Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ современного состояния в области создания малошумящих усилителей и встроенных антенн диапазона 57-64 ГГЦ 13
1.1 Основные характеристики усилителей 15
1.2 Технологии и полупроводниковые материалы для создания СВЧ транзисторов 20
1.3 Коммерчески доступные аналоги МШУ диапазона 57-64 ГГц 29
1.4 Микрополосковые антенны 40
1.5 Заключение 45
2 Разработка малошумящего усилителя 46
2.1 Моделирование активных и пассивных элементов 46
2.2 Исследования транзисторов
2.2.1 Исследования статических и СВЧ параметров НЕМТ на гетероструктурах AlGaN/AlN/GaN/Сапфир 53
2.2.2 Исследование статических характеристик изготовленных образцов транзисторов на гетероструктурах AlGaN/AlN/GaN/Сапфир 55
2.2.3 Исследование СВЧ параметров изготовленных образцов транзисторов на гетероструктурах AlGaN/AlN/GaN/Сапфир 2.3 Использование сквозных отверстий и заземляющей плоскости на нитриде галлия на подложке сапфира 63
2.4 Построение моделей транзисторов на широкозонных гетероструктурах AlGaN/AlN/GaN 2.4.1 Построение нелинейной модели транзистора Fujii 65
2.4.2 Построение шумовой линейной модели транзистора Поспешальского
2.5 Электродинамическое моделирование малошумящего усилителя 73
2.6 Моделирование антенны 77
2.7 Топология полной СнК 80
2.8 Технологические этапы изготовления малошумящего усилителя со встроенной антенной 81
2.9 Заключение 92
3 Измерения параметров антенны и пассивных элементов 93
3.1 Исследования пассивных тестовых элементов 93
3.2 Измерения диаграммы направленности антенны 95
4 Измерения параметров мис 98
4.1 Измерения параметров малошумящих усилителей 98
4.2 Измерения параметров малошумящего усилителя со встроенной антенной 101
4.3 Сравнение результатов разработанного усилителя с мировыми аналогами 105
Заключение 107
Обозначения и сокращения 109
Список используемых источников
- Технологии и полупроводниковые материалы для создания СВЧ транзисторов
- Исследования статических и СВЧ параметров НЕМТ на гетероструктурах AlGaN/AlN/GaN/Сапфир
- Построение шумовой линейной модели транзистора Поспешальского
- Сравнение результатов разработанного усилителя с мировыми аналогами
Введение к работе
Актуальность темы
Прогресс в технологии сделал возможным массовое производство монолитных интегральных схем (МИС) V-диапазона частот (40-75 ГГц), которые по ценам лишь незначительно отличаются от более низкочастотных МИС. В последние годы за рубежом наблюдается быстрое развитие разработок и производства МИС миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн. Коммерческому применению МИС данного диапазона способствуют малые габариты основных компонентов элементной базы в данном диапазоне: усилителей, генераторов, смесителей и антенн. Конкретными применениями являются устройства радиолокации, сенсоры расстояния и скорости, быстродействующие каналы связи. Помимо гражданского применения широко востребованы в военной технике, в том числе в перспективных образцах вооружений, системах межспутниковой связи, радарах и др.
Диапазон 60 ГГц обладает сильным затуханием радиоволн в атмосфере, является типичным окном непрозрачности. Для сравнения на частотах до 38 ГГц затухание не превышает 0.3 дБ/км, а на частоте 60 ГГц достигает 16 дБ/км. Сильное затухание обусловлено поглощением радиоволн парами воды и молекулами кислорода, что является как ключевым достоинством, так и существенным недостатком. С одной стороны, сильное затухание делает диапазон неоптимальным для передачи сигнала на дальние расстояния (в единицы километров и более), с другой стороны – решает проблемы интерференции между различными источниками сигнала и позволяет создавать каналы связи стойкие к помехам и внешнему воздействию.
