Микроэлектроника, 2021, T. 50, № 3, стр. 184-189

ВВЕДЕНИЕ

Ведущими европейскими организациями в аэрокосмической отрасли нитрид галлия был выбран как основной материал для создания следующего поколения радиолокационной аппаратуры и ее компонентов. Причиной этому явились, с одной стороны, большая ширина запрещенной зоны нитрида галлия по сравнению с арсенидом галлия и кремнием, а соответственно и большие пробивные напряжения, работоспособность в области высоких температур, высокие удельные мощности, стойкость к воздействию внешних и специальных факторов, и с другой стороны, успехи в решении вопросов технологического характера, обеспечившие функциональные параметры, надежность и экономическую целесообразность применения транзисторов и монолитных интегральных схем (МИС) на основе нитрида галлия [1–3].

Для роста гетероструктур нитрида галлия используются подложки сапфира, кремния и карбида кремния (см. табл. 1). Поскольку для приборов с высокой удельной мощностью необходимо обеспечить хороший теплоотвод, наиболее предпочтительными являются подложки карбида кремния, имеющие теплопроводность на порядок выше, чем у сапфира и примерно в 3 раза выше, чем у кремния. Карбид кремния также наиболее согласован с нитридом галлия по параметру кристаллической решетки и коэффициенту теплового расширения. Однако подложки кремния экономически более выгодны: их стоимость на порядок ниже стоимости подложек карбида кремния при большей доступной площади подложки. При высоких температурах теплопроводность кремния всего в два раза ниже теплопроводности карбида кремния. Обработка подложек кремния (шлифовка, травление сквозных отверстий) намного проще и быстрее, чем для карбида кремния. Поэтому подложки кремния находят применение для решения широкого круга задач, не требующих достижения предельных параметров по максимальной удельной мощности, особенно для миллиметрового диапазона частот.

В настоящей статье приведены результаты работы ИСВЧПЭ РАН по созданию ряда МИС сантиметрового и миллиметрового диапазонов длин волн на основе гетероструктур нитрида галлия на подложках кремния диаметром 100 мм. Насколько известно авторам, подобные МИС были изготовлены впервые в России.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ОСНОВНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ БАЗОВОЙ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МОНОЛИТНЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ НА ОСНОВЕ GaN-HEMT

Изготовление монолитных интегральных схем в ИСВЧПЭ РАН осуществляется по базовой технологии [4], исходными структурами для которой являются любые типы гетероструктур на основе нитридов элементов третьей группы с квазидвумерным электронным газом (HEMT-структуры), выращенные на подложках сапфира, карбида кремния, высокоомного кремния. Базовая технология обеспечивает для транзисторов предельную частоту усиления по току F_t = 60–100 ГГц и предельную частоту усиления по мощности F_max > > 120–200 ГГц при заданной (относительно частотных требований МИС) оптимальной длине затвора ~0.16–0.08 мкм.

При изготовлении в микрополосковом варианте на кремниевой подложке толщина утоненной подложки составляла 50 мкм при диаметре сквозных отверстий 50–80 мкм. Использовалась совмещенная технология формирования сквозных отверстий и разделения готовой пластины на кристаллы без использования механической резки. Для этого перед напылением слоя первого металла в хлорсодержащей плазме вытравливаются все слои AlN и GaN как в местах будущих сквозных отверстий, так и по дорожкам реза границ кристаллов с небольшим заглублением в кремниевую подложку. После завершения всех технологических операций на лицевой части пластины и ее утонения до 50 мкм во фторсодержащей плазме вытравливаются отверстия в кремниевой подложке до металла. После напыления металла на обратную сторону и нанесения сплошного слоя гальванического золота толщиной ~6 мкм в металле вытравливаются дорожки реза. Далее, используя гальваническое золото в качестве маски, во фторсодержащей плазме вытравливаются дорожки реза по границам кристаллов. После растворения клея, используемого для приклеивания подложки к носителю перед утонением, получаются готовые кристаллы GaN-HEMT МИС.

ОПИСАНИЕ МОНОЛИТНЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ

На основе гетероструктур AlN/GaN на подложках кремния в ИСВЧПЭ РАН были разработаны, изготовлены и исследованы три типа монолитных интегральных схем:

• малошумящий усилитель (МШУ) и генератор управляемый напряжением (ГУН) Ka-диапазона изготовлены в микрополосковом варианте с заземляющими сквозными отверстиями;

• приемо-передающий преобразователь сигнала Ku-диапазона изготовлен в копланарном варианте.

Микросхемы изготавливались в инициативном порядке для отработки технологических вопросов и оценки достижимых параметров по сравнению с ранее разработанными МИС аналогичного функционального назначения и частотного диапазона на подложках сапфира [5–7].

Для изготовления МИС МШУ и МИС ГУН была выбрана длина грибообразного затвора L_g = = 0.12 мкм, обеспечивающая F_t = 70 ГГц и F_max = = 120 ГГц в геометрии транзистора с шириной 2 × × 50 мкм. Для МИС преобразователя сигнала Ku-диапазона L_g = 0.16 мкм, F_t = 60 ГГц, F_max = 125 ГГц.

В данной работе были использованы зарубежные подложки высокоомного кремния диаметром 100 мм с выращенной на них гетероструктурой AlN/GaN.

МШУ Ka-диапазона имеет пять усилительных каскадов с транзисторами с шириной затворов 2 × 40 мкм, включенными по схеме с общим истоком. За счет применения цепей автосмещения МШУ работает от источника однополярного питания. При напряжении питания 5 В ток потребления составляет 80–90 мА. В полосе частот 30–45 ГГц МШУ имеет коэффициент усиления до 25 дБ и является хорошо согласованным по входу и выходу. Коэффициент шума находится в пределах 4.5–6 дБ, достигая минимума на частотах 34–38 ГГц. Размер кристалла: 1.75 × 1.12 мм². Фотография изготовленной МИС МШУ представлена на рис. 1. Измеренные СВЧ характеристики и коэффициент шума десяти образцов показаны на рис. 2 и рис. 3.

ГУН Ka-диапазона реализован на GaN HEMT транзисторе с шириной затворов 2 × 50 мкм. Перестройка частоты генерации осуществляется с помощью варактора, представляющего собой HEMT транзистор в диодном включении. Колебательный LC контур генератора образован емкостями затвор-исток транзистора, варактора и индуктивностями микрополосковых линий в цепях затвора, стока и истока транзистора. К выходу ГУН добавлен однокаскадный буферный усилитель, служащий для увеличения выходной мощности и развязки выходного сигнала. Емкость варактора регулируется подаваемым на него напряжением управления.

Рис. 1.

Фотография МИС МШУ.

Рис. 2.

Частотные зависимости S21 (а), коэффициента устойчивости (б), КСВН по входу (в), КСВН по выходу (г) десяти образцов МИС МШУ.

Рис. 3.

Частотная зависимость коэффициента шума десяти образцов МИС МШУ.

Фотография изготовленной МИС ГУН показана на рис. 4. На рис. 5 представлены зависимости частоты генерации и выходной мощности МИС ГУН от напряжения управления в диапазоне от 0 до 5 В для двух образцов. При напряжении питания 5 В выходная мощность достигает 14–16 дБм, ток потребления 60 мА. Спектральная плотность мощности фазовых шумов при отстройке 100 кГц составляет минус 65 дБн/Гц. Размер кристалла: 2.0 × 1.12 мм².

Рис. 4.

Фотография МИС ГУН.

Рис. 5.

Зависимости частоты генерации (а) и выходной мощности (б) МИС ГУН от напряжения управления.

Фотография МИС приемо-передающего преобразователя сигнала Ku-диапазона представлена на рис. 6. Преобразователь имеет в своем составе усилитель входного ВЧ сигнала, балансный смеситель на основе моста Маршанда, усилитель сигнала внешнего гетеродина. Усиленный сигнал гетеродина разделяется между входом смесителя и выходом ВЧ. На выходе смесителя формируется сигнал на разностной частоте. При напряжении питания 10 В ток потребления составляет 100–120 мА. В диапазоне частот 15–25 ГГц мощность на ВЧ выходе достигает 10–15 дБм при коэффициенте преобразования от минус 5 до плюс 2 дБ (рис. 7). Размер кристалла: 2.84 × 1.63 мм².

Рис. 6.

Фотография приемо-передающего преобразователя сигнала.

Рис. 7.

Зависимости выходной мощности (а) и коэффициента преобразования (б) МИС приемо-передающего преобразователя сигнала.

ВЫВОД

Впервые в России на основе гетероструктур нитрида галлия на подложках кремния диаметром 100 мм изготовлены три разновидности монолитных интегральных схем Ku и Ka диапазонов длин волн. Рассмотренные монолитные интегральные схемы, а также заложенные в них схемотехнические и технологические решения могут послужить основой для создания перспективных систем радиолокации и связи.