eng
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
Содержание
Содержание
Глава 10. Базовые технологии полупроводниковой СВЧ-электроники ..............701
10.1.
Состояние и тенденции развития зарубежных базовых
технологий СВЧ-электроники ................................................................701
10.2.
Состояние и тенденции развития технологий
СВЧ-электроники в Российской Федерации .........................................708
10.2.1.
Анализ технического уровня отечественных СВЧ-приборов .....708
10.2.2.
Основные направления исследований и разработок в сфере
деятельности технологической платформы ................................714
10.2.2.1.
Направления развития отечественных СВЧ-приборов
на период до 2020 г. .........................................................714
10.2.2.2.
Основные направления развития отечественных
технологий изготовления СВЧ-приборов
и устройств ......................................................................722
10.3.
Арсенид-галлиевые технологии изготовления СВЧ-приборов .............725
10.3.1.
Отечественные арсенид-галлиевые технологии изготовления
малошумящих транзисторов СВЧ- и КВ-диапазонов ................727
10.3.2.
Зарубежные арсенид-галлиевые фабрики ...................................730
10.4.
Технология мощных СВЧ-транзисторов и СВЧ МИС на основе
нитрида галлия .........................................................................................734
10.4.1.
Состояние и тенденции развития технологии
мощных СВЧ-транзисторов и СВЧ МИС ...................................734
10.4.2.
Широкополосные транзисторные усилители мощности
СВЧ-диапазона ............................................................................744
10.5.
Особенности технологий изготовления
СВЧ-усилителей для радаров АФАР .......................................................755
10.5.1.
GaN-усилители мощности для АФАР .........................................755
10.5.2.
СВЧ-усилители для АФАР на основе GaN-технологии
компании Sumitomo .....................................................................759
10.5.3.
GaAs, GaN и «алмазные технологии» – перспективы
развития СВЧ элементной базы АФАР .......................................761
10.5.4.
Технологические проблемы формирования подложек
для эпитаксии гетероструктур .....................................................764
10.6.
СВЧ-приложения МЭМС-технологий ...................................................768
10.6.1.
Особенности реализации радиочастотных
МЭМС/КМОП-устройств ...........................................................768
10.6.2.
Радиочастотные МЭМС-переключатели ...................................774
10.6.3.
Pадиочастотные МЭМС-конденсаторы переменной
емкости .........................................................................................778
10.6.4.
Интегрированные МЭМС/КМОП-резонаторы .........................781
10.6.5.
MEMS-технологии в задачах системной интеграции
радиолокационных устройств ......................................................783
10.6.5.1.
Типовые MEMS-изделия для СВЧ-устройств ..............783
10.6.5.2.
Технологии микромонтажа СВЧ MEMS-приборов ......789
692
Содержание
10.7.
Технологии корпусирования полупроводниковых
СВЧ-приборов и МИС ............................................................................792
10.7.1.
Основные этапы создания отечественной технологии
корпусирования СВЧ-приборов в НИИ «Пульсар» ...................792
10.7.2.
Особенности технологии корпусирования мощных
СВЧ-транзисторов .......................................................................799
10.7.3.
Особенности использования золота и алюминия
в технологии сборки мощных СВЧ-транзисторов ......................811
10.7.4.
Основы технологии сборки СВЧ-микросхем .............................818
Глава 11. Полупроводниковые СВЧ-приборы для РЛС .......................................831
11.1.
Элементная база приемопередающих модулей для фазированных
антенных решеток ...................................................................................831
11.1.1.
Аттенюаторы для приемопередающих модулей активных
фазированных антенных решеток ...............................................831
11.1.2.
Двухполюсные переключатели для АФАР ...................................834
11.1.3.
Фазовращатели для АФАР ............................................................835
11.1.4.
Предусилители приемопередатчика для АФАР ...........................837
11.1.5.
Малошумящие усилители и усилители мощности
для АФАР ......................................................................................837
11.1.6.
Помехоподавляющие фильтры для АФАР ...................................841
11.2.
Отечественная элементная база СВЧ-приборов для РЛС .....................843
11.2.1.
Отечественные GaAs активные элементы для приемо-
передающих СВЧ-модулей сантиметрового диапазона .............843
11.2.2.
СВЧ-приборы АО «Микроволновые системы»...........................851
11.2.2.1.
Широкополосные усилители мощности
дециметрового диапазона на основе карбида
кремния ..........................................................................851
11.2.2.2.
Сверхширокополосные СВЧ-усилители мощности
диапазона 6–18 ГГц .......................................................854
11.2.2.3.
Технические параметры серии мощных
и маломощных СВЧ-усилителей производства
АО «Микроволновые системы» .....................................858
11.3.
Отечественные СВЧ-комплектующие на GaAs производства
ЗАО «НПП «Планета-Аргалл» ................................................................863
11.3.1.
Транзисторные усилители ............................................................863
11.3.2.
Защитные устройства ...................................................................865
11.3.3.
СВЧ-транзисторы .........................................................................867
11.4.
Особенности проектирования частотно-избирательных
микросхем на ПАВ ..................................................................................870
11.5.
Радиоприемные СВЧ-устройства производства НПП «Пульсар» ........877
11.6.
Высокоскоростные аналого-цифровые преобразователи
для РЛС ....................................................................................................885
11.7.
Зарубежные микросхемы для приемопередающих модулей РЛС
на основе нитрида галлия ........................................................................889
Содержание 693
11.7.1.
Приемопередающие модули АФАР на основе GaN ....................889
11.7.2.
Монолитные GaN СВЧ-усилители мощности ............................891
11.7.3.
СВЧ-микросхемы переключателей на основе GaN ....................893
11.7.4.
Оптимизация конструкции GaN СВЧ-транзисторов ................895
11.7.5.
СВЧ-микросхемы компании RFHIC ..........................................896
11.7.5.1.
СВЧ-микросхемы на GaN для систем
беспроводной связи........................................................896
11.7.5.2.
GaN-усилители для импульсных РЛС ...........................899
11.8.
ВЧ- и СВЧ-приборы компании Mini-Circuits ........................................902
11.8.1.
Интегрированные монолитные усилители группы VNA ............902
11.8.2.
Двойные балансные смесители группы MCA1 ...........................904
11.8.3.
Серия универсальных высокочастотных усилителей .................906
11.8.4.
Смесители частот ..........................................................................907
11.8.5.
Аттенюаторы ВЧ- и СВЧ-диапазонов .........................................909
11.9.
СВЧ-микросхемы компании Hittite Microwave ......................................910
11.9.1.
СВЧ-микросхемы аттенюаторов компании
Hittite Microwave ...........................................................................910
11.9.1.1.
Типовые микросхемы аттенюаторов с аналоговым
управлением ...................................................................914
11.9.1.2.
Микросхемы аттенюаторов с цифровым
управлением ...................................................................916
11.9.1.3.
СВЧ и сверхширокополосные усилители
с фиксированным усилением ........................................918
11.9.2.
Монолитные СВЧ-микросхемы полных синтезаторов
частоты компании Hittite Microwave ...........................................931
11.9.2.1.
Монолитные микросхемы PLL СВЧ-синтезаторов ......931
11.9.2.2.
Трехдиапазонные монолитные микросхемы
синтезаторов ...................................................................933
11.9.2.3.
Широкодиапазонные монолитные микросхемы
синтезаторов ...................................................................936
11.9.2.4.
Микросхемы HMC983 и HMC984 для построения
сверхширокополосных синтезаторов ............................940
11.9.2.5.
Монолитные микросхемы широкодиапазонных
синтезаторов HMC701/702/703 .....................................946
11.9.2.6.
Программное обеспечение монолитных микросхем
синтезаторов ...................................................................950
11.10.
Особенности выбора элементной базы для систем вторичного
электропитания приемопередающих модулей АФАР ..........................955
11.10.1.
Принципы построения системы электропитания
для ППМ АФАР ........................................................................955
11.10.2.
Технологические особенности изготовления
DC/DC преобразователей .......................................................958
11.10.3.
Особенности преобразователей SynQor серии Hi-Rel ............961
11.10.4.
Электромагнитные процессы в системе питания
ППМ АФАР ..............................................................................964
694
Содержание
Глава 12. ВЧ и СВЧ комплектующие компоненты для РЛС ................................972
12.1.
Микрополосковые фильтры для СВЧ-систем........................................972
12.2.
Особенности применения СВЧ-фильтров
на акустических волнах ...........................................................................975
12.3.
Особенности использования специальных конструктивных
решений кабельных гермовводов для СВЧ-устройств ...........................979
12.4.
Отечественные мощные полосковые СВЧ-резисторы ..........................983
12.5.
Высокочастотные соединения для активных фазированных
антенных решеток ...................................................................................986
12.6.
ВЧ- и СВЧ-комплектующие компании Spectrum Advanced Specialty
Products ....................................................................................................992
12.7.
Керамические СВЧ-компоненты для РЛС ...........................................1008
12.7.1.
Керамические конденсаторы .....................................................1008
12.8.
Сетевые фильтры и пленочные конденсаторы для РЛС ......................1011
12.9.
Специальные соединители и кабельные сборки ..................................1014
12.10.
Эволюция корпусов для устройств и блоков РЭА ..............................1016
Глава 13. Методы и средства обеспечения надежности радиолокационных
систем и систем связи ..........................................................................................1020
13.1.
Электромагнитная совместимость: термины, определения,
классификация ......................................................................................1020
13.1.1.
Природа электромагнитных помех ............................................1020
13.1.2.
Термины, определения, классификация ЭМС .........................1025
13.1.3.
Нормы и стандарты электромагнитной совместимости ...........1028
13.2.
Обеспечение электромагнитной совместимости
микропроцессорных блоков управления РЛС .....................................1039
13.2.1.
Особенности проектирования печатных плат,
оптимизированных по электромагнитной совместимости ......1039
13.2.2.
Измерение уровня помех, излучаемых
микроконтроллерами .................................................................1045
13.2.3.
Обеспечение электромагнитной совместимости
в проводных системах связи ......................................................1054
13.2.4.
Проектирование печатных плат для высокоскоростных
систем связи ...............................................................................1057
13.3.
Защитные СВЧ-устройства для РЛС и систем связи ...........................1069
13.3.1.
Классификация и особенности создания защитных
СВЧ-устройств для радиолокации и связи ...............................1069
13.3.2.
Газоразрядные защитные устройства .........................................1071
13.3.3.
Полупроводниковые защитные устройства ..............................1072
13.3.4.
Вакуумные защитные устройства ..............................................1079
13.4.
Особенности оценки ресурса СВЧ-устройств с учетом
надежности механических составных частей .......................................1081
13.5.
Особенности организации цепей электропитания
СВЧ-устройств РЛС...............................................................................1087
13.6.
ВЧ- и СВЧ-компоненты для подавления электромагнитных помех ....1095
13.7.
Особенности оценки ресурса СВЧ-устройств с учетом
надежности механических частей .........................................................1102
13.8.
Стандартные методы испытаний СВЧ-устройств на устойчивость
к электростатическим разрядам ............................................................1109
13.8.1.
Стандарты испытания на уровне устройства ............................1110
13.8.1.1.
Модель человеческого тела ..........................................1110
13.4.1.2.
Машинная модель ........................................................1111
13.8.1.3.
Модель заряженного устройства .................................1112
13.8.2.
Сравнение методов испытаний на уровне устройства ..............1113
13.8.3.
Стандарты испытаний на системном уровне ............................1114
13.8.3.1.
Устойчивость к электростатическому разряду ............1114
13.8.3.2.
Устойчивость к быстрому переходному процессу .......1115
13.8.3.3.
Устойчивость к всплескам напряжения ......................1117
13.9.
Пассивная интермодуляция в СВЧ-цепях ...........................................1118
13.9.1.
Механизмы возникновения пассивной интермодуляции ........1119
13.9.2.
Причины появления пассивной интермодуляции
и методы снижения ее уровня в радиочастотных
соединителях ..............................................................................1120
13.9.3.
ПИМ в материале печатной платы ............................................1121
13.9.4.
ПИМ в полосковых, коаксиальных и волноводных
линиях передачи .........................................................................1122
13.9.5.
ПИМ в направленных ответвителях, частотных дуплексерах
и трансформаторах .....................................................................1122
13.9.6.
Внешние источники ПИМ ........................................................1123
13.9.7.
Способы оценки уровня ПИМ ..................................................1124
13.9.8.
Специализированная аппаратура для тестирования ПИМ ......1127
Глава 14. Радиофотоника в телекоммуникационных и радиолокационных
системах ................................................................................................................1135
14.1.
Фотонные устройства на основе поверхностно излучающих
лазеров с вертикальным резонатором ...................................................1135
14.2.
Конструкция длинноволнового поверхностно излучающего
лазера сплавной конструкции ...............................................................1138
14.3.
Основные технические характеристики длинноволнового
поверхностно излучающего лазера сплавной конструкции ................1140
14.3.1.
Электрические и энергетические характеристики....................1140
14.3.2.
Малосигнальные частотно-модуляционные
характеристики ..........................................................................1141
14.3.3.
Шумовые характеристики .........................................................1141
14.3.4.
Линейность в режиме большого сигнала...................................1142
14.3.5.
Спектральные и перестроечные характеристики .....................1143
14.4.
Лазеры непрерывной генерации: VECSEL, MEMS-VCSEL, LICSEL .....1145
14.5.
Лазеры импульсной генерации: VECSEL-SESAM, MIXSEL ...............1156
14.6.
Основные направления фундаментальных исследований
в области компонентной базы радиофотоники и функциональных
устройств на ее основе ...........................................................................1159
696
Содержание
14.7.
Примеры применения радиофотонных устройств в радиолокации ....1161
14.7.1.
Активные линии задержки .........................................................1161
14.7.2.
Каналы передачи СВЧ-сигналов на большие расстояния........1163
14.7.3.
Системы распределения радиосигналов по полотну
АФАР РЛС ..................................................................................1165
14.7.4.
Измерительно-калибровочные средства для РЛС ....................1167
14.8.
СВЧ-фотодетекторы для систем радиофотоники, радиолокации
и оптоволоконной связи .......................................................................1169
14.8.1.
Физические принципы работы СВЧ p-i-n-фотодетекторов .....1169
14.8.2.
Физические механизмы ограничения фототока
p-i-n-фотодиода .........................................................................1174
14.8.3.
Конструктивные решения фотодиодов ....................................1177
14.8.3.1.
Фотодиод с двойной обедненной областью (DDR) .....1177
14.8.3.2.
Фотодиод с частично обедненным поглощающим
слоем (PDA) ..................................................................1177
14.8.3.3.
Униполярный гетерофотодиод (UTC) .........................1178
Глава 15. Измерения и анализ СВЧ-устройств ....................................................1187
15.1.
Особенности измерений и анализа цепей в миллиметровом
диапазоне волн ......................................................................................1187
15.2.
Инструментальный анализ СВЧ-цепей в миллиметровом
диапазоне волн (задачи, методы, средства) ..........................................1190
15.2.1.
Измеряемые «цепные» параметры СВЧ-устройств ..................1190
15.2.2.
Измерительные задачи анализа СВЧ-цепей .............................1192
15.2.3.
Некоторые общие требования к измерителям параметров
цепей миллиметрового диапазона волн ....................................1195
15.3.
Ретроспективный анализ методов и средств измерений параметров
СВЧ-цепей .............................................................................................1196
15.3.1.
Зондовые методы ........................................................................1196
15.3.1.1.
Методы измерений на основе измерительной
волноводной линии ......................................................1196
15.3.1.2.
Анализ погрешностей измерительной линии .............1199
15.3.1.3.
Измерительная линия с качанием частоты .................1201
15.3.1.4.
Многозондовые измерительные линии.
Метод четырех зондов ..................................................1202
15.3.1.5.
Параметры серийных измерительных линий
миллиметровых волн ....................................................1205
15.4.
Рефлектометрические методы измерений параметров СВЧ-цепей.
Рефлектометры ......................................................................................1207
15.5.
Тенденции дальнейшего развития и новые области применения
векторных анализаторов цепей .............................................................1207
15.5.1.
Основные тенденции развития ВАЦ .........................................1207
15.5.2.
Новые частотные диапазоны и измерительные среды .............1208
15.6.
Повышение точностных характеристик ВАЦ и дальнейшее
совершенствование методов и средств их метрологического
обеспечения ...........................................................................................1212
15.7.
Расширение функциональных возможностей, применение
анализаторов цепей для измерений параметров активных
и нелинейных СВЧ-устройств ..............................................................1215
15.7.1.
Частотно-временные преобразования ......................................1215
15.7.2.
Модуляционный векторный анализ цепей ...............................1215
15.7.3.
Особенности измерений параметров нелинейных
СВЧ-цепей ..................................................................................1217
15.8.
Автоматизированные аппаратные средства для измерений
параметров интегральных схем на полупроводниковых пластинах
в миллиметровом диапазоне волн.........................................................1218
15.8.1.
Тестирование СВЧ интегральных схем
на полупроводниковых пластинах ............................................1218
15.8.2.
Копланарные пробники .............................................................1220
15.8.3.
Автоматизированные комплексы тестирования
ИС на полупроводниковых пластинах ......................................1222
15.8.4.
Особенности калибровки измерительных систем
при тестировании ИС на полупроводниковых пластинах .......1227
15.8.5.
О преимуществах РЧ- и микроволнового тестирования
ИС на полупроводниковых пластинах ......................................1228
15.9.
Векторные анализаторы цепей миллиметровых волн.
Классификация и принципы построения ............................................1229
15.9.1.
Типы и классификация векторных анализаторов цепей ..........1229
15.9.2.
Гетеродинные ВАЦ .....................................................................1232
15.9.3.
Гомодинные ВАЦ. Методы измерений в зависимости
от модуляции опорного и измерительного сигналов ................1234
15.9.4.
Схема с амплитудной модуляцией в измерительном
канале..........................................................................................1235
15.9.4.1.
Метод Шафера–Кона ..................................................1235
15.9.4.2.
Измерительный тракт гомодинного ВАЦ
с модуляцией измерительного сигнала .......................1236
15.9.4.3.
Схемы с линейной фазовой модуляцией и фазовой
манипуляцией измерительного сигнала .....................1238
15.9.4.4.
Схема с модуляцией опорного сигнала .......................1240
15.10.
Гомодинные схемы с одновременной модуляцией
измерительного и опорного сигналов ................................................1241
15.11.
Структурные схемы автоматических анализаторов цепей
гомодинного типа ................................................................................1245
15.11.1.
Структурные схемы анализаторов цепей с четырнадцати-
полюсным измерительным СВЧ-трактом ............................1245
15.11.2.
Структурная схема анализатора цепей с десятиполюсным
измерительным СВЧ-трактом ...............................................1248
15.11.3.
Структурная схема ВАЦ с восьмиполюсным
измерительным СВЧ-трактом ...............................................1250
15.12.
Анализаторы цепей компании Keysight ..............................................1251
15.12.1.
Анализаторы цепей серии PNA-X .........................................1251
15.12.2.
Особенности проведения испытаний усилителей
анализаторами цепей PNA-X.................................................1258
15.12.3.
Особенности тестирования нелинейных устройств
анализаторами цепей PNA-X.................................................1259
15.12.4.
Средства калибровки анализаторов цепей ............................1265
15.12.5.
Измерительные системы на основе анализаторов
цепей .......................................................................................1266
15.12.6.
Анализаторы цепей PNA-L ....................................................1269
15.12.7.
Анализаторы цепей серии PNA .............................................1270
15.12.8.
Нелинейные векторные анализаторы цепей (NVNA) ..........1273
15.12.9.
Генератор сигналов Keysight UXG ..........................................1276
Глава 16. Измерение электрофизических параметров диэлектрических
и полупроводниковых материалов и структур СВЧ-электроники .....................1283
16.1.
Анализ современного состояния исследований в области
технологий контроля параметров диэлектрических
и проводящих материалов на СВЧ ........................................................1283
16.1.1.
Особенности использования СВЧ-методов измерений
в полупроводниковой СВЧ-электронике..................................1283
16.1.2.
Измерение электрофизических параметров материалов
волноводными методами ...........................................................1286
16.1.3.
Измерение параметров полупроводников мостовыми
методами .....................................................................................1289
16.1.4.
Измерение параметров полупроводников резонаторными
методами .....................................................................................1291
16.1.5.
Измерение параметров материалов методом волноводно-
диэлектрического резонанса .....................................................1295
16.1.6.
Измерение параметров материалов и структур автодинными ме-
тодами .........................................................................................1297
16.1.7.
Измерение параметров материалов с использованием синхрони-
зированных генераторов ............................................................1298
16.1.8.
Ближнеполевая СВЧ-микроскопия свойств материалов .........1299
16.1.9.
Измерения толщины нанометровых слоев металла
и электропроводности полупроводника в структурах
металл – полупроводник по спектрам отражения
и прохождения электромагнитного излучения .........................1303
16.2.
Математическая модель и результаты компьютерного
моделирования взаимодействия электромагнитного излучения
СВЧ-диапазона с одномерными волноводными фотонными
структурами, включающими нанометровые металлические,
диэлектрические и полупроводниковые слои ......................................1305
16.2.1.
Взаимодействие СВЧ-излучения с многослойными
структурами с плоскостями слоев, перпендикулярных
направлению распространения излучения ...............................1305
16.2.1.1.
Математическая модель ...............................................1306
16.2.1.2.
Результаты компьютерного моделирования
спектров отражения волноводных фотонных
структур в различных диапазонах частот ....................1308
16.2.1.3.
Результаты компьютерного моделирования
зависимости спектров отражения волноводных
фотонных структур от положения «нарушения»
периодичности в структуре фотонного кристалла ......1313
16.2.1.4.
Результаты компьютерного моделирования
зависимости спектров отражения волноводных
фотонных структур от параметров нарушения ...........1315
16.2.1.5.
Результаты компьютерного моделирования
спектров отражения волноводных фотонных
структур, содержащих проводящие слои ....................1318
16.3.
Теоретическое обоснование метода измерения параметров
материалов СВЧ с использованием одномерных волноводных
фотонных структур ................................................................................1322
16.3.1.
Измерение диэлектрической проницаемости материалов .......1322
16.3.2.
Измерение комплексной диэлектрической проницаемости
материалов с потерями...............................................................1325
16.3.3.
Измерение толщин нанометровых металлических пленок
на диэлектрических или полупроводниковых подложках .......1328
16.4.
Результаты экспериментального исследования взаимодействия
СВЧ-излучения с одномерными волноводными фотонными
структурами ...........................................................................................1332
16.4.1.
Результаты экспериментального исследования спектров
отражения и прохождения волноводных фотонных
кристаллов ..................................................................................1332
16.4.2.
Использование волноводных фотонных структур
для измерения параметров нанометровых металлических
слоев на полупроводниковых и диэлектрических
подложках ...................................................................................1334
16.4.2.1.
Экспериментальное исследование частотных
зависимостей коэффициента отражения фотонных
структур, содержащих нанометровые
металлические слои ......................................................1334
16.4.2.2.
Измерение электропроводности металлических
пленок, нанесенных на диэлектрические
подложки ......................................................................1336
16.4.2.3.
Измерение толщин металлических пленок,
нанесенных на полупроводниковые подложки ..........1338
16.4.2.4.
Измерения толщины нанометровых слоев
металла и электропроводности полупроводника
в структурах металл – полупроводник ........................1341
16.4.3.
Использование волноводных фотонных структур
для измерения параметров диэлектрических материалов ........1343
16.4.3.1.
Экспериментальное исследование частотных
зависимостей коэффициента отражения фотонных
структур, содержащих неоднородности в виде
диэлектрических слоев .................................................1343
16.4.3.2.
Измерение диэлектрической проницаемости
материалов с низкими потерями .................................1345
16.4.3.3.
Измерение действительной и мнимой частей
комплексной диэлектрической проницаемости
материалов с потерями .................................................1348
Глава 17. Радиационная стойкость СВЧ-устройств ............................................1371
17.1.
Влияние ионизирующих излучений на характеристики
кремний-германиевых интегральных схем СВЧ-диапазона ...............1371
17.1.1.
Гетероструктурные биполярные транзисторы ...........................1372
17.1.2.
Микросхемы СВЧ МШУ И ШПУ .............................................1374
17.1.3.
Микросхемы СВЧ ГУН ..............................................................1378
17.2.
Особенности проектирования радиационно-стойкой
библиотеки проектирования СВЧ функциональных блоков
на базе КМОП КНИ-технологии .........................................................1383
17.2.1.
Высокочастотные и шумовые свойства отечественных
КНИ МОП-транзисторов ..........................................................1385
17.2.2.
Приборное моделирование КНИ МОП-транзистора ..............1385
17.2.3.
МОП-варикапы ..........................................................................1389
17.2.4.
R, С, L элементы.........................................................................1391
17.2.5.
Разработка функциональных блоков СВЧ-тракта ....................1393
17.3.
Особенности механизмов воздействия факторов космического
пространства на образование локальных радиационных эффектов ......1398
17.4.
Особенности проектирования пассивных элементов
для радиационно-стойких монолитных кремний-германиевых
СВЧ ИС ..................................................................................................1405
17.4.1.
Микрополосковая линия передачи ...........................................1405
17.4.2.
Интегральные индуктивности ...................................................1407
17.4.3.
Симметрирующие трансформаторы ..........................................1409
ГЛАВА 10
Базовые технологии полупроводниковой СВЧ-электроники
10.1. Состояние и тенденции развития зарубежных
базовых технологий СВЧ-электроники
Современные изделия СВЧ-электроники включают широкий спектр различных
классов приборов, отличающихся по назначению, физическому принципу действия,
конструкции и технологии изготовления. Это электровакуумные приборы СВЧ – ЭВП СВЧ (магнетроны, усилители М-типа, лампы бегущей и обратной волны,
клистроны, клистроды, гироприборы); твердотельные приборы СВЧ в дискретном,
монолитном, гибридном и гибридно-монолитном исполнении (СВЧ-транзисторы
и диоды, малошумящие СВЧ усилители, усилители СВЧ-мощности, генераторы,
синтезаторы частот, фазовращатели, аттенюаторы, переключатели, модуляторы,
преобразователи частот (умножители, делители, смесители), модули СВЧ (приемные, передающие, приемопередающие); ферритовые приборы СВЧ (вентили,
фазовращатели, фильтры, циркуляторы и пр.); комплексированные изделия СВЧ
(электровакуумные, твердотельные и вакуумно-твердотельные, с применением в
своем составе ЭВП СВЧ, твердотельных дискретных приборов и модулей СВЧ,
ферритовых приборов СВЧ, изделий силовой и микроэлектроники). Отдельным
сегментом мирового рынка являются законченные радиоэлектронные устройства,
функционирующие в СВЧ- и КВЧ-диапазонах.
Развитие базовых СВЧ-технологий обусловлено прежде всего развитием
радиоэлектронных устройств как конечного продукта, предлагаемого потребите-
лям. Именно радиоэлектроника является движущей силой и задает темп развития
и требуемые технические характеристики СВЧ-приборов и устройств, поскольку
основные ТТХ радиоэлектронной аппаратуры различного функционального пред-
назначения (требуемые дальность, точность определения целей и т.д.) пересчиты-
ваются по известным соотношениям в электрические параметры СВЧ-приборов и
устройств (выходная мощность, коэффициент шума, полоса частот и пр.). Для реа-
лизации требуемых характеристик РЭА и, соответственно, требуемых электрических
и эксплуатационных характеристик СВЧ-приборов и устройств разрабатываются
новые конструкции, материалы и технологии СВЧ-электроники, а не наоборот.
За рубежом (США, Англия, Франция, Япония, Германия и др.) при сохранении
общего потенциала СВЧ-электроники в последние годы особенно бурное развитие
получила твердотельная СВЧ-электроника и мощные вакуумные СВЧ-приборы
миллиметрового и террагерцового диапазона.
Так, в гл. 8 показано, что в США в результате реализации программ MIMIC,
MASFET и др. технология МИС СВЧ с длиной затвора 0,25 мкм (для МИС, работаю-
щих на частотах до 30–40 ГГц) стала стандартом, многие фирмы освоили технологии
0,1–0,15 мкм для МИС миллиметрового диапазона. Промышленные сверхшироко-
полосные монолитные усилители достигли коэффициента шума менее 3 дБ в полосе
2–18 ГГц, выпускаются широкополосные монолитные усилители с частотами до
100 ГГц, созданы монолитные усилители мощности с выходной мощностью до 5 Вт
с кристалла в полосе 6–18 ГГц и КПД до 60%, гибридные вакуумно-твердотельные
усилители с удельной мощностью свыше 80–100 Вт/кг в полосе 6–18 ГГц и КПД
25–40%. Освоен выпуск многофункциональных МИС с площадью 20–40 мм2 при
выходе годных 50–75%. Многими фирмами освоена технология выпуска МИС на
базе гетероструктурных биполярных транзисторов, обеспечивающих 1,5–2-кратное
увеличение КПД и удельной мощности широкополосных МИС. Промышленно вы-
пускаются псевдоморфные гетероструктурные полевые транзисторы с мощностью
до 1,5 Вт на частоте 18 ГГц при КПД 50% и усилении 9,5 дБ.
Заканчивается переход на серийный выпуск пластин арсенида галлия диаметром
150–200 мм. Практически стандартизованы системы САПР МИС СВЧ, включа-
ющие средства объемного электродинамического моделирования, нелинейного
анализа и подготовки шаблонов, реализованные на мощных рабочих станциях.
В результате реализации ряда программ в США и в Европе по созданию бортовых
РЛС с АФАР (URR – Ultra Reliable Radar, AMSAR – Airborne Multirole multifunction
Solid-state Active array Radar, GTAR – GAC Thomson Airborn Radar, HDMP – High
Density Microwave Packaging Program, AVIP – «интеграция авионики» и др.) в рам-
ках проектов F-22, YF-23, JSF проведен комплекс работ по созданию технологий
и разработке T/R СВЧ приемопередающих модулей для АФАР высокой плотности
компоновки с применением керамики высокотемпературного (HTCC) и низко-
температурного (LTCC) обжига для создания многослойных плат, согласования,
разводки и компоновки пассивных и активных (МИС) элементов СВЧ-схем.
В своей основе АФАР состоит из сотен, иногда тысяч (в зависимости от задач) от-
дельных приемопередающих элементов, выполненных в виде приемопередающих
T/R-модулей. Управление данными, получаемыми от такого большого количества
элементов, оказалось возможным благодаря большим вычислительным мощно-
стям, которые стали доступны при небольших габаритах бортовых вычислителей.
Поскольку стоимость самой антенны составляет около 52% от стоимости всей
РЛС, фирмы-разработчики делают основные инвестиции именно в технологию
изготовления T/R-модулей.
Начиная с 1994 г. толщина T/R-модулей фирмы Raytheon (США) уменьшилась
на 90% и на 2015 г. составляет 8 мм, масса снизилась на 83%, а стоимость упала на
82%. Это обусловлено архитектурными изменениями в T/R-модуле, а также авто-
матизированной сборкой и испытаниями, которые сократили время производства.
Снижение стоимости является мощным стимулом применения новой техно-
логии HDMP. Динамика снижения стоимости модуля такова, что при стоимости
в начале 1990-х гг. приблизительно несколько тысяч долларов, сегодня стоимость
T/R-модуля находится в пределах 600–800 долл. и продолжает снижаться и через
несколько лет снизится до порога в 200 долл. за модуль, после которого усовер-
шенствования, по оценкам некоторых специалистов в аэрокосмической области,
будут дороже ожидаемой экономии.
Основные материалы, используемые сегодня для чипов интегральных схем СВЧ, –
кремний (для низкочастотных), арсенид галлия (для высокочастотных), фосфид ин-
дия, нитрид галлия (для МИС миллиметровых диапазонов), кремний-германий (для
низкочастотных МИС, включающих в свой состав схемы цифрового управления и
обработки). При этом в количественном соотношении наиболее массовыми являются
СВЧ-приборы на основе арсенида галлия. В самой емкой рыночной нише (усилители
мощности сотовых телефонов) им принадлежит 80% всего мирового рынка. Причем
когда сегодня говорят о GaAs, имеют в виду прежде всего гетероструктуры – AlGaAs/
GaAs, InGaAs/GaAs и т.д. – и созданные на их базе транзисторы – биполярные и
полевые с барьером Шоттки (HEMT). Арсенид галлия традиционно рассматривался
как основной материал для СВЧ-приборов. Подвижность электронов (8500 см2/В·с),
ширина запрещенной зоны и напряженность поля пробоя (1,42 эВ и 4 · 105 В/см
соответственно) делают GaAs предпочтительнее кремния в области СВЧ. Это был
первый освоенный промышленностью материал из группы полупроводников AIIIBV,
с которыми и сегодня связаны многие перспективы СВЧ-электроники.
Более 95% рынка монокристаллов GaAs составляют два типа материалов, при-
близительно одинаковые по объему производства: полуизолирующий (ПИ) GaAs с
удельным электросопротивлением > 107 Ом·см, используемый при производстве СВЧ
ИС и дискретных приборов, и сильно легированный кремнием (1017–1018 см–3) GaAs
с низкой плотностью дислокаций, применяемый при изготовлении СД и лазеров.
Несмотря на опережающий рост эпитаксиальных технологий, основным мето-
дом изготовления активных слоев СВЧ-приборов пока остается ионная имплантация
непосредственно в подложку GaAs. Именно эта технология задает основные требова-
ния к ПИ материалу: высокое удельное сопротивление, обеспечивающее надежную
изоляцию активных областей (> 107 Ом·см); низкое содержание фоновых примесей,
присутствие которых может снижать концентрацию носителей заряда в активном
слое; высокая однородность распределения электрофизических параметров по по-
перечному сечению слитка, выращенного в кристаллографическом направлении.