Согласно принятым стандартам (в частности IEEE 802.11ad и
ISO/IEC 13156) на основе приборов, работающих на частоте 60 ГГц, будут
создаваться локальные беспроводные сети (в частности мобильные сети пятого
поколения 5G), приемо-передающие устройства широкополосной
внутрикомнатной связи, обеспечивающие высокоскоростную передачу данных
между электронными приборами. Это обеспечит высокий спрос на устройства данного диапазона, а многие ведущие производители элементной базы и систем связи уже заняты его промышленным освоением.
Современный этап развития СВЧ электроники характеризуется двумя особенностями. Во-первых, это использование монолитных интегральных схем вместо широко использовавшихся ранее гибридных сборок. Благодаря малой длине волны в миллиметровом диапазоне (на частоте 60 ГГц длина волны составляет 5 мм) габаритные размеры антенн настолько малы, что можно создавать на одной монолитной интегральной схеме: усилители со встроенными антеннами, антенные решетки и даже целые «системы-на-кристалле», выполняющие с одной стороны - формирование, усиление и излучение антенной сигнала, а с другой стороны - прием антенной, усиление и детектирование сигнала. Кроме того, использование монолитной технологии и отсутствие необходимости СВЧ соединений позволяет улучшить технические характеристики устройств, существенно повысить надежность и воспроизводимость МИС, снизить габариты и стоимость устройств. Второй важной особенностью является снижение сроков разработки - так называемый «успех с первого прохода», когда корректно работающее устройство разрабатывается за один цикл изготовления, что накладывает высокие требования на точность средств проектирования. Возрастает необходимость полного электромагнитного расчета схемы, которое учитывает расположение элементов и их влияние друг на друга, особенно при близком расположении элементов.
Цель и задачи работы
Целью настоящей диссертационной работы является разработка на нитриде галлия МИС малошумящего усилителя (МШУ) и МИС МШУ со встроенной антенной для диапазона частот 57-64 ГГц.
Для достижения поставленной цели в диссертации необходимо было решить следующие основные задачи:
- исследовать серийные образцы МШУ диапазона 57-64 ГГц;
провести исследования транзисторов на гетеро структурах AlGaN/AlN/GaN на подложке сапфира со сквозными отверстиями и построить модели, корректно описывающие их СВЧ и шумовые характеристики до 67 ГГц;
разработать встроенную антенну на нитриде галлия на подложке сапфира;
на основе построенных моделей разработать МИС МШУ и МШУ со встроенной антенной на нитриде галлия на подложке сапфира со сквозными отверстиями;
провести экспериментальные исследования разработанных МИС МШУ и МШУ со встроенной антенной.
Научная новизна
-
Впервые в мире разработаны и исследованы физические и математические модели транзисторов и МИС с уникальным для нитрида галлия на подложке сапфира способом формирования межэлектрических соединений -сквозных отверстий, обеспечивающих общую заземляющую плоскость.
-
Впервые в России на нитриде галлия для диапазона 57-64 ГГц разработаны и исследованы схемотехнические и конструктивные основы создания МИС МШУ
-
Впервые в России на нитриде галлия для диапазона 57-64 ГГц разработаны и исследованы конструктивные основы создания СВЧ «системы-на-кристалле», состоящей из МШУ и встроенной антенны.
Научная и практическая значимость работы
-
Предложен способ проектирования на нитриде галлия на подложке сапфира с использованием сквозных отверстий для транзисторов и МИС диапазона 57-64 ГГц.
-
На основе моделей, предложенных в диссертационной работе, разработаны образцы МИС МШУ и МШУ со встроенной антенной для диапазона 57-64 ГГц и проведены их исследования.
-
Результаты исследований использовались при выполнении прикладного научного исследования «Разработка конструктивно-технологических принципов
создания однокристальных приемо-передающих модулей для современных широкополосных систем беспроводной связи и передачи информации в диапазоне частот 57-64 ГГц» (заказчик Минобрнауки России, соглашение №14.607.21.0087 от 24 ноября 2014 г., уникальный идентификатор проекта RFMEFI60715X0087).
