автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Моделирование и проектирование монолитных интегральных схем малошумящих усилителей диапазона крайне высоких частот

На правах рукописи

? ...........................

Гнатюк Дмитрий Леонидович

МОДЕЛИРОВАНИЕ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ МОНОЛИТНЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ МАЛОШУМЯЩИХ УСИЛИТЕЛЕЙ ДИАПАЗОНА КРАЙНЕ ВЫСОКИХ ЧАСТОТ

Специальность 05.27.01 - Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 9 МДР 2012

Москва-2012

005013002

005013002

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники Российской академии наук

Научный руководитель: Мельников Александр Александрович

доктор физико-математических наук, доцент

Официальные оппоненты: Адамов Юрий Федорович

доктор технических наук, профессор, Институт проблем проектирования микроэлектроники РАН

Савельев Юрий Николаевич кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Филиал ФБУ «46 ЦНИИ Минобороны России»

Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное

предприятие «Научно-производственное предприятие «Исток» г. Фрязино

Защита состоится «24» апреля 2012 г. в 16 часов в аудитории В-211 на заседании Диссертационного Совета Д.212.131.02 при Московском государственном техническом университете радиотехники, электроники и автоматики по адресу: 119454 г. Москва, пр. Вернадского, д.78.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Московского государственного технического университета радиотехники, электроники и автоматики.

Автореферат разослан « / » 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, // кандидат технических наук, доцент

// Г

Вальднер В.О.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Современное состояние развития радиоэлектроники характеризуется активным освоением диапазона крайне высоких частот (КВЧ). К настоящему времени в ведущих развитых странах мира уже освоен и широко используется частотный диапазон до 40 ГГц. Преобладающими областями применена КВЧ-диапазона длин волн являются системы спутниковой связи, сотового телевидения, цифровой радиосвязи. Помимо этого данный частотный диапазон занят целым рядом систем гражданского и военного назначения.

Одной из особенностей современного этапа развития СВЧ-электроники является широкое применение монолитных интегральных схем (МИС). Особенность технологии МИС состоит в том, что помимо улучшения основных технических параметров радиоэлектронных средств, она позволяет повысить их надежность, сократить массогабарит-ные характеристики, уменьшить стоимость при серийном производстве.

Наряду с ведущими мировыми державами Россия также участвует в освоении КВЧ-диапазона, однако, в основном, в роли потребителя западных технологий в виде готовых изделий или элементной базы. Российская доля мирового рынка высоких технологий составляет порядка 0,5%.

Развитие производства отечественной электронной продукции не должно основываться на компонентной базе зарубежного производства. Во-первых, необходимо обеспечить национальную и информационную безопасность страны, а также ее технологическую независимость. Во-вторых, освоение массового производства отечественной конкурентоспособной радиоэлектронной аппаратуры повысит производственный и экономический потенциал страны. В-третьих, использование импортной элементной базы экономически не выгодно по критерию цена-качество.

Для обеспечения национальной и информационной безопасности были утверждены государственные меры по ускоренному развитию отечественной электроники и замене иностранной электронной компонентной базы отечественной в стратегически значимых системах, которые отражены в «Основах политики Российской Федерации в области развития электронной компонентной базы на период до 2010 года и дальнейшую перспективу» и в федеральной целевой программе «Развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники на 2008-2015 годы».

В настоящее время российскими производителями монолитных интегральных схем серийно освоен частотный диапазон лишь до 27,5 ГГц.

Наибольшую номенклатуру изделий выпускают такие известные предприятия как ФГУП «НПП «Исток» и НПФ «Микран». Поэтому освоение отечественной промышленностью МИС более высоких рабочих частотных диапазонов является стратегически важной задачей.

Настоящая работа посвящена разработке отечественных МИС мало-шумящих усилителей (МШУ) Ка-диапазона (26,5 - 40 ГГц), которые являются основой входного тракта любой приемо-передающей системы.

Одной из особенностей разработки высокочастотных МИС является применение библиотек элементов, встраиваемых в систему автоматизированного проектирования (САПР) и позволяющих учесть особенности конкретной технологии изготовления МИС. Преимуществами использов ания библиотек элементов являются повышение точности моделирования, удобство проектирования топологии, сокращение длительности циклов проектирования.

Однако методика расчетов на основе библиотечных элементов ммеет и недостаток, связанный с избыточностью. Жесткая привязка к конструктивным параметрам фиксированного количества библиотечных элем ентов и топологическим нормам проектирования ограничивает возможности разработчика лимитированным набором топологических решений. Это отрицательно сказывается на комплексе характеристик разрабатываемой схемы и может приводить к увеличению габаритных размеров кристалла, ухудшению линейности, широкополосности, росту потерь. Поэтому данный метод проектирования не является оптимальным для разработки высокочастотных МИС.

Целью настоящей диссертационной работы является совершенствование методики сквозного проектирования монолитных интегральных схем малошумящих усилителей (МИС МШУ) КВЧ-диапазона.

Для достижения поставленной цели в диссертации необходимо было решить следующие основные задачи:

- Разработать методику проектирования МИС МШУ, позволяющую проводить разработку схемы без использования специализированн ой библиотеки элементов;

- Построить модели транзисторов, адекватно описывающие динамические и шумовые характеристики отечественных высокочастотных СаА$ рНЕМТ-транзисторов;

- Создать методики измерений динамических и шумовых характеристик МИС МШУ непосредственно на рабочих пластинах без необ ходи-

мости резки пластины на кристаллы и их разварки в корпуса;

- Реализовать методику проектирования на практике на примере разработки МИС МШУ Ка-диапазона;

- Оценить адекватность разработанной методики проектирования путем экспериментальных исследований изготовленных образцов МИС МШУ Ка-диапазона.

Научная новизна.

1. Впервые в России созданы образцы МИС МШУ Ка-диапазона, имеющие динамические и шумовые характеристики на уровне мировых достижении и рекордно малый размер кристалла.

2. Выявлено возникновение систематической погрешности расчетов по разработанной методике проектирования, связанной с влиянием конструктивных параметров, которые не могут быть точно описаны методами, применяемыми в используемой САПР.

3. Построены линейная и шумовая модели транзисторов, адекватно описывающие характеристики отечественных GaAs рНЕМТ СВЧ-транзисторов с рабочими частотами до 67 ГГц.

4. Разработана методика зондовой калибровки анализатора шума, позволяющая с высокой точностью выполнять процедуры калибровки и измерений без необходимости перекоммутации составных элементов измерительного стенда.

5. Заложены схемотехнические, конструктивные и технологические основы создания МИС более высокочастотных диапазонов.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

1. Разработана методика проектирования высокочастотных монолитных интегральных схем малошумящих усилителей на основе электродинамических расчетов полного топологического проекта.

2. Разработанная методика проектирования внедрена в ИСВЧПЭ

РАН.

3. Создан программно-аппаратный комплекс для проведения вычислений согласно разработанной методике проектирования.

4. Созданы методики исследования параметров МИС МШУ до частоты 67 ГГц, и собраны соответствующие измерительные стенды.

5. Разработаны и исследованы образцы МИС МШУ Ка-диапазона.

6. Разработанные образцы МИС МШУ Ка-диапазона использованы ФГУП "ФНПЦ НИИИС им. Ю.Е. Седакова" в НИР «Форсаж».

