Влияние технологических погрешностей на спектральные характеристики смесителей МИС СВЧ

Мешков С.А., Хныкина С.В. ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПОГРЕШНОСТЕЙ НА СПЕКТРАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СМЕСИТЕЛЕЙ МИС СВЧ

Основными тенденциями развития радио - электронных систем (РЭС) сегодня являются повышение рабочих частот до сотен гигагерц, расширение рабочей полосы частот до десятков гигагерц, обработка импульсов наносекундной длительности, расширение динамического диапазона до 14 0 дБ, выполнение РЭС в виде одной интегральной схемы. Современные требования снижения размеров и веса СВЧ-устройств, расширения их динамического диапазона, уменьшения потребляемой мощности и стоимости, наращивания их интеграции и функциональных возможностей при росте рабочих частот подталкивают разработчиков к созданию новых компонентов и поиску их оптимальных архитектур [2]. Монолитные интегральные схемы позволяют обеспечить изготовление устройств, выполняющих огромное количество операций на малой физической площади.

В состав большинства РЭС (радио - локационных станций, систем цифровой связи и специальных РЭС) входит супергетеродинный приемник, основным узлом которого является нелинейный преобразователь ра-диосигналов.Он состоит из смесителя и гетеродина. Основной характеристикой смесителя является частотный спектр его выходного сигнала, то есть зависимость мощности от частоты на выходе смесителя, когда на его вход поступают гармонические колебания гетеродина и сигнала. Этот спектр определяется нелинейной вольтамперной характеристикой (ВАХ) J=J(U) диода в смесителе.

Для получения желаемого вида частотного спектра выходного сигнала смесителя необходимо в частности уменьшение интеркомбинационных составляющих пИг±тИс частот гетеродина Иг и сигнала Ис (где п и т - целые числа).

Ныне применяемые диоды имеют экспоненциальную ВАХ вида J=J(U)=a• [ехр(ри)-1]. Большая кривизна такой экспоненциальной ВАХ приводит к обилию интеркомбинационных частот пИг±тИс в спектре смесителя вместо одной полезной частоты Иш= Иг - ЭДс. Для уменьшения мощности интеркомбинационных составляющих пИг±тИс применяют частотные фильтры. Эти фильтры препятствуют вышеперечисленным тенденциям развития РЭС, в частности, из-за своих больших размеров делают невозможным изготовление смесителя в виде одной интегральной схемы.

С другой стороны, со времени появления первых диодов известны идеальные формы ВАХ (степени N в формуле J(U)~UN) диодов, дающие теоретический минимум интеркомбинационных составляющих гетеродина и сигнала. ВАХ диода зависит от параметров его структура, следовательно от технологических параметров его изготовления.

Рассмотрим смеситель на основе резонансно-туннельного диода. Начальный участок ВАХ J=J(U) резонансно-туннельного диода, построенного из AlхGаl-хAs гетероструктур, имеет ВАХ менее крутую, чем экспонента. На рис.1. показана схема смесителя на его основе (резонансно-туннельный диод в программной среде смоделирован в качестве нелинейного элемента)[3].

Рис. 1. Схема смесителя.

Целью работы является определение чувствительности спектра к изменению параметров технологического процесса изготовления прибора.

Для определения влияния технологических погрешностей на вольтамперную характеристику воспользуемся моделью ВАХ, которая была получена численным интегрированием формулы Цу - Есаки (1).

J

°

Эта формула содержит под интегралом две функции Е(Е) и Z(E) от от кинетической энергии Е движения электрона поперек слоев гетероструктуры. Функция Е(Е) есть вероятность для электрона находиться в классических областях (приэлектродных слоях), а функция Z(E) есть вероятность перехода между этими областями через квантоворазмерную область (прозрачность гетероструктуры). Константа С задает наибольшую теоретическую плотность тока [1].

Профиль дна зоны проводимости AlхGal-хAs гетероструктуры поперек слоев резонансно-туннельного диода (Рис. 2) состоит из двух областей, сильно различающихся по способу моделирования токопереноса в них. Центральная область имеет характерные размеры менее 10 нм и описывается законами квантовой механики. Периферийные области справа и слева от этого центрального квантоворазмерного ядра имеют характерные микрометровые размеры и описываются законами классической механики.

