Тороид. Производство электротехнической продукции
(49831) 4-66-21
(925) 790-73-23
toroid2011@mail.ru

Главная Продукция и услуги Статьи Полезная информация Сертификаты Награды Отзывы Контакты

Продукция и услуги

Васильев А.Г, Колковский Ю.В., Концевой Ю.А.
СВЧ транзисторы на широкозонных полупроводника

Учебное пособие

Рекомендовано Учебно-методическим объединением вузов РФ по образованию в области радиотехники, электроники, биомедицинской техники и автоматизации в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 210100 «Электроника и наноэлектроника»

ТЕХНОСФЕРА
Москва 2011

Васильев А.Г, Колковский Ю.В., Концевой Ю.А. СВЧ транзисторы на широкозонных полупроводника. Учебное пособие. Москва. Техносфера, 2011 - 256 с.

Книга представляет собой учебное пособие по физическим основам и технологии транзисторов на широкозонных полупроводниках. Рассмотрены свойства двумерного электронного газа и физика гетеропереходов, в основном типа AlGaN/GaN. Дан обзор структур транзисторов на основе широкозонного полупроводника GaN. Рассмотрены структуры транзисторов на алмазе и карбиде кремния. Рассмотрены свойства подложек из сапфира, карбида кремния и других материалов. применяющихся для создания гетерострукгур. Детально проанализированы методы изготовления гетеропереходов при использовании эпитаксии из металло-органических соединений и молекулярно-лучевой эпитаксии. Рассмотрены требования к омическим контактам и барьерам Шоттки, при использовании которых создают гетероэпитаксиальные полевые транзисторы с высокой подвижностью электронов в канале (НЕМТ). Рассмотрена технология транзисторов на алмазе. Дан детальный обзор методов контроля технологических процессов, применяющихся при изготовлении транзисторов. Рассмотрены методы измерения основных параметров СВЧ транзисторов и методы контроля надежности транзисторов.

Книга предназначена для студентов, обучающихся по профилю 210100 «Электроника и наноэлектроника». Книга будет полезна также магистрам, аспирантам, инженерам и научным работникам, специализирующимся в области разработки и применения изделий твердотельной электроники.

Компьютерная верстка - А.В. Бурага
Корректор - М.Г. Емельянова
Дизайн - M.B. Лисусина
Выпускающий редактор - О.Н. Кулешова
Ответственный за выпуск - О.А. Казанцева

© ФГУП НПП «Пульсар», 2011
© 2011, ЗАО «РИЦ «Техносфера», оригинал-макет, оформление.

Содержание книги
СВЧ транзисторы на широкозонных полупроводника

ВВЕДЕНИЕ
Литература

ГЛАВА 1. СВОЙСТВА ШИРОКОЗОННЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ И ГЕТЕРОСТРУКТУР
1.1. Основные параметры широкозонных полупроводниковых материалов и гетероструктур
1.2. Полупроводниковые материалы для гетеропереходов
1.3. Плотность состояний в объемных (3D) материалах и в тонких пленках (в 2D-системах)
1.4. Транспортные явления в широкозонных полупроводниках
Контрольные вопросы
Литература

ГЛАВА 2. СВЧ ТРАНЗИСТОРЫ НА ШИРОКОЗОННЫХ МАТЕРИАЛАХ И ГЕТЕРОСТРУКТУРАХ
2.1. Зонная диаграмма гетеропереходов
2.2. СтруктурыСВЧ НЕМТ на основе AlGaN/GaN
2.3. Гетеробиполярные транзисторы на основе соединений Gal-X AlXAs/GaAs
2.4. Биполярные гетеротранзисторы на основе нитридов III группы
2.5. СВЧ транзисторы на алмазе
2.5.1. Приборы с 5-легированным бором каналом
2.5.2. Приборы с поверхностью, обработанной плазмой водорода
2.6. Транзисторы на SiC
2.6.1. Ключевые MOSFET на карбиде кремния
2.6.2. Приборы на основе карбида кремния для жестких условий эксплуатации
2.6.3. Бескорпусные SiC СВЧ MESFET транзисторы
Контрольные вопросы
Литература

