Регистрация / Вход
Прислать материал

14.574.21.0116

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Общие сведения
Номер
14.574.21.0116
Тематическое направление
Транспортные и космические системы
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э.Баумана (национальный исследовательский университет)"
Название доклада
Разработка научно-технических решений для повышения надежности и радиационной стойкости элементной базы полупроводниковой СВЧ электроники аппаратуры космического назначения
Докладчик
Гудков Александр Григорьевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Разработка научно-технических решений и методики оценки надёжности и радиационной стойкости для расчёта времени наработки до отказа элементной базы полупроводниковой СВЧ электроники для космических аппаратов.
Разработка, изготовление и экспериментальные исследования элементов и узлов монолитных интегральных схем СВЧ, обладающих повышенной стойкостью к воздействию перепадов температуры и ионизирующих излучений.
Актуальность и новизна исследования
Реализация проекта обеспечит вклад в решение задачи создания отечественной радиационностойкой элементной базы для космических применений.
Описание исследования

При воздействии ионизирующих излучений (ИИ) число микродефектов в полупроводниковом материале возрастает и, следовательно, низкочастотный (НЧ) шум можно использовать в качестве информационного параметра степени деградации прибора. 

В данной работе одними из основных объектов исследования селективно легированные гетероструктурные транзисторы на основе нитрида галлия (GaN) и диоды на карбиде кремния (SiC), используемые в СВЧ-микросхемах. 

Прежде чем переходить к исследованию влияния ионизирующих излучений на низкочастотные шумы GaN HEMT, была проверена методика измерений, было определено, как меняются шумовые характеристики транзисторов при изменении питающих напряжений, а также отобраны наиболее информативные режимы их работы. Для этих целей использовали в основном технологическую пластину с матрицей транзисторов нескольких видов топологии.  

Сначала были измерены и внесены в базу данных исходные вольтамперные и спектральные шумовые характеристики испытуемых транзисторов. В дальнейшем такие измерения с внесением в базу данных повторялись после каждого цикла ионизирующих электронных воздействий. 

Оценка кинетики спектральных характеристик токового шума экспериментальных образцов функциональных узлов МИС СВЧ в результате действия перепадов температуры и ИИ проводиласься по результатам экспериментальных исследований функциональных узлов МИС СВЧ. 

В качестве экспериментальных образцов для проведения экспериментального исследования кинетики спектральных характеристик токового шума экспериментальных образцов функциональных узлов МИС СВЧ использовались изготовленные в рамках ПНИ лабораторные образцы МИС СВЧ переключателей на основе pin-диодов. 

Измерить шумы тока pin-диода не удалось из-за недостатка чувствительности даже при большом токе диода. При таком токе спектральная плотность дробового шума примерно в пять раз превышает чувствительность аппаратуры на равномерном участке, и шумы такого уровня легко были бы измерены, однако у pin-диода отсутствуют физические причины, ответственные за случайное появление носителей заряда, приводящее к возникновению дробового шум. У pin-диода в открытом состоянии шумы на равномерном участке спектра связаны с рассеянием электронов на тепловых колебаниях решетки. Спектральная интенсивность этого шума практически равна тепловому шуму.

На НЕМТ структурах, выращенных в одинаковых режимах, но отличающихся, по условиям роста зародышевого и буферного слоев, были определены значения степени разупорядоченности наноматериала по разработанной методике. 

В нашем случае основным активным элементом МИС является гетероструктурный HEMT на основе соединения GaN/AlGaN. Моделирование и прогнозирование его шумовых характеристик является совершенно необходимым этапом в работе по созданию методики тестирования функциональных узлов аппаратуры космического применения, работающей в условиях перепадов температур и воздействия ИИ.

В рамках настоящей работы проводилось численное моделирование влияния некоторых параметров на шумовые характеристики полевых СВЧ-транзисторов на основе гетероструктур AlGaN/GaN (HEMТ). Необходимость прогнозирования важнейших шумовых характеристик транзисторов потребовала построения моделей для статистики распределения носителей во всех областях гетероструктуры, модели дифференциальной подвижности электронов, а также тщательной настройки модели полного энергетического баланса транспорта носителей в канале HEMT-транзистора для учета разогрева основных носителей и адекватного описания процессов токопрохождения при внешних воздействиях и при особых режимах эксплуатации прибора. В качестве базовых инструментов для моделирования и оптимизации HEMТ-транзисторов использовались широко известные программные пакеты для численного моделирования полупроводниковых приборов TCAD “Synopsys” и “Silvaco”, хорошо себя зарекомендовавшие при расчетной оптимизации гетероструктурных полевых транзисторов . Результаты моделирования сравнивались с экспериментальными результатами измерения электрофизических параметров гетероструктур и НЕМТ транзисторов.

В ходе проведения выполнения ПНИ при проведении исследований шумовых характеристик на лабораторном стенде были выявлены недостатки, в связи с которыми необходимо было произвести доработку лабораторного стенда.

Было произведено сопряжение лабораторного стенда с полуавтоматической микрозондовой установкой PA-200 фирмы Cascade Microtech Inc., Beaverton, Oregon, USA. 

Результаты исследования
  • Разработаны программы и методики экспериментальных исследований кинетики спектральных характеристик токового шума экспериментальных образцов элементов МИС СВЧ на основе многослойных полупроводниковых гетероструктур (диодов, транзисторов) и pin-диодов в результате действия перепадов температуры и ИИ.
  • Проведены экспериментальнык исследования кинетики спектральных характеристик токового шума экспериментальных образцов элементов МИС СВЧ на основе многослойных полупроводниковых гетероструктур (диодов, транзисторов) и pin-диодов в результате действия перепадов температуры и ИИ.
  • Разработаны программы и методики экспериментальных исследований кинетики спектральных характеристик токового шума экспериментальных образцов функциональных узлов МИС СВЧ в результате действия перепадов температуры и ИИ.
  • Проведены экспериментальнык исследования кинетики спектральных характеристик токового шума экспериментальных образцов функциональных узлов МИС СВЧ в результате действия перепадов температуры и ИИ.
  • Проведены исследования влияния температуры и ИИ на самоорганизацию фрактальных структур нано- и мезоскопического уровня в полупроводниковых слоях.
  • Разработаны математические модели зависимости спектра токового шума элементов и функциональных узлов МИС СВЧ от деградации в результате действия перепадов температуры и ИИ.
  • Проведены оценки скорости деградации элементов и функциональных узлов МИС СВЧ по разработанным математическим моделям зависимости скорости спектра токового шума от деградации в результате действия перепадов температуры и ИИ.
  • Доработан лабораторный стенд для исследования шумовых характеристик экспериментальных образцов элементов и функциональных узлов МИС СВЧ по результатам экспериментальных исследований.
  • Полученные результаты были представлены на 4 международных научно-практических конференциях.
Практическая значимость исследования
Разработка новых элементов МИС СВЧ (РТД, HEMT и pin-диоды) и функциональных узлов на их основе (фазовращатели, переключатели, смесители и т.д.). Данная продукция будет востребована в космической и радиоэлектронной отраслях для решения задач радиолокации, радиосвязи, навигации, телекоммуникаций.
Планируемые результаты являются звеном в решении задачи обеспечения космической отрасли отечественной радиационностойкой элементной базой.
Результаты НИР будут использованы для подготовки специалистов по направлениям "Проектирование и технологии РЭС", "Радиоэлектронные системы и комплексы", "Наноинженерия".
Презентация

Presentation_30.11.pptx