CC BY
16ставляет ~ 9-1011 циклов. Фирма MEMTronics Corp. занимается исключительно РЧ МЭМС-переключателями с емкостной связью. В режиме «hot», при котором переключение ключа происходит при наличии на его входной шине СВЧ-сигнала, РЧ МЭМС-переключатели имеют ресурс в 1011 циклов переключений при коммутируемой СВЧ-мощности ~ 10 мВт. Интенсивно занимаются разработкой и производством МЭМС-переключателей фирмы Raytheon, Lincoln Labs и др.
Надежность переключений - одно из основных и наиболее трудно выполнимых требований, предъявляемых к РЧ МЭМС-переключателям. Потому работы в этом направлении посвящены изучению причин деградации РЧ МЭМС-переключателей. В работе [2] подробно исследуются явления нестабильности и выясняются причины деградаций РЧ МЭМС-переключателей. Показано, что нестабильность работы возникает в основном из-за эффекта «залипания» электродов и их разрушения. Причина «залипа-ния» - в захвате заряда в диэлектрических покрытиях, упрочняющих силовые электроды. Процессы разрушений электродов обусловлены электрическими микроразрядами, сопровождающими переключения.
Особое место в разработках, связанных с повышением надежности, занимают исследования фирмы MEMTronics. В ноябре 2010 г. MEMTronics заключила с U.S. Missile Defence Agency (MDA) очередные контракты на работы в рассматриваемой области (Программа «High-Power X-Band MEMS Phase Shifters», 2011 г.). Важным моментом в разработанной данной фирмой уникальной технологии формирования РЧ МЭМС-переключателей является использование в качестве покрытия нижнего силового электрода пленки из ультрананокристаллического алмаза (UNCD). Разработки фирмы MEMTronics удостоены престижной премии 2011 R&D 100 Award. При присуждении премии отмечен выполненный комплекс работ по интеграции CMOS-, MEMS- и UNCD-технологий.
Поскольку электрическая прочность алмаза почти на порядок выше, чем у других диэлектриков, то из соображений увеличения коэффициента развязки интересно исследовать работу РЧ МЭМС-ключа при толщинах диэлектрического покрытия нижних силовых электродов меньше ~ 0,1 мкм, при которых покрытия из Si3N4 подвержены значительной деградации. Однако попытки получить сплошные поликристаллические пленки UNCD при таких толщинах пока не дали удовлетворительных результатов. Отметим, что до толщин ~ 0,3 мкм UNCD-пленки показывают приемлемую стабильность.
Использование ультрананокристаллических алмазных пленок в РЧ МЭМС-переключателях с электростатическим управлением. В последнее время с целью повышения надежности переключателей и увеличения их ресурса некоторые исследовательские группы стали успешно применять UNCD-пленки в различных конструкциях РЧ МЭМС-переключателей [3-7]. В первую очередь UNCD-пленки показали свои хорошие качества как диэлектрические покрытия нижнего силового электрода. Помимо высокой твердости при использовании UNCD-пленок отсутствуют паразитные эффекты, связанные с перезарядкой ловушек объема диэлектрического покрытия. Однако температура формирования тонких 3-5 нм UNCD-пленок (доминируют ¿р3-связи) составляет 500-680 °С, что препятствует их интегрированию в технологию ИС на наиболее подходящих для обсуждаемого частотного диапазона материалах AIIIBV. В качестве возможных подложек при формировании РЧ МЭМС-ключей используются также кварц и сапфир, а для исключения паразитного влияния диффузии металлов применяются высокотемпературные материалы Cr/W/Gr. Данные материалы совместимы с высокотемпературными процессами (более 450 °C), причем использование сапфира позволяет осуществить интеграцию МЭМС-технологий c КМОП-технологией на КНС (кремний
на сапфире). Так, для РЧ МЭМС-переключателей (рис.1), изготовленных указанным образом, управляющее напряжение ир находится в диапазоне 30-45 В, максимальная емкость (ключ замкнут) составляет 0,65-0,8 пФ, а минимальная (в разомкнутом состоянии) не превышает 90-105 фФ. Потери на частотах 20 ГГц составляют 0,25 дБ, а ослабление сигнала ~ 7,7 дБ.
