Мощные GaN-транзисторы для применения в перспективных системах связи и радиолокации

С. Тарасов, инженер-технолог 1-й категории, В. Дикарев, заместитель начальника отдела, А. Цоцорин, к.ф.-м.н., начальник лаборатории, АО «НИИЭТ»

В статье представлены результаты моделирования и измерения отечественных нитрид-галлиевых транзисторов. Проведен сравнительный анализ отечественных транзисторов с зарубежными аналогами. При создании структур кристаллов мощных СВЧ-транзисторов были проработаны разные конструктивные варианты.

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, способным 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 (UGS(OFF)), пробивного напряжения (UDS). 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.

gan транзистор

На рисунке 1 представлены передаточные характеристики, полученные в результате измерения транзисторного кристалла на пластине 465 (см. рис. 1а) и моделирования базовой ячейки транзисторного кристалла в программном комплексе Sentaurus TCAD (см. рис. 1б). Для повышения значений порогового напряжения на затворе в модели элементарной транзисторной ячейки, рассчитанной в Sentaurus TCAD, была оптимизирована толщина барьерного слоя Al_x Ga(1-x)N.

gan транзистор

Данный метод в рамках моделирования элементарной транзисторной ячейки позволил получить значения порогового напряжения на затворе около –3 В (см. рис. 2б), что соответствует лучшим зарубежным аналогам. Так например, типовое значение порогового напряжения на затворе транзистора CGH40010 от компании Cree согласно спецификации составляет –3 В [1], а у транзистора TGF2023–02 от TriQuint этот показатель равен –3,6 В [2].

С помощью программного комплекса Sentaurus TCAD были смоделированы два варианта повышения пробивного напряжения сток–исток при внесении следующих конструктивно-технологических изменений 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 до 5 мкм с учетом внесенных конструктивных изменений при формировании полевого
электрода.
В первом случае для SFP пробивное напряжение сток–исток (UСИ ПРОБ) составило 110 В(IС= 10 мА, UЗИ = –8 В) и 184 В (IС = 10 мА, UЗИ= –8 В) для GFP. При увеличении расстояния между истоковыми–стоковыми омическими контактами с 4,5 до 5 мкм U(СИ ПРОБ) составило 156 В (IС = 8 мА, UЗИ= –8 В) и 237 В (IС = 8 мА, UЗИ= –8 В).
Эпитаксиальные гетероструктуры выращивались методом молекулярнолучевой эпитаксии с использованием аммиака в качестве источника азота на установке STE3N2 SemiTEq (Россия) на подложках SiC (001) диаметром 2 дюйма [3–5]. Параметры выращенных гетероструктур контролировались с помощью оптической высокоразрешающей микроскопии и бесконтактного измерения эффекта Холла. Для формирования кристаллов мощных GaN-транзисторов использовался технологический процесс, включающий в себя циклы формирования омических контактов методом электронно-лучевого напыления Ti/Al/Ni/Au и быстрого термического отжига, плазмохимического травления мезаизоляции, 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 разные конструктивные варианты, в т. ч. реализованы блок формирования двухуровневой металлизации, позволившей создать многопальцевые затворы с «воздушными мостами» (air bridges) и полевые электроды (field plate), а также блок формирования сквозных металлизированных отверстий (via holes) как за пределами активной области OSV (outside source via) (см. рис. 3), так и в активной области транзисторной ячейки ISV (inside source via) (см. рис. 4) [6–7].

gan транзистор
транзисторы cree

Межоперационный контроль параметрического монитора (process control monitor, PCM) 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 AlХGa1-ХN(0,3 <х < 1,0) общей толщиной до 1,2 мкм, обеспечивающие пробивные напряжения межприборной изоляции выше 200 В. Далее следует нелегированный слой GaN толщиной 1000 A, на верхней границе которого с легированным Si слоем AlХGa1–ХN (х ≈ 0,33) общей толщиной 250 A образуется двумерный электронный газ (ДЭГ). Верхним слоем гетероструктуры является нелегированный слой GaN.

Результаты
На основе разработанного технологического процесса изготовлены нитрид-галлиевые транзисторы ТНГ103104–12 [8] с выходной мощностью 4 Вт для применения в L- и S-диапазонах частот. Ширина затвора транзисторов ТНГ103104–12 составляла 5,6 мм. Следует заметить, 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 28 В. Однако на данном этапе исследований для обеспечения надежности измерения кристаллов мощных транзисторов намеренно использовался 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, у приборов малой периферии пробивные напряжения после затворного цикла составляли не менее 80 В, тогда как у кристаллов большой периферии эти значения падали до 35–50 В. В настоящее время проводится оптимизация технологии, уже позволившая увеличить пробивные напряжения до 100–120 В на малых транзисторах и до 60–70 В на транзисторах большой периферии. Еще одним резервом для повышения рабочих напряжений транзисторов является оптимизация конструкции field plate, которая на данном этапе исследования не проводилась.

