Введение

Мощные нитрид галлиевые СВЧ транзисторы в настоящее время все более востребованы в качестве современной элементной компонентной базы для применения в перспективных системах связи и радиолокации.

С повышением требований к снижению энергопотребления, уменьшению массы и габаритных размеров современной электронной аппаратуры, повышению тактико-технических характеристик разрабатываемых изделий, нитрид галлиевый транзистор является перспективным прибором, способный заменить мощные LDMOS транзисторы в наше время.

Нитрид галлиевые транзисторы на полуизолирующем карбиде кремния имеют ряд преимуществ по сравнению с LDMOS приборами: малое сопротивление в открытом состоянии, высокое пробивное напряжение сток-исток (свыше 100 В для приборов с рабочим напряжением питания 28 В и 150 В для приборов с рабочим напряжением питания 50 В), широкий рабочий диапазон частот, высокое значение коэффициента полезного действия стока.

Эксперимент

Проект элементарной ячейки GaN транзисторного кристалла с проектной нормой 0.5 мкм был рассчитан с помощью программного комплекса Sentaurus TCAD. Проект включает в себя моделирование технологии создания GaN транзисторного кристалла, оптимизацию расчетной сетки для уменьшения времени расчета и улучшения сходимости проекта, расчет передаточной и выходной характеристик, определение напряжения отсечки (U_GS(OFF)), пробивного напряжения (U_DS). Моделирование физико-технологической модели нитрид галлиевого транзистора осуществлялось в программной оболочке Sentaurus Structure Editor (SDE). Для расчета электрофизических характеристик использовалась программная оболочка Sentaurus Device.

Для верификации расчетов моделей нитрид галлиевых транзисторов было проведено контрольное моделирование с использованием экспериментальных данных по тестовым пластинам из реального технологического процесса изготовления нитрид галлиевых транзисторных кристаллов. На рисунке 1 представлены передаточные характеристики, полученные в результате измерения транзисторного кристалла на пластине 465 (рисунок 1 — а) и моделирования базовой ячейки транзисторного кристалла в программном комплексе Sentaurus TCAD (рисунок 1 — б).

Рисунок 1. Расчетная (а) и экспериментальная (б) передаточные характеристики GaN транзисторного кристалла

 С целью повышения значений порогового напряжения на затворе в модели элементарной транзисторной ячейки, рассчитанной в Sentaurus TCAD, была оптимизирована толщина барьерного слоя Al_ХGa_1-ХN. Данный метод в рамках моделирования элементарной транзисторной ячейки позволил получить значения порогового напряжения на затворе порядка -3 В (рисунок 2б), что соответствует лучшим зарубежным аналогам. Так например, типовое значение порогового напряжения на затворе для транзистора CGH40010 (ф. Cree, США) согласно спецификации составляет -3 В [1], для транзистора TGF2023-02 (ф. TriQuint) типовое значение порогового напряжения на затворе составляет -3,6 В [2].

Рисунок 2. Расчетная выходная (а) и передаточная (б) характеристики элементарной транзисторной ячейки с периметром затвора 5,6 мм

 В программном комплексе Sentaurus TCAD было смоделировано 2 варианта повышения пробивного напряжения сток-исток при различных конструктивно-технологических изменениях в топологию транзисторной ячейки:

1)      топологические изменения в конструкции полевого электрода (Field Plate): Source Field Plate (SFP) и Gate Field Plate (GFP);

2)      увеличение расстояния между истоковыми-стоковыми омическими контактами с 4.5 мкм до 5 мкм, с учетом внесенных конструктивных изменений при формировании полевого электрода;

 В первом случае для SFP пробивное напряжение сток-исток (U_{СИ ПРОБ}) составило 110 В (I_С = 10 мА, U_ЗИ = -8 В) и 184 В (I_С = 10 мА, U_ЗИ = -8 В) для GFP . При увеличении расстояния между истоковыми-стоковыми омическими контактами с 4.5 мкм до 5 мкм U_{СИ ПРОБ} составило 156 В (I_С = 8 мА, U_ЗИ = -8 В) и 237 В (I_С = 8 мА, U_ЗИ = -8 В).

