Разработка и исследование элементной базы на гетероструктурах на основе соединений А3В5 для СВЧ-модулей

Ющенко, Алексей Юрьевич

Разработка и исследование элементной базы на гетероструктурах на основе соединений А3В5 для СВЧ-модулей тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

Ющенко, Алексей Юрьевич АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Томск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2011 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.04 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Разработка и исследование элементной базы на гетероструктурах на основе соединений А3В5 для СВЧ-модулей»

Автореферат диссертации на тему "Разработка и исследование элементной базы на гетероструктурах на основе соединений А3В5 для СВЧ-модулей"

УДК 621.382

Юшенко Алексей Юрьевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ НА ГЕТЕРОСГРУКТУРАХ НА ОСНОВЕ СОЕДИНЕНИЙ А3В5 ДЛЯ СВЧ-МОДУЛЕЙ

Специальность 01.04.04 - физическая электроника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 8 А В Г 2011

Томск 20П

4852218

Работа' ¿¿полнена в ОАО «Научво-исатедовахельский институт полупроводниковых приборов» и в ГОУ ВПО «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники»

Научный руководитель:

доктор технических наук, Айзенштат Геннадий Исаакович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор

Войцеховский Александр Васильевич

доктор физико-математических наук, профессор

Гошин Геннадий Георгиевич

Ведущая организация:

Институт электрофизики Уральского отделения РАН, г. Екатеринбург

Зашита диссертации состоится «5» октября 2011 г. в 15 ч. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д212.268.04 при ГОУ ВПО «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники» по адресу: 634050, г.Томск, пр. Ленина, 40, ауд. 203.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники по адресу: г. Томск, ул. Вершинина, 74.

Автореферат разослан « 2. » августа 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д212.268.04

доктор технических наук, профессор

Ю.П.

Акулшшчев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 рт-диода и проектирования монолитных интегральных схем на его основе.

2) Разработать технологию создания СВЧ монолитных интегральных схем с использованием гетероструктурных рт-диодов. Найти наиболее эффективные конструкторские и технологические решения для создания МИС коммутаторов и ограничителей СВЧ-мощности с параметрами, превышающими параметры известных аналогов.

3) 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.

4) Разработать и исследовать МИС малошумящего усилителя Х-диапазона на основе разработанной рНЕМТ-технологии. Провести исследование созданных МИС МШУ и МИС защитного устройства на основе рт-диодов при их совместной работе (МШУ с защитой по входу).

5) 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 рт-диоды и монолитные интегральные схемы на их основе.

2) Экспериментально изучены особенности поведения СВЧ гетероструктурных рт-диодов в монолитных интегральных схемах. Впервые показано, что арсенидгаллиевые рт-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.

3) Впервые созданы СВЧ монолитные интегральные схемы ограничителей мощности, одновременно содержащие вертикальные структуры рт-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).

4) Впервые предложена и реализована МИС ограничителя СВЧ-мощности на основе рт-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».

5) Экспериментально исследованы температурные зависимости скорости дрейфа электронов от поля в квантовой яме гетероперехода АЮаАБЛпСаАБ разработанного транзистора, что позволяет более корректно оценивать изменение параметров прибора в диапазоне температур 230-400 К.

6) 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.

1) Результаты, полученные автором, положили начало реализации в стране нового научно-технического направления по созданию СВЧ монолитных интегральных схем на основе гетероструктурных арсенидгаллиевых рт-диодов.

2) В результате выполнения НИР и ОКР, проводимых в ОАО «НИИПП», были разработаны технологии создания гетероструктурных рт-диодов и транзисторов, а также СВЧ МИС на их основе. Были получены образцы СВЧ МИС, по своим параметрам не уступающие известным аналогам.

3) Разработан СВЧ гетероструктурный арсенидгаллиевый малошумящий транзистор серии АП399А-5.

4) 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).

5) 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»

6) Полученные результаты использованы в проектах (№П499 от 13.05.2010г., №П669 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.

1) 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.

2) При изменении смещения на каадом 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.

3) 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.

4) 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 1,5х107 до 1,3*107 см/с.

5) 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 им 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.), IEEE 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.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель работы и задачи исследований, приведены научная новизна и практическая ценность, сформулированы научные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвяшена анализу литературных данных по проблеме создания функционального ряда СВЧ монолитных интегральных схем, предназначенных для построения приемопередающих устройств нового поколения. Она включает краткий обзор достижений по гетероструктурным СВЧ монолитным интегральным схемам, как в России, так и за рубежом.

Анализ научно-технической литературы показал, что, несмотря на крайнюю востребованность радиолокационных систем различного назначения в стране практически отсутствует современная элементная база с параметрами, соответствующими зарубежным аналогам. Существенное отставание отечественных разработок обусловлено недостаточным финансированием наукоемких отраслей производства в 90-е годы [3]. Поэтому приходится заново воспроизводить весь путь, уже пройденный западными фирмами: от разработки нового полупроводникового материала высокого качества и создания соответствующих технологических маршрутов до решения ряда физических задач прикладного характера.

Показано, что к началу данной работы разработки по созданию СВЧ МИС в России 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.

В заключении главы сформулированы основные цели и задачи исследований.

Вторая глава диссертации посвящена разработке бескорпусного гетероструктурного арсенидгаллиевого СВЧ pin-диода для диапазона частот 0,540 ГГц, его исследованию, построению СВЧ-модели диода и разработке монолитных интегральных схем коммутаторов на основе данных по исследованию диода.

Для изготовления pin-диодов был создан новый технологический маршрут, в настоящее время внедренный в ОАО «НИИПГ1» и базирующийся на отечественных эпитаксиальных структурах, выращенных в ИФП СО РАН г. Новосибирска. На рис. I и 2 представлены фотографии созданного диода и увеличенного фрагмента его активной области. Разработанные бескорпуспыс диоды с балочными выводами являются первыми отечественными СВЧ pin-

диодами на основе гетероструктур А3В5 и по своим параметрам не уступают [ зарубежным аналогам.

