Методическое пособие 751

которых получено одинаковым способом. В таблице представлены в сравнении основные параметры имеющихся образцов кристаллодержателей, металлизационное покрытие которых получено способом вжигания пасты и способом конденсации металлов в вакууме. Видно, что минимальная толщина металлизационного слоя керамического кристаллодержателя может быть получена как методом конденсации металлов в вакууме, так и методом вжигания пасты. Таким образом, определяющим условием являются параметры качества исходной поверхности керамических кристаллодержателей при разных технологиях получения металлизационного покрытия.

Основные параметры металлизационного слоя керамического кристаллодержателя

Важным параметром для качественной напайки кристаллов является распределение по толщине металлизации в пределах одного металлизационного поля. Измерение химического состава и толщины финишного никелевого и золотого покрытия, металлизированных поверхностей держателей проводилось рентгено-флуорисцентным методом (неразрушающий контроль) с помощью толщиномера X-Strata, созданной программы по эталонному образцу (образец с толщиной слоя никеля 1 мкм на молибденовой подложке) и процедуры микрофокусировки в заданной точке поверхности.

Для образцов группы 1 имеет место широкое распределение по толщинам никелевого слоя в пределах одного кристаллодержателя, при этом каждое металлизационное поле характеризуется своим значением. Толщина никелевого покрытия в области напайки кристалла находится в диапазоне 4,2 – 4,8 мкм, в области разварки выводов 8,2 – 10,6 мкм. Образцы группы 2 характеризуется равномерным распределением Ni по толщине (толщина составляет 1,0 – 2,0 мкм).

140

Микроскопический анализ корпусов транзисторов показал, что качество паяных швов выводов и фланца к металлизированным полям керамического держателя является удовлетворительным, утяжки припоя, пористость шва, непропаи и прочие дефекты в паяных швах отсутствуют у всех типов кристаллодержателей. Проведенное испытание на отрыв выводов показало, что при приложении растягивающей силы вдоль оси вывода усилием в 6 кгс и времени выдержки данного усилия не менее 10 с разрушения паяного шва, а также отрыва выводов не наблюдается.

Монтаж кристаллов на обе группы исследуемых корпусов проводился методом контактно-реактивной пайки с образованием эвтектического сплава золото-кремний. На паяемую сторону кристаллов в составе пластины был нанесен стой аморфного кремния с предварительной подготовкой поверхности в растворе HF + H2O (1 : 50) [3]. На изготовленных транзисторах проводился контроль теплового сопротивления кристалл-корпус Rt с использованием тепловизора. Тепловое сопротивление рассчитывалось как отношение разности температур кристалла и корпуса к выделяемой мощности транзистора. Картины распределения тепловых полей совместно со значением теплового сопротивления характеризуют надежность полупроводниковых изделий. Примеры распределения тепловых полей для двух групп корпусов приведены на рис. 3 и 4.

Рис.3. Распределение тепловых полей транзистора КП979В

с кристаллодержателем из BeO, металлизированного методом вжигания пасты (напряжение питания Uси = 28 В, ток сток-исток Iси = 7,36 А,

температура кристалла Tpn = 200 °C, температура корпуса Tк = 69 °C, тепловое сопротивление Rt = 0,636 °C/Вт)

Рис. 4. Распределение тепловых полей транзистора КП979В

с кристаллодержателем из BeO, металлизированного методом конденсации металлов в вакууме (напряжение питания Uси = 28 В, ток сток-исток

Iси = 10,6 А, температура кристалла Tpn = 200 °C, температура корпуса Tк = 84 °C, тепловое сопротивление Rt = 0,384 °C/Вт)

141

Значения теплового сопротивления кристалл-корпус Rt для транзисторов КП979В, изготовленных с применением кристаллодержателя из BeO, металлизированного по толстопленочной технологии, находятся в пределах 0,583 – 0,767 °C/Вт, а при использовании тонкопленочной технологии – 0,314 – 0,458 °C/Вт.

