электрического пробоя. Превалирующим механизмом пробоя в мощных СВЧ ПТШ является лавинная генерация носителей заряда [28]. Как указывалось выше, типовые значения пробивного напряжения сток-исток мощных СВЧ транзисторов обычно составляют от двух до трех напряжений питания транзистора. Чаще всего для мощных СВЧ ПТШ на основе карбида кремния напряжение питания выбирается равным 50 В [29]. Поэтому типовые значения пробивного напряжения этого класса приборов лежат в промежутке от 100 до 150 В.
Крутизной характеристики полевого транзистора S называется отношение тока стока к изменению напряжения на затворе при коротком замыкании по переменному току на выходе транзистора в схеме с общим истоком. Значения данного параметра для ПТШ составляют порядка 10-50 мА/В на мм затвора транзистора.
Для оценки ВЧ-характеристик мощных транзисторов определяют три типа паразитных емкостей: С11 – входная емкость между затвором и закороченными по переменному току стоком и истоком, С22 – выходная емкость между стоком и закороченными по переменному току затвором и истоком, С12 – проходная емкость между затвором и стоком при закороченных по переменному току затвору и истоку [27, 30]. Паразитные емкости негативно влияют на характеристики транзисторов, поэтому при создании приборов их значения стараются снижать.
Значения приведенных параметров будут зависеть, в первую очередь, от характеристик активных слоев транзисторной структуры. Определяющими будут канальный и буферный слой ПТШ. [31–33] Величина контактного сопротивления определяется технологическими особенностями создания омических контактов, такими как время и температура отжига металлизации[34].
Сопротивление омических контактов
Для изучения зависимостей характеристик полупроводниковых приборов от конструктивных особенностей и технологических параметров в настоящее время повсеместно применяются средства автоматизированного проектирования. Основываясь на классических физических моделях с применением современных численных методов решения сложных систем уравнений, они позволяют создавать двумерные и трехмерные модели сложных полупроводниковых приборов.
Главными преимуществами применения САПР перед математическими расчетами с использованием описанных моделей являются: – регулярно обновляемые физические модели различных эффектов в полупроводниковых приборах; – возможность моделирования прибора в целом вместо упрощенных расчетов определенных его частей; – мощные средства визуализации полученных результатов, упрощающие анализ выходных данных; – настраиваемый математический аппарат, позволяющий добиться хорошей сходимости численных методов в условиях сложных задач; – простая параметризация полупроводниковых приборов в рамках проекта. Одним из самых современных на данный момент программных пакетов систем автоматизированного проектирования полупроводниковых приборов является Sentaurus TCAD фирмы Synopsys. В этом программном продукте реализованы методы расчета приборов на основе карбида кремния с использованием предустановленных параметр-файлов для этого материала, содержащих набор констант с возможностью расчета различных физических моделей генерации-рекомбинации, подвижности, изменения ширины запрещенной зоны и пр. Поэтому для получения зависимостей характеристик ПТШ на основе карбида выбран именно этот программный продукт.
Sentaurus TCAD позволяет создавать как конструктивные модели полупроводниковых приборов, используя непосредственное описание всех областей прибора, так и технологические модели, описывая режимы технологических операций. Однако по данным, приводимым на семинарах компании Synopsys, посвященных обзору новых версий Sentaurus TCAD, на нынешнем этапе развития программного комплекса в САПР нет адекватных методов расчета технологических процессов в приборах на основе карбида кремния. Существующие технологические модели окисления, травления и легирования карбида кремния дают только качественный результат. Поэтому для моделирования таких приборов используются конструктивные модели.
Для создания такой модели прибора применяется инструмент Sentaurus Structure Editor (SDE). С его помощью описываются: основные составные части полупроводникового прибора с указанием применяемых материалов и их геометрических размеров; области легирования полупроводниковых материалов; расположение электрических контактов к прибору. Логика моделирования в Sentaurus TCAD подразумевает построение расчетной сетки, в узлах которой будет производиться моделирование основных физических параметров структуры. Расчетная сетка может быть построена внутренними средствами инструмента SDE или с помощью других инструментов ее построения, интегрированных в Sentaurus TCAD. Дополнительные инструменты применяются для генерации расчётной сетки в геометрически сложных структурах, например, имеющих области округления в активной части прибора. Структура ПТШ не содержит сложных геометрических элементов, требующих построения специальных типов расчетных сеток. Поэтому для их генерации можно использовать встроенные средства SDE.
После построения структуры и генерации сетки полученные данные передаются в инструмент Sentaurus Device (SDevice). SDevice является основным инструментом, производящим расчеты электрических, теплофизических и оптических свойств моделируемых структур. Для его запуска необходимо обозначить начальные условия расчетов, используемые физические модели и их параметры, а также формат вывода результатов моделирования. Кроме того, с его помощью производится настройка численных методов для лучшей сходимости при данных условиях.
Результаты моделирования передаются в инструменты визуализации и обработки выходных данных. В Sentaurus TCAD существуют два основных инструмента для отображения результатов расчета. Первый – Sentaurus Visual применяется для отображения состояния прибора по окончании расчетов. Второй – Inspect, инструмент, применяемый для обработки зависимостей основных параметров моделируемой структуры.
