Описано розроблену технологія створення керованих захисних пристроїв міліметрового діапазону довжин хвиль у вигляді "решітки" p-i-n-діодів, виготовлених в єдиному технологічному циклі на основі монолітної многодіодной структури. Наведено параметри виготовлених захисних пристроїв для радіотехнічних систем 8и 3-мм діапазону.

Анотація наукової статті з електротехніки, електронної техніки, інформаційних технологій, автор наукової роботи - Попов В.В.


Active elements for the millimeter wavelength range protection systems

Technology of the controllable protection devices for the millimeter wavelength range, designed as "greed" of the p-in-diodes, manufactured in the close technological cycle on the basis of the multidiode structure are described. Parameters of the manufactured protection devices for the 8 and 3 millimeters wavelength range are presented.


Область наук:
  • Електротехніка, електронна техніка, інформаційні технології
  • Рік видавництва: 2008
    Журнал
    Известия вищих навчальних закладів Росії. Радіоелектроніка
    Наукова стаття на тему 'АКТИВНІ ЕЛЕМЕНТИ ДЛЯ СИСТЕМ ЗАХИСТУ МІЛІМЕТРОВОГО діапазону довжин хвиль'

    Текст наукової роботи на тему «АКТИВНІ ЕЛЕМЕНТИ ДЛЯ СИСТЕМ ЗАХИСТУ МІЛІМЕТРОВОГО діапазону довжин хвиль»

    ?УДК 621.396.9

    В. В. Попов

    ВАТ "Світлана" (Санкт-Петербург)

    Активні елементи для систем захисту міліметрового діапазону довжин хвиль

    Описано розроблену технологія створення керованих захисних пристроїв міліметрового діапазону довжин хвиль у вигляді "решітки" р - / - п-діодів, виготовлених в єдиному технологічному циклі на основі монолітної многодіодной структури. Наведено параметри виготовлених захисних пристроїв для радіотехнічних систем 8-й 3-мм діапазону.

    Захисний пристрій, р - / - і-діод, міліметровий діапазон, втрати пропускання, втрати замикання

    Захисний пристрій (ЗУ) є невід'ємною частиною будь-якого радіотехнічного пристрою, передавач і приймач якого працюють із загальною антеною. Воно визначає таку важливу характеристику системи, як чутливість приймача, від якої, в свою чергу, залежать дальність, стійкість і надійність.

    Розрізняють активні (керовані) і пасивні (некеровані) захисні пристрої. Обидва типи ЗУ захищають приймач від імпульсів власного передавача, крім цього, перший тип ЗУ може бути використаний як модулятор в тракті СВЧ, а другий -захищати приймач від несинхронних сигналів.

    Проведений аналіз можливих конструктивних варіантів ЗУ, а також активних елементів, показав, що найбільш перспективним напрямком при створенні систем захисту міліметрового діапазону довжин хвиль є ЗУ у вигляді "решітки" р - / - п-діодів, виготовлених в єдиному технологічному циклі на основі монолітної многодіодной структури.

    Число діодів в "решітці" N визначається внесеним загасанням Ь, величиною вхідної потужності Рвх, а також розсіюється потужністю одного діода Ррас [1]:

    (PBXy [L-1) / (LPvac)

    ^ 2

    Оскільки в системах міліметрового діапазону довжин хвиль вхідна потужність Рвх становить сотні ват, необхідну загасання Ь > 20 ... 30 дБ, потужність, що розсіюється одним р - / - п-діодом в мікроелектронному виконанні близько 100 мВт, то кількість діодів в системі захисту виявляється більш 100. У зв'язку з цим оптимальної топологією "решітки" є структура, що складається з декількох стовпців, в кожному з яких включено певну кількість діодів (рис. 1).

    Многодіодная напівпровідникова "решітка" оптимальним чином реалізується на основі монолітної структури, яка дає можливість отримати необхідну величину робочої потужності і високу швидкодію за рахунок великого числа р - / - п-діодів в мікроелектронному виконанні [2]. У такій структурі р - / - п-діоди виходять за рахунок створення канавок в кремнієвій підкладці, бічні стінки яких мають п-і / »- провідності (рис. 2, 1, 2). Відстань між бічними поверхнями 3 визначає товщину / -області.

