БНТИ
Бюро научно-технической информации
Чистота и порядок в кристалле для радиолокаторов
Устройства радиолокационных систем, работающие на сверхвысоких частотах, должны иметь небольшие размеры и вес, стабильно выдавать заданный уровень выходной мощности и не терять свои характеристики при повышенных температурах. Основной элемент СВЧ-устройств — транзистор с высокой подвижностью электронов. В последнее время для изготовления таких транзисторов используют кристаллы нитрида галлия (GaN). Применение этого полупроводникового соединения даёт возможность увеличивать мощность СВЧ-устройств при одновременном уменьшении числа транзисторов в каскадах, а значит, и габаритов изделия. Одновременно приборы стабильно работают при повышенных температурах и в условиях радиационного фона.
Однако при создании подобных транзисторов приходится сталкиваться с технологической проблемой, влияющей на их мощность: в ходе синтеза кристаллов нитрида галлия в его структуру встраивается кислород, что приводит к деградации электрофизических свойств материала. Дело в том, что нитрид-галлиевые транзисторы создаются на основе гетероструктур, содержащих несколько слоёв. Один из них (буферный) должен иметь высокое сопротивление. Однако внедрившиеся в его кристаллическую структуру атомы кислорода привносят электроны — носители заряда, из-за чего появляются токи утечки и уменьшается мощность транзистора.
Сотрудники Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН (ИФП СО РАН) взялись за решение этой задачи.
Полупроводниковые гетероструктуры выращиваются методом молекулярно-лучевой эпитаксии: в условиях сверхвысокого вакуума на поверхность подложки подаются пары металла и газ — аммиак. В ходе химической реакции на поверхности растёт полупроводниковая плёнка, наследуя кристаллическую структуру подложки. В данном процессе важно соблюдать максимальную чистоту, поскольку даже один примесный атом на миллион может кардинально поменять свойства полупроводника. Несмотря на тщательную фильтрацию реакционной среды и откачку, в сверхвысоковакуумных камерах, где выращивают полупроводниковые кристаллы, присутствует остаточный атмосферный кислород, который и внедряется в полупроводник. Традиционно, чтобы избежать этого явления, дополнительно вводят в растущую структуру углерод или железо или намеренно создают дефекты в начальных слоях GaN для захвата «лишних» электронов. Однако оба эти способа могут приводить к ухудшению характеристик проводящего элемента транзистора, также влекущему за собой снижение мощности прибора. В ИФП СО РАН нашли иной вариант решения проблемы, не добавляя примеси и сохраняя структурное совершенство слоя нитрида галлия. Для этого физики подобрали определённые условия роста кристаллического GaN. Оптимальные параметры роста буферного слоя, обладающего высоким электросопротивлением, они рассчитали с помощью специального математического алгоритма. При выращивании в этом случае используются более низкие температуры (800