«Создание прорывных технологий

молекулярно-пучковой эпитаксии

гетероструктур на основе GaN с двумерным

электронным газом, разработка и

изготовление на их основе нового поколения

транзисторов силовой электроники»

Целью работы является разработка технологии формирования силовых транзисторов на основе GaN с применением новых прорывных технологий молекулярно-пучковой эпитаксии и дизайна гетероструктур с высокой подвижностью электронов для создания нового поколения силовых транзисторов (HEMT).

При выполнении мероприятия решались следующие основные задачи:

- разработка методов химической очистки и подготовки поверхности гетероструктур, а также исследование влияния предварительной обработки поверхности гетероструктур на характеристики омических контактов;

- разработка методов травления окон в гетероструктуре AlGaN для локальной эпитаксии контактных слоев GaN:Si и методов формирования низкоомных омических контактов силового транзистора на слоях GaN:Si, полученных локальной эпитаксией;

- разработка методов создания затвора силовых транзисторов на гетероструктурах на основе GaN;

- разработка методов пассивации поверхности и изоляция транзистора с целью улучшения динамических характеристик и напряжения пробоя силового транзистора, уменьшения токов утечки;

- разработка эскизной и рабочей конструкторской и технологической документации, создание экспериментальных и опытных образцов, проведение их испытаний.

​

Краткая характеристика работы

Почему GaN?

Уникальные свойства GaN, такие как большая ширина запрещенной зоны, высокая электрическая прочность, высокая скорость насыщения электронов, обуславливают перспективы его применения в следующем поколении электроники.

Эти свойства позволяют создавать на гетероструктурах на основе GaN устройства с большими чем у кремния пробивными напряжениями, частотами и рабочими температурами.

Одно из самых перспективных свойств GaN с точки зрения создания мощных приборов для силовой электроники – возможность формирования AlGaN/GaN гетероструктурных полевых транзисторов с малым сопротивлением в открытом состоянии (R_dsON).

​

GaN HEMT, основные преимущества

HEMT – High Electron Mobility Transistor или Транзистор с Высокой Подвижностью Электронов (ТВПЭ) – полевой транзистор в котором для создания канала используется контакт двух полупроводниковых материалов с различной шириной запрещенной зоны (вместо легированной области как у обычных МОП-транзисторов). Такой канал называют 2DEG – Two-Dimensional Electron Gas или двумерный электронный газ.

Основными преимуществами данного типа приборов (по сравнению с кремниевыми аналогами) являются:

- более высокие пробивные (блокирующие) напряжения (Vds);

- меньшее значение сопротивления в открытом состоянии (R_dsON);

- меньше общий заряд затвора (Qg) и заряд затвора относительно стока (Qgd), требуемые для переключения транзистора (т.е. выше скорость переключения и меньше потери);

- возможность создавать гетероструктуры с высокими значениям подвижности и концентрации основных носителей заряда в канале (2DEG).

​

- выше КПД;

- возможность работы на более высоких температурах;

- радиационная стойкость

и потенциально :

- более высокие показатели качества и надежности;

- меньше стоимость.

�

1. Меза-изоляция

2. Маска под омические контакты истока/стока

3. Напыление металлизации омических контактов

4. Lift-off ф/л и быстрый термический отжиг омических контактов

Основные этапы разработанного маршрута изготовления HEMT

�

5. Маска под затвор

6. Напыление металлизации затвора

7. Lift-off ф/л и термический отжиг затвора

8. Первый пассивирующий диэлектрический слой

Основные этапы разработанного маршрута изготовления HEMT

�

9

​

9. Окна под формирование полевой обкладки

10. Напыление металлизации полевой обкладки

11. Травление металлизации полевой обкладки

12. Второй пассивирующий диэлектрический слой

Основные этапы разработанного маршрута изготовления HEMT

Основные полученные результаты

1. Разработаны методы химической очистки и подготовки поверхности гетероструктур, а также исследовано влияние предварительной обработки поверхности гетероструктур на характеристики омических контактов.

2. Разработаны методы травления окон в гетероструктуре AlGaN для локальной эпитаксии контактных слоев GaN:Si и методов формирования низкоомных омических контактов силового транзистора на слоях GaN:Si, полученных локальной эпитаксией.

3. Разработаны методы создания затвора силовых транзисторов на гетероструктурах на основе GaN. Изготовлены тестовые структуры.

Тестовая структуры со сформированными омическими контактами и затвором

Удельное контактное сопротивление омических контактов менее 5·10^-6 Ом·см²

​

Основные полученные результаты

4. Разработаны методы пассивации поверхности и изоляция транзистора с целью улучшения динамических характеристик и напряжения пробоя силового транзистора, уменьшения токов утечки. Изготовлены тестовые транзисторные структуры HEMT

Пассивация меза-структуры глубиной

~ 500 нм диэлектической пленкой нитрида кремния толщиной ~ 1,5 мкм

Тестовая транзисторная

структура HEMT

Основные полученные результаты

5. Разработаны комплекты эскизной и рабочей конструкторской и технологической документации, созданы экспериментальные образцы HEMT

Экспериментальные образцы HEMT

Созданные экспериментальные образцы силовых транзисторов обеспечивают следующие основные характеристики:

- пробивные напряжения сток-сток: не менее 650 В;

- плотность тока: не менее 0,7 А/мм (что обеспечивает возможность сознания HEMT с максимальным током стока до 30 А и более);

- токи утечки сток-исток и затвор-исток: не более 150 мкА;

• пороговое напряжение: от -3 В до -8 В.

​

​

Заключение

Сформированный научно-технический задел позволяет выполнить ряд НИОКР по созданию силовых HEMT с заданными характеристиками.