eng
Выпуск #8/2011
Д.Красовицкий, А.Филаретов, В.Чалый
Нитридная СВЧ-техника в России: материалы и технологии
Нитридная СВЧ-техника в России: материалы и технологии
Просмотры: 3723
Нитриды металлов третьей группы еще более 30 лет тому назад оценивались как очень перспективный материал для производства мощных сверхвысокочастотных транзисторов. В основном эту перспективу видели в замене ламп бегущей волны на твердотельные усилители мощности в мощной СВЧ-аппаратуре. Наибольшие ожидания были связаны с возможностью существенного снижения массогабаритных характеристик передающей аппаратуры одновременно со значительным увеличением ее надежности и интервалов межоперационного обслуживания. Однако технологические проблемы получения нитридов долгое время не позволяли перейти от академических исследований в области материаловедения к прикладным разработкам в области нитридных СВЧ-приборов.
Теги: algan heterostructures microwave technique stock company “svetlana-rost” гетероструктуры algan зао "светлана-рост" свч-техника
В начале 1990-х годов (1992–1993) в университетских лабораториях из кристаллов нитрида галлия изготовили первые твердотельные светоизлучающие приборы (светодиоды) зеленого, синего, ультрафиолетового и белого цветов. Тогда же была показана перспективность применения нитридных светодиодов для приборов освещения самого широкого, в том числе и бытового, назначения. За этим последовало стремительное нарастание усилий и ресурсов, вкладываемых в разработки технологий создания материала, соответствующего по кристаллическому качеству требованиям изготовления коммерчески эффективных светоизлучающих приборов. В результате появился материал, на котором уже можно было сделать первые транзисторы. Современные взгляды на физическую природу электронных свойств нитридных гетероструктур и области их применения в зависимости от характерных особенностей достаточно подробно приведены в обзоре [2].
Однако полностью эта проблема не была решена, так как появился целый комплекс проблем, связанных с отсутствием "родственной" подложки для эпитаксиального выращивания приборных гетероструктур. Выращивание объемных кристаллов нитридов металлов для последующего изготовления подложек сопряжено с большими технологическими трудностями, поэтому их серийное производство до сих пор не налажено. В результате для выращивания эпитаксиальных гетероструктур приходится использовать чужеродные подложки – сапфир, кремний, карбид кремния. А это, в свою очередь, приводит, с одной стороны, к повышенной, по сравнению с автоэпитаксией, плотности структурных дефектов, а с другой, – к существенно более строгим требованиям к технологическим процессам эпитаксиального выращивания приборных гетероструктур нитридов металлов третьей группы.
До середины 1990-х годов при изготовлении нитридных транзисторов в качестве подложки использовался сапфир как достаточно дешевый и доступный материал. И в середине 1996 года был продемонстрирован первый нитридный мощный СВЧ-транзистор, выполненный именно на сапфире [3]. Однако малая теплопроводность сапфира и далекое от идеала соотношение параметров кристаллических решеток подложки и эпитаксиального слоя сдерживали развитие технологий мощных нитридных приборов. В результате в качестве перспективной подложки для эпитаксиального выращивания приборных гетероструктур был выбран карбид кремния, обладающий очень хорошей теплопроводностью. Однако высокая стоимость и доступность подложек только малого диаметра (50,8 мм) от единственного производителя долгое время не позволяли развернуть реальное производство гетероструктур для серийного производства мощных транзисторов.
Кроме отсутствия родственных подложек для выращивания приборных гетероструктур, существенными барьерами на пути развития нитридных технологий были так называемый коллапс тока в СВЧ-режиме (происходил захват электронов на ловушки в буферном и барьерном слоях) (рис.1) и, как следствие, быстрая деградация приборов. Полностью эти два барьера не преодолены до сих пор. Тем не менее, первые упоминания о выходе нитридных технологий на коммерческий уровень относятся к 2006 году, когда о коммерческом использовании мощных нитридных СВЧ-транзисторов в составе аппаратуры одновременно объявили компании Eudyna и RF Micro Devices [4], а также Nitronex Corporation, сообщившая о начале пилотного производства мощных нитридных транзисторов на кремниевой подложке.
Следует отметить, что достаточно быстрое и результативное развитие нитридных технологий в США и Японии происходило благодаря мощной поддержке этого направления государством. Например, в Японии еще в 1999 году началась трехлетняя национальная программа NEDO [5]. В США наиболее значительных успехов добились компании, участвовавшие в государственной программе широкозонных полупроводников для СВЧ-применения WВGS-RF агентства DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency). Основной целью программы WВGS-RF [6] было развитие и коммерциализация нитридных технологий, первоначальной областью применения которых была военная техника и вооружение. В этой программе были предусмотрены три этапа (фазы), каждый из которых имел свою четко определенную цель и критерии выполнения, с объемами финансирования, превосходящими все финансирование по российской федеральной целевой программе "Развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники" на 2008–2015 годы.
Программа WВGS-RF началась в 2003 и продолжалась до 2010 года. Первый этап – с начала 2003 года до марта 2005 – назывался "Широкозонные материалы", его цель – развитие эпитаксиальных технологий и конструкций эпитаксиальных структур в системе (Al,Ga,In)N. Основными задачами этого этапа было получение низкодефектных теплопроводящих подложек и однородных по площади воспроизводимых эпитаксиальных слоев нитридов металлов. Результат – получены теплопроводящие полуизолирующие подложки карбида кремния диаметром 76 мм, пригодные для выращивания эпитаксиальных нитридных гетероструктур для приборного применения [7]. Другим, не менее важным результатом, стал переход от конструкции гетероструктуры типа "объемный HEMT" к гетероструктурам с двойным электронным ограничением. Фактически произошел переход к гетероструктурам типа DHFET (рис.2), которые лишь по традиции продолжают называть HEMT.