Рис. 1 Фотография разработанного диода

Рис, 2 Рабочая область диода

Для проведения исследований диоды изготавливались из разнообразных эпитаксиальных структур. Исследования проводились с целью выбора конфигурации эпитаксиальных структур, выбора метода их выращивания, оптимизации геометрии приборов. Измерялись статические вольт-амперные характеристики (ВАХ), вольт-фарадные характеристики, времена жизни носителей и СВЧ-характеристики.

Показано, что анализ измеренных статических характеристик диода не позволяет уверенно прогнозировать пригодность эпитаксиальной

структуры для создания СВЧ рт-диодов. Наиболее информативными характеристиками качества структуры являются СВЧ-параметры рт-диодов. На рис.3 даны частотные зависимости вносимых потерь диодов с емкостью 30 фФ, включенных последовательно 50-омной копланарной линии, при управляющем токе 10 мА для трёх

гч -1.0

10 20 30

Частота, ГГц

Рис. 3 Частотные зависимости вносимых потерь диодов: 1 - гетероструктура МЛЭ; 2 - гомострутура МЛЭ; 3 - гомострутура ГФЭ

типов эпитаксиальных структур: гомо- (кривая 2) и гетероструктуры (кривая I), выращенные методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ), гомоструктура, выращенная в ОАО «НИИПП» методом газофазной эпитаксии (ГФЭ) с последующей компенсацией хромом (кривая 3).

В результате сравнения характеристик диодов, созданных на различных материалах, было установлено, что минимальные потери получаются на

гетероструктурах. выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) (рис.3, кривая I).

Проведенные расчеты параметров СВЧ-диодов показали, что они работают при плотностях тока порядка 2000-5000 А/см", при этом концентрации неравновесных носителей в активной области сравнимы с концентрациями электронов и дырок в светодиодах. Поэтому ваАБ СВЧ рт-диоды должны быть интенсивными источниками инфракрасного излучения. Это предположение подтверждено экспериментально. Эффекты излучения в СВЧ рт-диодных МИС обнаружены впервые. Иллюстрация этого эффекта показана на рис. 4. где приведены фотографии излучающих СВЧ рт-диодов при разных токах.

Рис. 4 Фотографии излучающих СВЧ pin-диодов

Спектры излучения диодов, измеренные спектрофотометром, содержали максимумы на длинах волн 890-910 нм. Положение максимумов на спектрах излучения свидетельствовало о существенной роли межзонной излучательной рекомбинации в диоде, причем наблюдалось заметное смещение максимумов спектров в длинноволновую область при разогреве диода, что позволяло определять тепловое сопротивление диодов по известной зависимости ширины запрещенной зоны арсенида галлия от температуры (формула Варшни) [4].

Для оптимизации топологии и построения СВЧ-модели pin-диода с использованием программ Microwave Office и CST STUDIO было проведено электромагнитное моделирование различных трехмерных конструкций прибора.

Полученные параметры модели сравнивались с измеренными параметрами изготовленных тестовых диодов. Расчетные и экспериментальные параметры совпали с высокой точностью. Это дало основание использовать их в дальнейшем при разработке монолитных интегральных схем.

Ключевым моментом при решении поставленных задач явилась разработка нового технологического маршрута для создания pin-диодных монолитных интегральных схем на гетероструктурах, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Маршрут опирался на базовые технологические процессы ОАО «НИИПП» и позволял создавать оригинальные МИС с вертикальными структурами pin-диодов одновременно с вертикальными диодами Шоттки, индуктивностями, резисторами, конденсаторами, металлизированными сквозными отверстиями.

В зависимости от сложности монолитной интегральной схемы маршрут включал до 120 элементарных технологических операций и требовал введения в топологию кристалла специализированных тестовых элементов.

С использованием разработанной технологии создан комплект интегральных схем СВЧ-коммутаторов на pin-диодах. В его состав входят коммутаторы 1 *2 Си Х-диапазонов. Фотография кристалла коммутатора Х-диапазона показана на рис. 5. Топология МИС коммутатора С-диапазона схожа с представленной на рис. 5.

Рис. 5 Фотография кристалла коммутатора Х-диапазона

Частота, ГГц

Рис. 6 Измеренные АЧХ МИС коммутатора Х-диапазона

На рис.6 представлены измеренные амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) МИС коммутатора Х-диапазона. Необходимо отметить, что результаты измерений параметров коммутаторов хорошо совпадают с расчетными значениями, опирающимися на построенную СВЧ-модель диода. Главной особенностью созданных схем являются низкие вносимые потери. По своим

параметрам все разработанные МИС соответствуют лучшим зарубежным аналогам и не имеют прямых аналогов в России.

В главе также рассматриваются вопросы проектирования и создания комплекта МИС сверхширокополосных коммутаторов 1x1, 1><2 и 1x4 на гетероструктурах с предельно низкими вносимыми потерями и высоким уровнем развязки в полосе частот от 0,5 до 40 ГГц. Показано, что параметры созданных схем полностью соответствуют расчету, причем в России такие схемы созданы впервые.

На рис. 7 показаны результаты измерений коммутатора 1x4. Для проведения измерений схем

широкополосных коммутаторов

использовались разработанные МИС смещения по постоянному току (данные схемы в России также не выпускаются).

На рис.8 показана разработанная

схема коммутатора 1x4 в рабочем состоянии. Как видно из рис. 8, pin-диоды, входящие в состав МИС и смещенные в прямом направлении, являются источниками инфракрасного излучения. Как и в случае с дискретным диодом, по спектрам излучения МИС было найдено ее тепловое сопротивление, которое равнялось 250 °С/Вт.

Одновременно проводился расчет температуры прибора с использованием симулятора CST STUDIO,

позволяющего рассчитывать

распределение температур в сложных трехмерных объектах. Измеренное значение теплового сопротивления соответствует расчетному.

В третьей главе приведены результаты разработки и исследования первых отечественных МИС ограничителей СВЧ-мощности на основе гетероструктурных

0 |s21| дБ |sll|,|s22|, jISOL|,flE

Частота, ГТц

Рис. 7 Измеренные АЧХ МИС коммутатора 1*4

Рис. 8 Фотография кристалла сверхширокополосного коммутатора 1 х4

арсенидгаллиевых рш-диодов, а также МИС офаничителей мощности с улучшенной ограничительной характеристикой, защищенные патентами.

