Разработка мощных Gan транзисторов L-S-C диапазона

РАЗРАБОТКА МОЩНЫХ GaN ТРАНЗИСТОРОВ L-S-C ДИАПАЗОНА

1*, 1, 1, 1,
2, 2, 2

1 «Микран»»,Кирова пр-т, д.51а, стр.14, 634041,Томск

тел. [phone], e-mail: velikovskiy. *****@***com

2 ФТИ им. , Политехническая ул. 26, 194021,Санкт-Петербург.

Мощные нитрид-галлиевые СВЧ транзисторы являются важным элементом современных систем связи и радиолокации. Одной из наиболее массовых и востребованных областей для применения таких транзисторов являются устройства диапазона частот до 10 ГГц [1].

В работе представлены промежуточные результаты разработки мощных СВЧ транзисторов, проводимых в -производственная фирма «Микран»» совместно с ФТИ им. . Целью разработки было создание СВЧ транзисторов, изготовленных на подложках карбида кремния азиатского производства, и работающих в диапазоне 1.5-6 ГГц с основными параметрами, соответствующими промышленно выпускаемым в настоящее время зарубежным образцам (Pout≥30Вт, PAE≥50%).

К настоящему времени разработаны основные технологические блоки и получены опытные образцы транзисторов.

Транзисторная гетероструктура, полученная методом MOCVD, состояла из последовательно выращенных на подложке карбида кремния диаметром два дюйма нелегированных слоев AlGaN, GaN, AlGaN, AlN и GaN толщиной 250, 3000, 1, 25 и 2 нм, соответственно. Типичные значения Холловской концентрации и подвижности носителей в такой гетероструктуре составляли
1.3·1013 см-2 и 2100 см2/В·с соответственно.

Технологические блоки разрабатывалась на оборудовании, использующемся в производстве GaAs СВЧ МИС, что оказало влияние на выбор маршрута и режимов технологических операций. Для получения опытных образцов транзисторов были заимствованы некоторые технологические операции технологии «SWITCH PHEMT 0.5 мкм», в частности для формирования затвора использовались технология контактной DUV фотолитографии с минимальным размером 0.5 мкм. При формировании затвора сначала формировалась щель размером 0.5 мкм в резисте марки РММА, затем с помощью разработанного процесса плазменного травления SiN через маску PMMA формировалась нижняя часть затвора. В ходе последующей фотолитографии верхней части затвора и напылении металлизации Pt/Ti/Au формировался Г-образный затвор транзистора.

Для формирования омических контактов использовалась металлизация Ti/Al/Mo/Au общей толщиной 135 нм [2]. Использование контактной фотолитографии в изготовлении затвора стало возможным, благодаря отсутствию грубого рельефа, ровному краю и небольшой суммарной толщине металлизации омического контакта. Приведенное контактное сопротивление составляло 0.3ч0.8 Ом·мм, разброс значений вызван низкой однородностью и неоптимальным режимом нагрева  в процессе отжига контактов.

Периферия затвора изготавливаемых транзисторов составляла 7.5ч10.5 мм. Образцы транзисторов имели максимальный ток 0.9ч1 А/мм, напряжение отсечки –4.5 В. После утонения пластины до толщины 100 мкм, осаждения металлизации на обратную сторону пластины и резки, проводились измерения СВЧ характеристик транзисторов на большом уровне сигнала методом согласованных нагрузок (load-pull измерения). Для проведения СВЧ измерений были отобраны транзисторы с наибольшими значениями напряжения пробоя. Отобранные для измерений транзисторы были смонтированы в специальную оснастку. Load-pull измерения проводились на частоте 2.5 ГГц в импульсном режиме с длительностью импульса 20 мкс и скважностью 50. Рабочее напряжение транзистора составляло 28В. Характеристики транзисторов представлены на рис.1.

Транзисторы продемонстрировали хороший потенциал по уровню выходной мощности: в зависимости от периферии затвора и выбора рабочей точки транзистора он был 25ч36 Вт при плотности мощности до 4 Вт/мм. Такие параметры позволяют рассчитывать, при дальнейшем совершенствовании конструкции и технологии, на получение СВЧ параметров на уровне современных зарубежных аналогов. Для этого необходимо увеличить усиление и КПД по добавленной мощности. Невысокий уровень усиления – результат влияния индуктивностей проволок, соединяющих истоки, стоки и затворы транзистора с платами оснастки для измерений. Отсутствие сквозных отверстий на данных транзисторах обусловило необходимость использования таких соединений для соединения истоковых площадок. Процесс травления таких отверстий разработан, и использование этой технологии должно позволить поднять усиление транзистора.

(a)	(b)
Рис.1. Внешний вид транзисторов в оснастке для СВЧ измерений (a). Динамические характеристики транзистора с периферией затвора 10.5 мм при импульсном СВЧ сигнале (F=2.5 ГГц, Vds=28 В, Vgs=-4 В, длительность импульса 20 мкс, скважность 50) (b).

Невысокие напряжения пробоя транзистора (менее 100В) также приводят к ухудшению характеристик транзистора. Дальнейшая работа по совершенствованию ростовой технологии, в сочетании с использованием в транзисторе дополнительного электрода (Field plate), должна позволить снизить токи утечки и повысить напряжение пробоя транзистора.

Исследованы и проанализированы частотные и мощностные характеристики транзисторов в зависимости от параметров эпитаксиальной структуры, топологии и размеров контактных областей.

Полученные результаты позволяют рассчитывать на успешную разработку промышленной технологии нитрид-галлиевых транзисторов.

[1] H. Guo, W. Tang, W. Zhou, C. Li. Applied Mechanics and Materials, 217, 2393 (2012).

[2] , . Доклады ТУСУРа, 33(3), 66 (2014).

DEVELOPMENT OF HIGH POWER L-S-C-BAND GAN TRANSISTORS

L. E. Velikovskiy*, P. E. Sim1, J. N.Polivanova1, D. A. Shishkin1, V. V. Lundin2,

Е. Е. Zavarin2, A. F. Tsatsulnikov 2.

1JSC «Research and production company «Micran»», Kirova ave., 51а/14, 634041, Tomsk

phone. [phone], e-mail: velikovskiy. *****@***com

2 Ioffe Institute, Politekhnicheskaya, 26, 194021, St. Petersburg.

High power L-S-C band GaN HEMTs development results were demonstrated. Heterostructures were grown on SiC substrates by MOCVD with Hall sheet density 1.1·1013 cm-2 and carrier mobility 2100 cm2/V·s. Demonstrated earlier [2], 135-nm thick Ti/Al/Mo/Au ohmic contact technology with smooth surface morphology were applied. 0.5um gate foot was defined by DUV contact photolithography, followed by ICPRIE of trench in SiN and Pt/Ti/Au Г-gate top fabrication. GaN HEMT with a total gate width of 7.5ч10.5 mm exhibited Idmax=0.9ч1 A/mm, Vth= - 4.5 V. Load-pull measurements demonstrated power density of up to 4 W/mm, gain of 10dB, output power of 25ч36 W and PAE of up to 43%. A shown result allows us to reach higher levels of gain and PAE by introducing via hole and field plate fabrication technologies in this process.