Разработана технология изготовления приборов нитрида галлия на кремниевой подложке диаметром 150 мм
Нитриды галлия постепенно приходят на смену арсениду галлия: они позволяют получать более мощные приборы СВЧ-диапазона, работающие при более высоких температурах. До сегодняшнего дня в нашей стране создавались приборы нитрида галлия на кремнии диаметром менее 100 мм. В лаборатории элементной базы наноэлектроники кафедры «Квантовая физика и наноэлектроника» МИЭТ создали технологию, позволяющую работать с пластинами нитрида галлия на кремниевой подложке диаметром 150 мм. Это достижение миэтовских ученых стало прорывным в области технологий по СВЧ-элементной базе и вошло в программу развития Центра компетенций НТИ «Сенсорика», открытого на базе МИЭТ в прошлом году.
Первые пробы и результат
Физические принципы и формирования приборов нитридной группы были заложены и сформулированы еще нобелевским лауреатом Ж.И. Алферовым в те годы, когда он со своей командой занимался лазерами. Именно на основе его разработок стали изготавливать детали и микросхемы для СВЧ-техники – нитридные гетероструктуры. Однако цена таких микросхем была огромной, потому что материалы подложки (того, на чем они держались) стоили огромных денег. Когда задумались, как их удешевить, решили совместимость технологию, которая используется в мире для распространенных кремниевых подложек с диаметром 500 мм, и СВЧ-технологии с диаметром 50 мм (вот она – разница в цене). Трудозатраты при этом оставались теми же. Однако перейти на больший диаметр не позволяло отсутствие отработанных надежных технологий изготовления. Поэтому стали искать возможности изготовить нитрид галлия на кремнии: сначала они были реализованы за рубежом, а потом и у нас.
Первые отечественные приборы были созданы в МИЭТ в 2012-м году на подложках нитрида галлия на кремнии диаметром 50 мм. Сначала они, конечно, были не очень хорошего качества, но принцип изготовления был применен. А в 2017-м МИЭТ вплотную подошел к тому, чтобы изготавливать нитрид галлия на приборы на подложках кремния диаметром 150 мм. «Мы понимали, что если у нас это получится, то мы будем обладать технологиями мирового уровня, – рассказывает ведущий научный сотрудник МИЭТ, заведующий лабораторией «Элементная база наноэлектроники» кафедры «Квантовая физика и наноэлектроника» Владимир Егоркин. – Фирмы с мировым именем держат в секрете технологии изготовления таких пластин и составы рабочих структур, при том, что бизнес уже давно говорит о мощнейших характеристиках приборов на них».
Действительно, за рубежом есть даже такая услуга для компаний: вам проводят выращивание структуры по вашему заданию, при этом вся ответственность за «дизайн» структуры лежит на заказчике. Ведь чтобы понять и смоделировать такую структуру, нужно быть высококвалифицированным специалистом в области физики полупроводниковых приборов. Ученым МИЭТа удалось смоделировать, рассчитать и изготовить СВЧ приборы на пластинах диаметром 150 мм и создать экспериментальные образцы сверхмощных СВЧ-приборов, которые показали отличные характеристики, сравнимые с зарубежными аналогами.
«Овладев этой технологией, мы получили пробивное напряжение в районе 250 вольт! Сравните, у арсенида галлия, который использовался ранее, напряжение равняется 25-ти вольтам, – говорит Владимир Егоркин. – Такие мощности особенно важны для внедрения в России пятого поколения мобильной связи. Количество подложек для производства СВЧ-приборов для телекоммуникаций можно сократить в два раза! Это, безусловно, существенно отразится на стоимости готовых микросхем».
Сейчас ученые МИЭТ находятся на этапе завершения процесса идеологии, создания алгоритмов и выбирают частотные диапазоны для того чтобы запустить производство микросхем на диаметре 150 мм для отечественных СВЧ-приборов нитрида галлия.
СПРАВКА:
Как выращивается галлий на кремнии?
В первую очередь выращивается активная пленка, которая сама по себе состоит из нескольких слоев, выращенных друг за другом. Ее суммарная толщина колеблется в районе нескольких микрон. Та часть, которая содержит в себе большие вольты, о которых мы говорили выше, сосредоточена как раз в толщине этого тонкопленочного материала. После формирования пленки, на ней создаются рабочие структуры: транзисторы и микросхемы, которые выполняют функции, заложенные геометрией и топологией (травление, нанесение, нейтрализации, нанесения активных зон и т.д.) будущего СВЧ-прибора. Кремний – остается несущей основой, без которой с такими толщинами работать физически невозможно. После этого пленку начинают «утонять» до 100 микрон (исходно толщины кремниевой пластины могут составлять 675, 950 микрон). Чтобы обеспечить возможность подступиться к оставшейся толщине, на нее наклеивается матрица, которая держит всю эту конструкцию, и только после этого идет сошлифовка кремниевой части до 100 микрон. На остатке кремния доводятся все технологические операции контактирования с активными элементами. И только после такой ювелирной работы пластина разделяется на кристаллы, готовые для установки в СВЧ-приборы.