В объемном материале удовлетворить этим требованиям трудно, поэтому была
предложена технология создания буферных слоев, при использовании которой на
полуизолирующей подложке выращивается относительно толстый эпитаксиаль-
ный слой с высоким удельным сопротивлением. Активный слой создается либо
дальнейшим эпитаксиальным наращиванием, либо методом ионной импланта-
ции в буферном слое. Данная методика позволяет маскировать нежелательные
свойства подложки, но при этом усложняется процесс и увеличивается стоимость
изготовления. Практической целью исследований полуизолирующего GaAs яв-
ляется возможность образования активного слоя непосредственно на подложке,
удовлетворяющего всем требованиям.
Помимо этого, экономические соображения производства ИС требуют использова-
ния пластин большой площади. Поэтому в середине 1990-х гг. в мировом производстве
произошел переход на использование пластин ПИ GaAs диаметром 100 мм, а с конца
1990-х гг. начался переход на использование пластин диаметром 150–200 мм. Кристаллы
такого диаметра производятся с использованием промышленных технологий.
Материалы группы GaN со своими уникальными характеристиками – это се-
рьезное научно техническое завоевание конца XX – начала XXI в., которое, помимо
оптоэлектронных приборов (светодиодов, лазеров, ультрафиолетовых фотопри-
емников), открыло потенциальные возможности для создания высокочастотных,
высокомощных и высокотемпературных электронных приборов. Речь идет прежде
всего о полевых транзисторах на AlGaN/GaN.
Транзисторы на нитриде галлия, созданные впервые в 1993 году, существен-
но расширили возможности приборов CВЧ-диапазона. Эти приборы способны
работать в значительно более широком диапазоне частот и при более высоких
температурах, а также с большей выходной мощностью по сравнению с приборами
на кремнии, арсениде галлия, карбиде кремния или на любом другом освоенном в
производстве полупроводниковом материале. Максимальная ширина запрещенной
зоны обусловливает возможность работы транзистора при высоких уровнях акти-
вирующих воздействий (температуры, радиации). Очень высокая концентрация
электронов в области двумерного электронного газа в сочетании с приемлемой
подвижностью электронов дает возможность реализации большой плотности
тока в сечении канала транзистора и высокого коэффициента усиления. Макси-
мальная критическая напряженность электрического поля в сочетании с высокой
плотностью тока обеспечивает удельную выходную мощность промышленных
GaN-транзисторов, на порядок превышающую удельную выходную мощность арсе-
нид-галлиевых транзисторов. По сравнению с серийно выпускаемыми GaAs МИС
новые изделия на основе GaN-транзисторов имеют в 2–10 раз большую выходную
мощность и сравнимый либо больший КПД при одинаковых или меньших размерах
кристалла. Номенклатура выпускаемых GaN усилительных МИС пока в десятки
(если не в сотни) раз меньше, чем GaAs МИС, однако фаза промышленного осво-
ения этой технологии только началась и в ближайшие годы предложения на этом
рынке должны резко расшириться. Проблемными моментами, сдерживающими
развитие GaN-приборов, являются задача обеспечения адекватного теплоотвода от
активной структуры и необходимость выращивания эпитаксиальных структур GaN
на чужеродных (отличающихся по параметрам кристаллической решетки, теплово-
му расширению и т.д.) подложках из-за невозможности реализации высокоомной
подложки собственно GaN.
Все перечисленные характеристики GaN-приборов были достигнуты главным
образом благодаря большому объему работ по исследованию и совершенствованию
эпитаксиальных структур на подложках из сапфира, SiC, Si (111), выращиваемых
методами осаждения из паровой фазы металлоорганических соединений (MOCVD),
молекулярно-лучевой эпитаксии (MBE) и хлоридно-гидридной эпитаксии (HVPE).
Однако, несмотря на впечатляющие результаты, достигнутые к настоящему вре-
мени, технология формирования исходных эпитаксиальных структур AlGaN/GaN
на подложках сапфира, SiC и Si (111) методами гетероэпитаксии еще далека от
совершенства. Структуры, выращенные методами MOCVD, MBE и HVPE, имеют
большую плотность дефектов (106–109 см–2). Правда, дефекты в этих материалах
в силу своей природы значительно слабее влияют на параметры, чем дефекты в
полупроводниковых соединениях типа АIIIBV (GaAs, InP, GaP), традиционно ис-
пользуемых для изготовления СВЧ-приборов. Но присутствие дефектов сказы-
вается на долговременной работе, особенно в условиях высоких напряжений и
повышенных температур. Совершенствование технологии GaN-транзисторов и
улучшение качества исходных эпитаксиальных структур позволили достигнуть в
последние годы новых рекордов по максимальной крутизне прибора, по граничной
и максимальной частотам, а также по удельной плотности тока канала. Однако вы-
сокая плотность дефектов не позволяет производить надежные изделия с большой
площадью поверхности кристалла. Поэтому достигнутые рекордные значения
удельной отдаваемой мощности 10–30 Вт/мм следует рассматривать скорее как
демонстрацию принципиальных возможностей материала.
Создание любого качественного полупроводникового изделия начинается с
монокристаллической пластины, используемой в качестве подложки для дальней-
шего наращивания приборной структуры. Структурное качество и однородность
свойств подложечного материала определяет как параметры отдельного прибора, так
и процент выхода годных приборов с пластины в целом. Как правило, для того чтобы
выращивать структуры с минимальным содержанием дислокаций несоответствия,
используются подложки того же материала, что и наращиваемые эпитаксиальные
слои, т.е. для соблюдения правила минимального рассогласования периодов ре-
шетки. Отсюда возникает проблема получения высококачественных однородных,
в том числе полуизолирующих монокристаллических подложек, которые исполь-
зуются в многочисленных приборах и устройствах как СВЧ-электроники, так и
оптоэлектроники, вычислительной и лазерной техники, силовой электроники,
электроэнергетики, микро- и наноэлектроники. Актуальным остается вопрос полу-
чения подложек с высокими значениями удельного сопротивления, подвижности,
макро- и микрооднородностью распределения свойств по пластине. К приборам,
работающим в условиях жесткой радиации, к этим требованиям добавляется еще
требование по радиационной стойкости изделия.
Радиационное модифицирование полупроводниковых материалов, т.е. направ-
ленное изменение их свойств воздействием быстрых электронов, гамма-квантов,
нейтронов, протонов, альфа-частиц, является одним из наиболее перспективных
и бурно развивающихся в последние годы физико-технологических методов.
Контролируемое введение как легирующих примесей, так и дефектов в полупро-
водниковые материалы радиационными методами в сочетании с последующими
термическими обработками позволяет в широких пределах изменять их электрофи-
зические, оптические, структурные характеристики. Одним из основных методов,
позволяющих получать полупроводниковые материалы с высокой однородностью
распределения примеси по объему и, соответственно, свойств, является метод
ядерного легирования.
В последние годы в мире активно ведутся работы по созданию СВЧ полупро-
водниковых приборов и устройств на основе алмазных структур, обладающих уни-
кальными теплопроводными свойствами и радиационной стойкостью. Преодоление
ряда технологических трудностей, связанных с физикой работы этих структур и их
обработкой, позволяет с уверенность заявлять об их скором появлении в составе
радиоэлектронной аппаратуры.
Наряду с разработкой активной СВЧ электронной компонентной базы,
включающей создание базовых технологий производства транзисторов и моно-
литных сверхвысокочастотных микросхем на основе гетероструктур материалов
группы А3В5, приемопередающих сверхвысокочастотных субмодулей L-, S-, C- и
X-диапазона, многофункциональных сверхвысокочастотных интегральных схем
на основе нитридных гетероэпитаксиальных структур, гетероструктур «кремний –
германий» и т.д., неотъемлемой частью и важным направлением развития СВЧ-
электроники является СВЧ пассивные электронные компоненты (СВЧ ПЭК).
В состав СВЧ ПЭК входят: СВЧ-резисторы, поглотители, аттенюаторы, делите-
ли мощности, СВЧ-конденсаторы, СВЧ-индуктивности, СВЧ акустоэлектронные
компоненты (СВЧ АЭК) и др.
Основными системами, в которых возможно применение СВЧ ПЭК на частотах
от нескольких мегагерц до 20 ГГц, являются следующие: AMPS, глобальная систе-
ма связи с подвижными объектами (GSM), NMT 450–900 МГц, DECT, системы
многостанционного доступа с кодовым разделением каналов (CDMA), цифровая
сотовая связь (DCS), персональная радиотелефонная связь (PCN), беспроводная
локальная вычислительная сеть (Wireless LAN), сотовые базовые станции (cellular
mobile base stations) и абонентские подвижные радиостанции (private mobile radios):
TETRA, PMR, UMTS.
Из всего многообразия СВЧ ПЭК наиболее выгодно отличаются по функци-
ональным возможностям акустоэлектронные компоненты (АЭК). На их основе
традиционно во всем мире изготавливаются элементы для радиотехнических систем,
мобильной и сотовой связи и т.д. (фильтры, резонаторы, линии задержки и др.).
Этим можно объяснить наиболее высокий уровень их промышленного про-
изводства – более 15 млрд долл. США в 2011 г. Ежегодно разрабатывается свыше
тысячи типономиналов акустоэлектронных устройств на поверхностных акусти-
ческих волнах (ПАВ) с объемом производства более 1000 млн в год. В мире более
60 компаний имеют дело с изготовлением либо использованием устройств на
ПАВ. В основном предел рабочих частот АЭК на ПАВ ограничивается значением
2 ГГц, что связано с технологическими пределами применимости фотолитогра-
фических процессов при изготовлении встречно-штыревых преобразователей,
являющимися основными элементами для приема и возбуждения ПАВ в пьезокри-
сталлической подложке. Повышение рабочих частот (до 20 ГГц) СВЧ АЭК связано
с разработкой акустоэлектронных компонентов нового поколения, работающих на
нетрадиционных типах акустических волн (вытекающие акустические волны, объ-
емные акустические волны (ОАВ) в тонкопленочных пьезоструктурах (AlN, GaN,
ZnO и т.д.), а также на новых видах пьезоакустических материалов.
Анализ направлений разработок ведущих мировых производителей СВЧ пас-
сивных электронных компонентов, таких как Honeywell, Michelin,Texas Instruments
Transense, Motorola, Murata, RFSAW, Fujitsu, Vishay, Epcos и др., позволяет выявить
основные тенденции и перспективы развития рынка СВЧ пассивных электронных
компонентов.
Главными из них являются:
– снижение габаритных размеров;
– выпуск практически всей номенклатуры в чип-исполнении для поверхност-
ного монтажа;
– расширение диапазона рабочих частот;
– повышение стабильности параметров в процессе эксплуатации и воздействия
внешних факторов;
– постоянное расширение номенклатуры в области специального примене-
ния, в том числе создание широкой гаммы СВЧ-резисторов, аттенюаторов,
сумматоров.
Основные перспективы развития рынка СВЧ ПЭК основаны на появлении
новых видов продукции:
– толстопленочных и тонкопленочных СВЧ-чип резисторов, поглотителей,
аттенюаторов, делителей мощности;
– многослойных, пленочных и керамических СВЧ-чип конденсаторов;
– многослойных и пленочных СВЧ-чип индуктивности;
– интегрированных пассивных СВЧ-чип компонентов на основе пленочных
и многослойных RLC-структур;
– СВЧ АЭК (диапазон частот от 2 до 20 ГГц) (резонаторы и фильтры, дуплек-
соры на их основе и т.д.) нового поколения на основе тонкопленочных
гетероэпитаксиальных структур AlN, GaN, ZnO, в английской транскрип-
ции – FBAR, film bulk acoustic resonator. Например, только у фирмы Avago
Technologies число проданных фильтров по технологии FBAR в 2008 г. пре-
высило 1 млрд штук;
– систем радиочастотной идентификации (РЧИ, RFID-системы) на основе
пассивных акустоэлектронных СВЧ ПАВ-меток, не требующих дополни-
тельных источников питания;
– акустоэлектронных сенсоров физических и механических величин (темпе-
ратура, давление, ускорение, деформация, напряжение и т.д.), акустоэлек-
тронных газоанализаторов типа «электронный нос», анализаторов жидкости,
микробиосенсоров и т.д. для микросистемной техники.
Контроль параметров новых видов ЭКБ как составная и неотъемлемая часть
технологического процесса при их разработке и производстве требует инноваци-
онного подхода к разработке и выпуску контрольно-измерительного оборудования
(КИО). Оно должно обеспечивать сочетание традиционного подхода к разработке
КИО, номенклатуре параметров и методам измерения со специфическими устрой-
ствами адаптации измеряемых изделий к измерительным системам (приборам)
(контактные и зондовые устройства, вводы питания, согласующие трансформаторы,
зондовые станции и др.). Именно по этому пути идут ведущие западные фирмы,
например Agilent Technologies, создавая на основе стандартных измерительных
систем благодаря использованию соответствующих опций разнообразное специ-
ализированное оборудования для лабораторий и производства.
Выпуск новой продукции СВЧ-изделий электронной техники высокой функ-
циональной сложности невозможен без опережающего развития метрологического
обеспечения на всех этапах жизненного цикла изделия – от контроля качества ис-
ходных материалов до сертификации готовой продукции, включая испытания на
надежность и долговечность. Одним из важных этапов в технологическом цикле
изготовления радиоэлектронной аппаратуры в настоящее время является также
входной контроль электронной компонентной базы (отечественного и иностран-
ного производства) у потребителя.
Контрольно-измерительная техника, используемая в настоящее время при
разработке отечественной ЭКБ, либо устарела, либо отсутствует, особенно в об-
ласти создания ЭКБ для высокоточного оружия. До 90% парка КИО составляют
приборы старше 15–20 лет, новые поступления отечественного КИО составляют
единицы. Контроль параметров новых видов ЭКБ (особенно твердотельной СВЧ-
электроники) возможен только при наличии специфических устройств адаптации
измеряемых изделий к измерительным системам (приборам) (более детально анализ
состояния и тенденций развития этого направления изложен в гл. 15).
Понимание Правительством РФ роли и места СВЧ-техники в решении задачи
обеспечения технологической безопасности государства определило появление цело-
го ряда соответствующих программ и нормативно-правовых документов, определяю-
щих среднесрочные и долгосрочные задачи в этом научно-техническом направлении.
Прежде всего, в РФ технологии создания изделий СВЧ-электроники отнесены
к критичным (приоритетным) технологиям, которые определяют тактико-техни-
ческие характеристики систем радиоэлектронного вооружения и военной техники.
На протяжение ряда лет реализуется целый ряд государственных и федеральных
целевых программ («Развитие электронной компонентной базы и радиоэлектро-
ники» на 2008–2015 годы, «Развитие оборонно-промышленного комплекса Рос-
сийской Федерации на 2011–2020 годы»), в том числе ряд комплексных целевых
программ развития СВЧ-электроники для обеспечения перспективных и суще-
ствующих систем вооружений и военной техники, радиоэлектронной аппаратуры
двойного и гражданского применения и др.
Наиболее важным из принятых руководством РФ программных документов
по развитию отечественной СВЧ-техники является утвержденная в декабре 2012 г.
«Стратегическая программа исследований технологической платформы СВЧ-
технологии», вводная (обзорная) часть которой почти без изменений использована
авторами в тексте настоящего раздела [1].
Структура, цели и задачи этой программы примерно соответствуют многочис-
ленным вышеупомянутым зарубежным программам исследований и разработок
изделий СВЧ-электроники.
Ниже изложим максимально близко к тексту этого документа его основные
положения.
10.2. Состояние и тенденции развития технологий
СВЧ-электроники в Российской Федерации
10.2.1. Анализ технического уровня отечественных СВЧ-приборов
Отечественные СВЧ-приборы представлены двумя основными классами изделий:
электровакуумные СВЧ-приборы, полупроводниковые СВЧ-приборы и устройства.
В табл. 10.1 приведены основные виды электровакуумных СВЧ-приборов и
устройств, имеющие мировой и российский приоритет, технические и технологиче-
ские решения которых защищены патентами Российской Федерации. По совокуп-
ности своих технических и эксплуатационных характеристик эти приборы являются
лучшими в своих классах и в целом соответствуют мировому техническому уровню.
В таблице приведены области применения этих СВЧ-приборов, лидирующие пред-
приятия-разработчики и изготовители, а также представлены применяемые для
этих же целей приборы за рубежом и их изготовители.
В табл. 10.2 приведены основные виды полупроводниковых СВЧ-приборов и
устройств, имеющие российский приоритет. Следует отметить, что лидирующие
позиции в мире по этой номенклатуре продукции занимают зарубежные фирмы.
Области использования этих приборов и лидирующие зарубежные производители
также представлены в таблице.