7. Результаты исследований использовались в ходе выполнения сле-

дующих работ:

- НИР «Разработка базовой технологии изготовления встроенных интегральных антенных элементов для диапазонов частот 5 ГГц, 10-12 ГГц» (Государственный контракт от «18» мая 2010 г. №01.426.11.0019).

- НИР «Исследования по созданию конструктивно-технологического базиса монолитных интегральных схем крайне высоких частот в диапазоне 30-40 ГГц» (Государственный контракт от «13» сентября 2010 г. № 14.740.11.0136).

- НИР «Разработка базовых серийных технологий изделий микроэлектроники: систем на кристалле, в том числе в гетероинтеграции сенсорных и исполнительных элементов (СВЧ - усилители и встроенные антенны)» (Государственный контракт от «31» мая 2011 г. № 16.426.11.0031).

- НИР «Разработка базовых серийных технологий изделий микроэлектроники: микроэлектронных устройств различных типов (КВЧ монолитных интегральных схем на метаморфных наногетероструктурах)» (Государственный контракт от «12» сентября 2011 г. № 16.426.11.0046).

- НИР "Форсаж" (Заказчик ФГУП "ФНПЦ НИИИС им. Ю.Е. Седа-кова", дог. №34-1370 от 2.03.2009, ГЗ-Росатом).

- НИР "Форсаж-КВЧ-М" (Заказчик ФГУП "ФНПЦ НИИИС им. Ю.Е. Седакова", дог. №34-1384 от 31.03.2009, ГЗ-Росатом).

- ОКР «Пакет-8-И» (Заказчик ФГУП «НПП «Исток», договор №33/101-10 от 4 мая 2010 г.).

На защиту выносятся следующие положения:

1. Методика проектирования элементной базы КВЧ-диапазона на основе полного электродинамического расчета топологии схемы без использования специализированной технологической библиотеки элементов, позволяющая получать предсказуемые результаты, что особенно важно в связи с высокой стоимостью и большой продолжительностью одного цикла разработки и производства МИС.

2. Разработанные линейная и шумовая модели транзисторов, адекватно описывающие параметры СВЧ-транзисторов на высоких частотах и позволяющие выполнять проектирование усилителей КВЧ-диапазона.

3. Методики и результаты исследований динамических и шумовых характеристик разработанных МИС МШУ.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих всероссий-

ских и международных конференциях: 6-й Всероссийской конференции «Нитриды галлия, индия и алюминия - структуры и приборы» (Санкт-Петербург, 2008); Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (Севастополь, 2008); 9-й научно-технической конференции «Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА» (Звенигород, 2010); 6-й международной научно-практической конференции «Электронные средства и системы управления» в рамках конференции Школа-семинар «наноэлек-троника СВЧ» (Томск, 2010); 8-й Всероссийской конференции «Нитриды галлия, индия и алюминия - структуры и приборы» (Санкт-Петербург, 2011); Научно-практической конференции по физике и технологии наноге-тероструктурной СВЧ-электроники «Мокеровскпе чтения» (Москва, 2011); 2-й международной научно-технической конференции «Технологии микро - и наноэлектроники в микро - и наносистемной технике» (Зеленоград, 2011).

Публикации и личный вклад автора. По результатам исследований и разработок, представленных в диссертационной работе, опубликованы 20 печатных работ, в том числе 9 статей в рецензируемых журналах, рекомендованных списком ВАК, 6 статей в сборниках трудов конференций, 5 свидетельств о государственной регистрации топологий интегральных микросхем.

Автор принимал непосредственное участие в планировании и проведении работы, обработке и обсуждении полученных результатов, подготовке публикаций.

Лично автором выполнялась разработка методики проектирования МИС МШУ КВЧ-диапазона, моделирование принципиальных схем МШУ Ка-диапазона, разработка и электродинамические расчеты топологических проектов МШУ, подготовка информации для изготовления рабочих фотошаблонов, сборка и наладка измерительных стендов, разработка методики зондовых измерений коэффициента шума, проведение измерений параметров образцов МШУ и тестовых транзисторов.

Поименно сотрудники, работавшие совместно с автором по научным направлениям, имеющим отношение к теме диссертации, представлены в качестве соавторов публикаций.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы из 96 наименований. Содержание работы изложено на 122 страницах, включая 60 рисунков и 4 таблицы.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертационной работы, сформулирована цель исследований, представлена научная новизна и их практическая значимость, приведены положения, выносимые на защиту.

В первой главе описано современное состояние в обла сти разработки МИС МШУ Ка-диапазона. Рассмотрены способы их построения, использованные топологические и технологические решения.

Проанализирована информация о серийно выпускаемых образцах МШУ разных производителей с рабочими частотами до 44 ГГц, которые были разработаны в период от 1999 до 2010 года. Подавляющее большинство усилителей изготовлены на основе ОаЛя рНЕМТ-гстероструктур с применением технологии формирования затворов от 0,15 м км до 0,25 мкм.

Условно все усилители можно разделить на две груп пы: усилители с монотонно изменяющейся зависимостью коэффициента усиления и усилители, имеющие в частотной характеристике коэффициента усиления так называемую «полку». Усилители первой группы в заяг .ленном рабочем диапазоне, как правило, имеют большую неравномерность коэффициента усиления, достигающую 4 - 5 дБ и более. Усилители втот/юй группы имеют либо равномерную зависимость коэффициента усиления, либо, в случае широкополосных моделей с полосой в пределах окта-зы, имеют помимо «полки» участок с монотонным убыванием коэффицие; гга усиления.

Усилители первой группы имеют меньший коэффициент шума по сравнению с усилителями второй группы, как правило, не превышающий 2,5дБ, а минимально достижимый коэффициент шума на отдельных частотах достигает 1,4 дБ. Усилители второй группы, к-ак правило, имеют коэффициент шума 2,5 - 3,5 дБ. В ряде усилителей обеих групп наблюдается рассогласование по входу до значений, превьшлающих -10 дБ, что в абсолютных величинах соответствует коэффициенту стоячей волны но напряжению более 2. Таким образом, рекордно ма лые значения коэффициента шума на гетероструктурах типа ОаАй рНЕМ Т достигаются за счет повышения неравномерности коэффициента усиления и уровня отражения по входу. В некоторых случаях низкий коэф фициент шума достигается за счет небольшого коэффициента усиления.. Попытки обеспечить одновременно достаточно высокий коэффициент усиления с малой неравномерностью и низкий уровень отражения по вх оду и выходу приводят к возрастанию коэффициента шума до типичных значений на уровне 2,5 - 3,5 дБ. При этом типовая неравномерность коэффициента шума усилителей обеих

групп в рабочей полосе лежит в пределах 0,5 - 0,7 дБ.

Анализ топологии усилителей показывает, что все они построены по микрополосковой технологии на подложках (л а Аз толщиной не более 100 мкм. Усилители имеют от 2 до 4 каскадов, некоторые из них построены по балансной схеме. Несмотря на то, что во всех серийных образцах применена микрополосковая технология, в литературе описаны образцы МШУ на рНЕМТ-гетероструктурах в копланарном исполнении с низким коэффициентом шума (2 - 2,5 дБ) и конкурентоспособными значениями остальных параметров. Поэтому нельзя сделать вывод о принципиальном преимуществе одной технологии над другой.

Единственный отечественный аналог МИС МШУ Ка-диапазона, описанный в литературе, создан на основе СаАэ рНЕМТ-технологии и имеет микрополосковую конструкцию. В диапазоне 30 - 37,5 ГГц прибор имеет коэффициент усиления 15-18 дБ, согласование по входу и выходу не хуже -8 дБ. Однако усилитель является неустойчивым, в связи с чем не удалось провести корректные измерения коэффициента шума.

Помимо рНЕМТ-гетероструктур в литературе сообщается о применении метаморфных ОаАБ-гетероструктур и 1пР НЕМТ-гетероструктур для изготовления МШУ Ка-диапазона. Как известно, появление данных гетероструктур было обусловлено стремлением разработчиков повысить рабочие частоты МИС. Применение данных гетероструктур в МИС МШУ Ка-диапазона позволяет получать коэффициент шума порядка 1,2 - 2,5 дБ. Обращает на себя внимание и существенно меньшая потребляемая мощность метаморфных усилителей по сравнению с образцами на структурах рНЕМТ. Тем не менее, коэффициент шума сравним со значениями, полученными на ваАБ рНЕМТ МШУ. Для создания МШУ Ка-диапазона применяют также широкозонные гетероструктуры АЮа1Ч/ОаМ, обеспечивающие приемлемо низкий коэффициент шума. За счет высоких пробивных напряжений применение данных гетероструктур позволяет отказаться от схем ограничителей мощности во входных трактах. Однако, несмотря на ряд указанных преимуществ, из-за более высоких издержек производства и ряда технологических сложностей массовое применение гетероструктур 1пР НЕМТ, ОаАБ тНЕМТ и Оа\' НЕМТ в Ка-диапазоне в настоящее время является неоправданным, что подтверждается выбором крупных мировых производителей МИС в пользу применения ОаАя рНЕМТ-гетероструктур.

Вторая глава посвящена анализу методов моделирования и проектирования СВЧ МИС и разработке методики проектирования МИС КВЧ-диапазона.

Как известно, при разработке топологии СВЧ МИС возникает погрешность, если все схемные элементы рассматривать в квазистатическом приближении с использованием для их соединения традиционных методов на основе теории цепей. Основными причинами этого эффекта являются отсутствие учета электромагнитного взаимодействия между элементами схемы с распределенными параметрами, расположенными в непосредственной близости друг от друга, и возникновение высших мод колебаний на неоднородностях, например, на изгибах, стыках. Из теории поля известно, что уровень этого взаимодействия растет по мере увеличения рабочей частоты планарного устройства.

Обычно для проектирования МИС используют специально разработанные библиотеки элементов, которые описывают различные активные и пассивные компоненты схемы: транзисторы, микрополосковые линии, тройники, катушки индуктивности, конденсаторы. Модели библиотечных элементов строятся на основе результатов измерений соответствующих тестовых структур или электродинамических расчетов. С целью более полного учета электромагнитного взаимодействия могут быть построены модели не только отдельных элементов, но и ряда типовых узлов, таких как колебательные контуры, связанные линии, фильтры, согласующие цепи. Для снижения погрешности расчетов из-за возникновения неучтенных в моделях электромагнитных взаимодействий при использовании библиотечных элементов руководствуются специально разработанными топологическими нормами проектирования.

Создание изготовителем МИС собственной библиотеки элементов требует выполнения большого объема работы по разработке, изготовлению и исследованию набора тестовых структур, обработке данных, программированию моделей и их интеграции в САПР.

Однако применение в расчетах библиотечных элементов, тем более элементов, входящих в стандартный библиотечный пакет САПР, в общем случае не может гарантировать требуемую точность при разработке МИС КВЧ-диапазона в силу ряда причин. Во-первых, на высоких частотах элементы схемы имеют распределенные параметры. Они становятся «схемой», состоящей из собственно элемента, паразитных составляющих и неизвестных потерь поглощения. Значения паразитных составляющих зависят от рабочей частоты, индивидуальных особенностей и конструкции устройства, поэтому их величины практически невозможно точно рассчитать. Во-вторых, при помощи библиотечных элементов невозможно адекватно учесть электромагнитное взаимодействие между смежными элементами

схемы. Как известно, такой связью можно пренебречь, если расстояние между элементами составляет величину больше трех толщин подложки. В общем случае выполнение данного требования может быть нецелесообразным или невыполнимым, а недооценка данного эффекта может оказать негативное влияние на работу устройства. В-третьих, библиотечная модель рассматривает элемент схемы в отрыве от целого кристалла МИС. В связи с этим остаются неучтенными эффекты, обусловленные габаритными размерами устройства, формой контура металлизации заземления в копланар-ных схемах, местоположением заземляющих отверстий в микрополоско-вых схемах. В-четвертых, жесткая привязка к конструктивным параметрам фиксированного количества библиотечных элементов и топологическим нормам проектирования ограничивает возможности разработчика лимитированным набором топологических решений. Это отрицательно сказывается на комплексе характеристик разрабатываемой схемы и может приводить к увеличению габаритных размеров кристалла, ухудшению линейности, широкополосностн, росту потерь. В-пятых, технология производства разрабатываемого устройства и технология изготовления тестовых элементов для стандартного библиотечного пакета САПР в общем случае не совпадают. Применение разных материалов и технологий в производстве может внести дополнительную погрешность в расчеты.

Поэтому необходимо наличие методики, позволяющей выполнять разработку МИС КВЧ-диапазона без использования специализированной библиотеки элементов. В силу большой продолжительности цикла разработки и изготовления МИС, а также высокой стоимости производства, методика проектирования должна обеспечивать возможность достижения поставленного результата с первой итерации.

В соответствии со сформулированными выше ограничениями метода проектирования на основе библиотечных элементов необходимо, чтобы используемая .методика позволяла учитывать топологические особенности схемы, что достигается за счет выполнения электродинамических расчетов пассивных цепей проекта. Для удобства интеграции результатов электродинамического анализа топологии в схемотехнический расчет и повышения производительности вычислений предпочтительно использовать средство САПР, имеющее встроенный модуль для выполнения электродинамических расчетов.

В качестве таких САПР были рассмотрены программные продукты Microwave Office компании Applied Wave Research и Advanced Design System (ADS) компании Agilent Technologies. Microwave Office и ADS имеют

в своем составе программные модули EM-Sight и Momentum соответственно. Они являются 2.5-D электромагнитными симуляторами, предназначенными для анализа планарных устройств произвольной геометрии с использованием метода моментов.

Кроме того, важным фактором разрабатываемой методики проектирования является время выполнения расчетов. При разработке высокочастотных устройств нельзя быть полностью уверенными в полном соответствии результатов электродинамического и предварительного схемотехнического расчетов. Как правило, топологический проект необходимо дополнительно корректировать. Поэтому для повышения эффективности проектирования время, необходимое для расчета топологического проекта, должно быть достаточно мало для возможности анализа как можно большего числа итераций топологии за рабочий день. При этом должна обеспечиваться достаточно высокая точность вычислений.

Суть предложенной методики расчета заключается в следующем.

В первую очередь выполняется построение моделей транзисторов, на основе которых будет проводиться расчет принципиальной схемы. Для расчета СВЧ-характеристик МШУ могут быть использованы измеренные S-параметры тестовых транзисторов. При этом в расчетах следует использовать S-параметры, в которых исключен вклад контактных площадок тестового транзистора на результат измерения. Влияние контактных площадок на СВЧ-характеристики транзистора становится все более существенным по мере сокращения ширины затворов. Процедуру исключения вклада контактных площадок тестового транзистора на результат измерения принято называть деембеддингом (от англ. de-embedding).

