Разработка технологий получения эпитаксиальных широкодиапазонных гетероструктур для нового поколения СВЧ и/или силовых приборов

Информация о выполнении проекта от 20.10.2014г. № 14.578.21.0062

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 20.10.2014г. № 14.578.21.0062 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 № 1 в период с 20.10.2014г. по 31.12.2014г. выполнялись следующие работы:

- проводился аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИ;
- проводились патентные исследования в соответствии с ГОСТ Р 15.011-96;
- проводился сравнительный анализ методов изготовления гетероэпитаксиальных структур нитрида галлия и алюминия на подложках карбида кремния и кремния;
- выбирался и обосновывался оптимальный вариант гетероэпитаксиальной структуры AlGaN/GaN, в том числе:

  • определялась толщина спейсерного слоя;
  • определялась толщина нелегированного cap-слоя;
  • определялась толщина буферного слоя, согласующего кристаллические решетки гетероструктуры и подложки;
  • проводилось исследование процессов релаксации упругих напряжений в гетероэпитаксиальных структурах и зарождения прорастающих дислокаций;
  • проводился анализ влияния технологических параметров на планарность гетерограниц;

- изучались технологические приемы роста гетероэпитаксиальных структур нитрида галлия и алюминия на подложках карбида кремния и кремния;
- проводился анализ влияния технологических режимов роста на структурные, морфологические и электрофизические свойства гетероэпитаксиальных структур нитрида галлия и алюминия;
- проводились теоретические исследования влияния конструкции широкозонного барьерного слоя на электрофизические свойства гетероэпитаксиальных структур нитрида галлия и алюминия;
- проводились теоретические исследования влияния конструкции буферного слоя на структурные свойства гетероэпитаксиальных структур нитрида галлия и алюминия;
- выбирались и обосновывались оптимальные варианты топологии СВЧ и силового транзистора, в том числе:

  • определялась оптимальная топология СВЧ транзистора Х-диапазона частот;
  • определялась оптимальная топология силового транзистора, рассчитанного на высокие напряжения пробоя;

- разрабатывались программа и методики исследований экспериментальных образцов гетероэпитаксиальных структур на основе нитридов галлия и алюминия на подложках кремния и карбида кремния для СВЧ и силовых транзисторов;
- разрабатывались программы и методики исследований макетов СВЧ и силовых транзисторов на основе нитридов галлия и алюминия на подложках кремния и карбида кремния.

 

При этом были получены следующие результаты

Произведен выбор близкой к оптимальной топологии СВЧ транзистора по величине предельной частоты усиления по мощности. Установлено, что частота усиления по мощности уменьшается при увеличении ширины секций Wg и практически не зависит от их количества при малых n (от 2 до 6). Данные критерии будут учтены при проведении теоретических исследований влияния топологических параметров разрабатываемых СВЧ транзисторов на их рабочий диапазон частот.

В результате проведенного исследования влияния топологии силового транзистора на величину напряжения пробоя было установлено, что даже в отсутствии полевой платы «field-plate» увеличение расстояния затвор-сток свыше 10 мкм нецелесообразно, поскольку существенного увеличения пробивного напряжения не происходит. Однако при увеличении данного расстояния будет существенно возрастать паразитная емкость. Было установлено, что для формирования силового транзистора в соответствии с требованиями технического задания необходимо изготовить ряд транзисторов с величиной расстояния затвор-сток 5 – 20 мкм и провести исследование их электрофизических свойств.

Были проведены исследования влияния технологических режимов получения на качество гетероэпитаксиальных структур соединений нитрида галлия и алюминия. Показано, что перед процессом роста важно создать высокоупорядоченный слой SiN при нитридизации кремния для успешной последующей эпитаксии с целью получения приемлемого качества гетерограницы AlGaN/GaN. Для подавления дислокаций в буферном слое на подложках SiC достаточно использовать достаточно тонкий слой AlN, позволяющий снизить плотность дислокаций до значений ~ 108-109 см-2, а в случае с подложкой кремния необходимо разрабатывать достаточно сложный буферный слой, необходимый для решения проблем рассогласований кристаллических решеток Si и GaN, а также коэффициентов термического расширения.

Научной новизной результатов работ на данном этапе являются:

  • установленная закономерность изменения электрофизических свойств гетероэпитаксиальных структур нитрида галлия и алюминия от конструкций ее буферного и барьерного слоев;
  • установленная закономерность изменения плотности прорастающих дислокаций от процессов релаксации упругих напряжений в гетероэпитаксиальных структурах;
  • предложенные топологии твердотельных приборов на основе гетероэпитаксиальных структур нитридов галлия и алюминия, позволяющие увеличить КПД и коэффициент усиления по мощности СВЧ транзистора, а также напряжение пробоя силового транзистора.

