Анотація до роботи:

Зоренко О.В. Розробка методів підвищення ефективності і розширення функціональних можливостей ЛПД в короткохвильовій частині міліметрового діапазону. – Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.27.01 – твердотільна електроніка. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут», Київ, 2005.

У дисертаційній роботі теоретично обґрунтовані і проаналізовані результати наукових досліджень, запропоновані і реалізовані на основі науково-технічних досягнень рішення, спрямовані на розширення частотного діапазону твердотільних джерел НВЧ випромінювання високого рівня потужності в короткохвильовій частині міліметрового діапазону.

Показана ефективність використовування ЛПД двоміліметрового діапазону в основі генераторів-перетворювачів частоти: помножувача-перетворювача високої кратності і перетворювача зі зсувом частоти вгору. Показано теоретично і експериментально, що вони дозволяють формувати сигнал в сантиметровому діапазоні, а потім переносити його в міліметровий діапазон зі збереженням якісних спектральних характеристик низької частоти при малих енергетичних втратах вхідних (низькочастотного і проміжного) сигналів.

Теоретично і експериментально показано, що потенційні можливості SiC-ЛПД забезпечують подальший розвиток потужних НВЧ приладів у плані істотного поліпшення їх енергетичних характеристик і підвищення робочої частоти. Вперше виготовлені і експериментально досліджені 4H-SiC p+-n-n+-ЛПД в імпульсному режимі.

Основні результати і висновки дисертаційної роботи полягають в наступному:

1. Для двопрольотних кремнієвих р+-р-n-n+ ЛПД двоміліметрового діапазону на основі локально-польової моделі з урахуванням досягнень вітчизняної технології проведено теоретичне дослідження високочастотних процесів. Визначені значення структури кристала (довжина, рівень легування, діаметр) і режими роботи, що дозволяють оптимізувати вихідні характеристики генераторних і інших пристроїв.

Теоретично показано, що оптимальне легування n- і р- області перебуває в межах від 2,010¹⁷ до 2,510¹⁷ см^-3 при довжині області відповідно від 0,22 до 0,2 мкм. При цьому максимальний КПД досягає 3%, а питома потужність – 410⁴ Вт/см² при температурі р-n переходу 250С. Максимальне значення активної складової провідності перебуває на частоті близько 100 ГГц при J₀ = 43 кА/см² і на 120 ГГц при J₀ = 65 кА/см². Оптимальна вихідна потужність ЛПД з мідним або алмазним тепловідводом визначається діаметром мезаструктури:

– з тепловідводом зі щільної міді – 0,25 0,28 Вт при діаметрі мезаструктури – 25 мкм;

– з алмазним тепловідводом – 0,7 Вт при діаметрі мезаструктури – 40 мкм.

2. Експериментальне дослідження статичних і динамічних характеристик ЛПД визначеної структури, виготовлених в НДІ «Оріон», показало ефективну роботу діодів в діапазоні 100 – 140 ГГц, при досить жорстких конструктивних вимогах до мезаструктури.

3. Для двопрольотних кремнієвих р+-р-n-n+ ЛПД двоміліметрового діапазону на основі локально-польової моделі проведено теоретичне дослідження високочастотних процесів в автоколивальному бігармонічному режимі і бігармонічному режимі з підкачкою потужності з метою зниження пускових токів і теплових обмежень.

Теоретично показано, що в бігармонічному режимі максимальна вихідна потужність на частоті другої гармоніки досягається при фазі напруги другої гармоніки j = –/2. На частоті 140ГГц максимально досяжна вихідна потужність в 2,8 рази, а КПД в 2,5 рази вищі, ніж в моногармонічному режимі. Зниження пускового струму можливе до 40 мА, тобто більш, ніж в 2 рази, в порівнянні з моногармонійним режимом. В неперервному режимі роботи діоду з мідним тепловідводом КПД по другій гармоніці зростає аж до струму живлення 200 мА, що відповідає густині струму 40 кА/см² і досягає 2%, при легуванні N_A = N_D = 2,2510¹⁷ см^-З. Максимальна вихідна потужність досягає 50 мВт .

4. Для двопрольотних кремнієвих р+-р-n-n+ ЛПД двоміліметрового діапазону на основі локально-польової моделі проведено теоретичне дослідження імпедансних характеристик діодів в режимах множення-перетворення частоти і перетворення частоти зі зсувом вгору.

Теоретично показано, що в режимі множення-перетворення втрати складають 10 – 15 дБ при перетворенні частоти в 15 разів з вихідною частотою в короткохвильовій частині міліметрового діапазону; 20 – 25 дБ при перетворенні в 20 і більше разів в субміліметровому діапазоні.

Максимальна потужність на вихідній частоті 140 ГГц складає 30 мВт і відповідає опору вихідного контуру R₃ » 150 Ом, L₃ = 2,7310^-12 Гн, L₂ = 4,010^-12 Гн, L₁ = 1,810^-11 Гн. В режимі перетворювача частоти зі зсувом вгору розрахунки проводилися для кристала з рівнем легування N_A=N_D = 1,510¹⁷см^-З і двох значень низької частоти: f₁ = 7 ГГц і f₁ = 1,75 ГГц. Показано, що перетворювачі частоти зі зсувом вгору на основі кремнієвих двопрольотних ЛПД дозволяють забезпечити перетворення сигналів з втратами близько 1 дБ щодо вхідної ВЧ частоти. Вихідна потужність може досягати 10 мВт в безперервному режимі роботи на частоті 140 ГГц, при КПД, щодо потужності, що підводиться, по постійному струму, близько 0,4% із збереженням на виході перетворювача частоти зі зсувом вгору спектральних характеристик сигналу ПЧ (проміжної частоти).

5. Експериментальні дослідження макетів НВЧ модулів, виготовлених для приймаючо-передаючого вузла у рамках проекту 1056 УНТЦ, показали хорошу відповідність з розрахунковими даними. Одержані:

вихідна потужність задаючого генератора P_out = 1520 мВт на частоті 140 ГГц при температурі активного шару менш за 200C;

вихідна потужність помножувача-перетворювача частоти високої кратності P_out = 1517 мВт на частоті 140 ГГц при температурі активного шару менш за 130С і якісних спектральних характеристиках сигналу;

вихідна потужність, на частоті f_p = 140 ГГц (верхня бічна смуга) склала P_out = 10 мВт з втратами перетворення, при урахуванні втрат в смугово-пропускаючому фільтрі, менш за 1 дБ. Вхідна потужність перетворювача частоти зі зсувом вгору на частоті f_{1 =} 1,5 ГГц склала до 70 мВт і на частоті f₂ = 138,5 ГГц – до 12 мВт.

6. За результатами експериментальних досліджень в НДІ «Оріон» під керівництвом здобувача розроблена конструкторська документація, технологія складання НВЧ модулів, методики настроювання та випробувань, що дозволяє налагодити за наявності замовлень виробництво модулів.

7. Відповідно до поточної ситуації в дослідженні і розробці напівпровідникового карбіду кремнію (SiC) проведений чисельний розрахунок динамічних характеристик ЛПД на эпитаксиальній структурі p-n типу, вирощеній на грані {0001} політипу 6H-SiC для імпульсного режиму роботи на частоті 140 ГГц. Знайдено, що структура n+-n-p+-типу з довжиною активної області w_n = 0,65 мкм і легуванням N_D = 410¹⁷ см^-3 повинна забезпечувати густину вихідної НВЧ потужності P_out ~ 1,5 МВт/см² з КПД ~ 7 % при J₀ = 150 кА/см² і P_in = 25 МВт/см². Для густини струму 90 кА/см² і питомої вхідної потужності 10 МВт/см² максимальна ефективність генерації НВЧ потужності (КПД), дорівнює 6 %. Густина пускового струму, при якому з'являється від’ємний опір, дорівнює 40 кА/см² для оптимальної структури. Питома від’ємна провідність діода має місце в широкому діапазоні густини зворотного струму живлення (25 – 220 кА/см²). Робоча частота такого діода повинна бути в діапазоні 90-250 ГГц.

Знайдене експериментально значення швидкості дрейфу електронів виявилося приблизно в 3 рази нижче за розрахункові значення, використані для чисельного моделювання SiC-ЛПД. Переоцінка частоти генерації SiC-ЛПД (f_Т = J_S /2w_n) показала, що максимальна робоча частота SiC ЛПД повинна бути набагато нижче, ніж вважалося раніше, а частота 94 ГГц близька до верхньої межі. Це означає, що SiC-ЛПД не перевершуватимуть Si-ЛПД в частині максимальної робочої частоти, проте застосування SiC дуже перспективне для виготовлення потужних ЛПД.

8. Виготовлення і експериментальне дослідження електричних характеристик 4H-SiC p-+-n-n+- ЛПД проведено в НДІ «Оріон» під керівництвом здобувача у рамках міжнародної програми INTASCNES 97. Вперше SiC діоди показали стабільну роботу в стані лавинного пробою при лавинному струмі до 20 мA, середньої потужності розсіяння 5,5 Вт і питомої вхідної потужності 200 кВт/cм². Напруга пробою U_out = 287 В була близькою до розрахункового значення. Показано, що 4H-SiC p+-n-n+ діоди здатні розсіяти імпульсну питому потужність приблизно в 3,7 мВт/cм² при лавинному пробої.

