О конференции "Пульсар - 2009"

Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА - 2009.

 

Дроздов Д.Г., Савченко Е.М.

 

С 21 по 23 октября 2009 г. в городе Дубна состоялась VIII научно-техническая конференция молодых специалистов «Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА». Организаторами конференции выступили ОАО «НПП «Пульсар» и МНТОРЭС им. А.С. Попова.

В состав организационного и программного комитетов вошли видные отечественные деятели науки и техники.

Открывал конференцию заместитель председателя организационного комитета конференции заместитель генерального директора ОАО «НПП «Пульсар» по научной работе Кузнецов Юрий Алексеевич. В своем приветствии он отметил необходимость проведения таких конференций, для повышения уровня знаний молодых специалистов, объединения усилий по решению задач и установлению связей со специалистами других предприятий.

Работа конференции проходила по 8 секциям, посвященным СВЧ и силовым полупроводниковым приборам, интегральным схемам, перспективным технологиям производства и исследования полупроводниковых приборов и материалов, сложным функциональным блокам радиоэлектронной аппаратуры

Развитие СВЧ твердотельной электроники связано с увеличением уровня выходной мощности полупроводниковых приборов, которые являются основным элементом в передающих каналах РЛС, системах связи и другой аппаратуре различного назначения. Решение данной задачи достигается увеличением мощности, снимаемой с одного кристалла и суммированием мощности от нескольких кристаллов.

На конференции было представлено большое количество докладов, посвященных различным вопросам конструирования и изготовления мощных внутрисогласованных СВЧ транзисторов. Представителями ОАО «НПП «Пульсар» был сделан доклад о результатах оптимизации технологических процессов изготовления кристаллов мощных кремниевых СВЧ биполярных транзисторов  S – диапазона, с выходной импульсной мощностью 100 Вт при длительности импульса 100 мкс. Результаты проведенных исследований показали возможность увеличения мощности на 25-30%, снимаемой с одного кристалла, за счёт оптимизации параметров базового слоя и эпитаксиального слоя коллектора, что может позволить сократить площадь кристалла и тем самым повысить процент выхода годных кристаллов или увеличить выходную мощность транзисторов. Для согласования таких транзисторов в заданном диапазоне рабочих частот используются МДМ-конденсаторы. Разработанные конденсаторы обладают высокой добротностью (в 1,6 раза больше, чем МОП-конденсаторы), что позволяет значительно улучшить основные энергетические параметры транзисторов, такие как коэффициент усиления по мощности,  КПД коллекторной цепи, уровень выходной мощности.

 

01

Рисунок 1. Разрез структуры кристалла мощного кремниевого СВЧ биполярного транзистора.

 

02

Рисунок 2. Фотография разварки внутренних цепей мощного кремниевого внутрисогласованного СВЧ биполярного транзистора.

 

Специалистами ОАО «НПП «Пульсар» были рассмотрены перспективные конструкции и материалы корпусов для мощных СВЧ транзисторов. Значительно снизить тепловое сопротивление позволяют такие материалы как поликристаллический алмаз, СКЕЛЕТОН-Д, кубический нитрид бора. Основная проблема таких материалов – это большая твердость, что приводит к невозможности использовать стандартные методы их разделения, поэтому исследования в данной области продолжаются.

ОАО «НПП «Исток» был представлен доклад о мощных СВЧ GaAs транзисторах для S, C, X и Ku – диапазонов частот с максимальной выходной мощностью до 10 Вт. Для построения согласующих цепей транзисторов была использована керамика с высоким значением диэлектрической проницаемости. Монтаж кристаллов транзисторов осуществлялся на низкотемпературный золотосодержащий эвтектический припой. Габаритные размеры (3,05×0,5×0,06 мм) таких транзисторов соответствуют международному типоряду СВЧ транзисторов, кроме того корпуса транзисторов являются герметичными.

 

03

Рисунок 3. Фотография мощного СВЧ GaAs транзистора.

 

 

ОАО «НПП «Пульсар» были представлены результаты по разработке фрагмента СВЧ МИС усилителя мощности, реализованного на основе кремниевой технологии, который способен обеспечить выходную мощность до 1 Вт в L‑диапазоне частот. В перспективе работы по данному направлению позволят создать СВЧ МИС с коэффициентом усиления 30 дБ и более при выходной мощности до 2,5-3 Вт. С целью обеспечения нормального теплового режима функционирования данного усилителя были представлены возможности специализированных систем проектирования и измерительных устройств, позволяющие контролировать процессы тепловыделения для оптимизации конструкции теплоотводящих элементов. Для данного устройства специалисты ОАО «НПП «Пульсар» и МИЭМ представили результаты расчёта с использованием подсистемы электро-теплового моделирования. Для обеспечения нормального теплового режима функционирования, с использованием этих программ  была разработана отладочная плата, которая позволила обеспечить нормальную работу усилителя при рассеиваемой мощности до 7,5 Вт.

 

 

04ab

а)                                                                                                                                          б)

 

04c

в)

Рисунок 4. СВЧ МИС кремниевого усилителя мощности: а - топология кристалла; б - распределение тепловых полей по кристаллу СВЧ МИС; в - отладочная плата с кристаллом смонтированной СВЧ МИС усилителя мощности.

