Содержание
Содержание
Предисловие 10
Предисловие редактора перевода 13
Перечень символов 15
Список акронимов (сокращений) 21
Глава 1. Введение 26
Глава 2. III-N-материалы и современное состояние
развития технологии изготовления приборов и схем 28
2.1.
Современное состояние исследований материалов 28
2.1.1.
Бинарные материалы 30
2.1.2.
Ограничения материалов 47
2.1.3.
Термические свойства и ограничения 49
2.1.4.
Тройные и четверные III-N-материалы 50
2.2.
Полярные полупроводники для электроники 57
2.2.1.
Спонтанная поляризация 58
2.2.2.
Пьезоэлектрическая поляризация 60
2.2.3.
Разработка приборов, использующих заряды, наведенные поляризацией 63
2.2.4.
Аналитические расчеты концентрации заряда в канале 69
2.2.5.
Примеры легирования 70
2.2.6.
Поверхности и границы раздела 72
2.2.7.
Транспортные свойства в поляризованных полупроводниках 78
2.2.8.
Приборы, основанные на поляризации, и их особые свойства 80
2.3.
Электрические и термические ограничения материалов и приборов 81
2.3.1.
Физическое моделирование приборов 81
2.3.2.
Приборы: показатели добротности 85
2.3.3.
III-N-приборы: частотная дисперсия 87
2.4.
Подложки для электронных приборов 89
2.4.1.
Критерий выбора подложек 89
2.4.2.
Подложки из карбида кремния 91
2.4.3.
Сапфировые подложки 97
2.4.4.
Кремниевые подложки 98
2.4.5.
Подложки на основе GaN и AlN 99
2.5.
Состояние разработок приборов и интегральных схем 102
2.5.1.
Диоды на основе нитридов 102
2.5.2.
Силовая электроника 103
2.5.3.
ВЧ-металл-полупроводниковые полевые транзисторы (MESFETs) 105
2.5.4.
Полевые транзисторы со структурой «металл—диэлектрик—
полупроводник» (MISFETs) 107
2.5.5.
Транзисторы с высокой подвижностью электронов (HEMTs) 109
2.5.6.
Биполярные транзисторы с гетеропереходами (НВТ) 126
2.5.7.
Технология создания MMIC HEMT 129
2.6.
Примеры применений 131
2.6.1.
Широкополосная связь 132
2.6.2.
Компоненты радиолокаторов 132
2.6.3.
Применение электронных приборов в жестких условиях 133
2.7.
Проблемы 134
Литература 135
Глава 3. Эпитаксиальные процессы для создания электронных приборов на основе
III-N-материалов 163
3.1.
Система материалов AlGaN/GaN 165
3.1.1.
Осаждение из паров химических металлорганических соединений
(MOCVD) 165
3.1.2.
Молекулярно-лучевая эпитаксия (МВЕ) 188
3.1.3.
MOCVD- и МВЕ-рост на альтернативных подложках 199
3.1.4.
Боковое эпитаксиальное разращивание (ELO) 200
3.1.5.
Гидридная паро-фазовая эпитаксия (HVPE) 201
3.2.
Соединения и гетероструктуры на основе индия 202
3.2.1.
Выращивание слоев на основе индия методом MOCVD 202
3.2.2.
Выращивание слоев на основе индия методом МВЕ 204
3.2.3.
Выращивание гетероструктур на основе индия 205
3.3.
Легирование и дефекты 206
3.3.1.
Выращивание методом MOCVD 207
3.3.2.
Выращивание методом МВЕ 210
3.4.
Конструирование эпитаксиально выращенных приборов 212
3.4.1.
Рассмотрение геометрических параметров 212
3.4.2.
Выращивание верхних слоев («крыши») 214
3.4.3.
Легирование 216
3.4.4.
Промежуточный слой AlN 216
3.4.5.
Концепции канала 218
3.4.6.
Эпитаксиальная пассивация прибора в процессе изготовления (in-situ) 219
3.5.
Проблемы 219
Литература 220
Глава 4. Технологические процессы при изготовлении приборов 232
4.1.
Проблемы при проведении процессов 232
4.2.
Изоляция прибора 236
4.2.1.
Мезаструктуры 236
4.2.2.
Ионная имплантация для изоляции 237
4.3.
Формирование контакта 238
4.3.1.
Омические контакты 238
4.3.2.
Контакты Шоттки 246
4.4.
Литография 253
4.4.1.
Оптическая литография 253
4.4.2.
Электронно-лучевая литография 255
4.4.3.
Полевые платы и расширенные затворы 256
4.5.
Травление и процессы изготовления канавок 263
4.5.1.
«Сухое» травление 263
4.5.2.
«Мокрое» травление 268
4.5.3.
Процессы формирования канавок 269
4.6.
Формирование поверхности и пассивация прибора 274
4.6.1.
Пассивация участков прибора вне области затвора 275
4.6.2.
Физические механизмы образования ловушек 277
4.6.3.
Характеристики ловушек 279
4.6.4.
Технологические измерения: подготовка поверхности и диэлектриков 284
4.6.5.
Компоненты процессов эпитаксии:
подготовка поверхности и диэлектрики 292
4.7.
Затворные диэлектрики 293
4.8.
Проведение процессов для работы при высокой температуре 296
4.9.
Проведение процессов на обратной стороне подложки 297
4.9.1.
Технология утонения 297
4.9.2.
Травление сквозных отверстий малого диаметра
и технологии сверления 298
4.9.3.
Металлизация сквозных микроотверстий 301
4.10.
Проблемы 302
Литература 302
Глава 5. Характеристики приборов и моделирование 319
5.1.
Характеристики приборов 319
5.1.1.
Краткий анализ FETs 319
5.1.2.
Краткий анализ биполярных приборов 332
5.2.
Частотная дисперсия 335
5.2.1.
Характеристики и эффекты дисперсии 335
5.2.2.
Характеристика и анализ дисперсии 338
5.2.3.