Первичный деембеддинг выполняется аппаратно во время измерений при помощи специальных структур, изготовленных на рабочих пластинах вместе с транзисторами (рисунок 1).

Для более точного определения собственных параметров транзистора может быть выполнен программный деембеддинг. Для этого была построена линейная модель транзистора на основе эквивалентной схемы. Модель содержит как внутренние элементы транзистора, так и внешн ие, паразитные, связанные с наличием контактных площадок для СВЧ-зондов (рисунок 2). Исключив из принципиальной схемы внешние элементы, можно получить внутреннюю модель транзистора.

Полученная модель может также использоваться для определения внутренних параметров транзисторов, для которых отсутствуют специальные структуры для аппаратного деембеддинга.

. ' J

Рисунок 1 - Фотография тестового транзистора и структуры для деембединга контактных площадок

Lg Rg

Rd Ld

Рисунок 2 — Эквивалентная схема линейной модели рНЕМТ-транзистора

Разработка модели выполняется путем оптимизации параметров компонентов библиотечных моделей транзисторов, встроенных в САПР Microwave Office, или элементов эквивалентной схемы и сравнения результата расчета с результатом измерения тестового транзистора. В качестве библиотечной модели была выбрана линейная шумовая модель Поспешальского. Выбор в пользу данной модели был сделан в связи с тем, что по результатам предварительных исследований она наиболее точно описывала результаты измерения тестовых рНЕМТ-транзисторов.

Сравнению подлежали как S-параметры (рисунок 3), так и их производные величины: \h21\, MaxGain, Maison Gain, (рисунок 4).

CO

-ESi ________

02 Jp^

.л У

-Q.1

rax лхи зшш <xm saw вхт тага Частота, и~ц

ТТУП TTfTV Jtvn ~JJ_|J ттрл ТОЮ

частота, МГц

xm шо -сап чэггота, МГц

Рисунок 3 - Результат оптимизации переменных моделей по S-параметрам

100 1000 10000 Частота, МГц

100000

Рисунок 4 - Результат оптимизации переменных моделей по \h21\, MaxGain, Mason Gain

Критерием оптимизации служила минимизация разницы между двумя наборами 8-параметров (расчетных и экспериментальных) (рисунок 5). Поскольку в силу широкого набора переменных моделей имеется возможность достижения искомого результата несколькими способами, процесс оптимизации должен выполняться одновременно сразу для всех видов разрабатываемых моделей с использованием общих глобальных переменных. Этим достигается более высокая точность моделей.

О 10000 20000 30000 40300 50300 ЙЮ00 70000 Частота, МГц

Рисунок 5 - Результат оптимизации параметров разрабатываемых моделей

Для автоматизации процесса разработки моделей в Microwave Office была создана специальная программная среда. В результате этого удалось упростить и ускорить процесс построения моделей: вмешательство оператора в процесс ограничивается импортом в программу измеренных S-параметров тестового транзистора и инициированием расчета.

После разработки необходимых моделей транзисторов выполняется синтез и расчет принципиальной схемы усилителя. При этом используются стандартные библиотечные элементы САПР. Данный расчет носит предварительный характер. Основная его задача состоит в том, чтобы оценить принципиальную возможность достижения поставленных в техническом задании целей при помощи применяемых схемных решений, получить представление об ориентировочных номинальных значениях параметров элементов схемы, сделать выводы о возможности практической реалгоа-

ции разработанной схемы. В случае принятия положительного решения следует перейти к этапу электродинамического анализа топологического проекта.

С помощью модулей EM-Sight или Momentum пассивные элементы схемы могут заменяться на электродинамические модели. При этом для получети наиболее достоверных результатов необходимо выполнять электродинамический анализ не только отдельных элементов, но целых согласующих цепей, или, что наиболее предпочтительно - всей пассивной части схемы в целом. После выполнения электродинамического анализа его результаты импортируются в схемотехнический редактор, где выполняется окончательный расчет.

Для проверки адекватности предложенной методики и определения эффективности программных средств САПР были проведены эксперименты по проектированию, изготовлению и исследованию МИС МШУ Ка-диапазона.

В третьей главе приведены результаты проведенных экспериментов по разработке и исследованию МИС МШУ Ка-диапазона. Прежде всего, необходимо было решить задачу измерения характеристик изготовленных образцов МИС МШУ непосредственно на рабочих пластинах. Такой способ измерений позволяет проводить оперативную аттестацию и отбор изделий непосредственно после изготовления без необходимости выполнения операций по резке пластины, разварке и корпусированию кристаллов, а в некоторых случаях - проводить контроль изделий в процессе изготовления. Данный способ измерений получил название «зондовый», поскольку коммутация испытуемого устройства к измерительной аппаратуре осуществляется при помощи СВЧ-зондов.

В рамках данной работы исследовались малосигнальные S-параметры и коэффициент шума. Поскольку в настоящее время в мире задача прецизионных зондовых измерений S-параметров решена, то использовались готовые технические и программные решения для их проведения.

Однако для проведения прецизионных измерений коэффициента шума зондовым методом возникла необходимость разработки методики проведения калибровки измерительного стенда. Наиболее очевидный способ, используемый для проведения измерений в коаксиальном тракте (кор-пусированных микросхем), заключается в подключении эталонного источника шума к входу анализатора шума и проведении калибровки измерительного прибора. После калибровки источник шума устанавливается на

входной СВЧ-зонд и выполняются измерения. Для получения достоверных результатов измерений необходимо дополнительно учитывать потерн в кабелях и соединителях, расположенных до и после измеряемого прибора. Данный способ, однако, является неудобным с точки зрения необходимости перекоммутации источника шума и соединительных кабелей, что усложняет процесс измерении и приводит к ускоренному износу СВЧ-разъемов. Более того, перекоммутация составных элементов измерительного стенда после проведения калибровки вносит в результаты измерений дополнительную погрешность. Поэтому была разработана методика калибровки и измерений, не требующая перекоммутации компонентов измерительного стенда. Сравнение результатов измерений эталонных образцов МИС, выполненных по обеим методикам, показали, что разница между полученными результатами находится в пределах величины неопределенности измерения коэффициента шума для используемого измерительного прибора. Таким образом, полученная методика позволила облегчить процесс измерения коэффициента шума без ущерба точности измерений.

По предложенной в главе 2 методике был разработан проект МШУ диапазона 30 - 37,5 ГГц и выполнено моделирование его характеристик. МШУ был построен по трехкаскадной схеме с межкаскадными согласующими цепями. Для подачи питания на стоки транзисторов предполагалось использовать общую площадку питания с интегрированным в кристалл блокировочным конденсатором. Подача смещения на затворы не предусматривалась. Вывод транзисторов в рабочую точку должен был производиться посредством оптимизации начального тока гетероструктуры на этапе формирования затворов.

Результаты электродинамического моделирования показали, что в программе Microwave Office оказалось невозможным выполнить электродинамический расчет пассивной части схемы целиком в связи с потребностью значительных аппаратных ресурсов и машинного времени. Поэтому был выполнен только ограниченный электродинамический анализ пассивных элементов схемы. Однако программа ADS при тех же аппаратных ресурсах позволила провести расчет полной топологии пассивной части усилителя за достаточно небольшое время.

