УСТРОЙСТВО СВЧ Российский патент 1997 года по МПК H01P1/00 H03F3/60 

Изобретение относится к полупроводниковой электронике и может быть использовано при создании монолитных интегральных схем СВЧ и прежде всего схем миллиметрового диапазона длин волн.

Известно, что созданию монолитных интегральных схем СВЧ (МИС СВЧ) предшествовало широкое использование гибридно-интегральных схем (ГИС) СВЧ. Эти схемы широко используются и в настоящее время (см. например: А.М. Темнов, Р. А. Силин, А.Г. Михальченков. Гибридно-монолитные интегральные приборы СВЧ: конструктирование и технология изготовления. Обзоры по электронной технике. Сер. 1. Электроника СВЧ, вып. 20 (1319), 1987), ГИС СВЧ формируется на диэлектрических подложках (кварц, дюроид и др.) с малыми значениями диэлектрической постоянной и малыми потерями СВЧ мощности. Линии передачи, элементы согласования, пассивные элементы формируются на подложках методами фотолитографии, а активные элементы монтируются обычно методом термокомпрессии. Недостатком ГИС является то, что при монтаже навесных элементов трудно достичь воспроизводимости геометрического расположения и идентичности параметров элементов (например в балансных схемах), что ведет к ухудшению параметров схемы, особенно в миллиметровом диапазоне длин волн (ММДВ). Другой недостаток трудоемкость сборки ГИС и прежде всего монтажа активных элементов.

Известны монолитные интегральные схемы СВЧ, выполненные на арсенидо-галлиевой полупроводниковой подложке, на поверхность которой нанесены эпитаксиальные слои, необходимые для формирования активных элементов (см. например, "Арсенид галлия в микроэлектронике". Перев. с англ. под ред. В.Н. Мордковича, М. "Мир", 1988, гл.5). В таких схемах устраняются недостатки ГИС, связанные с невоспроизводимостью положения активных элементов, неидентичностью их параметров и трудоемкостью монтажа.

Монолитные интегральные схемы созданы и в ММДВ. Известна, например, схема монолитного балансного смесителя (B.J. Clifton and R.W. Chick. Balanced monolithic mixer use at 44 GHz 10 Int. Conf. Infrared and Millim. Wawes Dig. Conf. 1985, p. 273), выполненного на арсенидо-галлиевом rune размерами 5•2,5 мм с полуизолирующей подложкой, содержащего балансную диодную пару и элементы линий передачи и согласования с каналами сигнала, гетеродина и промежуточной частоты. Арсенидогаллиевый run крепится в коваровый держатель, а затем в волноводный узел (устройство, корпус). Недостатком такой монолитной схемы является то, что потери СВЧ мощности в полуизолирующем GaAs выше, чем, например в кварце, и растут с повышением частоты. Кроме того, монолитная схема в виде runa очень трудоемка при монтаже в устройство.

Эти недостатки в значительной степени устранены в интегральном балансном смесителе миллиметрового диапазона (А.с. N 1443731, кл. H 03 D 7/14, 86 г.), который взят нами в качестве прототипа. В этом смесителе потери уменьшены за счет удаления (стравливания) подложки. Отдельные участки подложки (кристаллы) оставлены для создания на них активных элементов и согласующих (трансформирующих) элементов на основе отрезков линий передачи. Упрощается в этом случае и монтаж схемы в волноводный корпус. Она крепится простым зажимом между двумя половинками в продольном сечении волноводе.

Очевидные недостатки данного интегрального смесителя обусловлены двумя обстоятельствами: в нем исключена возможность подачи на диоды постоянного смещения (диоды закорочены по постоянному току), что ограничивает функциональные возможности схемы (ухудшает параметры, требует повышенной мощности гетеродина); монтаж схемы в волноводный узел затруднен из-за того, что нет возможности надежно зафиксировать положение схемы относительно волноводного канала, что может повлиять на повторяемость параметров и качество смесителя в целом.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей и упрощение монтажа монолитной схемы в волноводный узел.

Указанная цель достигается тем, что наряду с кристаллами, содержащими активные элементы (диоды) и согласующие отрезки линий передачи, в схему введены кристаллы, содержащие пассивные элементы, кристаллы, которые служат для скрепления между собой отдельных частей металлизации, а также кристаллы, служащие для фиксирования схемы в месте ее монтажа в волноводный узел (корпус).

Отличие предлагаемой монолитной СВЧ схемы от известной позволяет говорить о новизне технического решения, а анализ аналогов в исследуемой области свидетельствует об удовлетворении критерию "существенное отличие".

Очевидное достоинство предлагаемой монолитной СВЧ схемы заключается прежде всего в расширении функциональных возможностей благодаря подаче постоянного смещения на активные элементы. Это позволяет создавать не только схемы смесителя со смещением, но и схемы детекторов со смещением, умножителей, переключателей и т.д. При этом подача смещения либо открывает возможности для выполнения новых функций (переключатели), либо значительно улучшает параметры (смесители, детекторы, умножители). Последнее также можно трактовать как расширение функциональных возможностей.

Упрощение монтажа связано с тем, что введение дополнительных кристаллов позволяет зафиксировать положение схемы в заданном месте достаточно жестко, а затем прикрепить ее термокомпрессией (или приклеить) к одной из половинок волновода.

Очевидно, что предлагаемое техническое решение может быть использовано для широкого спектра конкретных монолитных СВЧ схем.

На фиг.1 представлена монолитная интегральная схема переключателя вид с обратной стороны (со стороны подложки). Затемненные области 1,4,4,6-полупроводниковые кристаллы, выполняющие различные функции, 2 вывод для подачи постоянного смещения, изолированный (отделенный щелью) от волновода, 3 четвертьволновые отрезки щелевой линии, 5 щель для изоляции вывода 2 по постоянному току. На фиг.2 показана с лицевой стороны монолитная интегральная схема переключателя, закрепленная в волноводный узел (корпус). Обозначения прежние. На фиг.3 представлен фрагмент пластины со сформированными на ней монолитными схемами перед операцией разделения на отдельные схемы. На фиг. 4 представлена монолитная интегральная схема переключателя (вид с лицевой стороны), выполненная на одном кристалле 7 (ограничен штриховыми линиями), на котором сформированы диодные тройки 1, вывод для подачи смещения 2, отрезки щелевых линий 3. Схема крепится в Е-плоскости волновода с помощью металлизации 8, которая зажимается между двумя половинками волноводного узла.

На кристаллах 1 сформированы активные элементы три последовательно соединенных диода с барьером Шоттки (ДБШ). Выбор количества диодов определяется уровнем переключаемой мощности. В ММДВ с учетом требований к ДБШ по быстродействию последовательная тройка ДБШ способна переключать мощности в сотни милливатт. Диодные тройки попарно (левая и правая) включены в противоположных направлениях.

Кристаллы 4 и 4' (фиг.1,2) служат для скрепления схемы. В их отсутствие схема "рассыпается", поскольку вывод для подачи смещения (2) должен быть изолирован от волновода. Кристаллы 4 одновременно выполняют и другую функцию. На них сформированы емкости (на основе МДП структур или БШ), обеспечивающие низкое сопротивление по СВЧ сигналу.

Кристаллы 6 выполняют вспомогательную роль. Они служат для установки схемы в волноводном узле (фиг.2) в фиксированном положении, чтобы исключить ее смещение при окончательном закреплении с помощью сварки, термокомпрессии или другим методом. Кристаллы 4' (фиг.2) также служат для фиксирования схемы перед сборкой, т.е. они выполняют две функции. О первой для скрепления схемы
сказано выше.

Толщина золотой металлизации схемы составляет обычно 6 12 мкм. Более тонкая металлизация легко деформируется и затрудняет проведение операции сборки схемы в корпус. При большей толщине металлизации она становится слишком жесткой. В этом случае механические нагрузки при сборке могут привести к отслаиванию кристаллов.

