Введение к работе
Актуальность работы. Разработка и освоение новейших технологий в системах космической, спутниковой и мобильной связи, а также радиолокационных системах на основе приемо-передающих модулей активных фазированных антенных решеток (ППМ АФАР) является важнейшей и сложнейшей научно-технической задачей, без решения которой немыслимо производство перспективных, эффективных и конкурентоспособных образцов новой техники. Прогресс в этой области обусловлен использованием СВЧ монолитных интегральных схем (МИС), базирующихся на последних достижениях в области гетероструктурной электроники.
В настоящее время в США, Японии и ряде стран Европы и Южной Азии разработаны и серийно выпускается ряд СВЧ МИС на основе гетероструктур, предназначенный для построения указанных систем. Функциональный ряд этих МИС включает следующие схемы: малошумящие усилители (МШУ) и усилители мощности (УМ), защитные устройства, коммутаторы, фазовращатели, аттенюаторы, смесители и генераторы.
В России работы по созданию серийных изделий этого ряда ведутся всего на нескольких предприятиях, причем, основные усилия в этой области направлены на сокращение отставания от уровня зарубежных компаний [1,2].
Актуальность работ, связанных с разработкой элементной базы для СВЧ-модулей, продиктована острой необходимостью разработки аппаратуры нового поколения и, прежде всего, для специальной техники оборонного комплекса страны.
Требуется отметить, что к началу данной работы (2007 г.) в России СВЧ МИС выполнялись преимущественно по MESFET-технологии, полностью отсутствовало перспективное научно-техническое направление по созданию СВЧ монолитных интегральных схем на основе гетероструктурных арсенидгаллиевых pin-диодов, а работы по созданию рНЕМТ МИС МШУ были на начальном этапе.
Цель работы. Целью работы является разработка и исследование монолитных интегральных схем СВЧ диапазона на основе арсенидгаллиевых гетероструктурных pin-диодов, в рамках нового для страны направления, а также разработка и исследование СВЧ МИС на основе транзисторов с высокой подвижностью электронов.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи.
1) Разработать и оптимизировать конструкцию и технологию изготовления дискретного СВЧ гетероструктурного pin-диода на отечественном материале.
Провести исследование особенностей поведения прибора при разных режимах работы и на разных материалах. Провести комплекс измерений его параметров, необходимых для построения СВЧ-модели pin-диода и проектирования монолитных интегральных схем на его основе.
-
Разработать технологию создания СВЧ монолитных интегральных схем с использованием гетероструктурных pin-диодов. Найти наиболее эффективные конструкторские и технологические решения для создания МИС коммутаторов и ограничителей СВЧ-мощности с параметрами, превышающими параметры известных аналогов.
-
Разработать и оптимизировать конструкцию и технологию изготовления малошумящего транзистора, выполненного по рНЕМТ-технологии на отечественном материале. Провести исследование его характеристик, построить СВЧ-модель. Провести комплекс работ для создания оптимальных технологических маршрутов изготовления МИС на основе гетероструктурных транзисторов, включающих создание активных и пассивных компонентов.
-
Разработать и исследовать МИС малошумящего усилителя Х-диапазона на основе разработанной рНЕМТ-технологии. Провести исследование созданных МИС МШУ и МИС защитного устройства на основе pin-диодов при их совместной работе (МШУ с защитой по входу).
-
Провести поиск конструктивных и технологических путей создания МИС на основе гетероструктурных транзисторов, имеющих более высокие предельные частоты, для работы в миллиметровом диапазоне волн.
Методы исследований. В качестве главных инструментов исследований использовались методы моделирования схем на основе апробированных моделей. Для подтверждения справедливости расчетов проводились экспериментальные исследования. С использованием осциллографических методов анализировались временные характеристики приборов. Для контроля субмикронных размеров использовались методы электронной и атомно-силовой микроскопии. Проводилось изучение вольт-амперных характеристик в диапазоне температур. Исследовались оптические спектры излучения приборов. Исследование СВЧ-характеристик приборов осуществлялось непосредственно на полупроводниковых пластинах в широком диапазоне частот (0,01-40 ГГц) с использованием векторного анализатора цепей и зондовой станции.
Научная новизна работы. 1) Впервые в стране созданы СВЧ гетероструктурные арсенидгаллиевые pin-диоды и монолитные интегральные схемы на их основе.
-
Экспериментально изучены особенности поведения СВЧ гетероструктурных pin-диодов в монолитных интегральных схемах. Впервые показано, что арсенидгаллиевые pin-диоды, входящие в состав СВЧ МИС, являются источниками инфракрасного излучения, обусловленного излучательной рекомбинацией электронов и дырок в диодах, что позволяет измерять температуру приборов и осуществлять дистанционный контроль схем при граничных испытаниях.
-
Впервые созданы СВЧ монолитные интегральные схемы ограничителей мощности, одновременно содержащие вертикальные структуры pin-диодов и диодов Шоттки. По совокупности параметров разработанные схемы превосходят известные аналоги. Конструкции схем защищены патентами (пат. РФ №94765 от 27.05.2010 и пат. РФ №102846 от 10.03.2011).
-
Впервые предложена и реализована МИС ограничителя СВЧ-мощности на основе pin-диодов с управляемым уровнем просачивающейся мощности (заявка на изобретение №2011102631 от 24.01.2011г.). Схема также может быть использована в качестве управляемого аттенюатора и СВЧ-«отключателя».
-
Экспериментально исследованы температурные зависимости скорости дрейфа электронов от поля в квантовой яме гетероперехода AlGaAs/InGaAs разработанного транзистора, что позволяет более корректно оценивать изменение параметров прибора в диапазоне температур 230-400 К.
-
Предложена и реализована технологичная методика получения затворов с длинами порядка 100 нм, не опирающаяся на использование электронных литографов (Заявка на изобретение № 2011102638 от 24.01.2011 г., положительное решение от 08.06.2011).
Практическая значимость работы.
-
Результаты, полученные автором, положили начало реализации в стране нового научно-технического направления по созданию СВЧ монолитных интегральных схем на основе гетероструктурных арсенидгаллиевых pin-диодов.
-
В результате выполнения НИР и ОКР, проводимых в ОАО «НИИПП», были разработаны технологии создания гетероструктурных pin-диодов и транзисторов, а также СВЧ МИС на их основе. Были получены образцы СВЧ МИС, по своим параметрам не уступающие известным аналогам.
-
Разработан СВЧ гетероструктурный арсенидгаллиевый малошумящий транзистор серии АП399А-5.
-
Созданные СВЧ гетероструктурные транзисторы на арсениде галлия были внедрены в ОКР «Исследование и создание широкополосных
приемопреобразовательных устройств на основе GaAs интегральных СВЧ-схем усилителей, преобразователей вверх и вниз», шифр «Доводка-02» (Модули СВЧ М55147-1...6 АПТТ.434850.036 ТУ), и «Разработка конверторов диапазонов частот 2...16 ГГц в литерном исполнении», шифр «Кварк-02» (Модуль СВЧ М55326 АППТ.434850.038 ТУ).
-
Разработанные в рамках данной работы МИС на основе гетероструктурных приборов показали свою эффективность и перспективность для создания широкого спектра СВЧ модулей и устройств, разрабатываемых в ОАО «НИИПП»
-
Полученные результаты использованы в проектах (№П499 от 13.05.2010г., №11669 от 19.05.2010г., №14.740.11.0135 от 06.09.2010г., №16.740.11.0092 от 01.09.2010 г.) по Федеральной целевой программе «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы».
Научные положения, выносимые на защиту.
-
Смещенные в прямом направлении арсенидгаллиевые СВЧ pin-диоды, входящие в состав монолитных интегральных схем, являются источниками инфракрасного излучения, обусловленного межзонной излучательной рекомбинацией, что позволяет определять максимальную температуру кристалла и его тепловое сопротивление.
-
При изменении смещения на каждом pin-диоде, входящем в состав интегральной схемы защитного устройства на основе арсенида галлия, от 0 до + 0,7 В можно уменьшать мощность просачивания устройства с 17,8 дБм (-60 мВт) до 9 дБм (~8 мВт) практически без изменения его малосигнальных параметров.
-
Использование эпитаксиальной гетероструктуры n-GaAs/n+-GaAs/p+-GaAs/p -AIGaAs/i-GaAs/n+GaAs/SI-GaAs для создания монолитной интегральной схемы многокаскадного ограничителя мощности с вертикальными структурами pin-диодов дает возможность дополнительно формировать выходную группу диодов Шоттки вертикальной конструкции, что приводит к уменьшению мощности просачивания устройства в 4 раза (с 18 дБм (63 мВт) до 12дБм (16 мВт)), не ухудшая при этом остальных параметров.
-
Для диапазона температур 230 - 400 К скорость насыщения электронов двумерного электронного газа в квантовой яме перехода AlGaAs/InGaAs гетероструктурного транзистора с длиной активной области около 1 мкм изменяется от 1,5*107 до 1,3*107 см/с.
-
Использование непрямых литографических методов создания затвора, основанное, с одной стороны, на теневых эффектах при напылении тонких
пленок, а с другой стороны, на селективном травлении слоев гетероструктуры,
позволяет создавать дискретные приборы и МИС с транзисторами, имеющими
длину затвора порядка 100 нм при разрешающей способности литографии
800 нм.
Апробация результатов работы. Основные результаты работы доложены
на 4-й Международной научно-практической конференции «Электронные
средства и системы управления. Опыт инновационного развития» (Томск 2007 г.),
Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и
молодых ученых «Научная сессия ТУСУР-2008» (Томск 2008 г.), Международных
конференциях «Актуальные проблемы радиофизики» (Томск 2008, 2010 гг.), ШЕЕ
International Siberian Conference on Control and Communications SIBCON-2009
(Tomsk 2009), Всероссийской научной конференции молодых ученых «НАУКА.
ТЕХНОЛОГИИ. ИННОВАЦИИ.» (Новосибирск 2009 г.), на 20-й Международной
Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии»
(Севастополь, Украина 2010 г.), VI Международной научно-практической
конференции «Электронные средства и системы управления» (Томск 2010 г.),
IEEE 2nd Russian School and Seminar on Fundamental Problems of Micro/Nanosystem
Technologies Proceedings MNST'2010 (Novosibirsk 2010), Научно-практической
конференции по физике и технологии наногетероструктурной СВЧ-электроники
«Мокеровские чтения» (Москва 2011г.).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 22 работах, в том числе - 9 статей опубликованы в журналах, входящих в перечень ВАК; 2 патента РФ.
Личный вклад автора. Диссертация является итогом исследований автора, проводившихся совместно с сотрудниками ОАО «НИИПП», ТУСУР и других организаций. Основные исследования, результаты которых представлены в диссертации, были выполнены по инициативе автора. Автором совместно с научным руководителем обсуждались цели работы, пути их достижения и результаты работы. Личный вклад автора включает выбор методик исследований, проведение численных расчетов, подготовку образцов и их измерение, обработку экспериментальных результатов. Большая часть статей по теме диссертации написана автором после обсуждения с соавторами. Автором выполнено обобщение представленного в диссертации материала.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Объем работы составляет 135 страниц машинописного текста, включая 67 рисунков и список литературы из 114 наименований.