-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0
Напряжение, В
Рис. 1. C - F-кривая и типичный ВЧ МЭМС ключ с UNCD-диэлектриком (Up~38 B)
Другим потенциальным преимуществом UNCD-слоев может стать их использование в качестве основы подвижного элемента РЧ МЭМС-переключателей. Высокое значение модуля упругости снимает проблему эффектов «залипания» контактов РЧ МЭМС-ключа при его переключениях.
Использование ультрананокристаллических алмазных пленок в «резистивных» РЧ МЭМС-переключателях с тепловым (токовым) управлением. Отличия конструкции «резистивных» РЧ МЭМС-переключателей, спроектированных и исследованных в лаборатории University of South Florida, от рассмотренных переключателей с электростатическим управлением обусловлены разными физическими эффектами, лежащими в основе их работы. В активное состояние резистивные ключи переводятся посредством термических воздействий на биморфный подвижный элемент при пропускании по резистивной шине управляющего тока (потребляемая мощность составляет ~ 10 мВт).
Принципиальная конструкция ключа и реальный экспериментальный образец представлены на рис.2 и 3 соответственно.
Характеристики «резистивных» ключей исследованы в работе [8] в частотном диапазоне 1-30 ГГц. Результаты измерений в состояниях «включено» и «выключено» представлены на рис.4 и 5 соответственно.
В малосигнальном режиме работы «ре-зистивные» МЭМС-переключатели с би-морфными подвижными элементами (одной из пары пленок которых являлась пленка на-нокристаллического алмаза) показали хорошие характеристики: подавление паразитного сигнала в состоянии «выключено» на частоте 20 ГГц составило 20 дБ, а потери в состоянии «включено» - 0,6 дБ.
Медный
медь
Рис.2. Эскиз термически активируемого UNCD-ключа
1
БП 511 521 521
ел ю
ы
(71
Рис.4. ^-параметры алмазного ключа в неактивном состоянии (копланарная линия не замкнута)
Рис. 5. ^-параметры алмазного ключа в активном состоянии (копланарная линия замкнута)
Однако поддержание такого ключа во включенном состоянии требует мощности 60 мВт, что недопустимо велико, особенно для использования в АФАР, полотно которых включает десятки и сотни тысяч таких ключей. Уменьшить потребляемую энергию можно посредством использования смешанного режима управления, при котором быстрое включение осуществляется термическим воздействием протекающего по шинам тока, а поддержание ключа во включенном состоянии осуществляется подачей на управляющие электроды удерживающего напряжения. Схематическое изображение такой конструкции показано на рис.6. Испытания таких ключей проводились при питающем напряжении 3 В и потребляемом токе 20 мА (режим переключения). Удержание перемычки ключа во включенном состоянии осуществлялось электростатически (ток потребления менее 1 нА, напряжение 28-30 В). Экспериментальные зависимости потерь и характеристики подавления СВЧ-сигнала для частотного диапазона 1,9 ГГц изображены на рис.7 и 8. При испытании таких РЧ МЭМС-переключателей в течение 4-106 циклов включений-выключений заметных деградаций характеристик не наблюдалось.
Возможности переключений СВЧ-сигналов большой мощности (~ 7 Вт) с помощью МЭМС-ключей в Х-диапазоне подробно исследованы в работах [7, 8].
Рис.6. Конструкция с введенными дополнительными конденсаторами для увеличения надежности включения ключа: а - термически активируемый интегральный ключ; б - электрическая защелка для поддержания ключа в активированном состоянии
■0,2
I[икл 1 Цикл 6
х Цикл 2 - Цикл 7
> Цикл 3 * Цикл 8
Цикл 4 • Цикл 9
-*- Цикл 5 -*— Цикл 10
■0,8 -
...................................................
20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 Потери мощности, дБм
Рис. 7. Передача СВЧ-сигнала с частотой 1,9 ГГц при изменении мощности от 20 до 40 дБм
Рис. 8. Подавление СВЧ-сигнала после разного времени непрерывной работы ключа
Линейки РЧ МЭМС-переключателей известных зарубежных фирм представлены на рис.9, а в таблице приведены сравнительные характеристики РЧ МЭМС-переключателей, выпускаемых наиболее известными фирмами.