Варианты конструктивно-технологического исполнения при построении полевых транзисторов с затвором Шоттки с заданными электрическими параметрами
Аналитические выражения (2.10) и (2.11) не учитывают зависимость сопротивления ПТШ от толщины буферного слоя. Зависимость, полученная из аналитических соотношений, качественно соотносится с результатами приборного моделирования, но количественно сопоставляется только в области концентраций до 1016 см-3. При увеличении концентрации легирующей примеси в буферном слое в большей степени включается фактор влияния геометрии ОПЗ, искажающейся от приложенного напряжения между стоком и истоком транзистора, что никак не учитывается в аналитической модели.
Для дальнейшего анализа влияния конструктивно-технологических параметров буферного слоя на электрические характеристики ПТШ построены выходные вольтамперные характеристики при нулевом смешении на затворе транзистора для различных значений концентрации легирующей примеси в буферном слое. На рисунке 3.10 показаны выходные характеристики транзистора с буферным слоем толщиной 0,5 мкм при различном уровне легирования буферного слоя. Рисунок показывает, что концентрация легирующей примеси в буферном слое влияет не только на сопротивление сток-исток, но и на общий вид характеристики. При значениях концентрации примеси менее 1016 см-3 вольтамперная характеристика моделируемой структуры не выходит в «классический» режим отсечки канала. Наблюдается характерный перегиб зависимости, но после него ток стока ПТШ продолжает зависеть от напряжения между стоком и истоком, хотя зависимость и носит менее резкий характер. При увеличении концентрации легирующей примеси в буферном слое выходная вольтамперная характеристика ПТШ принимает «классический» вид.
Такой вид выходных вольтамперных характеристик ПТШ можно объяснить наличием утечек в буферном слое транзистора. При низких значениях концентрации легирующей примеси в буферном слое происходит его глубокое обеднение и распространение ОПЗ и электростатического потенциала p-n перехода между канальным и буферным слоем вглубь буферного слоя на расстояние порядка нескольких микрон (рисунок 3.8). В свою очередь, падение приложенного внешнего напряжения при низких уровнях легирования буферной области будет происходить в подзатворной области. При уровнях легирования выше 1016 см-3 падение внешнего напряжения, из-за обеднения канального слоя будет происходить до области затвора в районе утонения канального слоя ПТШ. На рисунке 3.11 показано распределение электростатического потенциала при напряжении 50 В между стоком и заземленным истоком для транзистора с уровнем легирования буферной области 1015 см-3 и 51016 см-3.
С учетом плавного распределения потенциала p-n перехода при низких уровнях легирования буферного слоя основные носители заряда смогут подняться на некоторую высоту потенциального барьера p-n перехода, не преодолевая его, и ток будет протекать через часть буферного слоя ПТШ. Данный эффект эквивалентен встраиванию высокоомного резистора параллельно каналу. При работе транзистора в линейном режиме этот эффект практически не сказывается из-за шунтирования высокоомного буферного слоя низкоомным каналом ПТШ. Но при отсечке канала транзистора дифференциальное сопротивление канала стремится к бесконечности и ток начинает протекать через буферный слой. На рисунке 3.12 показано распределение протекания тока в подзатворной области ПТШ в режиме насыщения при уровнях легирования буферного слоя 1015 и 1016 см-3. Рис. 3.12. Плотность тока в области канала ПТШ при напряжении 50 В на стоке. Концентрация легирующей примеси в буферном слое: a) 1015 см-3 б) 1016 см Расчетная зависимость сопротивления сток-исток от уровня легирования буферного слоя в режиме отсечки канала представлена на рисунке 3.13. Считая сопротивление канала ПТШ в данном режиме равным бесконечности, сопротивлние сток-исток будет определяться сопротивленим буферного слоя. В этом случае резкое возрастание сопротивления сток-исток отражает резкое снижение утечек через буферный слой. Таким образом, можно достаточно точно определить концентрацию легирующей примеси в буферном слое, выше которой утечки через него будут отсутствовать. Рассчитанные при этом значения концентрации будут равны: для буфреного слоя толщиной 0,5 мкм – 51016 см-3; для буфреного слоя толщиной 1 мкм – 31016 см-3; буфреного слоя толщиной 3 и 6 мкм – 21016 см-3.
Зависимость сопротивления сток-исток в режиме насыщения от концентрации легирующей примеси в буферном слое толщиной 0,5 мкм – сплошная линия; 1 мкм – штриховая линия; 3 мкм – точечная линия; 6 мкм – штрих-пунктирная линия. Таким образом, можно сделать вывод, что начальный ток стока при концентрациях легирующей примеси в буферном слое ниже значений, при которых прекращаются утечки через буферный слой, будет складывается из тока насыщения канала транзистора и тока утечки через буферный слой. При концентрациях выше указанного значения ток стока будет равен току насыщения канала транзистора [97]. На рисунке 3.14 представлена зависимость удельного тока стока от концентрации легирующей примеси в буферном слое, подтверждающие сделанные выводы. Аналитическое выражение (2.18) не учитывает приведенных выше факторов, поэтому количественно не соответствует данным, полученным приборным моделированием. Несмотря на это качественный вид аналитической зависимости сходен с выходными данными приборного моделирования.
