Исследование тепловых свойств графеносодержащих пленок, а также разработка технологии их применения для отвода тепла, выделяющегося при работе СВЧ полупроводниковых приборов на основе GaN

Информация о выполнении проекта от 22.08.2014г. № 14.584.21.0001

• проводился аналитический обзор научных и информационных источников, затрагивающих научно-техническую задачу, исследуемую в рамках ПНИ;
• проводилось обоснование и выбор направления исследований, основанные на сравнении параметров теплопроводности материалов, используемых в качестве теплоотвода полупроводниковых приборов;
• проводилась сравнительная оценка различных методов отвода тепла от GaN транзисторов, в том числе с использованием графеносодержащего теплоотвода;
• проводились теоретические исследования влияния конструкции на эффективность отвода тепла для устройств СВЧ электроники;
• разрабатывался и выбирался оптимальный вариант теплоотвода для СВЧ приборов на основе нитрида галлия;
• проводились патентные исследования.

При этом были получены следующие результаты

Показано, что с целью равномерного распределения температуры внутри канала транзистора целесообразно использование графеновой пленки, нанесенной на омический контакт стока транзистора. В научной литературе имеются работы, в том числе теоретические, по исследованию изменения температурного градиента в структуре HEMT на основе соединений нитрида галлия. Показано, что, рабочая температура в канале транзисторов на основе гетероэпитаксиальных структур соединений нитрида галлия с теплоотводом на основе графена может снизиться до 20°С и более. Наиболее контрастная картина получается на сравнении нитридгаллиевых транзисторов с графеновым теплоотводом и без него, изготовленных на подложке сапфира, имеющем меньшее значение теплопроводности по сравнению с используемыми также подложками карбида кремния и кремния.

В работе была проанализирована конструкция и топология СВЧ транзистора на основе соединений нитрида галлия, в котором толщина распределительного слоя принята 0.5 мкм, а расстояние между дополнительным теплоотводом и контактом стока принято 10 мкм.

В результате проведенных предварительных расчетов установлено, что при использовании тепло-распределительного слоя удается понизить максимальную температуру прибора (горячей точки) на 18 градусов Цельсия при использовании подложки карбида кремния и на 80 градусов Цельсия при использовании подложки сапфира, что соответствует лучшим мировым показателям.

Научной новизной результатов работ на данном этапе является установленная теоретическим путем закономерность изменения температуры в канале транзистора от толщины графенсодержащей пленки, нанесённой на контакт стока прибора, а также от материала теплоотвода.

Полученные результаты соответствуют техническим требованиям к выполняемому проекту и свидетельствуют о целесообразности продолжения работ по проекту.

 Информация о выполнении проекта от 22.08.2014г. № 14.584.21.0001

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 22.08.2014г. № 14.584.21.0001 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» на этапе № 2 в период с 01.01.2015г. по 30.06.2015г. выполнялись следующие работы:

• проводилось моделирование тепловых свойств СВЧ GaN транзисторов;
• разрабатывались критерии степени дефектности графеносодержащих пленок на основании теплового моделирования СВЧ GaN-транзисторов;
• разрабатывалась программа и методики экспериментальных исследований статических и динамических характеристик экспериментальных образцов СВЧ транзисторов с графеносодержащим теплоотводом и без него;
• разрабатывалась технологическая документация экспериментальных образцов СВЧ транзисторов с графеносодержащим теплоотводом.

При этом были получены следующие результаты

Повышение мощности СВЧ транзисторов достигается в том числе за счет снижения температуры в канале прибора. На основе проведенных теоретических исследований установлено, что использование теплораспределительного слоя на рабочей поверхности транзистора позволяет уменьшить температуру горячих точек в канале на 18°С при использовании подложки карбида кремния и на 80°С при использовании подложки сапфира. Установлено, что тепловой распределитель, расположенный в области между затвором и стоком, более эффективно снижает электронную и решеточную температуры за счет отвода тепла от горячей точки. При этом распределитель, расположенный в области между истоком и затвором не оказывает значительного влияния на температуру в канале транзистора.

Установлено, что степень дефектности графенсодержащей пленки должна быть такой, чтобы технология, обеспечивающая ее получение с заданной степенью дефектности, позволяла формировать пленку максимально близко к зоне тепловыделения.

Иностранным партнером установлено, что теплопроводность графенсодержащей пленки слабо зависит от размера зерна и варьируется от 100 до 1000 Вт *м-1*К-1. В результате проведенных теоретических исследований теплопроводности графенсодержащих пленок, показано, что в наибольшей степени теплопроводность снижают анизотропные дефекты, расположенные перпендикулярно тепловому потоку. Анизотропные дефекты, расположенные параллельно тепловому потоку, влияют на коэффициент теплопроводности в гораздо меньшей степени.

Научной новизной результатов работ на данном этапе является установленная теоретическим путем закономерность изменения вольт-амперных характеристик СВЧ транзистора от топологии теплового распределителя.

Полученные результаты соответствуют техническим требованиям к выполняемому проекту и свидетельствуют о целесообразности продолжения работ по проекту.

Информация о выполнении проекта от 22.08.2014г. № 14.584.21.0001

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 22.08.2014г. № 14.584.21.0001 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» на этапе № 3 в период с 01.07.2015г. по 31.12.2015г. выполнялись следующие работы:

• изготавливались экспериментальные образцы СВЧ транзисторов с графеносодержащим теплоотводом и без него;
• проводились экспериментальные исследования статических и динамических характеристик экспериментальных образцов СВЧ транзисторов с графеносодержащим теплоотводом и без него;
• проводились дополнительные патентные исследования.

