CI de microondas tecnologías

Cl de microondas
Tecnologías
Los circuitos integrados monolíticos de microondas presentan
ventajas potenciales respecto de los circuitos híbridos
habituales en cuanto a fiabilidad, reducido tamaño y peso,
banda ancha y bajo coste. Se describe el estado actual y
desarrollo en los últimos años, los aspectos tecnológicos de
diseño y fabricación, las aplicaciones y los productos
comerciales existentes.
E. Arta!, A. Comerán e l. Corbella (*)
Introducción
En 1974, en un libro dedicado a los avances
técnicos en microondas, aun reconociendo que <<Una
ventaja de la máxima importancia de la tecnología
monolítica es la reducción y control de la inductancia
parásita que se produce en el contacto entre el circuito y
el dispositivo», y que «esta ventaja es extremadamente
importante a altas frecuencias y hace que el circuito
monolítico parezca atractivo para circuitos de ondas
milimétricas», podía leerse también que «parece que
conceptualmente, la opción monolítica no es muy
apropiada para subsistemas y circuitos de microondas»,
entendiéndose por microondas el margen de frecuencias
comprendido entre 1 y 18 GHz aproximadamente.
Aunque sería exagerado decir que tal punto de vista era
predominante en esa época, sí indicaba una opinión
representativa, fundamentada en criterios de baja
densidad de integración, imposibilidad de diseños
óptimos, dificultades de proceso, bajo rendimiento en
producción, etc.
(*) ETSIT Barcelona
MUNDO ELECTRONICO/Septiembre 1988/187
A pesar de estas consideraciones, el desarrollo
de circuitos integrados monolíticos de microondas
(MMIC) ha sido continuo hasta llegar a la situación
actual, en que su viabilidad no es discutida y en que una
gran cantidad de industrias involucradas en el campo de
la radiofrecuencia tienen en marcha programas para su
desarrollo y fabricación.
Aunque es difícil resumir las· causas del auge
de los MMIC que han cambiado las previsiones de 1974
citadas al principio, algunas son fácilmente identificables, a saber:
- Desarrollo de la tecnología del arseniuro de galio
(AsGa).
- Difusión de técnicas de diseño asistido por ordenador, que evitan la necesidad de ajustes empíricos en
los circuitos realizados.
- Demanda (por lo menos potencial) de grandes
cantidades de circuitos idénticos.
Defmición
En circuitos de baja frecuencia, el adjetivo
integrado arrastra casi automáticamente el de monolítico. En microondas, por el contrario, se ha venido
llamando tradicionalmente circuito integrado a circuitos realizados en tecnología «strip-line» o «microstrip»
utilizando componentes discretos, quizá por la reducción en volumen que este tipo de circuitos representan
respecto de sus equivalentes construidos en guías de
ondas. Con la aparición de los circuitos integrados
monolíticos de microondas, se suele llamar circuitos
integrados híbridos a los circuitos «strip-line» y «microstrip» tradicionales.
Los circuitos integrados monolíticos de microondas (abreviadamente MMIC) son circuitos fabricados en un substrato semiconductor o bien en un
substrato aislante recubierto de una capa de semiconductor, en los que todos los componentes activos y
pasivos, así como sus interconexiones están formadas ya
sea en el interior o en la superficie de un substrato
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semiaislante mediante un procedimiento de deposición
tal como epitaxia, implantación iónica, evaporación,
difusión, o combinación de esos procesos y otros.
No obstante, en la práctica, se suele entender
por circuito monolítico de microondas un conjunto de
por lo menos dos elementos formados en un substrato
semiconductor, de los cuales, al menos uno, es un
dispositivo activo.
Cortesía: Thomson
Así, en el circuito integrado híbrido, las
señales de radiofrecuencia se transmiten entre los
componentes mediante pistas impresas en un substrato
plástico o cerámico. Los componentes (diodos, transistores, chips resistivos y capacitivos, etc .... ) deben
soldarse a las pistas.
Por el contrario, en un circuito monolítico
típico, tanto las líneas de distribución de señal como los
componentes han sido formados en el mismo substrato
semiconductor, y son inseparables de él.
Salvando las distancias que marcan las consideraciones de diseño que deben tenerse en cuenta
cuando se manejan frecuencias muy elevadas, el circuito
integrado híbrido de microondas correspondería al
circuito impreso con componentes discretos en baja
frecuencia, mientras que el circuito integrado monolítico de microondas se corresponde con lo que normalmente se entiende por circuito integrado a frecuencias
más bajas.
Esto apunta a algunas de las ventajas de los
circuitos monolíticos sobre los híbridos: por una parte,
no tener que montar componentes sobre un circuito
impreso implica una reducción de los costes de mano de
obra.
El circuito monolítico permite también conseguir menor tamaño y peso que su equivalente híbrido.
84
Otras ventajas son la elevada fiabilidad y reproducibilidad, así como la posibilidad de realizar múltiples
funciones en un mismo chip.
Historia
cion
con:
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As<
Hacia mediados de los años 60, la tecnología
de circuitos integrados, con frecuencias máximas de
funcionamiento en la zona de las decenas de MHz,
había alcanzado la madurez suficiente como para que se
considerase la posibilidad de abordar con éxito la
realización de circuitos integrados monolíticos de
microndas, venciendo las dificultades específicas que
implica el manejo de altas frecuencias (reactancias
parásitas, diafonías, control de dimensiones de elementos distribuidos, etc.).
El primer hito «oficial» suele fijarse en 1964,
cuando Texa,s Instruments obtiene un contrato de las
Fuerzas Aéreas de los Estados Unidos para el desarrollo
de un radar de barrido electrónico aerotransportado, en
cuyo diseño debía contemplarse la inclusión de circuitos
integrados monolíticos para la realización de subsistemas de radiofrecuencia y frecuencia intermedia.
Es una constante en la historia de los circuitos
integrados monolíticos de microondas que la aplicación
que más ha incitado a su desarrollo han sido los radares
de barrido electrónico. Ello no es de extrañar, pues tales
sistemas son un ejemplo evidente de aplicación a
frecuencias de microondas en que se necesita una
cantidad importante de módulos idénticos (hasta
100.000 módulos transmisor/receptor en algunos casos)
y en que el circuito monolítico puede presentar una clara
ventaja en cuanto a coste. Las necesidades de potencia
en los sistemas radar (para aumentar el alcance) han
hecho también que la frontera tecnológica haya ido
siendo marcada muchas veces por el desarrollo de
amplificadores de potencia de microondas en versión
monolítica.
Los primeros desarrollos de mediados y finales
de los años 60 no dieron lugar al éxito esperado debido,
como se comentará con más detalle más adelante, a
cambios en las propiedades del material utilizado como
substrato en esa época, el silicio, durante el procesado
de los chips.
A causa de esos problemas, el interés en los
circuitos integrados monolíticos de microondas hubiese
ido tal vez declinando paulatinamente, de no haber sido
por la aparición del arseniuro de galio (AsGa) como
material para la realización de los circuitos. El AsGa no
presenta el problema de cambio de resistividad a lo
largo del procesado del circuito, propio del silicio. Por
otra parte, la gran movilidad de los portadores en el
AsGa permite la realización mediante este material de
dispositivos de microondas de altas prestaciones.
En este sentido, el desarrollo de transistores de
efecto de campo con puerta realizada mediante una
unión Schottky metal-semiconductor (MESFET) utilizando AsGa y, por consiguiente, susceptibles de ser
integrados en un substrato de este material, puede
considerarse como un factor importante en el renacimiento del interés en los circuitos integrados de
microondas que se produce a mediados de los años 70.
Hasta entonces, los avances en ese campo
habían sido suscitados casi exclusivamente por aplica187/Septiembre 1988/MUNDO ELECTRONICO
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ciones militares: radar y ECM. En esos años comienza a
considerarse un nuevo mercado de gran volumen
potencial: el de los receptores de televisión difundida
desde satélites, sea directamente al usuario (DBS), sea
través de una red de distribución por cable (TVRO).
Con el advenimiento de la tecnología de
AsGa, los avances en el desarrollo de los circuitos
integrados monolíticos de microondas han sido constantes. El grado de complejidad de los mismos ha ido
aumentando desde circuitos que realizan una función
básica (amplificadores, osciladores, mezcladores) a
circuitos más elaborados que agrupan varias de esas
funciones. Se han realizado, por ejemplo, cabezales de
radiofrecuencia completos para DBS a 12 GHz [1], en
laboratorios europeos y japoneses, y a 4 GHz en
Estados Unidos [2]. Estos últimos han dado lugar a la
primera producción de series de volumen medio para
aplicaciones de consumo. El grado más alto de complejidad se ha dado en un módulo transmisor/receptor
para radar en banda X que contiene un defasador de 5
bits, amplificador de potencia de cuatro etapas, amplificador de bajo ruido de tres etapas y varios conmutadores [3].
un aislante casi perfecto, con resistividad del orden de
107 a 10 8 ohm.cm, lo que lo hacen utilizable como
substrato de bajas pérdidas sobre el que construir los
circuitos de microondas [4].
En resumen, pues, las superiores propiedades
físicas del AsGa frente a las del Si, han llevado a los
investigadores y fabricantes de circuitos a la utilización
mayoritaria del primero como semiconductor y como
substrato aislante para la realización de circuitos
integrados analógicos de alta frecuencia, así como de
circuitos integrados digitales de alta velocidad.
Componentes
Un MMIC de AsGa contiene varios componentes activos y pasivos. Los componentes activos son
MESFET y diodos de barrera Schotkky, y los pasivos
Tecnología
Materiales
El material empleado usualmente en los
circuitos integrados de baja frecuencia es el silicio. Los
componentes activos y pasivos se fabrican con capas de
silicio tipo n o p, y todo el circuito se asienta sobre un
substrato de silicio semiaislante. Y a en las primeras
épocas de su desarrollo se comprobó que esta tecnología
no era apropiada para MMIC puesto que la resistividad
del silicio semiaislante (p = 10 3 a 10 5 ohm.cm) es
suficientemente baja como para ser inutilizable como
substrato de líneas de transmisión [4]. Este problema
tiene solución si se utiliza como substrato otro material
con mayor resistividad, como por ejemplo el zafiro
(p=l0 11 a 10 14). Ello constituye la tecnología denominada SOS (Silicon on Saphire), que es la única, basada
en el silicio, que es utilizable a frecuencias de microondas, y que se utiliza en circuitos digitales de alta
velocidad.
Sin embargo, no sólo las propiedades del
substrato, sino también las de las capas activas, son las
que determinan el tipo de material a emplear. En este
sentido, el semiconductor por excelencia para la
fabricación de dispositivos de microondas es el arseniuro de galio (AsGa). En efecto, debido a la mayor
movilidad de los electrones, y a efectos de transporte
balístico de los mismos [5], un mismo dispositivo
fabricado en silicio tiene una frecuencia máxima de
funcionamiento varias veces inferior a la de otro
idéntico fabricado en AsGa. Ello se puso de manifiesto
de manera evidente ya en 1973 cuando IBM fabricó dos
MESFET, uno en Si y otro en AsGa, ambos de 0,5 11m
de longitud de puerta y con el mismo nivel de dopaje
(Nd= 10 17 cm- 3 ). Los resultados fueron definitivos: la
frecuencia máxima de utilización era de 22 GHz para el
de Si y del orden de 80 a 100 GHz para el de AsGa [6].
Además, el AsGa tiene la propiedad de que,
mediante procesos adecuados, es posible convertirlo en
MUNDO ELECTRONICO/Septiembre 1988/187
Figura l. Secciones rectas de líneas «microstrip» y
coplanar.
pueden ser de tipo distribuido (líneas de transmisión) o
de elementos concentrados.
Respecto a los primeros, los dos tipos de líneas
de transmisión más comúnmente utilizadas son la línea
«microstrip», y la guía coplanar, cuyas secciones se
esquematizan en la figura l. De esas dos, la primera es,
con mucho, la más utilizada, ya que permite una mayor
flexibilidad.