Как известно, схемы ограничителей СВЧ-мощности используются для защиты малошумящих усилителей в приёмных трактах СВЧ-аппаратуры. В работе создана монолитная интегральная схема ограничителя СВЧ-мощности, имеющая прямой аналог - МИС ТСЬ2201 фирмы Тп<3шм. Разработанная гетеростроструктурная схема на основе рт-диодов характеризуется низкими вносимыми потерями в широком диапазоне частот (рис. 9), допустимой входной мощностью не менее 37 дБм и имеет мощность просачивания 16-18 дБм (рис. 10). Однако для ряда серийных МШУ данный уровень мощности не является безопасным. Поэтому была разработана новая схема, которая позволила уменьшить мощность просачивания в 7 раз с 17,8 до 9 дБм.

Частота, ГГц Рвх, дБм

Рис. 9 Измеренные малосинальные Рис. 10 Измеренная мощностная

параметры МИС ограничителя характеристика МИС ограничителя

на частоте 7 ГГц

Эксперимент показал, что при подаче на рт-диод положительного смещения величиной меньшей 0,8 В, ёмкость гетероструктурного рш-диода меняется слабо. Так, при изменении смещения от нуля до 0,7 - 0,8 В значение ёмкости диода возрастает всего на 15-20%. При этом величина тока, протекающего через диод, не превышает 30 микроампер. Исходя из этих результатов, была предложена схема ограничителя мощности, показанная на рис.11. Здесь группы входных и выходных диодов, соединенные отрезком микрополосковой линии, подключены через фильтры питания к источнику постоянного напряжения, смещающего каждый из них в прямом направлении до напряжений меньших 0,7 В. Наличие положительного смещения на диодах обеспечивает более низкую амплитуду СВЧ-сигнала переключающего диод, а, следовательно, и более низкий уровень мощности, при котором начинается ограничение входного сигнала.

Отличительной особенностью предложенной схемы является возможность управления уровнем просачивающейся мощности и вносимых потерь. На рис. 12 представлена фотография разработанной МИС.

Рис. 11 Принципиальная схема Рис. 12. Фотография кристалла

ограничителя мощности, управляемого ограничителя мощности, управляемого напряжением напряжением

Малосигнальные характеристики этих МИС измерялись на зондовой станции

непосредственно на пластине. На рис. 13 представлено семейство зависимостей

вносимых и обратных потерь от частоты, измеренное при разных смещениях.

1я211.пЕ 1б1 11. пБ Мощность

просачивания, дБм Ослабление, дБ

55 50

Частота, ГГц

Рис. 13 Измеренные малосигнальные параметры МИС

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

Напряжение, В

Рис. 14. Измеренные зависимости мощности просачивания и вносимых потерь от управляющего напряжения

Из измеренных характеристик МИС (рис. 13, 14) видно, что при увеличении смещения от нуля до +1,4 В (что соответствует 0,7 В на каждом диоде) происходит сравнительно слабое увеличение вносимых потерь (от 0,25 до 0,37 дБ на частоте 7 ГГц), при этом уровень просачивающейся мощности уменьшается от 17 до 9 дБм, (Г = 7 ГГц; Рвх = 30 дБм). Максимальная входная мощность устройства составляет не менее 37 дБм.

Представленная схема может быть также использована в качестве управляемого аттенюатора или «выключателя». Глубина изоляции МИС составляет не менее 40 дБ при управляющем токе 10 мА в Х-диапазоне.

Монолитная интегральная схема ограничителя СВЧ-мощности на радиолах, в которой уровень просачивающейся мощности управляется напряжением, была создана впервые (заявка на изобретение №2011102631 от 24.01.2011 г.).

В работе предложена и реализована ещё одна оригинальная схема ограничителя СВЧ-мощности. Данная схема защищена патентами (№ 94765 от 27.05.2010 г. и № 102846 от 10.03.2011 г.). Она позволяет уменьшить мощность просачивания в 4 раза по сравнению с ограничителем 101,2201 фирмы Тп()шп1. Предложенная МИС ограничителя мощности содержала вертикальные структуры рт-диодов и диодов Шоттки. Такая конструкция была создана впервые, она базировалась на использовании эпитаксиальной гетероструктуры п-СаАз/п'-ОаАз/р+-ОаАз/р"-А1СаА5/!-СаАз/п+-ОаАз/51-СаАз.

В качестве базового варианта была выбрана схема двухкаскадного защитного устройства на встречно-параллельных диодах: рт-диодах во входном каскаде -для обеспечения необходимого уровня входной мощности; диодах Шоттки в выходном каскаде - для увеличения быстродействия и уменьшения мощности просачивания. На входе и выходе схемы предусмотрены

разделительные конденсаторы. Фотографии кристалла МИС и фрагментов рт-диода и диода Шоттки представлены на рис. 15.

Для создания МИС защитного устройства использовались структуры на основе ОаАв, выращенные методом молекулярно-лучевой эпитаксии в ИФП СО РАН г. Новосибирска. При изготовлении кристаллов схем к технологическим операциям создания рт-диодных МИС, добавились операции, связанные с изготовлением вертикальных структур диодов Шоттки.

Рис. 15 Фотография кристалла защитного

Малосигнальные параметры разработанной МИС защитного устройства соответствуют рис. 9. На рис. 16 представлена измеренная ограничительная характеристика разработанной схемы в сравнении с рт-диодной МИС.

Ограничительные характеристики разработанных МИС измерялись в 50-омном микрополосковом тракте. Как видно из рис. 16, мощность просачивания в созданной схеме примерно в 4 раза меньше, чем в схеме на одних рт-диодах.

Экспериментальные исследования показали, что МИС СВЧ-ограничителей мощности с вертикальными структурами рт-диодов и диодов Шоттки характеризуются как низким уровнем мощности просачивания (11,5 дБм), так характеристики защитных устройств на и низкими вносимыми потерями в частоте 7 ГГц

диапазоне частот 1-22 ГТц. При этом разработанные МИС ограничителей обладают стойкостью к воздействию непрерывной СВЧ-мощности не менее 37дБм.

