CC BY
1234
УДК 621.382.323
ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ СВЧ МОНОЛИТНОЙ ИНТЕГРАЛЬНОЙ СХЕМЫ МАЛОШУМЯЩЕГО УСИЛИТЕЛЯ НА ОСНОВЕ GaAs pHEMT
Э.Ю.Козловский, А.М.Осипов, Б.И.Селезнев*
THE FEATURES OF TECHNOLOGY OF MICROWAVE MONOLITHIC INTEGRATED CIRCUIT OF LOW NOISE AMPLIFIER BASED ON GaAs pHEMT
E.Yu.Kozlovskiy, А.М.Osipov, B.LSeleznev*
ЗАО «НПП «Планета-Аргалл», argall@novgorod.net *Институт электронных и информационных систем НовГУ
Рассматриваются особенности технологии СВЧ монолитной интегральной схемы малошумящего усилителя (МИС МШУ) на основе GaAs pHEMT. Приведено краткое описание базовых технологий, входящих в маршрут изготовления МИС, и их основное предназначение. Апробация методов проектирования и технологии изготовления СВЧ МИС выполнена на примере построения двухкаскадных МШУ для диапазонов частот 3...5 ГГц и 32...40 ГГц.
Ключевые слова: pHEMT, СВЧ монолитная интегральная схема, малошумящий усилитель, коэффициент шума, коэффициент усиления
The article discusses the features of technology of microwave monolithic integrated circuit (MMIC) of low noise amplifier based on GaAs pHEMT. A brief description of base steps in MMIC fabrication process and their main purposes are considered. The design and fabrication of MMIC is shown by the example of designing two-stage low noise amplifiers for frequency bands 3...5 GHz and 32.40 GHz.
Keywords: pHEMT, microwave monolithic integrated circuit, low noise amplifier, noise factor, gain factor
Развитие твердотельной СВЧ электроники и передовые достижения в этой области в мире несколько последних десятилетий связаны в значительной степени с успехами, достигнутыми в области материаловедения сложных полупроводниковых соединений и наногетероструктур. Использование новых материалов при изготовлении СВЧ монолитной интегральной схемы (МИС) позволяет расширить частотный диапазон разрабатываемых устройств, улучшить их тактико-технические характеристики и, что крайне важно в условиях требований постоянной миниатюризации, уменьшить их массо-габаритные параметры.
В настоящее время основной технологией изготовления СВЧ МИС является GaAs рНЕМТ технология на одноименных наногетероструктурах (А1, In)GaAs/GaAs. Применение данного типа структур в совокупности с методами субмикронной литографии позволяет реализовать СВЧ МИС (ма-лошумящие усилители и усилители мощности, преобразователи сигнала и др.), работающие в широком частотном диапазоне вплоть до миллиметровых длин волн [1].
В данной работе представлены результаты разработки СВЧ МИС малошумящего усилителя (МШУ) на основе рНЕМТ наногетероструктур. В качестве базовой использовалась технология 0,25 мкм GaAs рНЕМТ, разработанная на предприятии ЗАО «НПП «Планета-Аргалл».
Технология изготовления МИС включает в себя реализацию на одном кристалле в едином технологическом цикле как пассивных (конденсаторы,
резисторы, индуктивности и микрополосковые линии), так и активных (диоды, транзисторы) элементов схемы. Базовый технологический маршрут включает в себя следующие оригинальные технологии.
• Технология формирования активного элемента (GaAs pHEMT транзистора), включающая формирование омических контактов стока и истока с использованием «взрывной» литографии по системе металлизации Au/Ge/Ni/Au с последующим высокотемпературным отжигом (рис.1а) и формирование субмикронного Т-образного затвора длиной 0,25 мкм методом заужения «щели» в диэлектрике на основе металлизации V/Mo/Au (рис.1б). Анализ металлизации омических контактов и затвора проводился методами атомно-силовой микроскопии (АСМ) [2] и сканирующей электронной микроскопии (СЭМ).