Вперше температурна залежність напруги пробою b була виміряна при високому значенні густини струму J₀ = 37 кА/см². Показано, що значення b змінює знак в районі 750 К з від’ємної величини на позитивну.

Вперше зроблена експериментальна оцінка швидкості дрейфу електронів J_S по С-вісі в 4H-SiC. Швидкість дрейфу електронів по С-вісі в 4H-SiC була оцінена з аналізу форми імпульсу напруги в лавинному режимі роботи. Визначено J_S = 0,810⁷ см/с для кімнатної температури і J_S = 0,75l0⁷ см/с для 460 К.

Вперше експериментально зафіксовані НВЧ коливання, вироблені SiC-ЛПД. НВЧ коливання з'явилися при пороговому струмі вхідного імпульсу 0,3 А. Частота коливань, приблизно 10 ГГц (Х-діапазон) та імпульсна НВЧ потужність, приблизно 300 мВт, були виміряні при імпульсному струмі 0,35 А і тривалості імпульсу 40 нс. Коефіцієнт перетворення потужності склав приблизно 0,3 %. Відносно малий КПД можна пояснити роботою діодів на частотах дуже близьких до лавинної.

Перші експериментальні вимірювання робочої частоти SiC ЛПД з простим профілем легування, проведені в даному дослідженні, забезпечують основу для точного чисельного конструювання SiC-ЛПД і розрахунку найбільшої вихідної потужності, яка може очікуватися в середньому частотному діапазоні.

Основні положення дисертації опубліковані в роботах:

1. Олейник В.Ю., Булгач В.Л., Валяєв В.В., Зоренко А.В., Миронов Д.В., Чайка В.Е. Электронные приборы миллиметрового и субмиллиметрового диапазона на основе нанотехнологий. Киев, ГУИКТ. ООО “ДВ.К”, 2004г. С.251.

Здобувачем виконані розрахунки енергетичних та імпедансних характеристик ЛПД в короткохвилевій частині міліметрового діапазону. Отримані експериментальні результати спектральних та енергетичних характеристик приладів на ЛПД.

2. Зоренко А.В., Колошинский А.Е., Чайка В.Е. Активный преобразователь частоты на IMPATT диоде в коротковолновой части мм диапазона длин волн // Радиофизика и электроника: Сб. науч. тр. – Харкiв.: ИРЭ НАН Украины, 2000.– Т.5, №3.– С.143-147.

Здобувачем розроблено активний перетворювач частоти на двопрольотному IMPATT діоді.

3. Зоренко А.В., Блудов А.В., Чайка В.Е. Умножитель-преобразователь частоты на основе лавинно-пролетного диода // Радиофизика и электроника: Сб. науч. тр. – Харкiв.: ИРЭ НАН Украины, 2002 .– Т.7, №3.– С. 522-526.

Здобувачем розроблено активний перетворювач частоти на двопрольотному IMPATT діоді.

4. Зоренко А.В., Колошинский А.Е., Чайка В.Е., Ясинецкий Б.П. Энергетические характеристики лавинно-пролетных диодов коротковолновой части мм диапазона в бигармоническом режиме // Радиофизика и электроника: Сб. науч. тр. – Х.: ИРЭ НАН Украины. 2004 .– Т.8, №4.– С. 345-347.

Здобувачем виконані розрахунки енергетичних та імпедансних характеристик двопрольотних ЛПД для неперервного режиму роботи.

5. Vassilevski K.V., Zekentes K., Zorenko A.V., and Romanov L.P. Experimental Determination of Electron Drift Velocity in 4H-SiC p⁺-n-n⁺ Avalanche Diodes // IEEE Electron Device Letters.– 2000.–Vol.21, № 10.– Р. 485-487.

Здобувач розробив методику вимірювання швидкості насичення електронів в SiC ЛПД.

6. Vassilevski K.V., Zorenko A.V. and Zekentes K. Experimental observation of microwave oscillations produced by pulsed silicon carbide IMPATT diode // Electronics Letters. – 2001. – Vol.37, № 7. – Р. 466-467.

Здобувачем розроблена генератор на SiC ЛПД, імпульсне джерело живлення та методики вимірювань.

7. Vassilevski K.V., Dmitriev V.A., Zorenko A.V. Silicon carbide diode operating at avalanche breakdown current density of 60 kA/cm2 // J. Appl. Phys.– 1993.– Vol. 74, № 12, 15.– Р. 7612 -7614.