Вывод

Параметры металлизационного слоя кристаллодержателя определяют качество напайки кристаллов и значения теплового сопротивления. Основными параметрами, обеспечивающими качественную напайку кристаллов, являются: минимальная общая толщина металлизационного слоя (8 – 16 мкм), наличие финишного никелевого покрытия оптимальной толщины порядка (1,0 – 2,0) мкм, минимальный разброс по толщинам металлизации в пределах одного металлизационного поля, а также минимальная шероховатость рисунка металлизации. Лучшие результаты измерения теплового сопротивления кристаллкорпус получены на кристаллодержателях, металлизация которых выполнена методом конденсации металлов в вакууме. Применение в производстве кристаллодержателей с металлизацией, полученной методом вжигания пасты, возможно при условии улучшения качества поверхности (уменьшения шероховатости и толщины металлизационного слоя) с целью снижения теплового сопротивления до приемлемых значений.

Литература

1.Пешков С. В. Гальваническое осаждение золота на металлизированную керамику / С. В. Пешков, О. Н. Пахомов, О. В. Марченко // Физико-химические процессы в конденсированных средах и на межфазных границах: матер. VII Всерос. конф., Воронеж, 2015. – С. 118-119.

2.Способ изготовления микрополосковых СВЧ-интегральных схем: пат. 2341048 Рос. Федерация : МПК H 05 K 3/18 / Крючатов В. И., заявитель и патентообладатель ФГУП «Федеральный НПЦ «Радиоэлектроника» им. В.И. Шимко». – №2007127414/09. заявл. 28.06.07, опубл. 10.12.2008, Бюл. № 34. – 3 с. : ил.

3.Влияние технологических факторов при изготовлении полупроводниковых пластин и металлокерамических корпусов на качество монтажа Si кристаллов в производстве СВЧ транзисторов / А. И. Землянский [и др.] // Твердотельная электроника, микроэлектроника и наноэлектроника: межвуз. сб. науч. тр. – Воронеж: Изд-во ВГТУ, 2020. – Вып. 19. – С. 98-104.

4.Мартынов И. А. Измерение теплового сопротивления кристалл – корпус микросхем и полупроводниковых приборов с использованием тепловизора

/И. А. Мартынов // Известия СПБГЭТУ (ЛЭТИ). – 2016. – № 4. – С. 3-6.

АО «Научно-исследовательский институт электронной техники», г. Воронеж

142

УДК 621.372

В.Р. Власик, А.В. Арсентьев

РАЗВИТИЕ И ОСОБЕННОСТИ ТРАНЗИСТОРОВ С ВЫСОКОЙ ПОДВИЖНОСТЬЮ ЭЛЕКТРОНОВ (HEMT-СТРУКТУР)

Проведен обзор функционала и возможностей развития транзисторов с высокой подвижностью электронов, выявлены их сильные стороны по сравнению с классическими транзисторами. После проведения исследовательской работы определены возможные направления для моделирования транзисторов с помощью программ

TCAD.

Внаше время наиболее распространенными являются структуры на основе полевых и биполярных транзисторов, однако их размеры и возможности близятся к пределу. Также близятся к пределам возможности структур на основе Si. Вследствие чего развитие получили альтернативные структуры с иными принципами работы и материалами в их основе. В данной работе рассматриваются преимущества и недостатки структуры с высокой подвижностью электро-

нов (HEMT).

Впоследние годы транзисторы с высокой подвижностью электронов (HEMT) привлекли к себе пристальное внимание благодаря превосходной подвижности электронов, обеспечивающему высокоскоростные и мощные приложения. HEMT-устройства конкурируют с традиционными полевыми транзисторами (FET) и заменяют их благодаря отличным характеристикам на высоких частотах, улучшенной плотности мощности и удовлетворительной эффективности [1]. Характеристики приборов обсуждаются на основе существующей литературы, включая как аналитические, так и численные модели.