    66

    © В. В. Попов, 2008

    Мал. 1

    Мал. 2

    Ширина канавок змінна. У місцях формування диодной структури ширина канавок максимальна.

    Як матеріал підкладки (рис. 3, 1), на якій формувалася монолітна многодіодная структура, обраний високоомний кремній марки КБО-2 з питомим опором 3.5 ... 6 кОм, монокристал якого розрізався на пластини з орієнтацією (110). Товщина підкладки обрано рівної 0.2 мм, що забезпечило необхідний відвід тепла від діодів при роботі в безперервному і квазінепреривном режимах [3].

    Формування канавок з вертикальними стінками в кремнієвій пластині засноване на властивості виборчого (анизотропного) травлення в водному розчині їдкого калію з різних кристалографічних площинах монокристалічного кремнію. При певних умовах кремній практично не труїться в напрямку (111), а за напрямками (110) і (100) має досить високу ступінь травлення [4]. Таким чином формується вертикальний профіль канавки на поверхні кремнію, орієнтованої в площині (110).

    Після травлення канавок на їх поверхні проводилася дифузія бору з рідкого джерела при температурі 1100 ° С. Отримана при цьому - область (рис. 3, 3) мала глибину 0.8 мкм і поверхневий опір = 15 ... 20 Ом /?. Потім поверхню отриманої таким чином канавки і всієї кремнієвої пластини закривалася шаром низькотемпературного оксиду кремнію методом піролізу тетраетокілілана при температурі 500 ° С з товщиною 0.45.0.5 мкм.

    Друга група канавок формувалася в двошарової оксидной масці теж літографічним способом з подальшим анізотропним травленням на глибину 10 мкм. У ці канавки проводилася дифузія фосфору з рідкого джерела при температурі

    1000 ° С. Створена п + - областьр - / - п-структури (рис. 3, 6) мала глибину залягання 0.8 мкм і поверхневий опір = 8 ... 10 Ом /?. Після цього оксид віддалявся і створювався

    омічний контакт до п + - і - областям р - п-діодів і междіодних з'єднань уздовж канавок решітки (рис. 3, 4).

    Для формування омічного контакту застосовувалася багатошарова контактна система "титан-нікель-золото" (П-№-Аі). Цей контакт має низький кін-

    Мал. 3

    тактним опором, гарну адгезію і стійкістю до травленню. Контакт Ti-Ni-Au Напилювана термічним способом з товщиною шарів титану 0.02 мкм, нікелю 0.04 мкм і золота 0.1 мкм. Контактна опір, виміряний на контрольних зразках, становило для n + -області 0.8 • Ю-5 Ом • см, а для р + - області - 1-10-5 Ом • см. Поверх напилених шарів наносився гальванічним методом шар золота (рис. 3, 5) товщиною 5.6 мкм. Торцева поверхня / -області захищалася шаром діоксиду кремнію (рис. 3, 2).

    З метою зменшення контактних втрат, що вносяться утвореної монолітної напівпровідникової структурою в СВЧ-тракт, по контуру кристала створювалася контактна мембрана з золота. Для формування контурної проводить мембрани зворотна сторона кремнієвої пластини окислюється. Потім під захистом цієї оксидної плівки анізотропним травленням кремній по краю пластини витравлюють на глибину 60.80 мкм. Далі вирощувалися золотий балковий висновок і локальне золочення товщиною 8.10 мкм.

    За розробленою технологією були виготовлені, зокрема, керовані ЗУ 8-мм діапазону. Таке ЗУ складалося з 196 діодів, об'єднаних в 14 стовпців по 14 діодів в кожному стовпці. При цьому габарити готового кристала з монолітної многодіодной схемою

    залишали 7.0 х 3.2 мм 2, а зовнішні розміри ЗУ з урахуванням контактної мембрани 10 х 6 мм2 .

    В керованої монолітної "решітці" р - / - п-діоди по постійному струму з'єднані паралельно. Тому низькочастотні параметри діодів вимірювалися в її складі. При цьому знімалася вольт-амперна характеристика і вимірювалася загальна ємність "решітки". Для вимірювань використовувалося комутаційний пристрій, поєднане з мікроскопом ПСБ-6, що має контактні зонди з невеликою паразитного ємністю.

