共射結構電晶體的地牆去耦合連接結構的製作方法
2023-07-06 06:13:56 3
本發明涉及一種新型地牆去耦合連接結構，具體說是一種採用半導體集成電路工藝製作、使用共射結構電晶體的地牆去耦合連接結構以改善毫米波亞毫米波振蕩器輸出功率和振蕩頻率的新型電晶體外圍連接結構。
背景技術：
電磁波頻譜中頻率較低的範圍目前已經被分配到許多無線電的應用中，例如廣播、電視、衛星通信、行動電話、軍事應用和射電天文等等。隨著無線電技術的進一步發展，目前低頻率段的頻譜資源已非常擁擠，對於未來通信應用的需求，低頻段的信道容量已經很難滿足要求。然而，在毫米波和亞毫米波頻段，尚有大量的頻段未被開發和利用，由於毫米波和亞毫米波頻帶更寬，可用於傳輸更高的速率，從而獲得更大的通信容量。國際上目前對於毫米波亞毫米波頻段已經湧現出越來越多的應用，包括無線區域網、太赫茲成像、毫米波車載雷達、光譜學和遙感等。
對所有這些毫米波和亞毫米波系統來說，矽基毫瓦級頻率源電路的設計一直是一個難點。電晶體內部的寄生電容，尤其是電晶體外圍連接電路的寄生效應，在毫米波和亞毫米波頻段常常會給高功率高頻率頻率源電路的設計帶來很不利的影響。例如，在200GHz時，對於一個普通連接的電晶體基極和集電極電路，不做去耦合處理，通過電磁仿真軟體HFSS對寄生參數提取發現，基極和集電極過孔連接之間的耦合電容達到了fF量級，這大大惡化了電晶體的性能，直接體現就是對應的振蕩器輸出功率和振蕩頻率的惡化。
為了解決毫米波單管外圍連接結構寄生耦合的影響，常常需要使用共射共基結構，即將一個共射結構的電晶體和一個共基結構的電晶體疊加起來使用，這樣雖然能在一定程度上減輕電路寄生耦合的影響，但共射共基結構需要兩倍的發射極電壓，不利於應用在低電壓環境中，功耗相對較高，且對振蕩器輸出功率提高幅度較小。此外，共射共基結構通常會引入額外的噪聲，影響振蕩器的相位噪聲。
因此，需要發明一種能夠大幅度減弱毫米波亞毫米波頻段電晶體外圍連接結構之間耦合效應的新型電晶體外圍連接結構、同時應用於低電源高輸出振蕩功率和振蕩頻率的振蕩器電路中。
技術實現要素：
發明目的：本發明的目的是設計一種新型地牆去耦合連接結構，具體說是一種採用半導體集成電路工藝製作、使用共射結構電晶體的地牆去耦合連接結構以改善毫米波亞毫米波振蕩器輸出功率和振蕩頻率的新型電晶體外圍連接結構。
技術方案：一種共射結構電晶體的地牆去耦合連接結構，包括襯底、位於襯底中的電晶體、和位於襯底之上的基極、集電極、基極的過孔連接陣列、集電極的過孔連接陣列、地牆去耦合結構，所述地牆去耦合結構位於基極的過孔連接陣列和集電極的過孔連接陣列之間，所述基極的過孔連接陣列以及集電極的過孔連接陣列包括靠近襯底的薄金屬層M1，M2，M3，M4，M5和頂層的厚金屬層TM1，並通過過孔依次連接，貫穿M1到TM1；所述基極的過孔連接陣列的厚金屬層TM1和厚金屬層TM2相鄰，並與位於厚金屬層TM2的基極通過過孔連接；所述集電極的過孔連接陣列的厚金屬層TM1和厚金屬層TM2相鄰，並與位於厚金屬層TM2的集電極通過過孔連接；地牆去耦合結構也包括靠近襯底的薄金屬層M1，M2，M3，M4，M5和頂層的厚金屬層TM1，並通過過孔依次連接，貫穿M1到TM1；靠近襯底的薄金屬層和頂層的厚金屬層根據矽基工藝提供，集電極的過孔連接陣列、基極的過孔連接陣列、地牆去耦合結構通過過孔連接位於襯底的電晶體，位於襯底的電晶體的基極連接基極的過孔連接陣列、電晶體的集電極連接集電極的過孔連接陣列、電晶體的發射極連接地牆去耦合結構。
進一步的，地牆去耦合結構各層的末端為三角結構。
進一步的，位於襯底的電晶體的尺寸可變，地牆去耦合結構的長度根據電晶體的長度改變。
進一步的，地牆去耦合結構的長度為電晶體的長度的兩倍。
進一步的，地牆去耦合結構採用矽基雙極型金屬氧化物半導體集成電路工藝實現。
有益效果：
1)大幅改善毫米波亞毫米波振蕩器的輸出功率和振蕩頻率。
