基於pin二極體的單刀單擲微波開關電路及其製作方法

2023-10-20 11:04:12 2

專利名稱：基於pin二極體的單刀單擲微波開關電路及其製作方法
技術領域：
本發明涉及微電子中微波電路技術領域，尤其涉及一種基於PIN 二極 管的單刀單擲微波開關電路及其製作方法。
背景技術：
PIN 二極體是微波控制電路中應用最普遍的一種器件，其特點是可控 功率大、插入損耗小以及可以得到近似短路和開路的良好特性，可應用於 開關電路、限幅器、移相器、衰減器和調製器等控制電路中。相對於傳統的Si PIN 二極體，砷化鎵(GaAs) PIN 二極體的高頻特性 更為優越，因此基於GaAs的PIN 二極體微波開關在微波系統中有廣泛的 應用。PIN 二極體在微波開關中的工作原理是其在不同偏置電壓下表現的不 同電性能定義P型層引出電極為正極，N型層引出電極為負極。則在正 向偏壓下，二極體導通阻抗很小，可以近似為短路(其等效電路為一個小 的電阻)；反向偏壓下，阻抗很高，近似為開路(等效電路為一個小的電容)。通常情況下，為了獲得更理想的微波性能(主要是為了獲得更高的隔 離度)，基於PIN 二極體的單刀單擲微波開關採用串並聯結合的方式。如圖1所示，圖1為目前常見的基於PIN二極體的單刀單擲開關電路的示意圖。其中串聯PIN 二極體和並聯PIN 二極體的數量和參數由電路性能的總 體要求來決定。在圖1中，當開關處於導通狀態時，串聯PIN二極體導通，偏置電壓為正，而並聯PIN二極體截止，偏置電壓為負；當開關截止時，串聯PIN二極體截止，並聯PIN二極體導通，各個二極體所需偏置電壓與開關導通 時相反。PIN 二極體的伏安特性如圖2所示，圖2為PIN 二極體的I一V 曲線圖。由於電路PIN 二極體偏置狀態不同，現有技術中通常用電容隔絕各個 PIN二極體之間的直流通路，對每個PIN二極體單獨施加偏置電壓。這種 電路結構存在固有的缺陷1) 額外的電容使開關微波性能惡化、電路匹配難度加大；2) 電路結構複雜，晶片面積增大。在微波單片電路中，晶片面積增 加意味著成本的提高；3) 外圍控制電路複雜。在現有技術中，串並聯結合結構的單刀單擲 開關至少需要兩個以上的電壓控制端。這意味著系統需要提供多個控制信 號才能控制開關的通斷。發明內容(一)要解決的技術問題 有鑑於此，本發明的一個目的在於提供一種基於PIN 二極體的單刀單 擲微波開關電路，以改善開關電路的微波性能，降低電路的匹配難度，化電路結構及外圍控制電路。本發明的另一個目的在於提供一種基於PIN 二極體的單刀單擲微波 開關電路的製作方法，以改善幵關電路的微波性能，降低電路的匹配難度， 簡化電路結構及外圍控制電路。(二)技術方案為達到上述一個目的，本發明提供了一種基於PIN 二極體的單刀單擲微波開關電路，該電路包括四個PIN二極體、三個限流電阻、兩個隔直電 容和一個電壓控制端；所述電壓控制端通過第一限流電阻Rl分別與第一 PIN 二極體Dl的 正極、第二PIN二極體D2的正極、第三PIN二極體D3的負極以及第四 PIN 二極體D4的負極連接；所述第一 PIN 二極體Dl的負極分別與第一隔直電容Cl和第二限流 電阻R2連接，第一隔直電容C1的另一端接電路的輸入端，第二限流電阻 R2的另一端接地；所述第二 PIN 二極體D2的負極分別與第二隔直電容C2和第三限流 電阻R3連接，第二隔直電容C2的另一端接電路的輸出端，第三限流電阻 R3的另一端接地；所述第三PIN 二極體D3的正極和第四PIN 二極體D4的正極分別接地。所述第一 PIN 二極體Dl與第二 PIN 二極體D2串聯連接，二者的正 極直接連接。所述第三PIN 二極體D3與第四PIN 二極體D4並聯連接。 該電路關於所述電壓控制端呈左右對稱結構。