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

 

Информация о выполнении проекта
от 20.10.2014г. № 14.578.21.0062

 

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 20.10.2014г. № 14.578.21.0062 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:

  • проводились экспериментальные исследования по определению оптимальных условий нитридизации и зарождения слоёв нитрида галлия и алюминия, обеспечивающих наилучшее согласование слоёв нитридов галлия и алюминия с подложками кремния и карбида кремния и приводящих к формированию слоёв металлической полярности;
  • проводился экспериментальный поиск условий роста буферных и активных слоёв нитрида галлия и алюминия, приводящих к улучшению морфологии, кристаллического совершенства и электрофизических свойств гетероэпитаксиальных структур;
  • проводилось исследование технологических основ формирования омических контактов к гетероэпитаксиальным структурам на основе нитридов галлия и алюминия;
  • разрабатывалась эскизная конструкторская документация на гетероэпитаксиальные структуры на основе нитридов галлия и алюминия на подложках кремния и карбида кремния с улучшенными электрофизическими свойствами;
  • изготавливались экспериментальные образцы гетероэпитаксиальных структур нитрида галлия и алюминия на подложках кремния и карбида кремния для СВЧ и силовых транзисторов;
  • проводилось исследование основных параметров гетероэпитаксиальных структур в соответствии с разработанной программой и методиками;
  • разрабатывалась программа и методики исследований площади рабочей поверхности экспериментальных образцов гетероэпитаксиальных структур на основе нитридов галлия и алюминия на подложках кремния и карбида кремния.

 

При этом были получены следующие результаты

Установлено, что перед процессом роста гетероструктуры AIIIN на подложке Si важно создать высокоупорядоченный слой SiN при нитридизации кремния для успешной последующей эпитаксии с целью получения приемлемого качества гетерограницы AlGaN/GaN. Для подавления дислокаций в буферном слое на подложках SiC достаточно использовать достаточно тонкий слой AlN, позволяющий снизить плотность дислокаций до значений ~ 108-109 см-2, а в случае с подложкой кремния необходимо разрабатывать достаточно сложный буферный слой, необходимый для решения проблем рассогласований кристаллических решеток Si и GaN. Разработана технология начальных стадий роста структур нитрида алюминия, обеспечивающая приемлемое согласование слоёв A3-нитридов (гетероэпитаксиальных структур) с подложкой кремния (111)Si, и приводящая к формированию слоев с металлической полярностью. Ключевыми моментами технологии являются: получение атомарно чистой и гладкой поверхности (111)Si с реконструкцией (7х7); кратковременная (5-7 сек) высокотемпературная нитридизация поверхности кремния; получение графитоподобной структуры AlN с упорядоченной структурой (4х4). Разработана технология начальных стадий роста структур нитрида алюминия на подложках (0001)SiC, начинающаяся с роста на реконструированной поверхности, что продемонстрировало хорошее согласование слоёв A3-нитридов с подложкой карбида кремния и обеспечило получение слоев с металлической полярностью.

Произведен выбор близкой к оптимальной топологии СВЧ транзистора по величине предельной частоты усиления по мощности. Установлено, что частота усиления по мощности уменьшается при увеличении ширины секций Wg и практически не зависит от их количества при малых n (от 2 до 6).

В результате проведенного исследования влияния топологии силового транзистора на величину напряжения пробоя было установлено, что даже в отсутствии полевой платы «field-plate» увеличение расстояния затвор-сток свыше 10 мкм нецелесообразно, поскольку существенного увеличения пробивного напряжения не происходит.

Разработана технология создания низкоомных омических контактов к транзисторным структурам на основе соединений, содержащих АIIIN. Показано, что с целью снижения удельного переходного сопротивления омических контактов целесообразно использование системы металлизации Ti/Si/Ti/Al/Ni/Au. При этом термообработку необходимо проводить при температуре 850 С в течение 30 секунд.

Научной новизной результатов работ на данном этапе являются:

  • величина подвижности носителей заряда в 2DEG экспериментальных образцов гетероэпитаксиальных структур нитрида галлия и алюминия составила ~ 1780 см2/В×с и ~ 2420 см2/В×с для гетероструктур на подложках кремния и карбида кремния соответственно, что соответствуют лучшим мировым аналогам.
  • технология формирования омического контакта к соединениям на основе нитрида галлия, позволяет снизить величину удельного сопротивления контакта до значения 0,2 Ом×мм и менее, и величину удельного переходного сопротивления до значения 9.95×10-6 Ом×см2, что также соответствует лучшим мировым аналогам.