Эпитаксиальные гетероструктуры выращивались методом молекулярно-лучевой эпитаксии  с использованием аммиака в качестве источника азота на установке STE3N2 SemiTEq (Россия) на подложках SiC (001) диаметром 2 дюйма [3,4,5]. Параметры выращенных гетероструктур контролировались при помощи оптической высокоразрешающей микроскопии и бесконтактного измерения эффекта Холла.

Для формирования кристаллов мощных GaN транзисторов использован технологический процесс, построенный на операциях, включающих в себя циклы формирования омических контактов методом электронно-лучевого напыления Ti/Al/Ni/Au и быстрого термического отжига, плазмохимического травления меза-изоляции, формирования затворной металлизации с проектной нормой 0.5 мкм путем последовательного выполнения контактной УФ-литографии и электронно-лучевого напыления Ni/Au. Пассивация транзисторных структур осуществлялась путем плазмохимического осаждения SiNx. При создании структур кристаллов мощных СВЧ транзисторов были проработаны различные конструктивные варианты. В том числе, реализованы блок формирования двухуровневой металлизации, позволившей сформировать многопальцевые затворы с «воздушными мостами» (air bridge) и полевые электроды (field plate), а также блок формирования сквозных металлизированных отверстий (via-holes) как за пределами активной области OSV (outside source via) (рисунок 3), так и в активной области транзисторной ячейки ISV (Inside source via) (рисунок 4) [6,7]. Межоперационный контроль параметрического монитора (PCM— process control monitor) и выходной контроль электрических параметров транзисторных кристаллов на пластине проводились на полуавтоматическом измерительном стенде на основе микрозондовой станции Cascade MicroTech и измерительном оборудовании фирмы Agilent.

Основной особенностью используемых гетероструктур является слой AlN толщиной 0.2-0.5 мкм и многослойный переходный слой переменного состава Al_xGa_1-xN (0.3_ХGa_1-ХN (х≈0.33) общей толщиной 250 Å, образуется двумерный электронный газ (ДЭГ). Верхним слоем гетероструктуры является нелегированный слой GaN.

Рисунок 3. Схематическое изображение разреза транзисторной ячейки с «воздушными» мостами

Рисунок 4. Схематическое изображение разреза транзисторной ячейки с металлизированными сквозными отверстиями в активной области

Результаты

На основе разработанного технологического процесса изготовлены нитрид галлиевые транзисторы ТНГ103104-12 [8] с выходной мощностью 4 Вт для применения в L- и S-диапазоне частот. Ширина затвора транзисторов ТНГ103104-12 составляла 5.6 мм. Следует отметить, что пиковая удельная мощность транзисторов в использованном варианте технологии, измеренная на пластине на тестовых СВЧ транзисторах малой периферии, достигает 3,8-4,4 Вт/мм при напряжении питания до 28В. Однако, на данном этапе исследований, для обеспечения надежности измерений кристаллов мощных транзисторов, был намеренно применен конструкционно-технологический запас. Установлено, что основным фактором, ограничивающим эффективное суммирование мощности в приборах большой периферии, на данном этапе стало последовательное уменьшение пробивного напряжения затворов по мере выполнения технологических операций блока формирования воздушных мостов. Так, в приборах малой периферии пробивные напряжения после затворного цикла составляли не менее 80 В, в то время как в кристаллах большой периферии эти значения падали до 35-50В. В настоящее время проводится оптимизация технологии, уже позволившая увеличить пробивные напряжения до 100-120В на малых транзисторах и до 60-70В на транзисторах большой периферии. Еще одним резервом повышения рабочих напряжений транзисторов является оптимизация конструкции field plate, которая на данном этапе исследования не проводилась.

Монтаж транзисторных кристаллов ТНГ103104-12 осуществлялся в металлокерамический корпус КТ-55С-1 при помощи серебросодержащего клея, полученный теплоотвод признан достаточным для данного уровня удельной мощности. Внешний вид транзисторных кристаллов ТНГ103104-12 (рисунок 5б) и транзисторов со снятой крышкой представлен ниже (рисунок 5а).

а) в металлокерамическом корпусе

б) фото транзисторного кристалла на пластине полуизолирующего карбида кремния

Рисунок 5. Внешний вид транзистора ТНГ103104-12

рующего карбида кремния