Рис.9. Конструкции РЧ МЭМС-переключателей ряда известных фирм: DelfMEMS, RADANT и Raytheon
Сравнительные характеристики РЧ МЭМС-переключателей различных фирм
Параметры DelfMEMS (2005 г.) RADANT (2005-2007 гг.) Raytheon (1995 г.) ФГУП НИИФП, Россия (2005-2006 гг.) MEMSTromcs, США (1999 г.) Omron, Япония (2006 г.) TeraVicta TT1244, США (2006 г.)
Изоляция (DC), нА 1-5 1-3 5-10 ~ 1 1-5 30 10
Управляющая мощность Рупр, мкВт - 30 10 ~ 30 - 10 <10
Последовательное сопротивление ключа Rn, Ом 5 4 - 7 (гальваническая связь) Емкостная связь Емкостная связь -
Предельные частоты ^пред, ГГц 40 36 35 1,5 35 10 26,5
Коэффициент развязки Кразв, дБ 25 (при 40 ГГц) 19 (при 10 ГГц); 12 (при 35 ГГц) 35 20 (при 1 ГГц) 25 20 -
Потери мощности Рп, дБ -0,3 (включение) -25,0 (выключение) Включение -0,45 (10 ГГц) -0,8 (35 ГГц) Включение -0,1 (35 ГГц) -1,5 (включение); -20 (выключение) -0,3 (включение); -25,0 (выключение) -1,0 -
Управляющее напряжение ^WTO В 20-25 90-100 30-35 23-25 30-40 40-45 4-6
Переключаемая мощность Р, Вт 0,05-0,1 0,1 4,0 0,01 0,005 0,05-0,07 -
Время переключения т, мкс 5 (при 18 В), 2 (при 25 В) 10 (включение), 2 (выключение) - <100,0 (включение) 5 (при 18 В), 2 (при 25 В) 100,0 (включение) -
Число циклов переключений N (рабочий ресурс в режиме «hot» при частоте 10-35 ГГц) 1,5108 (при 10 мА) гальваническая связь 1011 (при 10 мВт) 103 (при 100 мВт) 31011 108 (при 10 мВт) 1,5108 (при 10 мА) гальваническая связь 108 108
Габариты, мм - 1,5x1,5x0,6 - 3,5x5x1,5 - 5,2x3,0x1,8 3,8x5,1x1,25
Интегрируемость Нет данных Нет Нет данных Да Нет Нет данных Нет
Разработка РЧ МЭМС-переключателей с использованием UNCD-пленок для покрытий электродов силовой цепи, а также в качестве основы подвижного элемента переключателя имеет один технологически трудно устраняемый недостаток. Заключается он в том, что температуры процесса осаждения UNCD-слоя превышают ~ 500 °С. Это препятствует использованию UNCD-пленок в технологических маршрутах на материалах AIIIBV, которые в области СВЧ представляют наибольший интерес. Более того, для приложений, использующих большие массивы переключателей, например при разработках АФАР, весьма актуальна проблема отвода рассеиваемой мощности. Поэтому возникают жесткие требования к минимизации мощности на управление РЧ МЭМС-переключателями, а значит и к минимизации реактивных параметров управляющих це-
| * кЖ*
г— I
пей. Решить эту проблему можно только при однокристальном исполнении, т.е. посредством интеграции РЧ МЭМС-переключателей в кристалл функциональной ИС. В частности, для интегральных схем на КНС это можно выполнить посредством интеграции РЧ МЭМС- и КМОП-элементов, а для ИС на AIIIBV и твердых растворах на их основе - посредством интеграции РЧ МЭМС- и MESFET-элементов в рамках единого кристалла.
Традиционная технология изготовления РЧ МЭМС-ключей удовлетворительно совмещается с КМОП-технологией [9]. На рис.10 представлена фотография чипа, в котором копланарная линия коммутируется «электростатическим» РЧ МЭМС-ключом, имеющим напряжение включения ~ 40 В. Ключ управляется КМОП-схемами с типичными напряжениями 3-4 В. Нет принципиальных проблем и в разработке сложных схем фильтров, фазовращателей и модулей для управления антенными решетками с использованием технологий и конструкций РЧ МЭМС-ключей и КМОП-схем. Технические трудности заключаются в отсутствие у современных РЧ МЭМС-ключей необходимой надежности, которая обусловлена рассмотренными негативными явлениями. Однако по мере совершенствования технологий микроэлектроники надежность МЭМС-ключей растет. На рис. 11 показана тенденция увеличения с годами продолжительности надежной работы РЧ МЭМС-ключей вплоть до ~ 1011 циклов переключений.