Разработанные образцы усилителей были изготовлены на гетерост-руктурной подложке GaAs рНЕМТ с грибообразными затворами с размером ножки 100 мкм. После проведения измерений малосигнальных S-параметров и анализа полученных результатов было установлено, что расчет, выполненный в Microwave Office, не соответствует результатам изме-

рений. Причиной этого явилось наличие неучтенных в расчетах паразитных связей вследствие невозможности проведения полноценного электродинамического анализа топологического проекта в целом.

Результаты расчета в ADS более точно соответствовали результатам измерений. При помощи электродинамических расчетов в ADS оказалось возможным выявить неучтенные паразитные связи и устранить или минимизировать их влияние на работу усилителя путем введения в проект заземленной металлизации между усилительными каскадами. Результаты исследований полученных образцов подтвердили достоверность расчетов как СВЧ-характеристик, так и шумовых параметров.

На основе анализа полученных результатов был сделан вывод о необходимости наличия в проекте усилителя контактной площадки для подачи смещения на затворы транзисторов. Как показали результаты измерения коэффициента шума тестовых транзисторов в 50-омном тракте, для ряда образцов минимальный коэффициент шума достигался при подаче небольшого смещения на затвор. Следовательно, наличие площадки для подачи смещения позволило бы не зависеть от однородности параметров гетероструктуры по пластине и повысить выход годных.

По результатам вышеприведенных исследований была проведена разработка окончательного проекта МИС МШУ Ка-диапазона, который сохранил преемственность схемных решений и технологии производства своего предшественника.

Электрическая схема усилителя представлена на рисунке 6, а фотография изготовленного кристалла - на рисунке 7. Размер кристалла составил 1,15x1,0 мм2, что чуть меньше, чем у предшествующего варианта МШУ (1,25x1,1 мм2).

Рисунок б - Электрическая схема 3-х каскадного МШУ Ка-диапазона

Ud

•а

Рисунок 7 - Фотография изготовленного кристалла МШУ Ка-диапазона

На рисунке 8 проведено сравнение СВЧ-характеристик МШУ при напряжении на стоке 2 В и напряжениях смещения на затворе равных соответственно OB и +0,37В. Из рисунка видно, что усилитель работает в заданной полосе частот 30 - 37,5 ГГц. При подаче смещения на затвор коэффициент S21 возрастает на 1 дБ, а зависимость S21 от частоты становится более равномерной. Коэффициент S21 в рабочей полосе достигает 22дБ, КСВ как на входе, так и на выходе не превышает 2, что свидетельствует о хорошем уровне согласования. Усилитель является безусловно устойчивым. Потребляемый ток достигает 60 мА.

Результаты исследования шумовых и усилительных характеристик МШУ в диапазоне 26,5 - 40 ГГц показаны на рисунке 9. Минимальный коэффициент шума был получен при смещении на затворе +0,4В. Это подтвердило правильность принятого решения о вводе в проект площадки для подачи смещения. В диапазоне 30 - 37 ГГц коэффициент шума принимает значения от 3,0 до 3,7 дБ, сохраняя высокую равномерность. Также обращает на себя внимание высокая равномерность коэффициента усиления в широком диапазоне частот.

Для сравнения на рисунке 10 приведены аналогичные характеристики нескольких образцов предыдущего варианта МШУ. Очевидно, что в новом варианте удалось сместить характеристики в заданный частотный диапазон, сохранив низкий уровень шумов и улучшив равномерность ко-

эффициента усиления. Усилитель является широкополосным с возможностью использования от 25 до 40 ГГц, т.е. во всем Ка-диапазоне.

35

Частота, ГГц

Частота, ГГц

Рисунок 8 - Частотные зависимости СВЧ-характеристик МШУ при напряжении на стоке 2В и напряжении на затворе 0В и 0,37В

Частота, ГГц

Рисунок 9 - Измеренные коэффициенты усиления (вверху) и шума (внизу) МШУ Ка-диапазона (окончательный вариант)

-I----1---1---1->-1-.-г

26

28 30 32 34 38 3 8 40 Члоота, ГГц

Рисунок 10 - Измеренные коэффициенты усиления (вверху) и шума (внизу) нескольких образцов МШУ Ка-диапазона (первый вариант)

В четвертой главе выполнен анализ полученных в работе результатов с целью оценки эффективности применения и адекватности предложенных методик и моделей.

Проведено сравнение разработанных образцов МШУ Ка-диапазона на йаАк рНЕМТ-гетероструктурах с зарубежными аналогами. Наглядно продемонстрировано, что уровень СВЧ- и шумовых характеристик разработанных усилителей соответствует современному мировому уровню, а по таким параметрам как размер кристалла и потребляемая мощность, разработанные усилители превосходят большинство из аналогов.

Сравнение результатов расчета СВЧ- и шумовых характеристик усилителей с результатами измерений показало, что они хорошо согласуются, однако наблюдается смещение характеристик друг относительно друга по оси частот на величину 5-6 ГГц (рисунок 11).

Данная особенность была выявлена для всех полученных в данной работе вариантов МШУ. Фиксированное и воспроизводимое смещение расчетных и экспериментальных характеристик по оси частот свидетельствует о наличии систематической погрешности предложенной методики проектирования.

Была проведена работа по выявлению причин возникновения систематической погрешности. В качестве основных причин рассматривались следующие:

- неточное соответствие используемых при расчетах справочных значений величин физических характеристик материалов (диэлектриче-

ской проницаемости подложки, диэлектрика конденсаторов, проводимости и тангенса угла потерь металлизации) их фактическим значениям на высоких частотах;

- систематическая ошибка, связанная с принятыми в 2.5-Б эмуляторах допущениями;

- неучтенные в расчетах конструктивные особенности изделия;

- некорректно реализованный механизм полной калибровки портов в используемой САПР;

- комплексное влияние вышеуказанных факторов.

25 30 35 40 Частота, ГГц

30 32 34 36 Частота, ГГц

20 25 30 35 40

Частота, ГГц

Л

О 7 Р 3 6 . ^ измерений

О ■ \ /

с 5 (\ 'V Ш ! \ Ч О 4 ' V V

Ь£

3

20

25 30 35 40 45

Частота, ГГц

50

Рисунок 11 - Сравнение расчетных и экспериментальных СВЧ-характеристик окончательного варианта МШУ

В результате проведения комплекса расчетов добиться наблюдаем ого частотного сдвига не удалось. Максимальное смещение характеристик составило не более 2 ГГц. Оно было достигнуто за счет вариации величин физических характеристик материалов. Следовательно, основной вклад в систематическую погрешность вносит влияние конструктивных парамет-

ров, которые не могут быть точно описаны методами, применяемыми в используемой САПР. Невозможность точного определения в 2.5-0 симуля-торе граничных условий диэлектрических слоев, отсутствие возможности определения условий для нижней границы подложки при проведении измерений (размещение подложки на приборном столике измерительного стенда) приводят к возникновению скрытого параметра вычислений, которым невозможно управлять. Но его величину можно зафиксировать, сохраняя постоянными внешние факторы, такие как материал и толщина подложки, технология изготовления, условия измерений.

В этом случае для учета систематической погрешности методики следует выполнять расчеты на более низкие частоты с учетом сдвига 5-6 ГГц. Эффективность такого решения была подтверждена экспериментально. Результаты практического применения методики показали принципиальную возможность ее использования для разработки СВЧ-усилителей с достаточно высокой точностью. Адекватность разработанной методики и моделей подтверждается результатами измерений.

