SCI Библиотека

Цели. Гетероструктурные полевые транзисторы на нитриде галлия (GaN HFET, heterostructural field-effect transistor) являются наиболее перспективными полупроводниковыми устройствами для силовой и сверхвысокочастотной электроники. За последние 10–15 лет GaN HFET прочно заняли место в аппаратуре радиоэлектронных средств передачи, приема и обработки информации, а также в изделиях силовой электроники за счет существенных преимуществ в энергетических и тепловых параметрах. При этом вопросы обеспечения их долговременной надежности стоят не менее остро, чем для приборов на других полупроводниковых материалах. Целью исследования является обзор тепловых и механических механизмов деградаций в GaN HFET, обусловленных физико-химическими особенностями применяемых материалов, ростовыми и пост-ростовыми процессами, и способов купирования этих механизмов при разработке, производстве и эксплуатации.

Методы. Основным методом исследования является аналитический обзор результатов публикаций широкого круга специалистов в области физики полупроводников, технологии производства гетероэпитаксиальных структур и активных приборов на их основе, моделирования и проектирования модулей и аппаратуры, надежности и эксплуатации.

Результаты. Описаны причины снижения показателей качества GaN HFET, вызываемые тепловыми перегревами, механическими деградациями, проблемами с горячими электронами и фононами в нитриде галлия, а также представлен обзор исследований, посвященных этим явлениям и методам снижения их воздействия на технические параметры транзисторов и показатели качества.

Выводы. По итогам исследования отмечено, что сильные электрические поля и высокая удельная тепловая нагруженность мощных GaN HFET вызывают физические, поляризационные, пьезоэлектрические и тепловые явления, способные приводить к перераспределению механических напряжений в активной области, деградации электрических характеристик и снижению надежности транзистора в целом. Установлено, что наличие полевой платы и пассивирующего слоя из нитрида кремния SiN приводят к снижению значений механических напряжений в области затвора в 1.3–1.5 раз, эффекты тепловой деградации в усилителях класса АВ выражены сильнее, чем эффекты воздействия сильных полей в усилителях класса E, при температуре активной зоны GaN HFET более 320–350 °C резко снижается время средней наработки до отказа.

Представлен алгоритм оценки погрешностей идентификации параметров тепловых эквивалентных полупроводниковых изделий по результатам измерения переходной тепловой характеристики (ПТХ). С помощью компьютерного моделирования по представленному алгоритму выполнен расчет случайных погрешностей определения пара- метров одно- и двухзвенной тепловой эквивалентной цепи. Показано, что погрешности зависят от выбора моментов времени, в которые составляется и решается система уравнений, связывающих значения ПТХ с параметрами схемы. Путем выбора моментов времени в точках наибольшей и наименьшей крутизны ПТХ возможно достичь минимальной погрешности определения параметров тепловой эквивалентной цепи.

Выполнена экспериментальная оценка влияния электрических режимов работы интегральной микросхемы линейного стабилизатора напряжения положительной полярности с номинальным выходным напряжением Uвых = 9 В («ГРУППА КРЕМНИЙ ЭЛ») на дозовую радиационную стойкость с помощью разработанного аппаратно-программного комплекса на основе рентгеновской установки РИК–0401. Экспериментально установлено, что наиболее чувствительными параметрами стабилизатора напряжения к эффектам поглощенной дозы являются выходное напряжение и минимальное падение напряжения. Получены аналитические зависимости основных параметров стабилизатора напряжения от величины поглощенной дозы при радиационном облучении.

Рассмотрены варианты конструктивного исполнения n-канального полевого транзистора с управляющим p–n-переходом, интегрируемого в высоковольтный комплементарный биполярный технологический процесс с изоляцией обратносмещенным p–n-переходом. Сформулированы критерии отбора моделей транзисторов по электрическим параметрам. С учетом критериев проведено приборно-технологическое моделирование на подложках объемного кремния. На основе полученных результатов проведен сравнительный анализ nканального и ранее разрабо-танного р-канального полевых транзисторов. Для оценки адекватности модели транзистора проведен ряд измерений статических параметров экспериментальных образцов, в т. ч. в экстремальном диапазоне температур, изготовленных по рассчитанному технологическому маршруту. На основе полученных данных выбран наиболее оптимальный вариант по соотношению статических и динамических параметров.