Второй этап программы начался в марте 2005 года и был посвящен разработке технологий изготовления дискретных приборов на гетероструктурах широкозонных полупроводников, полученных на первом этапе. Целью второго этапа была разработка технологий, обеспечивающих производство дискретных СВЧ-приборов с высокими параметрами без их деградации (вследствие снижения токов утечки по затвору, через буфер и увеличения напряжения питания). Вторая фаза программы WВGS успешно завершилась в апреле 2008 года и обеспечила соответствие технологий производства нитридных СВЧ дискретных приборов требованиям аппаратуры по надежности с разумным выходом годных. Один из результатов выполнения второго этапа программы WGSB – разработка коммерческих нитридных стандартных процессов фаундри TriQuint, RF Micro Devices, Cree Inc., а также серийно выпускаемых нитридных устройств сразу у нескольких производителей, в том числе Nitronex, Toshiba America Electronic Components and Semiconductors и у целого ряда других компаний.
Чрезвычайно важен факт формулирования требований к каждому из объектов, которому была посвящена та или иная фаза программы WBGS-RF. Так, уже на первом этапе при разработке технологий выращивания гетероструктур и их конструкций были сформулированы критерии оценки и способы их определения. Тем самым был согласован единый для всех участников программы набор методик и тестовых модулей для измерения параметров гетероструктур.
В редакционной статье журнала Military Microwave Digest за 2009 год указывается, что появление надежных нитридных СВЧ-приборов и их использующей аппаратуры является прямым следствием правильно построенной программы развития тематики широкозонных полупроводников [8]. Причем это в равной мере относится к аппаратуре как военного, так и гражданского назначения.
К середине 2011 года в мире производство нитридных транзисторов и усилителей стало заметным бизнесом. Так, только компания Nitronex Corpotation к маю продала 500 тыс. транзисторов [9]. При этом объем продаж мощных нитридных транзисторов и усилителей в 2007 году составил 17 млн. долл., предварительная оценка объема продаж 2010 года составила уже 100 млн. долл. [10], а общий объем продаж нитридных мощных устройств и СВЧ и силовой электроники, согласно прогнозу, возрастет с 16,6 млрд. в 2010 году до 350 млрд. долл. в 2015 году [11].
В России к пониманию необходимости государственного финансирования развития нитридных технологий для СВЧ-применения пришли в 2004 году, когда на совещании в РАСУ было принято решение о переходе от академических исследований к прикладным разработкам, и, прежде всего, к разработке гетероструктур для мощных СВЧ-транзисторов. По существу, это означало признание того, что Россия (хотя и на 18 лет позже других мировых держав) на государственном уровне подтвердила важность развития этих разработок.
В результате к 2004 году сложилась, казалось бы, привычная и для советской, и для всей современной мировой электроники ситуация, когда за стратегию разработки принимается анализ лучших мировых технологий и образцов, а затем их воспроизведение. Но временной разрыв между Россией и мировыми державами был слишком значительным – более 15 лет, а вкладываемые ресурсы – не сопоставимы. При этом импорт эпитаксиальных структур в коммерчески приемлемых объемах для производства мощных СВЧ-транзисторов был (и остается таковым по сей день) практически невозможен, технологическое оборудование для их производства в России отсутствовало, а закупка подобного оборудования за рубежом также находилась под жестким запретом.
К этому времени единичные и разрозненные российские разработки поискового характера, финансировавшиеся Министерством образования науки, показали, что условия выращивания нитридных гетероструктур значительно отличаются от условий выращивания классических полупроводников АIIIВV (например, AlGaAs). Попытки адаптации для этих целей традиционных установок молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ) не дали желаемых результатов. Требовалось заметное повышение температуры подложки, существенное усиление откачной системы для удаления используемого в качестве источника азота потока аммиака и др. Применительно к нитридам это, в частности, во всем мире привело к временному отставанию технологии МПЭ от газотранспортной с точки зрения параметров гетероструктур.
Для России очень важным фактором развития технологий выращивания нитридных гетероструктур, пригодных для разработок приборов, было сохранение школы технологов молекулярно-пучковой эпитаксии. Одной из таких групп (сотрудникам ЗАО "Полупроводниковые приборы") пришлось включиться в разработку оборудования. Принципиальным решением был отказ от попыток адаптации установок МПЭ, созданных для классических соединений AIIIBV, под задачи нитридных технологий и разработка специализированных ростовых установок [12]. Первый опытный образец установки для эпитаксиального выращивания слоев нитрида галлия и алюминия был изготовлен еще в 2002 году, что позволило в инициативном порядке сделать переход от поисковых, по существу академических, разработок к прикладным опытно-технологическим.
Одновременно решались три задачи: выбор конструкции эпитаксиальной структуры, развитие технологии выращивания эпитаксиальных структур для применения в мощных СВЧ-транзисторах и разработка соответствующего ростового оборудования. Решения, принятые по всем трем направлениям, на то время были крайне рискованными. Во-первых, в отличие от зарубежных технологов, использовавших в конце 1990 – начале 2000-х годов метод газофазной эпитаксии, развивать технологию молекулярно-пучковой эпитаксии. Во-вторых, не модернизировать установки для роста арсенида галлия, а разработать специализированное для нитридной эпитаксии оборудование (ориентированное на высокие ростовые температуры и большие газовые нагрузки), в качестве источника азота использовать газообразный аммиак, а не плазменный источник азота. В-третьих, отказаться от наиболее распространенной в тот период конструкции гетероструктуры типа объемный HEMT и сразу разрабатывать технологию получения гетероструктур с двойным электронным ограничением – DHFET (см. рис.2), включающих слои с высоким содержанием алюминия.