При этом были получены следующие результаты

Установлено, что с целью эффективного отвода тепла от рабочей поверхности СВЧ транзистора целесообразно располагать тепловой распределитель между затвором и стоком. Разработана технологическая документация, изготовлены экспериментальные образцы СВЧ транзисторов и проведены экспериментальные исследования их статических и динамических характеристик. Установлено, что напряжение отсечки приборов не превысило 7 В. Значение коэффициента усиления по мощности в диапазоне частот 8 - 10 ГГц составило 9,3 дБ и 9,7 дБ для приборов без графенсодержащего теплоотвода и с ним соответственно.

Иностранным партнером проведены теоретические исследования теплопроводности графеносодержащих пленок. Показано, что в наибольшей степени теплопроводность снижают анизотропные дефекты, расположенные перпендикулярно тепловому потоку. Проведены экспериментальные исследования по синтезу графеносодержащих пленок, их переносу на рабочую поверхность СВЧ транзисторов и исследованию основных свойств. Показано, что пленка содержит домены с однослойным графеном. Наблюдается значительное смещение позиций 2D и G полос спектра комбинационного рассеяния света к большим значениям волнового числа для моноатомного графена.

Научной новизной результатов работ на данном этапе являются экспериментальные закономерности изменения статических и частотных свойств нитридгаллиевых СВЧ транзисторов от наличия теплораспределительного слоя на основе графеносодержащей пленки.

Полученные результаты соответствуют техническим требованиям к выполняемому проекту и свидетельствуют о целесообразности продолжения работ по проекту.

Информация о выполнении проекта от 22.08.2014г. № 14.584.21.0001

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 22.08.2014г. № 14.584.21.0001 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» на этапе № 4 в период с 01.01.2016г. по 30.06.2016г. выполнялись следующие работы:

• проводилось исследование влияния топологии транзистора на эффективность отвода тепла;
• проводилось исследование влияния температуры на вольт-амперные характеристики экспериментальных образцов нитридгаллиевых СВЧ транзисторов с графеносодержащим теплоотводом;
• проводилось исследование влияния температуры на усилительные свойства экспериментальных образцов нитридгаллиевых СВЧ транзисторов с графеносодержащим теплоотводом.

При этом были получены следующие результаты

Установлено, что наиболее эффективной является топология СВЧ транзистора, в которой наряду с воздушным металлическим мостом присутствуют сквозные отверстия до контактов истока или стока. Показано, что вольт-амперные характеристики СВЧ транзисторов с графенсодержащим теплоотводом в диапазоне температур от 25 до 175 °С практически не изменяются, при этом изменение граничной частоты усиления по току в данном диапазоне температур не превышает 5%. Значение коэффициента усиления по току в диапазоне частот 8-10 ГГц составило величину 11 дБ. Граничная частота усиления по току составила 29,24 ГГц.

Иностранным партнером проведены экспериментальные исследования электрофизических и теплопроводящих свойств графеносодержащих пленок, а также зависимости коэффициента теплопроводности графеносодержацих пленок от количества и геометрии неграфеновых включений в графеносодержащую пленку. Установлено, что значения коэффициента теплопроводности для графеносодержащих пленок составляют 220 Вт/м*К и 550 Вт/м*К для 30 и 18 % доли неграфеновых включений соответственно.

Научной новизной результатов работ на данном этапе являются установленные закономерности изменения температуры в канале СВЧ транзистора от топологии воздушного металлического моста и сквозных отверстий, а также температурные зависимости статических и усилительных свойств экспериментальных образцов.

Полученные результаты соответствуют техническим требованиям к выполняемому проекту и свидетельствуют о целесообразности продолжения работ по проекту.

Информация о выполнении проекта от 22.08.2014г. № 14.584.21.0001

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 22.08.2014г. № 14.584.21.0001 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» на этапе № 5 в период с 01.07.2016г. по 31.12.2016г. выполнялись следующие работы:

• проводилось обобщение результатов проведенных исследований;
• сопоставлялись расчетные и экспериментальные результаты проведенных исследований;
• проводилась проверка соответствия результатов работ требованиям технического задания;
• проводилась технико-экономическая оценка рыночного потенциала полученных результатов;
• разрабатывался проект ТЗ на ОТР по теме: «Разработка технологии изготовления СВЧ транзисторов на основе соединений нитрида галлия с графеносодержащим теплоотводом».

При этом были получены следующие результаты

Показано, что вольт-амперные характеристики СВЧ транзисторов с графенсодержащим теплоотводом в диапазоне температур от 25 до 175 °С практически не изменяются, при этом изменение граничной частоты усиления по току в данном диапазоне температур не превышает 5%. Значение коэффициента усиления по току в диапазоне частот 8-10 ГГц составило величину 11 дБ. Установлено, что операция переноса графенсодержащей пленки на рабочую поверхность нитридгаллиевых СВЧ транзисторов практически не оказывает влияния на ее основные параметры. Показано, что результаты проведенных экспериментальных исследований выявили качественную корреляцию с теоретическими данными.

Иностранным партнером установлено, что значения коэффициента теплопроводности для графеносодержащих пленок составляют 220 Вт/м*К и 550 Вт/м*К для 30 и 18 % доли неграфеновых включений соответственно. Предложено использование графенсодержащей пленки в качестве теплораспределительного слоя в нитридгаллиевых СВЧ транзисторах.

Научной новизной результатов работ на данном этапе являются установленные закономерности изменения свойств теплораспределительного слоя на основе графенсодержащей пленки после процесса ее переноса на рабочую поверхность нитридгаллиевого СВЧ транзистора.

Полученные результаты соответствуют техническим требованиям к выполняемому проекту и свидетельствуют о целесообразности перехода работ в стадию ОТР.