Влияние типа металлизации транзисторного кристалла на скорость термической деградации
Анализируя вышеприведенные данные можно сделать вывод, что модель адекватно описывает поведение реальных ПТШ на основе карбида кремния. Максимальное совпадение результатов моделирования с экспериментальными результатами наблюдается при нулевых смещениях на затворе. По-видимому, основным недостатком модели является отсутствие учета неоднородного легирования канального слоя. Это приводит к расхождению результатов моделирования и экспериментальных данных в таких состояниях прибора, при которых наблюдается существенное влияние расширения ОПЗ от перехода Шоттки вглубь канала транзистора. Кроме того, в экспериментальных транзисторах присутствуют токи утечки через переход Шоттки, связанные с неидеальной технологией получения границы раздела металл-полупроводник, которые не отражаются моделью. Расхождение результатов моделирования и измерения лабораторных транзисторов по основным параметрам не превышает 20 %. Такую точность можно считать удовлетворительной для задач проектирования. Она позволяет достаточно адекватно предсказывать параметры создаваемых ПТШ при разработке этого класса приборов. Для увеличения точности расчетов необходимо в модели ПТШ учитывать неравномерность распределения примесей в эпитаксиальных слоях прибора, а также выявить причины преждевременного пробоя экспериментальных транзисторов.
Опытные образцы транзисторов, смонтированные в корпус измерялись в ВЧ-тюнерах, обеспечивающих оптимальное согласование по входу и выходу на частоте 860 МГц. Импедансы источника и нагрузки при этом составили (1+j4,96) и (4,98+j14,34) соответственно. Типичные зависимости основных ВЧ-параметров опытных образцов транзисторов от уровня входной мощности приведены на рисунке 4.11.
Для оценки полученных результатов можно сравнить параметры полученного прибора с параметрами конструктивного аналога карбидкремниевого ПТШ американской фирмы Cree Inc. CRF24010 [111]. Сопоставление основных параметров приборов приведено в таблице 4.3.
Как видно из таблицы 4.3, разработанные ПТШ уступают аналогу CRF24010 в значениях рабочей частоты. Это может быть в первую очередь связано с тем, что длина затвора зарубежного аналога составляет 0,4 мкм (микрофотография канальной области транзистора CRF24010 показана на рисунке 4.12). Это почти в 4 раза меньше длины затвора транзистора, разработанного в данной работе (длина затвора 1,5 мкм, ограничена разрешением имеющейся установки фотолитографии). Соответственно, величина входной паразитной емкости будет пропорционально больше у опытных образцов ПТШ из данной работы, что неизбежно отражается на частотных свойствах прибора.
Кроме того, надо отметить, что транзисторы различаются организацией периферийной металлизации кристалла. В зарубежном аналоге используется технология воздушных мостов (показаны на рисунке 4.13). С помощью такой организации топологии периферийной металлизации можно значительно снизить взаимные паразитные емкости между выводами транзистора. На момент создания опытных образцов ПТШ, полученных в данной работе, указанная технология, к сожалению, была недоступна.
Выбор системы металлизации для опытных образцов ПТШ производился из ряда наиболее часто применяемых типов металлизации для применения в приборах на основе карбида кремния [112]. При этом для обеспечения работы прибора при повышенных температурах необходимо, чтобы металлизация транзисторного кристалла выдерживала наработку в жестких термических условиях. В этой связи подбор системы металлизации является ключевым шагом к обеспечению высоких рабочих температур ПТШ [113]. Для подбора системы металлизации были определены зависимости времени безотказной работы металлизации от её типа. Время безотказной работы определялось в ходе ускоренных испытаний при повышенных температурах.
Исследование на устойчивость к наработке при повышенной температуре проводилось на четырех типах систем металлизации: Ti:W(0,3мкм) – Ti(0,1мкм) – Pt(500A)– Au(0,5мкм) – тип 1; Ni(0,2мкм) – Pt(0,2мкм) – Au(1мкм) – тип 2; Ti(0,2мкм) – Pt(0,4мкм) – Au(1мкм) – тип 3; Ti(0,15мкм) – TiN(0,05мкм) – Pt(0,2мкм) – Au(1мкм) – тип 4. Для исследования были разработаны два конструктивных варианта тестовых структур, условно обозначенных ТС-1 и ТС-2. Тестовая структура ТС-1 представляет собой металлизированные дорожки шириной 20 мкм, расположенные на диэлектрическом слое оксида кремния толщиной 0,5 мкм. Данные структуры использовались для анализа изменения сопротивления металлизации в процессе термического воздействия. Топология тестовой структуры ТС-1 представлена на рисунке 4.14, а её линейные размеры приведены в таблице 4.4. Тестовые структуры ТС-2 выполнены в виде прямоугольников размером 100х500 мкм, имеющих непосредственный контакт к кремнию.