微波低噪声放大器毁伤机理研究和SiC薄膜的外延生长与刻蚀技术研究

论文题目: 微波低噪声放大器毁伤机理研究和SiC薄膜的外延生长与刻蚀技术研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 微电子学与固体电子学

作者: 柴常春

导师: 杨银堂

关键词: 半导体器件,集成电路,微波低噪声放大器,注入式毁伤实验,毁伤机理,薄膜,外延生长,等离子体刻蚀,图形刻蚀

文献来源: 西安电子科技大学

发表年度: 2005

论文摘要: 本文由两篇构成,第一篇是微波低噪声放大器(LNA)毁伤机理研究,第二篇是SiC薄膜的外延生长与等离子体刻蚀技术研究。由于半导体器件和集成电路以及由其构成的电路系统自身存在着一些易损的薄弱环节,在外界电应力作用下其生存能力比较弱,容易诱发各种毁伤效应和功能毁伤。微波LNA毁伤机理研究就是针对靶目标中关键器件和集成电路,探索有效、“灵巧”的毁伤方式,即以一定的频率、特殊样式分布的信号形式对靶目标进行有效攻击,引发靶目标中的基本单元—半导体器件和集成电路等薄弱环节的“响应型”损毁,从而达到靶目标毁伤并造成硬杀伤的目的。本文结合具体靶目标进行典型微波LNA的电子毁伤机理研究,从理论和实验上探索了微波LNA的有效毁伤信号样式,设计构建了注入毁伤实验平台,并重点从实验角度进行了四种微波LNA的五类注入式毁伤实验,对毁伤效应、功能毁伤和毁伤机理进行了研究,采用商用软件进行了电路仿真。主要工作和创新点如下：(1)研究并深入分析了具体靶目标原理和结构特点,确定以“前门”通道为突破口、以“前门”通道前端第一级放大器为薄弱环节和典型器件进行灵巧毁伤研究。这种结合靶目标进行器件毁伤研究的技术路线既反映了系统应用的背景和要求,又大大压缩了实验效应物范围,既有典型性、又不失一般性,事半功倍。(2)确立并构建了注入法毁伤实验平台,制作了实验效应物夹具。确定了连续波注入、单脉冲注入、脉冲串注入、脉冲串的脉冲个数计数注入和其它专项注入实验等共五类注入式毁伤实验流程和步骤。至今未到国内外类似的实验系统平台和实验方案、实验流程方面的报道。(3)从能量、功率和功率谱等方面对常见信号进行了分析,结合双极型器件固有特性,对不同信号样式注入放大器的毁伤能力进行了研究,提出了由一定幅度和占空比的矩形脉冲构成的一定重频的脉冲串形式,是毁伤能力最强的注入毁伤信号形式,为微波LNA的注入式毁伤实验提供了信号样式的雏形。(4)解剖了Mini-Circuits公司ERA-5、ERA-3、A-和E5B等微波LNA,提取并分析了其内部电路。着重开展了针对这四种型号微波LNA的五类注入式毁伤实验研究,对典型样品进行了开帽和毁伤模式及毁伤机理研究。实验证实采用特定的脉冲串注入信号样式可以大幅降低毁伤信号功率并同时造成微波LNA的永久性功能毁伤。通过对注入脉冲个数进行计数,获得了微波LNA功能毁伤所需能量。尚未见到国内外类似实验结果报道,这些大量有价值的实验结果为武器装备预先研究和型号研究提供了完整的实验数据资料。(5)首次将器件与电路的毁伤由单一的功率作用方式转移到由功率—频率的共同作用方式,从而大幅降低了毁伤信号的功率,为“灵巧”毁伤提供了依据。通过深入分析讨论毁伤实验结果,加深了对实验现象的规律和本质的了解。证实了高频大注入条件下位移电流对器件毁伤有重要贡献,微波LNA功能毁伤存在着“功率—频率”的共同作用因素,与信号和器件的理论分析结果一致。实验证实使微波LNA噪声剧增、产生毁伤效应要比使其功能毁伤所需能量低一个数量级,首次为低能量软杀伤武器研究提供了实验依据。研究表明噪声—增益积可以用来判定放大器的毁伤程度和毁伤性质(功能毁伤或毁伤效应)。(6)在难以建立集成电路毁伤模型和无法得到其内部物理参数的情况下,本文尝试利用商用化电路仿真软件,在电路层面进行了被毁伤电路内部晶体管电压、电流、工作状态等的仿真研究,半定量或定性仿真结果大多与实验结果吻合,为今后微波LNA实验结果预测、定量仿真等创造了条件。新型宽禁带半导体材料SiC兼有高饱和电子漂移速度、高击穿电场、高热导率等特点,在高温、大功率、高频、抗辐射、紫外光探测器、高温压力传感器等领域具有广阔的应用前景。目前在SiC材料制备工艺和微细图形加工方面大多仍处于研发阶段,本文重点对SiC薄膜的Si基异质外延生长技术和等离子体刻蚀技术进行了系统研究,主要研究工作如下：(1)首先就SiC材料特性、SiC材料制备技术和干法刻蚀技术进行了综述。(2)借鉴成熟的Si外延生长工艺,立足现有设备条件,采用APCVD工艺对SiC薄膜的Si基异质外延生长技术进行了系统的实验研究。重点对SiC薄膜材料的异质外延生长工艺方案、“碳化缓冲层”技术、外延生长温度对SiC薄膜微结构的影响、外延SiC薄膜的化学组分等几方面进行了研究。在大量实验的基础上对Si基异质外延生长SiC的微观机制进行了讨论,得到了优化的生长工艺条件。(3)采用等离子体刻蚀技术,以CF4+02、SF6+02和SF6+N2作为刻蚀气体,对Si基外延生长的SiC薄膜材料进行了系统的等离子体刻蚀工艺和刻蚀机理研究,进行了SiC薄膜在不同刻蚀气体中的等离子体刻蚀结果比较,获得了优化的刻蚀工艺条件。在完成SiC薄膜的等离子体刻蚀工艺研究的基础上,进行了SiC材料的等离子体图形刻蚀研究,得到了满足刻蚀精度要求的SiC油井高温压力传感器图形。本文比较系统全面地进行了SiC薄膜材料的异质外延生长和等离子体刻蚀工艺研究,国内这方面研究尚处于起步阶段,系统的研究工作报道较少。

论文目录:

摘要

Abstract

第一篇 微波低噪声放大器毁伤机理研究

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 传统电子战面临的挑战及其对策

1.1.2 国内外的研究现状

1.1.3 论文的研究目标和研究意义

1.2 论文的主要工作与内容编排

1.3 论文的主要创新

第二章 靶目标的分析与解剖

2.1 靶目标的选择

2.2 靶目标的结构特点

2.3 靶目标的"前门"与"后门"耦合途径分析

2.3.1 "前门"耦合途径分析

2.3.2 "后门"耦合途径分析

2.3.3 毁伤信号源所需要的有效辐射功率计算

2.4 靶目标"前门"通道前端组成及特点

2.5 "前门"通道毁伤实验方法

2.6 本章小结

第三章 注入式毁伤实验平台的建立和实验步骤

3.1 实验效应物和实验方案

3.2 实验平台

3.3 微波低噪声放大器毁伤实验分类、目的与步骤

3.4 微波低噪声放大器的解剖、电路反求和分析

3.4.1 ERA-5放大器解剖、电路提取与分析

3.4.2 ERA-3放大器解剖、电路提取与分析

3.4.3 A-放大器解剖、电路提取与分析

3.4.4 E5B放大器解剖、电路提取与分析

3.5 本章小结

第四章 不同形式信号注入放大器的毁伤能力分析

4.1 基础理论

4.1.1 信号的能量、功率和功率谱的定义

4.1.2 傅立叶变换

4.1.3 信号能量、功率、功率谱(功率密度)与频谱函数F(jω)的关系

4.2 常见脉冲信号一个周期内的平均功率和能量

4.2.1 方波信号输入

4.2.2 正弦波信号输入

4.2.3 锯齿波输入

4.2.4 调制矩形波

4.2.5 高斯波

4.2.6 调制高斯波

4.2.7 离散频率的扫频波

4.3 常见脉冲波形的功率谱计算

4.3.1 矩形脉冲

4.3.2 半波余弦

4.3.3 三角脉冲

4.4 不同形式信号注入放大器的毁伤能力分析

4.5 本章小结

第五章 微波低噪声放大器的毁伤实验及毁伤机理研究

5.1 连续波注入毁伤实验

5.2 单脉冲注入毁伤实验

5.2.1 ERA-5放大器在三种载频下的单脉冲注入毁伤实验

5.2.2 ERA-3放大器在三种载频下的单脉冲注入毁伤实验

5.2.3 A-放大器在三种载频下的单脉冲注入毁伤实验

5.3 连续脉冲(脉冲串)注入毁伤实验

5.4 脉冲串注入时的脉冲个数计数毁伤实验

5.5 一些特殊的专项实验

5.6 本章小结

第六章 微波低噪声放大器毁伤实验结果的分析与讨论

6.1 连续波和单脉冲注入毁伤实验对毁伤信号样式的借鉴

6.2 不同注入信号参数和信号样式下的毁伤实验结果对比讨论

6.3 ERA-5放大器偏置状态、信号注入端对与毁伤能量之间的关系

6.4 脉宽对GaAs微波低噪声放大器功能毁伤的影响

6.5 本章小结

第七章 微波低噪声放大器的初步仿真

7.1 仿真软件和器件模型

7.2 微波低噪声放大器的仿真与分析

7.2.1 A-放大器的仿真与分析

7.2.2 ERA-3放大器的仿真与分析

7.2.3 ERA-5放大器的仿真与分析

7.3 微波低噪声放大器仿真存在的问题与目标

7.4 本章小结

