На сегодняшний день широкое распространение в военной и гражданской технике, особенно в обеспечении мобильной связи, получили монолитные интегральные схемы МИС СВЧ, (англ. Monolithic Microwave Integrated Circuit — MMIC). Причиной столь бурного развития высокоскоростных систем широкополосной передачи данных стала постоянная потребность снижения параметров изделий, таких как масса и габариты.

Созданию МИС СВЧ предшествовало множество открытий в интегральной технологии. Прототипом современных МИС СВЧ стала идея, запатентованная еще в 1961 году Робертом Нойсом, работающим в то время в компании Fairchild. Нойс предложил микросхему с особой планарной структурой, используя в качестве подложки кремний.

Диффузионные планарные биполярные кремниевые резисторы и транзисторы ученый предложил соединять между собой с помощью тонких алюминиевых полосок, лежащих на пассивирующем кремниевом оксиде. При изготовлении полосок применялся традиционный процесс, состоящий из напыления металлического слоя и фотолитографии с дальнейшей химической травкой металла. Чуть позже появилась возможность изготавливать сверхвысокочастотные МИС на основе кристаллов-полупроводников из арсенида галлия, используемый и по сей день как лидирующий материал при производстве СВЧ МИС.

К основным достоинствам арсенида галлия относят высокую подвижность электронов, широкую запрещенную зону, довольно широкий интервал рабочих температур, удовлетворяющие требованиям оптические характеристики и экономное потребление мощности. Вследствие высокой электронной подвижности МИС СВЧ на основе арсенида галлия используются в диапазоне частот 1 — 100 ГГц. Впервые МИС стали применяться в военных и гражданских РЛС, спутниковых системах связи и навигации, средствах связи и т. д. И если ранее, во времена развития монолитных интегральных схем, двигателем их развития была военная техника, то теперь основной движущей силой стали рыночные требования, касающиеся снижения габаритов изделий и повышения надежности (а именно мобильных, средств навигации и т.д.).

Использование монолитных ИС чаще всего наблюдается в СВЧ-диапазоне и именно в тех приложениях, где имеются требования небольших размеров и высокой надежности. Примером систем на базе МИС являются передатчики и приемники систем связи, антенные фазированные решетки, датчики сверхвысоких частот и т.д.

В настоящее время МИС активно используются в спутниковой и сотовой телефонии, устройствах GPS. Полученные успехи технологии МИС широко применяются и в создании дискретных компонентов биполярных гетеротранзисторах, выполняемых по технологии МИС. Такие транзисторы пользуются большим спросом у компаний, производящих профессиональные средства связи. Монолитные ИС имеют характерный признак в виде низкой степени их интеграции относительно цифровых микросхем. В данном случае монолитная ИС — законченное функциональное устройство, не нуждающееся в использовании каких-либо задающих внешних или подстроечных элементов.

Типичные МИС — малошумящие усилители мощности, модуляторы, смесители и т.д. Используя перечисленные МИС, можно легко создать устройства более высокого класса, например – приемник, содержащий порядок единиц составных элементов. В связи с тем, что МИС не нуждаются во внешних компонентах, а также, в связи с тем, что они обладают высокой наработкой на отказ, надежность этого приемника будет достаточно высокой, причем настолько, что станет недостижимой при реализации с использованием аналогичных технических характеристик, но уже на дискретных элементах.

Также существуют устройства, полностью реализованные и в виде одной МИС, к примеру МИС-приемник, выполненном на одном кристалле. Область применения подобных микросхем весьма ограничена, особенно принимая во внимание тот факт, что МИС — законченное устройство, без каких-либо внешних подстроечных элементов, а значит, этот приемник будет невозможно адаптировать к другому частотному диапазону.В случае, если внешние элементы подстройки будут предусмотрены, то исчезают и преимущества использования МИС. Для массового производства таких микросхем – нет причин, однако в космической и военной технике, в которых на первом плане стоит надежность, а не их дороговизна — этим МИС нет цены.

Используемые материалы в МИС СВЧ

По мере развития технологий производства МИС, улучшалась и их конструкция. Одновременно с появлением биполярных транзисторов с гетеропереходом, выполненным по технологии МИС, появился интерес и к использованию других материалов в производстве монолитных микросхем.Интерес был вызван, прежде всего, созданием микросхем, которые могли бы работать и на других, более высоких частотах. Было предложено использовать в качестве новых материалов полупроводниковые соединения типа А3В5. В базе и коллекторе стало использоваться тройное соединение InGaAs, а коллектор и эмиттер выполнялись на фосфиде индия InP, что улучшило частотные характеристики и увеличило пробойное напряжение на коллекторе.

На сегодняшний день существует большой выбор разнообразных комбинаций материалов для создания базы, эмиттера и коллектора. Использование новых материалов с учетом требования снижения толщины базы, стало возможно благодаря быстрому развитию технологии молекулярно-лучевой эпитаксии, позволяющей создавать транзисторы, работающие на граничной частоте в 250 ГГц!

Надежность активных элементов МИС

С момента появления МИС, их основным активным элементом был и остается и на сегодняшний день — полевой транзистор MESFET с барьером Шоттки. К сожалению, и они уже не могут быть использованы в некоторых приложениях в связи с возрастающими требованиями надежности. Поэтому особое распространение в последнее время получили транзисторы псевдоморфные и с повышенной подвижностью электронов (PHEMT/HEMT), а также биполярные НВТ гетеротранзисторы.

Технологии века: монолитные интегральные схемы СВЧ