Автореферат (Разработка конструкторско-технологических методов и средств повышения надёжности смесителей радиосигналов на основе резонансно-туннельных диодов)

На правах рукописиУДК 621.382МАКЕЕВ МСТИСЛАВ ОЛЕГОВИЧРАЗРАБОТКА КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВПОВЫШЕНИЯ НАДЁЖНОСТИ СМЕСИТЕЛЕЙ РАДИОСИГНАЛОВНА ОСНОВЕ РЕЗОНАНСНО-ТУННЕЛЬНЫХ ДИОДОВСпециальность 05.11.14 – Технология приборостроения,05.27.06 – Технология и оборудование для производства полупроводников,материалов и приборов электронной техникиАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание учёной степени кандидата технических наукМосква-2014Работа выполнена в Московском государственном техническом университетеимени Н.Э.

БауманаНаучный руководитель:доктор физико-математических наук,профессорИванов Юрий АлександровичНаучный консультант:кандидат технических наук, доцентМешков Сергей АнатольевичОфициальные оппоненты:Румянцев Константин Евгеньевич, доктор технических наук, профессор,заведующий кафедрой информационной безопасности телекоммуникационных системФГАОУ ВПО "Южный федеральный университет"Сушенцов Николай Иванович, кандидат технических наук, доцент, заведующийкафедрой конструирования и производства радиоэлектронной аппаратуры ФГБОУ ВПО«Поволжский государственный технологический университет»Ведущее предприятие – ФГУП «ЦНИРТИ им. академика А.И. Берга»Защита диссертации состоится «___»_________2014 г.

на заседаниидиссертационного совета Д 212.141.18 в Московском государственном техническомуниверситете им. Н.Э. Баумана по адресу: 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д.5Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просьбавыслать по указанному адресу.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. Н.Э. Баумана.Телефон для справок 8 (499) 267-09-63Автореферат разослан «___»_________2014г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 212.141.18д.т.н., профессорЦветков Ю.Б.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работыОдним из путей улучшения качества радиоэлектронных систем являетсяиспользование полупроводниковых приборов, функционирующих на основеквантоворазмерных эффектов. К таким приборам относятся резонансно-туннельныедиоды (РТД) на базе многослойных наноразмерных AlAs/GaAs резонансно-туннельныхгетероструктур (РТГС) с поперечным токопереносом.

Малое время туннелированияэлектронов (~ 10-14 с) обеспечивает предельно высокое быстродействие диода(частота ~ 1 ТГц) и подавление дробовых шумов. Изменяя параметры слоев РТГС(толщину, химический состав), можно варьировать форму вольт-ампернойхарактеристики (ВАХ). Такие свойства РТД позволяют создавать на его базе различныенелинейные преобразователи радиосигналов: смесители, выпрямители, умножители игенераторы для диапазонов СВЧ и КВЧ, функциональные характеристики которых могутбыть улучшены за счет оптимизации формы ВАХ нелинейного элемента.Смесители радиосигналов (СмР) конструктивно реализуются в виде монолитнойили гибридной интегральной схемы.

Их конструкция включает в себя подложку, накоторой реализуется интегральная схема, расположенные на ней пассивные элементы и,собственно, диод. Применение смесителя радиосигналов на основе РТД позволяетповысить чувствительность и помехоустойчивость приемника. Вместе с тем задачаобеспечения заданных высоких показателей надёжности СмР на основе РТД нанастоящий момент полностью не решена, между тем как требования к гамма-процентнойнаработке до отказа (Tγ=0,9999) СмР для авиационного приборостроения составляют6…8 лет, для космической отрасли – 13…15 лет.Задача достижения указанных значений показателей надежности СмР может бытьрешена при системном подходе к этой проблеме, основанном на исследованиидеградационных явлений в структуре СмР, определяющих формирование их отказов, сучетом параметров конструкции и технологии изготовления. В конечном итоге этопозволит провести выбор конструкторско-технологических методов и средствповышения надежности СмР на основе РТД.Предварительные исследования, проведённые в МГТУ им.

Н.Э. Баумана, показали,что для СмР основным типом отказов являются постепенные отказы, которые в своюочередь обусловлены процессами старения элементов РТД. В соответствии соструктурой РТД старение происходит в результате деградационных явлений,обусловленных диффузионным размытием в AlAs/GaAs резонансно-туннельнойструктуре (РТС), приконтактных слоях (слои Si-легированного GaAs) и омическихконтактах (ОК). Интенсивность отказов зависит от параметров РТГС, технологии ееизготовления и от конструкции и технологии изготовления ОК.В связи с этим представляется актуальной, имеющей важное научное ипрактическое значение работа, направленная на обеспечение заданного уровнянадежности смесителей радиосигналов на резонансно-туннельных диодах. Еевыполнение предполагает проведение теоретических и экспериментальных исследованийдеградации показателей назначения СмР на основе AlAs/GaAs РТД.Цель диссертационной работыЦелью работы является повышение надёжности смесителей радиосигналов наоснове резонансно-туннельных диодов.Основные задачи исследованияДля достижения поставленной цели необходимо решить следующие основныезадачи:11.

