Автореферат (1090805)
Текст из файла
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждениевысшего образования«Московский технологический университет»МИРЭАНа правах рукописиКрапухин Дмитрий ВладимировичМОНОЛИТНАЯ ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМАМАЛОШУМЯЩЕГО УСИЛИТЕЛЯ НА НИТРИДЕ ГАЛЛИЯДЛЯ ДИАПАЗОНА 57-64 ГГЦСпециальность 05.27.01 – Твердотельная электроника, радиоэлектронныекомпоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектахАвторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква 2016Работа выполнена в Московском Технологическом Университете (МИРЭА)Научный руководитель:доктор технических наук, профессорМальцев Петр ПавловичНаучный консультант:кандидат технических наукИСВЧПЭ РАНМатвеенко Ольга СергеевнаОфициальные оппоненты:доктор технических наук, профессорМТУСИАджемов Сергей Сергеевичкандидат технических наукАО «Государственный завод «Пульсар»Буробин Валерий АнатольевичВедущая организацияНациональный«МИЭТ»исследовательскийуниверситетЗащита состоится 20 декабря 2016 г.
в часов на заседании диссертационногосовета Д 212.131.02 в Московском Технологическом Университете (МИРЭА) поадресу 119454, Москва, пр-т Вернадского, 78.С диссертацией можно ознакомитьсяТехнологического Университета (МИРЭА).вбиблиотекеМосковскогоАвтореферат разослан «___» _________ 2016 г.Ученый секретарь диссертационного советадоктор физико-математических наук, доцент2А.Н.
ЮрасовОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темыПрогресс в технологии сделал возможным массовое производствомонолитных интегральных схем (МИС) V-диапазона частот (40-75 ГГц),которые по ценам лишь незначительно отличаются от более низкочастотныхМИС. В последние годы за рубежом наблюдается быстрое развитие разработоки производства МИС миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длинволн. Коммерческому применению МИС данного диапазона способствуютмалые габариты основных компонентов элементной базы в данном диапазоне:усилителей, генераторов, смесителей и антенн. Конкретными применениямиявляютсяустройстварадиолокации,сенсорырасстоянияискорости,быстродействующие каналы связи. Помимо гражданского применения широковостребованы в военной технике, в том числе в перспективных образцахвооружений, системах межспутниковой связи, радарах и др.Диапазон 60 ГГц обладает сильным затуханием радиоволн в атмосфере,является типичным окном непрозрачности.
Для сравнения на частотах до 38ГГц затухание не превышает 0.3 дБ/км, а на частоте 60 ГГц достигает 16 дБ/км.Сильное затухание обусловлено поглощением радиоволн парами воды имолекулами кислорода, что является как ключевым достоинством, так исущественным недостатком. С одной стороны, сильное затухание делаетдиапазон неоптимальным для передачи сигнала на дальние расстояния (вединицы километров и более), с другой стороны – решает проблемыинтерференции между различными источниками сигнала и позволяет создаватьканалы связи стойкие к помехам и внешнему воздействию.Согласнопринятымстандартам(вчастностиIEEE802.11adиISO/IEC 13156) на основе приборов, работающих на частоте 60 ГГц, будутсоздаваться локальные беспроводные сети (в частности мобильные сети пятогопоколения5G),приемо-передающиеустройстваширокополоснойвнутрикомнатной связи, обеспечивающие высокоскоростную передачу данных3между электронными приборами.