Модели для описания частотной дисперсии в приборах 342
5.2.4.
Подавление частотной дисперсии 345
5.3.
Характеризация, анализ и моделирование работы приборов
на малых сигналах 346
5.3.1.
ВЧ-характеристики и инварианты 346
5.3.2.
НЕМТs с общим истоком 347
5.3.3.
НЕМТs с двойным затвором 353
5.3.4.
Характеристики при работе прибора в импульсном,
постоянном и ВЧ-режимах 354
5.3.5.
Моделирование работы приборов на малых сигналах 356
5.4.
Анализ и моделирование работы прибора при подаче
на вход сигнала с большой амплитудой 362
5.4.1.
Результаты измерений характеристик приборов при подаче
на вход больших сигналов и нагрузки 362
5.4.2.
Моделирование работы приборов при подаче на вход большого сигнала 369
5.5.
Анализ и моделирование линейности 385
5.5.1.
Понимание основ 386
5.5.2.
Анализ линейности характеристик, присущих нитридам 390
5.6.
Анализ шума 394
5.6.1.
Низкочастотный шум 394
5.6.2.
Анализ и характеристики ВЧ-шума 398
5.7.
Проблемы 403
Литература 403
Глава 6. Рассмотрение схем и примеры III-N-устройств 415
6.1.
Моделирование пассивных схем 415
6.1.1.
Элементы передающей линии на основе копланарного волновода 415
6.1.2.
Элементы микрополосковой передающей линии 418
6.2.
Высоковольтные усилители большой мощности 418
6.2.1.
Основные принципы работы высоковольтных устройств большой
мощности 419
6.2.2.
Общие соображения по конструированию III-N-усилителей 425
6.2.3.
Усилители для мобильной связи
в диапазоне частот между 500 МГц и 6 ГГц 425
6.2.4.
Усилители большой мощности С-диапазона частот 433
6.2.5.
Усилители большой мощности X-диапазона 435
6.2.6.
Конструирование, величины импедансов и схемы настройки 444
6.2.7.
Широкодиапазонные высоколинейные усилители мощности
на основе GaN 448
6.2.8.
Усилители мощности мм-диапазона частот на основе GaN 451
6.3.
Устойчивость работы малошумящих усилителей на основе GaN 452
6.3.1.
Современное состояние развития технологии производства
малошумящих усилителей на основе GaN 452
6.3.2.
Примеры малошумящих усилителей (LNA) на основе GaN MMIC 454
6.4.
Генераторы, смесители и аттенюаторы 459
6.4.1.
Генераторы 459
6.4.2.
Схемы смесителей на основе GaN HEMT 460
6.4.3.
Аттенюаторы и переключатели 461
6.5.
Проблемы 462
Литература 462
Глава 7. Проблемы надежности и работа при высокой температуре 475
7.1.
Обзор методов тестирования приборов и механизмов отказов 475
7.1.1.
Описание деградации приборов 475
7.1.2.
Механизмы деградации в III-N FETs 479
7.1.3.
Деградация III-N HBT-приборов 482
7.2.
Анализ механизмов специфической нитридной деградации 483
7.2.1.
DС-деградация 484
7.2.2.
ВЧ-деградация 488
7.3.
Анализ отказов 491
7.3.1.
Механизмы отказов 492
7.3.2.
Изучение случаев, связанных с надежностью 495
7.4.
Радиационные эффекты 499
7.5.
Работа при высокой температуре 501
7.6.
Проблемы 505
Литература 506
Глава 8. Интеграция, регулирование температуры и монтаж 515
8.1.
Технологии создания пассивных элементов MMIC 515
8.1.1.
Технологии пассивных элементов 516
8.1.2.
Технология микрополосковых элементов
на обратной стороне подложки 519
8.2.
Проблемы интеграции 520
8.3.
Регулирование температуры 522
8.3.1.
Тепловой анализ 522
8.3.2.
Выбор материала с высокой теплопроводностью
и тепловое моделирование 526
8.3.3.
Основные тепловые результаты, источники тепла и тепловые
сопротивления 529
8.3.4.
Охлаждение обратной (задней) стороны пластины 532
8.3.5.
«Флип—чип»-интеграция 536
8.3.6.
Динамические термические эффекты 538
8.4.
Монтаж и корпусирование MMIC 539
8.4.1.
Резка 540
8.4.2.
Крепление кристалла 541
8.4.3.
Выбор технологии монтажа и упаковки в корпус 543
8.4.4.
Тепловой менеджмент для устройств, формирующих параметры
с линейными характеристиками 545
8.4.5.
Активное охлаждение 549
8.5.
Проблемы 549
Литература 550
Глава 9. Перспективы на будущее 558
Приложение 560
Свойства материалов бинарных соединений 560
Литература, добавленная при переводе книги 561
Транзисторы на GaN 561
Измерения, моделирование 570
Схемы с использованием GaN-транзисторов 575
Предметный указатель (по алфавиту) 578
Предисловие
Системы электронной ВЧ-связи и датчиков сильно изменили нашу жизнь с тех
пор, как был изобретен первый транзистор в 1947 году.
Совершенные полупроводниковые приборы являются ключевыми компо-
нентами в электронных системах и, в конечном счете, определяют их характе-
ристики.
В ходе этого непрекращающегося развития широкозонные нитридные полу-
проводники и гетероструктурные приборы на их основе проявили себя как уни-
кальные претенденты на лидерство в будущих электронных системах вследствие
выдающихся свойств этих материалов, обеспечивающих быстродействие, мощ-
ность, эффективность, линейность и надежность приборов. В то же самое время
свойства этих материалов критичны по сравнению с другими материалами из-
за высокой температуры выращивания и ряда особенностей их параметров.
