222

14.Конструкции диодных СВЧ-генераторов

14.1.Основы полупроводниковой технологии

Кполупроводниковым материалам, используемым для создания генераторных СВЧ-диодов, предъявляются следующие требования: достаточно большая ширина запрещенной зоны; высокая дрейфовая скорость носителей при насыщении; хорошая теплопроводность; простота и воспроизводимость технологии создания контактов и последовательных слоев полупроводника с различной проводимостью, включая p-n переходы.

Выбор полупроводникового материала определяется также конкретными требованиями, зависящими от принципа действия того или иного прибора. Например, при создании ЛПД желательно, чтобы материал обладал по возможности малыми коэффициентами ударной ионизации, равными для электронов и дырок. Для изготовления диодов Ганна необходимы материалы с ярко выраженным междолинным переносом электронов, а также с высокой подвижностью носителей в слабом поле, которая, например, для GaAs при комнатной

температуре достигает 9000 см2/В с.

В настоящее время для изготовления диодов в основном используются кремний и арсенид галлия. Для них хорошо развиты практически все способы формирования переходов:

•диффузия, при которой на поверхность полупроводника наносится слой примесного материала, а последующий нагрев обеспечивает диффузию атомов примеси внутрь полупроводника на определенную глубину;

•элионика, когда поверхность полупроводника бомбардируется пучком ионов легирующих примесей, обладающим энергией, достаточной для внедрения примесей внутрь полупроводника. Для удаления вызванных бомбардировкой структурных дефектов проводится термический отжиг;

•эпитаксия – процесс выращивания монокристаллического слоя на полупроводниковой пластине (подложке). Атомы примеси вводятся непосредственно в газовую или жидкую среду, из которой вед ется кристаллизация. Чтобы концентрация неконтролируемых примесей в наращиваемом слое не превышала значения 10–14 см–3, на подложку часто предварительно наращивают тонкий сильно легированный (буферный) слой. Часто такой же слой нано-

сится и при завершении процесса наращивания.

Эпитаксия является наиболее распространенным процессом, поскольку обеспечивает получение необходимых комбинаций слоев с заданными толщинами и профилями легирования при относительно высокой точности воспроизведения. Она может быть использована также для получения гетеропереходов, то есть слоев из различных полупроводниковых материалов. Во многих случаях целесообразно сочетать эпитаксию с диффузионным или элионным процессом.

Качество полупроводниковых структур в значительной степени определяется подложкой, поскольку структурное несовершенство последней проявляется в наращиваемых слоях. Подложка обычно имеет толщину 150 – 200 мкм, а

223

получает ее резкой алмазными пилами ориентированной по кристаллографическим осям монокристаллического слитка с последующей многоэтапной шлифовкой до оптической чистоты.

При изготовлении СВЧ-приборов в подавляющем большинстве случаев используется групповая технология, предусматривавшая одновременное создание на полупроводниковой пластине большого числа элементов и включавшая ряд операций, таких как создание p-n перехода, формирование контактов и образование структур с необходимой геометрией; обычно при изготовлении генераторных диодов на пластине со стороны эпитаксиальной пленки создается общий интегральный контакт (теплоотвод), а с противоположной – большое число дисковых контактов, которые после травления пластины образуют верхние контакты мезаструктур. При использовании арсенида галлия в ряде случаев после создания дисковых контактов проводят не травление, а бомбардировку пластины протонами высоких энергий. В результате этого пластина арсенида галлия, за исключением областей перекрытых контактами, теряет полупроводниковые свойства и структуры оказываются изолированными друг от друга.

Для разделения пластины на отдельные элементы, содержащие одну или несколько структур, используют травление или механическое скрайбирование. При механических способах разделения могут возникать внутренние напряжения и дефекты. Эти недостатки особенно проявляются при разделении пластины на металлическом теплоотводе. Способы с использованием химического разделения свободны от этих недостатков, но они требуют тщательной защиты активной области от воздействия агрессивных травителей для сохранения геометрической формы и электрических характеристик.

Надежное соединение полупроводникового кристалла и теплоотвода является одним из важнейших вопросов технологии мощных полупроводниковых СВЧ-приборов. На смену пайке пришла термокомпрессионная сварка, при которой позолоченный контакт структуры сваривается с позолоченным теплоотводом при воздействии давления и повышенной температуры. В дальнейшем этот способ был усовершенствован введением ультразвукового притирания, при котором удалось существенно уменьшить давление, что часто приводило к механическим повреждениям структуры.

В последнее время начинают находить применение различные варианты диффузионной сварки полупроводниковой структуры с медным диском.

14.2. Конструкции диодных СВЧ генераторов

Диодные полупроводниковые СВЧ-генераторы в настоящее время реализуются в двух вариантах: в волноводном и в гибридно-интегральном на основе микрополосковой и волноводно-щелевой линий передачи. Генераторы в волноводном исполнении можно разделить в зависимости от конструктивного исполнения на генераторы с фиксированной частотой и генераторы с перестройкой частоты. Конструкции генераторов показаны на рис. 14.1.

224

Трансформатор

сопротивлений

Коаксиальная

секция

Коаксиальная

секция

Коаксиальная

секция

Рис.14.1. Варианты коаксиально-

волноводных конструкций генераторов

диода (обычно единицы Ом) с высоким (сотни Ом) импедансом волновода. Подвижный короткозамыкающий (КЗ) поршень 5 обеспечивает частотную перестройку прибора. Вместо КЗ-поршня в

отдельных случаях применяют дополнительный резонатор, стабилизирующий частоту генерации. Перестраиваемые по частоте генераторы имеют подвижные детали (типа штырей) для механической перестройки частоты. Типичный пример такой конструкции приведен на рис.14.2.

Рис.14.3. Стабилизированный резонатором генератор на ЛПД миллиметрового

диапазона (26 – 150 ГГц) производства фирмы ELVA-1 (С.-Петербург, РФ)

225

Связь с нагрузкой осуществляется часто через индуктивную или емкостную диафрагму. Волноводная конструкция характеризуется малыми потерями, сравнительно узким диапазоном перестройки, легко миниатюризуется при з а- полнении диэлектриком, удобна при использовании в многодиодных генераторах. Примеры таких устройств приведены на рис.14.3.

Гибридно-интегральное исполнение генераторов также реализуется в нескольких вариантах. На рис.14.4,а схематически представлена конструкция генераторов в микрополосковом исполнении. Эта конструкция экспериментально опробовалась на частотах 30, 55 и 108 ГГц и обеспечивала соответственно выходную мощность 320 мВт (КПД 5,2%), 270 мВт (КПД 5,7%) и 25 мВт (КПД

1,6%).

б

а

Рис.14.4. Генератор Ганна: а – на основе: микрополосковой

линии; б – на основе диэлектрического волновода

Особенностью конструкции является использование различных взаимно перпендикулярных плоскостей для расположения диода (1) и подложки (2), что позволяет минимизировать паразитные реактивные параметры и легко выполнять замену диодов. Металлизированная разводка схемы напыляется на кварцевую подложку (2) и состоит из широкой полоски – резонатора (3), элемента емкостной связи (4) с выходной 50-омной линией (5), которая через четвертьволновый шлейф (6) связана с линией (7), подключенной к источнику питания через контактную площадку (8). Полоска резонатора соединяется с выходной линией через четвертьволновый отрезок линии с высоким волновым сопротивлением (9) в точке с минимальным ВЧ напряжением. Бескорпусной активный диод монтируется на цилиндрическом стержне диаметром от 1,6 мм до 3,8 мм. Вывод СВЧ энергии осуществляется через прямоугольный волновод, связанный емкостной связью с выходной 50-омной линией.

Такие конструкции диодных генераторов наиболее перспективны для применения в бортовой аппаратуре, так как они легче, меньше по габаритам, дешевле и надежнее конструкций на объемных резонаторах. Широкую номенклатуру устройств этого типа производит лидер отечественной микроволновой промышленности публичное акционерное общество «Научнопроизводственное предприятие «Сатурн» [20].

Интересный пример применения диэлектрических волноводов в конструкциях генераторов с диодом Ганна приведен на рис.14.4,б. Ранее такие

226

волноводы успешно применялись для конструирования лазеров. На диэлектрическом волноводе 1 выполняется гребенка 2, в которую включают диод Ганна 3. Гребенка применяется для того, чтобы в полосе в запирания частот осуществить генерацию диода Ганна. Разработка генераторов на основе периодических диэлектрических линий передачи интересна с той точки зрения, что здесь возможно сложение мощностей и создание генераторов распределенного типа.

Широкое распространение получили твердотельные генераторы гармоник, которые по-прежнему считаются перспективными источниками излучения на миллиметровых волнах. В течение длительного времени используются твердотельные варакторные умножители частоты на скрещенных волноводах, например, в спектроскопии, где требуемая мощность составляет всего несколько микроватт. Более простые и эффективные конструкции могут быть созданы на основе диодов Ганна, работающих на второй гармонике с использованием радиального внутриволноводного резонатора. В таких генераторах используются диоды, разработанные для генерации колебаний с частотой в половину меньше требуемой на выходе. Однако эти диоды излучают энергию и на второй частотной гармонике из-за несинусоидальности тока, протекающего через диод. Диоды, предназначенные для работы с выходной мощностью порядка 100 мВт в диапазоне частот 30-40 ГГц, обычно дают мощность порядка 10 мВт на второй гармонике в диапазоне 60-80 ГГц.

Конструкция такого двухчастотного генератора представлена на рис.14.5, она содержит: 1 – бескорпусной диод Ганна; 2 – фильтр питания; 3 – радиальный резонатор; 4 – плавный переход на сечение 7,2×3,4 мм2; 5 – волновод с сечением 3,6 × 1,8 мм2. Основой конструкции является резонатор фундаментальной частоты на основе отрезка волновода уменьшенной высоты, одно плечо которого имеет плавный волноводный переход на сечение 7,2×3,4 мм2 , а другое связано с регулярным волноводом 4-х мм-диапазона (3,6×1,8 мм2) ступенчатым изменением ширины широкой стенки волновода. Бескорпусной диод Ганна помещается посредине широкой стенки волновода параллельно электрическому полю на расстоянии порядка 2Λ от ступенчатого перехода на 4-х мм-диапазон.