Это обеспечит высокий спрос на устройстваданного диапазона, а многие ведущие производители элементной базы и системсвязи уже заняты его промышленным освоением.Современный этап развития СВЧ электроники характеризуется двумяособенностями. Во-первых, это использование монолитных интегральных схемвместо широко использовавшихся ранее гибридных сборок. Благодаря малойдлине волны в миллиметровом диапазоне (на частоте 60 ГГц длина волнысоставляет 5 мм) габаритные размеры антенн настолько малы, что можносоздавать на одной монолитной интегральной схеме: усилители со встроеннымиантеннами, антенные решетки и даже целые«системы-на-кристалле»,выполняющие с одной стороны - формирование, усиление и излучениеантенной сигнала, а с другой стороны - прием антенной, усиление идетектирование сигнала. Кроме того, использование монолитной технологии иотсутствие необходимости СВЧ соединений позволяет улучшить техническиехарактеристикиустройств,существенноповыситьнадежностьивоспроизводимость МИС, снизить габариты и стоимость устройств.
Второйважной особенностью является снижение сроков разработки - так называемый«успехс первого прохода», когда корректно работающее устройстворазрабатывается за один цикл изготовления, что накладывает высокиетребования на точность средств проектирования. Возрастает необходимостьполного электромагнитного расчета схемы, которое учитывает расположениеэлементов и их влияние друг на друга, особенно при близком расположенииэлементов.Цель и задачи работыЦелью настоящей диссертационной работы является разработка нанитриде галлия МИС малошумящего усилителя (МШУ) и МИС МШУ совстроенной антенной для диапазона частот 57-64 ГГц.Для достижения поставленной цели в диссертации необходимо былорешить следующие основные задачи: исследовать серийные образцы МШУ диапазона 57-64 ГГц;4 провестиисследованиятранзисторовнагетероструктурахAlGaN/AlN/GaN на подложке сапфира со сквозными отверстиями и построитьмодели, корректно описывающие их СВЧ и шумовые характеристики до 67 ГГц; разработать встроенную антенну на нитриде галлия на подложкесапфира; на основе построенных моделей разработать МИС МШУ и МШУ совстроенной антенной на нитриде галлия на подложке сапфира со сквознымиотверстиями; провести экспериментальные исследования разработанных МИС МШУи МШУ со встроенной антенной.Научная новизна1.
Впервыевмиреразработаныиисследованыфизическиеиматематические модели транзисторов и МИС с уникальным для нитрида галлияна подложке сапфира способом формирования межэлектрических соединений –сквозных отверстий, обеспечивающих общую заземляющую плоскость.2. Впервые в России на нитриде галлия для диапазона 57-64 ГГцразработаны и исследованы схемотехнические и конструктивные основысоздания МИС МШУ.3. Впервые в России на нитриде галлия для диапазона 57-64 ГГцразработаны и исследованы конструктивные основы создания СВЧ «системына-кристалле», состоящей из МШУ и встроенной антенны.Научная и практическая значимость работы1.
Предложен способ проектирования на нитриде галлия на подложкесапфира с использованием сквозных отверстий для транзисторов и МИСдиапазона 57-64 ГГц.2. На основе моделей, предложенных в диссертационной работе,разработаны образцы МИС МШУ и МШУ со встроенной антенной длядиапазона 57-64 ГГц и проведены их исследования.3. Результаты исследований использовались при выполнении прикладногонаучного исследования «Разработка конструктивно-технологических принципов5создания однокристальных приемо-передающих модулей для современныхширокополосных систем беспроводной связи и передачи информации вдиапазоне частот 57-64 ГГц» (заказчик Минобрнауки России, соглашение№14.607.21.0087от24ноября2014г.,уникальныйидентификаторпроекта RFMEFI60715X0087).4.
Разработанные образцы МИС МШУ и МШУ со встроенной антеннойиспользованы при выполнении ОКР «Разработка комплекта монолитныхинтегральных схем 5 мм диапазона длин волн» (заказчик Минпромторг России,Государственный контракт № 13411.1400099.11.018 от 2 апреля 2013г., шифр«Многоцветник-22»).Созданымалошумящийусилительбезантенны5411УВ01Н и интегрированный с антенной на одном кристалле 5411УВ01АН(АЕНВ.431130.293ТУ).Основные положения, выносимые на защиту1.