4. Разработанные образцы МИС МШУ и МШУ со встроенной антенной использованы при выполнении ОКР «Разработка комплекта монолитных интегральных схем 5 мм диапазона длин волн» (заказчик Минпромторг России, Государственный контракт № 13411.1400099.11.018 от 2 апреля 2013г., шифр «Многоцветник-22»). Созданы малошумящий усилитель без антенны 5411УВ01Н и интегрированный с антенной на одном кристалле 5411УВ01АН (АЕНВ.431130.293ТУ).
Основные положения, выносимые на защиту
-
Способ проектирования на нитриде галлия на подложке сапфира со сквозными отверстиями и общей заземляющей плоскостью для МШУ и МШУ со встроенными антеннами диапазона 57-64 ГГц.
-
Разработанные модели транзистора на нитриде галлия, корректно описывающие СВЧ параметры транзисторов и позволяющие проектировать МИС на частоты до 67 ГГц.
-
Результаты исследований разработанных МИС МШУ и МШУ со встроенной антенной для диапазона 57-64 ГГц.
Апробация результатов исследования
Основные положения и результаты диссертационной работы
докладывались и обсуждались на всероссийских и международных конференциях, в частности: 61-63 Научно-технической конференции МГТУ МИРЭА (2012-2014 г.г.), 9-й Всероссийской конференции «Нитриды галлия, индия, алюминия – структуры и приборы» (2013), 4-й Международной научно-технической конференции «Технология микро- и наноэлектроники в микро- и наносистемной технике. Микроэлектроника и пассивная электронная компонентная база» (2014), Международной конференции «Микроэлектроника
2015» (Алушта, 2015), Международной научно-технической конференции «Intermatic-2015», XIV научно-технической конференции «Твердотельная электроника. Сложные функциональная блоки РЭА» (2015).
Публикации и личный вклад автора
По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе 7 статей в журналах из перечня ВАК, 3 статьи в сборниках трудов конференций, написана одна монография (личный вклад автора 10%). Основные научные результаты опубликованных статей получены лично автором или при его непосредственном участии
Автором лично проведены построение моделей транзисторов,
схемотехническое и электродинамическое моделирование, экспериментальные исследования транзисторов, пассивных элементов и МИС, а также выполнены исследования серийных образцов МШУ и анализ литературных данных по теме диссертации.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 94 наименований. Содержание работы изложено на 120 страницах, включая 69 рисунков и 8 таблиц.
Благодарности
Автор выражает глубокую благодарность главному конструктору ИСВЧПЭ РАН Федорову Ю.В. за передачу огромного опыта и знаний в области разработки СВЧ полупроводниковых устройств и неоценимую помощь в проведении исследований.
Технологии и полупроводниковые материалы для создания СВЧ транзисторов
Основное достоинство SiGe структур в том, что они позволяют получить существенный рост рабочих частот и линейность характеристик, при незначительном (около 10-20%) удорожании процессов относительно стандартной кремниевой технологии [8]. В МОП-транзисторах для формирования двумерного электронного газа используется SiGe в буферном слое, в результате подвижность носителей n-типа и p-типа 2800 и 1400 см2/Вс соответственно, а граничные частоты достигают 100 ГГц. Фактор, ограничивающий применение SiGe приборов – низкая ширина запрещенной зоны, около 1 эВ. Следствием низкой ширины запрещенной зоны являются низкие пробивные напряжения, и малая мощность. Кремний-германиевые транзисторы широко применяются в маломощных устройствах, особенно при необходимости минимального энергопотребления, и в персональных устройствах, таких как мобильные телефоны и цифровая электроника. Кроме того, такие транзисторы широко востребованы в различных СБИС и СнК, в которых они формируются на одном кристалле с цифровыми кремниевыми схемами.