Принятые решения привели, в том числе, и к организационным преобразованиям. Сначала из ЗАО "Полупроводниковые приборы" выделилось ЗАО "Научное и технологическое оборудование", решавшее в основном задачи разработки и производства технологического оборудования. Затем, в 2004 году, было образовано ЗАО "Светлана–Рост", одной из основных задач которого стало развитие технологии выращивания нитридных эпитаксиальных гетероструктур. Потом появились фаундри в области мощных СВЧ нитридных приборов.
Развитию технологии выращивания эпитаксиальных структур типа DHFET предшествовали анализ причины возникновения коллапса и разработка методов борьбы с ним. Анализ показал, что решение этой проблемы путем выращивания нелегированного GaN (особенно высокого кристаллического качества) сопряжено со значительными трудностями. Во-первых, зародышевые слои, используемые на начальных стадиях роста нитридов на рассогласованных по параметру решетки подложках (Al2O3, SiC, Si), могут образовывать области с дефектной проводимостью вблизи интерфейсов буферного и зародышевого слоев [13]. Во-вторых, в ряде работ сообщалось о диффузии донорных примесей в GaN из подложки (в частности, кислорода [14–16] и кремния [17, 18]), что приводит к образованию в приборе каналов шунтирующей проводимости. Кроме того, наличие спонтанной и пьезополяризации провоцирует образование наведенных как положительных, так и отрицательных зарядов вблизи дефектов, границ блоков мозаичной структуры, на гетероинтерфейсах. В свою очередь, это может вызвать увеличение токов утечки по вертикальным каналам, вплоть до пробоя через буферный слой. Указанные обстоятельства в совокупности являются причиной того, что в реальных приборных гетероструктурах, работающих при высоких (порядка 30–50 В и даже выше) напряжениях, нужны специальные, дополнительные меры для обеспечения необходимого сопротивления буферного слоя. Иными словами, оказалось, что решение проблемы коллапса требует и введения структуры с двойным электронным ограничением, и выращивания достаточно сложного буферного слоя.
Решение проблемы коллапса путем оптимизации конструкции и технологии выращивания гетероструктур с двойным ограничением (рис.3) в конечном итоге привело к варианту конструкции DHFET, которая примерно с 2004–2005 годов стала повсеместно в мире упоминаться как передовая ("advanced"), а для ЗАО "Светлана–Рост" стала базовой для большинства последующих разработок.
Следует отметить, что впервые в практике российской полупроводниковой промышленности СВЧ-направления с самого начала развитие нитридных технологий в ЗАО "Светлана–Рост" было основано на принципах построения фаундри [19]. В основу всех разработок был положен принцип стандартизации конструкции гетероструктур и технологического процесса изготовления из этого типа гетероструктуры определенного класса полупроводниковых изделий (в данном случае – мощных СВЧ-транзисторов). Ориентация на принципы фаундри при построении предприятия позволила выстроить кооперационные связи со многими российскими производителями ЭКБ, что положительно сказалось на развитии нитридных технологий. Так, если к моменту проведения совещания в РАСУ (2004) отставание российских нитридных технологий от американских оценивалось в 18 лет, то к концу 2006 года такое отставание сократилось до 10 лет.
Знаковым событием 2006 года стало изготовление и тестирование в СВЧ-режиме первого отечественного мощного транзистора специалистами ЗАО "Светлана–Рост" и ФГУП "НПП "Исток". Первая основная цель изготовления этого транзистора – подтверждение отсутствия коллапса в разработанных гетероструктурах типа AlGaN DHFET. Второй целью была проверка основных технологических решений элементов планарного технологического процесса – межприборной изоляции и формирования омических контактов к гетероструктуре AlGaN DHFET. Поэтому было принято решение максимально упростить задачу, взяв за основу топологию серийно выпускавшегося "Истоком" арсенидгаллиевого транзистора и традиционную технологию формирования субмикронного затвора. На "Истоке" же проводились и измерения параметров. Как и на ранних стадиях разработок в США и Японии, первый отечественный мощный нитридный СВЧ-транзистор был изготовлен на подложке из сапфира, поэтому, во избежание проблем с теплоотводом, был включен в импульсном режиме (рис.4).
Отсутствие теплопроводящих подложек к началу 2007 года для России стало стоп-фактором дальнейшего развития нитридных технологий. В то время в мире существовал монопольный производитель теплопроводящих полуизолирующих подложек карбида кремния – американская компания Cree Inc. При этом сами подложки были отнесены к продукции, на экспорт которых за пределы США требовалось получение лицензии. Тем самым ориентация на SiC "американского происхождения" для промышленного развития нитридных технологий была фактически невозможной, и вопрос о развитии производства в России карбида кремния для СВЧ-применения начал обсуждаться самым серьезным образом. Однако время было упущено. Ситуация существенным образом изменилась лишь к концу 2009 – началу 2010 года, когда в Китае (по меньшей мере две фирмы) стали производить полуизолирующий карбид кремния приемлемого качества. С этого момента можно считать, что конкуренция в области производства карбида кремния перешла из фазы конкуренции качества в фазу ценовой конкуренции, а коммерческая перспектива изготовления SiC в России была утрачена, по-видимому, навсегда.
Существует принципиальное отличие в подходах к развитию полупроводниковой промышленности в России и в остальном мире. Формирование российских целевых программ традиционно исходило из планирования разработки конструкций конкретных конечных изделий полупроводниковой техники. Полностью игнорировался тот факт, что предусмотреть весь ассортимент и даже номенклатуру изделий на годы вперед (например, на семь лет) в условиях быстрой сменяемости радиоэлектронной аппаратуры просто невозможно. Ориентация программ развития на отдельные разработки конкретных конструкций конечных устройств не позволяла выстроить и логическую цепь развития технологий, в которых каждый последующий этап опирается на результаты предыдущего.