Для совместного учета классических и квантовых эффектов сейчас применяются несколько подходов. Наиболее простой и менее точный метод огибающих волновых функций или метод матрицы переноса (ММП). Он сводится к решению одномерного уравнения Шредингера для одного электрона, находящегося в профиле потенциальной энергии, как на рис.2. В результате решения этого уравненния получают волновую функцию электрона, а из нее - вероятность Z(E) прохождения электрона поперек всех квантоворазмерных слоев, кратко называемую прозрачностью этой квантоворазмерной гетероструктуры.

Е-0,5эВ электрон электрон

Ec ~ 0,1 эВ

1 ' n ' AL AI ' n '

Au 1 GaAs  GaAs ! (Si) : Ga1-x AS GaAs Ga1-x As GaAs | GaAs; Au ! (Si) !

Рис. 2. Профиль дна зоны проводимости.

После такого решения квантовомеханической задачи переходят к описанию классического поведения электрона в крайних приэлектродных областях микронных размеров. Для этого описания предполагают, что здесь всегда имеется установившееся равновесное состояние всех электронов проводимости, описываемое известной функцией Ферми распределения электронов по энергиям. Оба распределения вероятностей - квантовое и классическое - объединяются при таком подходе в полуклассической формуле Цу -Есаки (1).

Известно, что на Z(E) сильное влияние оказывают два параметра слоев - ширина потенциальной ямы N (толщина слоя GaAs) и высота барьеров Уь, окружающих яму (содержание Al в AlхGal-хAs). Положение уровня Ферми Еf зависит от концентрации легирующей примеси ^^.

Проведём расчёты ВАХ в программной среде MathCAD для гетероструктуры резонансно-туннельного диода с параметрами слоёв соответствующими таблице 1:

Таблица 1.

№ слоя Состав слоя Толщина слоя, нм XAl

1 n+ GaAs 1000 -

2 GaAs 30 -

3 A^Ga^As 2,8 0,8

4 GaAs 4,5 -

5 A^Ga^As 2,8 0,8

6 GaAs 30 -

7 n+ GaAs 1000 -

Т.е. для Nw=4,5 нм, Xai=0,8 (Vb=0,8 эВ).

Зададим концентрацию легирующей примеси nSi=1*1018 1/см3 (для такой величины n Ef =0,03эВ). В этом случае ВАХ будет иметь вид(2):

J=17 7, 3 0*U3-3 9,18*U2 + 3 , 07*104*U-0,03

Если изменить значения концентрации легирующей примеси на nSi=6*1018 1/см3 (Ef =0,10 эВ), ВАХ будет иметь вид (3):

J=2 9, 4 3*U3+111,55*U2-2,12*104*U+0,03

Получены ВАХ и спектральные характеристики резонансно-туннельного диода при f сигнала=1ГГц.

Далее воспользовались этими аналитическими моделями ВАХ для определения выходных параметров смесителя .

Результаты моделирования в программной среде коэффициента передачи и спектральных характеристик при fсигнала1=90 0 МГц и fгетеродина=855 МГц представлены в виде: — Спектра входного сигнала, содержащего несколько гармонических составляющих; — Диапазон варьирования коэффициента передачи изменился с -15,82 ...-17, 0 0 на -20,82...-21,15; — Изменение спектра произошло как по амплитуде, так и по количеству спектральных линий.

Отсюда можно заключить, что спектр сильнее реагирует на изменение технологического параметра, чем другие выходные характеристики, и его возможно использовать в качестве информативного параметра для определения нарушений в технологическом цикле.

ЛИТЕРАТУРА

1. Иванов Ю.А., Малышев К.В., Федоркова Н.В. Формирование ВАХ AlGaAs нанодиодов //СВЧ техника и

телекоммуникационные технологии.: Тез. докл. 14 Междунар. Крымская конф. - Севастополь, 2 0 0 4.-

C.532-53 4.

2. «Mems-устройства для СВЧ приложений: новая волна»: Ренди Ричардс, Гектор Де Лос Сантос (Перевод Ю. Потапова), Chipnews №7, 2001

3. —Nonlinear Microwave and RF Circuits"/Stephen A/Maas.-2-nd.,Artech House Boston, London,

2003.