В Институте
сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники им. В.Г. Мокерова РАН
(ИСВЧПЭ РАН) разработаны и изготовлены монолитные интегральные схемы (МИС) на
основе нитрида галлия, способные работать в экстремальных условиях. Их можно
использовать в приемо-передающих трактах радиолокационных станций ближнего
действия (до 10 м) для применения в робототехнике или системах космического
назначения.
Одной из главных проблем российской радиоэлектроники
считается дефицит отечественных микросхем, способных работать в условиях
космоса и повышенной радиации. Общая мировая тенденция показывает, что для
создания следующего поколения радиолокационной аппаратуры и ее компонентов
вместо кремния и арсенида галлия в качестве основного материала используется нитрид
галлия. Благодаря более высокому пробивному напряжению электронные устройства
на базе нитрида галлия позволяют получать более высокие удельные мощности.
Кроме того, нитрид галлия обладает большей работоспособностью в области высоких
температур и стойкостью к воздействию неблагоприятных внешних и специальных
факторов.
Актуальная сфера применения такого рода электроники – радиолокационные
станции (РЛС) ближнего действия как для автомобильных радаров (частота 24–26,
76–77 ГГц), так и для применения в робототехнике. Это направление активно
развивается во всем мире.
Исходя из этих предпосылок в ИСВЧПЭ РАН были проведены
работы по созданию МИС на нитриде галлия и сборке на их основе макетов
приемо-передающих трактов (ППТ) радиолокационных станций ближнего действия (до
10 м) в диапазоне частот 22–25 ГГц. Важно отметить, что в данной разработке
использовались технологии, которыми владеют российские предприятия. К примеру,
рост нитрида галлия осуществлялся в НИЦ «Курчатовский институт», наногетероструктуры
нитрида галлия на подложках сапфира изготавливало ЗАО «Элма-Малахит» (г.
Москва, Зеленоград), технологические операции по созданию МИС проводились на
оборудовании ИСВЧПЭ РАН.
С использованием этих технологий были разработаны,
изготовлены и исследованы МИС генератора, управляемого напряжением (ГУН), и МИС
приемо-передающего кристалла (ППК). МИС ППК заменяет 3 функциональные
микросхемы. Авторы исследования утверждают, что МИС с такой степенью интеграции
на нитриде галлия изготовлены в России впервые.
МИС ГУН (слева) и ППК
(справа). Размер кристалла МИС ГУН: 1,9 × 1,6 мм2. Размер
кристалла ППК: 2,8 × 1,6 мм2.
На основе полученных МИС были собраны в количестве 5 шт. макеты
экспериментальных образцов приемо-передающих трактов (ППТ) на алюмооксидных
платах, изготовленных в Научно-исследовательском институте точных приборов (НИИ
ТП). Монтаж осуществлялся в АО «Зеленоградский инновационно-технологический
центр».
Алюмооксидная плата с
установленными кристаллами (а). Макет ППТ в измерительной оснастке (б) со
съемными разъемами для входного и выходного сигналов, а также контактным
устройством, обеспечивающим подачу напряжений питания и снятие выходного
сигнала.
Частота выходного сигнала макетов ППТ лежит в пределах 22–25
ГГц при изменении напряжения управления от 0 до 5 В. Макеты имеют общий ток
потребления 190–200 мА при напряжении питания 10 В.
Макеты ППТ были проверены в радиолокационном режиме с
имитацией принимаемого сигнала от препятствия в Национальном исследовательском
университете «Московский институт электронной техники» (НИУ МИЭТ). Во всех
образцах оказалось возможным выделить сигнал от препятствия при нормальном
(перпендикулярном) направлении к поверхности на расстояниях от 5 до 10 м. Такое
расстояние может быть достаточным в ряде областей применения, например, для
создания роботизированных манипуляторов, работающих в условиях повышенной
радиации или других экстремальных условиях.
Изготовленные кристаллы ГУН и ППК выдержали без потери
работоспособности испытания на воздействие факторов космического пространства (тяжелых
заряженных частиц и нейтронов), проведенные в Национальном исследовательском
ядерном университете «Московский инженерно-физический институт» (НИЯУ МИФИ). Исследование
подтвердило, что разработанные и изготовленные в России МИС на нитриде галлия
обладают устойчивостью к воздействию радиации и перспективны для применения в экстремальной
робототехнике и космических аппаратах.
Подробнее см.
«Монолитные интегральные схемы на основе нитрида галлия для радиолокации
ближнего действия и средств связи в диапазоне частот 22-25 ГГц». О. С.
Матвеенко, Д. Л. Гнатюк, А. С. Бугаев, А. Ю. Павлов, С. А.
Гамкрелидзе, Р. Р. Галиев, А. В. Зуев, Ю. В. Федоров, Д. В.
Лаврухин, А. О. Михалев, Н. К. Зенченко, «Микроэлектроника», 2022, T.
51, № 3, стр. 195-201.
Редакция сайта РАН