2)對振蕩器的結構沒有特殊的要求，可以選用基於共射結構電晶體的任意矽基毫米波亞毫米波振蕩器結構。
3)適合於小型化、高輸出功率和高頻率輸出的振蕩器應用場合。
附圖說明
圖1(a)是矽基工藝的金屬和過孔層分布圖，圖1(b)是本發明中的新型共射結構電晶體去耦合連接結構的俯視圖；
圖2是本發明中的新型共射結構電晶體外圍去耦合連接結構的三維視圖；
圖3是將本發明應用在一個J波段亞毫米波四階基波振蕩器中的電路原理圖；
圖4是將本發明應用在一個J波段亞毫米波六階基波振蕩器中的電路原理圖；
圖5是將本發明應用在一個J波段亞毫米波四階基波振蕩器的輸出功率測試結果；
圖6是將本發明應用在一個J波段亞毫米波六階基波振蕩器的輸出功率測試結果。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明作更進一步的說明。
如圖1所示，本發明的基本結構是一種共射結構電晶體的地牆去耦合外圍連接結構，圖(a)是矽基工藝的金屬和過孔層分布圖，圖(b)是該新型電晶體去耦合連接結構的俯視圖。對於共射結構的電晶體外圍連接結構，引入一個從M1到TM1的地牆，地牆位於基極3和集電極4之間，地牆去耦合結構長度為L1，電晶體的長度為S，地牆去耦合結構長度至少為電晶體長度的兩倍，為了有效的減少基極和集電極過孔連接陣列之間的耦合效應，在地牆末端引入三角結構進一步去除基極和集電極過孔連接陣列之間的耦合。
如圖2所示，為了更加清晰的展現該新型的共發射極地牆去耦合電晶體連接結構，特給出了該電晶體外圍連接的三維效果圖。圖中可以看到從襯底到頂層金屬之間的基極和集電極過孔連接陣列，該地牆去耦合結構7位於兩個過孔連接陣列之間。矽基工藝提供靠近襯底1的薄金屬層和頂層的厚金屬層，由於薄金屬層耐流特性較差且傳輸損耗較大，頂層金屬通常用於主信號傳輸。實際設計中需要過孔陣列連接頂層金屬和位於襯底的電晶體2，過孔陣列高度H2在10μm左右且距離較近，對於頻率高於100GHz的毫米波亞毫米波電路過孔連接的電長度不可忽略，通過電磁仿真軟體HFSS發現兩排過孔陣列之間的耦合寄生電容達到fF量級，對電路性能產生極大的影響。在振蕩器設計中，引入地牆去耦合結構7，通過優化地牆結構的長度L1，可以消除電晶體基極和集電極過孔陣列之間的耦合，從而可以大幅度提升亞毫米波振蕩器的輸出功率和輸出頻率，解決了傳統電晶體連接結構對毫米波亞毫米波振蕩器電路輸出功率和頻率性能惡化的影響。
圖3是將本發明應用在一個J波段亞毫米波四階基波振蕩器中的原理圖。該振蕩器的四個電晶體均為共射結構，且均採用本發明提出的地牆去耦合外圍連接結構。圖中微帶連接線l1-l12均位於TM2層，Q1，Q2，Q3，Q4為採用該地牆去耦合外圍連接結構的共射電晶體，W為微帶線的寬度，L為微帶線的長度。
圖4是將本發明應用在一個J波段亞毫米波六階基波振蕩器中的原理圖，B點、C點為連接點。該振蕩器的六個電晶體均為共射結構，且均採用本發明提出的地牆去耦合外圍連接結構。圖中微帶連接線L1-L16均位於TM2層，Q5-Q10為採用該地牆去耦合外圍連接結構的共射電晶體，W為微帶線的寬度，L為微帶線的長度。
圖5是將本發明應用在一個J波段亞毫米波四階基波振蕩器的輸出功率測試結果。從圖中可以看書，使用本發明以後振蕩器的輸出功率提升了將近一倍。此外該振蕩器的輸出頻率也因地牆去耦結構的引入從210GHz提升到了225GHz的頻率範圍。
圖6是將本發明應用在一個J波段亞毫米波六階基波振蕩器的輸出功率測試結果。從圖中可以看出，使用本發明以後振蕩器的輸出功率平均提升了50％以上。此外該振蕩器的輸出頻率也因地牆去耦結構的引入從200GHz提升到了213GHz的頻率範圍。
本發明及其所應用在的毫米波亞毫米波振蕩器均採用矽基雙極型金屬氧化物半導體集成電路工藝實現。
以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。