Широкозонные полупроводники привлекают пристальное внимание в по-
следние десять лет вследствие их использования в оптоэлектронике. Это на-
правление быстро развивается благодаря крупным инвестициям в США, Япо-
нии и возросшей активности исследований в Европе. Некоторые полученные
знания не могут быть доступны широкой публике из-за военных или граждан-
ских ограничений. Тем не менее это направление связано с систематизацией
и оценкой доступных материалов. Предлагаемая книга, несомненно, заинте-
ресует студентов и аспирантов, специализирующихся в областях электроники,
связи и физики; инженеров, работающих по специальности «приборы и инте-
гральные схемы, применяющиеся в исследованиях и промышленности», и уче-
ных с широким кругом интересов к сложной электронике.
Автор особенно благодарит тех людей, без кого и без чьего индивидуального
вклада в такую сложную работу она была бы невыполнима. Он выражает осо-
бую благодарность:
профессору доктору Гюнтеру Вейман- у — директору Фраунгоферского ин-
ститута прикладной твердотельной физики (ИПФ — IAF) за одобрение
этой тематики, советы и постоянную поддержку;
- профессору доктору Иоахиму Вагнеру за одобрение начать этот проект;
профессору доктору Зигфриду Зельберхеру, Институт микроэлектроники,
ТУ Вена, за постоянное одобрение и поддержку работы;
- доктору Микаэлю Шлехтвегу, начальнику отдела ВЧ-приборов и инте-
гральных схем во Фраунгоферском ИПФ, и доктору Микаэлю Микулла,
начальнику отдела технологии во Фраунгоферовском ИПФ, за их велико-
душную поддержку;
- доктору Рудольфу Киферу за его выдающийся вклад и дельные советы по
технологической главе, за его доброжелательность и продуктивное об-
суждение;
- ди пломированному физику Стефану Мюллеру идоктору Клаусу Кёхлеру за
их ценный вклад в главу об эпитаксии и за коррекцию материалов при
чтении.
- доктору Фрейдберту ван Рэю за коррекцию просмотренных материалов,
за полезное обсуждение разделов по моделированию, измерению боль-
ших сигналов и разработку схем и за дискуссию при рассмотрении этих
вопросов;
- доктору Микаэлю Дамманну, дипломированному инженеру Хелмеру Кон-
станзеру и Андреасу Михалову за их вклад в работы по надежности при-
боров;
- доктору Вольфгангу Броннеру за его вклад в развитие технологии и рассмо-
трение процессов в SiC;
- доктору Вильфриду Плетчену за тщательную коррекцию просмотренных
разделов и добрые советы, касающиеся правки этих разделов;
- доктору Маттиасу Силману-Эгеберту за его вдохновляющую работу по
тепловому моделированию и моделированию больших сигналов;
- доктору Патрику Волтерейту за многочисленные полезные советы при
обсуждении эпитаксии и развития этих процессов;
- дипломированному инженеру Даниэлю Крауссе за его работу по малошумя-
щим усилителям;
- доктору Василю Паланковски и дипломированному инженеру Станисла-
ву Витанову, ТУ Вена, за коррекцию предоставленных разделов книги
и ценные советы при рассмотрении процессов моделирования приборов;
- доктору Акселю Тессману за его постоянную поддержку и ценные советы
при рассмотрении технологии приборов мм-диапазона длин волн;
- Маркусу Рисле и доктору Герберту Валчеру за их вклад в обсуждение про-
блем монолитных микроволновых интегральных схем и операций корпу-
сирования приборов;
- Мартину Зинку и Ронни Кольбе за терпение при подборе различных моно-
литных микроволновых интегральных схем;
12 Предисловие
дипломированному инженеру Кристофу - Швёреру за ценное обсуждение ди-
зайна схем и за его вклад при рассмотрении проблем, связанных с широ-
кодиапазонными усилителями;
- доктору Лутцу Кирсте за его помощь при рассмотрении кристаллических
структур;
- дипломированному инженеру Микаелю Кюри, дипломированному инженеру
Германну Масслеру и членам группы ВЧ-приборов и характеристик схем
Фраунгоферовского ИПФ за их поддержку;
- доктору Арнулфу Леунтеру за мудрые советы и плодотворное сотрудниче-
ство при рассмотрении развития различных процессов;
- Фоуаду Бенкхелифу за его творческий вклад в рассмотрение технологии
различных процессов и за активные дискуссии при обсуждении этих во-
просов.
Далее я бы хотел поблагодарить сотрудников отдела ВЧ-приборов и схем,
а также отдела технологии, особенно доктора Гундруна Кауффеля и В. Ференбаха.
Я хотел бы также поблагодарить доктора Харди Следзика, доктора Патрика
Шуха, доктора Ральфа Леберера и доктора Мартина Опперманна из «EADC DE»
(Ульм) за плодотворное сотрудничество и полезное обсуждение различных про-
блем, а также дипломированного инженера Дирка Вейгнера, доктора Вольфганга
Темпля и Ульриха Сейфрида из Исследовательского центра «Алкатель-Люсент/
Штутгарт» за плодотворное сотрудничество при рассмотрении суперлинейных
мощных усилителей.
Благодарю также доктора Томаса Рёдля и его команду из НХП — исследова-
тельского центра в Нимвегене, за плодотворное сотрудничество при рассмотре-
нии технологии создания мощных усилителей.
Благодарю также команду Объединенных монолитных полупроводников
(ОМП) за плодотворное сотрудничество при рассмотрении технологии при-
боров, Марка ван Хейнингена и доктора Франка ван Флиета ТНО Надежности
и безопасности (Гаага, Нидерланды) за плодотворное сотрудничество при рас-
смотрении сверхмощных усилителей на основе Ка-связи.
Благодарю Джойсе Висне (Вена) за ее терпение при тщательной корректи-
ровке стиля книги и ее постоянную поддержку, команду издательства «Сприн-
гер», особенно Адельхейда Духма и доктора Клауса Асхерона за их постоянную
поддержку и доброе понимание, сотрудников «ле-текс», особенно Штеффи Хо-
хензее за их постоянную поддержку.
Я благодарю свою жену Кристину и моего сына Джонатана, которым эта
книга посвящена, за их бесконечное терпение.
