FR2699742A1 - Electronically controllable diode reflector matrix for missiles - Google Patents
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Abstract
Description
DISPOSt HYPERFI#QUENCE A REFLECTIV1IE
ELECTROMQUEMENT COMMANDABLE ET PROCEDE DE
REALISATION
La présente invention a pour objet un dispositif hyperfréquence, dont la réflectivité est électroniquement commandable. Plus précisément, ce dispositif comprend un réseau d'éléments semiconducteurs dont les propriétés électroniques ne sont pratiquement pas modifiées à haute température. Ce type de dispositif est notamment applicable à la protection d'une cible potentielle de type avion ou missile pour lesquels les contraintes thermiques sont grandes.HAVE HYPERFI # QUENCE TO REFLECTIV1IE
ELECTROMICALLY CONTROLLABLE AND METHOD FOR
PRODUCTION
The present invention relates to a microwave device, the reflectivity of which is electronically controllable. More specifically, this device comprises a network of semiconductor elements whose electronic properties are practically not modified at high temperature. This type of device is particularly applicable to the protection of a potential target of aircraft or missile type for which the thermal stresses are great.
Pour réaliser des dispositifs hyperfréquences à réflectivité commandable il a déjà été envisagé d'utiliser des composants discrets (par exemple diodes sur circuit imprimé). Cependant la réalisation de ces composants exclut l'utilisation de composants de type silicium. En effet le pouvoir de commutation des diodes est très affecté à haute température par la génération thermique de porteurs comme l'illustre la figure 1. D'autre part le silicium en temps que support de lignes hyperfréquences devient le siège de pertes importantes dès que la température s'élève de 150 C comme le montre la figure 2. To produce microwave devices with controllable reflectivity, it has already been envisaged to use discrete components (for example diodes on a printed circuit). However, the production of these components excludes the use of components of the silicon type. Indeed, the switching power of the diodes is very affected at high temperature by the thermal generation of carriers as illustrated in FIG. 1. On the other hand, silicon as a carrier of microwave lines becomes the seat of significant losses as soon as the temperature rises by 150 C as shown in Figure 2.
C'est pourquoi l'invention propose un dispositif utilisant des éléments semiconducteurs réalisés à partir d'un matériau à grand gap réalisé sur un matériau isolant. Notamment il peut s'agir du carbure de silicium qui possède une meilleure stabilité en température que le silicium. En effet, le carbure de silicium présente un gap de 2,2 eV et une conductivité thermique de 5 W.cm-1.C-1 qui permettent d'augmenter la puissance d'un dispositif et ou le faire fonctionner à haute température sans perdre notamment au niveau des propriétés électroniques (mobilité, vitesse de drift permettant des vitesses de commutation comparables à Si ou GaAs).Notons que les gaps et conductivités thermiques du silicium (l,leV et 1,5 W.cm-1.C-1) et de l'arséniure de gallium (1,4eV et 0,5 W.cm-1.C-l) sont nettement inférieurs à ceux du carbure du silicium. ll peut également s'agir de composés tels que GaN ou ZnSe élaborés sur un isolant pouvant être un nitrure. This is why the invention provides a device using semiconductor elements produced from a material with a large gap produced on an insulating material. In particular, it may be silicon carbide which has better temperature stability than silicon. Indeed, silicon carbide has a gap of 2.2 eV and a thermal conductivity of 5 W.cm-1.C-1 which allow to increase the power of a device and / or make it operate at high temperature without lose in particular in terms of electronic properties (mobility, drift speed allowing switching speeds comparable to Si or GaAs). Note that the gaps and thermal conductivities of silicon (l, leV and 1.5 W.cm-1.C- 1) and gallium arsenide (1.4eV and 0.5 W.cm-1.Cl) are significantly lower than those of silicon carbide. They can also be compounds such as GaN or ZnSe produced on an insulator which may be a nitride.