В России (как и ранее в СССР) основным рынком сбыта изделий СВЧ-
электроники является рынок радиоэлектронной аппаратуры военного назначения.
Именно он формирует требуемые совокупности технических и эксплуатацион-
ных характеристик для конкретных изделий СВЧ-электроники, а также является
главным двигателем научно-технического прогресса в области отечественной
СВЧ-электроники. Изделия СВЧ-электроники, предназначенные прежде всего
для генерации, усиления и преобразования энергии СВЧ-колебаний в приемных
и передающих трактах радиоэлектронной аппаратуры различных частотных диа-
пазонов, в значительной степени определяют облик, архитектуру построения и
основные тактико-технические характеристики современных и перспективных
систем и комплексов радиолокации, радионавигации, всех видов связи, радио-
электронной разведки и радиоэлектронного противодействия, систем управления
вооружением, систем высокоточного оружия и др.
В то же время имеется достаточно применений СВЧ-приборов и устройств в
гражданском секторе экономики (в системах управления воздушным движением,
в медицине, сельском хозяйстве, атомной промышленности, в промышленной
электронике – ускорителях заряженных частиц, технологических установках
нагрева, спекания и специальной обработки различных материалов, на железно-
дорожном и автомобильном транспорте и пр.). Бурное развитие в последние годы
систем локальной и беспроводной связи также предопределяет широкое приме-
нение изделий СВЧ-электроники и информационных и телекомуникационных
технологий с обеспечением широкополосного доступа абонентов к источникам
информации. Интенсивно развиваются оптоволоконные сети и линии связи на
основе внедрения технологий GPON, распространения сети Интернет, освоения
методов электронного правительства и перехода к цифровым методам формиро-
вания, обработки и вещания телевизионной информации. Количество абонентов
сети Интернет в России (41 млн) превысило аналогичные показатели Франции
и Великобритании и продолжает стремительно расти; средняя скорость доступа
составляет 10 Мб/сек, причем возможности технологии GPON уже достигли
1 Гб/сек. Развиваются домашние мультимедийные сети DLNA и интернет-теле-
видение IPTV, технологии ОТТ, доставка телевизионной и иной информации,
помимо эфирного, кабельного и спутникового вещания, через мобильные сети
по новым технологиям 3G, 4G, LTE и др. В Москве, Санкт-Петербурге и ряде
других городов осуществляется полный переход на оптоволоконные линии. В на-
стоящее время, однако, подавляющая часть оборудования сетей – зарубежного
производства.
Эти процессы и необходимость импортозамещения требуют разработки и энер-
гичного освоения производства, а также эксплуатации новых типов абонентских
и линейных терминалов оптоволоконных сетей, а реально осуществляющаяся на
практике конвергенция различных видов доставки информации и потребления ин-
формационных услуг связана c созданием принципиально новых типов абонентской
аппаратуры – семейства многофункциональных терминалов и цифровых приставок
различных комбинаций функциональности, благодаря которым телевизор стано-
вится интерактивным терминалом и центром индивидуальной информационной
(справочной, учебной, развлекательной) системы. Ее возможности дополнительно
расширяются с переходом в течение ближайшего пятилетия на телевидение сверх- и
ультравысокой четкости, объемное, затем голографическое и т.д.
При этом решение задач импортозамещения в России должно рассматриваться
не как создание аналогов конкретных электронных компонентов СВЧ, а как создание
соответствующего технологического базиса, позволяющего проектировать и создавать
электронные компоненты СВЧ с заданными техническими и эксплуатационными ха-
рактеристиками.
Потенциальная емкость гражданского рынка в России в первую очередь опре-
деляется действующими и развертываемыми системами, такими как:
– аппаратура систем управления воздушным движением, включающая: аэро-
дромные и трассовые локаторы, глиссадные маяки, метеолокаторы, системы
навигации и связи;
– аппаратура глобальной навигационной системы позиционирования
«ГЛОНАСС»;
– аппаратура систем сотовой и беспроводной связи;
– системы цифрового телевидения и связи;
– оптоволоконные инфокоммуникационные сети;
– радиорелейные линии связи;
– системы идентификации грузов;
– системы спасения на море и на суше;
– системы управления движением автомобильного транспорта;
– изделия личного пользования, такие как: портативные навигаторы глобаль-
ных навигационных систем «Navstar» и «ГЛОНАСС», радиомаяки, пейджеры,
радиотелефоны и др.
В соответствии с Вассернаанскими международными соглашениями, участ-
ником которых является и Российская Федерация, существуют государственные
ограничения на экспорт (распространение) приборов, устройств и технологий
двойного назначения, которые могут быть использованы при создании вооружения
и военной техники. Эти ограничения после подписания всеми сторонами вводятся
в каждой из стран-участниц соответствующими решениями Правительства. Раз в
несколько лет эти ограничения пересматриваются и, соответственно, переиздаются.
В Российской Федерации действует аналогичный документ – Указ Президента РФ
от 5 мая 2004 г. № 580. В части СВЧ-техники эти ограничения затрагивают доста-
точно широкую номенклатуру приборов, устройств и технологий их разработки и
производства.
Наряду с другими, эти ограничения затрагивают приборы и устройства СВЧ
в диапазонах выше 31 ГГц. Именно в этих диапазонах (40, 60, 90–100 ГГц) раз-
рабатываются системы высокоточного оружия, системы скрытой связи, высо-
коскоростные системы беспроводной связи и телекоммуникационные системы
большой емкости. Это предопределяет необходимость их создания в Россий-
ской Федерации, поскольку их импорт из-за рубежа в промышленных объемах
для разработки и производства соответствующих систем практически недо-
ступен.
В условиях жесткой конкуренции на международном рынке вооружений
существует необходимость сохранения лидерства в области основных СВЧ-
10.2. Состояние и тенденции развития технологий СВЧ-электроники 713
в Российской Федерации
компонентов, обеспечивающих превосходство тактико-технических характе-
ристик систем отечественного радиоэлектронного вооружения, обеспечения
технологической независимости СВЧ-компонентов как при разработке (модер-
низации) и производстве, так и при боевом применении, эксплуатации и ремон-
те ВВТ.
Высокие требования, предъявляемые к перспективным системам и комплек-
сам различного функционального предназначения (различные степени энерге-
тического обеспечения – от долей ватт до нескольких сотен мегаватт, необхо-
димость функционирования в различных частотных диапазонах с различными
полосами рабочих частот и различными видами сигналов, снижение массогаба-
ритных показателей в 10–40 раз, повышение в 5–30 раз их надежности, обеспе-
чение высокой стойкости к механическим перегрузкам до 40 000g, значительное
расширение функциональных возможностей информационных систем, систем
высокоточного оружия, радиолокационных головок самонаведения, систем
РТР, РЭП и др.), определяют необходимость развития всех групп изделий СВЧ
с приоритетным развитием изделий твердотельной СВЧ-электроники, а также
мощных вакуумных СВЧ-приборов миллиметрового и террагерцового диапа-
зонов.
Области использования частотного диапазона радиоэлектронными средствами
различного назначения и достигаемый при этом энергетический потенциал раз-
личными группами приборов СВЧ показаны на рис. 10.1. В скобках приведены наи-
более характерные для указанных здесь РЭС временные циклы работы (отношения
длительности излучаемых импульсов к периоду их повторения).
10.2.2. Основные направления исследований и разработок
в сфере деятельности технологической платформы
10.2.2.1. Направления развития отечественных СВЧ-приборов
на период до 2020 г.
Основными видами радиоэлектронной аппаратуры вооружения и военной техники
(РЭА ВВТ), определяющими уровень требований, предъявляемых к параметрам
изделий электроники СВЧ, являются радиолокационные станции ПВО, ПРО и
разведывательно-ударных комплексов, средства радиотехнической разведки и
РЭП, средства связи различного назначения, радиопередающие и радиоприемные
устройства активных головок самонаведения ракет различного базирования, радио-
электронные средства систем высокоточного оружия.
Исходя из этого на период до 2020 г. сформированы направления развития
основных классов приборов и устройств СВЧ и соответствующих технологических
базисов (табл. 10.3–10.5).
Приборное направление развития включает в себя три раздела:
– твердотельная электронная компонентная база СВЧ;
– электровакуумные приборы СВЧ;
– ферритовые приборы СВЧ.
В табл. 10.3 представлены основные направления развития твердотельной
электронной компонентной базы СВЧ – основные тактико-технические харак-
теристики (ТТХ) и запланированные для достижения их численные значения (на
2011, 2015 и 2020 гг.).
Здесь перечислены основные ТТХ для следующих классов СВЧ-приборов:
– генераторные СВЧ-диоды на широкозонных полупроводниковых матери-
алах;
– транзисторы СВЧ генераторные;
– транзисторы СВЧ малошумящие;
– МИС генераторы малошумящие и высокостабильные;
– МИС генераторы с электрической перестройкой частоты;
– твердотельные генераторы шума;
– МИС малошумящие широкополосные усилители;
– МИС усилители мощности;
– МИС сверхширокополосные усилители мощности;
– МИС и функциональные устройства для приемопередающих модулей АФАР
Х-диапазона;
– модули-синтезаторы частот для РЛС и средств радиоэлектронной борьбы;
– МИС-преобразователи сигналов (умножители, делители, коммутаторы,
детекторы и др.).
В табл. 10.4 представлены основные направления развития и ТТХ электрова-
куумных приборов СВЧ:
– широкополосные ЛБВ средней и большой мощности и непрерывного дей-
ствия;
– ЛБВ импульсного действия средней мощности для РЛИ;
– ЛБВ бортовых космических средств связи;
– клистроны широкополосные мощные непрерывного действия для средств
тропосферной связи;
– клистроны импульсного действия для ВТО бронетанковой техники;
– мощные импульсные клистроны для РЛС обнаружения и целеуказания;
– мощные импульсные клистроны миллиметрового диапазона волн для ин-
формационных РЭС наземного и космического базирования;
– мощные импульсные гироусилители (ЛБВ, клистроны) для РЛС наземного
базирования;
– бесканальные импульсные магнетроны для бортовой РЭА;
– импульсные магнетроны миллиметрового диапазона волн для мобильных
РЭС ВТО;
– импульсные магнетроны, синхронизируемые в миллиметровом диапазоне
для мобильных РЛС;
– сверхмощные импульсные усилители и генераторы сантиметрового диапазона
для энергетических средств поражения;
– сверхмощные непрерывные ЛБВ для РЛС.
В табл. 10.5 представлены основные направления развития ферритовых при-
боров СВЧ:
– ферритовые вентили и циркуляторы высокого уровня мощности;
– ферритовые фазовращатели;
– СВЧ перестраиваемые фильтры на МСВ.
Основными потребителями СВЧ-приборов и устройств с вышеприведенными
значениями основных технических параметров являются предприятия радио-
электронного профиля, занимающиеся разработкой и организацией серийного
производства радиоэлектронной аппаратуры гражданского, двойного, а также
специального назначения.
Наиболее крупными из них являются предприятия ракетно-космической
отрасли, входящие в состав Объединенной ракетно-космической корпорации и
Федерального космического агентства «Роскосмос», предприятия государственной
корпорации «Ростехнологии», а также широкий спектр предприятий оборонно-про-
мышленного комплекса, выпускающие судовые и автомобильные радары, системы
радиосвязи и телекоммуникаций.
10.2.2.2. Основные направления развития отечественных технологий
изготовления СВЧ-приборов и устройств
Исходя из вышеизложенного и потребностей рынка гражданской продукции и
продукции двойного назначения, сформированы направления исследований и
разработок, наиболее перспективные для развития в рамках ТП «СВЧ-технологии».
При этом исследования и разработки формируются по трем взаимозависимым на-
правлениям, представленным на рис. 10.2.
Исследования и разработки в области электронного материаловедения и в об-
ласти электронных СВЧ-компонентов рассматриваются как базис для разработки и
внедрения радиоприборостроительных технологий в качестве финального продукта
ТП, имеющего перспективный рынок.
Наиболее перспективными для исследований и разработок в рамках ТП «СВЧ-
технологии» являются следующие технологические направления.
1. В области электронного материаловедения:
1.1. Создание оптимизированных приборных гетероструктур на основе арсенида
галлия с удельной плотностью мощности более 1,5 Вт/мм.
1.2. Создание оптимизированных гетероструктур на основе нитрида галлия и
других широкозонных материалов для мощных СВЧ-приборов в дециметровых,
сантиметровых и миллиметровых диапазонах длин волн.
1.3. Создание алмазных приборных структур.
1.4. Создание гетероструктур на основе узкозонных полупроводниковых ма-
териалов (антимонидов) для СВЧ-приборов и устройств с малым потреблением.
1.5. Создание МЭМС и НЭМС структур.
1.6. Создание нового поколения ферритовых материалов.
1.7. Разработка новых видов катодных материалов.
1.8. Разработка и серийное освоение композитных конструкционных мате-
риалов на основе Al-SiC для корпусов и оснований электронных модулей нового
поколения.
2. В области электронных СВЧ-компонентов.
2.1. Создание приборных рядов СВЧ-транзисторов и МИС на основе Si, GaAs,
SiGe, антимонидов в дециметровых, сантиметровых и миллиметровых диапазонах
длин волн.
2.2. Разработка и создание твердотельной элементной базы генерации и детек-
тирования излучения терагерцового диапазона.
2.3. Исследования по совершенствованию технологии создания и конструкций
СВЧ-транзисторов и МИС на основе гетеростуктур традиционных полупровод-
никовых материалов: кремния и арсенида галлия в целях получения предельно
достижимых электрических и эксплуатационных параметров.
2.4. Разработка технологии создания СВЧ-транзисторов и МИС на основе
широкозонных полупроводниковых материалов (GaN, SiC, InP, алмаз, графен), в
том числе КВЧ-диапазона (60–200 ГГц).
2.5. Разработка технологии создания многофункциональных однокристальных
МИС СВЧ, включающих в свой состав аналоговые, ключевые и цифровые схемы
класса «система на кристалле».
2.6. Разработка технологии создания многофункциональных многокристальных
СВЧ-модулей класса «система в корпусе», в том числе на основе использования
многослойных керамических плат с встроенными пассивными компонентами и
цепями согласования.
2.7. Разработка технологии создания и базовых конструкций мощных много-
лучевых малогабаритных электровакуумных приборов и комплексированных
устройств на их основе с низкими уровнями питающих напряжений.
2.8. Разработка создание СВЧ-приборов и устройств на новых физических
принципах действия, в том числе гироприборов, приборов с ВТСП-магнитными
системами, усилителей оротронного типа.
2.9. Создание микровакуумных СВЧ-приборов на основе автоэмиссионных и
вторичноэмиссионных катодов.
2.10. Исследования по созданию алгоритмов, моделей и программного обе-
спечения для решения двух- и трехмерных электронно-оптических задач и моде-
лирования электровакуумных приборов СВЧ (клистронов и ламп бегущей волны),
ориентированных на использование кластерных вычислительных систем, много-
процессорных систем и графических ускорителей.
2.11. Разработка технологии создания и базовых конструкций мощных ваку-
умных СВЧ-приборов миллиметрового и террагерцового диапазонов и комплек-
сированных устройств на их основе.
3. В области СВЧ-радиоприборостроения:
3.1. Создание оптимизированных для массового производства и использования
в бытовых условиях технологий управления абонентским устройством с помощью
жестов и голосовых команд.
3.2. Создание малогабаритных радиолокационных систем с АФАР в сантимет-
ровых и миллиметровых диапазонах длин волн.
3.3. Разработка технологии создания комплексированных сложнофункцио-
нальных блоков и радиоэлектронных устройств на основе нового поколения СВЧ
ЭКБ с высокой плотностью компоновки комплектующих для информационных
и телекоммуникационных систем.
3.4. Разработка и серийное освоение аппаратуры широкополосной беспро-
водной связи, навигации и интеллектуальных многофункциональных приемных
устройств и терминалов инфотелекоммуникационных сетей.
3.5. Разработка и серийное освоение аппаратуры радиорелейных систем связи
и телекоммуникаций Е-диапазона.
3.6. Разработка комплексов специального назначения (досмотровые комплексы,
охранные системы, системы радиолокационного наблюдения).
3.7. Разработка высокоточного метрологического оборудования, включая обо-
рудование технологических цепочек разработки и производства СВЧ ЭКБ.
Все эти направления исследований взаимосвязаны между собой и ориенти-
рованы на развитие рынков продукции прежде всего двойного и гражданского
назначения.
В табл. 10.6 представлены основные направления развития базовых технологий
изготовления СВЧ-приборов и устройств на среднесрочный период (2011–2015 гг.).
10.3. Арсенид-галлиевые технологии изготовления
СВЧ-приборов
Промышленные технологии GaAs МИС формировались в 1980–1990-е гг., когда
различные компании стремились организовать собственное GaAs-производство.
