Совершенствование технологии мощных транзисторов на широкозонных полупроводниках

Размещено на http://www.allbest.ru/

Статья по теме:

Совершенствование технологии мощных транзисторов на широкозонных полупроводниках

Рыбакова Анастасия Олеговна, магистрант Московский технологический университет

Аннотация

В статье описываются транзисторы и различные области их применения в современной электронике.

Ключевые слова: транзистор, мощность, электрон, оптика, СВЧ.

Abstract

транзистор электроника подложка себестоимость

The article describes the various transistors and their applications in modern electronics.

Keywords: transistor, power, electron, optics, microwave.

С возросшими объёмами и потребностями телекоммуникационных средств по передачи информации как проводным оптико-волоконным, так и беспроводным способом -- LТЕ, WiMax, для повышения качества и надёжности работы сетей связи требуется надёжная электроника. Развитие технологии изготовления радиодеталей позволило создать новые модификации транзисторов, работающие в сантиметровом и миллиметровом диапазоне. К примеру, работающие на нитриде галлия (GaN). "В первые транзисторы на гетероструктуре AlGaN/GaN и их возможности были продемонстрированы в различных странах в период с 1991 по 1994 гг. С появлением первых транзисторов GaN и усилителей мощности, сконструированных на их основе, запускаются программы двойного назначения (как гражданского, так и военного): в США -- WBGSTI; в Европе -- MARCOS, TIGER, KORRIGAN и в Японии -- NEDO"[9]. Компании производители электроники, выпускавшие транзисторы GaAs, стали переключатся на разработку и использование GaN транзисторов в электронных блоках. "И в 2006 году были выпущены коммерческие мощные GaN транзисторы с диапазоном частот в 2-4 ГГц и выходной мощностью в 5-50 Вт. Следом появились с мощностью от 120 до 180 Вт. Первыми компаниями выпустившими транзисторы GaN были компании Eudyna, Nitronex, Сree. В 2008 году появились коммерческие широкополосные усилители мощности до 6 ГГц, производства компании Cree. В 2009 году на рынке появился широкополосный усилитель с мощностью 10 Вт с частотой от 2 до 17 ГГц"[3]. "Гетероструктуры основанные на GaN обладают физическими свойствами с высокой мощностью и оптическими возможностями"[1]. "В транзисторах GaN осуществляется управление концентрацией двумерного газа носителей электронного заряда, что позволяет регулировать возможности транзистора. Транзисторы на нитриде галлия используются в активной зоне в лазерных диодах, и светодиодах с короткой длинной волн. Они обладают высокой мощностью и выдают высокое пробивное напряжение с барьерами Шоттки"[8]. Ведутся разработки в создании коротковолновых светодиодов ультрафиолетового, сине-зелёного и белого спектра электромагнитного излучения, основанных на люминифоруме полупроводниковых кристаллах. "В 1014 году за разработку светодиодов основанных на транзисторах GaN профессоры Исаму Акасаки и Хироси Амано из Университета г. Нагоя, расположенного в Японии и профессору Шуджи Накамура из Калифорнийского университета в США, была присуждена Нобелевская премия по физике"[7]. GaN транзисторы используются не только в оптической электронике, но и в СВЧ транзисторах. На основе GaN транзисторов были созданы интегральные схемы усиливающие мощность с высокой эффективностью при уменьшении габаритов и веса устройства использующихся в СВЧ оборудовании систем связи и радиолокации. Создание СВЧ транзисторов основанных на нитриде галлия стало возможно в результате разработки технологии основанной на травления щели в диэлектрике [8;6].

Данный метод позволил сократить расстояние между затвором и каналом, уменьшилось сопротивление в стоке и истоке в результате обеднения области затвор-исток и затвор-сток. Частично и даже полностью исчез переходный процесс при включении в результате более слабого воздействия ловушек расположенных в области затвор-сток, поскольку они были сдвинуты на безопасное расстояние. "Разработки в области создания новых материалов позволили создать GaN транзисторы, на основе которых были созданы интегральные микросхемы усиления мощности, превосходящие приблизительно в 10 раз по своим габаритам электронное блоки, созданные на основе транзисторов из арсенида галлия GaAs. Промышленностью выпускаются усилители мощности с частотой до 100 ГГц. Компаниями HRL и QuinStar Technology разработано оборудование, для локаторов работающее на частоте 94 ГГц, с мощностью свыше 5Вт«[8]. АО «Микроволновые системы» выпускаются мощные широкополосные СВЧ-усилители, применяемые в радиолокационной технике, как военного, так и гражданского назначения. "Усилителей мощности в диапазоне о т 1-18 ГГц, с мощностью 100 -- 160 Вт для комплексов радиолокационной борьбы (РЭБ). Также выпускает малошумные широкополосные СВЧ-усилители"[1].

