mateltechИзвестия высших учебных заведений. Материалы электронной техникиIzvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering1609-35772413-6387MISIS10.17073/1609-3577-2016-1-43-49mateltech-253Research ArticleМоделирование процессов и материаловMODELING OF PROCESSES AND MATERIALSТИПОВАЯ МОДЕЛЬ ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ ДЛЯ СВЧ−УСТРОЙСТВSTANDARD MODEL HETEROSTRUCTURES FOR MICROWAVE DEVICESАбгарянК. К.AbgaryanK. K.

Абгарян Каринэ Карленовна — кандидат физ.−мат. наук, заведующая отделом. 

ул. Вавилова, д. 40, Москва, 119333.

Karine K. Abgaryan — Cand. Sci. (Phys.−Math.), Head of the Department.

40 Vavilov Str., Moscow, 119333 .

kristal83@mail.ruХарченкоВ. А.KharchenkoV. A.

Харченко Вячеслав Александрович1 — доктор техн. наук, старший научный сотрудник. 

ул. Вавилова, д. 40, Москва, 119333.

 Vyacheslav A. Kharchenko — Dr. Sci. (Eng.), Senior Researcher.

40 Vavilov Str., Moscow, 119333 .

vakh41@mail.ruВычислительный центр им. А. А. Дородницына Федерального исследовательского центра «Информатика и управление» РАН.РоссияDorodnicyn Computing Centre, Federal Research Center «Computer Science and Control» of Russian Academy of Sciences.Russian Federation2016050620181914349Copyright © Абгарян К.К., Харченко В.А., 20182018Абгарян К.К., Харченко В.А.Abgaryan K.K., Kharchenko V.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://met.misis.ru/jour/article/view/253

Обоснована необходимость разработки методологии выбора исходных материалов, архитектуры и синтеза гетероструктур, базирующихся на отечественных материалах и технологиях, с привязкой к конкретным типам СВЧ−компонентов. По мере расширения номенклатуры существенно возрастают требования к энергопотреблению, габаритам и весу, частотному диапазону, шумам, значениям рабочих температур и другим характеристикам СВЧ−компонентов. Рассмотрены конкретные примеры усилителей мощности различного назначения (системы беспроводной связи и системы локации). Показано, что для выполнения подобных разработок требуется применение современных методов многоуровневого компьютерного моделирования с использованием различных методов оптимизации, а также широкое использование проверенных технических решений. Конечным результатом данной разработки является создание ряда типовых моделей гетероструктур, базирующихся, в том числе, на решении оптимизационных задач по выбору исходного материала, материала подложки, состава слоев, их последовательности, толщины слоев, содержания в них примеси, распределения ее по толщине слоя и т. д. Все это в совокупности позволяет сформировать в гетероструктуре допустимый уровень механических напряжений и высокие значения электрофизических характеристик. Набор исходных данных в виде библиотеки типовых моделей гетероструктур позволит заметно ускорить разработку различных СВЧ−компонентов и компонентов оптоэлектроники в системе приборно− технологического проектирования, улучшить характеристики приборов и экономические показатели.

This paper addresses the need to develop a methodology of choosing initial materials, architecture of heterostructures and their synthesis for specific types of microwave components taking into account the availability of domestic materials and technologies, locates. Moreover, extending the product range significantly increases the requirements to energy consumption, dimensions and weight, frequency range, noise, sizes of working temperatures and other characteristics of microwave components. Specific examples of amplifiers for various applications (wireless communication and location systems) show that the development of these devices requires modern methods of multilevel computer modeling implying various optimization techniques as well as wide use of proven technical solutions. This development results in the fabrication of a number of standard basic physical models of heterostructures which are based on the solution of optimization tasks, e.g. choice of initial material, substrate material, structure of layers, their sequences, thickness of layers, impurity contents in them, impurity distribution in layer thickness, etc. the totality of which allows achieving an acceptable level of mechanical stress and high electrophysical parameters in heterostructure. The availability of a set of source data in the form of a library of standard heterostructure models will significantly speed up the development of various microwave and optoelectronics components within the system of instrument and technological design, and improve the characteristics of the devices and their economic parameters.