 

На конференции было сделано большое количество докладов, посвященных разработкам в области схемотехники ИМС различного назначения.

Научная группа из ЮРГУЭС представила доклады, посвященные низковольтным аналоговым перемножителям напряжений на основе SiGe технологии, методам повышения линейности прецизионных аналоговых перемножителей напряжения и улучшения статических параметров аналоговых микросхем.

Докладчиками из МИФИ были рассмотрены перспективные схемотехнические решения при построении быстродействующих компараторов напряжения и операционных усилителей.

Во ОАО «НПП «Пульсар» активно ведутся работы по созданию электронной компонентной базы для ППМ АФАР. Были представлены результаты работ по созданию активных и пассивных  смесителей. Высоколинейный активный смеситель, работающий в полосе частот 10 МГц – 2 ГГц имеет характеристики на уровне лучших зарубежных аналогов. Представленные результаты проектирования генераторов управляемых напряжением в диапазоне частот от 100 МГц до 1 ГГц показывают возможность создания отечественных ИМС соответствующих по совокупности параметров мировому уровню.

 

 

05

а)                                                              б)

Рисунок 5. Топология разработанных СВЧ МИС: а - топология активного смесителя; б - топология генератора, управляемого напряжением.

 

При разработке СВЧ МИС одним из важнейших этапов является выбор корпуса, поскольку он оказывает существенное влияние на параметры интегральных схем. Вопросам исследования СВЧ параметров большого количества стандартных отечественных металлокерамических корпусов, были посвящены доклады специалистов ОАО «ЭНПО СПЭЛС» и ОАО «НПП «Пульсар». В докладах были определены наиболее подходящие типы корпусов, а также варианты оптимального применения совместно с различными типами СВЧ МИС.

 

 

06

Рисунок 6. Модели стандартных отечественных металлокерамических корпусов для исследования СВЧ параметров в составе измерительной оснастки.

 

В области МДП-силовой электроники были представлены доклады, касающиеся построения микросхем драйверов силовых транзисторных ключей, а также конструктивных особенностей высоковольтных транзисторов в составе таких ИМС с рабочими напряжениями 600 и 1200 В. Создание приборов такого класса обусловлено необходимостью отказа от использования иностранной электронной компонентной базы  при построении систем электропитания различного назначения. Для увеличения пробивного напряжения высоковольтных n-МОП транзисторов было предложено использовать дополнительный p+ слой, а также сплошной p-подслой для компенсации влияния встроенного в окисел заряда. Это позволило обеспечить запас ≈ 200 В относительно номинального напряжения. Данная работа проводилась с использованием САПР приборно-технологического моделирования TCAD. В результате изготовлены ИМС драйверов, сопоставимые по параметрам с аналогичными зарубежными приборами.

07

Рисунок 7. Структура интегрального высоковольтного n-МОП транзистора.

 

В части работы с программами приборно-технологического моделирования были представлены: методика исследования шумовых параметров СВЧ транзисторов на основе исследований флуктуаций токов и напряжений при различных режимах работы, результаты по созданию нелинейных моделей биполярных транзисторов на основе гетероструктур SiGe. Создание таких моделей сопряжено с большими трудностями, поскольку часто в них используются параметры, которые сложно определить непосредственно из измерений. При компьютерном моделировании появляется возможность рассматривать отдельные области полупроводниковых приборов, и, таким образом, более точно извлекать необходимые параметры.

Как альтернатива компьютерному моделированию, часто требующему больших вычислительных мощностей, а также длительных расчётов, были представлены разработки упрощенных моделей. Например, расчётная модель сопротивления истока ВЧ и СВЧ LDMOS транзисторов или теплового сопротивления для импульсного периодического режима работы СВЧ транзисторов. Разработанные модели, при значительном сокращении времени расчёта, обеспечивают достаточно высокую точность.

 

Доклады по СВЧ полупроводниковым приборам, не ограничивались только транзисторной тематикой. В докладах ОАО «Оптрон» и ОАО «НПП «Пульсар» были рассмотрены мощные кремниевые диоды, pin-диоды, диоды с барьером Шоттки и резонансно-туннельные диоды. Рассматривались перспективные технологии радиационного стимулированного отжига, облучения α-частицами, легирование золотом, позволяющие повысить быстродействие диодов, а также снизить время восстановления.

 

На конференции ОАО “НПП “Пульсар” были представлены результаты разработки новых твердотельных фотоприемников широкого спектрального диапазона, не уступающих по своим характеристикам лучшим зарубежным образцам. Например, высокоскоростной матричный фотоприемник с зарядовой связью высокого разрешения с числом фоточувствительных элементов 768×128, имеющий динамический диапазон 103. Были представлены линейные ПЗС с числом элементов 3072, 4096, 6144 и размером фоточувствительных элементов 13×13 мкм2. Данные приборы обеспечивают чувствительность до 12 В/(лк×c) и способны применяться для решения задач оптико-электронной локации.

