Монолитная интегральная схема мощного СВЧ переключателя Российский патент 2023 года по МПК H01P5/12 

Изобретение относится к области создания полупроводниковых изделий и может быть использовано при создании нового поколения СВЧ элементной базы и интегральных схем на основе гетероструктур широкозонных полупроводников, а именно предназначенным для создания СВЧ устройств.

Развитие радиолокационной, связной и навигационной техники требует создание дискретных полупроводниковых приборов, в частности СВЧ переключателей. Высокоскоростные мощные СВЧ переключающие элементы являются ключевыми компонентами радиолокационных модулей приемника/передатчика, аттенюаторов, фазовращателей и т.д.

Среди переключателей наиболее широко применяются мощные СВЧ переключатели на диодах. Большинство переключательных СВЧ-диодов имеют p-i-n структуру, так как диоды с p-i-n структурой отличаются меньшей барьерной емкостью, которая к тому же очень слабо зависит от напряжения, и это препятствует возникновению дополнительных частотных искажений полезного сигнала.

Недостатком переключательных СВЧ диодов с p-i-n структурой является инерционность процесса рассасывания носителей зарядов из i-слоя при переключении диода с прямого направления на обратное, так как толщина слоя может составлять несколько десятков микрометров, а скорость движения носителей заряда ограничена. Значительно большую скорость переключения можно получить при использовании диодов Шоттки, изготовленных на арсениде галлия. Однако уровень переключаемой СВЧ мощности при этом на несколько порядков ниже, чем при применении переключательных СВЧ диодов с p-i-n структурой.

Известен переключатель СВЧ, содержащий соединение трех линий передачи с одинаковыми волновыми сопротивлениями, одна линия передачи предназначена для входа СВЧ-сигнала, две другие - для выхода, каждая из двух линий передачи на выходе снабжена по крайней мере одним электронным ключом, в качестве которых использованы полевые транзисторы с барьером Шоттки, при этом их стоки соединены с линиями передачи на выходе, истоки - с линией передачи на входе, а на затворы подают постоянное управляющее напряжение (см. Патент РФ №2072593, опубл. 27.01.1997). Недостатками известного устройства являются низкая надежность, обусловленная прямыми потерями СВЧ-сигнала. Кроме того, из уровня техники известен переключатель СВЧ, который включает полевой транзистор на арсенидных гетеропереходах AlGaAs/GaAs с подложкой из GaAs (патент США №5214275, опубл. 25.05.1993). Недостатком известного устройства является также низкая надежность, обусловленная низкой подвижностью ДЭГ и небольшой плотностью тока.

Наиболее близким аналогом является мощный переключатель СВЧ (патент RU 2 563 533, опубл. 20.09.2015). Переключатель СВЧ изготовлен на нитриде галлия, где в качестве подложки использован сапфир. Затем последовательно размещены буферный слой A1N, буферный слой из GaN, второй буферный слой из нелегированного нитрида галлия (i-тип), твердый раствор AlXGa1-XN, и в интерфейсе GaN/AlXGa1-XN гетероструктуры образован двумерный электронный газ высокой плотности, который служит нижней обкладкой конденсатора, поверх твердого раствора AlXGa1-XN размещен химически устойчивый сглаживающий слой из нитрида галлия, поверх которого нанесен диэлектрик, содержащий слой из двуокиси гафния. Поверх диэлектрика размещены металлические электроды полосковой формы, которые образуют верхнюю обкладку конденсатора, таким образом конструкция переключателя позволяет использовать емкостные контакты, то есть два соединенных "спина к спине" конденсатора (ДГМОП) (Фиг. 1).

Конструкция SPST ключа, которая реализована на базе этого изобретения приведена на Фиг. 2. В ней используются два ключа, один из которых включен последовательно входу СВЧ сигнала, а второй, для уменьшения обратных потерь, параллельно.

