Разработка и создание новых СВЧ транзисторов с высокой удельной мощностью на основе нитрида галлия на подложках из поликристаллического алмаза для телекоммуникационных систем, систем связи и радиолокации

Соглашение от 28 ноября 2019 г. № 075-15-2019-1720 с Министерством науки и высшего образования Российской Федерации

Проект № 05.604.21.0214
Уникальный идентификатор прикладных научных исследований (проекта): RFMEFI60419X0214

Начало работ: 28.11.2019
Окончание работ: 30.09.2020 

Актуальность и основная идея проекта
Высокие темпы развития систем связи и передачи информации ставят перед современной микроэлектроникой все более сложные задачи, требующие разработки микроэлектронных компонент, сочетающих в себе высокие рабочие частоты и высокие удельные мощности выходного сигнала. Наиболее перспективными и широко исследуемыми материалами для данных применений являются нитриды металлов третьей группы и их твердые растворы.

Уникальные физические свойства данных материалов позволяют создавать на их основе сверхвысокочастотные (СВЧ) устройства, которые по совокупности рабочих частот и мощностей превосходят приборы на основе прочих полупроводниковых материалов. Повышение удельной мощности и КПД, а также надежности нитридных транзисторов в непрерывном режиме работы фактически ограничено возможностью отвода тепла от активной области транзистора. Таким образом, для нитридной СВЧ электроники сантиметрового диапазона наиболее существенной проблемой является обеспечение эффективного теплоотвода, который ограничивается теплопроводностью подложек, на которых выращиваются нитридные гетероструктуры. Данная проблема ограничивает эксплуатационные характеристики твердотельных СВЧ устройств. Особенно остро вопрос теплоотвода стоит для транзисторов на подложках кремния в связи с их низкой теплопроводностью.

Целью проекта является создание нового класса СВЧ компонентной электронной базы - транзисторов с высокой подвижностью электронов на основе нитридных гетероструктур на подложках поликристаллического алмаза. Данная продукция востребована для создания нового класса систем телекоммуникаций, систем связи и радиолокации, средств радиоэлектронной борьбы, нового поколения сотовой связи 5G, наземной, аэро- и космической связи.

Существующие подходы формирования теплоотвода и их недостатки
Традиционная технология формирования теплоотвода методом утонения подложки и посадки утоненного кристалла в корпус на эвтектические сплавы имеет свои ограничения:

• Утонение подложки до толщин менее 100 мкм приводит к резкому снижению выхода годных приборов;
• Для увеличения мощности дискретных транзисторов требуется разработка специальных «тепловых» дизайнов транзисторов, реализуемых за счет увеличения расстояния между активными областями транзистора, что является неэффективным с очки зрения использования площади гетероструктуры.

В настоящее время во всем мире, как научными группами, так и производственными компаниями ведется активная разработка различных способов формирования теплоотвода для СВЧ транзисторов на основе нитрида галлия из поликристаллического алмаза с высокой теплопроводностью. Разрабатываемые подходы по росту алмаза с одной из сторон гетероструктуры или локальному доращиванию алмаза в активных областях также имеют свои недостатки:

• Основным недостатком является деградация гетероструктуры в процессе формирования теплоотвода из алмаза при температурах около 1000оС в агрессивной для нитридных структур среде водорода.

Несмотря на активные разработки в данной области на данный момент не существует общепринятого подхода к формированию теплоотвода из поликристалического алмаза для нитридных гетероструктур.

Предлагаемое решение проблемы теплоотвода

В работе предлагается создание теплоотвода из поликристаллического алмаза для гетероструктур на основе нитрида галлия на подложках кремния. Уникальной особенностью предлагаемого подхода является формирование алмазного теплоотвода из синтетического алмаза до роста нитридной гетероструктуры и создания СВЧ транзисторов на их основе, что позволяет исключить ряд специфических проблем, связанных с деградацией электрофизических характеристик гетероструктуры и устройств на их основе при формировании теплоотвода на последних стадиях работ.

Основные этапы создания новых СВЧ транзисторов с высокой удельной мощностью на основе нитрида галлия на подложках из поликристаллического алмаза

Ключевые этапы создания новых СВЧ транзисторове  с высокой удельной мощностью на основе нитрида галлия на подложках из поликристаллического алмаза

1. Создание подложек из поликристаллического алмаза с высокой теплопроводностью с тонким слоем монокристаллического кремния (111), необходимого для последующего эпитаксиального роста гетероструктур.

Уникальной особенностью предлагаемого в проекте подхода является использование «кремния-на-изоляторе» в качестве основания для роста поликристаллического алмаза. Это позволяет получить подложки с тонким слоем кремния однородной толщины и гладкой поверхностью, что было бы не достижимо при использовании в качестве основания пластин монокристалла кремния с его последующим утонением стандартными методами. В то же время, это позволяет защитить сторону слоя кремния, используемого для эпитаксиального роста нитридной гетероструктуры, от повреждений в процессе роста теплоотвода из поликристаллического алмаза. В качестве «защитного слоя» выступает основание и диэлектрическая прослойка КНИ.

Для последующего роста нитридной гетероструктуры на тонком монокристаллическом слое кремния (111) необходимо удаление кремниевого основания и диэлектрической прослойки.

2. Рост нитридных гетероструктур на подложках поликристаллического алмаза с тонким слоем монокристаллического кремния (111), при этом формирование нитридной гетероструктуры происходит непосредственно на тонком слое кремния.

Рост нитридных гетероструктур на таком типе подложек представляет собой сложную научно-технологическую задачу из-за большой разницы в коэффициентах температурного расширения подложки и растущей пленки, приводящей к возникновению растягивающих напряжений с последующим растрескиванием нитридной гетероструктуры при охлаждении. Получение нитридной гетероструктуры приборного качества возможно благодаря подбору специфической конструкции слоев, обеспечивающей накопление сжимающих напряжений в процессе роста и компенсацию растягивающих напряжений при охлаждении.

3. Разработка и создание транзисторов с высокой подвижностью электронов на нитридных гетероструктурах с двумерным электронным газом на подложках кремния с теплоотводом из поликристаллического алмаза.

Основным фактором, ограничивающими удельную мощность нитридных транзисторов является тепловыделение в активной области транзистора, приводящее к снижению мощности и срока службы устройства. С учетом использования в проекте нового подхода для отвода тепла, разработка специальных подходов и методов формирования отдельных узлов транзистора с высокой подвижностью электронов становится не менее важной научно-технической задачей для реализации цели проекта.