Методы АСМ позволяют получить детальную информацию о морфологии поверхности омического контакта после высокотемпературного отжига и шероховатости поверхности полупроводника после проведения операций химического травления. Количественная оценка шероховатости и рельефа поверхности позволяет установить влияние технологических обработок на качество поверхности и выбрать оптимальные режимы их проведения.
По данным СЭМ, представленным на рис.1б, может быть выполнена количественная оценка одного из основных конструктивных параметров полевого транзистора с барьером Шоттки — длины затвора, которая составляет величину порядка 0,25 мкм. По-
J
Ж
3
SEM MAG: 34.99 кх WD: 10.96 mm View field: 6.166 цт Det: Втор. эл. SEM HV: 10.00 kV SM: DEPTH
MIRAW TESCAN
1 |jm
a
Рис.1. Элементы конструкции GaAs pHEMT транзистора: а — элемент топологии омического контакта, полученный с использованием АСМ, б — поперечное сечение затвора транзистора, полученное с использованием СЭМ
лученная средствами СЭМ фотография скола затворной металлизации в активной области дает четкое представление о конфигурации Т-образного затвора и геометрии области сток-исток транзистора.
Формирование подзатворной канавки в два этапа (1-я и 11-я корректировки тока) позволяет обеспечить максимальную крутизну ВАХ при сохранении высоких пробивных напряжений и начального тока стока. Использование топологии затвора в виде гребенки позволяет существенно уменьшить паразитное сопротивление. Технология позволяет получать транзисторы с рабочими частотами до 40 ГГц, отличающиеся низкими шумами, высоким коэффициентом усиления и высокой удельной СВЧ мощностью.
• Технология формирования пассивных элементов МИС:
— тонкопленочных резисторов Та-У с сопротивлением 50^200 Ом/^, пассивированных диэлектриком;
— тонкопленочных МДМ конденсаторов с удельной емкостью 100^250 пФ/мм2. Диэлектрик конденсатора — система Si3N4/SiO2, она же используется для пассивации резисторов;
— индуктивностей и микрополосковых линий, выполненных в виде проводников с использованием гальванически осажденного золота толщиной до 3 мкм. Увеличение толщины верхней металлизации способствует уменьшению потерь СВЧ сигнала на проводниках.
• Технология утонения пластин с использованием химико-динамического полирующего травления, позволяющая получать кристаллы МИС толщиной до 100 мкм (до 60^80 мкм при наличии толстой металлизации с обратной стороны). Утонение кристалла позволяет существенно улучшить теплоотвод за счет уменьшения теплового сопротивления кристалла.
• Технология формирования на кристаллах МИС металлизированных сквозных отверстий диамет-
ром ~100 мкм (по фотошаблону) химическим травлением и интегрального теплоотвода золочением обратной стороны, необходимых для минимизации потерь заземления, что является крайне актуальной задачей при проектировании сверхширокополосных устройств.
Проектирование СВЧ МИС МШУ выполнено с использованием линейных и нелинейных моделей полевого транзистора [3], а также базовой библиотеки пассивных элементов, разработанной для имеющейся на предприятии базовой технологии изготовления СВЧ МИС.
Малошумящие усилители реализованы по двухкаскадной схеме с автосмещением с параллельным однополярным питанием каскадов. Номинальное напряжение питания усилителей 6 В. На рис.2 представлена электрическая схема усилителя.
С6 R5
Рис.2. Электрическая схема МШУ
В зависимости от рабочего частотного диапазона усилителя выбрана оптимальная ширина затвора транзистора, обеспечивающая наилучшее согласование (КСВНвх/вых < 3) при высоком коэффициенте усиления Кр и малом коэффициенте шума Кш. Согласующие цепи синтезированы исходя из требований малого КСВН в рабочей полосе частот, абсолютной устойчивости и требуемого уровня неравномерности коэффициента усиления по мощности.
