Введение

Нитрид галлия (GaN) давно интересует исследователей и разработчиков полупроводниковых приборов. Гетероструктуры GaN и его твёрдых растворов обладают физическими свойствами, которые обеспечивают электронным приборам, созданным на их основе, оптические, мощностные и частотные характеристики, позволяющие применять их в разных областях полупровод­никовой электроники.

Структуры на основе полупроводниковых нитридов (GaN, AlN) и некоторые соединения типа AlGaN и InGaN уже около 20 лет рассматриваются как перспективные материалы для электронной и оптоэлектронной техники [1–3]. В этих материалах имеется возможность управлять концентрацией двумерного газа носителей, что позволяет оптимизировать их свойства под конкретные применения [4]. Структуры на основе GaN можно использовать в качестве активных сред в лазерных диодах и светодиодах в области коротких длин волн. С их помощью можно получать структуры с барьерами Шоттки для приборов силовой электроники.

Одним из направлений исследований этих материалов является создание светодиодов коротковолновой (сине-зелёной) области видимого спектра и ближней ультрафиолетовой области спектра, а также светодиодов белого цвета свечения на основе системы «кристалл-люминофор» (полупровод­никовый кристалл, покрытый люминофором). Именно за создание ярких синих светодиодов на основе гетероструктур GaN и его твёрдых растворов, а также белых светодиодов, профессорам Исаму Акасаки и Хироси Амано из Университета г. Нагоя (Япония) и профессору Шуджи Накамура из Университета Калифорнии (США) была присуждена Нобелевская премия по физике 2014 г. [5].

Однако следует отметить, что GaN является перспективным материалом не только для оптоэлектроники в целом и светодиодных структур в частности. На его основе успешно развиваются и другие направления современной электроники, в том числе создание СВЧ-транзисторов.

Транзисторы на основе GaN-гете­роструктур перспективны для применения в передающих СВЧ-устройствах. Основное преимущество СВЧ-тран­зисторов на основе GaN – высокая удельная мощность, что позволяет существенно упростить топологию интегральных схем усилителя мощности, повысить эффективность, уменьшить массу и улучшить габаритные параметры. Развитие технологии на основе GaN в последние несколько лет привело к существенным практическим результатам и освоению в промышленном производстве мощных СВЧ-транзисторов и монолитных интегральных схем [6].

Оптимизация технологии создания GaN-структур для СВЧ-транзисторов

Улучшение характеристик структур на основе GaN, применяемых для создания СВЧ-транзисторов, стало возможным благодаря разработке новых технологических приёмов.

Одним из таких методов является технология углубления подзатворной области путём плазмохимического травления, которое обычно совмещается с процессом травления щели в диэлектрике [4]. В результате происходит улучшение многих параметров. Например, увеличение крутизны транзистора из-за уменьшения расстояния затвор–канал, снижение сопротивления истока и стока из-за отсутствия обеднения областей затвор–исток и затвор–сток транзистора, уменьшение или даже устранение переходных процессов при включении транзистора из-за уменьшения влияния ловушек в области затвор-сток, так как поверхность, на которой они находятся, может быть отодвинута на безопасное расстояние. В связи с этим технологи предлагают выращивать пассивирующий слой диэлектрика непосредственно после выращивания всех слоёв гетероструктуры [4].

Кроме того, в последние годы развернулись исследования, направленные на поиск новых пассивирующих материалов для транзисторных гетероструктур на основе GaN и его твёрдых растворов. Применение новых материалов позволяет увеличить более чем в два раза импульсный ток транзистора и его крутизну, а также значительно уменьшить времена включения за счёт компенсации поверхностных состо­яний [4, 7].

Исследователи и разработчики из Cree, TriQuint, Northrop Grumman и других компаний достигли высоких частотных характеристик транзисторных структур, которые стали основой для разработки и создания эффективных интегральных схем усилителей мощности, работающих в разных диапазонах. Эти микросхемы более чем в 10 раз превосходят интегральные схемы на основе арсенида галлия (GaAs) по массогабаритным параметрам [4]. Упомянутыми производителями уже освоен массовый выпуск усилителей мощности на основе GaN-гетероструктур с частотами до 100 ГГц, а компания QuinStar Technology совместно с HRL разрабатывает приёмопередающие модули для радиолокаторов диапазона 94 ГГц с выходной мощностью более 5 Вт [4].

Таким образом, за последние несколько лет были решены ключевые производственные и технологические проблемы, которые сдерживали выход транзисторов и монолитных ИС на основе GaN на коммерческий уровень [6]. В настоящее время началось активное внедрение технологии на основе GaN в область СВЧ-приборов. Темпы промышленного освоения новой технологии существенно (в 2–3 раза) превышают темпы, которыми развивались технологии создания приборов на основе кремния и GaAs [6]. В ближайшие годы приборы как на основе GaN, так и на основе GaAs могут освоить частотный диапазон 1…50 ГГц. Однако следует отметить, что, по сравнению с GaAs, технология на основе GaN обладает серьёзными преимуществами характеристик и свойств, тогда как технология на основе GaAs имеет меньшую себестоимость и более высокий уровень освоенности в массовом производстве [6].