Основные результаты работы и выводы:

1. Разработана методика проектирования МИС МШУ на основе электродинамических расчетов полного топологического проекта схемы, позволяющая проводить корректное моделирование рабочих характеристик изделий без использования специализированных библиотек пассивных элементов.

2. Созданы модели отечественных ваАя рНЕМТ-транзисторов, адекватно описывающие 1« линейные и шумовые характеристики вплоть до частоты 67 ГГц.

3. Разработана методика зондовой калибровки анализатора шума. Разработанная методика позволила упростить проведение процедур калибровки и измерений без снижения точности за счет исключения процедуры перекоммутации составных элементов измерительного стенда.

4. Экспериментально подтверждена эффективность разработанной методики проектирования на примере создания МИС МШУ Ка-диапазона.

5. Установлено, что предложенная методика проектирования имеет систематическую погрешность расчетов. Предложен способ учета влияния систематической погрешности на результат вычислений.

6. Разработанная методика проектирования СВЧ МИС внедрена в ИСВЧПЭ РАН и была использована в ходе выполнения ряда государственных контрактов и научно-исследовательских работ.

Список публикаций по теме диссертации

Список опубликованных работ по теме диссертации в журналах, вошедших в перечень ВАК:

1. Гнатюк Д.Л., Мокеров В.Г., Кузнецов А. Л. и др. AlGaN/GaN СВЧ НЕМТ-транзисторы с пробивным напряжением выше 100В и с предельной частотой усиления по мощности fmax до 100 ГГц // Физика и техника полупроводников-2009-том 43-вып. 4,-С. 561-567.

2. Гнатюк Д.Л., Бабак Л.И., Федоров Ю.В. и др. Копланарные монолитные усилители Ка-диапазона на основе 0,13 мкм GAAS тНЕМТ-технологии // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники-2010-№2 (22).-часть 1.-С. 20-24.

3. Гнатюк Д.Л., Черкашин М.В., Добуш И.М. и др. Разработка монолитного малошумящего усилителя диапазона частот 30 37,5 ГГЦ на GaAs рНЕМТ-гетероструктурах // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники - 2010 - №2 (22).- часть 1С. 34-37.

4. Гнатюк Д.Л., Федоров Ю.В., Галлиев Г.Б. и др. Монолитные интегральные схемы малошумящих усилителей КВЧ диапазона на GaAs рНЕМТ-гетероструктурах // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники - 2010 - №2 (22).- часть 1С. 49-55.

5. Гнатюк Д.Л., Мокеров В.Г., Бабак Л.И. и др. Разработка комплекта монолитных малошумящих усилителей X-диапазона на основе 0,15 мкм GaAs рНЕМТ-технологии // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники - 2010.- №2 (22).- часть 1,-С. 105-117.

6. Федоров Ю.В., Щербакова М.Ю., Гнатюк Д.Л. и др. НЕМТ транзистор на гетероструктурах In0,52AlO,48As/InO,53GaO,47As/In(),52AlO,48As/ InP с предельной частотой усиления по мощности до 323 ГГц // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники,- 2010.- №2 (22).-часть 1.- С. 191-197.

7. Гнатюк Д.Л., Мальцев П.П., Федоров Ю.В. и др. Разработка сверхвысокочастотной наноэлектроники // Нано - и микросистемная техника,-2010.-№11.-С. 14-16.

8. Матвеенко О.С., Гнатюк Д.Л., Галиев P.P. Интегрированные антенны на наногетероструктурах арсенида галлия // Нано- и микросистемная техника-2011.-№ 12.-С. 50-51.

9. Гнатюк Д.Л. Монолитный малошумящий усилитель Ка-диапазона на GaAs рНЕМТ гетероструктуре // Оборонная техника. - 2012. - №1. - С. 5-9.

Список опубликованных работ по теме диссертации в других печатных изданиях:

10. Гнатюк Д.Л., Мокеров В.Г., Бабак ЛИ. и др. Монолитные широкополосные малошумящие усилители Х-диапазона на основе 0,15 мкм GaAs р-НЕМТ технологии // Материалы 18-й Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии»,-2008,- том 1,-С. 63-64.

11. Гнатюк Д.Л., Федоров Ю.В., Галиев Г.Б. и др. Монолитный малошумящий усилитель диапазона 30-37,5 ГГц на р-НЕМТ гетероструктуре на подложке GaAs // Материалы IX научно-технической конференции «Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА».- М.: МНТОРЭС им. A.C. Попова, 2010,- С. 53-55.

12. Федоров Ю.В., Гнатюк Д.Л., Галиев P.P. и др. Усилители мощности КВЧ диапазона на гетероструктурах AIGaN/AlN/GaN/Сапфир // Материалы IX научно-технической конференции «Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА».- М.: МНТОРЭС им. A.C. Попова, 2010,-С. 44- 46.

13. Матвеенко О.С., Гнатюк Д.Л., Федоров Ю.В. Интегральный антенный элемент для диапазонов частот 5 ГГц, 10-12 ГГц // Материалы IX научно-технической конференции «Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА»,- М.: МНТОРЭС им. A.C. Попова, 2010.- С. 100-102.

14. Федоров Ю.В., Гнатюк Д.Л., Свешников Ю.Н. и др. МИС ультраширокополосных УМ диапазона частот 0.01-4 ГГц на гетероструктурах AlGaN/'GaN/Сапфир // Материалы IX научно-технической конференции «Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА».- М.: МНТОРЭС им. A.C. Попова, 2010,- С. 50-52.

15. Федоров Ю.В., Гнатюк Д.Л., Галиев P.P. и др. Исследования влияния толщины барьерного слоя гетероструктур AlGaN/AlN/GaN/Саифир на параметры НЕМТ КВЧ-диапазона // Материалы IX научно-технической конференции «Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА».- М.: МНТОРЭС им. A.C. Попова, 2010.-С. 47—49.

16. Федоров Ю.В., Гнатюк Д.Л. Широкополосный малошумящий усилитель / Свидетельство о государственной регистрации топологии интегральной микросхемы №2011630032 от 4 февраля 2011.

17. Федоров Ю.В., Гнатюк Д.Л. Монолитный интегральный ультраширокополосный усилитель мощности диапазона 0,01-4 ГГц на гетеро-структурах AlGaN/GaN / Свидетельство о государственной регистрации топологии интегральной микросхемы №2011630033 от 11 февраля 2011.

18. Федоров Ю.В., Гнатюк Д.Л. Монолитный интегральный трех-каскадный малошумящий усилитель КВЧ-диапазона / Свидетельство о государственной регистрации топологии интегральной микросхемы №2011630034 от 11 февраля 2011.

19. Мальцев П.П., Матвеенко О.С., Федоров Ю.В., Гнатюк Д.Л. Прямоугольный интегральный антенный элемент со встроенным малошу-мящим усилителем для диапазона 10-12 ГГц / Свидетельство о государственной регистрации топологии интегральной микросхемы №2012630008 от 10 января 2012.

20. Мальцев П.П., Матвеенко О.С., Федоров Ю.В., Гнатюк Д.Л. Прямоугольный интегральный антенный элемент со встроенным малошу-мящим усилителем для диапазона 5 ГГц / Свидетельство о государственной регистрации топологии интегральной микросхемы №2012630001 от 10 января 2012.