ГЛАВА 3. ТЕХНОЛОГИЯ НЕМТ НА ОСНОВЕ GAN
3.1. Подложки для GaN-гетероэпитаксиальных структур, и основные требования к их параметрам
3.1.1. Карбид кремния (SiC)
3.1.2. Сапфир
3.1.3. Подложки на основе кремния, монокристаллов GaN HAIN
3.2. Ктероэпитаксия GaN и AlGaN методом газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений (МОС-гидридная элитаксия - MOCVD)
3.2.1. Физико-химические основы MOCVD
3.2.2. Влияние условий роста на структуру и морфологию слоев
3.2.3. Аппаратура для эпитаксии слоев и методика эпитаксиального выращивания пленок
3.2.4. Методика эпитаксиального выращивания слоев GaN или A1N
3.3. Метод молекулярно-лучевой эпитаксии
3.3.1. Основные элементы аппаратуры
3.3.2. Молекулярные источники
3.3.3. Нитридизация сапфировых подложек
3.3.4. Исследование условий роста изолирующих буферных слоев GaN
3.4. Омические контакты НЕМТ на основе GaN
3.5. Затворы полевых НЕМТ барьеры Шоттки
3.6. Изоляция поверхности
3.7. Типичные технологические маршруты
3.8. Технология создания InAlN/GaN НЕМТ
3.9. Особенности литографических процессов
Контрольные вопросы
Литература

ГЛАВА 4. МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ИСХОДНЫХ СТРУКТУР И GAN ПРИБОРОВ В ПРОЦЕССЕ РАЗРАБОТКИ И ПРОИЗВОДСТВА
4.1. Оптические методы контроля
4.1.1. Традиционная оптическая микроскопия
4.1.2. Методы, основанные на явлении рассеяния света на неровностях поверхности
4.1.3. Фотолюминесцентные методы
4.1.4. Измерение спектров комбинационного рассеяния света
4.1.5. Контроль оптического отражения in situ для исследования процессов роста Ш-нитридов в MOCVD - аппаратуре
4.2. Рентгеновские методы контроля
4.2.1. Рентгеновская многокристальная дифрактометрия
4.2.2. Использование аппаратуры с линзами Кумахова
4.2.3. Построение карт распределения величин FWHM по площади подложек с гетероструктурами AlGaN/GaN
4.2.4. Метод использования малоуглового падения рентгеновского луча на исследуемую поверхность
4.2.5. Метод контроля рассеяния рентгеновских лучей в условиях полного внешнего отражения без соблюдения условия брэгговской дифракции
4.2.6. Метод рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (электронная спектроскопия для химического анализа (ЭСХА)
4.3. Электронно-микроскопические методы исследования структурного совершенства широкозонных полупроводников и гетероструктур
4.3.1. Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ)
4.3.2. Просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения (ВРЭМ)
4.3.3. Растровая электронная микроскопия (РЭМ), и рентгеновский микроанализ
4.4. Дифракция электронов
4.4.1. Дифракции медленных электронов
4.4.2. Дифракция быстрых электронов на отражение
4.5. Атомно-силовая микроскопия
4.6. Электрические методы контроля параметров гетероструктур
4.6.1. Определение удельного сопротивления, концентрации и подвижности
4.6.2. Эффект Холла в неоднородных материалах и структурах
4.6.3. Измерение вольт-фарадных характеристик (ВФХ) барьеров Шоттки
4.7. Прочие методы контроля
4.7.1. Масс-спектрометрия
4.7.2. Вторично-ионная масс-спектроскопия
4.7.3. Измерение катодолюмипесцентных
4.7.4. Исследование подложек и гетероэпитаксиальных структур в поляризованном свете
4.8. Система параметров и методы контроля подложек и гетероэпитаксиальньга структур
4.8.1. Система параметров и методы контроля подложек
4.8.2. Система параметров и методы контроля гетероэпитаксиальных структур
4.9. Пооперационные методы контроля параметров структур GaN НЕМГ в процессе производства
4.9.1. Методы контроля качества фотолитографических процессов
4.9.2. Методы контроля качества омических контактов и барьеров Шоттки
4.10. Контроль сопротивления омических контактов и качества диэлектрических слоев
4.10.1. TLM- метод
4.10.2. Методы контроля качества диэлектрических слоев
Контрольные вопросы
Литература

ГЛАВА 5. КОНТРОЛЬ ПАРАМЕТРОВ И НАДЕЖНОСТИ GAN СВЧ ТРАНЗИСТОРОВ
5.1. Методы контроля основных параметров GaN СВЧ транзисторов
5.1.1. Метод измерения крутизны
5.1.2. Метод измерения порогового напряжения и напряжения отсечки
5.1.3. Методы измерения начального тока стока
5.1.4. Методика измерения выходной мощности, коэффициента усиления и КПД
5.1.5. Методика измерения коэффициента шума
5.2. Проблемы надежности GaN транзисторов и методы испытаний на надежность
5.2.1. Основные механизмы ненадежности НЕМТ
5.2.2. Деградация параметров GaN НЕМТ и «коллапс» тока
5.2.3. Ускоренные и особые испытания на надежность
5.3. Параметры СВЧ транзисторовна широкозонных материалах
Контрольные вопросы

Литература
ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Экстремальные требования, предъявляемые к электронной компонентной базе в современных радиоэлектронных системах, требуют создания специальных СВЧ приборов, интегрированных в аппаратуру, и схемотехнических решений, оптимизирующих их использование. Важнейшее значение при этом имеет выбор полупроводникового материала, на котором реализуются СВЧ приборы.

Внедрение СВЧ приборов на новых широкозонных полупроводниковых материалах (нитрид галлия, карбид кремния, алмаз и др.) позволит существенно повысить уровеньизлучаемой мощности во всех частотных диапазонах и расширить диапазон рабочих частот радиоэлектронных системдо КВЧ и ГВЧ [1].

В литературе имеется целый ряд книг и учебников, посвященных, в частности, физике и технологии транзисторов на кремнии и арсениде галлия, а также - широкозонным полупроводникам [2—4].

Мощные высокотемпературные и радиационностойкие СВЧ транзисторы на широкозонных гетероструктурах нитрида галлия уже сейчас позволяют создавать новейшие перспективные радиоэлектронные системы гражданского и специального назначения. СВЧ транзисторы на нитриде галлия позволяют устранить основную причину, сдерживающую создание твердотельных радиолокационных станций в диапазоне частот 4—18 ГГц, а именно: недостаточный уровень выходной мощности СВЧ транзисторов на основе арсенида галлия [1].

В настоящее время большое число ученых и научных групп в разных странах занято решением проблем создания приборов на широкозонных полупроводниках. К 2011 году опубликовано несколько тысяч научных статей и обзоров, среди которых следует, прежде всего, отметить достаточно обстоятельный обзор на английском языке [5] и на русском языке — обзоры [6-11].

Следует отметить, что в области СВЧ техники наша страна всегда занимала ведущие позиции. Авторы надеются, что эта книга поможет пробудить интерес студентов ВУЗов к специализации в области твердотельной СВЧ электроники на широкозонных полупроводниках.

В первой главе настоящей книги рассмотрены параметры широкозонных полупроводников, физика двумерного газа и транспортные явления в гетеропереходах.

Во второй главе рассмотрены физика гетеропереходов на широкозонных полупроводниках и структуры транзисторов на основе GaN, алмаза и карбида кремния.

В третьей главе рассмотрена технология создания GaN СВЧ транзисторов.

В четвертой главе рассмотрены методы контроля параметров GaN СВЧ приборов на стадии их разработки и производства [11-13].

В пятой главе рассмотрены методы контроля параметров и проблемы надежности СВЧ транзисторов на широкозонных полупроводниках.

При написании этого учебного пособия использован опыт чтения лекций авторами книги на факультете электроники МИРЭА для студентов различных специальностей, в частности для студентов базовой кафедры «Твердотельная электроника» при ФГУП «НПП «Пульсар».

В книге также использован опыт разработки СВЧ транзисторов на широкозонных полупроводниках, накопленный в течение последнего десятилетия в ФГУП «НПП «Пульсар».

Авторы выражают благодарность сотрудникам ФГУП «НПП «Пульсар», а также рецензентам профессору Таирову Ю.М. и профессору Тришенкову МА, замечания которых способствовали улучшению содержания настоящей книги.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данном учебном пособии рассмотрены физические явления в СВЧ транзисторах на широкозонных полупроводниках и основные технологические процессы их создания.

Преимущества СВЧ приборов (транзисторов и монолитных интегральных схем) на широкозонных материалах с точки зрения их применения в современных радиоэлектронных системах позволяют определить технологию их создания как прорывное направление развития СВЧ электроники, которое будет определять облик информационных и коммуникационных систем будущего.

Материалы этой книги в значительной степени основаны на опыте разработок СВЧ приборов на широкозонных полупроводниках, накопленном в течение последнего десятилетия в ФГУП «НПП «Пульсар».

Этот опыт показывает, что для расширения возможностей СВЧ радиоэлектронных средств, использующих СВЧ приборы на широкозонных полупроводниках, необходима дальнейшая интеграция, связанная с разработкой и производством апемент-ной базы нового поколения - СВЧ модулей класса «система в корпусе». Это определяет необходимость комплексного, сквозного подхода к созданию составных частей аппаратуры, при котором разработка и производство СВЧ приборов и модулей на их основе синхронизируются во времени и проводятся в едином технологическом цикле. Такой подход позволяет не только гибко адаптировать требования по максимальному обеспечению необходимых тактико-технических характеристик приемопередающих модулей, усилителей мощности, передатчиков, но и практически в два-три раза сократить сроки разработок.