В последние годы все большее внимание разработчиков транзисторов и ком-
плексированных изделий на их основе концентрируется на использовании ши-
рокозонных материалов и гетероструктур. Среди них особое место занимают
нитрид галлия (GaN) и гетероструктуры AlN/GaN, которые формируются на
таких подложках, как карбид кремния, сапфир и кремний. Это связано с вы-
дающимися электрофизическими свойствами GaN: высокой подвижностью
и высокой скоростью насыщения электронов, высокими пробивными полями,
достаточно высокой теплопроводностью и другими полезными свойствами.
На основе гетероструктур AlN/GaN созданы полевые транзисторы с высокой
по движностью электронов (HEMT). Ранее в течение многих лет такие транзи-
сторы создавались на арсениде галлия. Эти приборы работали в области сверх-
высоких частот, однако низкая теплопроводность и малые пробивные поля не
позволяли создавать на основе GaAs мощные высокочастотные транзисторы.
Достигнутый научно-технический и технологический уровень разработок
позволяет рассматривать производство СВЧ-приборов на нитриде галлия на
основе наноразмерных физических явлений как одну из основных инноваци-
онных технологий, способных вывести твердотельную СВЧ-электронику на
качественно новый уровень. Внедрение СВЧ-приборов на новых полупрово-
дниковых материалах позволяет существенно повысить уровень излучаемой
мощности во всех частотных диапазонах и расширить диапазон частот выпу-
скаемых изделий до КВЧ и ГВЧ. Поэтому издание книги Рюдигера Куэя, по-
священное электронике, основанной на нитриде галлия, представляется нам
весьма полезным. В книге рассматривается широкий круг вопросов, связанный
с выбором подложек для гетероэпитаксии, с методами изготовления гетероэпи-
таксиальных структур, с технологией транзисторов на этих структурах. Рассма-
тривается много типов транзисторов, способных работать в разных диапазонах
сверхвысоких частот. Рассматриваются схемы, создаваемые на этих транзисто-
рах. Особое внимание уделяется вопросам надежности СВЧ-транзисторов на
основе нитрида галлия.
Книга по существу является обзором большого числа работ, опубликован-
ных в периодических изданиях: в ней приводится более 1750 ссылок на техниче-
скую литературу. Учитывая, что с момента издания книги (2008 год) прошло уже
несколько лет, мы дали в конце книги дополнительный (с индексом Д) перечень
литературы, опубликованной в 2008—2011 гг. и посвященной аналогичной те-
матике. К сожалению, в книге отсутствуют какие-либо ссылки на техническую
литературу, опубликованную на русском языке. В этой связи мы могли бы реко-
мендовать изданные в 2011 году на русском языке книги [Д1, Д2], причем книга
14 Предисловие редактора перевода
[Д2] распространена достаточно широко. В указанных изданиях имеется более
двухсот ссылок на книги и статьи, опубликованные на русском языке.
При переводе мы старались сохранить термины и обозначения различных
величин на английском языке так, как это приведено в оригинале, однако при
рассмотрении перечня терминов и обозначений, приведенного в начале книги,
мы дали русский перевод этих терминов и обозначений. Кроме того, мы счи-
тали, что такие сокращения, как HEMT, FET, HFET, MISFET, HBT, LDMOS,
MOCVD, MBE и некоторые другие хорошо знакомы российским ученым, тех-
нологам и разработчикам транзисторов и соответствующей аппаратуры, и мы
не считали необходимым по ходу текста книги переводить эти сокращения на
русский язык.
В книге, к сожалению, встречаются ошибки и неточности, и там, где мы это
заметили, мы дали соответствующие редакционные примечания. Кроме того,
во многих местах автор книги говорит о токах или о мощности, приводя на са-
мом деле численные значения плотности тока или плотности мощности. Чтобы
в этом случае не давать много редакционных примечаний, мы внесли в текст
соответствующие исправления.
Хотелось бы выразить благодарность д.т.н. Ю. В. Колковскому за помощь
при редактировании гл. 5 и гл. 6, а также — инженеру Д. Г. Дроздову за помощь
при подборе дополнительной литературы.
Надеемся, что перевод книги Рюдигера Куэя будет полезен для дальнейшего
развития отечественной твердотельной СВЧ-электроники.
А. Г. Васильев
Глава 1
Эта монография посвящена развитию электроники, основанной на III-N-
полупроводниках для мощных и высокочастотных применений. Обсуждаются
свойства этих полярных материалов, состояние развития технологии изготов-
ления подложек, эпитаксиальный рост, технологии изготовления приборов
и проведения процессов, моделирование и интеграция схем, а также примеры.
Целая глава посвящена критическим аспектам надежности приборов. Работа
завершается рассмотрением аспектов интеграции и упаковки, с учетом специ-
фики новых свойств схем на основе III-N-материалов, а также субсистем на их
основе.
Во второй главе представлены общие свойства материалов и явления пере-
носа в них, их преимущества, а также теоретические ограничения, связанные
с электрическими и термическими свойствами. Затем делается систематиче-
ский обзор современного состояния развития подложек, материалов, электрон-
ных приборов и схем на основе нитридов.
Что касается эпитаксиального выращивания, то как бинарные, так и трой-
ные соединения на основе алюминия и индия представлены с особым внима-
нием в главе 3 на примере AlGаN/GaN- и In-Ga-N-гетероструктурных систем.
Систематически анализируются такие способы эпитаксиального выращи-
вания, как молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) и химическое осаждение из
паровой фазы при использовании металлорганических соединений (МОСVD).
Анализируются специфические характеристики нитридных материалов, леги-
рование и их качество.
Систематически делаются обзоры свойств подложек на их соответствие тре-
бованиям электроники.
