Об этом стало известно на Российской конференции по физике полупроводников.
Сверхвысокочастотные устройства современных радиолокационных систем должны работать при высоких температурах, иметь небольшие размеры и вес, обеспечивать заданный уровень выходной мощности. Основной элемент СВЧ-устройств — транзистор с высокой подвижностью электронов. Для изготовления этих приборов в последнее время применяется нитрид галлия (GaN). Спектр его свойств позволяет уменьшить число транзисторов в каскадах СВЧ-устройств (а, значит, и габариты), увеличить их мощность и обеспечивает стабильность работы при повышенных температурах, наличии радиационного фона. Однако существует распространенная технологическая проблема, влияющая на мощность транзистора: в процессе синтеза в кристаллическую структуру полупроводникового материала GaN встраивается кислород, приводя к нежелательным изменениям электрофизических свойств материала. Например, он начинает проводить ток, там где должен выступать в качестве диэлектрика.
«Мы смогли избавиться от паразитной (ненужной) проводимости в буферном слое нитрида галлия, выбрав определенные параметры условий роста. Нитрид-галлиевые транзисторы создаются на основе полупроводниковых гетероструктур, содержащих несколько слоев. Один из них — буферный — должен иметь высокое сопротивление. Именно в этом слое находится двумерный электронный газ — проводящий элемент транзистора. Однако из-за атомов кислорода, привносящих носители заряда — электроны, в буферном слое появляются токи утечки. Последнее приводит к деградации электрофизических характеристик транзистора и, как следствие, уменьшению мощности транзистора», — рассказал ведущий инженер-технолог лаборатории молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) полупроводниковых соединений А3В5 Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН Тимур Валерьевич Малин.
Полупроводниковые гетероструктуры GaN выращиваются методом молекулярно-лучевой эпитаксии: в условиях сверхвысокого вакуума на поверхность подложки подаются пары металлов и газ — аммиак. В процессе химической реакции на поверхности растет полупроводниковая плёнка, наследуя кристаллическую структуру подложки. В данном случае необходимо максимальное соблюдение чистоты процесса, потому что даже один примесный атом на миллион может кардинально поменять свойства полупроводника.
Несмотря на тщательную фильтрацию и откачку, в сверхвысоковакуумных камерах, где выращиваются полупроводниковые кристаллы, присутствует остаточный атмосферный кислород. Вхождение его атомов в кристаллическую структуру нитрида галлия приводит к появлению свободных электронов, и, как уже говорилось, появлению паразитной проводимости в буферном слое. Чтобы избежать этого явления, традиционно используется дополнительное введение углерода или железа для захвата «лишних» электронов или намеренное создание дефектов в начальных слоях GaN. Оба этих способа могут приводить к ухудшению параметров проводящего элемента транзистора и, как следствие, снижению мощности прибора. Ученые ИФП СО РАН нашли иной вариант решения проблемы, манипулируя ростовыми условиями, не добавляя никаких примесей и сохраняя структурное совершенство слоя нитрида галлия.
«С помощью определенного математического алгоритма мы рассчитали оптимальные параметры роста для создания буферного слоя с высоким электрическим сопротивлением. В результате, при выращивании полупроводниковых гетероструктур мы использовали более низкие температуры (800 0C из диапазона 800 0C — 920 0C ) при скорости потока аммиака 250 миллилитров в минуту. Это позволило снизить вхождение кислорода в буферный слой нитрида галлия. Также мы убедились, что выбранные параметры не приводят к ухудшению других свойств всей многослойной полупроводниковой структуры», — объяснил Тимур Малин.
Комплекс исследовательских работ проводился в ИФП СО РАН под руководством доктора физико-математических наук Константина Сергеевича Журавлева в сотрудничестве с Новосибирским государственным университетом, Физико-техническим институтом им. А.Ф. Иоффе РАН и Московским институтом электронной техники.
В дальнейших планах ученых — апробация технологического процесса на новой более современной автоматизированной и производительной установке для синтеза нитридных гетероструктур «Compact 21-N» производства французской фирмы Riber. Это оборудование Центра коллективного пользования ИФП СО РАН позволит создавать полупроводниковые гетероструктуры большего размера за меньшее время. В их приобретении заинтересованы отечественные производители силовой и СВЧ— электроники.
Пресс-служба ИФП СО РАН,
Дмитриева Надежда
Ноа фото в заставке: Ведущий инженер-технолог ИФП СО РАН Тимур Малин за работой на установке «Compact 21-N».