Однако сейчас большинство из них для изготовления МИС частично или полностью пользуются услугами специализированных контрактных производств – так
называемых foundries [2]. Ведущие контрактные производители на мировом рынке
GaAs-микросхем – компании TriQuint Semiconductor (GCS) – 6%. Продукция этих
компаний предназначена в основном для массового рынка МИС для различных
устройств и систем мобильной связи. Наиболее крупные европейские компании –
United Monolithic Semiconductor (UMS) и OMMIC – специализируются главным об-
разом на мелкосерийном выпуске схем аэрокосмического и военного назначения, но
вместе с тем стремятся расширить свое присутствие на глобальном рынке GaAs МИС.
Так, компания UMS открыла дизайн-центр в Бостоне и офис по продажам в Шанхае.
Наиболее крупные компании-foundries обрабатывают GaAs-пластины диаме-
тром 150 мм и выполняют заказ в течение шести-восьми недель. Компания WIN
гарантирует исполнение заказа в срок от 23 до 48 календарных дней. Некоторые
компании с небольшим объемом выпуска сохраняют производственные линии по
обработке пластин диаметром 100 мм. Типичная производительность foundries – от
нескольких сотен до нескольких тысяч пластин в месяц. Многие контрактные про-
изводители, помимо выпуска МИС, оказывают различные услуги в проектировании,
моделировании, корпусировании и испытаниях. При этом сами они пользуются
услугами других специализированных компаний по программному обеспечению,
графическим системам и т.п.
Ряд крупных компаний, таких как Northrop Grumman, Cobham, Raytheon, BAE
Systems, которые имеют собственное производство МИС и одновременно участвуют
в больших правительственных программах по созданию радиоэлектронных систем
вооружений, тоже предлагают специальные услуги. К менее крупным компани-
ям, имеющим собственные производственные мощности, относятся М/А-СОМ
Technology Solutions, Skyworks, Anadigics, Avago, RFMD и Eudyna/Sumitomo. Как
правило, каждая такая компания, помимо разработки новых технологических про-
цессов, владеет и определенным числом отработанных и сертифицированных про-
цессов, которые она предлагает заказчику (табл. 10.7).
Прежде чем более детально рассмотреть состояние GaAs-технологии на миро-
вом рынке, кратко рассмотрим одно из направлений отечественной промышленной
технологии – технологии изготовления малошумящих СВЧ-транзисторов.
10.3.1. Отечественные арсенид-галлиевые технологии изготовления
малошумящих транзисторов СВЧ- и КВ-диапазонов
Необходимость постоянного продвижения в область все более высоких частот,
уменьшения уровня шумов и повышения коэффициента усиления приемопе-
редающей аппаратуры, что ведет к увеличению дальности приема, снижению
энергопотребления, массы и габаритов аппаратуры, требует совершенствования
элементной базы приемопередающей аппаратуры и в первую очередь малошумя-
щих полевых транзисторов с барьером Шоттки СВЧ- и КВЧ-диапазонов частот на
соединениях А3В5.
Кратко рассмотрим особенности конструкции и технологии изготовления этих
приборов на примере разработок ГУП «НПП «Пульсар», который является одним
из ведущих предприятий в области разработки малошумящих транзисторов на
GaAs [3]. Именно его специалистами была разработана первая серия отечествен-
ных малошумящих транзисторов (ЗПЭ20, ЗПЭ21, ЗПЭ24, ЗП325, 3H326, ЗПЗЗО,
ЗПЗЗ1, ЗП343, ЗП344, ЗП351, ЗП353, А818, А859, А860) с применением для фор-
мирования субмикронных затворов как фотолитографии короткого ультрафиолета,
так и электронной литографии.
Эти транзисторы впоследствии выпускались на заводе «Пульсар» или в НПО
(впоследствии АООТ) «Планета» (г. Новгород).
В НПП «Пульсар» впервые в России были получены образцы малошумящих
транзисторов на гетероструктурах AlGaAs/GaAs, сопоставимые по параметрам с
зарубежными аналогами, и организован их серийный выпуск [4].
В период 1993–2001 гг. за рубежом высокими темпами развивалась технология
изготовления приборов на основе GaAs и других соединий А3В5, что повлекло за
собой значительное повышение уровня используемого технологического обору-
дования. Появились первые установки молекулярно-лучевой эпитаксии, позволя-
ющие выращивать гетероструктуры на основе соединений А3В5 (псевдоморфные,
метаморфные на основе GaAs и InP) диаметром до 150 мм, установки электронной
литографии, позволяющие реализовать затворы длиной менее 0,1 мкм, установки
безмаслянной откачки для нанесения металлов и диэлектриков, плазмохимического
и ионнохимическо травления.
Следует отметить, что малошумящий транзистор требует использования гетеро-
структур на основе сверхчистых исходных слиточных и шихтовых материалов группы
А3В5 методами молекулярно-лучевой эпитаксии, получением новых резистов, с но-
выми процессами нанесения диэлектриков и металлов и процессами их травления.
Конструкция этого транзистора весьма чувствительна к атомному составу и
толщине легированных слоев, уровню их легирования, толщине спейсера, тол-
щине канала и уровню его чистоты. Это позволяет подавить процессы рассеяния
электронов, минимизировать флуктуации электронного тока и, следовательно,
шум транзистора.
В НПП «Пульсар» на протяжении ряда лет проводились работы в этом направ-
лении с целью создания базовой технологии изготовления транзисторов. В част-
ности, с использованием трехслойной системы резистов (ЭРП-1, ЭЛП-9, ЭРП-1)
с помощью установки электронного экспонирования ZBA20 (21) с минимальным
размером штампа (0,2 × 0,2 мкм) были получены Т-образные затворы длиной
0,28 мкм (рис. 10.3). Однако данная технологическая схема в реальных условиях
является плохо воспроизводимой (зависимость от качества резиста, точности на-
несения, стабильности работы установки ZBA и т.п.).
Использование конструкций транзисторов с «воздушными мостами» (рис. 10.4)
и, следовательно, с большим количеством межсоединений тоже страдает плохой
воспроизводимостью результатов и требует использования высокопрецезионного
и дорогого технологического оборудования.
В ходе экспериментальных исследований было показано, что оптимальное со-
четание шумовых и усилительных свойств имеют транзисторы, изготовленные на
основе гетероструктур с равномерным или импульсным легированием.
Были спроектированы оптимальные унифицированные топологии транзи-
сторов с линейной конструкцией затвора, причем транзисторы для различных
диапазонов частот отличаются только шириной затвора. По результатам расчетов
и моделирования работы транзисторов определены оптимальные величины ши-
рины затвора для каждого частотного диапазона. Для данной унифицированной
топологии разработаны технологический маршрут и технологические операции,
позволяющие с высокой воспроизводимостью реализовать максимально возмож-
ные параметры транзисторов на существующем технологическом оборудовании.
Разработанная отечественная базовая технология позволяет серийно изго-
тавливать транзисторы для диапазона 4–60 ГГц по технологически наиболее про-
стому маршруту, обеспечивающему минимальный уход линейных размеров при
формировании затворов транзисторов и сочетающему электронную литографию и
фотолитографию с процессом ионнохимического «сухого» травления диэлектрика,
что в итоге позволяет получать длины затворов в диапазоне 0,3–0,4 мкм. Кроме
этого, характерной особенностью данной отечественной технологии является
наличие маркерных знаков (М3) на рабочей пластине, которые формируются на
этапе создания омических контактов. Многочисленные эксперименты показали,
что применение электронной литографии (формирование элемента минимального
размера) целесообразно лишь на этапе формирования затвора, а точнее, на самой
критической операции – при формировании узкой затворной щели и чуть более
широкой полоски при формировании Т-образной формы затвора.
На основе разработанной базовой технологии на предприятии изготавлива-
ются малошумящие транзисторы с длиной затвора 0,3–0,35 мкм на частоты 4, 12,
37, 60 ГГц с коэффициентами шума Nf = 0,5; 0,8; 1,9; 2,9 дБ и коэффициентами
усиления 12; 10; 6,5 дБ соответственно.
На рис. 10.5 показана топология транзистора на частоту 4 ГГц, на рис. 10.6 – внеш-
ний вид транзистора на частоту 12 ГГц, на рис. 10.7 – транзистор на частоту 37 ГГц.
Разработанная технологическая схема применима не только для изготовления
малошумящих транзисторов. В частности, по разработанной технологии произ-
водятся транзисторы средней мощности (с выходной мощностью до 500 мВт на
частоте 12 ГГц и 100 мВт на частоте 37 ГГц).
Унифицированная конструкция и базовая технология изготовления малошу-
мящих транзисторов в диапазоне частот 4– 60 ГГц (с длиной затвора 0,3–0,35 мкм)
позволяют производить малошумящие транзисторы на частоты 4, 12, 37, 60 ГГц,
параметры которых на частотах 4–12 ГГц находятся на уровне зарубежных ком-
мерческих транзисторов.
10.3.2. Зарубежные арсенид-галлиевые фабрики
Поскольку создание современного арсенид-галлиевого производства требует боль-
ших финансовых затрат, более 90% СВЧ-приборов для военных и коммерческих
применений производятся на специализированных фабриках (FAB). К услугам раз-
работчиков СВЧ-приборов эти фабрики предлагают широкий спектр технологий
с различными опциями и широкий набор базовых библиотечных компонентов.
Ниже рассмотрим технологические особенности базовых процессов и основ-
ные характеристики изготавливаемых СВЧ-приборов фабрик WIN Semiconductors
(Тайвань) и европейской United Monolithic Semiconductors corporation (UMS).
WIN Semiconductors
На рис. 10.8 представлена сводная диаграмма технологических возможностей
этой арсенид-галлиевой фабрики. Здесь производятся приборы для широкого
частотного спектра: от DС (< 1 ГГц) до 100 ГГц.
На рис. 10.9 представлена дорожная карта развития (roadmap) этой фабрики
применительно к монолитным СВЧ ИС на основе НВТ- и HEMT-элементов.
Для заказчика фабрика предлагает 10 различных технологических процессов с
различными встроенными опциями. Следует обратить внимание, что с 2014 г. эта
фабрика освоила 0,25-мкм технологический процесс изготовления высоковольтных
GaN HEMT (28 В) серии NP2500. Эта фабрика выполняет также технологические
операции бампирования для сборки мощных СВЧ-модулей с использованием
медной металлизации.
United Monolithic Semiconductors corporation
Корпорация UMS развивает ряд эффективных технологий изготовления высо-
кокачественных малошумящих и мощных монолитных СВЧ ИС и СВЧ-модулей
для различных сфер применения: военных, автомобилестроения, космоса, теле-
коммуникаций и промышленного применения.
Одним из несомненных достоинств этой фабрики является высокий уровень и
простота пользования дизайн-китами (Design Kits) и правилами проектирования
(Design Manuals) – разработчики различных СВЧ-приборов и СВЧ монолитных
схем достаточно легко осваивают процесс проектирования, причем специалисты
UMS обеспечивают оперативную поддержку процесса разработки проекта на лю-
бой его стадии.
Кроме того, инженерная служба UMS предоставляет заказчикам дополнитель-
ные услуги – обучение основам проектирования под фаундри (foundry training),
анализ и измерение изготовленных СВЧ-изделий непосредственно на пластине
(DС, RF, анализ шумовых характеристик, измерение мощностных характеристик и
др.). По желанию заказчика здесь можно провести и сборку в корпус изготовленных
СВЧ-приборов.
Так же как и на фабрике WIN Semiconductors, здесь изготавливаются СВЧ-
изделия для широкого спектра частот – от 1 до 100 ГГц.
На рис. 10.10 представлены основные технологические возможности произ-
водственных линий для всего частотного диапазона СВЧ-приборов. Используемые
технологические процессы обеспечивают возможности изготовления встроенных
в прибор MIM-емкостей, индуктивностей, металлических резисторов, фильтров,
трактов радиочастотной обработки сигналов.
В табл. 10.8 представлены детализированные для каждого из 13 технологических
процессов значения основных технических характеристик СВЧ-приборов (плот-
ность мощности, усиление, шумы и т.д.).
Одним из привлекательных моментов сотрудничества разработчиков СВЧ-
изделий с компанией UMS является возможность работы в режиме «мультипроекта»
(Multi Project Wafer – MPW). Это значит, что заказчик (разработчик СВЧ-изделия)
«выкупает» не всю пластину с изготовленными кристаллами, а только одну из ее
частей. На других частях пластины фабрика изготавливает кристаллы, разработан-
ные другими участниками (заказчиками) MPW по своим проектам, что позволяет
существенно сэкономить на стоимости разработки изделия. Запуски таких пластин
по базовым процессам фабрика выполняет регулярно – шесть раз в год (раз в два
месяца). Для нестандартных требований заказчика также существует возможность
работы в режиме MPW, при этом заказчик оплачивает только «свою» часть пластины.
Базовые технологии полупроводниковой СВЧ-электроники
10.1. Состояние и тенденции развития зарубежных
базовых технологий СВЧ-электроники
Современные изделия СВЧ-электроники включают широкий спектр различных
классов приборов, отличающихся по назначению, физическому принципу действия,
конструкции и технологии изготовления. Это электровакуумные приборы СВЧ – ЭВП СВЧ (магнетроны, усилители М-типа, лампы бегущей и обратной волны,
клистроны, клистроды, гироприборы); твердотельные приборы СВЧ в дискретном,
монолитном, гибридном и гибридно-монолитном исполнении (СВЧ-транзисторы
и диоды, малошумящие СВЧ усилители, усилители СВЧ-мощности, генераторы,
синтезаторы частот, фазовращатели, аттенюаторы, переключатели, модуляторы,
преобразователи частот (умножители, делители, смесители), модули СВЧ (приемные, передающие, приемопередающие); ферритовые приборы СВЧ (вентили,
фазовращатели, фильтры, циркуляторы и пр.); комплексированные изделия СВЧ
(электровакуумные, твердотельные и вакуумно-твердотельные, с применением в
своем составе ЭВП СВЧ, твердотельных дискретных приборов и модулей СВЧ,
ферритовых приборов СВЧ, изделий силовой и микроэлектроники). Отдельным
сегментом мирового рынка являются законченные радиоэлектронные устройства,
функционирующие в СВЧ- и КВЧ-диапазонах.
Развитие базовых СВЧ-технологий обусловлено прежде всего развитием
радиоэлектронных устройств как конечного продукта, предлагаемого потребите-
лям. Именно радиоэлектроника является движущей силой и задает темп развития
и требуемые технические характеристики СВЧ-приборов и устройств, поскольку
основные ТТХ радиоэлектронной аппаратуры различного функционального пред-
назначения (требуемые дальность, точность определения целей и т.д.) пересчиты-
ваются по известным соотношениям в электрические параметры СВЧ-приборов и
устройств (выходная мощность, коэффициент шума, полоса частот и пр.). Для реа-
лизации требуемых характеристик РЭА и, соответственно, требуемых электрических
и эксплуатационных характеристик СВЧ-приборов и устройств разрабатываются
новые конструкции, материалы и технологии СВЧ-электроники, а не наоборот.
За рубежом (США, Англия, Франция, Япония, Германия и др.) при сохранении
общего потенциала СВЧ-электроники в последние годы особенно бурное развитие
получила твердотельная СВЧ-электроника и мощные вакуумные СВЧ-приборы
миллиметрового и террагерцового диапазона.
Так, в гл. 8 показано, что в США в результате реализации программ MIMIC,
MASFET и др. технология МИС СВЧ с длиной затвора 0,25 мкм (для МИС, работаю-
щих на частотах до 30–40 ГГц) стала стандартом, многие фирмы освоили технологии
0,1–0,15 мкм для МИС миллиметрового диапазона. Промышленные сверхшироко-
полосные монолитные усилители достигли коэффициента шума менее 3 дБ в полосе
2–18 ГГц, выпускаются широкополосные монолитные усилители с частотами до
100 ГГц, созданы монолитные усилители мощности с выходной мощностью до 5 Вт
с кристалла в полосе 6–18 ГГц и КПД до 60%, гибридные вакуумно-твердотельные
усилители с удельной мощностью свыше 80–100 Вт/кг в полосе 6–18 ГГц и КПД
25–40%. Освоен выпуск многофункциональных МИС с площадью 20–40 мм2 при
выходе годных 50–75%. Многими фирмами освоена технология выпуска МИС на
базе гетероструктурных биполярных транзисторов, обеспечивающих 1,5–2-кратное
увеличение КПД и удельной мощности широкополосных МИС. Промышленно вы-
пускаются псевдоморфные гетероструктурные полевые транзисторы с мощностью
до 1,5 Вт на частоте 18 ГГц при КПД 50% и усилении 9,5 дБ.
Заканчивается переход на серийный выпуск пластин арсенида галлия диаметром
150–200 мм. Практически стандартизованы системы САПР МИС СВЧ, включа-
ющие средства объемного электродинамического моделирования, нелинейного
анализа и подготовки шаблонов, реализованные на мощных рабочих станциях.