По ходу повествования важное внимание уделяется транзисторам с по-
вышенной подвижностью электронов (HEMT) с длиной затвора менее 30 нм
и частотой среза вплоть до 190 ГГц. Таким образом, обсуждаются специальные
проблемы этого класса приборов, такие как контакты Шоттки и омические
контакты, литография на оптически прозрачных материалах. Анализируется
современное состояние развития процессов удаления слоев материала и техно-
логии пассивации. Делается обзор примеров, касающихся технологии биполяр-
ных транзисторов и других приборов.
В главе 5, посвященной моделированию и характеристикам, представлены
характеристики и модели приборов при работе на постоянном токе, характери-
Введение 27
стики слабых сигналов и шумовых в соответствии с вопросами, посвященными
специальным нитридным материалам. Поскольку частотная дисперсия явля-
ется основным источником информации о совершенстве и деградации прибо-
ра, обсуждаются характеристики и способы уменьшения дисперсии, включая
импульсные характеристики и другую сложную технику. Для нитридных мате-
риалов и приборов обсуждаются характеристики и моделирование при исполь-
зовании на их основе больших сигналов, включая моделирование контактов,
диодов, дисперсию и термические аспекты.
В главе 6 обсуждаются примеры построения схем для ВЧ-усилителей боль-
шой мощности с акцентом на увеличенный импеданс, тепловые ограничения
и управление ВЧ-мощностью в интервале частот между 0,5 и 100 ГГц. Пред-
ставлены малошумящие усилители и анализируются их свойства в высокоди-
намичном диапазоне, надежность и высокая линейность коэффициента усиле-
ния. В последней части главы рассматриваются функции других схем, таких как
смесители и генераторы. Повторно рассматриваются достоинства и конкурент-
ные преимущества специальных нитридных материалов.
В главе 7 систематически анализируются надежность и механизмы отказов
приборов и схем на основе нитридных материалов. В последней части представ-
лены соображения по интеграции и упаковке, термокреплению и термоупаков-
ке, отвечающие современному состоянию усилителей и субсистем.
В этой главе представлены общие свойства материалов и явлений переноса за-
ряда, достоинства, теоретические электрические и термические ограничения
нитридных полупроводников в соответствии с применениями в электронике.
В этой главе дан обзор материалов подложек. Систематически делаются обзоры
современного состояния материалов, электронных приборов и схем на основе
нитридных материалов. В последней части дана характеристика специальных
требований по применению приборов на основе нитридных полупроводников
с точки зрения большого числа систем. Глава завершается рассмотрением ряда
проблем.
2.1. Далее дан систематический обзор свойств материалов. Для систематизации на
рис. 2.1 показана ширина запрещенной зоны при температуре решетки 300 K
для различных полупроводниковых материалов как функция постоянных ре-
шетки.
Выбор в качестве константы для рассмотренных специфических материа-
лов, не обладающих центром симметрии постоянной кристаллической решет-
ки, можно считать произвольным, однако он полезен для систематического
введения. С интервалом значений ширин запрещенной зоны для InN около
0,8 эВ, как недавно предположили, до 6,2 эВ для AlN при комнатной темпера-
туре системы на основе материалов III-N охватывают очень широкий диапазон
значений энергии, и поэтому длины волн эмитируемого излучения находятся
в диапазоне от инфракрасного до глубокого ультрафиолета и вне конкуренции
2.1. Современное состояние исследований материалов 29
по сравнению с любыми другими материалами. Электронными методами было
обнаружено, что очень широкий диапазон значений ширины запрещенной
зоны ведет к очень высоким значениям напряжения пробоя для объемных ма-
териалов, а это может быть полезным для полупроводников с малой эффектив-
ной массой, как, например, для GaN с mn = 0,2 me или даже для InN с mn = 0,11 me
(потенциально даже с mn = 0,04 me [2.122]), при этом большая подвижность элек-
тронов реализуется путем изменения состава материалов в гетероструктурах.
В то же самое время второе достоинство — это их близость в отличие от любых
других систем полупроводниковых материалов. Вследствие сильных поляриза-
ционных свойств материалов модификации состава материала приводят к впе-
чатляющим модификациям полярных свойств кристаллов и, таким образом, на
границах раздела, а потом и в приборах реализуются нужные концентрации но-
сителей заряда. Таким образом, и в некотором отношении это очень похоже на
кремний, огромный успех III-N-материалов основан не только на параметрах
переноса зарядов в объемном материале (отметим, что параметры р-материалов
не могут сравниваться с n-свойствами в III-N-материалах), а вследствие свойств
границы раздела. В случае кремния успех основан на существовании природно-
го оксида, который может быть оптимизирован и использован с успехом [2.411]
и который может быть заменен другими диэлектриками, которые также хорошо
применимы на кремнии [2.136, 2.145].
Рис. 2.1. Связь ширины запрещенной зоны при Треш = 300 K с постоянными
решетки для III-N-полупроводников. Другие III-V-полупроводники
даны для сравнения
30 Глава 2. III-N-материалы и современное состояние развития технологии
изготовления приборов и схем
В случае III-N-гетероструктур границы раздела дают возможность форми-
ровать n-каналы и обеспечивать крайне высокую двумерную концентрацию
носителей заряда ≥ 1013 см–2 благодаря поляризации без последующего введе-
ния легирующих примесей. С другой стороны, в отличие от кремния, грани-
цы раздела «полупроводник—диэлектрик» не могут в III-N-материалах быть
столь совершенными. Подходящие границы раздела могут быть практически
сформированы, однако эти границы раздела и их поведение в долгосрочной
перспективе не очень хорошо понятны, прежде всего вследствии высокой кон-
центрации ловушек.
Системы электронной ВЧ-связи и датчиков сильно изменили нашу жизнь с тех
пор, как был изобретен первый транзистор в 1947 году.
Совершенные полупроводниковые приборы являются ключевыми компо-
нентами в электронных системах и, в конечном счете, определяют их характе-
ристики.