Схема крепится в Е-плоскости волновода к одной из половинок волноводного узла (фиг. 2). Поскольку толщина схемы (металлизации) достаточно мала, нет необходимости в специальной выемке для схемы. Это значительно упрощает окончательную сборку узла: схема может быть закреплена между двумя половинками узла даже простым механическим прижимом, без приварки или термокомпрессии к одной из них.

Функционирование переключателя осуществляется по обычной схеме. При подаче СВЧ мощности по каналу I (вход), фиг.2, мощность направляется в канал II, если диодные тройки левой ветви схемы включены в обратном направлении (при этом диодные тройки правой ветви схемы включены в прямом направлении, что приводит к отражению сигнала из-за закорачивания волноводного канала). И наоборот, мощность направляется по каналу III, если полярность смещения меняется на обратную. Четвертьволновые отрезки щелевых линий служат для согласования сопротивления волноводного канала и диодных троек. Размеры схемы составляют (λ_в длина волы СВЧ сигнала в волноводе).

Способ создания предлагаемой монолитной интегральной СВЧ схемы может быть реализован следующим образом.

В качестве полупроводникового материала используется арсенидо-галлиевые структуры i-n⁺-n-типа: на полуизолирующей подложке выращен буферный n⁺-слой (n⁺>2•10¹⁸ см^-3) толщиной 3 5 мкм и "рабочий" слой n-типа (n=(5-10)•10¹⁶ см^-3) толщиной 0,1 - 0,3 мкм. На этой пластине известными методами формируются диоды с барьером Шоттки с планарными выводами: четыре группы по три последовательно соединенных диода в каждой.

Для формирования планарных ДБШ может быть использован способ, описанный в статье: W.L. Bishop, K. Mokinney, R.J. Maffauch, T.W. Crowe, G. Creen. A novel whiskerless shoffky diode for millimeter and submillimeter wave application. JEEE MTT-S, Int. Microwave Symp. Dig. 1987, v.2, p.607. Согласно этому способу барьер Шоттки и омический контакт формируются во вскрытых в SiO₂ окнах путем нанесения металлизации Pt-Cr-Au и Sn/Ni-Ni-Au соответственно. Для уменьшения паразитной емкости ДБШ анодный вывод к БШ изолируется от полупроводника путем вытравливания под ним канала глубиной go i-подложки. Металлизация Cr-Au наносится на всю пластину и служит для формирования ДБШ и топологии остальной схемы одновременно. Для этого проводится фотолитография и электрохимическое осаждение золота в окна, вскрытые в фоторезисте. При этом формируется полосковый вывод 2 (фиг.1), служащий для подачи постоянного смещения на диоды, и элементы щелевых линий 3.

Согласно известному способу толщина осажденного золота составляет 3 мкм. Однако нами экспериментально установлено, что такая толщина недостаточна. Для того чтобы после разделения пластины на отдельные схемы последние сохраняли упругость и прочность, необходимые для проведения операции сборки, и одновременно не допускали разрывов в области крепления кристаллов к схеме в процессе механических и климатических испытаний, осаждение золота ведется до толщин 6 12 мкм. Утолщение золотой металлизации ведется избирательно: после достижения 2 3 мкм области активных элементов защищаются фоторезистом и затем проводится дальнейшее осаждение до 6 12 мкм. После этого удаляется фоторезист и подслой Cr-Au под ним. Малая толщина металлизации в области активных элементов (2 3 мкм) необходима, чтобы избежать больших механических напряжений, отрицательно влияющих на характеристики активных элементов (ДБШ).

Перед разделением пластины на отдельные схемы с лицевой стороны схемы проводится вытравливание n и n⁺-слоев в щели 5 и в области щелевой линии 3. При этом области диодных троек 1 и обратная сторона пластины маскируются. Травление необходимо, чтобы устранить шунтирование в схеме по проводящей части полупроводниковой структуры.