Четвёртая глава диссертации посвящена разработке ещё одной схеме функционального ряда - МИС малошумящего усилителя Х-диапазона. Реализация данной монолитной схемы по рНЕМТ-технологии потребовала проведения большого комплекса исследований. Результатом этих исследований стало создание, наряду с монолитной интегральной схемой МШУ, ещё и дискретного бескорпусного малошумящего транзистора АП399А-5, внедренного в производство на предприятии ОАО «НИИПП» в 2011г.

Транзисторы изготавливались на гетероструктурах п+-ОаАз/п-АЮаА5/АЮаА5/1пОаА5/Юх(АЮаА5/СаАз)/ОаА5/81-СаА5, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии в Санкт-Петербургском физико-технологическом научно-образовательном центре. Исходные структуры при комнатной температуре имели холловскую подвижность двумерного электронного газа рн = 5500 см2/В-с и поверхностную плотность электронов л/=2Т0и см-2.

Технологический маршрут создания транзисторов включал процессы, связанные с формированием омических контактов истоков и стоков, межэлементной изоляции, субмикронных затворов, пассивации и воздушных мостов. Ключевой операцией маршрута являются процессы электронной

; ! !

1~ р'т —

Г_\- —и

р!п +

1— -1-

О 5 10 15 20 25 30 35 40

Рвх,дБм Рис. 16 Ограничительные

литографии на трёхслойной маске резистов для формирования субмикронных затворов Т-образной формы. Длина затворов разработанных транзисторов составляла 0,25.-0,3 мкм. Были созданы транзисторы встречно-штыревой конструкции с общей шириной затвора 4x40 = 160 мкм.

Измеренная крутизна в окрестности рабочей точки (Ц = 2,5 В, 1с = 12 мА) полученных транзисторов равнялась 330 -340 мСм/мм. Измерения параметров рассеяния

транзисторов были выполнены на зондовой станции в диапазоне частот 0,01 - 40 ГГц. По результатам измерений 5-параметров была построена малосигнальная модель

транзистора в виде

эквивалентной схемы. По результатам косвенных

измерений и расчетов были найдены шумовые параметры изготовленных транзисторов в диапазоне частот 2-18 ГГц. На рис. 17 представлены частотные зависимости минимального коэффициента шума (КРт1П) и оптимального коэффициента усиления (Оа) разработанного транзистора для рабочей точки ис = 2,5 В, 1с = 12 мА. Разработанный транзистор по своим параметрам соответствует гетероструктурному транзистору ТС1102 фирмы ТБАЫЗСОМ.

Проведены работы по оптимизации конструкции и определению паразитных сопротивлений транзистора в широком диапазоне температур. Предложена методика нахождения ВАХ участка активной области, состоящего из канала с двумерным электронным газом. ВАХ находилась при вычитании падений напряжений на паразитных сопротивлениях специально созданного тестового прибора. По измеренному значению подвижности при малых полях определялась зависимость скорости насыщения электронов в канале гетероструктурного транзистора от температуры. Найденная зависимость показана на рис. 18.

Для диапазона температур 230 - 400 К скорость насыщения электронов двумерного электронного газа в квантовой яме перехода АЮаАзЛгЮаАз гетероструктурного транзистора с длиной активной области около 1 мкм

• ■ ! ' 1 ■ 1 ' ^ 1 1 ■ /

/ /

2 4 6 8 10 12 14 16 18

Частота, ГГц Рис. 17 Частотные зависимости №т1п и в, разработанного транзистора

изменялась от 1,5*107 до 1,3х107 см/с. Полученная зависимость позволяет более корректно оценивать изменение параметров прибора в диапазоне температур.

Рассмотрены вопросы

проектирования МИС МШУ. Схема выполнена по рНЕМТ-технологии и наряду с активными элементами также содержит спиральные катушки индуктивности, МДМ-конденсаторы, тонкопленочные резисторы и металлизированные сквозные

отверстия. На рис. 19 показана

фотография разработанной монолитной интегральной схемы МШУ Х-диапазона. Размер кристалла МИС МШУ составляет 1,4x1,4x0,1 мм.

Изготовленные усилители характеризуются следующими параметрами (при комнатной температуре): полоса рабочих частот ДГ =7-11 ГГц; минимальный

коэффициент шума №т1п = 0,9-1,1 дБ на частоте 9 ГГц; коэффициент усиления в = 18±0,4дБ в диапазоне частот 8-10,5 ГГц; коэффициенты отражения ^п] и ^ > 10 дБ; коэффициент устойчивости к > 1 во всем диапазоне частот; мощность при уменьшении коэффициента усиления на 1 дБ Р^дБ = 10,8 дБм на частоте 10 ГГц; максимально допустимая входная мощность Рвх.макс. = 19-20 дБм, рабочий режим по постоянному току Упигх1пвг = ЗВх38 мА. По совокупности параметров (рНЕМТ-технология, длина затвора, размер кристалла, рабочий режим по постоянному току, два каскада усиления, коэффициенты усиления, шума, отражения по входу/выходу и т.д.) созданная МИС МШУ соответствует отечественным и зарубежным аналогам. На рис. 20 и 21 представлены измеренные характеристики МИС МШУ Х-диапазона.

Рис. 18 Зависимость скорости насыщения электронов в канале гетероструктурного транзистора от температуры

С. |511|.|522|. дБ

С, дБ; Рвых. дБм

10 12

Частота, ГГц

ЗВ 38мА 00"С )' -■ !() ГГц

-30 -25 -20 -15 -10 -5 0

Рвх. лБм

10 15 20

Рис. 21. Динамические характеристики МШУ на частоте 10 П и

3,4 3,2 3,0 2,8 2,6 2,4 2,2 2,0 1,8 1,6 1,4' 1,2 1,0

ИГ, дБ

ЗВ 38мА *20"С

Рис. 20. Амплитудно-частотные и шумовые характеристики МШУ

Интерес представляют шумовые характеристики МШУ. на входе которого

включена МИС защитного устройства, созданная в данной работе. Для

эксперимента была выбрана МИС" ограничителя мощности на рт-диодах,

характеризующаяся вносимыми потерями 0.35 дБ и модулями коэффициентов

отражения на входе и выходе не менее 20 дБ в Х-диапазоне частот. Максимально

допустимая входная мощность устройства Рвх„акс > 37 дБм (5 Вт): мощность

просачивания Р8ЫХ < 18 дБм (60 мВт).

