GaAs МИС PIN ДИОДНОГО ДВУХПОЗИЦИОННОГО КОММУТАТОРА

January 20, 2013 by admin Комментировать »

Баров А. А., Гущин С. М. НПФ «Микран», ОАО «НИИПП» ул. Вершинина, д. 47, г. Томск, 634034, Россия тел.: +7(3822) 413403, e-mail: a_barov@micran.ru

Аннотация – Описывается разработка GaAs МИС p-i-n диодного коммутатора.

I.                                       Введение

в иерархической структуре электрически управляемых СВЧ полупроводниковых элементов pin диоды на основе GaAs занимают особое место. Область приложения GaAs pin диодов обусловлена свойствами полупроводника. По сравнению с кремнием GaAs имеет в несколько раз большую подвижность и теплопередачу, но меньшее эффективное время жизни неосновных носителей (Тэфф). Вследствие этого, нижний рабочий диапазон данного полупроводникового элемента ограничен несколькими сотнями 1\/1Гц. По настоящему свойства GaAs pin диода проявляются в монолитно-интегральной технологии, когда на одной подложке возможно объединение нескольких элементов. В зарубежной литературе имеется ряд публикаций по разработке GaAs pin диодных IVIMC [см., напр., 1-3], где отмечается их широкополос- ность и низкий ток управления. Дополнительный интерес к GaAs pin диодным IVIMC появился с развитием телекоммуникационного рынка в мм-диапазоне длин волн [4, 5], что обусловлено высоким показателем коммутационного качества [6] одиночного pin диодного элемента.

Разработка GaAs коммутационной МИС обусловлена отсутствием отечественной элементной базы. При разработке GaAs МИС pin диодного коммутатора возникает ряд взаимосвязанных задач по изготовлению полупроводниковой структуры с требуемыми параметрами, построения технологического маршрута и топологии схемы. В предлагаемом докладе приводится результаты собственной разработки.

II.                              Основная часть

Разработку МИС коммутатора условно можно разделить на три этапа: материаловедческая, технологическая и схемотехническая. Под материаловедческой понимается разработка полупроводниковой структуры, которая отвечает заданным требованиям; под технологической – процесс изготовления на полупроводниковой структуре требуемой схемотехнической топологии. Анализ литературных данных по pin диодным структурам из GaAs позволил сформулировать требования к основным электрофизическим параметрам полупроводникового материала. В качестве определяющего критерия применимости pin диодной структуры был выбран параметр Тэфф. Ход экспериментальной работы был следующий. На проводящих GaAs: Те подложках методом хлоридной газофазной эпитаксии были выращены различные типы p-i-n диодных структур, которые отличались по толщине слоев, уровню и профилю легирования. Затем, на полученных пластинах изготавливались одиночные pin диоды «вертикальной» структуры, на которых проводилось измерение Тэфф. Из-за малого значения Тэфф измерялось согласно [7]. Результаты измерений показали зависимость Тэфф от толщины i-слоя, уровня и градиента концентрации носителей заряда в нем. Наибольшее значение Тэфф= 50нс получено на структуре с толщиной i-слоя ЗОмкм и концентрацией электронов меньше 2><10^"’см·®. Обратное пробивное напряжение диодов составляло 540В (ЮмкА).

Для определения модели одиночного pin диода экспериментальные образцы монтировались в стандартный микрополосковый СВЧ тракт. По измеренным амплитудно-частотным характеристикам в открытом и закрытом состоянии pin диода определялись его эквивалентные параметры. При площади перехода О.Змм^и прямом токе ЮмА эквивалентное сопротивление диода составило 20м, а в закрытом состоянии емкость диода составила 0.26пФ. Следует заметить очень слабую зависимость измеренной на ВЧ емкости диода от приложенного обратного напряжения, при этом величина емкости близка к значению, когда i-слой полностью обеднен свободными носителями заряда.