Современный подход, показавший свою результативность в Японии и США, исходит из планирования развития технологических ветвей, оставляя разработку конкретных конструкций конечных изделий задачей повседневной коммерческой деятельности предприятий. Таким образом, в России методология планирования унаследованных с прошлых времен программ развития осталась на уровне первого этапа развития полупроводниковой промышленности, в то время как весь мир давно перешел во второй этап [19]. Тяжелейшим, имеющим разрушительное воздействие на любые программы развития, следствием такого положения является стремление российских предприятий к "натуральному хозяйству", неумение и нежелание выстраивать кооперационные связи. Приходится также учитывать, что достаточно долгое время государственные программы являлись, по существу, инструментом государственных дотаций предприятиям для того, чтобы дать им возможность выжить в постсоветских условиях. Поэтому выстраивание кооперационных связей зачастую воспринимается как прямые финансовые потери этих самых дотаций.
Изменение подхода к методологии развития тематики начало проявляться при формировании новых научно-технических программ Союзного государства, которые последнее время стали строиться, исходя из упомянутой выше логики развития технологий. В частности, одной из программ предусмотрено развитие нитридных технологий СВЧ-применения. Задачей этой программы является сначала обобщение и упорядочивание опыта, полученного прежде всего российскими предприятиями в отдельных, зачастую инициативных разработках нитридной технологии, а затем и дальнейшее развитие технологий до коммерческого применения.
Нужно отметить, что опыт и результаты в области нитридных технологий появились тогда и у тех предприятий, которые решались на глубокие кооперационные связи на основе признания ключевых компетенций участников процесса. Так, первый нитридный СВЧ-транзистор был сделан в кооперации ФГУП "НПП "Исток" и ЗАО "Светлана–Рост". Следующим проявлением развития технологии явилась завершенная в 2009 году первая разработка реального устройства − широкополосного усилителя (рис.5), проведенная совместно тремя предприятиями: ЗАО "Светлана–Рост" (разработчик и изготовитель гетероструктури предприятие фаундри), предприятием фаундри ОАО "ВНИИРА" (дизайн-цетр) и ОАО "ОКБ-Планета" (заказчик, сборочное производство и испытательный центр). Вслед за этим, в кооперации ЗАО "Светлана–Рост" и ОАО "ВНИИРА" были проведены еще две инициативные разработки мощных приборов: широкополосного усилителя (рис.6) и усилителя мощности С-диапазона (рис.7). Особенностью этих разработок было то, что они основывались на применении стандартизованного нитридного технологического процесса.
Примерно в это же время в кооперации ЗАО "Светлана–Рост" и ОАО "Октава" с применением технологии обратного монтажа разработан, изготовлен и испытан квазимонолитный усилитель мощности с рабочими частотами до 14 ГГц. Интенсивные прикладные научно-исследовательские работы, особенно в части продвижения нитридных технологий в миллиметровый диапазон, ведутся в Институте СВЧ полупроводниковой электроники РАН.
Подробное рассмотрение состояния разработок нитридных технологий было проведено 28 октября 2010 года на отраслевом совещании "Отечественные промышленные технологии производства твердотельной СВЧ ЭКБ на основе нитридных эпитаксиальных структур: состояние и перспективы", организатором которого выступило ОАО "Светлана". Фактически совещание признало, что современное состояние нитридных разработок ЗАО "Светлана–Рост" и его партнеров к концу 2010 года соответствует примерно третьему году второй фазы программы WBGS, т.е. середине 2007 года. Таким образом, за шесть лет отставание российской полупроводниковой промышленности от ведущих фирм США и Японии сократилось с 18 до 3–4 лет. Тем самым в настоящее время в части нитридных технологий СВЧ-применения для России сохраняется перспектива выйти на паритетный уровень с лидерами – США и Японией.
Литература
Brian Hughes, Michael J. Keesling. HRL pushes high-frequency envelope. – Compound Semiconductor, November 2007, p.21.
Федоров Ю.В. Широкозонные гетероструктуры (Al, Ga, In)N и приборы на их основе для миллиметрового диапазона длин волн. – Электроника: НТБ, 2011, №2, с.92–107.
Colin Whelan, Nick Kolias. GaN Microwave Amplifiers Come of Age, Technology Today, Highlighting Raytheon’s Technology, 2010, Issue 2.
Keith Gurnett, Tom Adams. Leveraging high-volume GaAs production for RF GaN - III-Vs REVIEW THE ADVANCED SEMICONDUCTOR MAGAZINE, 2006, vol.19, №6.
Y. Nanishi et al. Development of AlGaN/GaN High Power and High Frequency HFETs under NEDO’s Japanese National Project, CS MANTECH Conference, April 24–27, 2006, p.45–48.
Mark J. Rosker. The DARPA Wide Band Gap Semiconductor for RF Applications (WBGS-RF) Program: Phase II Results, 2009 International Conference on Compound Semiconductor Manufacturing Technology Tampa, Florida, USA, 2009, 19 May.
Mark Rosker. Wide Bandgap Semiconductor Devices and MMICs: A DARPA Perspective, csmantech, 2005
ARPA and Microwave Technology. Military Microwave Digest, 2009, March, p.12.
Semiconductor Today, 24 May 2011, http://www.semiconductor-today.com/news_items/2011/MAY/NITRONEX_240511.html
GaN RF Market Analysis’ 08, http://www.i-micronews.com/upload/Rapports/ GaN%20RF%20flyer%20nv%20prix.pdf
GaN technologies for power electronic applications: Industry and market status & forecasts, http://www.i-micronews.com/upload/Rapports/PowerGaN_web.pdf
Петров С.И., Кайдаш А.П., Красовицкий Д.М., Соколов И.А., Погорельский Ю.В., Чалый В.П., Шкурко А.П., Степанов М.В., Павленко М.В., Баранов Д.А. Гетероструктуры InGaN/GaN, полученные методом молекулярно-лучевой эпитаксии с использованием аммиака в качестве источника азота. – Письма в ЖТФ, 2004, т.30, вып.14, с.13–19.
Cheong M.G. et. al. – Appl. Phys. Lett., 2000, vol.77, p.2557.
Sun X.L. et. al. – Journal of Applied Physics, 2002, vol.91, p.6729.
Sun X.L. et. al. – Phys. Stat. Sol. (b)., 2001, vol.228, p.441.
Goss S.H. et. al. – Appl. Phys. Lett., 2001, vol.78, p.3630.
Armitage R. et. al. – Appl. Phys. Lett., 2002, vol.81, p.1450.
Basu S.N. et.al. – J. Mater. Res., 1994, vol.9, р.2370.
Зверев А., Попов В., Филаретов А., Чалый В. Модели организационного развития предприятий полупроводниковой промышленности. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2011, №4, с.102.
Однако полностью эта проблема не была решена, так как появился целый комплекс проблем, связанных с отсутствием "родственной" подложки для эпитаксиального выращивания приборных гетероструктур. Выращивание объемных кристаллов нитридов металлов для последующего изготовления подложек сопряжено с большими технологическими трудностями, поэтому их серийное производство до сих пор не налажено. В результате для выращивания эпитаксиальных гетероструктур приходится использовать чужеродные подложки – сапфир, кремний, карбид кремния. А это, в свою очередь, приводит, с одной стороны, к повышенной, по сравнению с автоэпитаксией, плотности структурных дефектов, а с другой, – к существенно более строгим требованиям к технологическим процессам эпитаксиального выращивания приборных гетероструктур нитридов металлов третьей группы.
До середины 1990-х годов при изготовлении нитридных транзисторов в качестве подложки использовался сапфир как достаточно дешевый и доступный материал. И в середине 1996 года был продемонстрирован первый нитридный мощный СВЧ-транзистор, выполненный именно на сапфире [3]. Однако малая теплопроводность сапфира и далекое от идеала соотношение параметров кристаллических решеток подложки и эпитаксиального слоя сдерживали развитие технологий мощных нитридных приборов. В результате в качестве перспективной подложки для эпитаксиального выращивания приборных гетероструктур был выбран карбид кремния, обладающий очень хорошей теплопроводностью. Однако высокая стоимость и доступность подложек только малого диаметра (50,8 мм) от единственного производителя долгое время не позволяли развернуть реальное производство гетероструктур для серийного производства мощных транзисторов.
Кроме отсутствия родственных подложек для выращивания приборных гетероструктур, существенными барьерами на пути развития нитридных технологий были так называемый коллапс тока в СВЧ-режиме (происходил захват электронов на ловушки в буферном и барьерном слоях) (рис.1) и, как следствие, быстрая деградация приборов. Полностью эти два барьера не преодолены до сих пор. Тем не менее, первые упоминания о выходе нитридных технологий на коммерческий уровень относятся к 2006 году, когда о коммерческом использовании мощных нитридных СВЧ-транзисторов в составе аппаратуры одновременно объявили компании Eudyna и RF Micro Devices [4], а также Nitronex Corporation, сообщившая о начале пилотного производства мощных нитридных транзисторов на кремниевой подложке.
Следует отметить, что достаточно быстрое и результативное развитие нитридных технологий в США и Японии происходило благодаря мощной поддержке этого направления государством. Например, в Японии еще в 1999 году началась трехлетняя национальная программа NEDO [5]. В США наиболее значительных успехов добились компании, участвовавшие в государственной программе широкозонных полупроводников для СВЧ-применения WВGS-RF агентства DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency). Основной целью программы WВGS-RF [6] было развитие и коммерциализация нитридных технологий, первоначальной областью применения которых была военная техника и вооружение. В этой программе были предусмотрены три этапа (фазы), каждый из которых имел свою четко определенную цель и критерии выполнения, с объемами финансирования, превосходящими все финансирование по российской федеральной целевой программе "Развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники" на 2008–2015 годы.
Программа WВGS-RF началась в 2003 и продолжалась до 2010 года. Первый этап – с начала 2003 года до марта 2005 – назывался "Широкозонные материалы", его цель – развитие эпитаксиальных технологий и конструкций эпитаксиальных структур в системе (Al,Ga,In)N. Основными задачами этого этапа было получение низкодефектных теплопроводящих подложек и однородных по площади воспроизводимых эпитаксиальных слоев нитридов металлов. Результат – получены теплопроводящие полуизолирующие подложки карбида кремния диаметром 76 мм, пригодные для выращивания эпитаксиальных нитридных гетероструктур для приборного применения [7]. Другим, не менее важным результатом, стал переход от конструкции гетероструктуры типа "объемный HEMT" к гетероструктурам с двойным электронным ограничением. Фактически произошел переход к гетероструктурам типа DHFET (рис.2), которые лишь по традиции продолжают называть HEMT.
Второй этап программы начался в марте 2005 года и был посвящен разработке технологий изготовления дискретных приборов на гетероструктурах широкозонных полупроводников, полученных на первом этапе. Целью второго этапа была разработка технологий, обеспечивающих производство дискретных СВЧ-приборов с высокими параметрами без их деградации (вследствие снижения токов утечки по затвору, через буфер и увеличения напряжения питания). Вторая фаза программы WВGS успешно завершилась в апреле 2008 года и обеспечила соответствие технологий производства нитридных СВЧ дискретных приборов требованиям аппаратуры по надежности с разумным выходом годных. Один из результатов выполнения второго этапа программы WGSB – разработка коммерческих нитридных стандартных процессов фаундри TriQuint, RF Micro Devices, Cree Inc., а также серийно выпускаемых нитридных устройств сразу у нескольких производителей, в том числе Nitronex, Toshiba America Electronic Components and Semiconductors и у целого ряда других компаний.
Чрезвычайно важен факт формулирования требований к каждому из объектов, которому была посвящена та или иная фаза программы WBGS-RF. Так, уже на первом этапе при разработке технологий выращивания гетероструктур и их конструкций были сформулированы критерии оценки и способы их определения. Тем самым был согласован единый для всех участников программы набор методик и тестовых модулей для измерения параметров гетероструктур.
В редакционной статье журнала Military Microwave Digest за 2009 год указывается, что появление надежных нитридных СВЧ-приборов и их использующей аппаратуры является прямым следствием правильно построенной программы развития тематики широкозонных полупроводников [8]. Причем это в равной мере относится к аппаратуре как военного, так и гражданского назначения.
К середине 2011 года в мире производство нитридных транзисторов и усилителей стало заметным бизнесом. Так, только компания Nitronex Corpotation к маю продала 500 тыс. транзисторов [9]. При этом объем продаж мощных нитридных транзисторов и усилителей в 2007 году составил 17 млн. долл., предварительная оценка объема продаж 2010 года составила уже 100 млн. долл. [10], а общий объем продаж нитридных мощных устройств и СВЧ и силовой электроники, согласно прогнозу, возрастет с 16,6 млрд. в 2010 году до 350 млрд. долл. в 2015 году [11].
В России к пониманию необходимости государственного финансирования развития нитридных технологий для СВЧ-применения пришли в 2004 году, когда на совещании в РАСУ было принято решение о переходе от академических исследований к прикладным разработкам, и, прежде всего, к разработке гетероструктур для мощных СВЧ-транзисторов. По существу, это означало признание того, что Россия (хотя и на 18 лет позже других мировых держав) на государственном уровне подтвердила важность развития этих разработок.
В результате к 2004 году сложилась, казалось бы, привычная и для советской, и для всей современной мировой электроники ситуация, когда за стратегию разработки принимается анализ лучших мировых технологий и образцов, а затем их воспроизведение. Но временной разрыв между Россией и мировыми державами был слишком значительным – более 15 лет, а вкладываемые ресурсы – не сопоставимы. При этом импорт эпитаксиальных структур в коммерчески приемлемых объемах для производства мощных СВЧ-транзисторов был (и остается таковым по сей день) практически невозможен, технологическое оборудование для их производства в России отсутствовало, а закупка подобного оборудования за рубежом также находилась под жестким запретом.
К этому времени единичные и разрозненные российские разработки поискового характера, финансировавшиеся Министерством образования науки, показали, что условия выращивания нитридных гетероструктур значительно отличаются от условий выращивания классических полупроводников АIIIВV (например, AlGaAs). Попытки адаптации для этих целей традиционных установок молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ) не дали желаемых результатов. Требовалось заметное повышение температуры подложки, существенное усиление откачной системы для удаления используемого в качестве источника азота потока аммиака и др. Применительно к нитридам это, в частности, во всем мире привело к временному отставанию технологии МПЭ от газотранспортной с точки зрения параметров гетероструктур.
Для России очень важным фактором развития технологий выращивания нитридных гетероструктур, пригодных для разработок приборов, было сохранение школы технологов молекулярно-пучковой эпитаксии. Одной из таких групп (сотрудникам ЗАО "Полупроводниковые приборы") пришлось включиться в разработку оборудования. Принципиальным решением был отказ от попыток адаптации установок МПЭ, созданных для классических соединений AIIIBV, под задачи нитридных технологий и разработка специализированных ростовых установок [12]. Первый опытный образец установки для эпитаксиального выращивания слоев нитрида галлия и алюминия был изготовлен еще в 2002 году, что позволило в инициативном порядке сделать переход от поисковых, по существу академических, разработок к прикладным опытно-технологическим.
Одновременно решались три задачи: выбор конструкции эпитаксиальной структуры, развитие технологии выращивания эпитаксиальных структур для применения в мощных СВЧ-транзисторах и разработка соответствующего ростового оборудования. Решения, принятые по всем трем направлениям, на то время были крайне рискованными. Во-первых, в отличие от зарубежных технологов, использовавших в конце 1990 – начале 2000-х годов метод газофазной эпитаксии, развивать технологию молекулярно-пучковой эпитаксии. Во-вторых, не модернизировать установки для роста арсенида галлия, а разработать специализированное для нитридной эпитаксии оборудование (ориентированное на высокие ростовые температуры и большие газовые нагрузки), в качестве источника азота использовать газообразный аммиак, а не плазменный источник азота. В-третьих, отказаться от наиболее распространенной в тот период конструкции гетероструктуры типа объемный HEMT и сразу разрабатывать технологию получения гетероструктур с двойным электронным ограничением – DHFET (см. рис.2), включающих слои с высоким содержанием алюминия.
Принятые решения привели, в том числе, и к организационным преобразованиям. Сначала из ЗАО "Полупроводниковые приборы" выделилось ЗАО "Научное и технологическое оборудование", решавшее в основном задачи разработки и производства технологического оборудования. Затем, в 2004 году, было образовано ЗАО "Светлана–Рост", одной из основных задач которого стало развитие технологии выращивания нитридных эпитаксиальных гетероструктур. Потом появились фаундри в области мощных СВЧ нитридных приборов.