 

08

Рисунок 8. Высокоскоростные линейные и матричные фотоприемники с зарядовой связью высокого разрешения.

 

Разработанный ОАО “НПП “Пульсар” электронно-оптический преобразователь нового поколения, имеет в своем составе электронно-чувствительную ПЗС матрицу с межстрочным переносом. Это позволяет упростить технологию изготовления такой электронно-оптической матрицы, а также добиться большей чёткости изображения. Изготовленная электронночувствительная ПЗС матрица содержит в своем составе 752×582 чувствительных элемента формата 1 дюйм и шагом расположения 17 мкм.

ФГУП “НПП “ОПТЭКС” был представлен доклад о многозональном оптико-электронном преобразователе. Особенностями данной конструкции являлось расположение микросхем управления ФПЗС, резервирование систем памяти, а также использование импульсного источника питания. Эти особенности позволили снизить ток потребления и улучшить качество преобразования.

На конференции было представлено большое количество докладов, посвященных  созданию сложных функциональных блоков РЭА

От ФГУП «НПП «Исток» был сделан доклад о сверхширокополосном (2-18 ГГц) многоканальном модуле предварительной обработки сигналов. Особенностью данной конструкции является разбиение на 6 каналов, отвечающих за конкретный поддиапазон рабочих частот. После обработки в цифровом блоке сигналы поступают на устройства контроля. Разработка модуля по такой схеме позволила обеспечить предельно малые размеры модуля: масса 1,4 кг, объём 1 дм3.

ОАО «НПП «Пульсар» были продемонстрированы результаты по созданию импульсного усилителя мощности (Pвых=1,5 кВт), работающего в Х диапазоне частот. По соотношению мощность-объём (0,022 Вт/см3) данное устройство находится на уровне последних мировых достижений. Для его создания использовались 8 субмодулей, на основе внутрисогласованных GaAs транзисторов. Для управления транзисторами использован модулятор питания собственной разработки

 

09

Рисунок 9. Субмодуль усилителя мощности Х диапазона частот.

 

Специалистами  ОАО «НПП «Пульсар» были разработаны твердотельные СВЧ синтезаторы частот с фазовой автоподстройкой частоты. Параметры разработанных синтезаторов позволяют использовать их в современных радиолокационных станциях.

Рассматривались вопросы модернизации модуля АФАР L-диапазона с объединением 4 приемо-передающих каналов. Объёмная интеграция с соблюдением осевой симметрии позволила существенно уменьшить габаритные размеры данного модуля (отношение выходной СВЧ-мощности к объему составило 2 кВт/л). Достижение этого стало возможным, в том числе, благодаря использованию новых мощных СВЧ кремниевых биполярных транзисторов, разработанных ОАО «НПП «Пульсар».

10

а)                                                                                     б)

Рисунок 10. Общий вид 4-х канального СВЧ приемо-передающего модуля L-диапазона: а - на этапе проектирования; б - серийный образец.

Были представлены результаты исследования в области помехоустойчивого кодирования, что позволяет значительно улучшить электромагнитную совместимость в сложных блоках РЭА.

При работе конференции были затронуты вопросы перспективных технологий и методов исследования, необходимых для создания нового поколения приборов.

Керамика с низкой температурой обжига (LTCC), позволяет повысить степень объемной интеграции блоков и модулей РЭА. Рабочие частоты приборов на её основе превышают 30 ГГц, верхняя граница рабочих температур достигает 350 0C. Для данной технологии за счёт низкой температуры обжига менее 1000 0C возможно использование проводящих паст на основе золота, серебра, меди, что обеспечит низкие потери в проводниках. Данная технология использовалась специалистами  ОАО «НПП «Пульсар» для создания ряда модулей пассивных смесителей, усилителей мощности и генераторов управляемых напряжением для P, L- и S-диапазонов частот.

 

В докладе, посвященном технологии получения сверхчистой воды, рассматривалось методы очистки и необходимое технологическое оборудование.

На конференции выступали представители ООО “ЭСТО-вакуум”, ЗАО “Остек”, Agilent с докладами по современному оборудованию и технологиям.

 

В совместном докладе ОАО «Оптрон» и МИСиС были представлены вопросы изучения кубического нитрида бора. Данный материал выдерживает воздействия высоких температур и радиации. При этом ближайшей задачей исследователей является получение монокристаллического кубического нитрида бора, для последующего создания приборов на его основе.

 

11

Рисунок 11. Фотография структуры исследованных образцов кубического нитрида бора.

 

Рассматривалась технология получения алмазоподобных пленок с помощью метода химического осаждения из газовой фазы. Данный материал может применяться для решения задач оптоэлектроники, в частности при создании ПЗС матриц.

Были представлены методы неразрушающего контроля КНИ- и КНС-структур, позволяющие на ранних стадиях выявлять дефекты, а также неравномерность толщины кремниевых структур.

 

В своем завершающем слове генеральный директор ОАО «НПП «Пульсар» А.Г.Васильев поблагодарил всех участников конференции, а также выразил желание и в дальнейшем проводить подобные конференции с целью профессионального роста молодых специалистов отрасли.