На рис. 22 показаны измеренные

шумовые характеристики отдельной

МИС МШУ, а также устройства.

содержащего МИС МШУ и схему

ограничителя мощности на входе.

Коэффициент шума МИС усилителя

измерялся непосредственно на пластине.

а коэффициент шума усилителя с

защитой по входу измерялся в оснастке в

коаксиальном тракте. Коэффициент шума

всего устройства был обусловлен как

шумом самого монолитного усилителя,

так и шумом МИС ограничителя

мощности, коаксиально-полосковых переходов и проволочных соединений: он не превышал 2 дБ в диапазоне частот 8-10.5 ГГц. При этом амплитудно-частотные характеристики устройства практически не отличались от характеристик МИС МШУ и соответствовали рис. 20. Измерения шумов проводились после воздействия на вход устройства сигнала мощностью 5 Вт в течение 10 минут.

9 10 11

Частота, ГГц

Рис'. 22 Частотная зависимость коэффициента шума МШУ с защитой по входу

По совокупности параметров представленный набор схем (МИС МШУ и МИС ограничителя СВЧ-мощности) превосходит отечественные аналоги (например, защитное устройство М44419 и квазимонолитный двухкристальный МШУ Х-диапазона М211317-1, разработанные ФГУП «НПП «Исток») и соответствует зарубежным (например, защитное устройство ТСТ,2201 и МШУ X-диапазона ТОА2511, разработанные фирмой Тп<3шп{;).

В работе создан задел для создания схем на транзисторах, работающих в КВЧ-диапазоне. Разработки опирались на некоторый опыт работы предприятия в данном направлении. Разработана технология изготовления транзисторов с длиной затворов порядка 100 нм без использования электронной литографии (заявка на изобретение № 201110263 8 от 24.01.2011 г., положительное решение от 08.06.2011). Технология создания затворов основана на использовании непрямых литографических методов создания затвора при разрешающей способности литографии 800 нм. Для создания затвора используются теневые эффекты при напылении тонких пленок и селективное травление контактных слоев гетероструктуры. На рис. 23 показаны фотографии (полученные на электронном микроскопе) сечения разработанных транзисторов. Частоты отсечки созданных транзисторов составляют 70 - 80 ГГц. В настоящее время ведутся работы по созданию МШУ КВЧ-диапазона.

ЫМй1*0 200 от ЕНТ - Ю.ООкУ З^дпаЛ А11 |п1еп5 ( 200пт ЕНТ«10.00кУ 5|дпа1 А * !пЫп5

сгитк Ь................ИГО« 6.10*71 иг*Мате-ОГЕЗГ " '-------------$ WD- 4.1 тт Ц«#гГЬте »ОТ£57

50.00 К X ' _

Рис. 23 Фотографии сечения затворов: а) длина затвора 140 нм; б) длина затвора 80 нм

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1) Впервые в стране созданы гетероструктурные арсенидгаллиеиые рт-диоды и СВЧ монолитные интег ральные схемы на их основе.

2) Экспериментатьно изучены особенности поведения СВЧ гетероструктурных рт-диодов в монолитных интегральных схемах. Впервые показано, что арсенидгаллиевые рт-диоды, входящие в состав СВЧ МИС, являются источниками инфракрасного излучения, обусловленного излучателыюй рекомбинацией электронов и дырок в диодах, что позволяет измерять температуру приборов и осуществлять дистанционный контроль схем при граничных испытаниях.

3) Впервые созданы СВЧ монолитные интегральные схемы широкополосных ограничителей мощности, одновременно содержащие вертикальные структуры рт-диодов и диодов Шоггки. По совокупности параметров схемы превосходят известные аналоги.

4) Впервые предложена и реализована МИС ограничителя СВЧ-мощиости на основе рт-диодоп с управляемым уровнем просачивающейся мощности.

5) Экспериментально исследованы температурные зависимости скорости дрейфа электронов от поля в квантовой яме гетероперехода АЮаАэЛпОаАБ разработанного транзистора, что позволяет более корректно оценивать изменение параметров прибора в диапазоне температур 230-400 К.

6) Разработан серийный отечественный малошумяший бсскорпусной СВЧ гетероструктурный транзистор серии АП399А-5.

7) Разработан малошумяший усилитель Х-диапазона. по совокупности параметров соответствующий известным аналогам.

8) Показана совместимость разработанных монолитных интегральных схем МШУ, созданного по рНЕМТ-тсхнологии, и ограничителя СВЧ-мощности, созданного на основе гетероструктурных арсенидгаллиевых рт-диодов.

9) Проведен поиск путей существенного снижения длины затворов в гетероструктурных полевых транзисторах. В результате разработана новая технология формирования затворов с длинами порядка 100 им без использования электронной литографии.

10) Новизна предложенных схем и методов их создания подтверждена двумя патентами России. Кроме того, поданы 3 заявки на изобретения, на одну из которых уже имеется положительное решение. Практическая значимость разработанных схем и методов доказана их использованием в ОКР. В ОАО «НИИПП» планируется серийное освоение всех разработанных схем.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1) Разработка полевых транзисторов с субмикронными затворами / Г.И. Айзенштат, Л.П. Громова, C.B. Литвин, А.И. Иващенко, АЛО. Ющенко // Изв. вузов. Физика. - 2008. - №9/3. - С. 46-47.

2) Рекомбинация носителей заряда в арсенидгаллиевом p-i-n-диоде / Г.И. Айзенштат, А.Ю. Ющенко, С.М. Гущин, Д.В. Дмитриев, К.С. Журавлев, А.И. Торопов // Физика и техника полупроводников. - 2010. - том 44, вып. 10.-С. 1407-1410.