Развитию технологии выращивания эпитаксиальных структур типа DHFET предшествовали анализ причины возникновения коллапса и разработка методов борьбы с ним. Анализ показал, что решение этой проблемы путем выращивания нелегированного GaN (особенно высокого кристаллического качества) сопряжено со значительными трудностями. Во-первых, зародышевые слои, используемые на начальных стадиях роста нитридов на рассогласованных по параметру решетки подложках (Al2O3, SiC, Si), могут образовывать области с дефектной проводимостью вблизи интерфейсов буферного и зародышевого слоев [13]. Во-вторых, в ряде работ сообщалось о диффузии донорных примесей в GaN из подложки (в частности, кислорода [14–16] и кремния [17, 18]), что приводит к образованию в приборе каналов шунтирующей проводимости. Кроме того, наличие спонтанной и пьезополяризации провоцирует образование наведенных как положительных, так и отрицательных зарядов вблизи дефектов, границ блоков мозаичной структуры, на гетероинтерфейсах. В свою очередь, это может вызвать увеличение токов утечки по вертикальным каналам, вплоть до пробоя через буферный слой. Указанные обстоятельства в совокупности являются причиной того, что в реальных приборных гетероструктурах, работающих при высоких (порядка 30–50 В и даже выше) напряжениях, нужны специальные, дополнительные меры для обеспечения необходимого сопротивления буферного слоя. Иными словами, оказалось, что решение проблемы коллапса требует и введения структуры с двойным электронным ограничением, и выращивания достаточно сложного буферного слоя.
Решение проблемы коллапса путем оптимизации конструкции и технологии выращивания гетероструктур с двойным ограничением (рис.3) в конечном итоге привело к варианту конструкции DHFET, которая примерно с 2004–2005 годов стала повсеместно в мире упоминаться как передовая ("advanced"), а для ЗАО "Светлана–Рост" стала базовой для большинства последующих разработок.
Следует отметить, что впервые в практике российской полупроводниковой промышленности СВЧ-направления с самого начала развитие нитридных технологий в ЗАО "Светлана–Рост" было основано на принципах построения фаундри [19]. В основу всех разработок был положен принцип стандартизации конструкции гетероструктур и технологического процесса изготовления из этого типа гетероструктуры определенного класса полупроводниковых изделий (в данном случае – мощных СВЧ-транзисторов). Ориентация на принципы фаундри при построении предприятия позволила выстроить кооперационные связи со многими российскими производителями ЭКБ, что положительно сказалось на развитии нитридных технологий. Так, если к моменту проведения совещания в РАСУ (2004) отставание российских нитридных технологий от американских оценивалось в 18 лет, то к концу 2006 года такое отставание сократилось до 10 лет.
Знаковым событием 2006 года стало изготовление и тестирование в СВЧ-режиме первого отечественного мощного транзистора специалистами ЗАО "Светлана–Рост" и ФГУП "НПП "Исток". Первая основная цель изготовления этого транзистора – подтверждение отсутствия коллапса в разработанных гетероструктурах типа AlGaN DHFET. Второй целью была проверка основных технологических решений элементов планарного технологического процесса – межприборной изоляции и формирования омических контактов к гетероструктуре AlGaN DHFET. Поэтому было принято решение максимально упростить задачу, взяв за основу топологию серийно выпускавшегося "Истоком" арсенидгаллиевого транзистора и традиционную технологию формирования субмикронного затвора. На "Истоке" же проводились и измерения параметров. Как и на ранних стадиях разработок в США и Японии, первый отечественный мощный нитридный СВЧ-транзистор был изготовлен на подложке из сапфира, поэтому, во избежание проблем с теплоотводом, был включен в импульсном режиме (рис.4).
Отсутствие теплопроводящих подложек к началу 2007 года для России стало стоп-фактором дальнейшего развития нитридных технологий. В то время в мире существовал монопольный производитель теплопроводящих полуизолирующих подложек карбида кремния – американская компания Cree Inc. При этом сами подложки были отнесены к продукции, на экспорт которых за пределы США требовалось получение лицензии. Тем самым ориентация на SiC "американского происхождения" для промышленного развития нитридных технологий была фактически невозможной, и вопрос о развитии производства в России карбида кремния для СВЧ-применения начал обсуждаться самым серьезным образом. Однако время было упущено. Ситуация существенным образом изменилась лишь к концу 2009 – началу 2010 года, когда в Китае (по меньшей мере две фирмы) стали производить полуизолирующий карбид кремния приемлемого качества. С этого момента можно считать, что конкуренция в области производства карбида кремния перешла из фазы конкуренции качества в фазу ценовой конкуренции, а коммерческая перспектива изготовления SiC в России была утрачена, по-видимому, навсегда.
Существует принципиальное отличие в подходах к развитию полупроводниковой промышленности в России и в остальном мире. Формирование российских целевых программ традиционно исходило из планирования разработки конструкций конкретных конечных изделий полупроводниковой техники. Полностью игнорировался тот факт, что предусмотреть весь ассортимент и даже номенклатуру изделий на годы вперед (например, на семь лет) в условиях быстрой сменяемости радиоэлектронной аппаратуры просто невозможно. Ориентация программ развития на отдельные разработки конкретных конструкций конечных устройств не позволяла выстроить и логическую цепь развития технологий, в которых каждый последующий этап опирается на результаты предыдущего.
Современный подход, показавший свою результативность в Японии и США, исходит из планирования развития технологических ветвей, оставляя разработку конкретных конструкций конечных изделий задачей повседневной коммерческой деятельности предприятий. Таким образом, в России методология планирования унаследованных с прошлых времен программ развития осталась на уровне первого этапа развития полупроводниковой промышленности, в то время как весь мир давно перешел во второй этап [19]. Тяжелейшим, имеющим разрушительное воздействие на любые программы развития, следствием такого положения является стремление российских предприятий к "натуральному хозяйству", неумение и нежелание выстраивать кооперационные связи. Приходится также учитывать, что достаточно долгое время государственные программы являлись, по существу, инструментом государственных дотаций предприятиям для того, чтобы дать им возможность выжить в постсоветских условиях. Поэтому выстраивание кооперационных связей зачастую воспринимается как прямые финансовые потери этих самых дотаций.