為達到上述另一個目的，本發明提供了一種基於PIN 二極體的單刀單 擲微波開關電路的製作方法，該方法包括A、 在半絕緣的砷化鎵(GaA)襯底上外延生長高摻雜的N"層；B、 在N+層上依次外延生長接近本徵的高阻層I和P+層；C、 依次刻蝕減小所述高摻雜N+層、高阻I層和P+層的面積，形成臺 面結構；D、 在P+層和N"層上分別蒸發金屬形成PIN二極體的上電極和下電極；E、 採用RTP法完成P+層和N+層歐姆接觸；F、 在GaAs圓片表面澱積氮化矽，並刻蝕澱積的氮化矽打開電極引線 窗口；G、 濺射形成金屬膜電阻；H、 蒸發一次布線金屬；I、 澱積氮化矽，並刻蝕澱積的氮化矽打開二次布線窗口； J、蒸發二次布線金屬。步驟C中所述刻蝕採用溼法刻蝕方法實現，步驟F中所述刻蝕採用幹 法刻蝕方法實現，步驟I中所述刻蝕採用幹法刻蝕方法實現。 步驟H中所述蒸發的一次布線金屬為電容的下電極。 步驟J中所述蒸發的二次布線金屬為電容的下電極。(三)有益效果 從上述技術方案可以看出，本發明具有以下有益效果1、 本發明提供的這種基於PIN 二極體的單刀單擲微波開關電路，結 構簡單，各個PIN二極體不需要用電容隔離開，避免了過多電容對電路射 頻性能的負面影響，改善了開關電路的微波性能，簡化了開關電路對微波 系統所提供控制電壓的要求。2、 本發明提供的這種基於PIN 二極體的單刀單擲微波開關電路，簡化了微波開關自身的電路結構，降低了電路的匹配難度，尤其是減少了所 需電容數量，有利於開關電路射頻性能的提高。3、 本發明提供的這種基於PIN 二極體的單刀單擲微波開關電路，在 PIN二極體數量相同的情況下，元件數量比現有技術少(主要是電容數量 減少)，因此電路面積相應縮小。對單片電路來講，該電路結構有效減小 了晶片面積，降低了成本。4、 本發明提供的這種基於PIN 二極體的單刀單擲微波開關電路的制 作方法，與該電路結構相適應，流程簡單，可操作性強，適宜批量生產。


圖1為目前常見的基於PIN二極體的單刀單擲開關電路的示意圖； 圖2為PIN二極體的I —V曲線圖；圖3為本發明提供的基於PIN 二極體的單刀單擲微波開關電路的拓撲圖；圖4為本發明提供的製作基於PIN 二極體的單刀單擲微波開關電路的方法流程圖；圖5為本發明提供的基於PIN 二極體的單刀單擲微波開關電路的晶片 版圖。
具體實施方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實 施例，並參照附圖，對本發明進一步詳細說明。如圖3所示，圖3為本發明提供的基於PIN 二極體的單刀單擲微波開 關電路的拓撲圖，該電路包括四個PIN二極體(即第一PIN二極體D1、 第二PIN二極體D2、第三PIN二極體D3和第四PIN二極體D4)、三個 限流電阻(即第一限流電阻R1、第二限流電阻R2和第三限流電阻R3)、 兩個隔直電容(即第一隔直電容C1、第二隔直電容C2)和一個電壓控制丄山頓。所述電壓控制端通過第一限流電阻Rl分別與第一 PIN 二極體Dl的 正極、第二PIN二極體D2的正極、第三PIN二極體D3的負極以及第四 PIN二極體D4的負極連接。所述第一 PIN 二極體Dl的負極分別與第一隔直電容Cl和第二限流 電阻R2連接，第一隔直電容C1的另一端接電路的輸入端，第二限流電阻 R2的另一端接地。所述第二 PIN 二極體D2的負極分別與第二隔直電容C2和第三限流 電阻R3連接，第二隔直電容C2的另一端接電路的輸出端，第三限流電阻 R3的另一端接地。所述第三PIN 二極體D3的正極和第四PIN 二極體D4的正極分別接地。所述第一 PIN 二極體Dl與第二 PIN 二極體D2串聯連接，二者的正 極直接連接。所述第三PIN 二極體D3與第四PIN 二極體D4並聯連接。 該電路關於所述電壓控制端呈左右對稱結構。第一PIN二極體D1、第二PIN二極體D2、第三PIN二極體D3和第 四PIN 二極體D4四個PIN 二極體共用一個電壓控制端，其中兩個串聯PIN 二極體正極與電壓控制端連接，負極分別與輸入輸出端隔直電容Cl、 C2 連接；兩個並聯PIN二極體負極與電壓控制端相連，正極與地相連。第一 PIN 二極體Dl與第二 PIN 二極體D2串聯，第三PIN 二極體D3 和第四PIN 二極體D4並聯，串並聯結合的結構使微波開關具有較好的隔 離度。電路中，第一限流電阻R1、第二限流電阻R2和第三限流電阻R3主 要作用表現在以下兩個方面1) 從圖2的伏安特性可知，PIN 二極體導通態電阻很小，如果直接 將控制電壓加在PIN二極體兩端，當控制電壓出現小幅波動時，流過PIN 管的電流會出現很大的變化，容易導致電路燒毀。因此將PIN二極體與較 大電阻串聯，對一定的控制電壓，流過PIN二極體的電流主要由電阻值決 定，避免了電流大幅波動；2) 直流通路上串聯較大電阻可以減少射頻信號的洩漏，保證電路的 射頻性能。第一限流電阻R1 —端與電壓控制端相連，另一端與電路中心相連；第二限流電阻R2和第三限流電阻R3—端接地，另一端與串聯PIN 二極體的負極相連。本發明提供的這種基於PIN 二極體的單刀單擲微波幵關電路，其工作 原理如下當電壓控制端加正電壓時，串聯PIN二極體正極電勢高於負極， 處於導通態；並聯PIN二極體正極電勢低於負極，處於截止狀態，此時電 路處於導通狀態。當電壓控制端加負電壓時，串聯PIN二極體正極電勢低 於負4及，處於截止態；並聯PIN二極體正極電勢高於負極，處於導通狀態， 此時電路處於截止狀態。本發明提供的這種基於PIN 二極體的單刀單擲微波開關電路，通過巧 妙的電路布局，使得串聯PIN 二極體和並聯PIN 二極體在同一控制電壓控 制下分別處於不同的工作狀態，從而減少了電容數量，簡化了外圍控制電 路。基於圖3所述的本發明提供的基於PIN 二極體的單刀單擲微波開關電 路的拓撲圖，以下對本發明提供的製作單刀單擲微波開關電路的方法進一 步詳細說明。如圖4所示，圖4為本發明提供的製作基於PIN 二極體的單刀單擲微 波開關電路的方法流程圖，該方法是與電路結構相適應的電路製造工藝， 具體包括以下步驟步驟401:在半絕緣GaAs襯底上外延生長高摻雜的N+層； 步驟402:在N+層上依次外延生長接近本徵的高阻層I和P+層； 步驟403:採用溼法刻蝕依次刻蝕減小所述高摻雜N+層、高阻I層和P+層的面積，形成臺面結構；步驟404:在P+層和N+層上分別蒸發金屬形成PIN 二極體的上電極 和下電極；步驟405:採用RTP法完成P+層和N"層歐姆接觸； 步驟406:在GaAs圓片表面澱積氮化矽，並採用幹法刻蝕澱積的氮 化矽打開電極引線窗口；步驟407:濺射形成金屬膜電阻；步驟408:蒸發一次布線金屬；此時，電容下電極為一次金屬； 步驟409:澱積氮化矽，並採用幹法刻蝕澱積的氮化矽打開二次布線 窗口；步驟410:蒸發二次布線金屬；此時，電容下電極為二次金屬。關於本發明提供的製作基於PIN 二極體的單刀單擲微波開關電路的 工藝，還可以參照圖5，圖5為本發明提供的基於PIN二極體的單刀單擲 微波開關電路的晶片版圖。以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行 了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而 已，並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修 改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1. 一種基於PIN二極體的單刀單擲微波開關電路，其特徵在於，該電路包括四個PIN二極體、三個限流電阻、兩個隔直電容和一個電壓控制端；所述電壓控制端通過第一限流電阻(R1)分別與第一PIN二極體(D1)的正極、第二PIN二極體(D2)的正極、第三PIN二極體(D3)的負極以及第四PIN二極體(D4)的負極連接；所述第一PIN二極體(D1)的負極分別與第一隔直電容(C1)和第二限流電阻(R2)連接，第一隔直電容(C1)的另一端接電路的輸入端，第二限流電阻(R2)的另一端接地；所述第二PIN二極體(D2)的負極分別與第二隔直電容(C2)和第三限流電阻(R3)連接，第二隔直電容(C2)的另一端接電路的輸出端，第三限流電阻(R3)的另一端接地；所述第三PIN二極體(D3)的正極和第四PIN二極體(D4)的正極分別接地。
2、 根據權利要求1所述的基於PIN 二極體的單刀單擲微波開關電路， 其特徵在於，所述第一PIN二極體(Dl)與第二PIN二極體(D2)串聯 連接，二者的正極直接連接。
3、 根據權利要求1所述的基於PIN 二極體的單刀單擲微波開關電路， 其特徵在於，所述第三PIN二極體(D3)與第四PIN二極體(D4)並聯 連接。
4、 根據權利要求1所述的基於PIN 二極體的單刀單擲微波幵關電路， 其特徵在於，該電路關於所述電壓控制端呈左右對稱結構。
5、 一種基於PIN 二極體的單刀單擲微波開關電路的製作方法，其特徵在於，該方法包括A、 在半絕緣的砷化鎵GaAs襯底上外延生長高摻雜的N+層；B、 在N+層上依次外延生長接近本徵的高阻層I和P+層；C、 依次刻蝕減小所述高摻雜N+層、高阻I層和P+層的面積，形成臺 面結構；D、 在P+層和N+層上分別蒸發金屬形成PIN二極體的上電極和下電極；E、 採用RTP法完成P+層和N+層歐姆接觸；F、 在GaAs圓片表面澱積氮化矽，並刻蝕澱積的氮化矽打開電極引線 窗口；G、 濺射形成金屬膜電阻；H、 蒸發一次布線金屬；I、 澱積氮化矽，並刻蝕澱積的氮化矽打開二次布線窗口； J、蒸發二次布線金屬。
6、 根據權利要求5所述的基於PIN 二極體的單刀單擲微波開關電路 的製作方法，其特徵在於，步驟C中所述刻蝕採用溼法刻蝕方法實現，步 驟F中所述刻蝕採用幹法刻蝕方法實現，步驟I中所述刻蝕採用幹法刻蝕方法實現。
7、 根據權利要求5所述的基於PIN 二極體的單刀單擲微波開關電路 的製作方法，其特徵在於，步驟H中所述蒸發的一次布線金屬為電容的下電極。
8、根據權利要求5所述的基於PIN 二極體的單刀單擲微波開關電路的製作方法，其特徵在於，步驟J中所述蒸發的二次布線金屬為電容的下 電極。
全文摘要
本發明涉及微電子中微波電路技術領域，公開了一種基於PIN二極體的單刀單擲微波開關電路，包括四個PIN二極體、三個限流電阻、兩個隔直電容和一個電壓控制端；所述電壓控制端通過R1分別與D1的正極、D2的正極、D3的負極以及D4的負極連接；所述D1的負極分別與C1和R2連接，C1的另一端接電路的輸入端，R2的另一端接地；所述D2的負極分別與C2和R3連接，C2的另一端接電路的輸出端，R3的另一端接地；所述D3的正極和D4的正極分別接地。本發明同時公開了一種基於PIN二極體的單刀單擲微波開關電路的製作方法。利用本發明，改善了開關電路的微波性能，降低了電路的匹配難度，簡化了電路結構及外圍控制電路。
文檔編號H01L21/822GK101242175SQ200710063699
公開日2008年8月13日 申請日期2007年2月7日 優先權日2007年2月7日
發明者浩 楊 申請人:中國科學院微電子研究所