Барів А А, Гущин С М НПФ «Микран», ВАТ «НІІПП» вул Вершиніна, д 47, м Томськ, 634034, Росія тел: +7 (3822) 413403, e-mail: a_barov@micranru

Анотація – Описується розробка GaAs МІС pin діодного комутатора

I                                       Введення

в ієрархічній структурі електрично керованих СВЧ напівпровідникових елементів pin ​​діоди на основі GaAs займають особливе місце Область додатки GaAs pin діодів обумовлена ​​властивостями напівпровідника У порівнянні з кремнієм GaAs має в кілька разів більшу рухливість і теплопередачу, але меншу ефективний час життя неосновних носіїв (Теффі) Внаслідок цього, нижній робочий діапазон даного напівпровідникового елемента обмежений кількома сотнями 1 \ / 1Гц По справжньому властивості GaAs pin діода проявляються в монолітно-інтегральної технології, коли на одній підкладці можливе обєднання кількох елементів У зарубіжній літературі є ряд публікацій з розробки GaAs pin діодних IVIMC [див, напр, 1-3], де зазначається їх Широкосмуго-ність і низький струм управління Додатковий інтерес до GaAs pin доданими IVIMC зявився з розвитком телекомунікаційного ринку в мм-діапазоні довжин хвиль [4, 5], що обумовлено високим показником комутаційного якості [6] одиночного pin діодного елементу

Розробка GaAs комутаційної МІС обумовлена ​​відсутністю вітчизняної елементної бази При розробці GaAs МІС pin діодного комутатора виникає ряд взаємоповязаних завдань з виготовлення напівпровідникової структури з необхідними параметрами, побудови технологічного маршруту і топології схеми У пропонованому доповіді наводиться результати власної розробки

II                              Основна частина

Розробку МІС комутатора умовно можна розділити на три етапи: матеріалознавча, технологічна і схемотехнічна Під матеріалознавчого розуміється розробка напівпровідникової структури, яка відповідає заданим вимогам під технологічної – процес виготовлення на напівпровідниковій структурі необхідної схемотехнической топології Аналіз літературних даних по pin доданими структурам з GaAs дозволив сформулювати вимоги до основних електрофізичних параметрах напівпровідникового матеріалу В якості визначального критерію застосовності pin диодной структури був обраний параметр Теффі Хід експериментальної роботи був наступний На проводять GaAs: Ті підкладках методом хлоридної газофазной епітаксії були вирощені різні типи pin діодних структур, які відрізнялися по товщині шарів, рівню та профілю легування Потім, на отриманих пластинах виготовлялися поодинокі pin діоди «вертикальної» структури, на яких проводилося вимірювання Теффі Через малого значення Теффі вимірювалося згідно [7] Результати вимірювань показали залежність Теффі від товщини i-шару, рівня і градієнта концентрації носіїв заряду в ньому Найбільше значення Теффі = 50нс отримано на структурі з товщиною i-шару ЗОмкм і концентрацією електронів менше 2> <10 ^ “‘см · ®. Зворотне пробивна напруга діодів становило 540В (ЮмкА).

Для визначення моделі одиночного pin діода експериментальні зразки монтувалися в стандартний мікрополоскові СВЧ тракт За виміряним амплітудно-частотних характеристиках у відкритому і закритому стані pin діода визначалися його еквівалентні параметри При площі переходу ОЗмм ^ і прямому струмі Юма еквівалентний опір діода склало 20м, а в закритому стані ємність діода склала 026пФ Слід зауважити дуже слабку залежність виміряної на ВЧ ємності діода від прикладеної зворотної напруги, при цьому величина ємності близька до значення, коли i-шар повністю збіднений вільними носіями заряду

Отримані еквівалентні параметри використовувалися для моделювання МІС На рис 1 приведена електрична схема двохпозиційного комутатора і топологія МІС

Рис 1 Електрична схема двохпозиційного комутатора (а) і топологія розробленої GaAs МІС (б)

Fig 1 Electric circuit of two-position switcher (a) and topology of GaAs MIC (6) designed

