Российские ученые радикально улучшили полупроводники для радаров
Основной составляющей СВЧ-устройств являются транзисторы с высокой подвижностью электронов, которые создаются с помощью нитрида галлия (GaN), что позволяет снизить число транзисторов в каскадах СВЧ-устройств, увеличить их мощность и обеспечить стабильность работы при повышенных температурах, наличии радиационного фона. Но проблемой при процессе синтеза является кислород, который может встраиваться в кристаллическую структуру полупроводникового материала GaN, изменяя электрофизические свойства. В том числе приводя к тому, что нитрид галлия начинает проводить ток, там где должен выступать в качестве диэлектрика.
«Мы смогли избавиться от паразитной 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», — отметил ведущий инженер-технолог лаборатории молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) полупроводниковых соединений А3В5 Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН Тимур Малин.
Учёные ИФП СО РАН вместо дополнительного введения углерода или железа для захвата «лишних» электронов или намеренного создания дефектов в начальных слоях GaN нашли другой способ избегать проблем при синтезе полупроводникового материала. Решением ситуаций стал механизм манипулирования ростовыми условиями, что позволило не добавлять никаких примесей и сохранять структурное совершенство слоя нитрида галлия.
«С помощью определённого 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 градусов из диапазона 800-920 градусов Цельсия ) 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», — заявил Малин.
Следующим шагом учёных будет апробация технологического процесса на более современной автоматизированной и производительной установке для синтеза нитридных гетероструктур «Compact 21-N» французской фирмы Riber, которая даст возможность делать полупроводниковые гетероструктуры большего размера за меньшее время для российских производителей силовой и СВЧ-электроники.