В ходе этого непрекращающегося развития широкозонные нитридные полу-
проводники и гетероструктурные приборы на их основе проявили себя как уни-
кальные претенденты на лидерство в будущих электронных системах вследствие
выдающихся свойств этих материалов, обеспечивающих быстродействие, мощ-
ность, эффективность, линейность и надежность приборов. В то же самое время
свойства этих материалов критичны по сравнению с другими материалами из-
за высокой температуры выращивания и ряда особенностей их параметров.
Широкозонные полупроводники привлекают пристальное внимание в по-
следние десять лет вследствие их использования в оптоэлектронике. Это на-
правление быстро развивается благодаря крупным инвестициям в США, Япо-
нии и возросшей активности исследований в Европе. Некоторые полученные
знания не могут быть доступны широкой публике из-за военных или граждан-
ских ограничений. Тем не менее это направление связано с систематизацией
и оценкой доступных материалов. Предлагаемая книга, несомненно, заинте-
ресует студентов и аспирантов, специализирующихся в областях электроники,
связи и физики; инженеров, работающих по специальности «приборы и инте-
гральные схемы, применяющиеся в исследованиях и промышленности», и уче-
ных с широким кругом интересов к сложной электронике.
Автор особенно благодарит тех людей, без кого и без чьего индивидуального
вклада в такую сложную работу она была бы невыполнима. Он выражает осо-
бую благодарность:
профессору доктору Гюнтеру Вейман- у — директору Фраунгоферского ин-
ститута прикладной твердотельной физики (ИПФ — IAF) за одобрение
этой тематики, советы и постоянную поддержку;
- профессору доктору Иоахиму Вагнеру за одобрение начать этот проект;
профессору доктору Зигфриду Зельберхеру, Институт микроэлектроники,
ТУ Вена, за постоянное одобрение и поддержку работы;
- доктору Микаэлю Шлехтвегу, начальнику отдела ВЧ-приборов и инте-
гральных схем во Фраунгоферском ИПФ, и доктору Микаэлю Микулла,
начальнику отдела технологии во Фраунгоферовском ИПФ, за их велико-
душную поддержку;
- доктору Рудольфу Киферу за его выдающийся вклад и дельные советы по
технологической главе, за его доброжелательность и продуктивное об-
суждение;
- ди пломированному физику Стефану Мюллеру идоктору Клаусу Кёхлеру за
их ценный вклад в главу об эпитаксии и за коррекцию материалов при
чтении.
- доктору Фрейдберту ван Рэю за коррекцию просмотренных материалов,
за полезное обсуждение разделов по моделированию, измерению боль-
ших сигналов и разработку схем и за дискуссию при рассмотрении этих
вопросов;
- доктору Микаэлю Дамманну, дипломированному инженеру Хелмеру Кон-
станзеру и Андреасу Михалову за их вклад в работы по надежности при-
боров;
- доктору Вольфгангу Броннеру за его вклад в развитие технологии и рассмо-
трение процессов в SiC;
- доктору Вильфриду Плетчену за тщательную коррекцию просмотренных
разделов и добрые советы, касающиеся правки этих разделов;
- доктору Маттиасу Силману-Эгеберту за его вдохновляющую работу по
тепловому моделированию и моделированию больших сигналов;
- доктору Патрику Волтерейту за многочисленные полезные советы при
обсуждении эпитаксии и развития этих процессов;
- дипломированному инженеру Даниэлю Крауссе за его работу по малошумя-
щим усилителям;
- доктору Василю Паланковски и дипломированному инженеру Станисла-
ву Витанову, ТУ Вена, за коррекцию предоставленных разделов книги
и ценные советы при рассмотрении процессов моделирования приборов;
- доктору Акселю Тессману за его постоянную поддержку и ценные советы
при рассмотрении технологии приборов мм-диапазона длин волн;
- Маркусу Рисле и доктору Герберту Валчеру за их вклад в обсуждение про-
блем монолитных микроволновых интегральных схем и операций корпу-
сирования приборов;
- Мартину Зинку и Ронни Кольбе за терпение при подборе различных моно-
литных микроволновых интегральных схем;
12 Предисловие
дипломированному инженеру Кристофу - Швёреру за ценное обсуждение ди-
зайна схем и за его вклад при рассмотрении проблем, связанных с широ-
кодиапазонными усилителями;
- доктору Лутцу Кирсте за его помощь при рассмотрении кристаллических
структур;
- дипломированному инженеру Микаелю Кюри, дипломированному инженеру
Германну Масслеру и членам группы ВЧ-приборов и характеристик схем
Фраунгоферовского ИПФ за их поддержку;
- доктору Арнулфу Леунтеру за мудрые советы и плодотворное сотрудниче-
ство при рассмотрении развития различных процессов;
- Фоуаду Бенкхелифу за его творческий вклад в рассмотрение технологии
различных процессов и за активные дискуссии при обсуждении этих во-
просов.
Далее я бы хотел поблагодарить сотрудников отдела ВЧ-приборов и схем,
а также отдела технологии, особенно доктора Гундруна Кауффеля и В. Ференбаха.
Я хотел бы также поблагодарить доктора Харди Следзика, доктора Патрика
Шуха, доктора Ральфа Леберера и доктора Мартина Опперманна из «EADC DE»
(Ульм) за плодотворное сотрудничество и полезное обсуждение различных про-
блем, а также дипломированного инженера Дирка Вейгнера, доктора Вольфганга
Темпля и Ульриха Сейфрида из Исследовательского центра «Алкатель-Люсент/
Штутгарт» за плодотворное сотрудничество при рассмотрении суперлинейных
мощных усилителей.
Благодарю также доктора Томаса Рёдля и его команду из НХП — исследова-
тельского центра в Нимвегене, за плодотворное сотрудничество при рассмотре-
нии технологии создания мощных усилителей.
Благодарю также команду Объединенных монолитных полупроводников
(ОМП) за плодотворное сотрудничество при рассмотрении технологии при-
боров, Марка ван Хейнингена и доктора Франка ван Флиета ТНО Надежности
и безопасности (Гаага, Нидерланды) за плодотворное сотрудничество при рас-
смотрении сверхмощных усилителей на основе Ка-связи.
Благодарю Джойсе Висне (Вена) за ее терпение при тщательной корректи-
ровке стиля книги и ее постоянную поддержку, команду издательства «Сприн-
гер», особенно Адельхейда Духма и доктора Клауса Асхерона за их постоянную
поддержку и доброе понимание, сотрудников «ле-текс», особенно Штеффи Хо-
хензее за их постоянную поддержку.
Я благодарю свою жену Кристину и моего сына Джонатана, которым эта
книга посвящена, за их бесконечное терпение.
В последние годы все большее внимание разработчиков транзисторов и ком-
плексированных изделий на их основе концентрируется на использовании ши-
рокозонных материалов и гетероструктур. Среди них особое место занимают
нитрид галлия (GaN) и гетероструктуры AlN/GaN, которые формируются на
таких подложках, как карбид кремния, сапфир и кремний. Это связано с вы-
дающимися электрофизическими свойствами GaN: высокой подвижностью
и высокой скоростью насыщения электронов, высокими пробивными полями,
достаточно высокой теплопроводностью и другими полезными свойствами.
На основе гетероструктур AlN/GaN созданы полевые транзисторы с высокой
по движностью электронов (HEMT). Ранее в течение многих лет такие транзи-
сторы создавались на арсениде галлия. Эти приборы работали в области сверх-
высоких частот, однако низкая теплопроводность и малые пробивные поля не
позволяли создавать на основе GaAs мощные высокочастотные транзисторы.
Достигнутый научно-технический и технологический уровень разработок
позволяет рассматривать производство СВЧ-приборов на нитриде галлия на
основе наноразмерных физических явлений как одну из основных инноваци-
онных технологий, способных вывести твердотельную СВЧ-электронику на
качественно новый уровень. Внедрение СВЧ-приборов на новых полупрово-
дниковых материалах позволяет существенно повысить уровень излучаемой
мощности во всех частотных диапазонах и расширить диапазон частот выпу-
скаемых изделий до КВЧ и ГВЧ. Поэтому издание книги Рюдигера Куэя, по-
священное электронике, основанной на нитриде галлия, представляется нам
весьма полезным. В книге рассматривается широкий круг вопросов, связанный
с выбором подложек для гетероэпитаксии, с методами изготовления гетероэпи-
таксиальных структур, с технологией транзисторов на этих структурах. Рассма-
тривается много типов транзисторов, способных работать в разных диапазонах
сверхвысоких частот. Рассматриваются схемы, создаваемые на этих транзисто-
рах. Особое внимание уделяется вопросам надежности СВЧ-транзисторов на
основе нитрида галлия.
Книга по существу является обзором большого числа работ, опубликован-
ных в периодических изданиях: в ней приводится более 1750 ссылок на техниче-
скую литературу. Учитывая, что с момента издания книги (2008 год) прошло уже
несколько лет, мы дали в конце книги дополнительный (с индексом Д) перечень
литературы, опубликованной в 2008—2011 гг. и посвященной аналогичной те-
матике. К сожалению, в книге отсутствуют какие-либо ссылки на техническую
литературу, опубликованную на русском языке. В этой связи мы могли бы реко-
мендовать изданные в 2011 году на русском языке книги [Д1, Д2], причем книга
14 Предисловие редактора перевода
[Д2] распространена достаточно широко. В указанных изданиях имеется более
двухсот ссылок на книги и статьи, опубликованные на русском языке.
При переводе мы старались сохранить термины и обозначения различных
величин на английском языке так, как это приведено в оригинале, однако при
рассмотрении перечня терминов и обозначений, приведенного в начале книги,
мы дали русский перевод этих терминов и обозначений. Кроме того, мы счи-
тали, что такие сокращения, как HEMT, FET, HFET, MISFET, HBT, LDMOS,
MOCVD, MBE и некоторые другие хорошо знакомы российским ученым, тех-
нологам и разработчикам транзисторов и соответствующей аппаратуры, и мы
не считали необходимым по ходу текста книги переводить эти сокращения на
русский язык.
В книге, к сожалению, встречаются ошибки и неточности, и там, где мы это
заметили, мы дали соответствующие редакционные примечания. Кроме того,
во многих местах автор книги говорит о токах или о мощности, приводя на са-
мом деле численные значения плотности тока или плотности мощности. Чтобы
в этом случае не давать много редакционных примечаний, мы внесли в текст
соответствующие исправления.
Хотелось бы выразить благодарность д.т.н. Ю. В. Колковскому за помощь
при редактировании гл. 5 и гл. 6, а также — инженеру Д. Г. Дроздову за помощь
при подборе дополнительной литературы.
Надеемся, что перевод книги Рюдигера Куэя будет полезен для дальнейшего
развития отечественной твердотельной СВЧ-электроники.
А. Г. Васильев
Глава 1
Эта монография посвящена развитию электроники, основанной на III-N-
полупроводниках для мощных и высокочастотных применений. Обсуждаются
свойства этих полярных материалов, состояние развития технологии изготов-
ления подложек, эпитаксиальный рост, технологии изготовления приборов
и проведения процессов, моделирование и интеграция схем, а также примеры.
Целая глава посвящена критическим аспектам надежности приборов. Работа
завершается рассмотрением аспектов интеграции и упаковки, с учетом специ-
фики новых свойств схем на основе III-N-материалов, а также субсистем на их
основе.
Во второй главе представлены общие свойства материалов и явления пере-
носа в них, их преимущества, а также теоретические ограничения, связанные
с электрическими и термическими свойствами. Затем делается систематиче-
ский обзор современного состояния развития подложек, материалов, электрон-
ных приборов и схем на основе нитридов.
Что касается эпитаксиального выращивания, то как бинарные, так и трой-
ные соединения на основе алюминия и индия представлены с особым внима-
нием в главе 3 на примере AlGаN/GaN- и In-Ga-N-гетероструктурных систем.
Систематически анализируются такие способы эпитаксиального выращи-
вания, как молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) и химическое осаждение из
паровой фазы при использовании металлорганических соединений (МОСVD).
Анализируются специфические характеристики нитридных материалов, леги-
рование и их качество.
Систематически делаются обзоры свойств подложек на их соответствие тре-
бованиям электроники.
По ходу повествования важное внимание уделяется транзисторам с по-
вышенной подвижностью электронов (HEMT) с длиной затвора менее 30 нм
и частотой среза вплоть до 190 ГГц. Таким образом, обсуждаются специальные
проблемы этого класса приборов, такие как контакты Шоттки и омические
контакты, литография на оптически прозрачных материалах. Анализируется
современное состояние развития процессов удаления слоев материала и техно-
логии пассивации. Делается обзор примеров, касающихся технологии биполяр-
ных транзисторов и других приборов.
В главе 5, посвященной моделированию и характеристикам, представлены
характеристики и модели приборов при работе на постоянном токе, характери-
Введение 27
стики слабых сигналов и шумовых в соответствии с вопросами, посвященными
специальным нитридным материалам. Поскольку частотная дисперсия явля-
ется основным источником информации о совершенстве и деградации прибо-
ра, обсуждаются характеристики и способы уменьшения дисперсии, включая
импульсные характеристики и другую сложную технику. Для нитридных мате-
риалов и приборов обсуждаются характеристики и моделирование при исполь-
зовании на их основе больших сигналов, включая моделирование контактов,
диодов, дисперсию и термические аспекты.
В главе 6 обсуждаются примеры построения схем для ВЧ-усилителей боль-
шой мощности с акцентом на увеличенный импеданс, тепловые ограничения
и управление ВЧ-мощностью в интервале частот между 0,5 и 100 ГГц. Пред-
ставлены малошумящие усилители и анализируются их свойства в высокоди-
намичном диапазоне, надежность и высокая линейность коэффициента усиле-
ния. В последней части главы рассматриваются функции других схем, таких как
смесители и генераторы. Повторно рассматриваются достоинства и конкурент-
ные преимущества специальных нитридных материалов.
В главе 7 систематически анализируются надежность и механизмы отказов
приборов и схем на основе нитридных материалов. В последней части представ-
лены соображения по интеграции и упаковке, термокреплению и термоупаков-
ке, отвечающие современному состоянию усилителей и субсистем.
В этой главе представлены общие свойства материалов и явлений переноса за-
ряда, достоинства, теоретические электрические и термические ограничения
нитридных полупроводников в соответствии с применениями в электронике.
В этой главе дан обзор материалов подложек. Систематически делаются обзоры
современного состояния материалов, электронных приборов и схем на основе
нитридных материалов. В последней части дана характеристика специальных
требований по применению приборов на основе нитридных полупроводников
с точки зрения большого числа систем. Глава завершается рассмотрением ряда
проблем.
2.1. Далее дан систематический обзор свойств материалов. Для систематизации на
рис. 2.1 показана ширина запрещенной зоны при температуре решетки 300 K
для различных полупроводниковых материалов как функция постоянных ре-
шетки.
Выбор в качестве константы для рассмотренных специфических материа-
лов, не обладающих центром симметрии постоянной кристаллической решет-
ки, можно считать произвольным, однако он полезен для систематического
введения. С интервалом значений ширин запрещенной зоны для InN около
0,8 эВ, как недавно предположили, до 6,2 эВ для AlN при комнатной темпера-
туре системы на основе материалов III-N охватывают очень широкий диапазон
значений энергии, и поэтому длины волн эмитируемого излучения находятся
в диапазоне от инфракрасного до глубокого ультрафиолета и вне конкуренции
2.1. Современное состояние исследований материалов 29
по сравнению с любыми другими материалами. Электронными методами было
обнаружено, что очень широкий диапазон значений ширины запрещенной
зоны ведет к очень высоким значениям напряжения пробоя для объемных ма-
териалов, а это может быть полезным для полупроводников с малой эффектив-
ной массой, как, например, для GaN с mn = 0,2 me или даже для InN с mn = 0,11 me
(потенциально даже с mn = 0,04 me [2.122]), при этом большая подвижность элек-
тронов реализуется путем изменения состава материалов в гетероструктурах.
В то же самое время второе достоинство — это их близость в отличие от любых
других систем полупроводниковых материалов. Вследствие сильных поляриза-
ционных свойств материалов модификации состава материала приводят к впе-
чатляющим модификациям полярных свойств кристаллов и, таким образом, на
границах раздела, а потом и в приборах реализуются нужные концентрации но-
сителей заряда. Таким образом, и в некотором отношении это очень похоже на
кремний, огромный успех III-N-материалов основан не только на параметрах
переноса зарядов в объемном материале (отметим, что параметры р-материалов
не могут сравниваться с n-свойствами в III-N-материалах), а вследствие свойств
границы раздела. В случае кремния успех основан на существовании природно-
го оксида, который может быть оптимизирован и использован с успехом [2.411]
и который может быть заменен другими диэлектриками, которые также хорошо
применимы на кремнии [2.136, 2.145].
Рис. 2.1. Связь ширины запрещенной зоны при Треш = 300 K с постоянными
решетки для III-N-полупроводников. Другие III-V-полупроводники
даны для сравнения
30 Глава 2. III-N-материалы и современное состояние развития технологии
изготовления приборов и схем
В случае III-N-гетероструктур границы раздела дают возможность форми-
ровать n-каналы и обеспечивать крайне высокую двумерную концентрацию
носителей заряда ≥ 1013 см–2 благодаря поляризации без последующего введе-
ния легирующих примесей. С другой стороны, в отличие от кремния, грани-
цы раздела «полупроводник—диэлектрик» не могут в III-N-материалах быть
столь совершенными. Подходящие границы раздела могут быть практически
сформированы, однако эти границы раздела и их поведение в долгосрочной
перспективе не очень хорошо понятны, прежде всего вследствии высокой кон-
центрации ловушек.