Обладая несомненными преимуществами, транзисторы на широкозонных полупроводниках имеют недостатки, такие как низкое быстродействие и нелинейность амплитудно-частотных характеристик. Данные недостатки широкозонных транзисторов GaN компенсируются полевыми транзисторами на основе арсенида галлия, были разработаны в АО «НПП «Исток» им. Шокина"[4]. Данные транзисторы сконструированы с последовательно расположенной подложкой состоящей из буферного и легированного слоёв. Также имеет по одному легированному и нелегированному проводящему слою в которых расположены широкозонные полупроводники и один нелегированный слой узкозонного полупроводника. Преимущество транзисторов на основе арсенида галлия в том, что у них легированные слои и создаются квантовой ямы, залитые электронами, которые выдают высокие и резкие потенциальные барьеры, в результате чего повышается быстродействие. Поскольку для возрастания выходной мощности СВЧ у DpHEMT и pHEMT транзисторов необходимо минимальное сопротивление канала BAX выходов. Для эффективной работы необходимо, чтобы на выходе транзистор выдал более 1 Вт/мм. Поперечный перенос электронов из InGaAs канала происходит из-за их разогрева в электрополе, и они заполняют слои AlGaAs вблизи доноров вследствие чего горячие электроны становятся менее подвижными, что снижает выходную мощность транзистора. Разрыв дна зоны проводимости на гетерогранице в AlGaAs и InGaAs составляет около 0,3 эВ. Такого потенциала в InGaAs-канала не хватит для локализации в нем электроном из-за их сильного разогрева. С увеличением легирования транзисторов, также происходит поперечный перенос электронов из канала InGaAs в результате заполнения электронами в AlGaAs слои. Высокий уровень легирования отрицательно сказывается на выходной мощности транзистора. Добавление барьеров, позволяет локализовать горячие электроны в InGaAs канале, при этом в AlGaAs слоях количество электронов падает, то есть поперечный перенос электронов уменьшается. Ещё нет технологии промышленного производства барьеров с высоким более 0,5 эВ разрывом зоны проводимости, для локализации горячих электронов. Промышленностью выпускаются транзисторы с локализующими барьерами донорно-акцепторным легированием широкозонных слоёв. Локализующие барьеры создаются в результате воздействия встроенных полей зарядов доноров и акцепторов в AlxGa1-xAs слоях, при использовании технологии дельта-легировании. Данный способ позволяет максимально возможно локализовать горячие электроны в InGaAs канале. Транзисторы, созданные по данной технологии, имеют название -- (DA)-DpHEMT. "У таких мощных транзисторов меньше рассевание горячих электронов в результате уменьшения толщины широкозонного слоя. Меньше квадрат волновой функции электронов возле барьеров, усилен эффект квантования. Выше плотность электронов из-за более глубокой квантовой ямы. Меньше перенос электронов от затвора в канал. Улучшенное управление током стока при прямом смещении контакта Шоттки, за счёт меньшей поверхностной плотности горячих электронов в широкозонных слоях.

Увеличение плотности электронов в InGaAs канале вызванных локализацией барьеров позволило транзисторам при частоте в 10 ГГц выдавать выходную мощность более 1,8 Вт/мм, 9,8 дБ, на 50% меньше выходной мощности при длине затвора в 0,5 мкм. Транзисторы (DA)-DpHEMT обладают большой выходной мощностью при высокой линейности амплитудно-частотной характеристики. Оптимальное соотношение слоёв в транзисторе дало выходную мощность более 1,5 Вт/мм, 12,5 дБ и на 60% меньше выходной мощности при длине затвора в 0,3 мкм"[2]. До этих изобретений применение полевого электрода в транзисторах Х-диапазона было неэффективно из-за сильного падения коэффициента усиления. "Разработанные в последние годы легированные транзисторы в мм-диапазоне позволили повысить выходную мощность до 6 Вт/мм за счёт использования полевого электрода, GaN транзисторы с частотой 40 ГГц«[5].

Мощные полупроводниковые усилители были, сконструированы на основе транзисторов с гетероструктурой AlGaN/GaN, за счёт их свойств в широкозонных полупроводниковых соединениях и использования нитрида гелия, вместо арсенида галлия GaAs, основываясь на разработках последних лет, которые доказали перспективность гетероструктур GaN в электронике и оптоэлектронике. Достигнуты высокие технические показатели в светодиодных и СВЧтранзисторах. Разработки в области микроэлектроники расширяют область применения GaN транзисторов в миллиметровом и субмиллиметровом диапазоне. Усовершенствование технологии выращивания кристаллов и подложек снизит себестоимость транзисторов. Совершенствование производства подложки для транзисторов позволило достичь высоких показателей гетероструктур на основе GaN.

Источники

1. В.М. Лукашин, А.Б. Пашковский, В.Г. Лапин, С.В. Щербаков, К.С. Журавлев, А.И. Торопов, А.А. Капралова «Управление положением оптимальной рабочей точки мощного гетероструктурного полевого транзистора путём формирования подзатворного потенциального барьера на основе донорноакцепторной структуры» // Письма в ЖТФ, 2015, том 41, вып. 3, c. 81 -- 87.

2. Свч электроника в системах радиолокации и связи. Техническая энциклопедия. Белоус А.И., Мерданов М. К., Шведов С.В. Книга 2 с 736.

3. Патент РФ на полезную модель № 80069 по заявке № 2008133793. Электронный ресурс доступа: http://www.freepm.ru/Models/80069

4. Патент РФ № 2463685 по заявке № 2011123071. Электронный ресурс доступа: http://www.freepatent.ru/patents/2463685

5. Патент № 2316845. Электронный ресурс доступа: http://www.freepatent.ru/patents/2316845

6. Туркин А.Н., Юнович А.Э. Лауреаты Нобелевской Премии 2014 года: по физике -- И. Акасаки, Х. Амано, С. Накамура. Природа. 2015. № 1. С. 75-81.

7. Фёдоров Ю. Широкозонные гетероструктуры (Al,Ga,In)N и приборы на их основе для миллиметрового диапазона длин волн. Электроника НТБ. 2011. № 2. С. 92-107.

8. Chen T. et al. X-Band 11W AlGaN/GaN HEMT Power MMICs // EwMIC Conference Proceedings. -- 2007. -- P. 162-164

9. F.Medidoub, B.Grimbert et al. Record combination of power-gain frequency and three-terminal breakdown voltage for GaN-on-Silicon devices //Appl.Phys.Express, 6 (2013) 044001.

Размещено на Allbest.ru