Нанотехнология и микромеханика. Часть 5. Надежность наноприборов и радиоэлектронных устройств на их основе

Московский государственный технический университет  
имени Н.Э. Баумана 
 
 
 
 
 
 
НАНОТЕХНОЛОГИЯ 
И МИКРОМЕХАНИКА 
 
Часть 5 
Надежность наноприборов 
и радиоэлектронных устройств на их основе 
 
Допущено Учебно-методическим объединением вузов  
по университетскому образованию 
в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по специальности  
«Метрология и метрологическое обеспечение» направления подготовки 
«Метрология, стандартизация и сертификация» 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва 
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 
2012 

УДК 621.382(075.8) 
ББК  32.844.1 
   H25 
 
  Авторы: В.Д. Шашурин, Н.А. Ветрова, Ю.А. Иванов, 
С.А. Мешков, О.С. Нарайкин, Н.В. Федоркова,  
В.О. Москаленко 
Рецензенты: В.В. Слепцов, П.А. Тодуа  
Н25 
 
 
Нанотехнология и микромеханика : учеб. пособие. —  
Ч. 5 : Надежность  наноприборов и радиоэлектронных устройств на их основе / В.Д.  Шашурин, Н.А. Ветрова,  
Ю.А. Иванов и др. — М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 
2012. — 84, [4]  с.: ил. 
 
Проанализированы вопросы обеспечения надежности радиоэлектронных средств нового поколения – на базе приборов, функционирующих на квантоворазмерных эффектах в наноразмерных слоях  
составляющих их полупроводниковых гетероструктур. В качестве 
примера рассмотрено обеспечение надежности смесителя радиосигналов СВЧ-диапазона на базе резонансно-туннельных диодов. 
Для студентов старших курсов.  
 
  УДК 621.382(075.8) 
  ББК  32.844.1 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
                       
 
 
 
   © МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012 

ОСНОВНЫЕ  СОКРАЩЕНИЯ 
ВАХ  — вольт-амперная характеристика 
ГФЭ  — газофазная эпитаксия с использованием металлоорганических соединений 
ДБШ  – диод на барьерах Шоттки 
МЛЭ  — молекулярно-лучевая эпитаксия 
РТД  — резонансно-туннельный диод 
РТС  — резонансно-туннельная структура 
РЭС  — радиоэлектронные средства 
СВЧ  — сверхвысокочастотный 
См РТД СВЧ — смеситель радиосигналов на основе резонаснотуннельных диодов СВЧ-диапазона 
ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 
D — динамический диапазон приемного тракта системы связи  
Ef1(t) и Ef2(t) — уровни Ферми в приконтактных высоколегированных 
областях элемента, функционирующего на резонансном туннелировании 
fвых  — спектр выходного сигнала смесителя радиосигналов, в котором 
присутствуют гармоники с частотами ±mfс ± nfг, где m и n — целые числа  
fг  — частота сигнала гетеродина 
fпч  — промежуточная частота сигнала на выходе смесителя радиосигналов 
fс  — частота сигнала, поступающего на вход смесителя радиосигналов 
K1дБ — коэффициент 1 дБ-компрессии 
L — потери преобразования  
–L — коэффициент преобразования сигнала 
Nb1(t) и Nb2(t) — толщины слоев РТС, образующих потенциальные 
барьеры (для РТД на РТС GaAs — AlxGa1–xAs это толщины нанослоев 
AlxGa1–xAs) 
Nw(t) — толщина нанослоя РТС, образующей потенциальную яму 
между барьерами (для РТД на РТС GaAs — AlxGa1–xAs это толщина 
нанослоя GaAs между нанослоями AlxGa1–xAs) 
3 

Tγ — гамма-процентная наработка до отказа 
Vb1(t) и Vb2(t) — высоты потенциальных барьеров, образованных 
нанослоями РТС (для РТД на РТС GaAs — AlxGa1–xAs высоты Vb1(t) и 
Vb2(t) пропорциональны концентрации алюминия xAl в соответствующих 
барьерах AlxGa1–xAs) 
Рвх — номинальная мощность входного сигнала на несущей частоте 
Рвых — номинальная мощность выходного сигнала в нагрузке на промежуточной частоте 
( )
п i
Y
P
t  — вероятность попадания выходного параметра 
i
Y  радиоэлектронного устройства на основе наноприбора в момент времени t в допустимые пределы 
ik
Y
Δ
 
Рс — максимально допустимый уровень сигнала на входе приемника  
( )
( )
ф
ф.зад
P Y
P
Y
=
 — заданная экспертами вероятность выполнения 
функций радиоэлектронным устройством на основе наноприбора 
ф.п
(0, )
P
VPekv
t
=

 — интегральная вероятность выполнения функций 
партией (или «функция качества» партии) радиоэлектронных устройств на 
основе наноприбора на протяжении наработки t 
( )
ф.п
P
t  — интегральная вероятность выполнения функций партией 
радиоэлектронных устройств на основе наноприбора в момент времени t 
( )
ф.п
i
Y
P
t  — интегральная вероятность выполнения функций партией 
радиоэлектронных устройств на основе наноприбора в момент времени t 
по выходному параметру Yi 
( )
экв.п
i
Y
P
t  — вероятность 
( )
п i
Y
P
t , скорректированная с учетом величины 
( )
ф
i
P Y  
Γ(t) — пространство параметров гетероструктуры элемента, функционирующего на квантоворазмерных эффектах, в соответствующий момент времени t = 0, …, T 
φ — пространство возможных параметров гетероструктур 
4 

ВВЕДЕНИЕ  
Тенденции развития современных радиоэлектронных средств 
(РЭС) связи (телекоммуникации, спутниковой связи, систем мобильной связи) определяют необходимость реализации таких требований к ним, как миниатюризация, повышение технических характеристик (уменьшение потерь преобразования, расширение динамического диапазона, уменьшение искажений сигналов и т. д.), 
увеличение функциональных возможностей при работе на частоте 
до десятков терагерц. При этом неизменными остаются требования к повышению показателей надежности РЭС.  
Добиться получения совершенно новых, недостижимых ранее 
свойств РЭС позволяют устройства наногетероструктурной электроники, принцип работы которых основан на квантоворазмерных 
эффектах в наноразмерных слоях составляющих их полупроводниковых гетероструктур. Свойства наноструктур определяются 
явлениями на их поверхности и на границах раздела фаз. Однако, 
когда толщина слоя внутри гетероструктуры составляет несколько 
атомных слоев, даже незначительное ее отклонение, вызванное 
технологическими погрешностями, или ее изменение в процессе 
функционирования может стать причиной значительного изменения параметров полупроводникового прибора и РЭС на его основе, 
что в конечном итоге приведет к отказу. В связи с этим актуальным и важным является вопрос обеспечения надежности таких 
приборов. 
Задача достижения требуемых значений надежности может 
быть решена при системном подходе к этой проблеме, основанном 
на выявлении взаимосвязанных и взаимообусловленных факторов, 
определяющих формирование отказов РЭС на базе наноприборов 
и позволяющих учесть конструкторско-технологические особенности их производства. 
 
 
 
5 

1. ПРОБЛЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА  
ПРОИЗВОДСТВА НАНОПРИБОРОВ  
И РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ  
НА ИХ ОСНОВЕ 
Глава посвящена анализу тенденций развития РЭС связи и вызванных им (развитием) изменений в требованиях к функциональным модулям изделий, анализу конструкторско-технологических 
особенностей производства РЭС на базе наноприборов (на примере смесителей радиосигналов на основе резонансно-туннельных 
диодов (РТД) СВЧ-диапазона — См РТД СВЧ), а также проблеме 
достижения заданного уровня их надежности. 
1.1. Тенденции развития радиоэлектронных систем связи 
В настоящее время развитие РЭС связи направлено на  их миниатюризацию, улучшение их технических характеристик, а именно на увеличение объема и скорости передачи данных, что требует 
повышения пропускной способности систем связи. Это заставляет не только разрабатывать РЭС, функционирующие на более 
высоких рабочих частотах, но и искать пути расширения полосы 
пропускания узлов приемных и передающих устройств. Обеспечить указанные требования позволяет использование устройств 
гетероструктурной электроники, принцип работы которых основан 
на квантоворазмерных эффектах в наноразмерных слоях составляющих их полупроводниковых гетероструктур. 
Ниже перечислены области, в которых используются продукты 
массового производства гетероструктурной электроники: 
• наиболее массовой областью применения остается сотовая 
связь, в настоящее время это цифровая связь третьего поколения. 
Она занимает около 57 % «гетероструктурного» рынка. Гетеротранзисторы содержатся почти в каждом сотовом телефоне; 
• около 25 % рынка гетероструктурной электроники занимает 
быстропрогрессирующая высокоскоростная волоконно-оптическая 
6 

связь, при этом используются гетероструктурные монолитные интегральные схемы миллиметрового диапазона, работающие на частотах до 60 ГГц и выше, ведутся активные разработки приборов, 
работающих на частотах до 100 ГГц и выше; 
• около 12 % рынка гетероструктурной электроники принадлежат так называемой потребительской электронике, связанной с 
цифровым телевидением (частоты от 12 до 30...40 ГГц); 
• наблюдается 
быстрый 
рост 
рынка 
гетероструктурных  
монолитных интегральных схем на частоте 77 ГГц, для автомобильных антистолкновительных радаров; 
• быстро 
развивается 
рынок 
монолитных 
интегральных  
СВЧ-схем для спутниковой связи на частотах до 60 ГГц; 
• перспективной областью применения гетероструктурной СВЧэлектроники является беспроводная связь широкополосного доступа 
на частотах до 60 ГГц и выше с предоставлением услуг мультимедиа 
(передача сложных изображений, видеоконференций, дистанционное 
обучение, высокоскоростной интернет и т. д.); 
• 3...4 % рынка принадлежат военной электронике. Имеются в 
виду в основном бортовые и мобильные наземные радиолокаторы 
на активных фазированных антенных решетках Х-диапазона (частота около 10 ГГц) для ведения разведки, обнаружения целей, 
наведения и сопровождения ракет, а также для радиоэлектронной 
борьбы. 
В общем случае структура системы связи выглядит так, как показано на рис.1.1. 
 
Рис. 1.1. Структурная схема обобщенной системы связи 
7 

На рис. 1.2 и 1.3 показаны структурные схемы приемного и передающего трактов обобщенной системы связи.  
 
Рис. 1.2. Структурная схема передающего устройства (УНЧ — усилитель 
мощности низкой частоты, УВЧ — усилитель мощности высокой частоты,  
генератор ВЧ — генератор высокой частоты) 
 
Рис. 1.3. Структурная схема приемного устройства (УПЧ — усилитель  
промежуточной частоты) 
1.2. Конструкторско-технологические аспекты изготовления 
радиоэлектронных устройств на базе наноприборов 
В настоящее время основные узлы РЭС на базе наноприборов 
конструктивно реализуются в виде гибридной (реже — монолитной) интегральной схемы. Конструкция этих узлов включает в себя подложку, на которой размещается интегральная схема, расположенные на ней традиционные элементы и собственно гетероструктурные приборы. В технологическом цикле изготовления 
этих узлов можно выделить два базовых процесса. Первый — изготовление традиционных элементов (микрополосков, сосредоточенных элементов и т. д.), формирование контактов, реализация 
8 

межсоединений, корпусирование и т. д. Эти технологические операции давно известны и технологически отработаны.  
Второй базовый технологический процесс — изготовление основного наноэлемента, имеющего оптимальные для данного узла 
РЭС связи характеристики (например, изготовление РТД с заданной 
формой вольт-амперной характеристики (ВАХ), разработанного для 
конкретного типа преобразователя радиосигналов). К основным этапам технологического процесса изготовления наноэлемента относятся изготовление подложки, гетероструктур, омических контактов и 
нанесение электроизоляционной пленки. Базовой операцией технологического процесса является операция формирования гетероструктуры, так как именно характеристики гетероструктуры определяют параметры наноэлемента, а погрешности операции определяют поле 
рассеивания параметров наноэлемента.  
Наиболее отработанными являются конструкции гетероструктурных приборов на основе GaAs, который уже несколько десятилетий служит базой для производства полевых и биполярных транзисторов, диодов на барьерах Шоттки (ДБШ), РТД. Использование 
InP позволило улучшить частотные характеристики транзисторов. 
Широкое распространение получили транзисторные гетероструктуры InAlAs/InGaAs/InP, InP/InGaAs/InP. Перспективным материалом для гетероструктурных приборов является GaN.  Полевые 
транзисторы на гетероструктурах AlGaN/GaN, интерес к которым 
неуклонно возрастает на протяжении последнего десятилетия, по 
совокупности параметров уникальны в ряду СВЧ-приборов. Основной особенностью нитридных гетероструктур является образование в результате пьезолегирования на гетерогранице AlGaN/GaN 
двумерного электронного газа с концентрацией электронов порядка 1013 см–2. Подвижность электронов в нем существенно зависит 
от  степени  совершенства гетероструктуры и при температуре  
300 K может достигать 1 000…2 000 см2 / (В⋅с). Вследствие высокой проводимости двумерного электронного газа в полевых транзисторах на основе таких гетероструктур получают значения плотности тока более 1,0 А/мм, что в сочетании с высокими пробивными полями позволяет достичь плотности мощности на порядок 
большей, чем в приборах на основе GaAs. Это обстоятельство послужило стимулом для активных разработок электронной компонентной базы гражданского и военного назначения. В мире уже 
созданы нитридные транзисторы, демонстрирующие на частотах 
9