Recombination of Charge Carriers in the GaAs-Based p-i-n Diode / G.I. Ayzenshtat, A.Y. Yushenko, S.M. Gushchin, D.V. Dmitriev, K.S. Zhuravlev,

A.I. Toropov // Semiconductors. - 2010. - Vol. 44, No. 10. - pp. 1362-1364.

3) Айзенштат Г.И. Измерение скорости насыщения электронов в квантовой яме AlGaAs/InGaAs / Г.И. Айзенштат, В.Г. Божков, А.Ю. Ющенко // Изв. вузов. Физика. - 2010. - № 9. - С. 34-39.

Ayzenshtat G.I. Measurement of the Electron Saturation Velocity in an AlGaAs/InGaAs Quantum Well/ G.I. Ayzenshtat, V.G. Bozhkov, A.Y. Yushenko // Russian Physics Journal. - 2010. - Vol. 53, No. 9. - pp. 914-919.

4) СВЧ p-i-n - диоды на основе гетероструктур AlGaAs/GaAs / Г.И. Айзенштат,

B.Г. Божков, А.Ю. Ющенко. Е.А. Монастырев, И.М. Добуш / Изв. вузов. Физика. - 2010. - № 9/2. - С. 310-314.

5) Разработка и исследование СВЧ ограничителей мощности на основе p-i-n -диодов / А.Ю. Ющенко. Г.И. Айзенштат, В.Г. Божков, Е.А. Монастырев, А.И. Иващенко, A.B. Акимов // Изв. вузов. Физика. - 2010. - № 9/2. - С. 315— 319.

6) Разработка монолитных интегральных схем коммутаторов на p-i-n - диодах для С- и Х- диапазонов частот / А.Ю. Ющенко. Г.И. Айзенштат, В.Г. Божков, Е.А. Монастырев, А.И. Иващенко, С.С. Кузнецов // Изв. вузов. Физика. -2010. - № 9/2. - С. 320-323.

7) СВЧ псевдоморфный транзистор с высокой подвижностью электронов / А.Ю. Ющенко. Г.И. Айзенштат, В.Г. Божков, Л.И. Бабак, И.М. Добуш, A.C. Сальников // Доклады ТУСУРа. - 2010. - №2 (22), часть 1. - С. 59-61.

8) Разработка элементной базы для создания СВЧ-модулей / А.Ю. Ющенко, Г.И. Айзенштат, В.Г. Божков, Е.А. Монастырев // Доклады ТУСУРа. - 2010. - №2 (22), часть 1. - С. 62-66.

9) Сальников A.C. Обзор тестовых структур для измерения электрофизических параметров материалов при изготовлении СВЧ монолитных интегральных

схем / А.С. Сальников, А.Ю. Ющенко / Доклады ТУСУРа. - 2010. - №2 (22), часть 1.-С. 145-148.

10) Ющенко А.Ю. Определение геометрических размеров затвора ПТШ с помощью электронного микроскопа / Материалы докладов Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР-2008» (Томск). - 2008. - Часть 1. - С. 267-269.

11) Research of the Creation Opportunity of Matrix X-ray Gallium Arsenide Detector / D.G. Prokopyev, M.A. Lelekov, A.N. Duchko, A.Y. Yushenko // IEEE International Siberian Conference on Control and Communications SIBCON-2009 (Tomsk). - 2009. - pp. 185-188.

12) Ющенко А.Ю. Разработка PHEMT транзисторов на основе гетероструктур AlGaAs-InGaAs И НАУКА. ТЕХНОЛОГИИ. ИННОВАЦИИ. Материалы всероссийской научной конференции молодых ученых. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2009. - Часть2. - 2009.-С. 117-119.

13) Айзенштат Г.И. Дрейфовая скорость электронов в псевдоморфном транзисторе / Г.И. Айзенштат, В.Г. Божков, А.Ю. Ющенко // Сб. трудов 20-ой Междунар. Крымской конф. «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» - Севастополь: Вебер, 2010. - Т. 1 — С. 125-126.

14) Монолитная интегральная схема защитного устройства L- и S- диапазонов на основе диодов Шоттки / B.C. Арыков, А.Н. Гусев, О.А. Дедкова, А.Ю. Ющенко И Сб. трудов 20-ой Междунар. Крымской конф. «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» - Севастополь: Вебер, 2010. — Т. 1 -С. 147-148.

15) Монолитная интегральная схема защитного устройства на основе pin-диодов / А.Ю. Ющенко, Е.А. Монастырев, Г.И. Айзенштат, В.Г. Божков, А.В. Акимов // Сб. трудов 20-ой Междунар. Крымской конф. «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» - Севастополь: Вебер, 2010. - Т. 1 - С. 153-154.

16) Гетоероструктурные pin-диоды / Г.И. Айзенштат, В.Г. Божков, А.Ю. Ющенко. ЕА. Монастырев // Сб. трудов 20-ой Междунар. Крымской конф. «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» - Севастополь: Вебер, 2010.-Т. 1 -С. 169-170.

17) Self-Aligned Multilayer Dielectric "Dummy Gate" Technology for L-, S- and X-Band GaAs MMICs Fabrication / E.V. Anishchenko, V.S. Arykov, A.M. Gavrilova, O.A. Dedkova, V.A. Kagadei, O.V. Kamchatnaya, Y.V. Lilenko, A.Y. Yushenko // IEEE 2nd Russia School and Seminar MNST'2010. PAPERS. -2011.-pp. 37-40.

18) Kuznetsov S.S. High-Speed Driver for PIN Diode Microwave Switch / S.S. Kuznetsov, A.Y. Yushenko. V.G. Bozhkov // IEEE 2nd Russia School and Seminar MNST'2010. PAPERS. - 2011. - pp. 41-42.

19) Yushenko A.Y. Integral Circuits of Voltage Control Limiters / A.Y. Yushenko, G.I. Ayzenshtat, E.A. Monastyryov // IEEE 2nd Russia School and Seminar MNST'2010. PAPERS.-2011.-pp. 43-44.