Los elementos concentrados, por su parte,
producen mayor flexibilidad del diseño, especialmente
en el caso en que puedan ser modelados de manera
precisa mediante circuitos equivalentes. Dichos circuitos equivalentes se obtienen a partir de la teoría de líneas
de transmisión, y del acoplamiento entre ellas. En cierto
sentido, pues, podría considerarse que sólo se utilizan
elementos distribuidos, pues dicho carácter no es nunca
despreciable. Los elementos concentrados pasivos más
comunes son inductancias, condensadores, y resistencias, aparte de las interconexiones entre elementos, que,
en cierto modo pueden considerarse como componentes.
Las inductancias pueden ser de tres formas
diferentes, (figura 2): de lazo simple, en forma de cinta
recta, o espirales. Con los dos primeros tipos sólo
85
pueden obtenerse inductancias del orden de pocos
nanohenrios, mientras que con el tercero se obtienen
valores de hasta 50 nH. Por otro lado, la fabricación de
inductancias espirales requiere el uso de puentes de aire
para conectar el centro de la espiral al circuito externo,
usan los segundos, en los que el dieléctrico es una fina
~elícula de nitruro de silicio o poliamida de 1000 a 3000
A de espesor para el primero y de 0,5 a 1 micra para el
segundo.
Las resistencias de los circuitos integrados
pueden realizarse ya sea usando la resistividad intrínseca del propio semiconductor tipo n (del orden de 300
ohmios por cuadrado), o la resistividad de películas
finas depositadas. La elección entre una u otra se hace
en base a diferentes criterios, como la máxima densidad
de corriente, o la máxima potencia soportable, el
coeficiente de temperatura, la reproducibilidad, y la
fiabilidad. Usualmente se utilizan ambos tipos de
tecnologías dependiendo de la función a realizar.
Las conexiones entre diferentes elementos de
circuito se realizan mediante puentes de aire plateados,
y las conexiones a masa mediante agujeros metalizados
en el substrato (vía hole).
Fabricación
Figura 2. Tipos de inductancias;
a) lazo simple;
b) de cinta;
e) espiral.
cosa que las hace más difíciles de fabricar. Además, las
capacidades parásitas son mayores que en los otros
tipos, restringiendo su frecuencia máxima de utilización.
Existen dos tipos de condensadores usados en
MMIC, y que se esquematizan en la figura 3: interdigitales, y de placas paralelas (MIM). Los primeros se
utilizan para valores bajos de capacidad, y su funcionamiento se basa en la capacidad entre los diferentes
bordes de los dedos metálicos. Se obtienen valores del
orden del pF. Para mayores valores de capacidad se
1
,1
Figura 3. Tipos de condensadores:
a) interdigitales;
b) de placas paralelas.
86
Para realizar MESFET de bajo ruido y de alta
ganancia los dispositivos se optimizan respecto a los
parámetros del material, y su geometría. Aparte de
utilizar contactos óhmicos de baja resistencia a base de
AuGe/Ni, los FET tienen múltiples puertas paralelas y
metalizaciones lo más gruesas posibles para reducir su
resistencia y su geometría.
Las capas activas en MESFET de AsGa para
MMIC están formadas comúnmente por implantación
iónica o deposición química de vapor (CVD).
El grabado utiliza esencialmente dos técnicas.
Para longitudes de puerta grandes (por encima de 0,5
.um), se utilizan usualmente técnicas fotolitográficas
corrientes. Por debajo de este valor, se utiliza litografía
de haz de electrones. Esta técnica consiste en exponer
directamente una resina mediante un haz de electrones.
El haz de electrones alinea automáticamente las puertas
gracias a unas marcas definidas en las proximidades de
los contactos de fuente y drenador. Este proceso es
rápido puesto que no requiere la utilización de máscaras
de puerta de alta definición, y por ello se utiliza también
a veces para obtener longitudes de puerta mayores que
0,5 .um. Con este proceso se pueden conseguir longitudes de puerta tan bajas como 0,2 .um.
En la figura 4 se esquematiza un proceso típico
de fabricación de un circuito integrado que utiliza el
concepto de autoalineamiento mencionado antes. En él
las puertas se alinean automáticamente con las regiones
n+. El procedimiento lo utiliza el LEP (Francia) y se
resume a continuación [5].
La capa activa tipo n se crece a baja temperatura. El aislamiento entre las capas activas se obtiene
por implantación con boro usando una barrera de
fotorresina sobre todas las áreas activas. Después de
quitar la resina, se deposita una capa de aluminio de
5000 Á de espesor. Seguidamente se aplica la máscara de
puerta para definir las áreas de puerta del transistor. Las
puertas de 3 micras se recortan por debajo de la barrera
de fotorresina de 2 micras de espesor, dejando una
longitud efectiva de pyerta de 1 micra (fig. 4b). Una
capa de AuGe de 5000 A de espesor se deposita entonces
en el substrato. La resina de 3 micras de anchura
existente encima de la puerta evita que la capa de AuGe
tenga contacto con las puertas de Al. La estructura tipo
187/Septiembre 1988/MUNDO ELECTRONICO
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Co.nponentes-Dispositivos y .nateriales
«champiñón» de resina de puerta es la responsable del
mecanismo de autoalineamiento de la puerta con las
regiones de fuente y drenador. La capa metálica de
AuGe proporciona el primer nivel de interconexiones.
Seguidamente se deposita una capa aislante, y
a continuación una metalización de molibdeno (M o) se
aplica a la oblea mediante pulverización catódica (figura
4e). Ello proporciona las interconexiones entre las
puertas de Al y los contactos óhmicos de AuGe.
Posteriormente se deposita otra capa dieléctrica y se
atacan las zonas en las que tiene que haber contactos
entre los dos niveles metálicos. Finalmente se deposita y
graba el segundo nivel de interconexiónes metálicas
(figura 4j).
lidad de las mismas; es decir, que el número medio de
circuitos que cumplan especificaciones sea lo más alto
posible.
Todo ello incide directamente en los programas de simulación, ya que tienen que ser capaces de
predecir y optimizar, no sólo las magnitudes usuales
(ganancia, factor de ruido, etc.) sino también, en la
fabricación de un gran número de circuitos, los
márgenes máximo y mínimo de sus variaciones estadísti-
Cortesía: Telefunken
cas, y el porcentaje esperado de circuitos aceptables, y
todo ello basado en las características físicas del
material y sus variaciones estadísticas. La clave para ser
capaz de ello es la modelización, mediante circuitos
equivalentes, de la manera más exacta posible, de todos
los elementos de circuito, tanto activos como pasivos, en
función de su geometría y de la física del semiconductor
[7].
Diseño y fabricación asistidos por
ordenador
Figura 4. Secuencia de fabricación típicas de MMIC según
un proceso de autoalineamiento (LEP, Francia).
Repetibilidad y fiabilidad
Uno de los retos más importantes en la
ingeniería de circuitos integrados monolíticos de microondas es hacerlos fabricables. La cuestión de
«fabricabilidad» supone . que la clásica filosofía de
diseño basada en la obtención de óptimas prestaciones,
en el sentido de concentrar los esfuerzos en obtener el
mínimo factor de ruido, o la máxima potencia de salida
o la máxima ganancia en pequeña señal que los
elementos activos permiten, puede no ser la mejor en
cuanto a fabricación de circuitos integrados se refiere.
Una filosofía de diseño más adecuada es la de máxima
repetibilidad, en la que lo que se busca no es tanto la
obtención de las óptimas prestaciones, como la repetibiMUNDO ELECTRONICO 1Septiembre 1988/187
La capacidad de fabricar MMIC supone
exigentes demandas en las herramientas de diseño de
circuitos. La meta de crear funciones circuitales completas en un área típica de chip de 1 mm 2 resulta
automáticamente en separaciones entre componentes
individuales del orden de 100 ,um, considerando un chip
de 200 ,um de espesor. Este espaciado tan pequeño hace
que el acoplamiento electromagnético intercomponente
sea una parte importante de la operación del circuito.
Igualmente, en el estadio de dibujo de los componentes,
su situación, relación de aspecto y orientación son a
menudo alterados para optimizar el área de utilización
de AsGa. Cambios en anchura de pistas, adición de
codos, y otras discontinuidades pueden causar entonces
cambios significativos en el funcionamiento del circuito.