При многих преимуществах этой конструкции у неё есть один существенный недостаток, относительно высокие прямые потери из-за последовательно подключенного ключа (0,7-0,9 дБ). Этот недостаток ограничивает распространение этой технологии для создания более сложных СВЧ устройств многоразрядных, где важны минимальные входные потери: фазовращатели, аттенюаторы и др.

Задачей настоящего изобретения является устранение вышеуказанных недостатков.

Технический результат достигается введением дополнительной микрополосковой линии между входом и выходом СВЧ сигнала (Фиг. 3), что практически вдвое уменьшает входные потери мощных СВЧ переключателей и повышает уровень допустимой входной мощности. В тоже время, параллельное подключение варакторов улучшает запирание ключа в закрытом состоянии и улучшает характеристики обратных потерь мощных ключей пропорционально длине структуры (в зависимости от мощности) и частотного диапазона (Фиг. 4).

На Фиг. 3 – монолитная интегральная схема СВЧ с дополнительной микрополосковой линией, где:

MSTR – микрополосковая линия;

Uc – управляющее напряжение;

C var – емкость варактора;

R i – сопротивление варактора;

C_GND – емкость заземляющей обкладки;

RF in – входной СВЧ терминал;

RF out – выходной СВЧ терминал.

Настоящее устройство производят следующим образом. На подложке из сапфира толщиной 200-450 мкм последовательно размещены буферный слой нитрида алюминия толщиной 0,7 нм, эпитаксиальная структура на основе широкозонных III-нитридов в виде слоев, состоящих из второго буферного слоя из GaN толщиной 200 нм, нелегированного слоя из GaN i-типа толщиной 200 нм, слоя твердого раствора AlXGa1-XN толщиной 4,5 нм, а в интерфейсе AlXGa1-XN/GaN гетероструктуры с двумерным электронным газом высокой плотности образована нижняя обкладка конденсатора. Поверх твердого раствора AlXGa1-XN последовательно размещены сглаживающий слой нитрида галлия толщиной 3-8 нм, слой двуокиси гафния и диоксида алюминия в качестве диэлектрика. Далее между входом и выходом СВЧ сигнала формируют дополнительную микрополосковую линию и обкладки конденсаторов. При этом конденсаторы подключаются параллельно входу СВЧ.

Предлагаемое устройство может быть использовано для мощных переключателей, ограничителей мощности, фазовращателей, аттенюаторов и других мощных СВЧ-устройств.

Изобретение относится к области полупроводников. Технический результат - уменьшение входных потерь мощных СВЧ переключателей, а также повышение уровня допустимой входной мощности, повышение надежности устройства. В монолитной интегральной схеме мощного СВЧ переключателя поверх диэлектрика между входом и выходом СВЧ сигнала формируют дополнительную микрополосковую линию и металлические электроды верхних обкладок конденсаторов, при этом микрополосковая линия включена последовательно входу СВЧ сигнала, а конденсаторы параллельно. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Монолитная интегральная схема мощного СВЧ переключателя на основе соединения галлия, содержащая подложку, затем последовательно размещены буферный слой AIN, буферный слой из GaN, второй буферный слой из нелегированного нитрида галлия i-типа, твердый раствор Al_xGa₁._xN, и в интерфейсе GaN/Al_xGa_1-xN гетероструктуры образован двумерный электронный газ высокой плотности, который служит нижней обкладкой конденсатора, поверх твердого раствора Al_xGa_1-xN размещен химически устойчивый сглаживающий слой из нитрида галлия, поверх которого нанесен диэлектрик из двуокиси гафния и диоксида алюминия, отличающаяся тем, что поверх диэлектрика между входом и выходом СВЧ сигнала формируют дополнительную микрополосковую линию и металлические электроды верхних обкладок конденсаторов, при этом микрополосковая линия включена последовательно входу СВЧ сигнала, а конденсаторы параллельно.

2. Монолитная интегральная схема по п. 1, отличающаяся тем, что для увеличения переключаемой мощности подложка выполнена из карбида кремния.