第八章 第一篇结束语

第二篇 SiC薄膜的外延生长与刻蚀技术研究

第九章 绪论

9.1 SiC晶体结构与材料特性

9.1.1 SiC晶体结构

9.1.2 SiC材料特性与应用领域

9.2 SiC晶体生长与刻蚀技术概要

9.2.1 高温升华法制备SiC晶体

9.2.2 液相外延法制备SiC晶体

9.2.3 化学气相淀积(CVD)技术制备SiC材料

9.2.4 SiC材料的干法刻蚀技术

9.3 本论文的主要工作与内容编排

第十章 SiC薄膜材料的异质外延生长

10.1 外延系统与工艺方案

10.2 "碳化缓冲层"技术

10.3 外延生长温度对SiC薄膜微结构的影响研究

10.4 外延层的化学组分研究

10.5 Si基外延β-SiC薄膜的生长机制

10.6 本章小结

第十一章 Si基外延β-SiC薄膜的等离子体刻蚀技术研究

11.1 等离子体刻蚀装置及工作原理

11.2 β-SiC薄膜的等离子体刻蚀技术研究

11.2.1 SiC薄膜的CF_4和CF_4+O_2等离子体刻蚀研究

11.2.2 SiC薄膜的SF_6和SF_6+O_2等离子体刻蚀研究

11.2.3 SiC薄膜在不同刻蚀气体中的等离子体刻蚀结果比较

11.2.4 SiC薄膜的等离子体图形刻蚀研究

11.3 本章小结

第十二章 第二篇结束语

致谢

参考文献

攻读博士学位期间主持(参加)的科研项目和研究成果

发布时间: 2010-08-25

参考文献

• [1].非故意掺杂4H-SiC本征缺陷及退火特性研究[D]. 程萍.西安电子科技大学2010
• [2].SiC基石墨烯材料制备及表征技术研究[D]. 王党朝.西安电子科技大学2012
• [3].掺氮SiC薄膜制备及其光学特性的研究[D]. 赵武.中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所）2009
• [4].4H-SiC双外延基区双极晶体管模型与实验研究[D]. 张倩.西安电子科技大学2012
• [5].4H-SiC同质外延的表征及深能级分析研究[D]. 贾仁需.西安电子科技大学2009
• [6].4H-SiC雪崩紫外单光子探测器的研究[D]. 周东.南京大学2014
• [7].金属/SiC界面势反演和应用[D]. 赵寒月.清华大学2009
• [8].共掺杂SiC基稀磁半导体的局域结构、磁和电输运性能[D]. 孙现科.天津大学2014
• [9].4H-SiC同质外延生长及器件研究[D]. 李哲洋.南京大学2012
• [10].InN与6H-SiC、GaAs、NiO的异质结界面特性研究[D]. 景强.吉林大学2015

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• [6].碳化硅薄膜的外延生长、结构表征及石墨烯的制备[D]. 刘忠良.中国科学技术大学2009
• [7].掺氮SiC薄膜制备及其光学特性的研究[D]. 赵武.中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所）2009
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