Подписано в печать 06.03.2012. Формат 60x84 1/16. Усл. печ. л. 1,40. Усл. кр.-огг. 5,58. Уч.-изд. л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ 116

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики" 119454, Москва, пр. Вернадского, 78

61 12-5/2350

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники

Российской академии наук

На правах рукописи

(У

I/

Гнатюк Дмитрий Леонидович

МОДЕЛИРОВАНИЕ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ МОНОЛИТНЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ МАЛОШУМЯЩИХ УСИЛИТЕЛЕЙ ДИАПАЗОНА КРАЙНЕ ВЫСОКИХ ЧАСТОТ

Специальность 05.27.01 - Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы

на квантовых эффектах

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Профессор, д.ф.-м.н. Мельников А.А.

Москва-2012

Содержание

Введение................................................................................. 4

1 Анализ современного состояния в области создания монолитных интегральных схем малошумящих усилителей Ка-диапазона............... 15

1.1 Выводы.......................................................................... 32

2 Разработка методики проектирования монолитных интегральных схем малошумящих усилителей КВЧ-диапазона.................................................. 34

2.1 Анализ методов моделирования и проектирования СВЧ монолитных интегральных схем.................................................... 34

2.2 Методика проектирования СВЧ монолитных интегральных схем на основе полного электродинамического расчета топологического проекта............................................................................................................... 46

2.2.1 Получение исходных данных для проектирования.............. 46

2.2.2 Построение моделей транзисторов.................................. 51

2.2.3 Моделирование принципиальной схемы и расчет топологического проекта малошумящего усилителя.......................... 58

2.3 Выводы.......................................................................... 59

3 Разработка и экспериментальные исследования образцов монолитных интегральных схем малошумящих усилителей Ка-диапазона............... 62

3.1 Методика экспресс-анализа малосигнальных Б-параметров......... 62

3.2 Методика экспресс-анализа коэффициентов шума и усиления..... 70

3.3 Разработка, изготовление и исследование монолитных 77 интегральных схем малошумящих усилителей Ка-диапазона...............

3.4 Выводы.......................................................................... 93

4 Сравнительный анализ полученных результатов............................. 95

4.1 Сравнение разработанных монолитных интегральных схем малошумящих усилителей Ка-диапазона с зарубежными аналогами...... 95

4.2 Оценка адекватности методики проектирования на основе полного электродинамического расчета топологического проекта......... 99

4.3 Выводы.......................................................................... 105

Заключение............................................................................... 107

Список использованных источников............................................... 111

Введение

Современное состояние развития радиоэлектроники характеризуется активным освоением диапазона крайне высоких частот (КВЧ). К настоящему времени в ведущих развитых странах мира уже освоен и широко используется частотный диапазон до 40 ГГц. Преобладающими областями применения КВЧ-диапазона являются системы спутниковой связи, сотового телевидения, цифровой радиосвязи [1], [2].

Частотная перегрузка наиболее активно используемого СВЧ-диапазона до 40 ГГц привела к необходимости поиска альтернативных, более высокочастотных диапазонов. За последнее десятилетие научно-технический прогресс привел к появлению коммерческих электронных компонентов миллиметрового диапазона с приемлемыми параметрами и стоимостью, что повлекло за собой активное освоение частот до 100 ГГц и выше. Основным назначением данных частотных диапазонов к настоящему времени являются системы связи со сверхвысокими скоростями передачи информации.

Помимо вышеуказанных областей применения частотный спектр занят системами телеметрии, радиометрами для исследования состава атмосферы, радиотелескопами для исследования глубокого космоса, а также целым рядом систем военного назначения [3-5].

Значительное влияние на развитие радиоэлектронных средств (РЭС) миллиметрового диапазона оказывает спектр естественного поглощения радиоволн в атмосфере Земли. Характеристики поглощения радиоволн в атмосфере в зависимости от частотного диапазона хорошо известны [6]. В СВЧ-диапазонах до 38 ГГц атмосферное затухание не превышает 0,3 дБ/км. Первый значительный пик затухания приходится на частоту 22,235 ГГц и связан с поглощением на парах воды. Далее следует сильное затухание в полосе частот около 60 ГГц, обусловленное поглощением радиоволн парами воды и молекулами кислорода. На частоте 60 ГГц ослабление достигает 15 дБ/км, что существенно ограничивает дальность передачи радиоволн. В окнах

прозрачности между пиками затухания наблюдается монотонный рост поглощения. Относительно "чистые" окна лежат в спектре частот 25 - 40 ГГц и 70-100 ГГц.

Окна непрозрачности на первый взгляд непригодны для использования, однако сильное затухание сигнала в атмосфере становится достоинством, если задуматься о таких параметрах, как скрытность, возможность повторного использования частот, взаимное влияние приемопередающих устройств и т.п. Разумеется, для передачи на дальние расстояния, в единицы километров, диапазоны окон непрозрачности далеко не оптимальны, но если говорить о расстояниях в сотни и десятки метров (локальные и персональные сети), картина радикально меняется. Прежде всего, из-за сильного ослабления, связанного с поглощением на атмосферном кислороде, устраняется проблема интерференции между различными источниками сигнала, принадлежащими разным сетям. Также обеспечивается возможность организации каналов связи в космосе, защищенных от влияния помех со стороны Земли.

Одной из особенностей современного этапа развития СВЧ электроники является широкое применение монолитных интегральных схем (МИС) вместо доминирующих ранее гибридных сборок. Важность технологии МИС состоит в том, что помимо улучшения основных технических параметров РЭС, таких, как широкополосность, дальность действия, разрешающая способность, она позволяет повысить их надежность, воспроизводимость, КПД, сократить массогабаритные характеристики, уменьшить стоимость при серийном производстве. Кроме того, монолитная технология позволяет объединить в одном кристалле сразу несколько функциональных устройств (система на кристалле). Благодаря тому, что длины волн в миллиметровом диапазоне существенно снижают габариты антенных систем, одним из важных направлений развития систем на кристалле являются миниатюрные антенные системы, вплоть до интегрированных в чип фазированных антенных решеток или направленных антенн другой конструкции [4].

Применение монолитной технологии, однако, накладывает на производителей и разработчиков современных РЭС ряд требований, связанных с особенностями данной технологии. В силу своей природы отдельная МИС является лишь малой частью цельной полупроводниковой подложки. В ходе манипуляций с подложкой на ее поверхности формируются микроскопические элементы. Это подразумевает применение широкой номенклатуры современного специализированного оборудования в условиях чистых комнат с высоким классом чистоты во избежание воздействия пыли и влаги на поверхность пластины, использование качественных расходных материалов на каждом технологическом этапе, проведение исследований для выбора наиболее оптимальных технологических режимов и материалов, подготовку высококвалифицированного персонала. Все это делает производственный процесс долгим и дорогим, поэтому важным условием рентабельности производства является его массовость.

Другой особенностью технологии МИС являются малые размеры кристаллов, которые делают практически невозможной подстройку схемы после изготовления. Кроме того, такая подстройка нарушила бы один из принципов монолитной технологии, а именно - снижение издержек и затрат труда. Кроме того, часто проверить функциональность схемы не представляется возможным до завершения производственного процесса [7].

Поэтому необходимо использовать такую стратегию разработки МИС, которая позволяет получать искомый результат с первой итерации. В этом разработчикам приходят на помощь системы автоматизированного проектирования (САПР), позволяющие рассчитывать параметры схемы и моделировать физические процессы в ней, не прибегая к физической реализации самой схемы. Современные средства САПР позволяют строить линейные и нелинейные модели, создавать библиотеки элементов для использования в расчетах, автоматизировать оптимизацию характеристик схемы по заданным параметрам и построение топологического проекта в соответствии с действующей технологией, нормами и допусками.

