Мощные GaN транзисторы для применения в перспективных системах связи и радиолокации. Powerful GaN transistors for application in perspective communication systems and radar-locations

18 июля 2017

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 различные 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, 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 (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. 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 AlХGa1-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].

a)

,

б)

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 (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 мкм до 5 мкм UСИ ПРОБ составило 156 В (IС = 8 мА, UЗИ = -8 В) и 237 В (IС = 8 мА, UЗИ = -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 AlxGa1-xN (0.3<х<1.0) общей толщиной до 1.2 мкм, обеспечивающие пробивные напряжения межприборной изоляции свыше 200 В. Далее следует нелегированный слой GaN толщиной 1000 Å, на верхней границе которого с легированным Si слоем AlХGa1-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

 При помощи стенда для проведения Source и Load Pull измерений мощных СВЧ транзисторов были исследованы электрические параметры 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 2.

 Таблица 2. Результаты измерения транзисторов

Тип транзистора

РВЫХ, Вт

f, МГц

КУР, дБ

ηС, %

UПИТ, В

ТНГ103104-12

3.3

1500

15

48

12.5

3.7

2000

14

45

3.7

2700

11

43

3.7

2900

11

40

3.7

3100

11

40

В целях оценки полученных результатов был проведен сравнительный анализ электрических параметров нитрид галлиевого транзистора ТНГ103104-12, разработанного ОАО «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, UПИТ = 12.5 В). Результаты измерений приборов представлены в таблице 3.

 Таблица 3. Электрические параметры приборов

Наименование параметра

TGF2023-02

ф. TriQuint

ТНГ103104-12

ОАО «НИИЭТ»

LЗ, мкм

0.25

0.5

WЗ, мм

2.5

5.6

Размер кристалла, мм

0.82х0.92

0.9х0.9

RСИ, Ом

0.83

0.6-0.8

Крутизна

0.84

0.77

IС, мА

250

200-250

РВЫХ 1 дБ, (f=2 ГГц, UПИТ=12.5 В, IС=0.2А), Вт

3.5

3.7

РВЫХ 3 дБ, (f=2 ГГц, UПИТ=12.5 В, IС =0.2А), Вт

4

≈5

ηС 1дБ, (f=2 ГГц, UПИТ=12.5 В, IС =0.2А), %

52.9

43

ηС 3дБ, (f=2 ГГц, UПИТ=12.5 В, IС =0.2А), %

57

48

КУР 1 дБ, (f=2 ГГц, UПИТ=12.5 В, IС =0.2А), дБ

20.4

15.6

КУР 3 дБ, (f=2 ГГц, UПИТ=12.5 В, IС =0.2А), дБ

18.4

13.6

Вид межсоединений истоковых шин

OSV (outside source via) & Air Bridge

OSV (outside source via) & Air Bridge

На текущий момент времени 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, ОАО «НИИЭТ» разработаны отечественные нитрид галлиевые транзисторы с выходной мощностью 10 Вт и напряжением питания 28 В. Данные 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-81С при помощи серебросодержащего клея.

При помощи 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 4.

 Таблица 4. Результаты измерения транзисторов ТНГ40010-28

Тип транзистора

РВЫХ, Вт

f, МГц

ZS, Ом

ZL, Ом

КУР, дБ

ηС, %

UПИТ, В

ТНГ40010-28

10,94

2500

6,03 – j1.83

15.33 + j2.83

15,39

48,73

28

10,65

3500

7.20 – j8.11

15.09 – j1.95

12,27

47,18

10,30

4000

7.44 – j9.86

16.38 – j3.72

11,12

44,47

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

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

            Заключение:

1.      Разработана конструкция и базовая технология создания мощных нитрид галлиевых транзисторов для применения в L- и S-диапазонах частот.

2.      Сравнение результатов моделирования с экспериментальными данными показало близкое совпадение, на основании чего можно сделать заключение об адекватности виртуальных моделей транзисторных кристаллов реальным приборам.

3.      На основании полученных результатов сделано заключение о возможности применения в инженерной практике использования САПР Sentaurus TCAD для разработки изделий силовой СВЧ электроники на основе нитрид галлиевой компонентной базе с заданными характеристиками на основе технологии предприятия-изготовителя.

4.      Реализован технологический процесс, включающий в себя формирование всех конструкционных элементов, необходимых для проектирования мощных СВЧ устройств, в том числе - 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.

                     Тарасов  Сергей Викторович инженер-технолог 1 категории

Дикарев Владимир Иванович заместитель начальника отдела,

Цоцорин Андрей Николаевич кандидат физико-математических наук, начальник лаборатории,

АО «НИИЭТ» ул. Старых Большевиков, д.5, 394033, г. Воронеж, www.niiet.ru

Литература

[1] www.cree.com

[2] www.triquint.com

[3] С.Б. Александров и др. // ФТП. 2004. том 38. с. 1275-1279.

[4] В.В. Волков и др. // Письма в ЖТФ. 2004. том 30. с. 63-67.

[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 девятой Всероссийской конференции «Нитриды галлия, индия и алюминия- структуры и приборы», г. Москва, 13 – 15 июня 2013 г., с. 65.

[8] Свидетельство о регистрации топологии интегральной микросхемы №2013630107 от 19 июля 2013 г.

 Скачать статью

Статья опубликована в журнале «Электронные Компоненты» №7-2017

 

 

 

 

 

 

 


Оставить комментарий