Карбид кремния (SiC)
Карбид кремния может иметь разные электрофизические параметры при разных кристаллических структурах – кубической (3C-SiC): гексагональной (2H-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC и nH-SiC), ромбоэдрической (15 R, 21 R и др.), но для полупроводниковых приборов широко используются только два гексагональных типа – 4H-SiC и 6H-SiC. На карбиде кремния как правило создаются МОП-структуры, при этом, следствием невозможности создания на нем гетероструктур является низкая подвижность носителей и низкие рабочие частоты. Пробивная напряженность электрического поля 4H-SiC более чем на порядок выше, чем у кремния или арсенида галлия. К другим достоинствам можно отнести высокую плотность тока и теплопроводность, малое сопротивление в открытом состоянии и наличие собственного окисла (SiO2). Приборы на карбиде кремния стабильны во времени, слабо зависят от температуры (могут работать при повышенных температурах), более устойчивы к радиации по сравнению с кремнием или арсенидом галлия [27].
Карбид кремния широко используется в качестве материала подложки, в особенности при создании высокомощных и высокотемпературных приборов. Это связано с тем, что карбид кремния обладает высокой теплопроводностью и именно на подложках из карбида кремния достигаются рекордные показатели GaN приборов. Существенным недостатком подложек из карбида кремния является необходимость покупки таких подложек за рубежом, так как в России лишь в последние годы, усилиями ОАО «Светлана», ведутся работы по изготовлению карбид-кремниевых подложек.
Нитрид галлия (GaN)
Нитрид галлия на данный момент считается одним из наиболее перспективных и быстроразвивающихся материалов для С ВЧ техники [23-29]. Совокупность высоких подвижности и концентрации носителей, а также широкой запрещенной зоны позволяют добиваться уникальных частотных и мощностных характеристик транзисторов – высокого рабочего и пробивного напряжений, высоких предельных частот и удельной мощности [30]. Кроме того, нитрид-галлиевые транзисторы работают при более высоких температурах, чем, например, кремниевые. Достигнутые параметры и перспективы совершенствования нитрид-галлиевых приборов стали причиной создания государс твенных программ по развитию данной технологии.
Общий внешний вид структуры HEMT-транзистора на GaN показан на рисунке 1.4, но параметры конструкции могут существенно отличаться. Основой транзисторов с гетероструктурами на GaN является двумерный электронный газ, который формируется в области гетероперехода между барьерным AlxGa1-xN слоем и нелегированным канальным GaN слоем. Из-за различия в ширине запрещенной зоны (у AlxGa1-xN шире, чем у GaN), в области гетероперехода граница зоны проводимости GaN оказывается ниже уровня Ферми и образуется потенциальная яма [31]. В результате подвижность в слое GaN становится очень высокой 2/ (до 2000 см Вс), так ак монокристаллическом нелегированном GaN отсутствуют примесные центры рассеяния связанные с ними дефекты. Несовпадение кристаллических решеток обуславливает образование механической напряженности, а из-за сильной поляризации кристаллов AlN и GaN возникает пьезоэффект, приводящий к дополнительной инжекции носителей в канал. В результате, непосредственно од гетеропереходом в канальном GaN слое образуется двумерный электронный газ - тонкий слой с высокой плотностью и подвижностью свободных электронов [32]. Между барьерным и канальным слоями формируют слой высокоомного нелегированного AlN или AlxGa1-xN, основным назначением которого является предотвращение рассеяния носителей в канале на границе с гетеропереходом. Между затвором и верхней частью барьерного слоя образуется барьер Шоттки, который управляет проводимостью канала.
Исследования статических и СВЧ параметров НЕМТ на гетероструктурах AlGaN/AlN/GaN/Сапфир
Моделирование пассивных элементов значительно проще, они линейны и как правило не зависят от внешних факторов (например, проходящего ВЧ-сигнала), их можно разделить на компоненты с сосредоточенными параметрами и компоненты с распределенными параметрами. Компоненты с сосредоточенными параметрами это классические резисторы, индуктивности, конденсаторы. Компоненты с распределенными параметрами зависят от габаритов элемента и к ним относятся, например, микрополосковые линии и тонкопленочные резисторы. Как правило в САПР существует собственная библиотека стандартных элементов как для сосредоточенных элементов, так и для распределенных. Однако необходимо учитывать, что библиотеки описывают элементы в идеальной среде и без взаимного электромагнитного воздействия других элементов схемы, хотя зачастую это взаимное влияние компонентов друг на друга оказывает существенное влияние на функционирование схемы и без у чета этого влияния можно получить некорректные результаты.
