Principalele rezultate obtinute in 2016
1. Introducere
În ultima etapă a proiectului au fost proiectate structuri de test de diode Schottky pornind de la modelul de circuit echivalent de semnal mic şi apelând apoi la modelarea cu ecuaţii cu derivate parţiale. Au fost fabricate si caracterizate structuri de test. S-a dezvoltat un sistem de măsurare pe plachetă sau cu cabluri a caracteristicilor de radiaţie 2D în planele E şi H ale antenelor şi s-au realizat măsurători ale antenelor dezvoltate în fazele anterioare. S-au integrat hibrid şi s-au caracterizat receptoare bazate pe antene suspendate pe membrane dielectrice subţiri şi pe tehnologia LTCC.
2. Structuri de test de diode Schottky
O sectiune prin structura care a fost investigata este prezentata in Fig.1 (a). Pe un substrat de GaAs semi-izolant sunt crescute prin tehnologia MBE (Molecular Beam Epitaxy) doua straturi de GaAs dopate diferit pentru a facilita realizarea contactului ohmic si a contactului Schottky. Cele doua straturi au grosimi de 0.3-0.6 µm, grosimi care sunt selectate din considerente tehnologice si considerente de optimizare a performantelor diodei. Stratul n+ pe care se aplica contactul ohmic are o grosime initiala de 0.5 µm, din care se estimeaza ca se mai „pierd” 0.1 µm cu ocazia corodarii structurii mesa pentru stratul mai slab dopat. Dopajul acestui strat se doreste a fi cat mai mare pentru a scadea rezistenta serie a diodei, dar tehnologia MBE impune o limitare la maxim 1e18 cm-3 (fara implantare ionica). Pentru stratul mai putin dopat, concentratia de impuritati donoare a fost de 1e17 cm-3, concentratie pentru care se poate realiza un bun contact Schottky. Pentru a realiza conectarea in circuit a contactului Schottky fara a se face scurtcircuit la stratul puternic dopat s-a utilizat o punte de polimida a carei grosime este de circa 2 µm.
Corespunzator structurii de dioda Schottky descrisa mai sus, in Fig.1. (b) este prezentata o vedere de sus a structurii. Substratul de GaAs semi-izolant este inlocuit cu conditii pe frontiera de tip izolator. Sunt modelate numai zonele de contact pentru metalizarile celor doi electrozi ai diodei. Se observa ariile corespunzatoare corodarilor mesa pentru straturile epitaxiale de tip n si n+.
(a) |
(b) |
Fig. 1 (a) Sectiune prin structura de dioda Schottky; (b) Vedere de sus a structurii
Au fost fabricate mastile necesare si a fost procesat un prin lot de structuri de test pentru diode Schottky. Fig. 2 prezinta o fotografie optica a unui detaliu al structurii fabricate. Sunt vizibile zonele obtinute prin corodare mesa, zonele metalizate si zona corespunzatoare puntii de polimida. Diodele au fost integrate cu structuri de paduri necesare caracterizarii in curent continuu si experimentelor din domeniul microundelor.
Fig.2. Exemplu de structura de test de dioda Schottky fabricata: fotografie optica
Randamentul de fabricatie al structurilor de test a fost relativ redus, numai masuratorile in curent continuu fiind posibile in aceasta etapa. O caracteristica i/v masurata este prezentata in Fig.3 la scara semi-logaritmica.
Fig. 3. Caracteristica i/v masurata
3. Măsurători de caracteristici de radiaţie
Poza sistemului de măsură este prezentată în Fig. 4 şi constă dintr-o sursă de unde milimetrice contectată la o antenă horn de câştig standard, pe post de emiţător. Un semnal de unde milimetrice modulat în amplitudine (AM) cu un semnal rectangular este transmis spre antena de test (AUT), care este folosită drept receptor. Semnalul AM este extras de dioda detectoare. Semnalul detectat este apoi colectat de pe PCB-ul suport prin intermediul unor conectoare coaxiale (SMA sau U.Fl) şi afişat pe un osciloscop digital. Pentru a amplifica semnalul recepţionat, înainte de afişarea pe osciloscop, poate fi utilizat un ampificator de zgomot redus, cu bandă controlabilă. Această tehnică de măsură poate fi utilizată pentru estimarea caracteristicilor de radiaţie corespunzătoare planelor E şi H ale antenelor planare prin măsurarea puterii recepţionate pentru diferite unghiuri faţă de directie normală la planul antenei.
Fig. 4. Sistemul de măsură a caracteristicii de radiaţie 2D pentru receptoare
Caracteristicile de radiaţie ale antenelor LTCC şi pe membrană au fost măsurate şi comparate cu simulările, fiind în bună concordanţă. Ambele tipuri de antene pot ajunge până la câştiguri de 25 dBi în combinaţie cu lentile dielectrice.
4. Caracterizare de sistem: măsurători de senzitivitate
Configuraţia propusă de receptoare pentru senzorii de imagistică pasivă este una de conversie directă care se bazează pe următorul principiu: puterea de intrare se propagă în spaţiul liber şi este captată de antenă şi transferată unei linii planare de transmisiune; semnalul este apoi convertit într-un semnal de DC/joasă-frecvenţă (video) de caracteristicile neliniare ale diodei detectoare. Între antenă şi diodă poate fi introdus un amplificator de zgomot redus. Semnalul este preluat de pe chip prin intermediul unor fire de aur şi transferat prin cabluri coaxiale către electronica de joasă frecvenţă. În scopul testării acestor receptoare, electronica de joasă-frecvenţă considerată constă dintr-un amplificator video de zgomot redus şi din osciloscopul digital.
Schema bloc a sistemului de generare de semnal este prezentată în Fig. 5. Faţă de echipamentele prezentate deja pentru sistemul de măsurare a caracteristicii de radiaţie 2D (generatorul de semnal cu modul de extensie până la 110 GHz şi antena horn) mai este necesar şi un atenuator variabil de bandă W pentru a controla nivelul de putere. La planul de referinţă al antenei se poate astfel defini puterea izotropă de intrare (Piso).
Fig. 5. Schema bloc a sistemului de generare de semnal
Parametrii principali utilizaţi pentru a caracteriza performanţa receptoarelor sunt senzitivitatea izotropă de tensiune (βiso), senzitivitatea izotropă tangenţială de semnal (TSSiso) şi diferenţa de temperatură echivalentă de zgomot (NETD).
S-au obţinut valori de NETD pentru un timp de integrare de 1 ms de 1.1 K pentru receptorul LTCC cu SIW şi lentilă dielectrica şi un NETD de 0.5 K pentru receptorul cu antenă slot foldat 2x1, integrat hibrid cu un LNA de bandă W şi cu o diodă Schottky şi o lentilă dielectrica.
Trebuie menţionat că această valoare este la nivelul sistemelor comerciale de ultimă oră, bazate pe sisteme masive şi scumpe cu antene horn şi ghiduri rectangulare.