Тем не менее, следует ожидать, что по мере внедрения технологии на основе GaN в массовое производство и с ростом выпуска продукции её себестоимость будет снижаться. Новые решения в области GaN-технологии предлагают ведущие мировые производители СВЧ-приборов, в частности, компания RFHIC.

Решения компании RFHIC для СВЧ-приборов на основе GaN

Компания RFHIC (Южная Корея) была основана в 1999 г. и завоевала лидирующие позиции на рынках телекоммуникационного оборудова­ния и оборудования для кабельного телевидения за счёт инновационного подхода к технологии создания компонентов. Для обеспечения заказчиков высококачественной продукцией на оптимальных условиях компанией RFHIC на собственном заводе реализован полный производственный цикл, включающий в себя разработку изделия и его сборку, в которую входит установка кристалла на основание, разварка контактов, корпусирование и герметизация.

В настоящее время компания RFHIC выпускает широкую номенклатуру изделий на основе GaN для СВЧ-электроники, начиная от усилителей для кабельного телевидения и заканчивая мощными усилителями для радио­локации. Рассмотрим ключевые особенности изделий этой компании.

Прежде всего, в линейке продукции компании RFHIC стоит отметить усилители для беспроводных систем связи (см. рис. 1). Данные усилители предназначены для применения в современных сетях, использующих различные форматы передачи данных, включая LTE, CDMA, WCDMA и WiMAX. Их можно разделить условно на группы по мощности и рабочему диапазону напряжения.

К первой группе можно отнести усилители с номинальной мощностью в диапазоне 5…10 Вт и с рабочим напряжением 28 В. Данные усилители предназначены для работы в диапазоне частот 2…3 ГГц и имеют коэффициент усиления 40 дБ.

К следующей группе можно отнести усилители с номинальной мощностью 28 Вт и с рабочим диапазоном напряжения 48…50 В. Данные усилители предназначены для работы в диапазоне частот 0,8…3 ГГц и имеют коэффициент усиления 44,5 дБ.

К третьей группе относятся усилители с номинальной мощностью 56 Вт и с рабочим диапазоном напряжения 48…50 В. Они также предназначены для работы в диапазоне частот 0,8…3 ГГц, а коэффициент усиления составляет 47,5 дБ.

К четвертой группе можно отнести усилители с номинальной мощностью 80 Вт и с рабочим диапазоном напряжения 48…50 В. Данные усилители предназначены для работы в диапазоне частот от 0,8…3 ГГц и имеют коэффициент усиления 55 дБ.

Кроме того, к числу усилителей для беспроводных систем связи относятся гибридные усилители с мощностью от 1 до 5 Вт и рабочим напряжением 28 Вт, а также усилители, реализованные на основе схемы Доггерти, мощностью 7 Вт и рабочим напряжением 31 В. Указанные усилители предназначены для работы в области частот 0,8…3 ГГц со значениями коэффициента усиления 27…38 дБ и в диапазоне частот 1,5…3 ГГц со значениями коэффициента усиления 14…16 дБ, соответственно.

Основные модели и характеристики усилителей для беспроводной связи компании RFHIC приведены в таб­лицах 1–3.

Поскольку эти усилители созданы на основе GaN, они могут работать при высоких значениях температуры и напряжения.

Усилители для импульсных радиолокационных станций (см. рис. 2) на базе GaN имеют широкие частотные диапазоны, покрывающие практически весь спектральный промежуток частот от 135 МГц до 10 ГГц, а также высокий уровень мощности.

Усилители для РЛС также стоит условно разделить на несколько групп. К первой можно отнести гибридные усилители. Они перекрывают достаточно широкий диапазон рабочих частот от 400–450 МГц до 9,3–9,5 ГГц. Их коэффициенты усиления могут принимать значения в диапазоне 11…33 дБ. Эффективность усилителей данной группы может достигать от 40 до 70%.

К следующей группе можно отнести малошумящие усилители. Эти усилители перекрывают диапазон рабочих частот от 1,2–1,4 ГГц до 9,3–9,5 ГГц, а коэффициент усиления принимает значение в диапазоне 10…18 дБ. Эффективность данных усилителей достигает значений от 18 до 30%.

К третьей группе стоит отнести паллетные усилители. Они перекрывают диапазон частот от 135–460 МГц до 9,0–10,0 ГГц, а коэффициент усиления занимает диапазон значений 8…39 дБ. Эффективность данного типа усилителей составляет от 5 до 20%.

В отдельную группу можно выделить мощные усилители. Значение выходной мощности таких усилителей может достигать значений от 200 Вт до 2,6 кВт, рабочие диапазоны частот перекрывают практически всю область от 1,02–1,03 ГГц до 9,30–9,50 ГГц. Значение их коэффициента усиления лежит в диапазоне 20…63 дБ, а эффективность составляет от 20 до 45%.