Для решения задач, связанных с высокой частотой, низким уровнем шума

ивысокой плотностью мощности, традиционные МОП- и МЭС-транзисторы должны быть изготовлены с очень короткой длиной канала, чтобы большинство носителей сталкивались с минимальным рассеянием примесей и ухудшением характеристик. Такие приложения также подразумевают ограничения по конструкции и производительности, требующие высокого тока насыщения, а также большой проводимости, что может быть достигнуто за счет сильного легирования. Для преодоления этих ограничений в устройствах HEMT используются гетеропереходы, сформированные между двумя различными материалами с полосой пропускания, где электроны заключены в квантовый колодец, чтобы избежать рассеяния примесей [2]. Материал с прямой полосой пропускания GaAs используется в высокочастотных операциях, а также в оптоэлектронных

143

интегральных схемах благодаря более высокой подвижности электронов и диэлектрической проницаемости. AlGaAs является наиболее подходящим кандидатом на роль барьерного материала для GaAs, обладая почти такой же постоянной решетки и более высокой полосой пропускания, чем у GaAs. Именно поэтому гетероструктура GaAs/AlGaAs считается наиболее популярным выбором для включения в HEMTs. Однако AlGaN/GaN HEMT – это еще одно превосходное устройство, которое широко исследовалось в последнее время. Он может работать на очень высоких частотах с удовлетворительными характеристиками, а также обладает высокой пробивной способностью и высокой скоростью электронов в насыщении [3]. GaN демонстрирует очень сильную пьезоэлектрическую поляризацию, которая способствует накоплению огромного количества носителей на границе раздела AlGaN/GaN. В этих типах HEMT характеристики устройства зависят от типа слоя материала, толщины слоя и концентрации легирования слоя AlGaN, что обеспечивает гибкость в процессе проектирования. Ввиду своего превосходства над устройствами HEMT с другими материалами, AlGaN/GaN HEMT были выбраны в качестве примера для обзора.

Общие структуры HEMT. Типичная структура HEMT на основе GaAs показана на рис. 1. С целью отделения основных носителей от ионизированных примесей, между материалом с широкой полосой пропускания AlGaAs и материалом с более низкой полосой пропускания GaAs создается резкая гетероструктура, при этом материал с широкой полосой пропускания легируется (например, плотность легирования n = 7 × 1017 см-3) [4]. Таким образом, на границе гетероперехода GaAs/AlGaAs образуется канал. Чтобы уменьшить кулоновское рассеяние, в качестве разделительного слоя используется тонкий слой нелегированного AlGaAs. Снизу слой Si или GaAs служит в качестве подложки.

HEMT по сути являются гетеропереходами, образованными полупроводниками с разнородными полосами пропускания (рис. 2). Когда формируется гетеропереход, полоса проводимости и валентная полоса во всем материале должны изогнуться, чтобы сформировать непрерывный уровень. Широкозонный элемент имеет избыток электронов в полосе проводимости, поскольку он легирован донорскими атомами (или из-за поляризационного заряда в HEMT на основе GaN). Узкозонный материал имеет состояния полосы проводимости с более низкой энергией. Поэтому электроны будут диффундировать из материала с широкой полосой в соседний материал с более низкой полосой, поскольку он имеет состояния с более низкой энергией [5]. Таким образом, из-за движения электронов произойдет изменение потенциала, и между материалами возникнет электрическое поле. Индуцированное электрическое поле будет дрейфовать электроны обратно в полосу проводимости широкозонного элемента. Процессы дрейфа и диффузии продолжаются до тех пор, пока они не уравновесят друг друга, создавая равновесный переход, подобный p-n переходу. Обратите внимание, что нелегированный материал с узкой полосой пропускания теперь имеет избыток основных носителей заряда, что обеспечивает высокую скорость

144

переключения. Интересным фактом является то, что в нелегированном полупроводнике с низкой полосой пропускания отсутствуют донорные атомы, вызывающие рассеяние, что обеспечивает высокую подвижность.