20) Гетероструктурные монолитные интегральные схемы малошумящего усилителя Х- диапазона и pin-диодного ограничителя мощности / А.Ю. Ющенко. Г.И. Айзенштат, В.Г. Божков, Е.А. Монастырев, И.М. Добуш// Мокеровские чтения. Научно-практическая конференция по физике и технологии наногетероструктурной СВЧ-электроники (Москва). -2011.-С. 26-27.

21) Пат. 94765 РФ, МПК H01L31/00. Ограничитель СВЧ мощности / Г.И. Айзенштат(РФ), Е.А. Монастырев(РФ), А.Ю. Ющенко(РФ). -№2010104470/22; заявл. 09.02.2010; опубл. 27.05.2010.

22) Пат. 102846 РФ, МПК H01L31/00. Ограничитель СВЧ мощности / Г.И. Айзенштат(РФ), Е.А. Монастырев(РФ), А.Ю. Ющенко(РФ). -№2010143654/28; заявл. 25.10.2010; опубл. 10.03.2011.

Список цитируемой литературы:

1) Комплект широкополосных СВЧ-микросхем на гетероструктурах AmBv для ППМ АФАР Х-диапазона / A.M. Темнов, К.В. Дудинов, В.А, Красник, Ю.М. Богданов, А.В. Крутое, В.Г. Лапин, С.В. Щербаков // Электронная техника. Сер. 1, СВЧ-техника (Фрязино). - 2010. - №2(505). - С. 30 - 49.

2) Монолитные интегральные схемы малошумящих усилителей КВЧ-диапазона на GaAs рНЕМТ-гетероструктурах / ДЛ. Гнатюк, Ю.В. Федоров, Г.Б. Галиев, Р.Р. Галлиев, М.Ю. Щербаков // Доклады ТУ СУ Ра (Томск). - 2010. - Часть 1, №2(22)-С. 49-55.

3) Алферов Ж.И. Полупроводниковая электроника в России. Состояние и перспективы развития // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. - 2004. -№6.-С. 88-92.

4) Зи С. Физика полупроводниковых приборов. - В 2-х книгах. Кн. 1. Пер. а англ. - 2-е перераб. и доп. изд. - М.: Мир, 1984. - 456 е., ил.

Отпечатано в ООО "Вайар" г. Томе*, Московский тракт, 2г. Тел./факс 52-98-11 Тираж 100 Заказ №290 от 28 июля 2011 г.

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата технических наук, Ющенко, Алексей Юрьевич, Томск

ОАО «НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ» ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

УДК [ 621.382 ] На правах рукописи

04201164974 ЮЩЕНКО АЛЕКСЕЙ ЮРЬЕВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ НА ГЕТЕРОСТРУКТУРАХ НА ОСНОВЕ СОЕДИНЕНИЙ А3В5 ДЛЯ

СВЧ-МО ДУЛЕЙ

Специальность 01.04.04 - «Физическая электроника»

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук Айзенштаг Геннадий Исаакович

ТОМСК - 2011

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................4

ГЛАВА 1. Современное состояние разработок СВЧ монолитных интегральных схем для радиолокационных устройств..................................................................11

1.1 Функциональный ряд СВЧ МИС...................................................................11

1.2 Уровень серийно-выпускаемых СВЧ МИС за рубежом..............................14

1.3 Отечественные разработки в области СВЧ МИС.........................................19

1.4 Выводы и постановка задачи..........................................................................23

ГЛАВА 2. Разработка и исследование гетероструктурных арсенидгаллиевых СВЧ pin-диодов и МИС коммутаторов на их основе............................................26

2.1 Разработка и исследование гетероструктурных арсенидгаллиевых СВЧ pin-диодов...............................................................................................................27

2.1.1 Конфигурации эпитаксиальных структур и изготовление СВЧ pin-диодов ..................................................................................................................28

2.1.2 Измерение характеристик pin-дподов. Построение СВЧ-моделей......33

2.1.3 Явления излучательной рекомбинации...................................................43

в арсенидгаллиевых СВЧ pin-диодах...............................................................43

2.2 Разработка монолитных интегральных схем коммутаторов СВЧ-мощности на основе гетероструктурных арсенидгаллиевых pin-диодов...........................47

2.2.1 Технология изготовления монолитных интегральных схем, включающих pin-диоды и диоды Шоттки.......................................................48

2.2.2 Разработка МИС коммутаторов С- и Х-диапазонов частот..................58

2.2.3 Разработка МИС сверхширокополосных коммутаторов......................63

2.3 Выводы..............................................................................................................68

ГЛАВА 3. Разработка и исследование МИС ограничителей СВЧ-мощности.... 70

3.1 Проектирование схем ограничителей СВЧ-мощности................................70

3.2 Разработка и исследование МИС ограничителей СВЧ-мощности на основе pin-диодов...............................................................................................................74

3.3 Поиск путей улучшения характеристик ограничителей СВЧ-мощности.. 77

3.3.1 Разработка и исследование МИС ограничителя СВЧ-мощности, управляемого напряжением...............................................................................77

3.3.2 Разработка и исследование МИС ограничителей СВЧ-мощности содержащих рт-диоды и диоды Шоттки.........................................................80

3.4 Выводы..............................................................................................................84

ГЛАВА 4. Разработка монолитной интегральной схемы малошумящего

усилителя Х-диапазона на основе гетероструктурных полевых транзисторов.. 85 4.1 Разработка и исследование гетероструктурного транзистора АП399А-5 .86 4.1.1 Технологический маршрут изготовления гетероструктурных

транзисторов и монолитных интегральных схем на их основе.....................86

4.1.2 Конфигурации и основные параметры рНЕМТ-структур.....................92

4.1.3 Построение СВЧ-моделей транзисторов..............................................100

4.2 Проектирование СВЧ-усилителей............................................................105

4.2.1 Разработка и исследование МШУ Х-диапазона...................................108

4.2.2 Совместное использование разработанных монолитных интегральных схем рНЕМТ МШУ и ЗУ на основе pin-диодов............................................115

4.3 Получение Т-образных затворов с длинами порядка 100 нм без использования электронной литографии..........................................................117

4.4 Выводы.................................................................................:..........................126

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................................128

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.......................................................................................130

ВВЕДЕНИЕ

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, агтенюаторы, смесители и генераторы.