Способ проектирования на нитриде галлия на подложке сапфира сосквозными отверстиями и общей заземляющей плоскостью для МШУ и МШУсо встроенными антеннами диапазона 57-64 ГГц.2. Разработанные модели транзистора на нитриде галлия, корректноописывающие СВЧ параметры транзисторов и позволяющие проектироватьМИС на частоты до 67 ГГц.3. Результаты исследований разработанных МИС МШУ и МШУ совстроенной антенной для диапазона 57-64 ГГц.Апробация результатов исследованияОсновныедокладывалисьположенияииобсуждалисьрезультатынадиссертационнойвсероссийскихиработымеждународныхконференциях, в частности: 61-63 Научно-технической конференции МГТУМИРЭА (2012-2014 г.г.), 9-й Всероссийской конференции «Нитриды галлия,индия, алюминия – структуры и приборы» (2013), 4-й Международной научнотехнической конференции «Технология микро- и наноэлектроники в микро- инаносистемнойтехнике.Микроэлектроникаипассивнаяэлектроннаякомпонентная база» (2014), Международной конференции «Микроэлектроника62015» (Алушта, 2015), Международной научно-технической конференции«Intermatic-2015», XIV научно-технической конференции «Твердотельнаяэлектроника.
Сложные функциональная блоки РЭА» (2015).Публикации и личный вклад автораПо теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе 7статей в журналах из перечня ВАК, 3 статьи в сборниках трудов конференций,написана одна монография (личный вклад автора 10%). Основные научныерезультаты опубликованных статей получены лично автором или при егонепосредственном участииАвторомличнопроведеныпостроениемоделейтранзисторов,схемотехническое и электродинамическое моделирование, экспериментальныеисследования транзисторов, пассивных элементов и МИС, а также выполненыисследования серийных образцов МШУ и анализ литературных данных по темедиссертации.Структура и объем работыДиссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения,списка литературы из 94 наименований. Содержание работы изложено на120 страницах, включая 69 рисунков и 8 таблиц.БлагодарностиАвторвыражаетглубокуюблагодарностьглавномуконструкторуИСВЧПЭ РАН Федорову Ю.В. за передачу огромного опыта и знаний в областиразработки СВЧ полупроводниковых устройств и неоценимую помощь впроведении исследований.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность выбранной темы диссертационнойработы, описаны особенности диапазона 60 ГГц, сформулирована цельисследований, представлена научная новизна и практическая значимостьработы, изложены положения, выносимые на защиту.В первой главе описано современное состояние в области созданияМШУ и встроенных антенн диапазона 57-64 ГГц.
Описаны основные7характеристики усилителей и антенн, рассмотрены способы подачи сигнала иформы диаграммы направленности антенн. Рассмотрены особенности основныхполупроводниковых материалов для СВЧ электроники.Анализ доступных источников показал наличие на сайтах рядазарубежных производителей МШУ диапазона 57-64 ГГц. Создание схемданного диапазона является сложной задачей как с технологической точкизрения, так и с точки зрения проектирования, поэтому количество разработокневелико.
У большинства усилителей в качестве материала гетероструктурыуказан арсенид галлия. По достигнутым характеристикам усилителей безуказанной технологии можно предположить, что они тоже изготовлены наарсениде галлия.По результатам анализа зарубежных МШУ сделаны следующие выводы: в диапазоне 60 ГГц доступно крайне малое количество усилителей, приэтом российские аналоги отсутствуют, что свидетельствует о сложностиразработки схем данного диапазона; доминирующееположениевнайденныхусилителяхзанимаютразработки на арсениде галлия, что можно объяснить его наибольшейразвитостью и ведущим положением на рынке СВЧ электроники в целом; типичными характеристиками рассмотренных усилителей можносчитать коэффициент передачи около 10-20 дБ, коэффициент шума от 4 до 6 дБ,при хорошем согласовании входа и выхода с 50-Ом трактом. Ток потребления100-200 мА при напряжении питания 2.5-8 В.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