Основные модели и характеристики усилителей для РЛС на основе GaN компании RFHIC приведены в таб­лицах 4–8.

К этой же категории изделий относятся выпрямители-преобразователи на основе GaN. Их основные модели и характеристики также приведены в таблицах 4–8.

Ещё одним типом продукции компании RFHIC являются мощные усилители для различных применений (см. рис. 3).

Они разработаны также на основе GaN, что позволяет применять эти устройства в жёстких условиях эксплуатации, в частности, при повышенной температуре окружающей среды. Данные усилители перекрывают достаточно широкие диапазоны частот, примерно от 20–512 МГц до 2,0–6,0 ГГц. Значения коэффициента усиления занимают диапазон 17…60 дБ, а рабочие значения напряжений лежат в диапазоне 24…33 В. Основные модели данной группы и их характеристики представлены в таблице 9.

Следует отметить, что компания RFHIC не ограничивается поставкой исключительно серийной продукции, а обеспечивает также доработку своих изделий согласно требованиям заказчика. Этим преимуществом могут воспользоваться российские потребители СВЧ-компонентов.

Например, из-за некоторых различий между отечественными и зарубежными стандартами на частотные диапазоны и соответствующими значениями мощностей изделий в СВЧ-диапазонах, зачастую у российских разработчиков нет возможности найти комплектующие зарубежного производства, которые полностью соответствовали бы российским требованиям. Возможным решением данной проблемы могло бы стать либо тестирование импортного усилителя в требуемом диапазоне частот, либо небольшая доработка продукта, что обеспечит соответствие российским стандартам. Специалисты компании RFHIC готовы осуществить оба этих варианта, что подтверждается целым рядом проектов, успешно реализованных в течение нескольких последних лет компанией ProChip.

Заключение

Достигнутые за последнее время успехи в области технологии создания гетероструктур на основе GaN и его твёрдых растворов демонстрируют перспективность применения этих материалов в электронных и опто­электронных приборах. Достижения отмечаются как в характеристиках светодиодных структур, так и в технологии изготовления этих структур для СВЧ-транзисторов. Новые исследования и разработки в области СВЧ-микроэлектроники, связанные с расширением области применения транзисторов на основе широкозонных структур на базе GaN в миллиметровый и субмиллиметровый диапазоны длин волн, открывают широкие возможности для разработчиков.

Стоит также отметить, что переход технологии выращивания GaN-гетеростурктур на использование в массовом производстве подложек диаметром 6 дюймов (150 мм) позволит дополнительно ускорить развитие данного направления, а также существенно снизить себестоимость кристаллов за счёт увеличения выхода годной продукции. Такие подложки на протяжении уже нескольких лет используются в массовом производстве светодиодных структур и структур силовых приборов. Технологические успехи, которые обеспечили на пластинах диаметром 150 мм высокие характеристики в сочетании с отличной однородностью по толщине, удельным сопротивлением и качеством слоёв, позволили начать использование данных пластин и в массовом производстве СВЧ-компонентов. Уже в ближайшем будущем следует ожидать дальнейших успехов применения GaN-гетероструктур в области СВЧ-электроники.

Литература

1. Туркин А.Н. Нитрид галлия как один из перспективных материалов в современной оптоэлектронике. Компоненты и технологии. 2011. №5. С. 6–10.
2. Юнович А.Э. Светодиоды на основе гетероструктур из нитрида галлия и его твердых растворов. Светотехника. 1996. № 5/6. С. 2–7.
3. Золина К.Г., Кудряшов В.Е., Туркин А.Н., Юнович А.Э. Спектры люминесценции голубых и зелёных светодиодов на основе многослойных гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN с квантовыми ямами. ФТП. 1997. Том 31. № 9. С. 1055–1061.
4. Фёдоров Ю. Широкозонные гетероструктуры (Al,Ga,In)N и приборы на их основе для миллиметрового диапазона длин волн. Электроника НТБ. 2011. № 2. С. 92–107.
5. Туркин А.Н., Юнович А.Э. Лауреаты Нобелевской Премии 2014 года: по физике – И. Акасаки, Х. Амано, С. Накамура. Природа. 2015. № 1. С. 75–81.
6. Кищинский А.А. Твердотельные СВЧ-усилители на нитриде галлия – состояние и перспективы развития. Материалы 19-й Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные тех-нологии». Севастополь. Вебер. 2009.
7. Фёдоров Ю.В., Гнатюк Д.Д., Галиев Р.Р., Щербакова М.Ю., Свешников Ю.Н., Цыпленков И.Н. Усилители мощности КВЧ-диапазона на гетероструктурах AlGaN/AlN/GaN/Сапфир. Материалы IX научно-технической конференции «Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА». Звенигород. 1–3 декабря 2010 г. С. 44–46.