Aparte de los problemas de disposición circuital, la
tecnología de MMIC actual incluye la fabricación de
estructuras multinivel con espesores de metal no
despreciables. El uso de capas pasivadas y de capas
dieléctricas intermedias supone que el análisis de
componentes debe incluir medios multidieléctricos. Los
requerimientos mencionados demuestran la necesidad
87
de obtener un simulador de circuitos capaz de analizarlos en términos de «layout» y optimizar el circuito en
base a su geometría.
En resumen, los pequeños tamaños de los
componentes y su proximidad, típica en MMIC, están
más allá de la precisión de muchos de los modelos de
componentes usados en los circuitos MIC, y por tanto
existe actualmente una urgente necesidad de desarrollar
herramientas CAD diseñadas específicamente para las
demandas especiales de la tecnología MMIC [8]. La
importancia de tales herramientas de diseño es tan
elevada que se está convirtiendo en una área crítica
dentro del desarrollo de los MMIC. Así lo ha calificado
el Departamento de Defensa de los Estados Unidos,
primer cliente de los productos, lanzando un programa
específico para la obtención de nuevos sistemas CAD
que permitan modelizar y simular circuitos monolíticos
de miroondas con precisiones aceptables [9]. En el inicio
del uso de éstos se utilizaron, y todavía se usan, los
programas de diseño habituales en los circuitos integrados híbridos. Son muy conocidos por los diseñadores en
microondas los paquetes COMPACT y TOUCHSTONE para simulación y optimización de circuitos. En
éstos, y otros programas similares, los modelos de
algunos medios de transmisión, tales como guías
coplanares, son inexactos o no existen. El problema es
todavía más grave cuando se sube a frecuencias de
milimétricas, las discontinuidades en las líneas de
transmisión de los circuitos dejan de tener sólo caracter
reactivo y presentan pérdidas por radiación.
La tendencia en los sistemas de diseño de
MJYÜC asistidos por ordenador es que el sistema sea
multiusuario: varios ingenieros trabajando a la vez en
diferentes partes de un proceso de diseño complejo.
Cada uno de ellos dispone de una estación de trabajo
que permite además trabajar en multitarea: puede
hacerse a la vez una optimización de un circuito,
mientras se están introduciendo los datos de otro desde
el teclado por ejemplo. Para poder transferir datos entre
los distintos diseñadores los ficheros deben ser compatibles; la solución adoptada por muchos científicos es
utilizar el sistema operativo Unix y el lenguaje C para la
mayor parte de los programas de aplicación.
Además de las aplicaciones de diseño, el
ordenador se utiliza para la medida y caracterización de
los dispositivos una vez fabricados. La automatización
de medidas permite realizar la medida de todos los
circuitos obtenidos en una misma oblea semiconductora. De las medidas realizadas es fácil obtener datos
estadísticos sobre el resultado de la fabricación. En la
Importante compan1a británica dentro del
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Vice President
Indique 35
88
Foto l. Sonda Cascode Microtech midiendo un circuito
integrado monolítico de microondas situado en la oblea
semiconductora.
actualidad es posible medir las características de
circuitos monolíticos, sin extraerlos de la oblea, hasta la
frecuencia de 50 GHz gracias al sistema Microprobe
desarrollado por Cascade Microtech Inc. (Estados
Unidos). El sistema permite posicionar sondas coplanares, en los contactos del circuito monolítico, conectadas
a un analizador de redes automático. Con la ayuda de
un ordenador, y los programas adecuados, pueden
obtenerse circuitos equivalentes de los dispositivos
fabricados en un tiempo muy reducido, (foto 1).
Otros instrumentos empleados en la caracterización de circuitos integrados monolíticos de microondas son los analizadores de espectros, utilizables como
máximo hasta 300 GHz; los osciloscopios de muestreo,
el mejor ede los cuales posee una resolución temporal de
5 picosegundos, o un ancho de banda tan alto como 70
GHz.
187/Septiembre 1988/MUNDO ELECTRONICO