Plus précisément, l'invention a pour objet un dispositif hyperfréquence à réflectivité électroniquement commandable comportant une surface réflectrice (R), un réseau d'élément semiconducteurs (Dij) interconnectés selon au moins une ligne, caractérisé en ce que les éléments semiconducteurs (dix) sont fabriqués à partir d'un matériau à grand gap sur un matériau isolant, le matériau à grand gap pouvant avantageusement être du carbure de silicium cristallin. De préférence, les éléments (D) sont réalisés dans une couche de SiC, ladite couche SiC étant la couche supérieure d'une structure multicouche dans laquelle la couche de SiC est isolée d'un substrat de silicium cristallin par une couche de matériau isolant électrique.More specifically, the subject of the invention is a microwave device with electronically controllable reflectivity comprising a reflective surface (R), a network of semiconductor elements (Dij) interconnected along at least one line, characterized in that the semiconductor elements (ten) are made from a material with a large gap on an insulating material, the material with large gap can advantageously be crystalline silicon carbide. Preferably, the elements (D) are produced in a layer of SiC, said layer SiC being the upper layer of a multilayer structure in which the layer of SiC is isolated from a crystalline silicon substrate by a layer of electrically insulating material .
Les éléments (D) peuvent avantageusement être des diodes et l'isolant électrique de la silice.The elements (D) can advantageously be diodes and the electrical insulator of silica.
Dans le dispositif hyperfréquence, un métal peut être déposé sur la face arrière de la structure tricouche silicium/isolant/carbure de silicium constituant ainsi le réflecteur (R), l'épaisseur de la tricouche pouvant être sensiblement de l'ordre de W4 si X représente la longueur d'onde moyenne de la bande de fréquence de fonctionnement du dispositif dans le milieu considéré. Ce type de dispositif peut avantageusement être employé à la protection d'une cible potentielle comme il sera explicité ultérieurement. In the microwave device, a metal can be deposited on the rear face of the three-layer silicon / insulator / silicon carbide structure thus constituting the reflector (R), the thickness of the three-layer can be substantially of the order of W4 if X represents the average wavelength of the operating frequency band of the device in the medium under consideration. This type of device can advantageously be used to protect a potential target as will be explained later.
L'invention a aussi pour objet un procédé de fabrication d'éléments hyperfréquences en carbure de silicium cristallin, caractérisé en ce qu'il comprend:
- l'épitaxie en phase vapeur réactive d'une structure tricouche de type silicium/isolant/silicium, en présence d'une source de carbone (SC1) pour transformer la couche supérieure de silicium en carbure de silicium cristallin;
- l'épitaxie en phase vapeur du produit obtenu par l'épitaxie en phase vapeur réactive, en présence d'une source (SC2) comprenant du silicium et du carbone pour faire croître la couche de carbure de silicium préalablement formée;
- la réalisation d'éléments hyperfréquences au sein de la couche de carbure de silicium cristallin.The subject of the invention is also a method for manufacturing microwave elements made of crystalline silicon carbide, characterized in that it comprises:
- reactive vapor phase epitaxy of a three-layer structure of the silicon / insulator / silicon type, in the presence of a carbon source (SC1) to transform the upper layer of silicon into crystalline silicon carbide;
- the vapor phase epitaxy of the product obtained by the reactive vapor phase epitaxy, in the presence of a source (SC2) comprising silicon and carbon to increase the layer of silicon carbide previously formed;
- The production of microwave elements within the layer of crystalline silicon carbide.
Ces éléments hyperfréquences peuvent avantageusement être des diodes obtenues en dopant localement la couche de carbure de silicium. These microwave elements can advantageously be diodes obtained by locally doping the layer of silicon carbide.
La source (SC2) peut comprendre du silane et un hydrocarbure. The source (SC2) can include silane and a hydrocarbon.
Typiquement l'hydrocarbure peut être du propane.Typically the hydrocarbon can be propane.