    На рис. 4 представлена ​​вольтамперная характеристика керованої "решітки", що складається з р - / - п-діодів, усереднена за результатами вимірювань десяти зразків ЗУ. Виміряні значення ємності зразків знаходилися в межах 8.4.7.6 пФ. Таким чином, розкид становив менше 10%, що свідчило про високу якість розробленої технології.

    Експериментально визначалися такі важливі характеристики ЗУ, як втрати пропускання і КСХН, а також втрати замикання або внесеного загасання. На рис. 5 наведені типові частотні характеристики втрат пропускання (рис. 5, а) і КСХН (рис. 5, б) керованого ЗУ. З представлених характеристик слід, що в робочій смузі частот

    / 0 ± 2 ГГц втрати пропускання L лежать в межах 0.5 дБ при величині КСХН не більше 1.5. Втрати замикання керованого ЗУ визначалися в імпульсному режимі при подачі на його вхід імпульсів з потужністю 1 кВт, тривалістю т = 0.5 мкс, скважностью Q = 1000 при струмі управління / упр = 0.6 А. Середнє значення внесеного

    загасання за результатами п'яти зразків В ЗУ в зазначеному вище діапазоні частот зі-

    обр, ставило 45 дБ.

    Мал. 4

    / Пр, МА

    U,

    Іпр, В

    а б

    Мал. 5

    З використанням розробленої технології також створені керовані ЗУ 3-мм діапазону на безперервну потужність 25 Вт. Необхідна для 3-мм діапазону менша ємність монолітної многодіодной структури досягнута за рахунок того, що кількість діодів в стовпці було в два рази більше числа стовпців. Таким чином, сумарна ємність такої "решітки" виявилася в два рази менше ємності "решітки", в якій кількість стовпців дорівнює кількості діодів в стовпці. Саме число діодів в ЗУ 3мм діапазону було вибрано рівним 28, і решітка складалася з чотирьох стовпців по вісім p-i-n-діодів в кожному стовпці.

    Виміряні параметри такого захисного пристрою виявилися наступними: втрати пропускання в смузі f ± 2 ГГц не більше 0.8 дБ при величині КСХН не більше 1.5;

    внесене згасання при струмі управління / упр = 0.1 А лежало в межах 41 .. .43 дБ.

    Таким чином, розроблена технологія створення захисних пристроїв міліметрового діапазону довжин хвиль на основі "решітки" p-i-n-діодів, виготовлених в єдиному технологічному циклі, дозволяє виготовляти пристрої з малою втратою пропускання, великим коефіцієнтом загасання і високою швидкодією.

    бібліографічний список

    1. Дзехцер Г. Б., Орлов О. С. P-I-N-Діоди в широкосмугових пристроях НВЧ. М .: Сов. радіо, 1970. 216 с.

    2. Захаров А. А. Асвадуров Е. І. Розрахунок теплових параметрів напівпровідникових приладів. М .: Сов. радіо, 1983. 185 с.

    3. Швидкодіючі модулятори на p-i-n-діодах (огляд) / С. Н. Кошова, Я. І. Кіщенко, В. М. Са-мойловскій, В. А. Трапезон // Известия вузів. Радіоелектроніка. 1989. № 10. З 3-31.

    4. Готра З. Ю. Технологія мікроелектронних пристроїв: Довідник. М .: Радио и связь, 1991. 317 с.

    V. V. Popov

    YSC "Svetlana" (Saint-Petersburg)

    Active elements for the millimeter wavelength range protection systems

    Technology of the controllable protection devices for the millimeter wavelength range, designed as "greed" of the p-in-diodes, manufactured in the close technological cycle on the basis of the multidiode structure are described. Parameters of the manufactured protection devices for the 8 and 3 millimeters wavelength range are presented.

    Protection device, p-i-n-diode, millimeter wavelength range, transmission looses, locking looses

    Стаття надійшла до редакції 13 листопада 2008 р.


    Ключові слова: ЗАХИСНЕ ПРИСТРІЙ / PROTECTION DEVICE / P-I-N-ДИОД / PIN-DIODE / міліметрового діапазону / MILLIMETER WAVELENGTH RANGE / ВТРАТИ ПРОПУСКАННЯ / ВТРАТИ замикання / TRANSMISSION LOOSES / LOCKING LOOSES

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити