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