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaltront à la lecture de la description qui va suivre et des figures annexées parmi lesquelles:
- la figure 1 illustre l'évolution en température de la résistivité de silicium dopé avec différentes concentrations;
- la figure 2 illustre l'évolution des pertes sur un substrat de silicium, en fonction de la température;
- la figure 3 illustre un exemple de dispositif hyperfréquence selon l'invention adapté à la protection d'une cible.The invention will be better understood and other advantages will appear on reading the description which follows and the appended figures among which:
- Figure 1 illustrates the change in temperature of the resistivity of silicon doped with different concentrations;
- Figure 2 illustrates the evolution of losses on a silicon substrate, as a function of temperature;
- Figure 3 illustrates an example of microwave device according to the invention adapted to the protection of a target.
Le dispositif hyperfréquence selon l'invention utilise de préférence une structure de type semiconducteur/isolant/SiC (SiC étant la couche supérieure). De préférence, le matériau semiconducteur est du silicium cristallin. On peut avantageusement partir d'une structure existante et commercialisée de type SIMOX, caractérisée par l'empilement de matériaux suivants : silicium/silice/silicium. Dans ce type de structure, la couche de silice est obtenue par implantation ionique à forte énergie permettant d'introduire des atomes d'oxygène à l'intérieur d'un substrat de silicium cristallin à une certaine profondeur, laissant ainsi une couche supérieure de silicium cristallin de l'ordre de quelques milliers d'Angstroems.L'intérêt d'une couche intermédiaire de silice est d'isoler électriquement le silicium cristallin servant de plan de masse de la couche supérieure sur laquelle on peut réaliser des composants. li est alors possible de réaliser à partir de la couche de silicium cristallin une couche de matériau SiC. Pour cela, on peut procéder au moins de deux manières. En effet on peut réaliser une croissance classique de silicium cristallin à partir de la couche supérieure de la structure SIMOX, en présence de silane SiH4, par épitaxie en phase vapeur réactive la transformation du silicium en carbure de silicium pour obtenir une couche supérieure de SiC de quelques microns d'épaisseur.On peut également avantageusement réaliser par épitaxie en phase vapeur réactive la transformation de la couche supérieure de Si cristallin en carbure de silicium de type ss-SiC (phase cristalline ss) en présence d'une source de carbone
SC1 de type CnH4n#xUx. La réaction qui se produit alors au niveau de la couche supérieure de silicium est la suivante:
CnH4n-xClx(g) +nSi(s) --- > SiC(5) +xHCl(g) + (2n-x)H2(g) les indices (g) et (s) étant relatifs à un état gazeux et à un état solide.The microwave device according to the invention preferably uses a structure of the semiconductor / insulator / SiC type (SiC being the upper layer). Preferably, the semiconductor material is crystalline silicon. It is advantageous to start from an existing and marketed structure of the SIMOX type, characterized by the stacking of the following materials: silicon / silica / silicon. In this type of structure, the silica layer is obtained by high energy ion implantation allowing the introduction of oxygen atoms inside a crystalline silicon substrate at a certain depth, thus leaving an upper layer of silicon. crystalline of the order of a few thousand Angstroems. The advantage of an intermediate layer of silica is to electrically isolate the crystalline silicon serving as ground plane of the upper layer on which components can be produced. It is then possible to produce a layer of SiC material from the layer of crystalline silicon. This can be done in at least two ways. Indeed, it is possible to achieve conventional growth of crystalline silicon from the upper layer of the SIMOX structure, in the presence of SiH4 silane, by vapor phase epitaxy reactivates the transformation of silicon into silicon carbide to obtain an upper layer of SiC of a few microns thick.We can also advantageously carry out by reactive vapor phase epitaxy the transformation of the upper layer of crystalline Si into silicon carbide of type ss-SiC (crystalline phase ss) in the presence of a carbon source.
SC1 of type CnH4n # xUx. The reaction which then takes place at the level of the upper layer of silicon is as follows:
CnH4n-xClx (g) + nSi (s) ---> SiC (5) + xHCl (g) + (2n-x) H2 (g) the indices (g) and (s) being relative to a gaseous state and to a solid state.
Le silicium ainsi consommé permet la création d'une couche supérieure de carbure de silicium que l'on est en mesure d'épitaxie en phase vapeur. Pour cela on peut utiliser une source SC2, comprenant un hydrocarbure et du silane ou un précurseur unique pouvant être Si(CH3)H3 de manière à faire croître la couche de carbure de silicium SiC. n est également possible de procéder à la carburation d'une couche de matériau semiconducteur amorphe déposée ou réalisée par tout autre procédé, sur un isolant, puis de procéder à une épitaxie en phase vapeur réactive, laissant un carbure de silicium sur lequel une épitaxie est possible. The silicon thus consumed allows the creation of an upper layer of silicon carbide which is capable of epitaxy in the vapor phase. For this, it is possible to use a source SC2, comprising a hydrocarbon and silane or a single precursor which may be Si (CH3) H3 so as to increase the layer of silicon carbide SiC. It is also possible to carry out the carburetion of a layer of amorphous semiconductor material deposited or produced by any other method, on an insulator, then to carry out an epitaxy in reactive vapor phase, leaving a silicon carbide on which an epitaxy is possible.
Dans une structure multicouche ainsi réalisée, on peut alors fabriquer des diodes p-n pouvant fonctionner à haute température. In a multilayer structure thus produced, it is then possible to manufacture p-n diodes which can operate at high temperature.
En effet on peut former des jonctions SiC p-n par implantation ionique à haute température de A1+ et N+ dans du ss-SiC. Edmond et al (J.A. Edmond et al. Indeed, SiC p-n junctions can be formed by high temperature ion implantation of A1 + and N + in ss-SiC. Edmond et al (J.A. Edmond et al.
J. Appl. Phys. 63, 922 (1988)) ont démontré à ce titre que des jonctions p-n de grande qualité pouvaient être fabriquées et fonctionner correctement jusqu'à 673 K.J. Appl. Phys. 63, 922 (1988)) have demonstrated that high quality p-n junctions can be manufactured and function correctly up to 673 K.
Des diodes Schottky et des transistors MESFETS ont également été fabriqués sur des films ss-SiC. Kong et al (H.S. Kong et ai, Appl. Phys. Lett., 51, 442 (1987)) avaient montré pour la première fois que des transistors ss-SiC MESFETS pouvaient fonctionner jusqu'à 623 K.Schottky diodes and MESFETS transistors have also been fabricated on ss-SiC films. Kong et al (H.S. Kong et ai, Appl. Phys. Lett., 51, 442 (1987)) had shown for the first time that ss-SiC MESFETS transistors could operate up to 623 K.
il est donc possible à partir de la structure tricouche Si/SI02/ss-SiC de réaliser des composants électroniques performants à haute température et notamment des réseaux d'éléments semiconducteurs permettant d'obtenir un dispositif hyperfréquence pouvant être utilisé pour la protection de cible. Pour la réalisation d'un tel dispositif le réseau d'éléments semiconducteurs (D) peut être un réseau de diodes (ou de transistors) connectés les unes aux autres par des fils métalliques.Selon l'état de polarisation des diodes le plan contenant la matrice de diodes se trouve être recouvert de réseau de lignes conductrices ou d'éléments conducteurs séparés les uns des autres par une diode non passante. n existe ainsi plusieurs impédances possibles pour le plan comprenant les éléments (dix) résultant de la modulation d'impédance dans le temps. it is therefore possible from the three-layer structure Si / SI02 / ss-SiC to produce high-performance electronic components at high temperature and in particular arrays of semiconductor elements making it possible to obtain a microwave device which can be used for target protection. For the production of such a device, the network of semiconductor elements (D) can be a network of diodes (or transistors) connected to each other by metallic wires. Depending on the state of polarization of the diodes, the plane containing the diode array is covered with a network of conductive lines or conductive elements separated from each other by a non-passing diode. There are thus several possible impedances for the plane comprising the elements (ten) resulting from the modulation of impedance over time.