Мы считаем, что развитие новых методов и подходов к созданию твердотельных СВЧ транзисторов на широкозонных полупроводниках будет способствовать созданию нового поколения СВЧ радиоэлектронных систем с рекордными характеристиками, практически, во всех частотных диапазонах.

Авторы надеются, что интерес к этой области техники студентов ВУЗов, молодых бакалавров, инженеров, магистров и ученых позволит современной России на равных с другими странами участвовать в реализации рассмотренного инновационного направления.

Сведения об авторах

ВАСИЛЬЕВ Андрей Георгиевич - специалист в области физики и технологии микро- и наноэлектроники. Доктор физико-математических наук. Профессор. Генеральный директор ФГУП «НПП «Пульсар», Москва. Возглавляет комплекс работ по созданию СВЧ твердотельной элементной базы на традиционных и новых широкозонных материалах, работы по созданию сложных функциональных блоков для радиолокационных систем и систем связи. Заведующий базовой кафедрой «Твердотельная электроника» МИРЭА при ФГУП «НПП «Пульсар».

КОЛКОВСКИИ Юрий Владимирович — специалист в области твердотельной СВЧ электроники по созданию стабильных СВЧ генераторов и СВЧ приемных устройств. Доктор технических наук. Доцент. Заместитель генерального директора ФГУП «НПП «Пульсар» по научной работе. Доцент базовой кафедры «Твердотельная электроника» МИРЭА при ФГУП «НПП «Пульсар».

КОНЦЕВОЙ Юлий Абрамович - специалист по разработке методов контроля и исследованию свойств полупроводниковых (в том числе широкозонных) материалов и структур, а также методов контроля технологии производства полупроводниковых приборов. Доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник ФГУП «НПП «Пульсар». Профессор базовой кафедры «Твердотельная электроника» МИРЭА при ФГУП «НПП «Пульсар».

Литература

1. Васильев АХ, Кодковский Ю.В., Концевой Ю.А. СВЧ приборы и устройства на широкозонных полупроводниках. М.: ТЕХНОСФЕРА. 2011.416 с. ил.
2. Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы. Учебник для вузов по спец. «Полупроводники и диэлектрики» и «Полупроводниковые и микрозлектронные приборы» - 4-е изд., перераб. и доп. М.: Высшая школа.,1987. - 470 с. ил.
3. Таиров Ю.М., Цветков В.Ф. Технология полупроводниковых и диэлектрических приборов. 3-е изд. СПб.: Лань, 2002.-424 с. ил
4. Таиров Ю.М. Технология полупроводниковых и диэлектрических материалов. 2-е изд., перер. и доп. - М.: Высш. шк., 1990-423 с.
5. Quay R. Gallium Nitride Electronics. — Freiburg Springerlag:-2008.-469 p.
6. Ковалев А.Н. Изв. Вузов. Материалы электронной техники. - №2. - С. 4-14 (2001).
7. Ковалев А.Н. Изв. Вузов. Материалы электронной техники. № 2. - С. 4-15 (2002)
8. Ковалев А.Н. Изв. Вузов. Материалы электронной техники. -№ 2. - С. 4-13. (2005).
9. Ковалев А.Н. Изв. Вузов. Материалы электронной техники. - JSS2. - С. 4-17 (2007)
10. Ковалев АН. Изв. Вузов. Материалы электронной техники. - 2008.- № 2. - С. 4-21.
11. Батавин В.В., Концевой Ю.А., Федорович Ю.В.Измерение параметров полупроводниковых материалов и структур. М.: Радио и связь. 1985. - 264 с. ил.
12. Колковский Ю.В., Концевой Ю.А. Структурные и оптические методы контроля параметров материалов микроэлектроники. Методические указания по выполнению лабораторных работ. М.: МИРЭА, 2011. 52 с,
13. Колковский Ю.В., Концевой Ю.А.Электрические методы контроля параметров материалов и структур микроэлектроники. Методические указания по выполнению лабораторных работ. М.: МИРЭА, 2011.32 с, ил.

Скачать книгу СВЧ транзисторы на широкозонных полупроводника. Москва. ЗАО «РИЦ «Техносфера», 2011

143502 МО, г.Истра-2, ул. Заводская, 43А. Тел. (49631) 4-66-21. E-mail: toroid2011@mail.ru