б
а
На рис.3 представлена топология СВЧ МИС МШУ (МШУ-1) для диапазона частот 3...5 ГГц. Ширина затвора транзистора во входном каскаде составляет 600 мкм, в выходном — 300 мкм. При этом достигается минимальный коэффициент шума в рабочей полосе частот и высокий коэффициент усиления. Размер кристалла 2,4*1,4*0,1 мм.
Рис.3. СВЧ МИС МШУ для диапазона частот 3.5 ГГц
На рис.4 представлена топология СВЧ МИС МШУ (МШУ-2) для диапазона частот 32.40 ГГц. Ширина затвора транзисторов во входном и выходном каскадах составляет 80 мкм, что является оптимальным с точки зрения достижения высоких СВЧ характеристик на максимальной частоте рабочей полосы — 40 ГГц. Размер кристалла 1,5*1,05*0,1 мм.
Рис.4. СВЧ МИС МШУ для диапазона частот 32.40 ГГц
Измерение СВЧ параметров МШУ на пластине выполнялось на зондовой станции «Cascade Microtech M150» с использованием векторного анализатора цепей R&S ZVA40.
В таблице представлены параметры усилителей, разработанных и изготовленных по технологии GaAs рНЕМТ на предприятии ЗАО «ШШ «Планета-Аргалл».
Параметры СВЧ МИС МШУ
4Ф, ГГц Кш, дБ Ку, дБ ДКу, дБ КСВН вх/вых, ед. Питание
Тип Щ В /пот, мА
МШУ-1 3-5 <1,5 >20 3 2/2 6 40-60
МШУ-2 32-40 <3,5 >9 3 2/2 6 20-40
Рассмотренная технология изготовления СВЧ МИС МШУ с учетом особенностей изготовления активных и пассивных элементов схемы позволяет реализовать усилители, работающие в диапазоне частот до 40 ГГц. Разработанные МШУ могут быть использованы при разработке изделий радиоэлектронной аппаратуры и по своим техническим характеристикам не уступают аналогичным изделиям зарубежного производства, что в ряде случаев может позволить решить проблему импортозамещения элементной базы при разработке изделий СВЧ диапазона.
1. Козловский Э.Ю., Осипов А.М., Селезнев Б.И. СВЧ МИС МШУ на основе наногетероструктур GaAs pHEMT // Системы и средства связи, телевидения и радиовещания. 2013. №1, 2. С.134-137.
2. Козловский Э.Ю., Спивак Ю.М., Мошников В.А. и др. Транзисторные структуры типа pHEMT: исследование особенностей полупроводниковой гетероструктуры методами атомно-силовой микроскопии // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Сер.: Информатика, телекоммуникации, управление. 2010. Вып.1. С.18-29.
3. Козловский Э.Ю., Селезнев Б.И. Моделирование СВЧ малошумящего pHEMT транзистора с применением САПР Microwave Office // Вестник НовГУ. Сер.: Техн. науки. 2012. №68. С.41-45.
Bibliography (Transliterated)
1. Kozlovskii E.Iu., Osipov A.M., Seleznev B.I. SVCh MIS MShU na osnove nanogeterostruktur GaAs pHEMT // Sistemy i sredstva sviazi, televideniia i radioveshchaniia. 2013. №1, 2. S.134-137.
2. Kozlovskii E.Iu., Spivak Iu.M., Moshnikov V.A. i dr. Tranzistornye struktury tipa pHEMT: issledovanie osobennostei poluprovodnikovoi geterostruktury metodami atomno-silovoi mikroskopii // Nauchno-tekhnicheskie vedomosti SPbGPU. Ser.: Informatika, telekommunikatsii, upravlenie. 2010. Vyp.1. S.18-29.
3. Kozlovskii E.Iu., Seleznev B.I. Modelirovanie SVCh maloshumiashchego pHEMT tranzistora s primeneniem SAPR Microwave Office // Vestnik NovGU. Ser.: Tekhn. nauki. 2012. №68. S.41-45.
