一種電流調諧的集成磁膜單片混頻器及其調諧製作方法
2023-04-24 14:46:11 10
一種電流調諧的集成磁膜單片混頻器及其調諧製作方法
【專利摘要】本發明涉及的一種基於單片微波集成電路（MMIC）製造工藝，製作的一種電流調諧的集成磁膜單片混頻器；通過直流電流對混頻器的帶寬和變頻損耗進行調諧。其特徵在於，該混頻器的LO(本振）信號和RF（射頻）信號分別通過一個可外加電流的鐵磁螺旋變壓器式Balun（平衡-不平衡變換器）輸入到4個環形結構的二極體中，該Balun通過在傳統金屬螺旋變壓器式Balun下插入一層鐵磁薄膜和一層絕緣介質實現；該混頻器的帶寬和變頻損耗可通過電流進行調諧，在直流電流下，混頻器的帶寬展寬，變頻損耗降低。具有（1）混頻器帶寬可調諧；（2）混頻器變頻損耗可調諧；（3）製作工藝與GaAs（砷化鎵）、GaN（氮化鎵）常規RF/MMIC製造工藝兼容等優點。
【專利說明】一種電流調諧的集成磁膜單片混頻器及其調諧製作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及的是一種微電子【技術領域】的電路及其製造方法，具體是一種基於單片微波集成電路(MMIC)製造工藝，製作的一種電流調諧的集成磁膜單片混頻器；通過直流電流對混頻器的帶寬和變頻損耗進行調諧。
【背景技術】
[0002]混頻器是實現兩個頻率(或其諧波)和或差運算的器件，幾乎是所有RF和微波通信接收機、發射機和信號發生器中的關鍵部件，其主要功能是將信號從一個頻率轉換到另一個頻率，使信號放大、濾波、檢測和傳輸等其他功能電路的工作更加有效。
[0003]傳統的雙平衡混頻器其電路原理如圖1所示，由四個相同的混頻二極體構成一個環形結構，二極體B、D的正極和二極體A、C的負極連通在一起形成IF (中頻)輸出端；然後將LO (本振)信號通過一個巴倫(巴倫，平衡-不平衡變換器)形成兩路相位相反的信號分別輸入到兩組二極體(二極體A、D組成一組，二極體B、C組成一組)上；同時將RF (射頻)信號通過另一個巴倫形成兩路相位相反的信號分別輸入到兩組二極體(二極體A、D組成一組，二極體B、C組成一組)上；通過二極體的非線性特性實現雙平衡混頻(IF輸出信號主要為LO和RF基波信號的和或差信號，而其他雜波信號由於二極體的非線性特性相互抵消的道很好的抑制)。
[0004]傳統的雙平衡混頻器一般採用Marchand或者Lange稱合線實現平衡_不平衡變換，但是在較低的應用頻段(〈10GHz)，這兩種結構巴倫的面積隨著頻率的降低迅速增加，不利於進行全單片集成。研究人員研製的金屬螺旋變壓器式Balun試圖解決該問題(Y.J.Yoonj Y.Lu，R.C.Frye, and P.R.Smith, 「Modeling of monolithic RF spiraltransmission-line balun，」 IEEE Trans.Microw.Theory Tech.，vol.49，n0.2，pp.393 - 395，Feb.2001.)，但是在更低的應用頻段(<2GHz)，該結構的Balun同樣佔用大量的晶片面積，使得該結構的全單片雙平衡混頻器面積過大，成品率降低，成本增加。同時，以上幾種結構混頻器的帶寬和變頻損耗在使用時均不可變化。
【發明內容】
[0005]本發明針對現有單片混頻器帶寬和變頻損耗不可變化的問題，提供一種電流調諧的集成磁膜單片混頻器的製造方法，使得到的混頻器具有帶寬和品質因數可調諧的特點，並且該混頻器的製作過程與GaAs、GaN基片標準MMIC製造工藝兼容，可廣泛應用於各類通信接收/發射機等射頻、微波系統中。
[0006]實現本發明的技術方案為:
一種電流調諧的集成磁膜單片混頻器，包括半導體基片，在半導體基片上端的兩側各設置第一鐵磁螺旋變壓器式巴倫及第二鐵磁螺旋變壓器式巴倫，在兩個鐵磁螺旋變壓器式巴倫之間依次設置第一二極體、第四二極體、第三二極體及第二二極體，第一二極體與第四二極體組成第一二極體組，第三二極體及第二二極體組成第二二極體組，本振信號由第一金屬鐵磁變壓器式巴倫形成兩路相位相反的信號後分別輸入到第一二極體組及第二二極體組上，射頻信號由第二金屬鐵磁變壓器式巴倫形成兩路相位相反的信號後分別輸入到第一二極體組及第二二極體組上，且第二二極體的正極連接第一二極體的負極，第四二極體的正極連接第三二極體的負極。
[0007]所述鐵磁螺旋變壓器式巴倫包括金屬螺旋變壓器式巴倫、第一絕緣介質、第二絕緣介質、鐵磁薄膜及控制極金屬壓塊，在金屬螺旋變壓器式巴倫及半導體基片之間依次設置鐵磁薄膜及控制極金屬壓塊，在金屬螺旋變壓器式巴倫與鐵磁薄膜之間及控制極金屬壓塊與半導體基片分別設置第二絕緣介質與第一絕緣介質。
[0008]鐵磁薄膜為NiFe-SiOx軟磁多層薄膜，薄膜的形狀和大小與金屬螺旋變壓器式巴倫一致，鐵磁薄膜通過連接控制極金屬壓塊實現外加電流；絕緣介質為SiNx或Si02。
[0009]一種電流調諧的集成磁膜單片混頻器的調諧方法，在集成磁膜單片混頻器的金屬電極上外加直流電源，外加直流電流大小為(T30mA，實現混頻器帶寬和變頻損耗的調諧。
[0010]一種電流調諧的集成磁膜單片混頻器的製造方法，包括如下步驟:
(1)在半導體基片上按照傳統麗IC工藝製作第一、第二、第三、第四二極體，其中第一二極體與第四二極體組成一組，第二二極體與第三二極體組成一組；
(2)採用傳統MMIC工藝製作控制極金屬壓塊；
(3)採用PECVD法澱積第一絕緣介質；
(4)採用光刻工藝勻膠、 曝光、顯影得到鐵磁薄膜的磁膜光刻圖形，圖形部分位於控制極金屬壓塊上方；
(5)採用磁控濺射法製備NiFe-SiOx軟磁多層薄膜，採用剝離工藝得到圖形化的鐵磁
薄膜；
(6)採用PECVD法澱積第二絕緣介質；
(7)採用光刻工藝勻膠、曝光、顯影得到通孔圖形，該圖形與控制極金屬壓塊重疊，使用RIE工藝刻蝕圖形中的絕緣介質，使用丙酮去除剩餘光刻膠，得到介質通孔，露出控制極金屬壓塊和部分鐵磁薄膜；
(8)使用傳統MMIC工藝製作互連金屬實現金屬鐵磁變壓器式巴倫，金屬鐵磁變壓器式巴倫與4個二極體之間連接，以及4個二極體之間環形結構連接，即將本振信號通過第一金屬鐵磁變壓器式巴倫連接到兩組二極體組上，同時將射頻信號通過第二金屬鐵磁變壓器式巴倫連接到同樣兩組二極體組上，第二二極體、第四二極體的正極和第一二極體、第三二極體的負極連通在一起形成中頻輸出端；
(9)使用傳統MMIC工藝製作連接鐵磁薄膜和控制極金屬壓塊的金屬電極。
[0011]在步驟(3)和(6)中，絕緣介質為SiNx或SiO2，厚度大於200nm。
[0012]本發明與現有技術相比，其顯著優點為:(1)混頻器帶寬可調諧，在(T30mA的外加直流電流下實現最大50%的帶寬調諧(從1. 2.2GHz變為1. 2.6GHz); (2)混頻器變頻損耗可調諧，在(T30mA的外加直流電流下實現最大20dB的調諧(從_55dB變為-35dB) ；(3)製作工藝與GaAs、GaN等常規RF/MMIC製造工藝兼容。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1傳統雙平衡混頻器原理圖； 圖2電流調諧的集成磁膜混頻器結構、調諧方法的示意圖；
圖3 Ca)製作第一、第二、第三、第四二極體的示意圖；
圖3 (b)製作控制極金屬壓塊的示意圖；
圖3 (c)製作第一絕緣介質的示意圖；
圖3 Cd)製作鐵磁薄膜光刻圖形的示意圖；
圖3 Ce)製作鐵磁薄膜的示意圖；
圖3 Cf)製作第二絕緣介質的示意圖；
圖3 (g)製作介質通孔的示意圖；
圖3 (h)製作金屬鐵磁變壓器式巴倫的示意圖；
圖3 (i)製作金屬電極的示意圖。
[0014]圖4實施例中混頻器調諧測試結果示意圖。
[0015]其中1-控制極金屬壓塊、2-第一絕緣介質、3-磁膜光刻圖形、4-鐵磁薄膜、5-第二絕緣介質、6-介質通孔、7-金屬螺旋變壓器式巴倫、8-金屬電極、9-直流電源。
【具體實施方式】
[0016]下面結合說明書附圖對本發明進行進一步詳述:
本發明是基於GaAs HFET (砷化鎵異質結場效應電晶體)MMIC製造工藝，製作的一種電流調諧的集成磁膜單片混頻器，其結構如圖2所示:
該混頻器由四個相同的混頻二極體(Diode)構成一個環形結構，將本振(LO)信號通過一個可外加電流的第一鐵磁螺旋變壓器式巴倫(Balun)形成兩路相位相反的信號分別輸入到兩組二極體組上，其中第一二極體與第四二極體組成一組，第二二極體與第三二極體組成一組；同時將射頻(RF)信號通過第二鐵磁螺旋變壓器式巴倫形成兩路相位相反的信號分別輸入到上述同樣兩組二極體組上；第二二極體與第四二極體的正極分別和第一二極體及第三二極體的負極連通在一起形成中頻(IF)輸出端，通過可外加電流的鐵磁螺旋變壓器式Balun實現180°的平衡-不平衡變換，通過上述四個Diode的非線性特性實現雙平衡混頻。
[0017]其中鐵磁螺旋變壓器式Balun是通過在傳統金屬螺旋變壓器式巴倫7下插入第一絕緣介質2與第二絕緣介質5、一層可外加電流的鐵磁薄膜4和一層控制極金屬壓塊I實現，第一絕緣介質2及第二絕緣介質5分別在鐵磁薄膜4的上、下方，控制極金屬壓塊I位於最下方。插入的鐵磁薄膜4為NiFe-SiOx軟磁多層薄膜，薄膜的形狀和大小與金屬螺旋變壓器式巴倫7—致，位置在金屬螺旋變壓器式巴倫7的正下方，鐵磁薄膜通過連接控制極金屬壓塊I實現外加電流；絕緣介質為SiNx或Si02。
[0018]本發明同時公開一種電流調諧的集成磁膜單片混頻器，具體來說，製作步驟如下:
(1)在半導體基片上按照傳統MMIC工藝製作第一、第二、第三、第四二極體其中第一、第四二極體組成一組，第二、第三二極體組成一組，如圖3 (a)所示；
(2)採用傳統MMIC工藝製作控制極金屬壓塊1，如圖3(b)所示；
(3)採用PECVD法澱積第一絕緣介質2，如圖3(c)所示；
(4)採用光刻工藝勻膠、曝光、顯影得到鐵磁薄膜4的磁膜光刻圖形3，圖形部分位於控制極金屬壓塊I上方，如圖3 (d)所示；
(5)採用磁控濺射法製備NiFe-SiOx軟磁多層薄膜，採用剝離工藝得到圖形化的鐵磁薄膜4，如圖3 Ce)所示；
(6)採用PECVD法澱積第二絕緣介質5，如圖3Cf)所示；
(7)採用光刻工藝勻膠、曝光、顯影得到通孔圖形，該圖形與控制極金屬Pad重疊，使用RIE工藝刻蝕圖形中的絕緣介質，使用丙酮去除剩餘光刻膠，得到介質通孔6，露出控制極金屬壓塊I和部分鐵磁薄膜4，如圖3 (g)所示；
(8)在第二絕緣介質5上設置2個金屬螺旋變壓器式巴倫7，而後使用傳統MMIC工藝製作互連金屬實現鐵磁變壓器式Balun，鐵磁變壓器式Balun與4個二極體之間連接，以及4個二極體之間環形結構連接，即將LO信號通過第一鐵磁螺旋變壓器式Balun連接到兩組二極體組上，同時將RF信號通過第二鐵磁螺旋變壓器式Balun連接到同樣兩組二極體組上，第二二極體、第四二極體的正極分別和第一二極體、第三二極體的負極連通在一起形成IF輸出端，如圖3 (h)所示；
(9)使用傳統MMIC工藝製作金屬電極8連接鐵磁薄膜4和控制極金屬壓塊1，如圖3
(i)所示。
[0019]本發明中極金屬壓塊I採用Ti或者Au製作，厚度為20或200nm，第一絕緣介質2及第二絕緣介質5為SiNx，厚度為200nm，鐵磁薄膜4的厚度為400nm ;金屬電極8採用Ti或Au製作，厚度為20或200nm。
[0020]本發明所述混頻器調諧過程如下:
使用Agilent E4356A直流電源在2個金屬電極8之間通入O?30mA的直流電流，實現混頻器的調諧過程，圖4為所製作的混頻器調諧測試結果，可以看出:(I)在O?30mA的外加直流電流下實現最大50%的帶寬調諧(從1.4?2.2GHz變為1.4?2.6GHz); (2)在O?30mA的外加直流電流下實現最大20dB的變頻損耗調諧(從_55dB變為_35dB(@2.6GHz))。
【權利要求】
1.一種電流調諧的集成磁膜單片混頻器，其特徵在於:包括半導體基片，在半導體基片上端的兩側各設置第一鐵磁螺旋變壓器式巴倫及第二鐵磁螺旋變壓器式巴倫，在兩個鐵磁變壓器式巴倫之間依次設置第一二極體、第四二極體、第三二極體及第二二極體，第一二極體與第四二極體組成第一二極體組，第三二極體及第二二極體組成第二二極體組，本振信號由第一鐵磁螺旋變壓器式巴倫形成兩路相位相反的信號後分別輸入到第一二極體組及第二二極體組上，射頻信號由第二金屬鐵磁變壓器式巴倫形成兩路相位相反的信號後分別輸入到第一二極體組及第二二極體組上，且第二二極體的正極連接第一二極體的負極，第四二極體的正極連接第三二極體的負極。
2.如權利要求書I所述的一種電流調諧的集成磁膜單片混頻器，其特徵在於:所述鐵磁螺旋變壓器式巴倫包括金屬螺旋變壓器式巴倫、第一絕緣介質、第二絕緣介質、鐵磁薄膜及控制極金屬壓塊，在金屬螺旋變壓器式巴倫及半導體基片之間依次設置鐵磁薄膜及控制極金屬壓塊，在金屬螺旋變壓器式巴倫與鐵磁薄膜之間及控制極金屬壓塊與半導體基片分別設置第二絕緣介質與第一絕緣介質。
3.如權利要求書2所述的一種電流調諧的集成磁膜單片混頻器，其特徵在於:鐵磁薄膜為NiFe-SiOx軟磁多層薄膜，薄膜的形狀和大小與金屬螺旋變壓器式巴倫一致，鐵磁薄膜通過連接控制極金屬壓塊實現外加電流；絕緣介質為SiNx或Si02。
4.一種電流調諧的集成磁膜單片混頻器的調諧方法，其特徵在於:在集成磁膜單片混頻器的金屬電極上外加直流電源，外加直流電流大小為(T30mA，實現混頻器帶寬和變頻損耗的調諧。
5.一種電流調諧的集成磁膜單片混頻器的製造方法，其特徵在於:包括如下步驟: (1)在半導體基片上按照傳統麗IC工藝製作第一、第二、第三、第四二極體，其中第一二極體與第四二極體組成一組，第二二極體與第三二極體組成一組； (2)採用傳統MMIC工藝製作控制極金屬壓塊； (3)採用PECVD法澱積第一絕`緣介質； (4)採用光刻工藝勻膠、曝光、顯影得到鐵磁薄膜的磁膜光刻圖形，圖形部分位於控制極金屬壓塊上方； (5)採用磁控濺射法製備NiFe-SiOx軟磁多層薄膜，採用剝離工藝得到圖形化的鐵磁薄膜； (6)採用PECVD法澱積第二絕緣介質； (7)採用光刻工藝勻膠、曝光、顯影得到通孔圖形，該圖形與控制極金屬壓塊重疊，使用RIE工藝刻蝕圖形中的絕緣介質，使用丙酮去除剩餘光刻膠，得到介質通孔，露出控制極金屬壓塊和部分鐵磁薄膜； (8)使用傳統MMIC工藝製作互連金屬實現金屬鐵磁變壓器式巴倫，金屬鐵磁變壓器式巴倫與4個二極體之間連接，以及4個二極體之間環形結構連接，即將本振信號通過第一金屬鐵磁變壓器式巴倫連接到兩組二極體組上，同時將射頻信號通過第二金屬鐵磁變壓器式巴倫連接到同樣兩組二極體組上，第二二極體、第四二極體的正極和第一二極體、第三二極體的負極連通在一起形成中頻輸出端； (9)使用傳統MMIC工藝製作連接鐵磁薄膜和控制極金屬壓塊的金屬電極。
6.如權利要求書5所述一種電流調諧的集成磁膜單片混頻器的製造方法，其特徵在於，在步驟(3)和 (6)中，絕緣介質為SiNx或SiO2，厚度大於200nm。
【文檔編號】H03D7/14GK103795347SQ201310733543
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2013年12月27日 優先權日:2013年12月27日
【發明者】孔岑, 周建軍, 李輝 申請人:中國電子科技集團公司第五十五研究所