Передовые средства САПР позволяют проектировать не только отдельные активные и пассивные компоненты схемы, но и всю схему целиком, причем не только схемотехнически, но и электродинамически, позволяя решать еще одну проблему, вызванную малыми размерами МИС, а именно - проблему возникновения паразитной взаимной связи между элементами МИС. Важность использования электромагнитных расчетов неизмеримо возрастает с ростом частоты и переходом от мегагерц и единиц гигагерц к десяткам и сотням гигагерц, когда длина волны и геометрические размеры изделия сокращаются и становятся сравнимы, в связи с чем параметры элементов схемы необходимо рассматривать как распределенные.

Наряду с ведущими мировыми державами Россия также включилась в освоение КВЧ-диапазона, однако, в основном, в роли потребителя западных технологий в виде готовых изделий или элементной базы. Российская доля мирового рынка высоких технологий составляет порядка 0,5%. Основная причина такого положения дел заключается в том, что развитию микроэлектроники в СССР уделяли необходимое внимание лишь до 1985 года. К тому времени отставание от США составляло 1,5-2 года. Начиная с 1986 года объемы финансирования НИОКР стали резко сокращаться что, естественно, повлекло прогрессирующее отставание от ведущих стран, таких как США и Япония [8].

Одна из объективных проблем развития отечественной СВЧ-микроэлектроники - отсутствие массового спроса на элементную базу, поскольку в России отсутствует массовое производство аппаратуры, использующей СВЧ-компоненты. Основным потребителем СВЧ-компонентов в России является рынок военной и специальной техники. Его доля стремится к 100%. При этом в мире ситуация кардинально противоположная. Доля военных задач в общем объеме микроэлектронного производства неизменно сокращается. В целом по полупроводниковой микроэлектронике она составляет не более 1%.

Для обеспечения национальной и информационной безопасности Президентом Российской Федерации В.В. Путиным И апреля 2002 года были утверждены «Основы политики Российской Федерации в области развития электронной компонентной базы на период до 2010 года и дальнейшую перспективу». Эти государственные меры по ускоренному развитию отечественной электроники и замене в стратегически значимых системах иностранной электронной компонентной базы отечественной понятны. Для освоения массового производства отечественной электронной продукции нельзя обойтись покупкой компонентов зарубежного производства. Во-первых, необходимо обеспечить национальную и информационную безопасность страны, а также ее технологическую независимость. Во-вторых, освоение массового производства отечественной конкурентоспособной

радиоэлектронной аппаратуры внесет существенный вклад в развитие экономики страны. В-третьих, использование импортной элементной базы экономически невыгодно по критерию цена-качество [9].

Логическим продолжением данного документа явилось принятие к реализации ФЦП «Развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники на 2008-2015 годы». Ожидается, что за счет наращивания объемов производства отечественной гражданской продукции доля специальных изделий в общем объеме производства сократится до 15%, при этом почти на 20% сократится доля импортных изделий на российском рынке [10].

В настоящее время российскими производителями СВЧ усилителей серийно освоен частотный диапазон лишь до 27,5 ГГц. Наибольшую номенклатуру изделий выпускают такие известные предприятия как ФГУП «НИИ Исток» и НПФ «Микран». Обзор выпускаемых отечественными предприятиями усилителей с указанием основных характеристик изделий приведен в работе [11]. Как отмечается, наилучшие параметры усилителей (коэффициент шума, выходная мощность) были достигнуты при применении зарубежных транзисторов. Это замечание свидетельствует о том, что многие

отечественные усилители до сих пор являются гибридными. Хотя в литературе имеются публикации, демонстрирующие отечественные успехи в сфере разработки и изготовления СВЧ усилителей и других типов приборов в монолитном исполнении [12-16].

Тем не менее, освоение отечественной промышленностью более высоких частотных диапазонов остается стратегически важной задачей. Окно прозрачности на частотах 25 - 40 ГГц соответствует так называемому Ка-диапазону. Сравнительно низкое затухание в атмосфере в широкой полосе частот делает этот диапазон привлекательным для реализации в нем целого ряда приемо-передающих радиоэлектронных систем различного назначения. Настоящая работа посвящена разработке отечественных монолитных интегральных схем МШУ Ка-диапазона, которые являются основой входного тракта любой приемо-передающей системы. Имея большое практическое значение для реализации государственных задач, данная работа позволит не только предоставить российской промышленности отечественную элементную базу и технологию ее производства, но также заложить технологический и интеллектуальный базис для освоения диапазона частот до 100 ГГц.

Одной из особенностей разработки высокочастотных МИС является применение библиотек элементов (PDK - Process Design Kit), встраиваемых в САПР и позволяющих учесть особенности конкретной технологии изготовления МИС. Преимуществами использования библиотек элементов являются повышение точности моделирования, удобство проектирования топологии, сокращение длительности цикла проектирования. Кроме этого, библиотеки элементов позволяют организовать одновременную работу производителя СВЧ МИС с несколькими заказчиками [17].

Разработка изготовителем МИС собственной верифицированной библиотеки элементов является отдельной сложной и трудоемкой задачей. Решение данной задачи, без сомнения, является обязательным для крупных предприятий, изготовителей широкой номенклатуры элементной базы, использующих стандартизированные технологии производства.

Предоставление собственной библиотеки элементов компаниям-разработчикам МИС создает условия для массовой разработки и производства элементной базы. Ведущие мировые производители охотно предоставляют разработчикам МИС свои библиотеки элементов и гарантируют при последующем производстве изделий на своих заводах получение результата в пределах оговоренной погрешности. Важность выбора и применения библиотеки элементов при проектировании МИС подчеркивается в литературе [7].

Однако методика расчетов на основе библиотечных элементов имеет и недостаток, связанный с избыточностью. Жесткая привязка к конструктивным параметрам фиксированного количества библиотечных элементов и топологическим нормам проектирования ограничивает возможности разработчика лимитированным набором топологических решений. Это отрицательно сказывается на комплексе характеристик разрабатываемой схемы и может приводить к увеличению габаритных размеров кристалла, ухудшению линейности, широкополосности, росту потерь. Поэтому данная методика проектирования не является оптимальной для разработки высокочастотных МИС.

Целью настоящей диссертационной работы является совершенствование методики сквозного проектирования монолитных интегральных схем малошумящих усилителей (МИС МШУ) КВЧ-диапазона.

Для достижения поставленной цели в диссертации необходимо было решить следующие основные задачи:

- Разработать методику проектирования МИС МШУ, позволяющую проводить разработку схемы без использования специализированной библиотеки элементов;

- Построить модели транзисторов, с достаточно высокой точностью описывающие динамические и шумовые характеристики отечественных высокочастотных ОаАз рНЕМТ-транзисторов;

- Создать методики измерений динамических и шумовых характеристик МИС МШУ непосредственно на рабочих пластинах без необходимости резки

пластины на кристаллы и их разварки в корпуса;

- Реализовать методику проектирования на практике на примере разработки МИС МШУ Ка-диапазона;

- Оценить адекватность разработанной методики проектирования путем экспериментальных исследований изготовленных образцов МИС МШУ Ка-диапазона.

Научная новизна.

1. Впервые в России созданы образцы МИС МШУ Ка-диапазона, имеющие СВЧ - и шумо