Рис.10. РЧ МЭМС-ключ (справа) с электростатическим управлением и КМОП-схемы управления на одном кристалле
10е 10* 10й' 1011 101 Циклы
Рис.11. Тенденции увеличения временного ресурса работы электростатических РЧ МЭМС по сравнению с «язычковым» реле
Особого внимания заслуживает интегрирование в одном чипе МЭМС и GaAs-конструкций и технологий. На рис.12 представлена фотография чипа, в котором усилитель выполнен на GaAs MESFET, а согласующие входные и выходные цепи для частот ~ 18 ГГц - на РЧ МЭМС-ключах.
Успешному применению в радарах на материалах ABV РЧ МЭМС-ключей с емкостной связью мешает паразитная зарядка традиционных диэлектриков. Решение данной проблемы посредством использования для покрытия нижнего электрода UNCD-слоя невозможно ни в рамках КМОП-технологии на кремнии, ни с использованием арсенидгаллиевой технологии. Причина - высокая температура технологического процесса выращивания UNCD-пленок на приборной структуре.
Для решения проблемы интеграции РЧ МЭМС, GaAs и углеродных технологий в [10] предложен и реализован подход, связанный с использованием в качестве основы для подвижного элемента РЧ МЭМС-переключателя и упрочняющего покрытия силовых электродов нанокристаллических углеродных алмазоподобных пленок (НУАПП). Температура осаждения такой пленки на приборную структуру не превышает 70 °С. В [11] показано, что при разработках РЧ МЭМС-переключателей НУАПП осаждались на приборную структуру посредством плазменной полимеризации паров жидких силоканов. Метод не только допускает использование низкой температуры осаждения НУАПП без потери качества приборной структуры, но и позволяет управлять модулем упругости получаемых пленок. В силу низкой температуры осаждения таких пленок, высокой адгезионной способности, крайне малого размера кристаллитов (1 -5 нм), чрезвычайно высокой твердости, а также термической и химической стойкости эффективность их использования в РЧ МЭМС-технологиях и конструкциях неоспорима. Технология осаждения НУАПП на приборные структуры совместима как с КМОП-технологией, так и с арсенидгаллиевой технологией. При одновременном распылении плазмотроном в рабочей камере силоканов и магнетронном распылении металлов можно получать низкоомные композитные нанокристаллические металл-
углеродные пленки (карбиды молибдена, титана, хрома и т.д.). Это позволяет
12
увеличить диапазон изменений удельных сопротивлений получаемых пленок от 1012 до 10-5 Омхм, что значительно расширяет функциональные возможности разрабатываемых на основе этих пленок РЧ МЭМС-приборов и устройств. В работе [12] описаны технологические процессы низкотемпературного осаждения на приборные структуры как высокоомных (до 10 Омхм) НУАПП, так и низкоомных (до 10- Ом см) композитных металл-углеродных пленок. Фазовый состав таких пленок исследован методами рентгеновского микроанализа и электронной микродифракции. Морфология пленок изучалась с использованием метода сканирующей атомно-силовой микроскопии. Доминирующий характер атомарных связей в высокоомных нанокристаллических углеродных алмазоподобных пленках изучался методом комбинационной спектроскопии. Электрофизические характеристики пленок измерялись с использованием приборного измерительного комплекса фирмы Adjelent. В результате исследований установлено:
- в высокоомных НУАПП присутствует несколько углеродных модификаций при
3 2
доминировании - и -связей;
- в низкоомных нанокристаллических металл-углеродных пленках доминирует фаза карбида металла (например, МоС);
- характерные размеры нанокристаллитов в пленках в зависимости от технологических режимов изменяются в диапазоне 1-5 нм;
Рис. 12. Интеграция ВЧ МЭМС-ключей и GaAs FET в чипе усилителя на 2 - 18 ГГц
12
- максимальные значения удельного сопротивления НУАПП достигают 10 Омхм;
- минимальные значения удельного сопротивления проводящих нанокомпозитных металл-углеродных пленок достигают 10-5 Омхм.
Технологии осаждения НУАПП совместимы с технологиями осаждения на приборные структуры металлических и диэлектрических покрытий. При этом установлено, что можно управлять толщинами осаждаемых при низких температурах (70-100 °С) углеродных пленок в дипазоне от 10 нм до 2 мкм.
В работах [10, 13] экспериментально исследованы сравнительные потери СВЧ-мощности в НУАПП, металл-углеродных пленках и подложках из материала Si и GaAs в полосе частот до 7 ГГц. Установлено, что высокоомные НУАПП, так же как и подложки из полуизолирующего арсенида галлия, практически не поглощают радиочастотное излучение в указанном диапазоне частот. Кроме того, кремниевые подложки, начиная с частот ~ 1,7 ГГц, интенсивно поглощают излучение, что значительно снижает спектр радиочастотных задач, решаемых на кремниевых либо SiGe ИС при использовании РЧ МЭМС-элементов и технологий. В ряде случаев посредством значительного усложнения технологического маршрута все же возможны решения, позволяющие использовать широкополосные РЧ МЭМС-переключатели, интегрированные в КМОП ИС на кремниевых подложках.
Цель работ [11-13] - отработка технологий низкотемпературного осаждения на приборные структуры нанокристаллических углеродных и металл-углеродных алма-зоподобных пленок. Осаждение проводилось на подложки Si/SЮ2/Si3N4, что определило частотный диапазон экспериментальных исследований и конструкцию РЧ МЭМС-переключателей. На рис.13,а,б представлены результаты морфологических исследований обсуждаемых нанокристаллических углеродных и металл-углеродных алмазопо-добных пленок. Значения шероховатости Яа (определяется как среднеарифметическое локальное отклонение по высоте абсолютных значений от среднего), а также максимального ^тах и среднеарифметического ^теап отклонений для высокоомных углеродных алмазоподобных пленок следующие: ^тах = 2,49 нм; ^теап = 1,21 нм; Яа = 0,22 нм. Параметры сканирования: размер 1200*1200 нм, шаг ~ 81 А, скорость ~ 14500 А/с. Для нанокристаллической металл-углеродной пленки: ^теап = 1,06 нм; Яа = 0,17 нм; Ятах = 1,95 нм. Параметры сканирования: размер 1200*1200 нм, шаг ~ 81 А, скорость ~ 12300 А/а На основе полученных углеродных алмазоподобных пленок авторами [10-13] изготовлены МЭМС-переключатели различных конструкций, РЭМ-изображения которых представлены на рис.14. Площадь занимаемая собственно переключателем составляет ~ 500x500 мкм. При этом толщина балки (моста) ~ 1 мкм, ширина балки (моста) ~ 40 мкм,
а б
Рис.13. Топология поверхности: а - образца № 1 (ультрананокристаллическая алмазоподобная углеродная пленка); б - образца № 2 (нанокристаллической металл-углеродной пленки)
Рис.14. РЭМ-изображения сдвоенных РЧ МЭМС-переключателей различных конструкций (полная релейная пара): а, б - балочная конструкция; в, г - мостовая конструкция с «гасителями» упругих напряжений в форме меандра; д, е - коммутирующий узел переключателя мостовой конструкции с четырьмя и двумя подвесами
длина балки ~ 230 мкм, длина моста ~ 440 мкм. Электроды управления, шины питания и сигнальные шины выполнены на основе пары Сг/Аи (толщина 0,02 мкм и 0,5 мкм соответственно). Электрод подвижной перемычки с целью исключения его возможного коробления, а также улучшения плоскостности выполнен в форме овального кольца на основе пары Сг/Аи. Разработанная топологическая схема позволяет реализовать на основе РЧ МЭМС-переключателя полную релейную пару, что дает возможность испытать эффективность переключателей как коммутатора СВЧ-сигнала в антенной цепи приемопередающей схемы (/н~1,5 ГГц), так и в качестве амплитудного модулятора (/м ~ 10 кГц при /н ~ 1,5 ГГц). По результатам исследований и оптимизации технологических маршрутов и конструкций РЧ МЭМС-переключателей выбраны топологические и геометрические характеристики элементов. Управляющие напряжения изготовленных РЧ МЭМС-переключателей не превышают 20-25 В, что при выбранной геометрии позволяет оценить модуль Юнга НУАПП величиной 0,81012 Н/м. Коэффициент развязки РЧ МЭМС-переключателя не хуже 20 дБ, а токи утечки не превышают 1 нА. Мощность на переключение в импульсе (длительностью 10 мкс) не превышает 10 мкВт/ключ. Резонансные частоты балок составляют ~ 170 кГц, что примерно соответствует выбранной геометрии, а
максимальная величина добротности достигает ~ 150 и определяется уровнем маршрутной технологии. Как показали исследования, расчетные и экспериментальные значения характеристик РЧ МЭМС-переключателей с подвижными элементами на основе НУАПП достаточно близки.
Таким образом, анализ динамики развития РЧ МЭМС показывает, что разработки, связанные с использованием классических конструкций и материалов, неэффективны. Очевидна необходимость применения для разработки РЧ МЭМС-переключателей новых материалов и конструкций. Агентство по перспективным оборонным научно-исследовательским работам в США (DARPA) инициировало программу по разработке научных основ технологии микро- и наномеханических устройств (NEMS/MEMS Scince and Technology Fundamenals - N/MEMS S&T Fundamentals). В программе участвуют 6 крупнейших научных центров: Carnegie Mellon University, Harvard University, Stanford University, UC Berkeley, UC San Diego, University of Colorado. В частности, университет UC San Diego проводит разработки РЧ МЭМС-переключателей с выходом на производство. В настоящее время, по заключению специалистов фирмы Raytheon, реальная стадия развития РЧ МЭМС-переключателей оценивается как стадия лабораторных исследований. Фирма MEMTronics, профессионально разрабатывающая МЭМС-переключатели, признана в 2011 г. лучшей. Инновация заключается в использовании фирмой ультрананокристаллических алмазных пленок в качестве защитного слоя нижнего электрода силовой шины.
Сравнительный анализ характеристик позволяет выявить ряд важных преимуществ РЧ МЭМС-переключателей перед их твердотельными аналогами:
- высокие значения добротности и радиационной стойкости РЧ МЭМС-ключей и перестраиваемых конденсаторов на основе РЧ МЭМС-технологий и конструкций;
- широкая полоса пропускания (до 110 ГГц), недоступная полупроводниковым переключателям;
- низкий уровень суммарных потерь мощности при использовании в «больших» ФАР, улучшенные показатели РЧ-систем по уровню шума и чувствительности;
- малые энергии на переключение в силу электростатического характера управления РЧ МЭМС-переключателями дают возможность использовать их в бортовых, спутниковых и космических системах;
- чрезвычайно высокая линейность, которая дает возможность применения РЧ МЭМС-переключателей в широкополосных системах связи.
Анализ результатов разработок РЧ МЭМС-переключателей для радиочастотных применений позволяет сделать ряд важных рекомендаций, связанных с выбором оптимальных материалов, конструкций и технологий:
- приемлемый срок работы РЧ МЭМС-переключателя возможен только в условиях их вакуумирования (вакуум не хуже 10-8 мм рт.ст.). С учетом необходимости в вакуу-мировании переключателей и с целью уменьшения габаритов устройства в целом рекомендуется корпусировать и вакуумировать РЧ МЭМС-переключатели в составе приемопередающего модуля;
- для работы в области частот больше 2 ГГц кремний не может быть ни основой материала подвижного элемента РЧ МЭМС-переключателя, ни несущей подложкой в силу значительного поглощения им СВЧ-сигнала;
- в качестве материала для подвижных элементов РЧ МЭМС-переключателей предпочтительными являются высокоомные НУАПП и высокоомные нанокристалли-ческие алмазные пленки;
- в качестве гальванических шин управляющих электродов эффективным представляется использование нанокристаллических металл-углеродных пленок (например, карбида молибдена), осажденных по рассмотренной технологии;
- в качестве материала несущей подложки предпочтительным является использование подложек из арсенида галлия либо сапфира, на использование подложек из поликора ограничения возникают из-за пористости этого материала, препятствующего не только качественному изготовлению схем, но и их эффективному использованию в условиях вакуумирования;
- уменьшение времени переключения до значений ~ 10-7 с невозможно без использования для подвижных элементов РЧ МЭМС-переключателей пленок с модулем Юнга ~ 1012 Н/м2 (например, нанокристаллических алмазных либо углеродных нанокристал-лических алмазоподобных пленок), при этом необходимо уменьшение длины балки до размеров ~ 50 мкм;
- с целью устранения возможной «неплоскостности» (коробления) перемычек РЧ МЭМС-переключателя, связанной с наличием локальных упругих напряжений в мультислойной пленочной конструкции балки РЧ МЭМС-переключателя, перемычку необходимо формировать в форме двусвязного элемента (например, в виде «эллипсо-образного» кольца из проводящей пленки), в частности для этой цели оптимальным представляется использование нанокристаллической металл-углеродной пленки (например, пленки карбида молибдена), коэффициент теплового расширения и температура осаждения которой примерно равны аналогичным параметрам УНАПП;
- для уменьшения управляющих напряжений при сохранении достаточной жесткости подвижного элемента переключателя, исключающей его коробление, рекомендуется на стадии формирования многослойной приборной структуры закладывать в локальных участках чипа РЧ МЭМС-переключателя гофрированный профиль поверхности;
- для увеличения рабочего ресурса РЧ МЭМС-коммутатора представляется эффективным использовать РЧ МЭМС-переключатели с емкостной связью; оптимальным представляется использование высокоомных НУАПП для локального покрытия контактных поверхностей сигнальных шин, образующих разъемный контакт с подвижной перемычкой;
- для увеличения рабочего ресурса РЧ МЭМС-переключателя рекомендуется применять холодный режим («cold») включения, если режим работы схемы либо устройства допускают это;
- эффективное использование РЧ МЭМС-переключателей требует их интеграции c КМОП-схемами либо MESFET, что связано с необходимостью уменьшения управляющей мощности и времени переключения;
- с точки зрения создания единого технологического маршрута, включающего в свой состав мембранные и углеродные МЭМС- и КМОП- или GaAs-технологии, представляется наиболее эффективным использование УНАПП, температура осаждения которых на приборную структуру не превышает 70 °С.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (ГК N16.513.11.3143) с использованием оборудования ЦКП «Микросистемная техника и электронная компонентная база Национального исследовательского университета «МИЭТ».
Литература
1. МЭМС-переключатели в радиочастотной электронике. I. Актуальность, проблемы реализации, предварительные оценки / В.А. Беспалов, Э.А. Ильичев, А.Е. Кулешов и др. // Изв. вузов. Электроника. -2013. - № 3(101). - С. 64-72.
2. Ruan J.J. Investigation and modeling of the impact of electrostatic discharges on capacitive RF MEMS switches: Doctorate de L'universite De Toulouse LAAS-CNRS. - Le 2 juillet 2010.
3. Diamond high speed and high power MEMS switches / J. Kusterer, E. Kohn, P. Kirby et al. // 4th EMRS DTC Technical Conference (Edinburgh 2007). - 2007. - A26.
4. Diamond and diamond - like carbon MEMS / J.K. Luo, Y.Q.Fu, H.R.Le et al. // J. Micromech Microeng. - 2007. - N 17. - P. 147-163.
5. Thermally Actuated Nanocrystalline Diamond Micro-Bridges for Microwave and High Power RF Applications / S. Balachandran, J. Kusterer, R. Conrick et al. // IEEE. - 2007. - P. 367-370.
6. High power nanocrystalline diamond RF MEMS - A combined look mechanical and microwave properties / S. Balachandran, J. Kusterer, D. Maier et al. // Authorized licensed use limited to; KIZ Abt Liberatarverwaltung. Downloaded on February Z, 2009 at 05:44 from IEEE Xplore. Restrictions apply.
7. Reliability modeling of capacitive RF MEMS / S. Melle, D. De Conto, D. Dubuo et al. // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. - 2005. - Vol. 53, N 11. - P. 3482-3488.
8. Muldavin J.B. Design and analysis of series and shunt MEMS switches: Ph. D. dissertation. - Department of Electrical Engineering and Computer Science, The University of Michigan at Ann Arbor, Ann Arbor, M1. - 2001.
9. Hwang J.C.M., Goldsmith C.L. Robust RF MEMS switches and phase shifters for aerospace applications / // IEEE Intern. Symposium on Radio-Frequency Integration Technology. - 2009. - P. 245-248.
10. Микроэлектромеханические переключатели на основе аморфных алмазоподобных углеродных пленок / С.Н. Беляев, В.А. Власенко, А.В. Горячев и др. // Письма в ЖТФ. - 2009. - Т. 35. - Вып 15. -С. 105-109.
11. Сидоров Л.П., Дмитриев В.К., Инкин В.Н. Гетероструктура для фотокатода // Патент РФ № 2355031. - 2006.
12. Thermostable resistors based on diamond-like carbon films deposited by CVD method / V.K. Dmitriev, V.N. Inkin, E.A. Il"ichev et al. // Diamond and related materials. - 2001. - N 10. - P. 1007-1010.
13. Микроэлектромеханические коммутаторы для радиочастотных устройств / В.А. Власенко, А.В. Горячев, А.Г. Ефимов и др. // Нано- и микросистемная техника. - 2009. - № 10 (111). - С. 30-34.
Статья поступила 8 ноября 2012 г.
Беспалов Владимир Александрович - доктор технических наук, заведующий кафедрой проектирования и конструирования интегральных микросхем, первый проректор МИЭТ. Область научных интересов: технология интегральных схем на основе сложных полупроводников, фотоэлектроника, зондовая микроскопия, инновационная деятельность в научно-технической сфере.
Ильичев Эдуард Анатольевич - доктор физико-математических наук, профессор, ведущий научный сотрудник НИИФП им. Ф.В. Лукина (г. Москва). Область научнъгх интересов: микроэлектроника, оптоэлектроника, радиочастотная эмиссионная электроника на основе углеродных материалов. E-mail: edil44@mail.ru
Кулешов Александр Евгеньевич - аспирант кафедры квантовой физики и наноэлектро-ники МИЭТ. Область научнъа: интересов: микроэлектроника, радиочастотная эмиссионная электроника на основе углеродных материалов.
Набиев Ринат Мухамедович - аспирант НИИФП им. Ф.В. Лукина (г. Москва). Область научный интересов: микроэлектроника, радиочастотная эмиссионная электроника на основе углеродных материалов.
Петрухин Георгий Николаевич - кандидат технических наук, начальник отдела НИИФП им. Ф.В. Лукина (г. Москва). Область научных интересов: микро- и наноэлек-троника, в частности область углеродной электроники.
Рычков Геннадий Сергеевич - доктор физико-математических наук, начальник лаборатории НИИФП им. Ф.В. Лукина (г. Москва). Область научных интересов: микроэлектроника, радиочастотная эмиссионная электроника на основе углеродных материалов, качественная теория дифференциальных уравнений.
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
УДК 004.272.2
Аппаратная реализация операции нахождения остатка целочисленного деления для входных данных большой разрядности в модулярной арифметике
Р.А. Соловьев, Д.В. Тельпухов
Институт проблем проектирования в микроэлектронике РАН
Проведено исследование различных методов и алгоритмов аппаратной реализации модуля нахождения остатка от целочисленного деления. Предложен асинхронный метод реализации, ориентированный на входные данные большой разрядности и большие значения модулей, основанный на идее разложения исходного числа на маленькие составные части. Проведены серии экспериментов, получены оценки эффективности различных методов по быстродействию, мощности и занимаемой площади.
Ключевые слова: система остаточных классов, модулярная арифметика, прямые преобразователи, вычет.
Система счисления в остаточных классах (СОК), лежащая в основе модулярной арифметики и адаптированная для машинных вычислений, широко применяется в специализированных аппаратных решениях [1], в приложениях, критичных к быстродействию и потребляемой мощности, а также в устройствах, предъявляющих повышенные требования к помехоустойчивости и надежности вычислений [2]. Одной из основных операций модулярной арифметики в кольце Zp является нахождение остатка от целочисленного деления (вычета) x = a(mod p). Эта операция применяется в прямых преобразователях из позиционной системы счисления в модулярную систему счисления. Обычно в большинстве приборов используются модули малой разрядности или модули специального вида, такие как 2" — 1, для которых известны эффективные методы реализации. Однако в некоторых случаях при разработке сверхскоростных параллельных вычислителей возникает необходимость нахождения вычета по большому модулю p [3]. Поскольку модуль и разрядность входных данных обычно известны на этапе проектирования, то существует возможность разработки эффективного алгоритма для создания такого модуля. При этом возможно его создание в виде комбинационной схемы, т.е. схемы, которая выдает результат за один такт. Для реализации на языке описания аппаратуры в настоящей работе используется Verilog HDL [4].
Теоретические основы нахождения остатка целочисленного деления. Пусть задано простое число p и соответствующее ему конечное поле целых чисел Z . Для любого целого числа q из интервала 0 < q < 2N требуется найти такое х eZ , что
© Р.А. Соловьев, Д.В. Тельпухов, 2013