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

 

 

Информация о выполнении проекта
от 20.10.2014г. № 14.578.21.0062

 

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 20.10.2014г. № 14.578.21.0062 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:

  • проводились теоретические исследования в области влияния топологических параметров на рабочий диапазон частот СВЧ транзисторов и напряжение пробоя силовых транзисторов на основе нитрида галлия;
  • разрабатывалась лабораторная технологическая инструкция получения гетероэпитаксиальных структур нитрида галлия и алюминия на подложках кремния и карбида кремния с улучшенными электрофизическими свойствами;
  • разрабатывалась эскизная конструкторская документация на макеты СВЧ и силовых транзисторов на основе нитридов галлия и алюминия на подложках кремния и карбида кремния;
  • разрабатывалась лабораторная технологическая инструкция получения СВЧ и силовых транзисторов на основе нитридов галлия и алюминия на подложках кремния и карбида кремния;
  • проводились дополнительные патентные исследования.

 

При этом были получены следующие результаты

Разработана технология роста и синтезированы гетероэпитаксиальные структуры нитридов галлия и алюминия на подложках кремния и карбида кремния. Установлено, что величина подвижности носителей заряда 2DEG в них составила ~ 1780 см2/В×с и ~ 2420 см2/В×с соответственно. Разработана технология создания низкоомных омических контактов к структурам на основе AlGaN, позволяющая снизить величину удельного сопротивления контакта до значения 0,2 Ом×мм. Проведены теоретические исследования в области влияния топологии на основные параметры СВЧ и силовых транзисторов. Расчетное значение напряжения пробоя силовых транзисторов превысило 300В при расстоянии затвор-сток более 3 мкм. Для получения СВЧ транзисторов с коэффицентом усиления по мощности более 9дБ в диапазоне частот 8-10ГГц необходимо сформировать грибообразный затвор с длиной ножки 0,25 мкм и шириной шляпки 1 мкм, при этом расстояния исток-затвором и затвор-сток не должны превышать 1,5 мкм и 3 мкм соответственно.

 

Научной новизной результатов работ на данном этапе являются:

  • установленная теоретическим путем закономерность изменения напряжения пробоя нитридгаллиевых силовых транзисторов от расстояния между его контактами, а также размера полевой платы;
  • установленная теоретическим путем закономерность изменения частоты усиления по току и мощности нитридгаллиевых СВЧ транзисторов от расстояния между его контактами, а также геометрии грибообразного затвора.

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

 

 

Информация о выполнении проекта
от 20.10.2014г. № 14.578.21.0062

 

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 20.10.2014г. № 14.578.21.0062 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:

  • проводились экспериментальные исследования влияния конструкции буферных слоёв нитрида галлия и алюминия на подложках кремния и карбида кремния на электрофизические характеристики СВЧ и силовых транзисторов на их основе;
  • изучалось влияние конструкции широкозонного барьерного слоя на электрофизические характеристики СВЧ и силовых транзисторов на их основе;
  • проводилось исследование влияния топологических особенностей на свойства и характеристики СВЧ и силовых транзисторов на основе гетероэпитаксиальных структур нитридов галлия и алюминия;
  • изготавливались макеты СВЧ и силовых транзисторов на основе нитридов галлия и алюминия на подложках кремния и карбида кремния;
  • проводилось исследование основных параметров макетов СВЧ и силовых транзисторов в соответствии с разработанными программами и методиками;
  • разрабатывалась программа и методики исследований коэффициента усиления по току макетов СВЧ-транзисторов на основе гетероэпитаксиальных структур нитридов галлия и алюминия;
  • разрабатывалась программа и методики исследований максимальной частоты переключения макетов силовых транзисторов на основе гетероэпитаксиальных структур нитридов галлия и алюминия;
  • проводилось исследование коэффициента усиления по току макетов СВЧ-транзисторов на основе гетероэпитаксиальных структур нитридов галлия и алюминия в соответствии с разработанной программой и методикой;
  • проводилось исследование максимальной частоты переключения макетов силовых транзисторов на основе гетероэпитаксиальных структур нитридов галлия и алюминия в соответствии с разработанной программой и методикой.