Взрывной рост мультимедийных цифровых коммуникаций быстро распространился по всему миру, что настоятельно требует увеличения пропускной способности сети передачи данных. Устройства на основе HEMT являются наиболее привлекательным выбором для преодоления ограничения скорости и получения высокого коэффициента усиления и отсутствия шума. Различные компании по всему миру разрабатывают и производят устройства на основе HEMT, и для этих устройств было предложено множество возможных применений. В данной работе кратко описаны некоторые ключевые применения.

Сотовая связь получила наиболее важное невоенное применение HEMTприборов, заменив ими Si транзисторы. Для таких широкополосных/многополосных приложений связи мы получаем множество преимуществ. Одним из них является увеличение относительной полосы пропускания для данного уровня мощности. Некоторые новые концепции схем и систем позволяют получить полосу пропускания с повышенной эффективностью [6]. Улучшена линейность при той же выходной мощности. Уменьшение эффекта памяти также обнаружено при использовании GaN HEMT устройств. Усилители с высоким коэффициентом усиления и низким уровнем шума являются основными характеристиками для создания компонентов радаров. GaN HEMT являются одним из первых вариантов для таких компонентов. На основе GaN HEMT создаются активные массивы электронных датчиков, которые используются для радаров воздушного базирования, наземных радаров ПВО и военноморских радаров. В литературе также обсуждаются возможности применения в ракетах Ka-диапазона на частоте 35 ГГц. Дискретные HEMT почти всегда используются в качестве предусилителя в типичном DBS приемнике, за которым следует одна или несколько GaAs MESFET монолитных СВЧ интегральных

145

схем (MMIC) из-за их превосходных малошумящих характеристик [7]. Использование малошумящего предварительного усилителя на HEMT привело к существенному улучшению характеристик системы при незначительных дополнительных затратах. Малошумящий понижающий преобразователь, состоящий из 0,25 пм HEMT и трех GaAs MMIC чипов, показал коэффициент шума системы менее 1,3 дБ с коэффициентом усиления около 62 дБ в диапазоне от 11,7 ГГц до 12,2 ГГц, что является феноменальным для коммерческой системы [8]. Микроволновое оборудование, используемое для космических приложений, очень дорогостоящее, поскольку для выживания ему необходима дополнительная защита от суровых условий космического пространства. Более того, космические аппараты должны запускаться, а это подразумевает, что оборудование должно выдерживать без повреждений высокие уровни вибраций и ударов. HEMT могут быть изготовлены для выживания в таких условиях и широко используются в различных областях. Как правило, микроволновые компоненты для космического применения стоят в десять – сто раз дороже, чем для коммерческого применения.

Будущее HEMT-устройств на основе двумерного удержания носителей представляется очень ярким в электронике, связи, физике и других дисциплинах. HEMT на основе GaAs, InP и GaN HEMT будут продолжать свой путь к более высокой интеграции, более высокой частоте, более высокой мощности, более высокой эффективности, более низкому уровню шума и более низкой стоимости. GaN, в частности, предлагает высокомощные устройства, высокочастотную территорию вакуумных ламп и ведет к созданию более легких, более эффективных и более надежных систем связи.

HEMT будут продолжать превращаться в другие виды FET, которые будут использовать уникальные свойства 2DEG в различных системах материалов. В силовой электронике HEMT на основе GaN могут оказать большое влияние на потребительские, промышленные, транспортные, коммуникационные и военные системы. С другой стороны, МОП-HEMT или MISFET структуры, скорее всего, будут работать в режиме усиления с очень низким током утечки [9]. Технология Si CMOS быстро продвигается в сторону 10 нм затворного режима. Управление рассеиваемой мощностью в сверхплотных микросхемах будущего поколения будет представлять собой значительную проблему.

Устройства на основе квантовых ям, такие как InGaAs или InAs HEMTs, обладают очень высоким потенциалом, поэтому HEMT могут продлить действие закона Мура еще на несколько лет.

План дальнейших исследований. В ходе дальнейших исследований темы HEMT транзисторов планируется детальнее изучить способы применения устройств в различных отраслях таких как, медицинские приборы, радарные и сенсорные устройства, энергетика. После детального изучения и определения потребностей, произвести моделирование непосредственно необходимого для эксплуатации транзистора благодаря функционалу программы TCAD.