В качестве простого примера рассмотрим микрополосковую линию. В виде прямой линии она обладает самой маленькой паразитной связью, при этом если её представить в виде меандра, то паразитная связь в озрастёт, а самой большой паразитной связью обладает микрополосковая линия в виде сжатого меандра. Чем ближе и более плотно расположены элементы, тем более существенная паразитная связь между ними возникает [67].
Основой расчета в САПР является приближенное решение уравнений Максвелла, согласно заданным граничным и начальным условиям. В передовых САПР в основном используют три типа – метод моментов, метод конечных элементов, метод конечных разностей во временной области.
Метод моментов (MoM) Такой способ моделирования часто называется 2.5D, или планарным 3D методом. Особенностью этого метода является то, что в качестве искомой величины выступает распределение тока на металлических поверхностях и как следствие разбивка на ячейки происходить только в металлических структурах . Сетка в методе моментов имеет планарный вид и оказывается значительно проще чем объемная сетка двух других методов. Меньшее количество ячеек сетки повышает скорость и эффективность моделирования. Метод моментов хорошо подходит для сложных многослойных планарных структур. Еще одним преимуществом является то, что используется лишь одна матрица для всех входных портов , то есть увеличение количества портов не приводит к существенному увеличению времени расчета.
Из планарности моделируемых структур следует основной недостаток метода моментов – он не подходит для моделирования произвольных трехмерных структур, то есть структура может быть объемной, но обязательно должна быть либо многослойной в плоскости XY, либо планарной и вытянутой по вертикали вдоль оси Z через несколько наложенных друг на друга слоев. Такой метод хорошо подходит для моделирования СВЧ МИС, которые обычно состоят из нескольких слоев (металлов и диэлектриков), расположенных сверху вниз и соединительных проводников.
Метод конечных элементов (FEM)
Метод конечных э лементов является полноценным трёхмерным методом, что позволяет использовать его для анализа не только многослойных, но и произвольно объемных структур. В нём моделируемый объект располагается в определенном объеме, ограничивающем область расчета. Весь объем разбивается с помощью сетки из тетраэдрических ячеек, а в объеме вблизи объекта эта сетка делается более плотной. Неизвестной величиной в методе конечных элементов является величина поля, которое аппроксимируется по всем тетраэдрам. Как и в методе моментов, в этом методе используется лишь одна матрица для всех входных портов. Данный метод является наиболее гибким и хорошо подходит для моделирования паразитного влияния корпусирования, или влияния соседних излучателей-антенн друг на друга, но при этом для геометрически сложных объектов требуется большое число ячеек разбиения и , как следствие, довольно мощные рабочие станции.
Метод конечных разностей во временной области (FDTD) Метод конечных разностей во временной области, как и метод конечных элементов, является полноценным трёх мерным и может быть использован для анализа структур произвольной формы. В отличие от метода моментов и метода конечных элементов, в которых уравнения Максвелла решаются в косвенной форме, в методе конечных разностей происходит решение уравнений Максвелла в явной форме. Как и в FEM весь объем области моделирования разбивается на гексаэдрические ячейки, а затем используется алгоритм пошагового интегрирования во времени и последовательно обновляются значения поля в каждой ячейке, таким образом явно отслеживается прохождение электромагнитных волн через исследуемую структуру.
Существенным преимуществом, по сравнению с FEM, является отсутствие необходимости применения матриц. К недостаткам можно отнести необходимость отдельного моделирования для каждого порта, поэтому метод не является оптимальным для моделирования схем с большим количеством портов.
Наиболее характерным применением метода FDTD является моделирование встроенных антенн, такой метод позволяет выявлять изменения характеристик антенн от встраивания в корпус или при приближении антенны к человеческому телу. Выбор метода При выборе оптимального метода необходимо учитывать множество факторов: - геометрия модели – планарная, многослойная или произвольная объемная; - связь схемотехнического моделирования и электродинамического моделирования; - тип амплитудно-частотной характеристики; - число портов. Таким образом, д ля планарных компонентов лучше в сего подходит метод моментов, для произвольных объемных компонентов (переходные соединения, разъемы, корпусы, объемные антенны и т.д.) метод конечных элементов и метод конечных разностей во временной области . Для анализа цепей с высокой добротностью (фильтры, генераторы и т.д.) подходят методы моментов и конечных элементов, а для расчетов во временной области метод конечных разностей во временной области. Для объемных изделий с большим количеством портов оптимальным методом является метод конечных элементов, а при малом числе портов метод конечных разностей во временной области. При моделировании антенн на корпусе или какой-либо другой поверхности, а также вблизи человеческого тела , оптимальным является метод конечных разностей во временной области. Для моделирования МИС со встроенными антеннами, оптимальными являются метод моментов и метод конечных элементов.
Для моделирования топологии МИС МШУ будет использован метод моментов, а для моделирования антенн – метод конечных элементов, имеющиеся в САПР Advanced Design System (ADS) фирмы Keysight Technologies
Построение шумовой линейной модели транзистора Поспешальского
Исследованы статические и СВЧ параметры транзисторов, на основании которых созданы нелинейная и шумовая модели HEMT транзистора. Разработана схема четырехкаскадного малошумящего усилителя, основанная на построенных моделях. Выполнено схемотехническое моделирование на сосредоточенных элементах, по которому создана топология малошумящего усилителя и выполнен электромагнитный расчет топологии. Проведенный расчет показал, что с использованием предложенных моделей транзисторов, в диапазоне 57-64 ГГц усилитель имеет коэффициент передачи 15-20 дБ, КСВН менее 2 и коэффициент шума около 6.4 дБ.
Выполнено проектирование антенны, расчетный рабочий диапазон которой составил 56-69 ГГц, а расчетная диаграмма направленности имеет кардиоидный вид с максимумом излучения, направленным перпендикулярно плоскости пластины вверх.
Описаны технологические этапы изготовления МИС усилителя со встроенной антенной. Технология, помимо стандартных для GaN-технологии этапов, содержит конструкторско-технологическое решение по формированию «заземляющей плоскости» на д лицевой поверхностью пластины, обоснована необходимость использования данного решения.
Для оценки корректности методики проектирования, а также соответствия расчетных и измеренных значений топологических элементов МИС, были изготовлены пассивные тестовые элементы - две микрополосковые линии, длины которых отличаются в два раза: 400 мкм и 800 мкм, они изображены на рисунке 3.1. После изготовления были проведены измерения S-параметров тестовых элементов непосредственно на пластине зондовым способом в диапазоне частот до 67 ГГц.
На рисунке 3.2 показано сравнение расчетных (красный) и измеренных (зеленый) S-параметров для длинной (800 мкм) микрополосковой линии, а на рисунке 3.3 для короткой (400 мкм) микрополосковой линии.
Как следует из результатов исследований, для обеих микрополосковых линий наблюдается хорошее соответствие результатов расчета и измерений. Можно сделать вывод, что п рименяемые средства проектирования позволяют с достаточно высокой точностью рассчитывать пассивные элементы МИС, созданные с «заземляющей плоскостью» над лицевой поверхностью пластины. Полученные результаты свидетельствуют, что разработанная технология создания «заземляющей плоскости» над лицевой поверхностью пластины с уже изготовленными активными и пассивными СВЧ элементами является пригодной для изготовления СВЧ транзисторов, организации межсоединений и топологических элементов МИС диапазона 57-64 ГГц.
Внешний вид изготовленной антенны показан на рисунке 3.4. Так как диаграмма направленности не привязана к излучаемой мощности, данная характеристика является относительной, поскольку достаточно измерять уровень излучаемой мощности в дальней зоне в относительных единицах.
Диаграмма направленности измеряется с помощью лабораторной антенны, расположенной на фиксированном расстоянии от исследуемой антенны. Лабораторная антенна должна перемещаться по дуге окружности, в центре которой расположена исследуемая антенна таким образом, чтобы расстояние R между антеннами оставалось неизменным. При этом диаграмма направленности не зависит от коэффициента передачи встроенного усилителя. Схематическое изображение стенда для измерения диаграммы направленности представлено на рисунке 3.5 [88].
Измерения диаграммы направленности проводились в двух плоскостях: ZX (вдоль оси симметрии антенны) и ZY (перпендикулярно оси симметрии) (расположение осей показано на рисунке 3.5(a)). При этом в плоскости ZYдиапазон вращения рупорной антенны составил 180, в то время как в плоскости ZXтолько на 130 (из-за расположения микроскопа). Угол поворота рупорной антенны ограничивался габаритами зондового стола и расположением зондодержателя. На рисунке 3.6 представлены измерения диаграммы направленности антенны, нагруженной на усилитель, в минимуме потерь отражения на частоте 58 ГГц. В плоскости ZY измерения были проведены в двух плоскостях поляризации.
Как видно из результатов антенна излучает в обеих плоскостях поляризации, диаграмма направленности близка к кардиоидной. Измерения производились непосредственно на пластине. МИС, расположенные в соседних ячейках, влияли на излучение, чем можно объяснить неравномерность полученных характеристик. Несмотря на это, полученные результаты хорошо соответствуют расчетным данным.
Проведены измерения малосигнальных S-параметров и коэффициента шума кристаллов МШУ (внешний вид показан на рисунок 4.1). Измерения проводились после нанесения фотолака и резки пластины на кристаллы.
Измерения проводились зондовым способом на кристаллах, свободно лежащих на кремниевой пластине без оснастки и теплоотвода. При измерении малосигнальных S-параметров определяются коэффициент передачи, КСВН входа/выхода и ток потребления. Измерения шума проводились отдельно, но при тех же напряжениях питания и смещения. Схема включения МИС МШУ при измерении S-параметров показана на рисунке 4.2, а при измерении коэффициента шума на рисунке 4.3.
Сравнение результатов разработанного усилителя с мировыми аналогами
Измерения диаграммы направленности проводились на стенде, показанном на рисунке 3.2(6). На рисунке 4.6 представлены измерения диаграммы направленности антенны, подключенной ко входу усилителя, в точке минимума потерь отражения, на частоте 57.4 ГГц. Ввиду наличия зондов для подачи напряжения питания и смещения на усилитель, расположенных вдоль продольных сторон кристалла, измерения были проведены в ограниченном диапазоне угловых координат (от минус 20 до плюс 20).
Результаты измерений показали, что при измерениях антенны с работающим усилителем излучение антенны составляет величину на 20 дБ больше, чем при измерениях встроенной антенны с выключенным усилителем. Однако, вид диаграммы направленности является искаженным в связи с наличием СВЧ зонда и зондов питания с трёх сторон от МИС.
Для МШУ со встроенной антенной проведены измерения коэффициента передачи, КСВН выхода и тока потребления, согласно рисунку 4.7 [93].
В этом случае входной сигнал поступает не на антенну, а на контактную площадку (в место подключения антенны к МШУ) при помощи зонда. Такой вариант измерений был промоделирован, результаты расчетов показаны на рисунке 4.8. По сравнению с исходным МШУ, наблюдается снижение коэффициента передачи, особенно в диапазоне 54-57 ГГц, при этом кривая немного сместилась в более низкочастотную область. Зависимость КСВН выхода от частоты практически не изменяется, можно отметить лишь незначительное снижение в районе 60 ГГц.
Результаты зондовых измерений МШУ со встроенной антенной показаны на рисунке 4.9. Стоит отметить, что измерения коэффициента передачи носят справочный характер, поскольку наличие антенны не позволяет получить точные значения, а также измерить КСВН входа.