Здобувачем розроблено джерело живлення, оснастка для проведення вимірювань та методики вимірювань.

8. Болтовец Н.С., Зоренко А.В., Иванов В.Н., Власкина С.И., Конакова Р.В., Кудрик Я.Я., Литвин П.М., Литвин О.С., Миленин В.В., Абдижалиев С.К. Особенности формирования и термостабильность барьерных контактов к высокочувствительным карбид кремниевым детекторным диодам // Письма в ЖТФ.–2003.– Т.29, вып. 1.– С.47-55.

Здобувачем проведений розрахунок характеристик детекторних діодів на SiC.

9. Lukin S.N., Kalabukhova E.N., Zorenko A.V. Solid State Heterodyne 140GHz ESR Spectrometer Equipped with Optical Facilities Applicable to the Investigations of Semiconductor Materials // Specialized Colloque AMPERE: "ESR and Solid State NMR in High Magnetic Fields".– Stuttgart (Germany) .– 22-26 July 2001.– P. 54.

Здобувачем розроблений приймально-передавальний модуль НВЧ з робочою частотою 140 ГГц з помножувачем-перетворювачем частоти високої кратності та перетворювач частоти вгору на двопрольотноих ЛПД.

10. Vassilevski K.V., Dmitriev V.A., Zorenko A.V. On the Way to the Silicon Carbide IMPATT // Proc.23^rd European Solid State Device Recearch Conf. ”ESSDERC’93”.– Grenoble (France).– 13-16 Sept.1993.– P.69-72.

Здобувачем розроблено методики вимірювань параметрів діодів в імпульсному режимі.

11. Vassilevski K., Zekentes K., Zorenko A. and Romanov L. Isotermal I-V characteristics of 4H-SiC pn diodes with low series differential resistivity at avalanche breakdown // Materials of the Res. Soc. Symp.”MRS-2000, Spring Symposium T“– 2000.– Vol.622.– P. T1.8.1-T1.8.6.

Здобувачем розроблено методики вимірювань ізотермічного опору діодів в режимі лавинного пробою.

12. Vassilevski K.V., Zorenko A.V., Novozhilov V.V. Temperature Dependence of Avalanche Breakdown Voltage of pn-Junction in 6H-SiC at High Current Density // Proc. 5^th Int. Silicon Carbide and Related Materials Conf. “ICSCRM’93” .– Washington (DC) .–1993: Inst. Phys. Conf. Ser.–1994.– №137.–Ch.6.– P.659-661.

Здобувачем проведені вимірювання температурного коефіцієнту пробивної напруги. Розроблено методики вимірювань, схеми живлення та вимірювання опору діодів в режимі лавинного пробою.

13. Vassilevski K.V., Zorenko A.V. Silicon Carbide Varactor Operating at Frequency about 140 GHz // Тезисы междунар. семинара «Полупроводниковый карбид кремния и приборы на его основе».– Новгород: НовГУ .–1995 .– С. 66-67.

Здобувачем отримано перебудову частоти в генераторі на Si ЛПД з SiC варикапом.

14. Vassilevski K., Zekentes K., Zorenko A. X-Band 4H-SiC IMPATT Oscillator // Abstracts of MRS Spring 2001 Meeting, Symposium E: “Wade Band-gap Electronic Devices”.–2001.– P. E10.11.

Здобувачем розроблено генератор на SiC ЛПД.

15. Vassilevski K., Lebedev A., Zorenko A., Kritskaya T. Высокомощные SiC диоды миллиметрового диапазона // Тезисы IV Российской конф. по физике полупроводников.– Новосибирск.–1999.– С. 284.

Здобувачем проведені експериментальні дослідження ВАХ SiC діодів в режимі коротких імпульсів.

16. Vassilevski K., Zekentes K., Lagadas M., Papanikolaou N., Zorenko A., Romanov L. 4H-SiC p+-n-n+ Zener and IMPATT diodes // Technical Program with Abstracts of 25th Workshop on Compound Semiconductor Devices and Integrated Circuits.– Cagliari (Italy).–2001.– P. IX-27.

Здобувачем проведені експериментальні дослідження ВАХ SiC діодів в неперервному режимі роботи.

17. Белоусов Н.П., Зоренко А.В. Исследование динамических характеристик ЛПД в 2-х миллиметровом диапазоне длин волн // Тезисы докладов I Укр. симп. «Физика и техника миллиметровых и субмиллиметровых радиоволн».– Часть I.– Харьков: ИРЭ АН УССР.– 15-18 октября 1991. – С.174.

Здобувачем проведені вимірювання високопотужних SiC ЛПД.