В результате реализации ряда программ в США и в Европе по созданию бортовых
РЛС с АФАР (URR – Ultra Reliable Radar, AMSAR – Airborne Multirole multifunction
Solid-state Active array Radar, GTAR – GAC Thomson Airborn Radar, HDMP – High
Density Microwave Packaging Program, AVIP – «интеграция авионики» и др.) в рам-
ках проектов F-22, YF-23, JSF проведен комплекс работ по созданию технологий
и разработке T/R СВЧ приемопередающих модулей для АФАР высокой плотности
компоновки с применением керамики высокотемпературного (HTCC) и низко-
температурного (LTCC) обжига для создания многослойных плат, согласования,
разводки и компоновки пассивных и активных (МИС) элементов СВЧ-схем.
В своей основе АФАР состоит из сотен, иногда тысяч (в зависимости от задач) от-
дельных приемопередающих элементов, выполненных в виде приемопередающих
T/R-модулей. Управление данными, получаемыми от такого большого количества
элементов, оказалось возможным благодаря большим вычислительным мощно-
стям, которые стали доступны при небольших габаритах бортовых вычислителей.
Поскольку стоимость самой антенны составляет около 52% от стоимости всей
РЛС, фирмы-разработчики делают основные инвестиции именно в технологию
изготовления T/R-модулей.
Начиная с 1994 г. толщина T/R-модулей фирмы Raytheon (США) уменьшилась
на 90% и на 2015 г. составляет 8 мм, масса снизилась на 83%, а стоимость упала на
82%. Это обусловлено архитектурными изменениями в T/R-модуле, а также авто-
матизированной сборкой и испытаниями, которые сократили время производства.
Снижение стоимости является мощным стимулом применения новой техно-
логии HDMP. Динамика снижения стоимости модуля такова, что при стоимости
в начале 1990-х гг. приблизительно несколько тысяч долларов, сегодня стоимость
T/R-модуля находится в пределах 600–800 долл. и продолжает снижаться и через
несколько лет снизится до порога в 200 долл. за модуль, после которого усовер-
шенствования, по оценкам некоторых специалистов в аэрокосмической области,
будут дороже ожидаемой экономии.
Основные материалы, используемые сегодня для чипов интегральных схем СВЧ, –
кремний (для низкочастотных), арсенид галлия (для высокочастотных), фосфид ин-
дия, нитрид галлия (для МИС миллиметровых диапазонов), кремний-германий (для
низкочастотных МИС, включающих в свой состав схемы цифрового управления и
обработки). При этом в количественном соотношении наиболее массовыми являются
СВЧ-приборы на основе арсенида галлия. В самой емкой рыночной нише (усилители
мощности сотовых телефонов) им принадлежит 80% всего мирового рынка. Причем
когда сегодня говорят о GaAs, имеют в виду прежде всего гетероструктуры – AlGaAs/
GaAs, InGaAs/GaAs и т.д. – и созданные на их базе транзисторы – биполярные и
полевые с барьером Шоттки (HEMT). Арсенид галлия традиционно рассматривался
как основной материал для СВЧ-приборов. Подвижность электронов (8500 см2/В·с),
ширина запрещенной зоны и напряженность поля пробоя (1,42 эВ и 4 · 105 В/см
соответственно) делают GaAs предпочтительнее кремния в области СВЧ. Это был
первый освоенный промышленностью материал из группы полупроводников AIIIBV,
с которыми и сегодня связаны многие перспективы СВЧ-электроники.
Более 95% рынка монокристаллов GaAs составляют два типа материалов, при-
близительно одинаковые по объему производства: полуизолирующий (ПИ) GaAs с
удельным электросопротивлением > 107 Ом·см, используемый при производстве СВЧ
ИС и дискретных приборов, и сильно легированный кремнием (1017–1018 см–3) GaAs
с низкой плотностью дислокаций, применяемый при изготовлении СД и лазеров.
Несмотря на опережающий рост эпитаксиальных технологий, основным мето-
дом изготовления активных слоев СВЧ-приборов пока остается ионная имплантация
непосредственно в подложку GaAs. Именно эта технология задает основные требова-
ния к ПИ материалу: высокое удельное сопротивление, обеспечивающее надежную
изоляцию активных областей (> 107 Ом·см); низкое содержание фоновых примесей,
присутствие которых может снижать концентрацию носителей заряда в активном
слое; высокая однородность распределения электрофизических параметров по по-
перечному сечению слитка, выращенного в кристаллографическом направлении.
В объемном материале удовлетворить этим требованиям трудно, поэтому была
предложена технология создания буферных слоев, при использовании которой на
полуизолирующей подложке выращивается относительно толстый эпитаксиаль-
ный слой с высоким удельным сопротивлением. Активный слой создается либо
дальнейшим эпитаксиальным наращиванием, либо методом ионной импланта-
ции в буферном слое. Данная методика позволяет маскировать нежелательные
свойства подложки, но при этом усложняется процесс и увеличивается стоимость
изготовления. Практической целью исследований полуизолирующего GaAs яв-
ляется возможность образования активного слоя непосредственно на подложке,
удовлетворяющего всем требованиям.
Помимо этого, экономические соображения производства ИС требуют использова-
ния пластин большой площади. Поэтому в середине 1990-х гг. в мировом производстве
произошел переход на использование пластин ПИ GaAs диаметром 100 мм, а с конца
1990-х гг. начался переход на использование пластин диаметром 150–200 мм. Кристаллы
такого диаметра производятся с использованием промышленных технологий.
Материалы группы GaN со своими уникальными характеристиками – это се-
рьезное научно техническое завоевание конца XX – начала XXI в., которое, помимо
оптоэлектронных приборов (светодиодов, лазеров, ультрафиолетовых фотопри-
емников), открыло потенциальные возможности для создания высокочастотных,
высокомощных и высокотемпературных электронных приборов. Речь идет прежде
всего о полевых транзисторах на AlGaN/GaN.
Транзисторы на нитриде галлия, созданные впервые в 1993 году, существен-
но расширили возможности приборов CВЧ-диапазона. Эти приборы способны
работать в значительно более широком диапазоне частот и при более высоких
температурах, а также с большей выходной мощностью по сравнению с приборами
на кремнии, арсениде галлия, карбиде кремния или на любом другом освоенном в
производстве полупроводниковом материале. Максимальная ширина запрещенной
зоны обусловливает возможность работы транзистора при высоких уровнях акти-
вирующих воздействий (температуры, радиации). Очень высокая концентрация
электронов в области двумерного электронного газа в сочетании с приемлемой
подвижностью электронов дает возможность реализации большой плотности
тока в сечении канала транзистора и высокого коэффициента усиления. Макси-
мальная критическая напряженность электрического поля в сочетании с высокой
плотностью тока обеспечивает удельную выходную мощность промышленных
GaN-транзисторов, на порядок превышающую удельную выходную мощность арсе-
нид-галлиевых транзисторов. По сравнению с серийно выпускаемыми GaAs МИС
новые изделия на основе GaN-транзисторов имеют в 2–10 раз большую выходную
мощность и сравнимый либо больший КПД при одинаковых или меньших размерах
кристалла. Номенклатура выпускаемых GaN усилительных МИС пока в десятки
(если не в сотни) раз меньше, чем GaAs МИС, однако фаза промышленного осво-
ения этой технологии только началась и в ближайшие годы предложения на этом
рынке должны резко расшириться. Проблемными моментами, сдерживающими
развитие GaN-приборов, являются задача обеспечения адекватного теплоотвода от
активной структуры и необходимость выращивания эпитаксиальных структур GaN
на чужеродных (отличающихся по параметрам кристаллической решетки, теплово-
му расширению и т.д.) подложках из-за невозможности реализации высокоомной
подложки собственно GaN.
Все перечисленные характеристики GaN-приборов были достигнуты главным
образом благодаря большому объему работ по исследованию и совершенствованию
эпитаксиальных структур на подложках из сапфира, SiC, Si (111), выращиваемых
методами осаждения из паровой фазы металлоорганических соединений (MOCVD),
молекулярно-лучевой эпитаксии (MBE) и хлоридно-гидридной эпитаксии (HVPE).
Однако, несмотря на впечатляющие результаты, достигнутые к настоящему вре-
мени, технология формирования исходных эпитаксиальных структур AlGaN/GaN
на подложках сапфира, SiC и Si (111) методами гетероэпитаксии еще далека от
совершенства. Структуры, выращенные методами MOCVD, MBE и HVPE, имеют
большую плотность дефектов (106–109 см–2). Правда, дефекты в этих материалах
в силу своей природы значительно слабее влияют на параметры, чем дефекты в
полупроводниковых соединениях типа АIIIBV (GaAs, InP, GaP), традиционно ис-
пользуемых для изготовления СВЧ-приборов. Но присутствие дефектов сказы-
вается на долговременной работе, особенно в условиях высоких напряжений и
повышенных температур. Совершенствование технологии GaN-транзисторов и
улучшение качества исходных эпитаксиальных структур позволили достигнуть в
последние годы новых рекордов по максимальной крутизне прибора, по граничной
и максимальной частотам, а также по удельной плотности тока канала. Однако вы-
сокая плотность дефектов не позволяет производить надежные изделия с большой
площадью поверхности кристалла. Поэтому достигнутые рекордные значения
удельной отдаваемой мощности 10–30 Вт/мм следует рассматривать скорее как
демонстрацию принципиальных возможностей материала.
Создание любого качественного полупроводникового изделия начинается с
монокристаллической пластины, используемой в качестве подложки для дальней-
шего наращивания приборной структуры. Структурное качество и однородность
свойств подложечного материала определяет как параметры отдельного прибора, так
и процент выхода годных приборов с пластины в целом. Как правило, для того чтобы
выращивать структуры с минимальным содержанием дислокаций несоответствия,
используются подложки того же материала, что и наращиваемые эпитаксиальные
слои, т.е. для соблюдения правила минимального рассогласования периодов ре-
шетки. Отсюда возникает проблема получения высококачественных однородных,
в том числе полуизолирующих монокристаллических подложек, которые исполь-
зуются в многочисленных приборах и устройствах как СВЧ-электроники, так и
оптоэлектроники, вычислительной и лазерной техники, силовой электроники,
электроэнергетики, микро- и наноэлектроники. Актуальным остается вопрос полу-
чения подложек с высокими значениями удельного сопротивления, подвижности,
макро- и микрооднородностью распределения свойств по пластине. К приборам,
работающим в условиях жесткой радиации, к этим требованиям добавляется еще
требование по радиационной стойкости изделия.
Радиационное модифицирование полупроводниковых материалов, т.е. направ-
ленное изменение их свойств воздействием быстрых электронов, гамма-квантов,
нейтронов, протонов, альфа-частиц, является одним из наиболее перспективных
и бурно развивающихся в последние годы физико-технологических методов.
Контролируемое введение как легирующих примесей, так и дефектов в полупро-
водниковые материалы радиационными методами в сочетании с последующими
термическими обработками позволяет в широких пределах изменять их электрофи-
зические, оптические, структурные характеристики. Одним из основных методов,
позволяющих получать полупроводниковые материалы с высокой однородностью
распределения примеси по объему и, соответственно, свойств, является метод
ядерного легирования.
В последние годы в мире активно ведутся работы по созданию СВЧ полупро-
водниковых приборов и устройств на основе алмазных структур, обладающих уни-
кальными теплопроводными свойствами и радиационной стойкостью. Преодоление
ряда технологических трудностей, связанных с физикой работы этих структур и их
обработкой, позволяет с уверенность заявлять об их скором появлении в составе
радиоэлектронной аппаратуры.
Наряду с разработкой активной СВЧ электронной компонентной базы,
включающей создание базовых технологий производства транзисторов и моно-
литных сверхвысокочастотных микросхем на основе гетероструктур материалов
группы А3В5, приемопередающих сверхвысокочастотных субмодулей L-, S-, C- и
X-диапазона, многофункциональных сверхвысокочастотных интегральных схем
на основе нитридных гетероэпитаксиальных структур, гетероструктур «кремний –
германий» и т.д., неотъемлемой частью и важным направлением развития СВЧ-
электроники является СВЧ пассивные электронные компоненты (СВЧ ПЭК).
В состав СВЧ ПЭК входят: СВЧ-резисторы, поглотители, аттенюаторы, делите-
ли мощности, СВЧ-конденсаторы, СВЧ-индуктивности, СВЧ акустоэлектронные
компоненты (СВЧ АЭК) и др.
Основными системами, в которых возможно применение СВЧ ПЭК на частотах
от нескольких мегагерц до 20 ГГц, являются следующие: AMPS, глобальная систе-
ма связи с подвижными объектами (GSM), NMT 450–900 МГц, DECT, системы
многостанционного доступа с кодовым разделением каналов (CDMA), цифровая
сотовая связь (DCS), персональная радиотелефонная связь (PCN), беспроводная
локальная вычислительная сеть (Wireless LAN), сотовые базовые станции (cellular
mobile base stations) и абонентские подвижные радиостанции (private mobile radios):
TETRA, PMR, UMTS.
Из всего многообразия СВЧ ПЭК наиболее выгодно отличаются по функци-
ональным возможностям акустоэлектронные компоненты (АЭК). На их основе
традиционно во всем мире изготавливаются элементы для радиотехнических систем,
мобильной и сотовой связи и т.д. (фильтры, резонаторы, линии задержки и др.).
Этим можно объяснить наиболее высокий уровень их промышленного про-
изводства – более 15 млрд долл. США в 2011 г. Ежегодно разрабатывается свыше
тысячи типономиналов акустоэлектронных устройств на поверхностных акусти-
ческих волнах (ПАВ) с объемом производства более 1000 млн в год. В мире более
60 компаний имеют дело с изготовлением либо использованием устройств на
ПАВ. В основном предел рабочих частот АЭК на ПАВ ограничивается значением
2 ГГц, что связано с технологическими пределами применимости фотолитогра-
фических процессов при изготовлении встречно-штыревых преобразователей,
являющимися основными элементами для приема и возбуждения ПАВ в пьезокри-
сталлической подложке. Повышение рабочих частот (до 20 ГГц) СВЧ АЭК связано
с разработкой акустоэлектронных компонентов нового поколения, работающих на
нетрадиционных типах акустических волн (вытекающие акустические волны, объ-
емные акустические волны (ОАВ) в тонкопленочных пьезоструктурах (AlN, GaN,
ZnO и т.д.), а также на новых видах пьезоакустических материалов.
Анализ направлений разработок ведущих мировых производителей СВЧ пас-
сивных электронных компонентов, таких как Honeywell, Michelin,Texas Instruments
Transense, Motorola, Murata, RFSAW, Fujitsu, Vishay, Epcos и др., позволяет выявить
основные тенденции и перспективы развития рынка СВЧ пассивных электронных
компонентов.
Главными из них являются:
– снижение габаритных размеров;
– выпуск практически всей номенклатуры в чип-исполнении для поверхност-
ного монтажа;
– расширение диапазона рабочих частот;
– повышение стабильности параметров в процессе эксплуатации и воздействия
внешних факторов;
– постоянное расширение номенклатуры в области специального примене-
ния, в том числе создание широкой гаммы СВЧ-резисторов, аттенюаторов,
сумматоров.
Основные перспективы развития рынка СВЧ ПЭК основаны на появлении
новых видов продукции:
– толстопленочных и тонкопленочных СВЧ-чип резисторов, поглотителей,
аттенюаторов, делителей мощности;
– многослойных, пленочных и керамических СВЧ-чип конденсаторов;
– многослойных и пленочных СВЧ-чип индуктивности;
– интегрированных пассивных СВЧ-чип компонентов на основе пленочных
и многослойных RLC-структур;
– СВЧ АЭК (диапазон частот от 2 до 20 ГГц) (резонаторы и фильтры, дуплек-
соры на их основе и т.д.) нового поколения на основе тонкопленочных
гетероэпитаксиальных структур AlN, GaN, ZnO, в английской транскрип-
ции – FBAR, film bulk acoustic resonator. Например, только у фирмы Avago
Technologies число проданных фильтров по технологии FBAR в 2008 г. пре-
высило 1 млрд штук;
– систем радиочастотной идентификации (РЧИ, RFID-системы) на основе
пассивных акустоэлектронных СВЧ ПАВ-меток, не требующих дополни-
тельных источников питания;
– акустоэлектронных сенсоров физических и механических величин (темпе-
ратура, давление, ускорение, деформация, напряжение и т.д.), акустоэлек-
тронных газоанализаторов типа «электронный нос», анализаторов жидкости,
микробиосенсоров и т.д. для микросистемной техники.