Измерения показали ожидаемый сдвиг коэффициента передачи в более низкочастотную область и снижение коэффициента передачи в нижней части рабочего диапазона. Как видно из результатов исследований, коэффициент передачи в рабочем диапазоне имеет значение около 14-19 дБ. КСВН выхода имеет минимум на частоте 58 ГГц , что хорошо согласуется с результатами проектирования и измерениями МШУ без антенны. То к п о т р е б л е н и я с о с т а в и л 87 мА. В целом, измерения показали хорошее соответствие расчетных результатов и результатов измерений.
Разработанный усилитель является единственным, разработанным на гетероструктурах нитрида галлия – широкозонном полупроводнике [94]. По совокупности характеристик, разработанный усилитель находится на уровне лучших мировых образцов. В перспективе характеристики МШУ на нитриде галлия могут быть улучшены за счет совершенствования технологии и освоения отечественных подложек из карбида кремния, совершенствования гетероструктур и повышения MaxGain транзисторов, а также использования теплоотвода.
В ходе выполнения работы получены следующие основные результаты и сделаны соответствующие выводы: - проведены исследования статических и СВЧ параметров тестовых HEMT транзисторов на гетероструктурах AlGaN/AlN/GaN/Сапфир с топологическими нормами 140 нм, показавшие возможность создания МИС диапазона 57-64 ГГц; - на основании исследований транзисторов построены нелинейная и шумовая модели транзистора, корректно описывающие параметры транзисторов в диапазоне до 67 ГГц и позволяющие разработать МИС МШУ диапазона 57-64 ГГц; - по построенным моделям разработаны принципиальная схема и топология усилителя, проведено моделирование на основе сосредоточенных элементов и электродинамическое моделирование, которые показали достижимость требуемых характеристик в рабочем диапазоне; - проведено моделирование микрополосковой антенны для диапазона 57-64 ГГц, согласованной со входом усилителя и имеющей расчетную форму диаграммы направленности кардиоидного вида; - проведены исследования встроенной антенны, измерения диаграммы направленности показали форму близкую к кардиоиде в рабочей полосе частот; - исследованы изготовленные образцы малошумящего усилителя, показавшие работоспособность в диапазоне 57-64 ГГц, достижение коэффициента передачи более 16 дБ и коэффициента шума менее 6.5 дБ, хорошее соответствие расчетных и измеренных результатов. Разработанный МШУ находится на уровне лучших мировых образцов; - проведены исследования СВЧ системы-на-кристалле, состоящей из малошумящего усилителя и встроенной антенны, показавшие работоспособность системы и увеличение выходного сигнала на значение порядка 18 дБ при подаче напряжения на усилитель. — 108 — Габариты разработанной МИС составили 1.15 х 2.26 мм для МШУ (5411УВ01Н) и 1.15 х 3.4 мм для МШУ с антенной (5411УВ01АН АЕНВ.431130.293ТУ), что позволит использовать данную МИС при создании компактных систем передачи сигнала в диапазоне частот 57-64 ГГц. ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ 2DEG - двумерный электронный газ; GaN - нитрид галлия; GaAs - арсенид галлия; GSM (Global System for Mobile Communications) - глобальная система для мобильной связи; GPS (Global Positioning System) - система глобального позиционирования; HEMT (High-electron-mobility transistor) – транзистор с высокой подвижностью электронов (ТВПЭ);
IRL (Input Return Loss) - входные обратные потери; LNA (Low-Noise Amplifier) - малошумящий усилитель (МШУ); ORL (Output Return Loss) - выходные обратные потери; PAE (Power Added Effeciency) - коэффициент полезного действия (КПД); АЧХ - амплитудно-частотная характеристика; ВАХ - вольт-амперная характеристика; ДН - диаграмма направленности; КСВН - коэффициент стоячей волны по напряжению; МИС - монолитная интегральная схема; МОП - металл-оксид-полупроводник (МОП-структура); МПА - микрополосковая антенна; МШУ - малошумящий усилитель; САПР - система автоматизированного проектирования; СВЧ - сверхвысокочастотный; СнК - система на кристалле; УМ - усилитель мощности.