СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №4/2015

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 28 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 4 2015 Развитие технологии нитрида галлия и перспективы его применения в СВЧ-электронике В настоящее время структуры на основе нитрида галлия и его твёрдых растворов широко применяются в оптоэлектронике и силовой электронике, однако уникальные свойства этого материала позволяют с успехом использовать его и в других областях. В статье рассматриваются последние достижения в технологии создания СВЧ-транзисторов на основе нитрида галлия и описываются перспективы применения этого материала в СВЧ-электронике. Александр Балакирев, Андрей Туркин (Москва) В ВЕДЕНИЕ Нитрид галлия (GaN) давно интере- сует исследователей и разработчиков полупроводниковых приборов. Гетеро- структуры GaN и его твёрдых растворов обладают физическими свойствами, которые обеспечивают электронным приборам, созданным на их основе, оптические, мощностные и частотные характеристики, позволяющие приме- нять их в разных областях полупровод- никовой электроники. Структуры на основе полупроводни- ковых нитридов (GaN, AlN) и некото- рые соединения типа AlGaN и InGaN уже около 20 лет рассматриваются как пер- спективные материалы для электрон- ной и оптоэлектронной техники [1–3]. В этих материалах имеется возмож- ность управлять концентрацией дву- мерного газа носителей, что позволя- ет оптимизировать их свойства под кон- кретные применения [4]. Структуры на основе GaNможно использовать в каче- стве активных сред в лазерных диодах и светодиодах в области коротких длин волн. С их помощью можно получать структуры с барьерамиШоттки для при- боров силовой электроники. Одним из направлений исследова- ний этих материалов является создание светодиодов коротковолновой (сине- зелёной) области видимого спектра и ближней ультрафиолетовой обла- сти спектра, а также светодиодов бело- го цвета свечения на основе системы «кристалл-люминофор» (полупровод- никовый кристалл, покрытый люми- нофором). Именно за создание ярких синих светодиодов на основе гетеро- структур GaN и его твёрдых растворов, а также белых светодиодов, профессо- рам Исаму Акасаки и Хироси Амано из Университета г. Нагоя (Япония) и про- фессору Шуджи Накамура из Универ- ситета Калифорнии (США) была при- суждена Нобелевская премия по физи- ке 2014 г. [5]. Однако следует отметить, что GaN является перспективным материалом не только для оптоэлектроники в целом и светодиодных структур в частности. На его основе успешно развиваются и другие направления современной электроники, в том числе создание СВЧ-транзисторов. Транзисторы на основе GaN-гете- роструктур перспективны для приме- нения в передающих СВЧ-устройствах. Основное преимущество СВЧ-тран- зисторов на основе GaN – высокая удельная мощность, что позволяет существенно упростить топологию интегральных схем усилителя мощно- сти, повысить эффективность, умень- шить массу и улучшить габаритные параметры. Развитие технологии на основе GaN в последние несколько лет привело к существенным практи- ческим результатам и освоению в про- мышленном производстве мощных СВЧ-транзисторов и монолитных инте- гральных схем [6]. О ПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ СОЗДАНИЯ G A N- СТРУКТУР ДЛЯ СВЧ- ТРАНЗИСТОРОВ Улучшение характеристик структур на основе GaN, применяемых для созда- ния СВЧ-транзисторов, стало возмож- ным благодаря разработке новых тех- нологических приёмов. Одним из таких методов является технология углубления подзатворной области путём плазмохимического травления, которое обычно совмеща- ется с процессом травления щели в ди- электрике [4]. В результате происходит улучшение многих параметров. Напри- мер, увеличение крутизны транзистора из-за уменьшения расстояния затвор– канал, снижение сопротивления исто- ка и стока из-за отсутствия обеднения областей затвор–исток и затвор–сток транзистора, уменьшение или даже устранение переходных процессов при включении транзистора из-за уменьше- ния влияния ловушек в области затвор- сток, так как поверхность, на которой они находятся, может быть отодвину- та на безопасное расстояние. В связи с этим технологи предлагают выращи- вать пассивирующий слой диэлектрика непосредственно после выращивания всех слоёв гетероструктуры [4]. Кроме того, в последние годы раз- вернулись исследования, направлен- ные на поиск новых пассивирующих материалов для транзисторных гетеро- структур на основе GaN и его твёрдых растворов. Применение новых мате- риалов позволяет увеличить более чем в два раза импульсный ток транзисто- ра и его крутизну, а также значитель- но уменьшить времена включения за счёт компенсации поверхностных состояний [4, 7]. Исследователи и разработчики из Cree, TriQuint, Northrop Grumman и дру- гих компаний достигли высоких частот- ных характеристик транзисторных структур, которые стали основой для разработки и создания эффективных интегральных схем усилителей мощно- сти, работающих в разных диапазонах. Эти микросхемы более чем в 10 раз пре- восходят интегральные схемы на осно- ве арсенида галлия (GaAs) по массогаба- ритным параметрам [4]. Упомянутыми производителями уже освоен массовый выпуск усилителей мощности на осно- ве GaN-гетероструктур с частотами до 100 ГГц, а компания QuinStar Technology совместно с HRL разрабатывает приёмо- передающие модули для радиолокато- ров диапазона 94 ГГц с выходной мощ- ностью более 5 Вт [4]. Таким образом, за последние не- сколько лет были решены ключевые © СТА-ПРЕСС