 

При этом были получены следующие результаты

Проведены экспериментальные исследования влияния конструкции буферных слоёв и широкозонного барьерного слоя нитрида галлия и алюминия на подложках кремния и карбида кремния на электрофизические характеристики СВЧ и силовых транзисторов на их основе. Проведены исследования влияния топологических особенностей на свойства и характеристики СВЧ и силовых транзисторов. Установлено, что коэффициент усиления по мощности макетов СВЧ транзисторов в диапазоне рабочих частот 8 – 10 ГГц составил более 9 дБ, КПД приборов превысил 40%. Установлено, что напряжение пробоя силовых транзисторов составило значение 375 ± 45 В, при этом рабочий ток превысил 10 А.

Научной новизной результатов работ на данном этапе являются:

  • впервые показано, что на подложках карбида кремния лучшие параметры гетероэпитаксиальных структур достигаются за счет использования буферного слоя, включающего в себя зародышевый слой AlN и сверхрешётку из чередующихся слоёв AlN/GaN, а на подложках кремния – включающего в себя трёхслойную композицию с чередующимися слоями AlN/GaN/AlN;
  • показано, что преобладание доноров в буферном слое способствует повышению концентрации двумерного электронного газа и незначительному снижению их подвижности;
  • впервые установлено, что повышение концентрации акцепторов увеличивает локализацию двумерного электронного газа, которая играет более существенную роль в улучшении параметров транзисторов;
  • впервые установлено, что легирование кремнием приводит к уменьшению сжимающих напряжений в слоях AlхGa1-хN:Si, что необходимо учитывать при изготовлении транзисторов на основе гетероэпитаксиальных структур с легированным барьерным слоем;
  • впервые продемонстрированы гетероэпитасиальные структуры для нормально закрытых транзисторов на основе AlN/GaN со сверхтонким барьерным слоем.

 

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

 

 

Информация о выполнении проекта
от 20.10.2014г. № 14.578.21.0062

 

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 20.10.2014г. № 14.578.21.0062 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:

  • проводилась проверка соответствия результатов работ требованиям технического задания;
  • проводилась оценка эффективности результатов по изготовлению гетероэпитаксиальных структур нитридов галлия и алюминия на подложках кремния и карбида кремния в сравнении с современным научно-техническим уровнем;
  • проводилась оценка эффективности результатов по изготовлению СВЧ и силовых транзисторов на основе гетероэпитаксиальных структур нитридов галлия и алюминия в сравнении с современным научно-техническим уровнем;
  • проводилась технико-экономическая оценка рыночного потенциала полученных результатов;
  • разрабатывались рекомендации и предложения по использованию результатов проведенных работ;
  • разрабатывались технические требования и предложения по разработке, производству и эксплуатации продукции с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера - организации реального сектора экономики;
  • разрабатывался проект технического задания на проведение ОТР;
  • проводились дополнительные патентные исследования.

 

При этом были получены следующие результаты

Проведены экспериментальные исследования влияния конструкции буферных слоёв и широкозонного барьерного слоя нитрида галлия и алюминия на электрофизические характеристики СВЧ и силовых транзисторов на их основе. Установлено, что коэффициент КПД макетов СВЧ транзисторов превысил 40%, напряжение пробоя силовых транзисторов составило значение 375 ± 45 В. Показано, что использование кремния в качестве подложки для роста нитрид-галлиевых структур позволит более чем втрое снизить стоимость готовой продукции по сравнению с использованием карбида кремния. Установлено, что результаты работ полностью соответствуют требованиям технического задания. Разработан проект технического задания на ОТР.

Научной новизной результатов работ на данном этапе являются:

  • разработана тестовая структура для измерения удельного сопротивления омических контактов, включающая изолирующую подложку с полупроводниковой гетероструктурой, на которую нанесены не менее трех разнесенных между собой контактных площадок для измерения сопротивления омических контактов, позволяющая оценивать точность измерений в диапазонах менее 0,05 Ом*мм;
  • разработан технологический процесс синтеза нанопроволок нитрида алюминия на полупроводниковой подложке методом импульсного лазерного распыления керамической мишени стехиометрического состава с помощью эксимерного лазера KrF с длиной волны излучения 248 нм в вакууме при остаточном давлении 10-5 ÷ 10-6 Па, при длительности импульса 10 ÷ 50 нс, при частоте следования импульсов 15 ÷ 45 Гц в диапазоне температур подложки 700 ÷ 850 °С. Получаемые указанным способом нанопроволоки предназначены для улучшения рассеивания тепла гетероструктурами с целью повышения функциональных характеристик приборов на их основе.

 

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

 

90