Исследование закономерностей формирования постепенных отказов смесителейрадиосигналов на основе РТД;2. Исследование влияния деградационных явлений в РТС, приконтактных областях иомических контактах РТД на выходные электрические параметры СмР;3. Исследование влияния технологического процесса изготовления на модификациюсвойств резонансно-туннельной гетероструктуры и омических контактовсмесительных РТД с использованием методов ИК-спектральной эллипсометрии(ИК-СЭ) и ускоренного старения полупроводниковых устройств;4. Разработка методик технической диагностики РТД с использованием методовИК-СЭ и ускоренного старения полупроводниковых устройств и методикипрогнозирования надежности смесителей радиосигналов на основе РТД;5. Выбор конструкторско-технологических методов и средств повышениянадежности смесителей радиосигналов на основе AlAs/GaAs РТД.Научная новизнаНовыми научными результатами, полученными автором, являются:1.

Определена физическая сущность процессов, определяющих формированиепостепенных отказов смесителей радиосигналов на основе РТД, в основе которых лежатособенности протекания деградационных процессов как в наноразмерныхполупроводниковых AlAs/GaAs резонансно-туннельных гетероструктурах, так иомических контактах резонансно-туннельных диодов;2. Разработана математическая модель деградационных процессов в РТД,позволяющая проводить оценку дрейфа ВАХ РТД в процессе эксплуатации и связанногос этим изменения выходных электрических параметров СмР, и, соответственно,прогнозировать надежность СмР на основе РТД при различных конструкторскотехнологических решениях изделия.

Модель формализована в виде двух частныхмоделей: математической модели деградации РТГС, определяемой диффузией Al и Si вРТГС, и математической модели деградации контактного сопротивления ОК, связанной сдиффузионным размытием структуры омических контактов.3. Разработан комплекс методик технической диагностики РТД, позволяющийоценить качество их изготовления. Он включает в себя методику диагностики качествананоразмерных AlAs/GaAs РТГС с использованием метода ИК-СЭ, позволяющуюопределять коэффициенты диффузии Al и Si в GaAs, и методику оценки изменения ВАХРТД под действием деградационных процессов в его структуре, позволяющуюопределять зависимость контактного сопротивления ОК от времени и температуры;4.

Разработана методика прогнозирования надежности СмР на основе РТД,включающая в себя моделирование деградационных процессов в РТД, его ВАХ ивыходных электрических характеристик смесителя радиосигналов на основе РТД.Методика позволяет выбирать рациональные конструкторско-технологические решения,обеспечивающие заданный уровень надежности СмР на основе РТД.Практическая ценность работы1.

Разработанный программно-расчетный комплекс dif2RTD позволяет моделироватьВАХ РТД с учетом диффузионных процессов в AlAs/GaAs РТГС и омических контактах.На основе dif2RTD на этапе конструкторско-технологического проектированияпроводится выбор рациональных параметров, а именно толщин и химического составакак РТС, так и приконтактных областей с целью улучшения показателей надежностиРТД и смесителей радиосигналов на их основе;2. Разработан алгоритм выбора вариантов исполнения омических контактовсмесительных РТД с целью поиска ОК с минимальной скоростью термической2деградации при эксплуатации смесительных AlAs/GaAs РТД; выбор проводится на этапеотработки технологии изготовления СмР и реализуется на базе методики оценкиизменения ВАХ РТД под действием деградационных процессов в его структуре;3. Разработан алгоритм выбора режимов технологической операции молекулярнолучевой эпитаксии с учетом технологических особенностей оборудования на этапеотработки технологии изготовления смесительных РТД с целью минимизациидеградации AlAs/GaAs РТС в процессе изготовления и эксплуатации СмР; выборреализуется с применением методики диагностики качества наноразмерных AlAs/GaAsрезонансно-туннельных гетероструктур на основе ИК-СЭ;4.

Разработана технологическая операция контроля качества изготовлениянаноразмерных AlAs/GaAs РТГС на основе ИК-СЭ (на базе разработанной авторомметодики), которая позволяет повысить надежность СмР на основе РТД;5. Разработана технологическая операция селекции смесительных AlAs/GaAs РТД (набазе разработанной автором методики), которая позволяет в рамках технологическогоцикла производства смесителей радиосигналов определять численные значения какиндивидуальной, так и групповой надёжности РТД и СмР на их основе, а такжевыполнять селекцию образцов по степени их надежности.Основные положения, выносимые на защиту:1. Математическая модель деградационных процессов в РТД, состоящая изсуперпозиции моделей диффузии Al и Si в РТС и приконтактных областях и деградацииконтактного сопротивления ОК;2. Результаты теоретических и экспериментальных исследований формированияпоказателей надежности смесителей радиосигналов на основе РТД с использованиемметодов ИК-СЭ и ускоренного старения полупроводниковых устройств, в том числе,экспериментально определенные численные характеристики основных деградационныхпроцессов, происходящих в структуре СмР на основе РТД (активационные параметрыдиффузии Al и Si в РТС и приконтактных областях, а также зависимость контактногосопротивления AuGeNi ОК от времени и температуры);3.