Контроль параметров новых видов ЭКБ как составная и неотъемлемая часть
технологического процесса при их разработке и производстве требует инноваци-
онного подхода к разработке и выпуску контрольно-измерительного оборудования
(КИО). Оно должно обеспечивать сочетание традиционного подхода к разработке
КИО, номенклатуре параметров и методам измерения со специфическими устрой-
ствами адаптации измеряемых изделий к измерительным системам (приборам)
(контактные и зондовые устройства, вводы питания, согласующие трансформаторы,
зондовые станции и др.). Именно по этому пути идут ведущие западные фирмы,
например Agilent Technologies, создавая на основе стандартных измерительных
систем благодаря использованию соответствующих опций разнообразное специ-
ализированное оборудования для лабораторий и производства.
Выпуск новой продукции СВЧ-изделий электронной техники высокой функ-
циональной сложности невозможен без опережающего развития метрологического
обеспечения на всех этапах жизненного цикла изделия – от контроля качества ис-
ходных материалов до сертификации готовой продукции, включая испытания на
надежность и долговечность. Одним из важных этапов в технологическом цикле
изготовления радиоэлектронной аппаратуры в настоящее время является также
входной контроль электронной компонентной базы (отечественного и иностран-
ного производства) у потребителя.
Контрольно-измерительная техника, используемая в настоящее время при
разработке отечественной ЭКБ, либо устарела, либо отсутствует, особенно в об-
ласти создания ЭКБ для высокоточного оружия. До 90% парка КИО составляют
приборы старше 15–20 лет, новые поступления отечественного КИО составляют
единицы. Контроль параметров новых видов ЭКБ (особенно твердотельной СВЧ-
электроники) возможен только при наличии специфических устройств адаптации
измеряемых изделий к измерительным системам (приборам) (более детально анализ
состояния и тенденций развития этого направления изложен в гл. 15).
Понимание Правительством РФ роли и места СВЧ-техники в решении задачи
обеспечения технологической безопасности государства определило появление цело-
го ряда соответствующих программ и нормативно-правовых документов, определяю-
щих среднесрочные и долгосрочные задачи в этом научно-техническом направлении.
Прежде всего, в РФ технологии создания изделий СВЧ-электроники отнесены
к критичным (приоритетным) технологиям, которые определяют тактико-техни-
ческие характеристики систем радиоэлектронного вооружения и военной техники.
На протяжение ряда лет реализуется целый ряд государственных и федеральных
целевых программ («Развитие электронной компонентной базы и радиоэлектро-
ники» на 2008–2015 годы, «Развитие оборонно-промышленного комплекса Рос-
сийской Федерации на 2011–2020 годы»), в том числе ряд комплексных целевых
программ развития СВЧ-электроники для обеспечения перспективных и суще-
ствующих систем вооружений и военной техники, радиоэлектронной аппаратуры
двойного и гражданского применения и др.
Наиболее важным из принятых руководством РФ программных документов
по развитию отечественной СВЧ-техники является утвержденная в декабре 2012 г.
«Стратегическая программа исследований технологической платформы СВЧ-
технологии», вводная (обзорная) часть которой почти без изменений использована
авторами в тексте настоящего раздела [1].
Структура, цели и задачи этой программы примерно соответствуют многочис-
ленным вышеупомянутым зарубежным программам исследований и разработок
изделий СВЧ-электроники.
Ниже изложим максимально близко к тексту этого документа его основные
положения.
10.2. Состояние и тенденции развития технологий
СВЧ-электроники в Российской Федерации
10.2.1. Анализ технического уровня отечественных СВЧ-приборов
Отечественные СВЧ-приборы представлены двумя основными классами изделий:
электровакуумные СВЧ-приборы, полупроводниковые СВЧ-приборы и устройства.
В табл. 10.1 приведены основные виды электровакуумных СВЧ-приборов и
устройств, имеющие мировой и российский приоритет, технические и технологиче-
ские решения которых защищены патентами Российской Федерации. По совокуп-
ности своих технических и эксплуатационных характеристик эти приборы являются
лучшими в своих классах и в целом соответствуют мировому техническому уровню.
В таблице приведены области применения этих СВЧ-приборов, лидирующие пред-
приятия-разработчики и изготовители, а также представлены применяемые для
этих же целей приборы за рубежом и их изготовители.
В табл. 10.2 приведены основные виды полупроводниковых СВЧ-приборов и
устройств, имеющие российский приоритет. Следует отметить, что лидирующие
позиции в мире по этой номенклатуре продукции занимают зарубежные фирмы.
Области использования этих приборов и лидирующие зарубежные производители
также представлены в таблице.
В России (как и ранее в СССР) основным рынком сбыта изделий СВЧ-
электроники является рынок радиоэлектронной аппаратуры военного назначения.
Именно он формирует требуемые совокупности технических и эксплуатацион-
ных характеристик для конкретных изделий СВЧ-электроники, а также является
главным двигателем научно-технического прогресса в области отечественной
СВЧ-электроники. Изделия СВЧ-электроники, предназначенные прежде всего
для генерации, усиления и преобразования энергии СВЧ-колебаний в приемных
и передающих трактах радиоэлектронной аппаратуры различных частотных диа-
пазонов, в значительной степени определяют облик, архитектуру построения и
основные тактико-технические характеристики современных и перспективных
систем и комплексов радиолокации, радионавигации, всех видов связи, радио-
электронной разведки и радиоэлектронного противодействия, систем управления
вооружением, систем высокоточного оружия и др.
В то же время имеется достаточно применений СВЧ-приборов и устройств в
гражданском секторе экономики (в системах управления воздушным движением,
в медицине, сельском хозяйстве, атомной промышленности, в промышленной
электронике – ускорителях заряженных частиц, технологических установках
нагрева, спекания и специальной обработки различных материалов, на железно-
дорожном и автомобильном транспорте и пр.). Бурное развитие в последние годы
систем локальной и беспроводной связи также предопределяет широкое приме-
нение изделий СВЧ-электроники и информационных и телекомуникационных
технологий с обеспечением широкополосного доступа абонентов к источникам
информации. Интенсивно развиваются оптоволоконные сети и линии связи на
основе внедрения технологий GPON, распространения сети Интернет, освоения
методов электронного правительства и перехода к цифровым методам формиро-
вания, обработки и вещания телевизионной информации. Количество абонентов
сети Интернет в России (41 млн) превысило аналогичные показатели Франции
и Великобритании и продолжает стремительно расти; средняя скорость доступа
составляет 10 Мб/сек, причем возможности технологии GPON уже достигли
1 Гб/сек. Развиваются домашние мультимедийные сети DLNA и интернет-теле-
видение IPTV, технологии ОТТ, доставка телевизионной и иной информации,
помимо эфирного, кабельного и спутникового вещания, через мобильные сети
по новым технологиям 3G, 4G, LTE и др. В Москве, Санкт-Петербурге и ряде
других городов осуществляется полный переход на оптоволоконные линии. В на-
стоящее время, однако, подавляющая часть оборудования сетей – зарубежного
производства.
Эти процессы и необходимость импортозамещения требуют разработки и энер-
гичного освоения производства, а также эксплуатации новых типов абонентских
и линейных терминалов оптоволоконных сетей, а реально осуществляющаяся на
практике конвергенция различных видов доставки информации и потребления ин-
формационных услуг связана c созданием принципиально новых типов абонентской
аппаратуры – семейства многофункциональных терминалов и цифровых приставок
различных комбинаций функциональности, благодаря которым телевизор стано-
вится интерактивным терминалом и центром индивидуальной информационной
(справочной, учебной, развлекательной) системы. Ее возможности дополнительно
расширяются с переходом в течение ближайшего пятилетия на телевидение сверх- и
ультравысокой четкости, объемное, затем голографическое и т.д.
При этом решение задач импортозамещения в России должно рассматриваться
не как создание аналогов конкретных электронных компонентов СВЧ, а как создание
соответствующего технологического базиса, позволяющего проектировать и создавать
электронные компоненты СВЧ с заданными техническими и эксплуатационными ха-
рактеристиками.
Потенциальная емкость гражданского рынка в России в первую очередь опре-
деляется действующими и развертываемыми системами, такими как:
– аппаратура систем управления воздушным движением, включающая: аэро-
дромные и трассовые локаторы, глиссадные маяки, метеолокаторы, системы
навигации и связи;
– аппаратура глобальной навигационной системы позиционирования
«ГЛОНАСС»;
– аппаратура систем сотовой и беспроводной связи;
– системы цифрового телевидения и связи;
– оптоволоконные инфокоммуникационные сети;
– радиорелейные линии связи;
– системы идентификации грузов;
– системы спасения на море и на суше;
– системы управления движением автомобильного транспорта;
– изделия личного пользования, такие как: портативные навигаторы глобаль-
ных навигационных систем «Navstar» и «ГЛОНАСС», радиомаяки, пейджеры,
радиотелефоны и др.
В соответствии с Вассернаанскими международными соглашениями, участ-
ником которых является и Российская Федерация, существуют государственные
ограничения на экспорт (распространение) приборов, устройств и технологий
двойного назначения, которые могут быть использованы при создании вооружения
и военной техники. Эти ограничения после подписания всеми сторонами вводятся
в каждой из стран-участниц соответствующими решениями Правительства. Раз в
несколько лет эти ограничения пересматриваются и, соответственно, переиздаются.
В Российской Федерации действует аналогичный документ – Указ Президента РФ
от 5 мая 2004 г. № 580. В части СВЧ-техники эти ограничения затрагивают доста-
точно широкую номенклатуру приборов, устройств и технологий их разработки и
производства.
Наряду с другими, эти ограничения затрагивают приборы и устройства СВЧ
в диапазонах выше 31 ГГц. Именно в этих диапазонах (40, 60, 90–100 ГГц) раз-
рабатываются системы высокоточного оружия, системы скрытой связи, высо-
коскоростные системы беспроводной связи и телекоммуникационные системы
большой емкости. Это предопределяет необходимость их создания в Россий-
ской Федерации, поскольку их импорт из-за рубежа в промышленных объемах
для разработки и производства соответствующих систем практически недо-
ступен.
В условиях жесткой конкуренции на международном рынке вооружений
существует необходимость сохранения лидерства в области основных СВЧ-
10.2. Состояние и тенденции развития технологий СВЧ-электроники 713
в Российской Федерации
компонентов, обеспечивающих превосходство тактико-технических характе-
ристик систем отечественного радиоэлектронного вооружения, обеспечения
технологической независимости СВЧ-компонентов как при разработке (модер-
низации) и производстве, так и при боевом применении, эксплуатации и ремон-
те ВВТ.
Высокие требования, предъявляемые к перспективным системам и комплек-
сам различного функционального предназначения (различные степени энерге-
тического обеспечения – от долей ватт до нескольких сотен мегаватт, необхо-
димость функционирования в различных частотных диапазонах с различными
полосами рабочих частот и различными видами сигналов, снижение массогаба-
ритных показателей в 10–40 раз, повышение в 5–30 раз их надежности, обеспе-
чение высокой стойкости к механическим перегрузкам до 40 000g, значительное
расширение функциональных возможностей информационных систем, систем
высокоточного оружия, радиолокационных головок самонаведения, систем
РТР, РЭП и др.), определяют необходимость развития всех групп изделий СВЧ
с приоритетным развитием изделий твердотельной СВЧ-электроники, а также
мощных вакуумных СВЧ-приборов миллиметрового и террагерцового диапа-
зонов.
Области использования частотного диапазона радиоэлектронными средствами
различного назначения и достигаемый при этом энергетический потенциал раз-
личными группами приборов СВЧ показаны на рис. 10.1. В скобках приведены наи-
более характерные для указанных здесь РЭС временные циклы работы (отношения
длительности излучаемых импульсов к периоду их повторения).
10.2.2. Основные направления исследований и разработок
в сфере деятельности технологической платформы
10.2.2.1. Направления развития отечественных СВЧ-приборов
на период до 2020 г.
Основными видами радиоэлектронной аппаратуры вооружения и военной техники
(РЭА ВВТ), определяющими уровень требований, предъявляемых к параметрам
изделий электроники СВЧ, являются радиолокационные станции ПВО, ПРО и
разведывательно-ударных комплексов, средства радиотехнической разведки и
РЭП, средства связи различного назначения, радиопередающие и радиоприемные
устройства активных головок самонаведения ракет различного базирования, радио-
электронные средства систем высокоточного оружия.
Исходя из этого на период до 2020 г. сформированы направления развития
основных классов приборов и устройств СВЧ и соответствующих технологических
базисов (табл. 10.3–10.5).
Приборное направление развития включает в себя три раздела:
– твердотельная электронная компонентная база СВЧ;
– электровакуумные приборы СВЧ;
– ферритовые приборы СВЧ.
В табл. 10.3 представлены основные направления развития твердотельной
электронной компонентной базы СВЧ – основные тактико-технические харак-
теристики (ТТХ) и запланированные для достижения их численные значения (на
2011, 2015 и 2020 гг.).
Здесь перечислены основные ТТХ для следующих классов СВЧ-приборов:
– генераторные СВЧ-диоды на широкозонных полупроводниковых матери-
алах;
– транзисторы СВЧ генераторные;
– транзисторы СВЧ малошумящие;
– МИС генераторы малошумящие и высокостабильные;
– МИС генераторы с электрической перестройкой частоты;
– твердотельные генераторы шума;
– МИС малошумящие широкополосные усилители;
– МИС усилители мощности;
– МИС сверхширокополосные усилители мощности;
– МИС и функциональные устройства для приемопередающих модулей АФАР
Х-диапазона;
– модули-синтезаторы частот для РЛС и средств радиоэлектронной борьбы;
– МИС-преобразователи сигналов (умножители, делители, коммутаторы,
детекторы и др.).
В табл. 10.4 представлены основные направления развития и ТТХ электрова-
куумных приборов СВЧ:
– широкополосные ЛБВ средней и большой мощности и непрерывного дей-
ствия;
– ЛБВ импульсного действия средней мощности для РЛИ;
– ЛБВ бортовых космических средств связи;
– клистроны широкополосные мощные непрерывного действия для средств
тропосферной связи;
– клистроны импульсного действия для ВТО бронетанковой техники;
– мощные импульсные клистроны для РЛС обнаружения и целеуказания;
– мощные импульсные клистроны миллиметрового диапазона волн для ин-
формационных РЭС наземного и космического базирования;
– мощные импульсные гироусилители (ЛБВ, клистроны) для РЛС наземного
базирования;
– бесканальные импульсные магнетроны для бортовой РЭА;
– импульсные магнетроны миллиметрового диапазона волн для мобильных
РЭС ВТО;
– импульсные магнетроны, синхронизируемые в миллиметровом диапазоне
для мобильных РЛС;
– сверхмощные импульсные усилители и генераторы сантиметрового диапазона
для энергетических средств поражения;
– сверхмощные непрерывные ЛБВ для РЛС.
В табл. 10.5 представлены основные направления развития ферритовых при-
боров СВЧ:
– ферритовые вентили и циркуляторы высокого уровня мощности;
– ферритовые фазовращатели;
– СВЧ перестраиваемые фильтры на МСВ.
Основными потребителями СВЧ-приборов и устройств с вышеприведенными
значениями основных технических параметров являются предприятия радио-
электронного профиля, занимающиеся разработкой и организацией серийного
производства радиоэлектронной аппаратуры гражданского, двойного, а также
специального назначения.
Наиболее крупными из них являются предприятия ракетно-космической
отрасли, входящие в состав Объединенной ракетно-космической корпорации и
Федерального космического агентства «Роскосмос», предприятия государственной
корпорации «Ростехнологии», а также широкий спектр предприятий оборонно-про-
мышленного комплекса, выпускающие судовые и автомобильные радары, системы
радиосвязи и телекоммуникаций.
10.2.2.2. Основные направления развития отечественных технологий
изготовления СВЧ-приборов и устройств
Исходя из вышеизложенного и потребностей рынка гражданской продукции и
продукции двойного назначения, сформированы направления исследований и
разработок, наиболее перспективные для развития в рамках ТП «СВЧ-технологии».
При этом исследования и разработки формируются по трем взаимозависимым на-
правлениям, представленным на рис. 10.2.
Исследования и разработки в области электронного материаловедения и в об-
ласти электронных СВЧ-компонентов рассматриваются как базис для разработки и
внедрения радиоприборостроительных технологий в качестве финального продукта
ТП, имеющего перспективный рынок.
Наиболее перспективными для исследований и разработок в рамках ТП «СВЧ-
технологии» являются следующие технологические направления.
1. В области электронного материаловедения:
1.1. Создание оптимизированных приборных гетероструктур на основе арсенида
галлия с удельной плотностью мощности более 1,5 Вт/мм.
1.2. Создание оптимизированных гетероструктур на основе нитрида галлия и
других широкозонных материалов для мощных СВЧ-приборов в дециметровых,
сантиметровых и миллиметровых диапазонах длин волн.
1.3. Создание алмазных приборных структур.
1.4. Создание гетероструктур на основе узкозонных полупроводниковых ма-
териалов (антимонидов) для СВЧ-приборов и устройств с малым потреблением.
1.5. Создание МЭМС и НЭМС структур.
1.6. Создание нового поколения ферритовых материалов.