146

Выводы Подводя итог вышесказанному, мы убеждаемся в необходимости разви-

тия технологий, основанных на высокоподвижных электронах, и исследования использования различных материалов, таких как InP, GaAs,GaN для улучшения свойств транзисторов, ведь даже в настоящий момент они могут конкурировать с классическими транзисторами по цене, при этом превосходя их по ряду показателей. А также планируется произвести моделирование транзисторов с высокой подвижностью электронов и вывести наиболее оптимальные по параметрам устройства для разных задач.

Литература

1.Mimura T. The early history of the high electron mobility transistor (HEMT)

/T. Mimura // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. – 2002. – V. 50. – № 3. Р. 780-781.

2.Polarization dependent analysis of AlGaN/GaN HEMT for high power applications / P. Gangwani [et al.] // Solid State Electronics. – 2007. – V. – 51. – № 1. Р. 130-134.

3.Li M. 2D analytical model for current-voltage characteristics and transconductance of AlGaN/GaN MODFETs. / M. Li, Y. Wang // IEEE Transactions on Electron Devices. – 2008. – V. 55. – № 1. – Р. 261-267.

4.Khandelwal S. A physics based analytical model for 2DEG charge density in AlGaN/GaN HEMT devices / S. Khandelwal, N. Goyal, T. A. Fjeldly // IEEE Transactions on Electron Devices. – 2011. – V. 58. – № 10. – Р. 3622-3626.

5.Analytical HFET IV model in presence of current collapse / A. Koudymov [et al.] // IEEE Transactions on Electron Devices. – 2008. – V. 55. – № 3. – 712-732.

6.Analytical modeling of capacitances for GaN HEMTs, including parasitic components / A. Zhang [et al.] // IEEE Transactions on Electron Devices, 2014. – V. 61. – № 3. – Р. 755-761.

7.Analytical thermal model for HEMTs with complex epitaxial structures / K. R. Bagnall [et al.] // IEEE Intersociety Conference on Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems (ITherm), 2014. – Р. 947-958.

8.Yoshida J. Analysis of high electron mobility transistors based on a two dimensional numerical model / J. Yoshida, M. Kurata // IEEE Electron Device Letters. – 1984. – V. 5. – № 12. – Р. 508-518.

9.Buot F. A. Two dimensional numerical modelling of HEMT using an energy transport model / F. A. Buot // The International Journal for Computation and Mathematics in Electrical and Electronic Engineering. – 1987. – V. 6. – № 1. – Р. 45-52.

Воронежский государственный технический университет

147

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Статьи, представленные в межвузовском сборнике научных трудов «Микроэлектроника и наноэлектроника: актуальные проблемы», охватывают широкий круг актуальных вопросов твердотельной электроники, микроэлектроники и наноэлектроники, посвящены проблемам исследования новых перспективных материалов, проблемам конструирования и проектирования, моделирования технологических процессов, разработке новых технологических процессов, улучшению надежности изделий электронной техники, исследованию влияния внешних воздействий на параметры полупроводниковых приборов и интегральных схем, а также разработке новых приборов и устройств в микроэлектронике.

Сборник содержит результаты исследований, выполненных научными коллективами при участии аспирантов, магистрантов и студентов, а также научных и инженерно-технических работников вузов и научноисследовательских учреждений. Во многих случаях это экспериментальные данные, полученные при выполнении докторских и кандидатских диссертаций, выпускных квалификационных работ. Большинство работ имеет несомненную практическую значимость, а некоторые результаты уже внедрены в производство или в учебный процесс.

Сборник предназначен для специалистов, работающих в области твердотельной электроники и микроэлектроники, для преподавателей вузов, ведущих родственные дисциплины; может быть полезен аспирантам направления подготовки 11.06.01 «Электроника, радиотехника и системы связи», направленности 05.27.01 «Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах», а также студентам направления подготовки 11.03.04 «Электроника и наноэлектроника».

148

кремния………………………………………………………………………… 19

149