СВЧ−компонентыгетероструктурытиповая модельмногоуровневое моделированиеоптимизационные алгоритмыmicrowave componentsheterostructuresstandard modelmultilevel modeloptimization algorithmsReferencesНемудров, В. Системы на кристалле и системы в корпусе / В. Немудров, К. Борисов, Ю. Завалин, И. Корнеев, И. Малышев, В. Шиллер //Электроника НТБ. − 2014. − № 1. − С. 144—150.Nemudrov V., Borisov K., Zavalin Yu., Korneev I., Malyshev I., Shiller V. The systems on the chip and the systems in the case. Elektronika NTB, 2014, no. 1, pp. 144—150. (In Russ.)Дмитриев, В. Ф. Моделирование СВЧ−транзисторов методом экстраполяции S−параметров / В. Ф. Дмитриев, А. М. Осипов // Вестн. Новгородского государственного ун−та. − 2004. − № 26. − С. 74—77.Dmitriev V. F., Osipov A. M. Modeling of microwave transistors by extrapolation of S−parameters. Vestnik Novgorodskogo gosudarstvennogo universiteta, 2004, no. 26, pp. 74—77. (In Russ.)Радченко, Д. Моделирование СВЧ−транзистора на основе эпитаксиальной гетероструктуры (HEMT) с помощью САПР Synopsys Sentaurus TKAD / Д. Радченко, К. Сбитнев // Время электроники. URL: http://www.russianelectronics.ru/engineer-r/review/2327/doc/48316/Radchenko D., Sbitnev K. Simulation of a microwave transistor based on an epitaxial heterostructure (HEMT) using Synopsys Sentaurus TCAD. Vremya elektroniki. (In Russ.). URL: http://www.russianelectronics.ru/engineer−r/review/2327/doc/48316/Торхов, Н. А. Физическое моделирование GaN/ AlGaNHEMT наногетероструктур и мощных СВЧ−транзисторов с использованием пакета Synopsys / Н. А. Торхов, Л. И. Бабак, В. Г. Божков, А. Н. Разжувалов, А. С. Сальников. // Доклады ТУСУРа. − 2012. −№ 2(26), Ч. 2. − С. 145—151.Torhov N. A., Babak L. I., Bozhkov V. G., Razzhuvalov A. N., Sal’nikov A. S. Physical modeling of GaN/AlGaNHEMT nanoheterostructures and high−power microwave transistors using the Synopsys package. Doklady TUSURa, 2012, no. 2(26), pp. 145—151. (In Russ.)Кищинский, А. Широкополосные транзисторные усилители СВЧ−диапазона: смена поколений / А. Кищинский // Электроника НТБ. − 2010. − № 2. − С. 60—67.Kishchinskij A. Broadband transistor amplifiers of the microwave range: alternation of generations. Elektronika NTB, 2010, no. 2, pp. 60—67. (In Russ.)Юрков, Р. Компоненты NEC Electronics для беспроводной связи на базе кремниево−германиевой технологии / Р. Юрков // Компоненты и технологии. − 2006. − № 11. − С. 18—20.Yurkov R. Components of NEC Electronics for wireless communication based on silicon−germanium technology. Komponenty i tekhnologii = Components & Technologies, 2006, no. 11, pp. 18—20. (In Russ.)Арендаренко, А. А. Тенденции развития эпитаксиальной технологии нитридных соединений. / А. А. Арендаренко, Б. А. Орешкин, Ю. Н. Свешников, И. Н. Цыпленков // Изв. вузов. Материалы электрон. техники. − 2015.− № 1. − С. 5—15. DOI: 10.17073/1609-3577-2015-1-5-15Arendarenko A. A., Oreshkin V. A., Sveshnikov Yu. N., Tsyplenkov I. N. Trends in the development of the epitaxial nitride compounds technology. Modern Electronic Materials, 2016, vol. 2, no. 2, pp. 33—40. DOI: 10.1016/j.moem.2016.10.001Александров, Р. Монолитные интегральные схемы СВЧ: взгляд изнутри / Р. Александров // Компоненты и технологии. − 2005. − № 9. − C. 174—182.Alecksandrov R. Monolithic microwave integrated circuits: inside view. Komponenty i tekhnologii = Components & Technologies, 2005, no. 9, pp. 174—182. (In Russ.)Векторная оптимизация. URL: http://sov.opredelim.com/docs/137600/index−1761.htmlVector optimization. (In Russ.). URL: http://sov.opredelim.com/docs/137600/index−1761.htmlМайская, В. Высокочастотные полупроводниковые приборы. Не кремнием и арсенидом галлия единым. / В. Майская // Электроника НТБ. − 2004. − № 8. − С. 16—21.Majskaya V. High−frequency semiconductor devices. Not silicon and gallium arsenide unified. Elektronika NTB, 2004, no. 8, pp. 16—21. (In Russ.)Абгарян, К. К. Применение оптимизационных методов для моделирования многослойных полупроводниковых наносистем / К. К. Абгарян // Труды Института системного анализа Российской академии наук. Динамика неоднородных систем. − 2010. − Т. 53(3). − С. 6—9.Abgaryan K. K. Application of optimization methods for modelling of semiconductor film nanosystems. Trudy Instituta sistemnogo analiza Rossiiskoi akademii nauk. Dinamika neodnorodnykh system, 2010, vol. 53(3), pp. 6—9.