Введение к работе
Актуальность. Расширение сфер применения генераторов миллиметрового диапазона в различных радарных, коммуникационных и радиометрических системах связано сТюзможностью увеличения их выходной мощности. На сегодняшний день максимальные уровни выходной СВЧ мощности для твердотельных генераторов миллиметрового диапазона реализуются с помощью лавинно-пролетных диодов (ЛПД) на алмазном теплоотводе. Однако, достигаемые при этом уровни выходной мощности при рабочей температуре перегрева р-n перехода значительно ниже уровня достигаемого при предельных уровнях питания.
Диссертация направлена на решение фундаментальной проблемы существенного снижения уровня тепловых ограничений для твердотельных генераторных и усилительных приборов СВЧ миллиметрового диапазона. Известно, что для приборов этого класса, таких как лавинно-пролетные диоды, диоды Ганна и другие, уровень выходной СВЧ мощности в миллиметровом диапазоне ограничен не электронными свойствами материала, структуры, а уровнем температуры перегрева активной области. Приборы данного класса имеют относительно низкий КПД, не превышающий в лучших образцах 10-15 %. Поэтому основная входная мощность преобразуется в тепловую энергию, вызывающую перегрев и тепловой пробой структуры. Тем более, что указанный класс приборов работает при самых высоких плотностях электрической мощности питания относительно других полупроводниковых приборов. Данная проблема усугубляется именно в миллиметровом диапазоне, что связано с уменьшением размеров активной структуры, а именно, площади активных переходов и, соответственно, увеличением плотности входной электрической мощности.
Отсюда следует фундаментальная конструкторско-технологи-ческая проблема исполнения известного класса приборов, таких как ЛПД, диоды Ганна в том виде, который позволит при тех же рабочих электрических нагрузках получить меньшую температуру перегрева активной структуры, либо при допустимом уровне температуры перегрева обеспечить больший уровень входной электрической мощности. Сказанным определяется актуальность работы.
С.-Петербург
ОЭ 20окт^5т"
Цель работы. Найти конструкцию мезакристалла. позволяющую задавать на исходной пластине рабочую геометрию активной структуры для работы в миллиметровом диапазоне и обеспечить соответствующую технологию, позволяющую манипулировать и монтировать этот мезакристалл на теплоотвод.
Научная новизна. Научная новизна определяется методами и подходами решения проблемы.
Во-первых, реализован интеграционный принцип, позволяющий объединить в конструкции кристалла функции инструмента и оснастки. Имеется ввиду следующее. Активные элементы кристалла с рабочей геометрией объединены с помощью соединений с технологическими элементами, выполняющими функцию инструмента и оснастки, которые после монтажа на теплоотвод удаляются. При этом активные элементы кристалла и их рабочая геометрия сохраняются. Существенно, что все перечисленные конструктивно-технологические элементы выполнены из материала активной структуры в монолите.
Для решения технологической части задачи осуществляются следующие пункты. Исследовано структурное совершенство материала активных элементов и выявлена связь между упруго-напряженным состоянием активной структуры и процентом выхода годных приборов. Максимально ужесточены требования к классу поверхности теплоотвода.
Решение поставленных задач является принципиально новым, поскольку все известные способы изготовления данных приборов предполагают формирование рабочих размеров активной структуры уже после монтажа на теплоотвод, когда невозможно обеспечить конфигурацию кристалла с сильно развитой периферией контакта активной структуры к теплоотводу.
Научная и практическая значимость. Сведения за 2003-2005 гг., опубликованные ведущей в данной области фирмой NEC (), показывают, что для кремниевых серийно выпускаемых ЛПД мм диапазона уровень теплового сопротивления, достигнутого с использованием алмазного теплоотвода, лежит в пределах от 30С/Вт в 8 мм диапазоне до 80 С/Вт в 3 мм диапазоне. Соответствующие уровни выходной мощности СВЧ генерации от 0,8 Вт в 8 мм диапазоне до 0,06 Вт в 3 мм диапазоне.
В диссертации для кремниевых ЛПД 5 мм диапазона получено снижение теплового сопротивления без использования алмазного теплоотвода до уровня 20-25 С/Вт, что обеспечивает возможность вход-
ного уровня непрерывной электрической мощности порядка 10 Вт и выходной непрерывной СВЧ мощности около 1 Вт.
Таким образом, полученный результат существенно превосходит характеристики современных серийно выпускаемых приборов.
Главные защищаемые положения:
-
Конструкция шестимезового лавинно-пролетного диода 5 миллиметрового диапазона с реализованным уровнем выходной непрерывной мощности 1 Вт при температуре перегрева р-п перехода 200С.
-
Технология сборки многомезовых ЛПД миллиметрового диапазона, в которой монтаж кристалла производится на теплоотвод с классом шероховатости поверхности не хуже класса рабочей поверхности исходной полупроводниковой структуры.
Апробация работы. Основные результаты диссертации были доложены и обсуждались на следующих конференциях, совещаниях и семинарах.
1.V научно-техническая конференция "Аналитические методы исследования материалов и изделий микроэлектроники. М, ЩШИ "Электроника". 1989 г.
-
II Межреспубликанский семинар "Современные методы и аппаратура рентгеновских дифрактометрических исследований материалов в особых условиях". Киев.1991 г.
-
VI Всесоюзная конференция "Аналитические методы исследования материалов и изделий микроэлектроники". Кишинев. 1991 г.
-
III Всесоюзная конференция "Физические основы надежности и деградации полупроводниковых приборов". Кишинев. 1991 г.
-
II Украинская научная конференция по физике полупроводников с участием зарубежных ученых. Материалы конференции. Черновцы: Рута. 2004 г.
-
VIII Sino-Russian International Simposium on new materials and technologies "New Materials and Technologies". China. 2005 r.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 работ; в том числе два изобретения: одно защищено авторским свидетельством, и одно решение о выдаче патента. Список публикаций приводится в конце автореферата.
Личный вклад автора. Автор принимал участие во всех экспериментах по исследованию выходных СВЧ параметров, тепловых и структурных характеристик. Лично осуществил расчет топологии и
параметров конструкции мезакристалла, осуществил сборку всех экспериментальных образцов многомезовых ЛПД. Кроме того, автору принадлежит идея использования технологической опорной мезаст-руктуры и монтажа многомезового кристалла на теплоотвод с классом шероховатости поверхности не хуже класса рабочей поверхности исходной полупроводниковой структуры.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и основных результатов, изложенных на 115 страницах текста, включающих 44 рисунка, 9 таблиц. В конце диссертации приведен список литературы из 113 наименований.
