Введение
Одним из важнейших элементов твердотельной сверхвысокочастотной (СВЧ) электронной компонентной базы являются усилители мощности на гетероструктурных полевых транзисторах. Они используются для разработки и производства систем беспроводной связи, в том числе стационарной и мобильной телекоммуникационной аппаратуры, высокоскоростной оптоволоконной связи, спутникового и кабельного телевидения, в том числе телевидения высокой чёткости, устройств радиолокации на основе активных фазированных антенных решёток, радиоастрономии, телеметрии, контрольно-измерительной аппаратуры и многого другого.
 |
| Рис. 1. Некоторые области применения усилителей мощности на основе гетероструктурных полевых транзисторов. |
| Источник: http://технодоктрина.рф/ |
В последние годы в мире наблюдается бурный всплеск активности в области разработки мощных полевых транзисторов на основе широкозонных материалов, особенно на гетероструктурах на основе нитрида галлия (GaN) (1) , и их использования в различных типах усилителей мощности. Этот материал обладает рядом свойств, позволяющих получать высокие характеристики СВЧ полевых транзисторов, такие как удельная выходная мощность, коэффициент усиления и коэффициент полезного действия.
В России также ведутся активные разработки транзисторов на основе этого материала. Однако в настоящее время промышленная технология изготовления полевых транзисторов на основе нитрида галлия в России находится на этапе становления, и потребуется ещё по крайне мере несколько лет до её внедрения в серийное производство, а также значительные финансовые вложения. В современных условиях санкций и информационной борьбы данное обстоятельство может плохо отразится как на обороноспособности государства, так и на его конкурентоспособности в области высоких технологий.
В то же время Россия обладает промышленной технологией изготовления полевых транзисторов на основе арсенида галлия (GaAs). Долгие годы мощные СВЧ транзисторы типа pHEMT (pseudomorphic high electron mobility transistor) на основе традиционных арсенидгаллиевых гетероструктур были основным элементом устройств сантиметрового и миллиметрового диапазонов длин волн. С момента их появления и до сих пор во всем мире ведутся исследования, направленные на улучшение параметров мощных СВЧ транзисторов на основе GaAs (2). Но именно российские учёные два года назад нашли уникальный технический приём, позволяющий вывести характеристики транзисторов на основе GaAs на уровень характеристик СВЧ транзисторов на основе GaN.
Основная часть
Выходные характеристики гетероструктурных полевых транзисторов определяются многими факторами: параметрами гетероструктуры, размерной обработкой, топологией, конкретным технологическим маршрутом изготовления и т.д. Однако именно оптимальная конструкция и высокое качество гетероструктуры определяют основные электрофизические характеристики структуры pHEMT (подвижность μe и концентрацию ns двумерного электронного газа в канале транзистора), от которых зависят характеристики СВЧ приборов. Поэтому, наряду с уменьшением длины затвора и оптимизацией технологии изготовления транзистора, оптимизация конструкции гетероструктуры pHEMT и условий выращивания отдельных слоев является актуальной задачей и влечёт за собой фундаментальные и прикладные исследования электронных транспортных свойств (3).
Попытки оптимизации гетероструктур для мощных полевых транзисторов сталкиваются с большим набором жёстких физических и технологических ограничений (4). Создаётся впечатление, что за многие годы работ с гетероструктурами на основе арсенида галлия для мощных полевых транзисторов был найден примерный набор оптимальных толщин слоёв и концентраций легирующей примеси в них. Различные варианты конструкций типичных серийных транзисторов на основе традиционной псевдоморфной гетероструктуры AlGaAs−InGaAs−GaAs демонстрируют примерно одинаковую удельную выходную мощность на уровне 1Вт/мм2. Вероятно, это оказалось одной из важных причин, почему в последние годы максимум научной активности сместился в область исследования широкозонных материалов, позволяющих получать существенно большие величины удельной выходной мощности, хотя и при значительном снижении подвижности. Однако более тщательный анализ процессов, определяющих работу транзисторов с затвором субмикронной длины, показывает, что псевдоморфные гетероструктуры далеко не исчерпали все свои возможности.
Два года назад коллектив авторов из ОАО НПП «Исток» им. Шокина и ИФП СО РАН предложил новый тип псевдоморфных арсенидгаллиевых гетероструктур с дополнительными потенциальными барьерами и разработал технологию создания нового типа полевых транзисторов на их основе. Потенциальные барьеры создавались легированием акцепторами широкозонных слоев AlGaAs вокруг канала. Первые же эксперименты показали почти двукратное увеличения удельной выходной мощности с 0,9 Вт/мм, для обычных гетероструктурных транзисторов, до 1,6 Вт/мм, для транзисторов нового типа, и коэффициента усиления с 7,5 дБ до 9,5 дБ соответственно, на частоте 10 ГГц. Также эти транзисторы обладают высоким КПД – около 50% (5).
 |
| Рис. 2. СВЧ полевой транзистор типа pHEMT на основе GaAs гетероструктуры с дополнительными потенциальными барьерами: а) фотография серийного полевого транзистора; б) продольный разрез транзистора; в) упрощенное представление слоев новой гетеростуктуры. |
| Источник: http://технодоктрина.рф/ |
Простые оценки показывают, что после незначительной доработки технологии на основе новых гетероструктур практически при той же себестоимости можно получить ещё более впечатляющие результаты (6), а именно:
- оптимизируя параметры гетероструктуры и используя T-образный или Г-образный затвор длиной менее 0,25 мкм, можно получить полевые транзисторы в Х-диапазоне с удельной выходной мощностью 3 Вт/мм при коэффициенте усиления 13–14 дБ и КПД при настройке на максимальную мощность 55–60%,
- используя полевой электрод при той же длине затвора, удельную выходную мощность транзисторов на основе GaAs можно увеличить до 6 Вт/мм при коэффициенте усиления 8–10 дБ и КПД при настройке на максимальную мощность 55–60% (уровень мощности нитрида галлия, но коэффициент усиления в 1,5–2 раза выше).
Заключение
Представлены результаты разработки нового типа мощных полевых транзисторов Х-диапазона длин волн на основе арсенидгаллиевых гетероструктур с дополнительными потенциальными барьерами, сформированными с помощью слоёв, легированных донорами и акцепторами. Транзисторы на новой гетороструктуре показали почти двукратное увеличение выходной мощности и коэффициента усиления. В ближайшее время, после незначительной доработки технологии, могут быть получены транзисторы на основе GaAs по мощности соответствующие транзисторам на основе GaN.
Это уникальная прорывная технология основана на фундаментальных исследованиях, проведённых коллективом авторов из ОАО НПП «Исток» им. Шокина и ИФП СО РАН. Ее можно использовать для серийного производства транзисторов уже сегодня. Однако её невозможно быстро коммерциализировать, о чем мечтают все бизнесмены и на что направлена вся современная российская политика, однако именно эта технология может обеспечить технологическое лидерство нашей страны в области СВЧ электроники.
Поэтому, чтобы обеспечить технологическое лидерство России в будущем, необходимо равномерно распределять финансовую поддержку государства как на быстро реализуемые инновационные проекты, так и на фундаментальные исследования.
Авторы
- Капралова А.А., Инженер 1-ой категории
- Лукашин В.М., ст. науч. сотр. АО «НПП «Исток» им. Шокина»
- Пашковский А.Б., д-р физ.–мат. наук, начальник отдела АО «НПП «Исток» им. Шокина
- Лапин В.Г., канд. техн. наук, начальник отделения АО «НПП «Исток» им. Шокина
- Щербаков С.В., канд. техн. наук, заместитель генерального директора, директор по научной работе ОАО «НПП «Исток» им. Шокина»
- Журавлёв К.С., д-р физ.–мат. наук, вед. науч. сотр., «ИФП им. Ржанова» СОРАН, г. Новосибирск
- Торопов А.И., Канд. физ.-мат. наук начальник лаборатории «ИФП им. Ржанова» СОРАН. г. Новосибирск
Список литературы:
- Кищинский А.А. Твердотельные СВЧ-усилители мощности на нитриде галлия – состояние и перспективы развития. // Материалы 19-й Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии». – Севастополь, Вебер, 2009. – С.11–16.
- Кальфа А.А., Тагер А.С. Гетероструктуры с селективным легированием и их применение в полевых транзисторах СВЧ // Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ. 1982. – Вып. 12 (348). – С. 26–38.; Gaquiere C., Grunenutt J., Jambon D., Dolos E., Ducatteau D., Werquin M., Treron D., Fellon P. A high-power W-band pseudomorphic InGaAs channel PHEMT // IEEE Electron Device Letters. 2005. – Vol. 26 (8). – P. 533–534.; Baeta Moreira M.V., Py M.A., Gailhanou M., Ilegems M. Electrical characterization of pseudomorphic GaAs/InGaAs/AlGaAs and AlGaAs/InGaAs/AlGaAs modulation doped field effect transistor‐type heterostructures grown by molecular‐beam epitaxy // Journal of Vacuum Science & Technology. – B., 1992. - Vol.10 (1). - P.103-109; Wu C.S., Ren F., Pearton S.J., Hu M., Pao C.K., Wang R.F. High efficiency microwave power AlGaAs/InGaAs PHEMTs fabricated by dry etch single gate recess // IEEE Tran. Electron Devices. 1995. – Vol. 42 (8). – P.1419–1424.
- Василевский И.С., Галиев Г.Б., Климов Е.А., Мокеров В.Г., Широков С.С., Имамов Р.П., Субботин И.А. Электрофизические и структурные свойства двусторонне дельта-легированных PHEMT-гетероструктур на основе AlGaAs/InGaAs/AlGaAs // Физика и техника полупроводников. 2008. – Т. 42, вып. 9. – С.1102–1109.
- TriQuint Semiconductor // Advance Product Information. 2005. – Sept.19. – Кувшинова Н.А., Лапин В.Г., Лукашин В.М., Петров К.И. Мощный полевой транзистор со смещенным к истоку Г-образным затвором // Радиотехника. 2011. – Вып. 11. – С. 90–95.
- Лукашин В.М., Пашковский А.Б., Журавлёв К.С., Торопов А.И., Лапин В.Г., Соколов А.Б. Уменьшение роли поперечного пространственного переноса электронов и рост выходной мощности гетероструктурных полевых транзисторов // Письма в Журнал технической физики. 2012. – Т. 38, вып. 17. – С. 84
- Лукашин В.М., Пашковский А.Б., Журавлёв К.С., Торопов А.И., Лапин В.Г., Голант Е.И., Капралова А.А. Перспективы развития мощных полевых транзисторов на гетероструктурах с донорно-акцепторным легированием // Физика и техника полупроводников. 2014. – Т. 48, вып. 5.– С. 684–692