Изменение подхода к методологии развития тематики начало проявляться при формировании новых научно-технических программ Союзного государства, которые последнее время стали строиться, исходя из упомянутой выше логики развития технологий. В частности, одной из программ предусмотрено развитие нитридных технологий СВЧ-применения. Задачей этой программы является сначала обобщение и упорядочивание опыта, полученного прежде всего российскими предприятиями в отдельных, зачастую инициативных разработках нитридной технологии, а затем и дальнейшее развитие технологий до коммерческого применения.
Нужно отметить, что опыт и результаты в области нитридных технологий появились тогда и у тех предприятий, которые решались на глубокие кооперационные связи на основе признания ключевых компетенций участников процесса. Так, первый нитридный СВЧ-транзистор был сделан в кооперации ФГУП "НПП "Исток" и ЗАО "Светлана–Рост". Следующим проявлением развития технологии явилась завершенная в 2009 году первая разработка реального устройства − широкополосного усилителя (рис.5), проведенная совместно тремя предприятиями: ЗАО "Светлана–Рост" (разработчик и изготовитель гетероструктури предприятие фаундри), предприятием фаундри ОАО "ВНИИРА" (дизайн-цетр) и ОАО "ОКБ-Планета" (заказчик, сборочное производство и испытательный центр). Вслед за этим, в кооперации ЗАО "Светлана–Рост" и ОАО "ВНИИРА" были проведены еще две инициативные разработки мощных приборов: широкополосного усилителя (рис.6) и усилителя мощности С-диапазона (рис.7). Особенностью этих разработок было то, что они основывались на применении стандартизованного нитридного технологического процесса.
Примерно в это же время в кооперации ЗАО "Светлана–Рост" и ОАО "Октава" с применением технологии обратного монтажа разработан, изготовлен и испытан квазимонолитный усилитель мощности с рабочими частотами до 14 ГГц. Интенсивные прикладные научно-исследовательские работы, особенно в части продвижения нитридных технологий в миллиметровый диапазон, ведутся в Институте СВЧ полупроводниковой электроники РАН.
Подробное рассмотрение состояния разработок нитридных технологий было проведено 28 октября 2010 года на отраслевом совещании "Отечественные промышленные технологии производства твердотельной СВЧ ЭКБ на основе нитридных эпитаксиальных структур: состояние и перспективы", организатором которого выступило ОАО "Светлана". Фактически совещание признало, что современное состояние нитридных разработок ЗАО "Светлана–Рост" и его партнеров к концу 2010 года соответствует примерно третьему году второй фазы программы WBGS, т.е. середине 2007 года. Таким образом, за шесть лет отставание российской полупроводниковой промышленности от ведущих фирм США и Японии сократилось с 18 до 3–4 лет. Тем самым в настоящее время в части нитридных технологий СВЧ-применения для России сохраняется перспектива выйти на паритетный уровень с лидерами – США и Японией.
Литература
Brian Hughes, Michael J. Keesling. HRL pushes high-frequency envelope. – Compound Semiconductor, November 2007, p.21.
Федоров Ю.В. Широкозонные гетероструктуры (Al, Ga, In)N и приборы на их основе для миллиметрового диапазона длин волн. – Электроника: НТБ, 2011, №2, с.92–107.
Colin Whelan, Nick Kolias. GaN Microwave Amplifiers Come of Age, Technology Today, Highlighting Raytheon’s Technology, 2010, Issue 2.
Keith Gurnett, Tom Adams. Leveraging high-volume GaAs production for RF GaN - III-Vs REVIEW THE ADVANCED SEMICONDUCTOR MAGAZINE, 2006, vol.19, №6.
Y. Nanishi et al. Development of AlGaN/GaN High Power and High Frequency HFETs under NEDO’s Japanese National Project, CS MANTECH Conference, April 24–27, 2006, p.45–48.
Mark J. Rosker. The DARPA Wide Band Gap Semiconductor for RF Applications (WBGS-RF) Program: Phase II Results, 2009 International Conference on Compound Semiconductor Manufacturing Technology Tampa, Florida, USA, 2009, 19 May.
Mark Rosker. Wide Bandgap Semiconductor Devices and MMICs: A DARPA Perspective, csmantech, 2005
ARPA and Microwave Technology. Military Microwave Digest, 2009, March, p.12.
Semiconductor Today, 24 May 2011, http://www.semiconductor-today.com/news_items/2011/MAY/NITRONEX_240511.html
GaN RF Market Analysis’ 08, http://www.i-micronews.com/upload/Rapports/ GaN%20RF%20flyer%20nv%20prix.pdf
GaN technologies for power electronic applications: Industry and market status & forecasts, http://www.i-micronews.com/upload/Rapports/PowerGaN_web.pdf
Петров С.И., Кайдаш А.П., Красовицкий Д.М., Соколов И.А., Погорельский Ю.В., Чалый В.П., Шкурко А.П., Степанов М.В., Павленко М.В., Баранов Д.А. Гетероструктуры InGaN/GaN, полученные методом молекулярно-лучевой эпитаксии с использованием аммиака в качестве источника азота. – Письма в ЖТФ, 2004, т.30, вып.14, с.13–19.
Cheong M.G. et. al. – Appl. Phys. Lett., 2000, vol.77, p.2557.
Sun X.L. et. al. – Journal of Applied Physics, 2002, vol.91, p.6729.
Sun X.L. et. al. – Phys. Stat. Sol. (b)., 2001, vol.228, p.441.
Goss S.H. et. al. – Appl. Phys. Lett., 2001, vol.78, p.3630.
Armitage R. et. al. – Appl. Phys. Lett., 2002, vol.81, p.1450.
Basu S.N. et.al. – J. Mater. Res., 1994, vol.9, р.2370.
Зверев А., Попов В., Филаретов А., Чалый В. Модели организационного развития предприятий полупроводниковой промышленности. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2011, №4, с.102.
Отзывы читателей