En couplant la structure tricouche à un plan réflecteur (R) espacé des éléments (D) par une distance voisine de #4 si X est la longueur d'onde moyenne de la bande de fréquence de fonctionnement du dispositif dans un milieu donné, on peut alternativement en jouant sur l'impédance du plan contenant les éléments (Dij) rendre ce dernier soit transparent, la réflexion d'une onde hyperfréquence incidente se faisant alors sur la surface réflective, soit le rendre réfléchissant pour l'onde hyperfréquence incidente considérée. Un dispositif utilisant un réseaux de diodes inscrit dans une couche ss-SiC est illustré à la figure 3 ; ladite couche SiC étant la couche supérieure d'une structure Si/SI02/SiC posée sur une couche métallique. By coupling the three-layer structure to a reflective plane (R) spaced from the elements (D) by a distance close to # 4 if X is the average wavelength of the operating frequency band of the device in a given medium, we can alternatively by playing on the impedance of the plane containing the elements (Dij) make the latter either transparent, the reflection of an incident microwave wave then taking place on the reflective surface, or make it reflective for the incident microwave wave considered. A device using an array of diodes inscribed in an ss-SiC layer is illustrated in FIG. 3; said SiC layer being the upper layer of an Si / SI02 / SiC structure placed on a metallic layer.
Avec le procédé d'obtention d'une telle structure on est en mesure de réaliser une épaisseur totale Si/Si02/SiC de l'ordre de quelques centaines de microns permettant d'obtenir une épaisseur totale voisine de R14 pour un fonctionnement dans la gamme des hyperfréquences. En modulant temporellement l'état des éléments semiconducteurs (dix) on peut modifier la phase ou l'amplitude d'une onde hyperfréquence incidente. Un tel dispositif hyperfréquence permet la décaractérisation d'un signal radar arrivant sur ledit dispositif. En recouvrant une cible que l'on cherche à protéger par des dispositifs selon l'invention on peut éviter l'écho radar permettant d'identifier une cible puisque celleci renvoie un signal brouillé grâce au dispositif selon l'invention. With the process for obtaining such a structure, it is possible to achieve a total thickness Si / Si02 / SiC of the order of a few hundred microns, making it possible to obtain a total thickness close to R14 for operation in the range. microwave. By temporally modulating the state of the semiconductor elements (ten), it is possible to modify the phase or the amplitude of an incident microwave wave. Such a microwave device allows the decaracterization of a radar signal arriving on said device. By covering a target that is sought to be protected by devices according to the invention, it is possible to avoid the radar echo making it possible to identify a target since this returns a scrambled signal thanks to the device according to the invention.
Claims (12)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR9215385A FR2699742B1 (en) | 1992-12-21 | 1992-12-21 | Microwave device with electronically controllable reflectivity and production method. |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR9215385A FR2699742B1 (en) | 1992-12-21 | 1992-12-21 | Microwave device with electronically controllable reflectivity and production method. |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR2699742A1 true FR2699742A1 (en) | 1994-06-24 |
| FR2699742B1 FR2699742B1 (en) | 1995-01-27 |
Family
ID=9436844
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR9215385A Expired - Fee Related FR2699742B1 (en) | 1992-12-21 | 1992-12-21 | Microwave device with electronically controllable reflectivity and production method. |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| FR (1) | FR2699742B1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2834131A1 (en) * | 2001-12-21 | 2003-06-27 | Thales Sa | Monolithic microwave phase-shifter panel for radar and telecommunications incorporates polycrystalline silicon PIN diodes on a dielectric substrate |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0237429A2 (en) * | 1986-03-14 | 1987-09-16 | Thomson-Csf | Controlled-phase reflector array, and antenna comprising such an array |
| FR2629920A1 (en) * | 1984-01-23 | 1989-10-13 | Cmh Sarl | HYPERFREQUENCY ADAPTIVE SPATIAL FILTER OPERATING AT REFLECTION AND METHOD FOR IMPLEMENTING THE SAME |
-
1992
- 1992-12-21 FR FR9215385A patent/FR2699742B1/en not_active Expired - Fee Related
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES vol. 36, no. 5, Mai 1988, NEW YORK US pages 902 - 907 W.W. LAM ET AL. 'Millimeter-wave diode-grid phase shifters' * |
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| WO2003056659A1 (en) * | 2001-12-21 | 2003-07-10 | Thales | Monolithic phase-shifting panel |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR2699742B1 (en) | 1995-01-27 |
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