Особливістю МІС комутатора є те, що ланцюга живлення винесені за межі кристала Це дозволило значно спростити технологічний маршрут виготовлення МІС Перемикання напрямку передачі здійснюється за допомогою двох протифазних, біполярних керуючих сигналів

МІС виготовляється на епітаксіальної GaAs структурі, вирощеної на напівізолюючих підкладці На рис2 наводиться фрагмент конструкції кристала

Рис 2 Фрагмент конструкції кристала GaAs МІС pin діодного комутатора

Fig 2 Fragment of GaAs MIC pin-diode switch

Виділення активних областей під pin діоди проводиться за допомогою дворівневої мези Далі формувалися омические контакти і топологічний малюнок IVII / IC Габарити кристала IVII / IC 13x08x01 мм Заземлювальні отвори отримані шляхом хімічного травлення із зворотного боку і магнетронного напилення металу

На рис 3 наводиться розрахункові електричні характеристики розробленої IVII / IC комутатора

Рис 3 Розрахункові характеристики розробленої GaAs МІС деухпозіціонного комутатора в режимі пропускання та замикання

Рис 3 Розрахункові характеристики розробленої GaAs МІС деухпозіціонного комутатора в режимі пропускання та замикання

III                                  Висновок

Аналіз результатів експериментальних робіт з виготовлення GaAs напівпровідникових pin діодних структур дозволив виявити залежності основних електричних характеристик pin діодів, виготовлених на цьому матеріалі, від електрофізичних параметрів епітаксійного матеріалу Отримані залежності дозволяють керовано вирощувати епітаксіальні структури з необхідним Теффі в діапазоні 4-50 ні В результаті проведеної роботи виготовлені дискретні GaAs pin діоди «вертикальної» структури, придатні для використання в обмежувальних і комутаційних вузлах гібрідноінтегральних схем На базі експериментальних даних уточнена еквівалентна схема pin діода і розроблена топологія iVil / iC двохпозиційного комутатора

IV                           Список літератури

[1]  D J Seymour, D D Heston and R Ε Lehmann «Monolithic MBE GaAs Pin Diode Limiter» 1987 Microwave and Millimeter-Wave Monolithic Circuits Symposium Digest 871 (1987 [MCS]): 35-37

[2]  D D Heston, D J Seymour and D Zych «100 MHz to 20 GHz Monolithic Single-Pole, Two-, Three-, and Four- Throw GaAs PIN Diode Switches» 1991 MTT-S International Microwave Symposium Digest 912 (1991 Vol II [MWSYM]): 429-432

[3]  J —L Lee, D Zych, E Reese and D M Drury «Monolithic 2-18 GHz Low Loss, On-Chip Biased PIN Diode Switches» 1995 Transactions on Microwave Theory and Techniques 432 (Feb 1995 [T-MTT]): 250-256

[4]  Hideki Takasu, Fumio sasaki, Mitsuo Kawano, and Susumi Kamihashi «Ka-Band Low Loss and High Power Handling GaAs PIN Diode MMIC Pase Shifter for Reflected-Type Phased Array Systems» Asia-Pacific Microwave Conference, 1999

[5]  J V Bellantoni, D C Bartle, D Payne, G McDermott,

s Bandia, R Tayrani and L Raffaelli «Monolithic GaAs p-i-n Diode Switch Circuits for High-Power Millimeter-Wave Applications (Short Papers)» 1989 Transactions on Microwave Theory and Techniques 3712 (Dec 1989 [TMTT]

(1989 Symposium Issue)): 2162-2165

[6] СВЧ пристрою на напівпровідникових діодах Проектування і розрахунок Под ред Мальського І В, Сестро-Рецка Б В – М: Сов радіо, 1969, -579 с

[7] ГОСТ 189867-73 Методи вимірювання ефективного часу життя нерівноважних носіїв заряду

GaAs MMIC PIN DIODES SPDT SWITCHER

Barov A A, Gushchin S M

Micran Co, 47, Vershinina, Tomsk, 634034, Russia Ph: +7(3822) 413403, e-mail: a_barov@mlcranru

Abstract – Presented in this paper is the description of GaAs MMIC PIN diodes switch design The process included experimental part of pin diodes parameters determination Epitaxial wafers substance was produced using VPE

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2006р