Монтаж транзисторных кристаллов ТН Г103104–12 осуществлялся в металлокерамический корпус КТ-55 С-1 при помощи серебросодержащего клея; полученный теплоотвод признан достаточным для данного уровня удельной мощности. Внешний вид транзисторов ТНГ103104–12 со снятой крышкой представлен на рисунке 5а, а транзисторных кристаллов – на рисунке 5б.

gan транзистор

Электрические параметры транзисторов были исследованы при помощи стенда для проведения Source- и Load-Pull-измерений мощных СВЧ-транзисторов. Измерения проводились в непрерывном режиме на частотах 1500, 2000, 2700, 2900 и 3100 МГц при напряжении питания 12,5 В. Данные измерения транзисторов представлены в таблице 1.

gan транзистор

Для оценки полученных результатов был проведен сравнительный анализ электрических параметров нитрид-галлиевого транзистора ТНГ103104–12, разработанного АО «НИИЭТ», и зарубежного транзистора TGF2023–02 фирмы TriQuint (США). Для корректного сопоставления результатов анализа электрических параметров транзисторов измерения проводились в одинаковых условиях (режим работы – непрерывный, f = 2000 МГц, U ПИТ= 12,5 В).
Результаты измерений приборов представлены в таблице 2.

gan транзистор

На текущий момент в рамках научно-исследовательской работы «Исследование и разработка мощных СВЧ нитрид галлиевых транзисторов с выходной импульсной мощностью 10, 30, 100, 250–300 Вт и модулей СВЧ на их основе с рабочей частотой до 3,5 ГГц», шифр «Палитра», выполняемой за счет собственных средств, АО «НИИЭТ» разработаны отечественные нитрид-галлиевые транзисторы с выходной мощностью 10 Вт и напряжением питания 28 В. Эти транзисторы выполнены по проектной норме 0,25 мкм с формированием истоковых металлизированных сквозных отверстий в активной области. Монтаж транзисторных кристаллов ТНГ40010–28 осуществлялся в металлокерамический корпус КТ 81 С при помощи серебросодержащего клея.

С помощью стенда для проведения Source- и Load-Pull- измерений (методом согласованных нагрузок) мощных СВЧ-транзисторов были исследованы электрические параметры транзисторов. Измерения проводились в непрерывном режиме на частотах 2500, 3500 и 4000 МГц при напряжении питания 28 В.
Данные измерения транзисторов представлены в таблице 3.

После усовершенствования и оптимизации топологии элементарной транзисторной ячейки планируется осуществить разработку серии мощных 50 В GaN-транзисторов.

Разработка серии отечественных мощных нитрид-галлиевых транзисторов позволит осуществить работы по импортозамещению зарубежных аналогов, которые в настоящее время применяются в ЭКБ для отечественной аппаратуры.

Выводы

  1. Разработана конструкция и базовая технология создания мощных нитрид-галлиевых транзисторов для применения в L- и S-диапазонах частот.
  2. С равнение результатов моделирования с экспериментальными данными показало близкое совпадение, на основании чего можно сделать заключение об адекватности виртуальных моделей транзисторных кристаллов реальным приборам.
  3. Н а основании полученных результатов сделано заключение о возможности применения САПР Sentaurus TCAD для разработки изделий силовой СВЧ-электроники на основе нитрид-галлиевой компонентной базы с заданными характеристиками на базе технологии предприятия-изготовителя.
  4. Реализован технологический процесс, включающий в себя формирование всех конструкционных элементов, необходимых для проектирования мощных СВЧ-устройств, в т. ч. усиленной многоуровневой металлизации и сквозных металлизированных отверстий.
  5. Полученные экспериментальные GaN-транзисторы в исследованных режимах по основным эксплуатационным параметрам соответствуют зарубежному техническому уровню.
  6. Определены направления оптимизации конструкции и технологии экспериментальных GaN-транзисторов с целью адаптации их характеристик с рабочими режимами ЭКБ в используемых и перспективных типах РЭА.

Литература

  1. www.cree.com.
  2. www.triquint.com.
  3. С. Б. Александров и др. ФТП. 2004. Т. 38.
  4. В. В. Волков и др. Письма в ЖТФ. 2004. Т. 30.
  5. Патент РФ N2222845 от 01.04.03.
  6. А. Алексеев, Д. Красовицкий, С. Петров, В. Чалый. Компоненты и технологии. 2. 106 (2008).
  7. Д. Красовицкий и др. Тезисы докладов 9-й Всероссийской конференции «Нитриды галлия, индия и алюминия – структуры и приборы». Москва. 13–15 июня 2013.
    8. Свидетельство о регистрации топологии интегральной микросхемы № 2013630107 от 19 июля 2013.