Абгарян, К. К. Численное моделирование распределения носителей заряда в наноразмерных полупроводниковых гетероструктурах с учетом поляризационных эффектов / К. К. Абгарян, Д. Л. Ревизников // Журнал вычислительной математики и математической физики. − 2016. − № 1. − C. 155—166.Abgaryan, K. K., Reviznikov D. L. Numerical simulation of the charge carrier distribution in nanoscale semiconductor heterostructures with allowance for polarization effects. Zhurnal vychislitel’noi matematiki i matematicheskoi fiziki, 2016, no. 1, pp. 155—166. (In Russ.)Abgaryan, K. K. Computational model of 2DEG mobility in AlGaN/GaN heterostructures / K. K. Abgaryan, I. V. Mutigullin, D. L. Reviznikov // Physica status solidi (c). − 2015. − Iss. 4−5. − P. 460—465. DOI: 10.1002/pssc.201400200Abgaryan K. K., Mutigullin I. V., Reviznikov D. L. Computational model of 2DEG mobility in AlGaN/GaN heterostructures. Phys. status solidi (c), 2015, vol. 12, no. 4–5, pp. 460—465. DOI: 10.1002/pssc.201400200Abgaryan, K. K. Theoretical investigation of 2DEG concentration and mobility in the AlGaN/GaN heterostructures with various Al concentrations / K. K. Abgaryan, I. V. Mutigullin, D. L. Reviznikov // Physica status solidi (c). − 2015. − V. 12. − Iss. 12. − P. 1376—1382. DOI: 10.1002/pssc.201510159Abgaryan K. K., Mutigullin I. V., Reviznikov D. L. Theoretical investigation of 2DEG concentration and mobility in the AlGaN/GaN heterostructures with various Al concentrations. Phys. status solidi (c), 2015, vol. 12, no. 12, pp. 1376—1382. DOI: 10.1002/pssc.201510159Федоров, Ю. В. Нитридные HEMT против арсенидных: последняя битва? / Ю. В. Федоров, С. В. Михайлович // Изв. вузов. Материалы электрон. техники. − 2015. − № 1. − С. 16—22. DOI: 10.17073/1609-3577-2015-1-16-22Fedorov Yu. V., Mikhaylovich S. V. Nitride HEMTs vs arsenides: The ultimate battle? Modern Electronic Materials, 2016, vol. 2, no. 1, pp. 1—6. DOI: 10.1016/j.moem.2016.08.006.Винокуров, Д. А. Лазерные диоды, излучающие на длине волны 850 нм, на основе гетероструктур AlGaAsP/GaAs / Д. А. Винокуров, В. А. Капитонов, А. В. Лютецкий, Д. Н. Николаев, Н. А. Пихтин, С. О. Слипченко, А. Л. Станкевич, В. В. Шамахов, Л. С. Вавилова, И. С. Тарасов // ФТП. − 2012. − Т. 45, вып. 10. − С. 1344—1348.Vinokurov D. A., Kapitonov V. A., Lyutetskiy A. V., Nikolaev D. N., Pikhtin N. A., Slipchenko S. O., Stankevich A. L., Shamakhov V. V., Vavilova L. S., Tarasov I. S. 850 nm diode lasers based on AlGaAsP/GaAs heterostructures. Fizika i tekhnika poluprovodnikov = Semiconductors, 2012. vol. 45, no. 10, pp. 1344—1348. (In Russ.)Винокуров, Д. А. Характеристика лазерных диодов, излучающих на длине волны 850 нм, с различными способами компенсации внутренних механических напряжений в гетероструктуре AlGaAs(P)/GaAs / Д. А. Винокуров, А. В. Лютецкий, Д. Н. Николаев, В. В. Шамахов, К. В. Бахвалов, В. В. Васильева, Л. С. Вавилова, М. Г. Растегаева, И. С. Тарасов // ФТП. − 2013. − Т. 47, вып. 8. − С. 1078—1081.Vinokurov D. A., Lyutetskiy A. V., Nikolaev D. N., Shamakhov V. V., Bakhvalov K. V., Vasilyeva V. V., Vavilova L. S., Rastegaeva M. G., Tarasov I. S. 850 nm diode lasers with various compensation techniques of internal mechanical stress in AlGaAs(P)/GaAs heterostructure. Fizika i tekhnika poluprovodnikov = Semiconductors, 2013, vol. 47, no. 8, pp. 1078—1381. (In Russ.)Мармалюк, А. А. Линейки лазерных диодов на основе гетероструктур AlGaPAs/GaAs с компенсацией механических напряжений / А. А. Мармалюк, М. А. Ладугин, И. В. Яроцкая, В. А. Панарин, Г. Т. Микаелян // Квантовая электроника. − 2012. − Т. 42, № 1. − С. 15—17.Marmalyuk A. A., Ladugin M. A., Yarotskaya I. V., Panarin V. A., Mikaelyan G. T. Laser diode bars based on strain−compensated AlGaPAs/GaAs heterostructures. Kvantovaya elektronika = Quantum Electronics, 2012, vol. 42, no. 1, pp. 15—17. (In Russ.). DOI: 10.1070/QE2012v042n01ABEH014737Zhu, D. Low−cost high−efficiency GaN LED on large−area Si substrate / D. Zhu, C. J. Humphreys // CS MANTECH Conf. − New Orleans (LA, USA), 2013. − P. 269—272.Zhu D., Humphreys C. J. Low−cost high−efficiency GaN LED on large−area Si substrate. CS MANTECH Conf. New Orleans (LA, USA), 2013. Pp. 269—272.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.