1.7. Разработка новых видов катодных материалов.
1.8. Разработка и серийное освоение композитных конструкционных мате-
риалов на основе Al-SiC для корпусов и оснований электронных модулей нового
поколения.
2. В области электронных СВЧ-компонентов.
2.1. Создание приборных рядов СВЧ-транзисторов и МИС на основе Si, GaAs,
SiGe, антимонидов в дециметровых, сантиметровых и миллиметровых диапазонах
длин волн.
2.2. Разработка и создание твердотельной элементной базы генерации и детек-
тирования излучения терагерцового диапазона.
2.3. Исследования по совершенствованию технологии создания и конструкций
СВЧ-транзисторов и МИС на основе гетеростуктур традиционных полупровод-
никовых материалов: кремния и арсенида галлия в целях получения предельно
достижимых электрических и эксплуатационных параметров.
2.4. Разработка технологии создания СВЧ-транзисторов и МИС на основе
широкозонных полупроводниковых материалов (GaN, SiC, InP, алмаз, графен), в
том числе КВЧ-диапазона (60–200 ГГц).
2.5. Разработка технологии создания многофункциональных однокристальных
МИС СВЧ, включающих в свой состав аналоговые, ключевые и цифровые схемы
класса «система на кристалле».
2.6. Разработка технологии создания многофункциональных многокристальных
СВЧ-модулей класса «система в корпусе», в том числе на основе использования
многослойных керамических плат с встроенными пассивными компонентами и
цепями согласования.
2.7. Разработка технологии создания и базовых конструкций мощных много-
лучевых малогабаритных электровакуумных приборов и комплексированных
устройств на их основе с низкими уровнями питающих напряжений.
2.8. Разработка создание СВЧ-приборов и устройств на новых физических
принципах действия, в том числе гироприборов, приборов с ВТСП-магнитными
системами, усилителей оротронного типа.
2.9. Создание микровакуумных СВЧ-приборов на основе автоэмиссионных и
вторичноэмиссионных катодов.
2.10. Исследования по созданию алгоритмов, моделей и программного обе-
спечения для решения двух- и трехмерных электронно-оптических задач и моде-
лирования электровакуумных приборов СВЧ (клистронов и ламп бегущей волны),
ориентированных на использование кластерных вычислительных систем, много-
процессорных систем и графических ускорителей.
2.11. Разработка технологии создания и базовых конструкций мощных ваку-
умных СВЧ-приборов миллиметрового и террагерцового диапазонов и комплек-
сированных устройств на их основе.
3. В области СВЧ-радиоприборостроения:
3.1. Создание оптимизированных для массового производства и использования
в бытовых условиях технологий управления абонентским устройством с помощью
жестов и голосовых команд.
3.2. Создание малогабаритных радиолокационных систем с АФАР в сантимет-
ровых и миллиметровых диапазонах длин волн.
3.3. Разработка технологии создания комплексированных сложнофункцио-
нальных блоков и радиоэлектронных устройств на основе нового поколения СВЧ
ЭКБ с высокой плотностью компоновки комплектующих для информационных
и телекоммуникационных систем.
3.4. Разработка и серийное освоение аппаратуры широкополосной беспро-
водной связи, навигации и интеллектуальных многофункциональных приемных
устройств и терминалов инфотелекоммуникационных сетей.
3.5. Разработка и серийное освоение аппаратуры радиорелейных систем связи
и телекоммуникаций Е-диапазона.
3.6. Разработка комплексов специального назначения (досмотровые комплексы,
охранные системы, системы радиолокационного наблюдения).
3.7. Разработка высокоточного метрологического оборудования, включая обо-
рудование технологических цепочек разработки и производства СВЧ ЭКБ.
Все эти направления исследований взаимосвязаны между собой и ориенти-
рованы на развитие рынков продукции прежде всего двойного и гражданского
назначения.
В табл. 10.6 представлены основные направления развития базовых технологий
изготовления СВЧ-приборов и устройств на среднесрочный период (2011–2015 гг.).
10.3. Арсенид-галлиевые технологии изготовления
СВЧ-приборов
Промышленные технологии GaAs МИС формировались в 1980–1990-е гг., когда
различные компании стремились организовать собственное GaAs-производство.
Однако сейчас большинство из них для изготовления МИС частично или полностью пользуются услугами специализированных контрактных производств – так
называемых foundries [2]. Ведущие контрактные производители на мировом рынке
GaAs-микросхем – компании TriQuint Semiconductor (GCS) – 6%. Продукция этих
компаний предназначена в основном для массового рынка МИС для различных
устройств и систем мобильной связи. Наиболее крупные европейские компании –
United Monolithic Semiconductor (UMS) и OMMIC – специализируются главным об-
разом на мелкосерийном выпуске схем аэрокосмического и военного назначения, но
вместе с тем стремятся расширить свое присутствие на глобальном рынке GaAs МИС.
Так, компания UMS открыла дизайн-центр в Бостоне и офис по продажам в Шанхае.
Наиболее крупные компании-foundries обрабатывают GaAs-пластины диаме-
тром 150 мм и выполняют заказ в течение шести-восьми недель. Компания WIN
гарантирует исполнение заказа в срок от 23 до 48 календарных дней. Некоторые
компании с небольшим объемом выпуска сохраняют производственные линии по
обработке пластин диаметром 100 мм. Типичная производительность foundries – от
нескольких сотен до нескольких тысяч пластин в месяц. Многие контрактные про-
изводители, помимо выпуска МИС, оказывают различные услуги в проектировании,
моделировании, корпусировании и испытаниях. При этом сами они пользуются
услугами других специализированных компаний по программному обеспечению,
графическим системам и т.п.
Ряд крупных компаний, таких как Northrop Grumman, Cobham, Raytheon, BAE
Systems, которые имеют собственное производство МИС и одновременно участвуют
в больших правительственных программах по созданию радиоэлектронных систем
вооружений, тоже предлагают специальные услуги. К менее крупным компани-
ям, имеющим собственные производственные мощности, относятся М/А-СОМ
Technology Solutions, Skyworks, Anadigics, Avago, RFMD и Eudyna/Sumitomo. Как
правило, каждая такая компания, помимо разработки новых технологических про-
цессов, владеет и определенным числом отработанных и сертифицированных про-
цессов, которые она предлагает заказчику (табл. 10.7).
Прежде чем более детально рассмотреть состояние GaAs-технологии на миро-
вом рынке, кратко рассмотрим одно из направлений отечественной промышленной
технологии – технологии изготовления малошумящих СВЧ-транзисторов.
10.3.1. Отечественные арсенид-галлиевые технологии изготовления
малошумящих транзисторов СВЧ- и КВ-диапазонов
Необходимость постоянного продвижения в область все более высоких частот,
уменьшения уровня шумов и повышения коэффициента усиления приемопе-
редающей аппаратуры, что ведет к увеличению дальности приема, снижению
энергопотребления, массы и габаритов аппаратуры, требует совершенствования
элементной базы приемопередающей аппаратуры и в первую очередь малошумя-
щих полевых транзисторов с барьером Шоттки СВЧ- и КВЧ-диапазонов частот на
соединениях А3В5.
Кратко рассмотрим особенности конструкции и технологии изготовления этих
приборов на примере разработок ГУП «НПП «Пульсар», который является одним
из ведущих предприятий в области разработки малошумящих транзисторов на
GaAs [3]. Именно его специалистами была разработана первая серия отечествен-
ных малошумящих транзисторов (ЗПЭ20, ЗПЭ21, ЗПЭ24, ЗП325, 3H326, ЗПЗЗО,
ЗПЗЗ1, ЗП343, ЗП344, ЗП351, ЗП353, А818, А859, А860) с применением для фор-
мирования субмикронных затворов как фотолитографии короткого ультрафиолета,
так и электронной литографии.
Эти транзисторы впоследствии выпускались на заводе «Пульсар» или в НПО
(впоследствии АООТ) «Планета» (г. Новгород).
В НПП «Пульсар» впервые в России были получены образцы малошумящих
транзисторов на гетероструктурах AlGaAs/GaAs, сопоставимые по параметрам с
зарубежными аналогами, и организован их серийный выпуск [4].
В период 1993–2001 гг. за рубежом высокими темпами развивалась технология
изготовления приборов на основе GaAs и других соединий А3В5, что повлекло за
собой значительное повышение уровня используемого технологического обору-
дования. Появились первые установки молекулярно-лучевой эпитаксии, позволя-
ющие выращивать гетероструктуры на основе соединений А3В5 (псевдоморфные,
метаморфные на основе GaAs и InP) диаметром до 150 мм, установки электронной
литографии, позволяющие реализовать затворы длиной менее 0,1 мкм, установки
безмаслянной откачки для нанесения металлов и диэлектриков, плазмохимического
и ионнохимическо травления.
Следует отметить, что малошумящий транзистор требует использования гетеро-
структур на основе сверхчистых исходных слиточных и шихтовых материалов группы
А3В5 методами молекулярно-лучевой эпитаксии, получением новых резистов, с но-
выми процессами нанесения диэлектриков и металлов и процессами их травления.
Конструкция этого транзистора весьма чувствительна к атомному составу и
толщине легированных слоев, уровню их легирования, толщине спейсера, тол-
щине канала и уровню его чистоты. Это позволяет подавить процессы рассеяния
электронов, минимизировать флуктуации электронного тока и, следовательно,
шум транзистора.
В НПП «Пульсар» на протяжении ряда лет проводились работы в этом направ-
лении с целью создания базовой технологии изготовления транзисторов. В част-
ности, с использованием трехслойной системы резистов (ЭРП-1, ЭЛП-9, ЭРП-1)
с помощью установки электронного экспонирования ZBA20 (21) с минимальным
размером штампа (0,2 × 0,2 мкм) были получены Т-образные затворы длиной
0,28 мкм (рис. 10.3). Однако данная технологическая схема в реальных условиях
является плохо воспроизводимой (зависимость от качества резиста, точности на-
несения, стабильности работы установки ZBA и т.п.).
Использование конструкций транзисторов с «воздушными мостами» (рис. 10.4)
и, следовательно, с большим количеством межсоединений тоже страдает плохой
воспроизводимостью результатов и требует использования высокопрецезионного
и дорогого технологического оборудования.
В ходе экспериментальных исследований было показано, что оптимальное со-
четание шумовых и усилительных свойств имеют транзисторы, изготовленные на
основе гетероструктур с равномерным или импульсным легированием.
Были спроектированы оптимальные унифицированные топологии транзи-
сторов с линейной конструкцией затвора, причем транзисторы для различных
диапазонов частот отличаются только шириной затвора. По результатам расчетов
и моделирования работы транзисторов определены оптимальные величины ши-
рины затвора для каждого частотного диапазона. Для данной унифицированной
топологии разработаны технологический маршрут и технологические операции,
позволяющие с высокой воспроизводимостью реализовать максимально возмож-
ные параметры транзисторов на существующем технологическом оборудовании.
Разработанная отечественная базовая технология позволяет серийно изго-
тавливать транзисторы для диапазона 4–60 ГГц по технологически наиболее про-
стому маршруту, обеспечивающему минимальный уход линейных размеров при
формировании затворов транзисторов и сочетающему электронную литографию и
фотолитографию с процессом ионнохимического «сухого» травления диэлектрика,
что в итоге позволяет получать длины затворов в диапазоне 0,3–0,4 мкм. Кроме
этого, характерной особенностью данной отечественной технологии является
наличие маркерных знаков (М3) на рабочей пластине, которые формируются на
этапе создания омических контактов. Многочисленные эксперименты показали,
что применение электронной литографии (формирование элемента минимального
размера) целесообразно лишь на этапе формирования затвора, а точнее, на самой
критической операции – при формировании узкой затворной щели и чуть более
широкой полоски при формировании Т-образной формы затвора.
На основе разработанной базовой технологии на предприятии изготавлива-
ются малошумящие транзисторы с длиной затвора 0,3–0,35 мкм на частоты 4, 12,
37, 60 ГГц с коэффициентами шума Nf = 0,5; 0,8; 1,9; 2,9 дБ и коэффициентами
усиления 12; 10; 6,5 дБ соответственно.
На рис. 10.5 показана топология транзистора на частоту 4 ГГц, на рис. 10.6 – внеш-
ний вид транзистора на частоту 12 ГГц, на рис. 10.7 – транзистор на частоту 37 ГГц.
Разработанная технологическая схема применима не только для изготовления
малошумящих транзисторов. В частности, по разработанной технологии произ-
водятся транзисторы средней мощности (с выходной мощностью до 500 мВт на
частоте 12 ГГц и 100 мВт на частоте 37 ГГц).
Унифицированная конструкция и базовая технология изготовления малошу-
мящих транзисторов в диапазоне частот 4– 60 ГГц (с длиной затвора 0,3–0,35 мкм)
позволяют производить малошумящие транзисторы на частоты 4, 12, 37, 60 ГГц,
параметры которых на частотах 4–12 ГГц находятся на уровне зарубежных ком-
мерческих транзисторов.
10.3.2. Зарубежные арсенид-галлиевые фабрики
Поскольку создание современного арсенид-галлиевого производства требует боль-
ших финансовых затрат, более 90% СВЧ-приборов для военных и коммерческих
применений производятся на специализированных фабриках (FAB). К услугам раз-
работчиков СВЧ-приборов эти фабрики предлагают широкий спектр технологий
с различными опциями и широкий набор базовых библиотечных компонентов.
Ниже рассмотрим технологические особенности базовых процессов и основ-
ные характеристики изготавливаемых СВЧ-приборов фабрик WIN Semiconductors
(Тайвань) и европейской United Monolithic Semiconductors corporation (UMS).
WIN Semiconductors
На рис. 10.8 представлена сводная диаграмма технологических возможностей
этой арсенид-галлиевой фабрики. Здесь производятся приборы для широкого
частотного спектра: от DС (< 1 ГГц) до 100 ГГц.
На рис. 10.9 представлена дорожная карта развития (roadmap) этой фабрики
применительно к монолитным СВЧ ИС на основе НВТ- и HEMT-элементов.
Для заказчика фабрика предлагает 10 различных технологических процессов с
различными встроенными опциями. Следует обратить внимание, что с 2014 г. эта
фабрика освоила 0,25-мкм технологический процесс изготовления высоковольтных
GaN HEMT (28 В) серии NP2500. Эта фабрика выполняет также технологические
операции бампирования для сборки мощных СВЧ-модулей с использованием
медной металлизации.
United Monolithic Semiconductors corporation
Корпорация UMS развивает ряд эффективных технологий изготовления высо-
кокачественных малошумящих и мощных монолитных СВЧ ИС и СВЧ-модулей
для различных сфер применения: военных, автомобилестроения, космоса, теле-
коммуникаций и промышленного применения.
Одним из несомненных достоинств этой фабрики является высокий уровень и
простота пользования дизайн-китами (Design Kits) и правилами проектирования
(Design Manuals) – разработчики различных СВЧ-приборов и СВЧ монолитных
схем достаточно легко осваивают процесс проектирования, причем специалисты
UMS обеспечивают оперативную поддержку процесса разработки проекта на лю-
бой его стадии.
Кроме того, инженерная служба UMS предоставляет заказчикам дополнитель-
ные услуги – обучение основам проектирования под фаундри (foundry training),
анализ и измерение изготовленных СВЧ-изделий непосредственно на пластине
(DС, RF, анализ шумовых характеристик, измерение мощностных характеристик и
др.). По желанию заказчика здесь можно провести и сборку в корпус изготовленных
СВЧ-приборов.
Так же как и на фабрике WIN Semiconductors, здесь изготавливаются СВЧ-
изделия для широкого спектра частот – от 1 до 100 ГГц.
На рис. 10.10 представлены основные технологические возможности произ-
водственных линий для всего частотного диапазона СВЧ-приборов. Используемые
технологические процессы обеспечивают возможности изготовления встроенных
в прибор MIM-емкостей, индуктивностей, металлических резисторов, фильтров,
трактов радиочастотной обработки сигналов.
В табл. 10.8 представлены детализированные для каждого из 13 технологических
процессов значения основных технических характеристик СВЧ-приборов (плот-
ность мощности, усиление, шумы и т.д.).
Одним из привлекательных моментов сотрудничества разработчиков СВЧ-
изделий с компанией UMS является возможность работы в режиме «мультипроекта»
(Multi Project Wafer – MPW). Это значит, что заказчик (разработчик СВЧ-изделия)
«выкупает» не всю пластину с изготовленными кристаллами, а только одну из ее
частей. На других частях пластины фабрика изготавливает кристаллы, разработан-
ные другими участниками (заказчиками) MPW по своим проектам, что позволяет
существенно сэкономить на стоимости разработки изделия. Запуски таких пластин
по базовым процессам фабрика выполняет регулярно – шесть раз в год (раз в два
месяца). Для нестандартных требований заказчика также существует возможность
работы в режиме MPW, при этом заказчик оплачивает только «свою» часть пластины.