CN102570977B - 一种右手非线性传输线微波倍频电路及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微电子中微波电路技术领域，尤其涉及一种基于平面肖特基二极管的右手非线性传输线微波倍频电路及其制作方法。一种右手非线性传输线微波倍频电路，该倍频电路由23节右手非线性传输线单元串联构成，每节右手非线性传输线单元由并联的肖特基二极管和串联的两段相同传输线组成。本发明提供的右手非线性传输线微波倍频电路，优化了电路结构，简化了外围偏置电路；本发明提供的右手非线性传输线微波倍频电路的制作方法，简化相应电路制作工艺，以改善倍频电路的谐波输出功率，增加谐波转化效率，改善窄频带谐波输出特性，增强谐波输出纯度等特性。

Description

一种右手非线性传输线微波倍频电路及其制作方法

技术领域

本发明涉及微电子中微波电路技术领域，尤其涉及一种基于平面肖特基二极管的右手非线性传输线微波倍频电路及其制作方法。

背景技术

随着系统工作频率向微波和毫米波段延伸，要求频率越来越高，但是由于受器件、输出功率等因素的影响，在微波频段上常常缺乏稳定、有效的信号源，这就要求将频率较低、输出功率较大和频率稳定度高的低频信号源通过非线性器件，如变容二极管、高电子迁移率晶体管、异质结双极性晶体管等来实现倍频。高频倍频器广泛应用于微波信号源的产生，微波倍频器能对低频段的稳态信号源进行频率倍增，产生低相位噪声的微波信号。肖特基二极管具有快速的电容开关特性，肖特基结电容随外加偏置电压非线性变化，因寄生串联电阻小，具有极高的截止频率，常作为基本的非线性元件用在微波、毫米波或亚毫米波倍频器中。

通常基于二极管的倍频器使用单个二极管阵列，展现出感性的输入阻抗，使得工作频率变窄，另外单二极管倍频器组态结构不利于获得高的转换效率。一种全分布式周期加载组态的右手非线性传输线也可用来实现频率倍增，相应右手非线性传输线的平均输入阻抗变成了电阻特性，因此利用该结构的右手非线性传输线可以获得较高的转换效率。周期加载的右手非线性传输线具有低通滤波器的特性(具有Bragg截止频率)，可以用来滤除高次谐波、增加低次谐波的转换效率。右手非线性传输线的这些特性在倍频电路中非常重要。如果Bragg截止频率高于输入信号的频率，我们可以利用右手非线性传输线中二极管的变容特性产生低相位噪声的高频信号源。

通常情况下，基于肖特基二极管的倍频电路，设计上使用微带线传输线结构，制作上采用混合电路制作工艺。该结构电路存在以下固定缺陷：需采用过孔和背金工艺；分别将肖特基二极管倒扣或表贴在高频基板上；需要为肖特基二极管提供偏置电路；谐波随肖特基二极管外加偏置电压影响较大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种右手非线性传输线微波倍频电路，优化了电路结构，简化了外围偏置电路，以改善倍频电路的谐波输出功率，增加谐波转化效率，改善窄频带谐波输出特性，增强谐波输出纯度。

本发明的另一目的在于提供一种右手非线性传输线微波倍频电路的制作方法，简化电路制作工艺。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种右手非线性传输线微波倍频电路，所述倍频电路由23节右手非线性传输线单元串联构成，每节右手非线性传输线单元由并联的肖特基二极管和串联的两段相同传输线组成。

上述方案中，所述每节右手非线性传输线单元中肖特基二极管的电容对外加偏置电压的关系为：C＝250fF/(1-V/0.65)^0.35，电流对外加偏置电压的关系为：I＝31.97fA×(e^{(V-I×3.18)/(0.0258×1.0431)}-1)。

上述方案中，所述每节右手非线性传输线单元中串联的两段传输线采用共面波导传输线组态，制作在350微米的砷化镓衬底上。

上述方案中，所述传输线的几何尺寸为：中间信号线宽20微米，中间信号线距信号线两边共面地的间距为89微米，中间两段信号线共长560微米。

上述方案中，所述每节右手非线性传输线单元中肖特基二极管阳极与共面地相连，阴极与中央共面波导传输线的信号线相连，肖特基二极管通过共面波导传输线中央信号线和共面地构成偏置电路。

一种右手非线性传输线微波倍频电路的制作方法，包括如下步骤：

A、在半绝缘的砷化镓(GaAs)衬底上外延生长N⁺层；

B、在N⁺层上外延生长N^-有源层；

C、采用湿法腐蚀刻蚀N^-层，在N⁺层上形成台面结构

D、在N⁺层上蒸发金属形成肖特基二极管的下电极；

E、采用低温合金方法，在N⁺层形成欧姆接触；

F、在N^-层上蒸发金属形成肖特基接触的上电极；

G、采用湿法腐蚀刻蚀N⁺层，形成器件之间的电学隔离；

H、在外延片上沉积一层Si₃N₄，采用干法刻蚀在Si₃N₄表面刻孔，打开电极引线窗口；

I、电镀形成布线金属。

上述方案中，所述步骤A中N⁺层的厚度为1微米，掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3。

上述方案中，所述步骤B中N^-有源层的厚度为0.6微米，掺杂浓度为5×10¹⁶cm^-3。

上述方案中，所述步骤I中所述电镀形成的布线金属用于制作共面波导传输线和连接线。

与现有技术相比，本发明采用的技术方案产生的有益效果如下：

本发明提供的右手非线性传输线微波倍频电路，优化了电路结构，简化了外围偏置电路；本发明提供的右手非线性传输线微波倍频电路的制作方法，简化相应电路制作工艺，以改善倍频电路的谐波输出功率，增加谐波转化效率，改善窄频带谐波输出特性，增强谐波输出纯度。

附图说明

图1为本发明实施例提供的右手非线性传输线微波倍频电路的结构示意图；

图2为本发明实施例中一节右手非线性传输线单元的结构示意图；

图3为本发明实施例中肖特基二极管C-V特性曲线图；

图4为本发明实施例中肖特基二极管I-V特性曲线图；

图5为本发明实施例提供的右手非线性传输线微波倍频电路的色散特性曲线图；

图6为本发明实施例提供的右手非线性传输线微波倍频电路的S₂₁参数曲线图；

图7为本发明实施例提供的右手非线性传输线微波倍频电路的S₁₁参数曲线图；

图8为本发明实施例提供的复合左右手非线性传输线微波倍频电路的谐波输出频谱图；

图9为本发明实施例提供的右手非线性传输线微波倍频电路制作方法的流程图；

图10为本发明实施例提供的右手非线性传输线微波倍频电路的芯片版图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明技术方案进行详细描述。

如图1所示，图1为本发明实施例提供的一种右手非线性传输线微波倍频电路，该电路由23节右手非线性传输线单元串联构成，每节右手非线性传输线单元由并联的肖特基二极管和串联的两段相同传输线组成，如图2所示。传输线等效为右手传输线中的串联电感，构成由串联电感和并联电容级联的典型右手非线性传输线。每节右手非线性传输线中，所采用的肖特基二极管的电容对外加偏置电压的关系为：C＝250fF/(1-V/0.65)^0.35；电流对外加偏置电压的关系为：I＝31.97fA×(e^{(V-I×3.18)/(0.0258×1.0431)}-1)。

每节右手非线性传输线中，肖特基二极管阳极与共面地相连，阴极与中央共面波导传输线的信号线相连，肖特基二极管通过共面波导传输线中央信号线和共面地构成偏置电路。

如图3所示，图3为本发明实施例提供的右手非线性传输线微波倍频电路中，肖特基二极管C-V特性曲线，从图中可以看出在-10V到0.6V偏置电压间，肖特基二极管的最大电容比达5.4，该肖特基二极管是一种非常理想的非线性变容元件。

如图4所示，图4为本发明实施例提供的右手非线性传输线微波倍频电路中，肖特基二极管I-V特性曲线，从图中可以看出在-10V到0.6V的偏置电压间，在大正向偏置电压下，电流很大，对应极小的非线性电阻，在负的反向偏置电压下，电流很小，对应极大地非线性电阻，等效为开路。

每节右手非线性传输线中，两段相同传输线和采用共面波导传输线组态，制作在350微米的砷化镓衬底上，其几何尺寸为：中间信号线宽20微米，中间信号线距信号线两边的共面地的间距为89微米，中间信号线长560微米，对应的特征阻抗为108Ω；中间信号线越窄，对应等效的分布电感越大，其宽度可以根据实际设计电路的需要选择；共面波导传输线对应的特征阻抗可以通过调节中央信号线与共面地之间的间距改变。

如图5所示，图5为本发明实施例提供的右手非线性传输线微波倍频电路测量的色散特性曲线，外加反向偏置电压为2.0V；相位传播速度随着信号频率的增加而增大，表现为正常的色散特性。

如图6和图7所示，图6和图7分别为本发明实施例提供的右手非线性传输线微波倍频电路在反向偏置4.5V电压下测量的S₂₁和S₁₁曲线图，由S₂₁可知：在整个频段内表现为一个右手低通电路，对应上限截止频率f₁(Bragg截止频率)由右手非线性传输线的元件值决定：

$f_1=\frac{1}{4\mathrm{\π}\sqrt{L_0(C_0+C_1)}},$

其中C₀和L₀是一节右手非线性共面波导传输线等效分布电容和电感值，C₁是右手非线性传输线中的并联电容值。上限截止频率f₁可以通过改变肖特基二极管上的外加偏置电压而变化，因此右手非线性传输线表现为上限截止频率可调的低通特性。当右手非线性传输线用作倍频电路时，产生的谐波应避免应低于截止频率f₁，否则会导致谐波信号输出功率的严重衰减，谐波信号应该出现在右手非线性传输线的带通中。另外也可以通过调整并联电容值和共面波导传输线参数来改变上限截止频率，设计满足要求的谐波电路。

如图8所示，图8为本发明提供的一种制作基于平面肖特基二极管的右手非线性传输线微波倍频电路在反向2.0V偏置电压下的谐波输出频谱图，输入基波信号频率为13GHz，输入功率为20dBm，可见本发明提供的一种制作基于平面肖特基二极管的右手非线性传输线微波倍频电路，可以输出纯净的二次谐波，而且输出谐波功率达15dBm，相应二次谐波转换效率高达25％。

如图9所示，图9为本发明提供的一种制作基于平面肖特基二极管的右手非线性传输线微波倍频电路的方法流程图，该方法是与电路结构相适应的电路制造工艺，具体包括以下步骤：

步骤801：在半绝缘的砷化镓(GaAs)衬底上外延生长1微米、掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3的N⁺层；

步骤802：在N⁺层上外延生长0.6微米、掺杂浓度为5×10¹⁶cm^-3的N^-有源层

步骤803：采用湿法腐蚀刻蚀N^-层，在N⁺层上形成台面结构

步骤804：在N⁺层上蒸发金属形成肖特基二极管的下电极；

步骤805：采用低温合金方法，在N⁺层形成欧姆接触；

步骤806：在N^-层上蒸发金属形成肖特基接触的上电极；

步骤807：采用湿法腐蚀刻蚀N⁺层，形成器件之间的电学隔离；

步骤808：在外延片上沉积一层Si₃N₄，采用干法刻蚀在Si₃N₄表面刻孔，打开电极引线窗口；

步骤809：电镀形成二次布线金属，形成共面波导传输线以及连接线。

上述制作方法与右手非线性传输线微波倍频与该电路结构相适应，流程简单，可操作性强，适宜批量生产。

关于本发明提供的右手非线性传输线微波倍频电路的制作方法，还可以参照图10，图10为右手非线性传输线微波倍频电路的芯片版图。

本发明采用共面波导传输线的平面结构，避免了复杂的过孔和背金制作工艺。本发明中肖特基二极管通过右手非线性传输线单元本身构成偏置电路，即通过共面波导传输线中央信号线和共面地构成偏置电路，无需偏置电路，简化了倍频器结构，缩小了体积。本发明提供的这种右手非线性传输线微波倍频电路，电路的平均输入阻抗变成了由电抗变为了电阻特性，输出谐波的频带加宽，改善了倍频电路的窄带特性。

本发明提供的右手非线性传输线微波倍频电路，电路匹配容易，只需通过调整肖特基有源区面积和共面波导传输线特征尺寸参数，即可实现与负载和信号源之间的匹配。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种右手非线性传输线微波倍频电路，其特征在于：所述倍频电路由23节右手非线性传输线单元串联构成，每节右手非线性传输线单元由并联的肖特基二极管和串联的两段相同传输线组成；所述每节右手非线性传输线单元中肖特基二极管的电容对外加偏置电压的关系为：C＝250fF/(1-V/0.65)^0.35，电流对外加偏置电压的关系为：I＝31.97fA×(e^{(V-I×3.18)/(0.0258×1.0431)}-1)。

2.如权利要求1所述的右手非线性传输线微波倍频电路，其特征在于：所述每节右手非线性传输线单元中串联的两段传输线采用共面波导传输线组态，制作在350微米的砷化镓衬底上。

3.如权利要求2所述的右手非线性传输线微波倍频电路，其特征在于：所述传输线的几何尺寸为：中间信号线宽20微米，中间信号线距信号线两边共面地的间距为89微米，中间信号线长560微米。

4.如权利要求1所述的右手非线性传输线微波倍频电路，其特征在于：所述每节右手非线性传输线单元中肖特基二极管阳极与共面地相连，阴极与中央共面波导传输线的信号线相连，肖特基二极管通过共面波导传输线中间信号线和共面地构成偏置电路。

5.一种右手非线性传输线微波倍频电路的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

A、在半绝缘的砷化镓(GaAs)衬底上外延生长N⁺层；

B、在N⁺层上外延生长N-有源层；

C、采用湿法腐蚀刻蚀N-层，在N⁺层上形成台面结构；

D、在N⁺层上蒸发金属形成肖特基二极管的下电极；

E、采用低温合金方法，在N⁺层形成欧姆接触；

F、在N-层上蒸发金属形成肖特基接触的上电极；

G、采用湿法腐蚀刻蚀N⁺层，形成器件之间的电学隔离；

H、在外延片上沉积一层Si₃N₄，采用干法刻蚀在Si₃N₄表面刻孔，打开电极引线窗口；

I、电镀形成布线金属。

6.如权利要求5所述的右手非线性传输线微波倍频电路的制作方法，其特征在于：所述步骤A中N⁺层的厚度为1微米，掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3。

7.如权利要求5所述的右手非线性传输线微波倍频电路的制作方法，其特征在于：所述步骤B中N-有源层的厚度为0.6微米，掺杂浓度为5×10¹⁶cm^-3。

8.如权利要求5所述的右手非线性传输线微波倍频电路的制作方法，其特征在于：所述步骤I中所述电镀形成的布线金属用于制作共面波导传输线和连接线。