Требуется отметить, что к началу данной работы (2007 г.) в России СВЧ МИС выполнялись преимущественно по МЕЗРЕТ-тсхнологии, полностью отсутствовало перспективное научно-техническое направление по созданию СВЧ монолитных интегральных схем на основе гетероструктурных арсенидгаллиевых рт-диодов, а работы по созданию рНЕМТ МИС МШУ были на начальном этапе.

Цель работы. Цслыо работы является разработка и исследование монолитных интегральных схем СВЧ диапазона на основе арсенидгаллиевых гетероструктурных рт-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 рт-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 рт-диода и проектирования монолитных интегральных схем на его основе.

4) Разработать и исследовать МИС малошумящего усилителя Х-диапазона на основе разработанной рНЕМТ-техпологии. Провести исследование созданных МИС МШУ и МИС защитного устройства на основе рт-диодов при их совместной работе (МШУ с защитой по входу).

5) Провести поиск конструктивных и технологических путей создания МИС па основе гетероструктурных транзисторов; имеющих более высокие предельные частоты, для работы в миллиметровом диапазоне волн. ,

Научная новизна работы.

1) Впервые в стране созданы СВЧ гетероетруктурные арсенидгаллиевые pin-диоды и монолитные интегральные схемы па их основе. • :

2); Экспериментально изучены особенности поведен им СВЧ гетероструктурных; . pin-диодов в монолитных интегральных схемах. Впервые показано,- что

арсенидгаллиевые pin-диодьц входящие в состав СВЧ МИС, являются источниками инфракрасного; излучения, обусловленного излучательной рекомбинацией электронов и дырок в диодах, что; позволяет измерять температуру приборов' и^ осуи;ествлять , дистанционный контроль схем при граничных испытаниях.

3) Впервые созданы СВЧ монолитные; интегральные ' схемы ограничителей; мощности, одновременно содержащие вертикальные структуры pin-диодов и диодов Шоттки. Flo совокупности параметров разработанные схемы;

. превосходят известные аналоги. Конструкции^ схем защищены'патентами (пат. РФ№94765от27.05.20Шишат. РФ №1Ю2846 от ЮЮ3.20И);

4) Впервые предложена и реализована МИС ограничителя СВЧ-мощностп на основе pin-диодов; с. управляемым уровнем просачивающейся; мощности:

' (заявка на изобретение №2011102631 от 24i01^.20 Мтф: Схема также может быть/ использована в качестве управляемого аттенюатора и СВЧ-«отюночателя». • .

5) 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. -

6) 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 полученных результатов заключается в

следующем.

2) В результате выполнения НИР и ОКР, проводимых в ОАО «НИИПП», были разработаны технологии создания гетероструктурных рт-диодов и транзисюров, а также СВЧ МИС на их основе. Были получены образцы СВЧ МИС, по своим параметрам не уступающие известным аналогам.

3) Разработан СВЧ гетеросгруктурный арсенидгаллиевый малошумящий транзистор серии АП399А-5.

4) Созданные СВЧ гетероструктурные транзисторы на арсениде галлия были внедрены в ОКР «Исследование и создание широкополосных приемопреобразовательных устройств на основе ОаАэ 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).

Научные положения, выносимые на защиту.

1) Смещенные в прямом направлении арсенидгаллиевые СВЧ рт-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.

2) При изменении смещения на каждом рт-диоде, входящем в состав интегральной схемы защитного устройства на основе арсенида галлия, от О 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.

3) Использование эпитаксиальной гетероструктуры п-СаАз/п+-СаА8/р+-ОаАБ/р^АЮаАз/ьОаАз/п+ОаАз/ЗХ-ОаАБ для создания монолитной интегральной схемы многокаскадного ограничителя мощности с вертикальными структурами рт-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.

4) Для диапазона температур 230 - 400 К скорость насыщения электронов двумерного электронного газа в квантовой яме перехода АЮаАзЯпОаАз гетероструктурного транзистора с длиной активной области около 1 мкм изменяется от 1,5x107 до 1,3x107 см/с.

5) 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 иаучио-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.), IEEE International Siberian Conférence 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-гехника и телекоммуникационные технологии» (Севастополь, Украина 2010 г.), VI Международной' научно-практической конференции «Элекфонные 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.

Структура и объем диссертации. В соответствии с поставленными задачами, вся диссертационная работа разделена на четыре главы. Первая глава посвящена обзору литературы, в ней представлены основные достижения, сделанные отечественными и зарубежными фирмами, по рассматриваемому вопросу, как до начала работы над диссертацией, так и в момент ее оформления. В конце первой главы приводятся выводы по обзору литературы и формулируются задачи исследований.

Вторая глава диссертации посвящена разработке первого отечественного бсскорпусного гетероструктурного арсенидгаллиевого СВЧ pin-диода для

диапазона частот 0,5-40 ГГц, его исследованию, построению СВЧ-модсли диода и разработке монолитных интегральных схем коммутаторов на основе данных по исследованию диода.

В третьей главе приведены результаты разработки и исследования первых

отечественных МИС ограничителей СВЧ-мощпости на основе гетероструктурных арсенидгаллиевых рт-диодов, а также МИС ограничителей мощности содержащих одновременно вертикальные структуры рт-диодов и диодов Шоттки.

I '

дискретного бескорпусного малошумящего транзистора АП399А-5, внедренного в производство на предприятии ОАО «НИИПП» в 2011г. В главе также представлены результаты по разработке технологии изготовления транзисторов с длинами затворов порядка 100 нм без использования электронной литографии.

Личный вклад автора. Диссертация является итогом исследований автора, проводившихся, совместно с сотрудниками ОАО «НИИПГТ», ТУ СУР 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.

ГЛАВА 1. Современное состояние разработок СВЧ монолитных интегральных схем для радиолокационных устройств

1.1 Функциональный ряд СВЧМИС

В настоящее время СВЧ монолитные интегральные схемы широко используются для построения СВЧ модулей различного назначения [1-3]. На их основе разрабатываются как коммерческие [4], так и военные системы [5]. Со