Для проведения операции разделения пластины на отдельные схемы (см. фиг. 3) подложка стравливается до толщины 70 100 мкм. Затем известными методами (например, с использованием совмещения в ИК-свете) с обратной стороны проводится фотолитография и стравливается полупроводниковый материал с незащищенных мест. Фоторезистом защищаются только области, на которых расположены кристаллы 1, 4, 4^! и 6. В результате травления пластина разделяется на отдельные схемы, соответствующие фиг.1
Далее схема крепится в Е-плоскости волновода к одной из половинок волноводного узла. Кристаллы 6 и 4^! позволяют закрепить схему таким образом, чтобы исключить ее сдвиг при случайных толчках и касаниях инструмента. Поскольку толщина схемы достаточно мала (6 12 мкм), сборку можно осуществить механическим прижимом обеих половинок волноводного узла после предварительной приварки или термокомпрессии схемы к волноводу в заранее установленных местах.

Использование предлагаемой конструкции монолитной интегральной схемы эффективно в ММДВ и прежде всего в его коротковолновой части, поскольку размеры схемы соизмеримы с длиной волны. В сантиметровом диапазоне она малоэффективна, т.к. размеры схемы становятся слишком большими. Для их уменьшения необходимо уменьшить длину волны сигнала в волноводе. Этого можно достигнуть, если выполнить схему на одном кристалле (фиг.4). Ширина кристалла соответствует высоте сечения волновода. Это позволяет зафиксировать схему в требуемом положении (исключает движение схемы поперек волновода) и получить максимально возможное уменьшение длины волны в волноводе: поскольку оно зависит от степени заполнения волновода диэлектриком. ε_эф определяется диэлектрической постоянной подложечного арсенида галлия, толщиной подложки и шириной щели (щелевой линии). Оценки показывают, что λ_в при использовании арсенидогаллиевой подложки ε_эф=12,9 может быть в ≈1,5 раза меньше длины волны в вакууме λ при толщине подложки 200 мкм. Это значит, что во столько же раз уменьшается длина схемы. Ширина ее может быть уменьшена за счет заужения волновода в месте закрепления схемы. Естественно, что в такой схеме на одном кристалле потери сигнала будут больше, чем в схеме, представленной на фиг.1.

Рассмотренная схема переключателя является возможным примером предлагаемой конструкции монолитной интегральной СВЧ схемы. Этот же принцип конструирования может быть использован при создании управляющих, преобразовательных и других, в том числе многофункциональных монолитных СВЧ модулей.

Изобретение относится к полупроводниковой электронике и может быть использовано при создании монолитных интегральных схем СВЧ и прежде всего схем миллиметрового диапазона длин волн. Цель изобретения - уменьшение потерь СВЧ мощности и упрощение монтажа монолитной схемы в волноводный узел. Цель достигается тем, что в качестве несущей конструкции схемы используется ее металлизация, при этом схема содержит кристаллы, выполняющие функции активных и пассивных элементов, а также служащие для скрепления между собой отдельных частей металлизации и для фиксирования схемы в месте ее монтажа в волноводный узел. Монолитная интегральная схема СВЧ содержит металлические отрезки линий передачи, элементы согласования, а также изолированные друг от друга кристаллы, которые скрепляют схему в единое целое и выполняют функции активных и пассивных элементов, часть которых служит для удобства монтажа схемы в волноводный узел. Новым в монолитной интегральной схеме является то, что несущей конструкцией является металлизация, а не подложка. При этом схема содержит изолированные кристаллы, выполняющие различные функции: на части из них сформированы активные и пассивные элементы, другая часть служит для скрепления металлизации схемы в единое целое и еще одна часть - для фиксирования схемы в месте ее монтажа в волноводный узел. 1 з.п. ф-лы. 4 ил.

1. Устройство СВЧ, содержащее корпус с выполненными в нем отрезками волновода и смонтированной в нем интегральной схемой, включающий элементы линии передачи и элементы согласования в виде отдельных участков металлизации, активные и пассивные элементы, соединенные в электрическую схему посредством упомянутых участков металлизации, отличающееся тем, что активные и пассивные элементы выполнены в виде отдельных кристаллов, при этом механическое соединение отдельных участков металлизации в монолитную интегральную схему обеспечено за счет упомянутых отдельных кристаллов. 2. Устройство СВЧ по п. 1, отличающееся тем, что введены элементы фиксации монолитной интегральной схемы в корпусе, выполненные в виде отдельных кристаллов.