Полученные эквивалентные параметры использовались для моделирования МИС. На рис. 1 приведена электрическая схема двухпозиционного коммутатора и топология МИС.

Рис. 1. Электрическая схема двухпозиционного коммутатора (а) и топология разработанной GaAs МИС (б).

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

Особенностью МИС коммутатора является то, что цепи питания вынесены за пределы кристалла. Это позволило значительно упростить технологический маршрут изготовления МИС. Переключение направления передачи осуществляется с помощью двух противофазных, биполярных управляющих сигналов.

МИС изготавливается на эпитаксиальной GaAs структуре, выращенной на полуизолирующей подложке. На рис.2 приводится фрагмент конструкции кристалла.

Рис. 2. Фрагмент конструкции кристалла GaAs МИС pin диодного коммутатора.

Fig. 2. Fragment of GaAs MIC pin-diode switch

Выделение активных областей под pin диоды проводится с помощью двухуровневой мезы. Далее формировались омические контакты и топологический рисунок IVII/IC. Габариты кристалла IVII/IC 1.3×0.8×0.1 мм. Заземляющие отверстия получены путем химического травления с обратной стороны и магнетронного напыления металла.

На рис. 3 приводится расчетные электрические характеристики разработанной IVII/IC коммутатора.

Рис. 3. Расчетные характеристики разработанной GaAs МИС деухпозиционного коммутатора в режиме пропускания и запирания.

Рис. 3. Расчетные характеристики разработанной GaAs МИС деухпозиционного коммутатора в режиме пропускания и запирания

III.                                  Заключение

Анализ результатов экспериментальных работ по изготовлению GaAs полупроводниковых pin диодных структур позволил выявить зависимости основных электрических характеристик pin диодов, изготовленных на этом материале, от электрофизических параметров эпитаксиального материала. Полученные зависимости позволяют управляемо выращивать эпитаксиальные структуры с требуемым Тэфф в диапазоне 4-50 не. В результате проведенной работы изготовлены дискретные GaAs pin диоды «вертикальной» структуры, пригодные для использования в ограничительных и коммутационных узлах гибридноинтегральных схем. На базе экспериментальных данных уточнена эквивалентная схема pin диода и разработана топология iVil/iC двухпозиционного коммутатора.

IV.                           Список литературы

[1]  D. J. Seymour, D. D. Heston and R. Ε. Lehmann. «Monolithic MBE GaAs Pin Diode Limiter.» 1987 Microwave and Millimeter-Wave Monolithic Circuits Symposium Digest 87.1 (1987 [MCS]): 35-37.

[2]  D. D. Heston, D. J. Seymour and D. Zych. «100 MHz to 20 GHz Monolithic Single-Pole, Two-, Three-, and Four- Throw GaAs PIN Diode Switches.» 1991 MTT-S International Microwave Symposium Digest 91.2 (1991 Vol. II [MWSYM]): 429-432.

[3]  J. —L. Lee, D. Zych, E. Reese and D. M. Drury. «Monolithic 2-18 GHz Low Loss, On-Chip Biased PIN Diode Switches.» 1995 Transactions on Microwave Theory and Techniques 43.2 (Feb. 1995 [T-MTT]): 250-256.

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

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

s. Bandia, R. Tayrani and L. Raffaelli. «Monolithic GaAs p-i-n Diode Switch Circuits for High-Power Millimeter-Wave Applications (Short Papers).» 1989 Transactions on Microwave Theory and Techniques 37.12 (Dec. 1989 [TMTT]

(1989 Symposium Issue)): 2162-2165.

[6]  СВЧ устройства на полупроводниковых диодах. Проектирование и расчет. Под ред. Мальского И. В., Сестро- рецкого Б. В. – М.: Сов. радио, 1969, -579 с.

[7]  ГОСТ 18986.7-73 Методы измерения эффективного времени жизни неравновесных носителей заряда.

GaAs MMIC PIN DIODES SPDT SWITCHER

Barov A. A., Gushchin S. M.

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

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

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты