CN107924938B - 高性能射频开关 - Google Patents

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Abstract

HEMT单元包括彼此串联地电连接的两个或更多个氮化镓(“GaN”)高电子迁移率晶体管(“HEMT”)器件。HEMT单元包括HEMT单元漏极、HEMT单元源极和HEMT单元栅极。HEMT单元漏极与该串联中的第一个GaN HEMT器件的漏极连接。HEMT单元源极与该串联中的最后一个GaN HEMT器件的源极连接。HEMT单元栅极连接到与第一个GaN HEMT器件的栅极连接的第一二维电子气(“2DEG”)栅极偏置电阻器。HEMT单元栅极连接到与第二GaN HEMT器件的栅极连接的第二2DEG栅极偏置电阻器。第一和第二2DEG栅极偏置电阻器位于HEMT单元的2DEG层中。还公开了一种多掷RF开关。

Description

高性能射频开关
相关申请的交叉引用
本申请基于2015年6月16日提交的第62/180,100号在先美国临时专利申请和2015年6月16日提交的第62/180,117号在先美国临时专利申请并要求其优先权，所述在先美国临时专利申请的公开内容通过引用整体并入本文。
背景技术
本公开内容总体上涉及有源固态器件，并且更具体地涉及用作开关的氮化镓高电子迁移率晶体管。
氮化镓(下文中称为“GaN”)高电子迁移率晶体管(下文中称为“HEMT”)是可以用作开关的耗尽型器件(常开型)。要关断开关，需要以负电压使栅极偏置。大多数应用在应用平台上不具有可用的负电压，因此需要由较小的正电源电压生成负电压。负电压的生成需要许多级的电荷泵电路。电荷泵的每一级都需要电容器。电容器的尺寸取决于电荷泵电路必须提供的负载电流。负载电流是电荷泵电路正在驱动的HEMT器件的栅极电流。
现代应用要求RF开关处理高功率RF信号的高速切换，当开关断开(OFF)时具有高的宽频带隔离度和低噪声，并且在开关导通(ON)时具有低的宽频带插入损耗。每个开关都可以具有寄生电感、电容、电导和电阻。这些寄生部件结合起来使开关正在使用以进行路由的信号衰减并降低。由这些部件引起的功率损耗和电压衰减随着输入信号的频率而变化，并且可能受开关在该频率下的插入损耗影响。开关的插入损耗在应用的带宽要求下是可接受的这一点是重要的。
许多RF开关——比如PIN二极管开关——都遭受高电流消耗之苦。这会在某些应用中导致不希望的耗散功率和热量生成。
附图说明
附图中相同的附图标记贯穿各个单独的视图表示相同或功能相似的元件，并且所述附图与下面的具体实施方式一起被并入说明书中并且形成说明书的一部分，所述附图用于进一步示出各实施方案并解释仅根据本公开内容的各原理和优点，在附图中：
图1是包括n级电荷泵和GaN开关器件的CMOS控制器的简化框图；
图2A是根据本公开内容的射频(RF)开关的示意图；
图2B是现有技术RF开关的示意图；
图3A是根据本公开内容的一个实施方案的具有一个栅极的GaN HEMT结构的横剖视图；
图3B是根据本公开内容的一个实施方案的具有双栅极的GaN HEMT结构的横剖视图；
图3C是根据本公开内容的一个实施方案的具有三栅极的GaN HEMT结构的横剖视图；
图3D是根据本公开内容的开关样本的功率输出峰值(dBm)与功率输入峰值(dBm)的关系曲线图；
图4是包括根据本公开内容的开关的电路的示意图；
图5A是根据本公开内容的一个实施方案的具有双栅极的GaN HEMT结构的横剖视图；
图5B是图5A中所示的GaN HEMT结构的俯视图；
图5C是图5A和图5B中所示的GaN HEMT结构的示意图；
图5D是示出图5A和图5B中所示的GaN HEMT结构的谐波失真性能的图；
图6A是根据本公开内容的一个实施方案的具有双栅极的单指GaN HEMT结构的俯视图，所述双栅极包括使用2DEG层实现的高密度偏置电阻器；
图6B是具有双栅极的多指GaN HEMT结构的俯视图；
图6C是根据本公开内容的单位HEMT单元的示意图；
图7是GaN HEMT器件以及控制器的NMOS器件和PMOS器件的一实施例的横剖视图，所有这些器件集成在同一管芯(die)上；
图8是根据本公开内容的使用GaN HEMT固态开关和控制器来选择性地将一RF端口连接到两个其他RF端口之一的单刀双掷(SP2T)RF固态开关器件的一实施例的示意图；和
图9是示出根据本公开内容的一实施方案的选择性地控制GaN开关器件的控制器和驱动器电路的一实施例的电路框图。
具体实施方式
应该理解的是，将通过给定的说明性实施例来描述本公开内容。然而，其他半导体架构、结构、衬底材料以及工艺特征和步骤可以在本公开内容的范围内变化。
还应当理解的是，当元件——诸如层、区域或衬底——被称为在另一元件“上(on)”或“上方(over)”时，所述元件可以直接在另一元件上，或者也可以存在中间元件。相反地，当元件被称为“直接在另一元件上(directly on)”或“直接在另一元件上方(directly over)”时，不存在中间元件。还应当理解的是，当元件被称为“连接(connected)”或“耦合(coupled)”到另一元件时，所述元件可以是直接连接或耦合到另一元件，或者可以存在中间元件。相反地，当元件被称为“直接连接(directly connected)”或“直接耦合(directly coupled)”到另一元件时，不存在中间元件。
说明书中提及本原理的“一个实施方案(one embodiment)”或“一实施方案(anembodiment)”以及其其它变体意味着关于该实施方案所描述的特定特征、结构和特性等被包括在本原理的至少一个实施方案中。因此，贯穿说明书各处出现的措辞“在一个实施方案中(in one embodiment)”或“在一实施方案中(in an embodiment)”以及任何其他变体不一定都指的是同一实施方案。
本文中使用的术语“RF”、“射频”等通常是指宽泛的信号频谱。频谱可以包括但不限于以下频率范围中的任何一个或多个中的频率：甚低频范围、甚高频范围、超高频范围、微波频率范围、毫米波频率范围或更高频率范围，除非本文中的特定使用环境清楚地另作规定。
各实施方案可以包括用于集成电路芯片的设计，该设计可以以图形计算机编程语言来创建并且存储在计算机存储介质(诸如磁盘、磁带、物理硬盘驱动器或虚拟硬盘驱动器——比如存储访问网络中的虚拟硬盘驱动器)中。如果设计者不制造芯片或用于制造芯片的光刻掩模，设计者可以通过物理手段(例如通过提供对设计进行存储的存储介质的副本)或者电子地(例如通过因特网)将所得设计直接或间接地传输给这样的实体。然后，所存储的设计被转换成用于制造光刻掩模的适当格式，所述光刻掩模通常包括待在晶片(wafer)上形成的上述芯片设计的多个副本。光刻掩模被利用来限定待蚀刻或以其他方式处理的晶片(和/或所述晶片上的层)的区域。
如本文所述的方法可以在集成电路芯片的制造中用作过程的一部分。所得的集成电路芯片可以由制造商以原始晶片形式(即，作为具有多个未封装芯片的单个晶片)作为裸管芯或以封装形式分发。在后一种情况下，芯片安装在单芯片封装(比如塑料载体，其具有固定至主板或其他更高级别的载体上的引线)或多芯片封装(比如陶瓷载体，其具有表面互连或埋入式互连中的任一或两者)中。在任何情况下，芯片然后可以与其他芯片、分立电路元件和/或其他信号处理器件集成作为(a)中间产品——比如主板——的一部分，或(b)最终产品的一部分。最终产品可以是包括集成电路芯片的任何产品，比如举例而言但不限于：移动无线通信设备、蜂窝基础设施、军事通信无线电设备、软件无线电设备、AESA雷达、数字通信链路、航空电子设备、LTE中继器、小型基地台、TDD微型基地台、RF基站、PMR/LMR高功率无线电设备、天线调谐开关、3G/4G多模多频带切换系统、Rx分集频带切换系统、高线性通用应用系统、卫星终端、卫星收发器、RF和微波测试装置以及许多其他商业应用系统和军事应用系统。
根据各实施方案，公开了一种使用GaN技术的高功率和高电压射频(RF)开关。该开关引入了许多电路技术以实现优越的性能和尺寸。根据本公开内容的开关利用绝缘栅极来实现，该绝缘栅极使得能够使用低得多的电流和可以集成在同一封装中的更小尺寸的偏置电路，而无需外部无源部件。
现在参照附图，其中相同的标号表示相同的相似元件，图1示出包括n级电荷泵和驱动器电路的现有技术CMOS控制器102的实施例。利用来自CMOS控制器102的驱动输出信号可以将多个分立的GaN开关器件104接通或关断。
图2A是根据本公开内容的RF开关的示意图。根据本公开内容的开关使用具有使栅极电流减小的绝缘栅极的HEMT结构。较低的栅极电流使得用于n级电荷泵和驱动器电路中以驱动HEMT结构的一个电容器或多个电容器的尺寸减小；由此，电容器可以被集成在互补金属氧化物半导体(以下称为“CMOS”)控制器的管芯上。此外，较低的栅极电流使得用于控制开关HEMT结构的信号的电流消耗降低。在某些应用中，可以完全避免分立的电容器。图2A中所示的开关器件202可以根据如所示的公式203在其栅极输入端处被驱动。
图2B是使用肖特基HEMT/SOI FET结构的堆叠体的现有技术RF开关的示意图。大多数已知的GaN开关使用肖特基HEMT/SOI FET结构。肖特基HEMT的栅极泄漏比绝缘栅极高将近1000倍。较高泄漏电流的HEMT需要高电流电荷泵，高电流电荷泵又不利地需要外部电容器。如图2B中所示，肖特基HEMT/SOI FET结构利用分立的开关器件的堆叠体204。如图所示，堆叠体204包括多个分立的互连开关器件，其中，可以根据如所示的公式205驱动每个栅极输入端。另外，FET/HEMT结构的击穿电压要求使用多个分立的开关器件的堆叠体204，这多个分立的开关器件使开关的插入损耗增加。插入损耗是开关器件的重要品质因数。
根据本公开内容的开关不需要任何外部电容器。如将在下面更详细讨论的，根据本公开内容的新型且新颖的HEMT结构开关可以在不堆叠多个分立的开关器件的情况下实现。这使得该新型且新颖的开关的插入损耗显著降低。反而，开关的栅极被偏置在高得多的负电压电平以关断开关。然而，该新型的HEMT结构开关的绝缘栅极使驱动开关将其关断的栅极电流显著降低。下面将讨论该新型且新颖的HEMT结构开关的这些优点以及其他优点。
大多数已知的开关通过将多个串联的分立的HEMT/FET堆叠来实现较高的功率，因为每个器件不能处理大的电压。将多个HEMT堆叠使每个HEMT的尺寸增加。这是由于开关器件的尺寸非常大，该非常大的尺寸是为了减少开关的总插入损耗所需要的。例如，如果有N个HEMT的堆叠体，则每个HEMT将比获得相同的导通电阻的单个HEMT大N倍。这使开关的尺寸显著增加。
不堆叠多个器件在尺寸方面具有优势，但却需要较大的负偏压以防止开关在RF电压的正或负峰值期间接通。根据本公开内容的开关的栅极电压被偏置在高得多的负电压以保持HEMT器件断开。根据本公开内容的开关具有泄漏电流比已知开关更低的绝缘栅极，允许使用低电流负偏压发生器而无需任何外部电容器。
图3A是根据本公开内容的一个实施方案的具有一个栅极的GaN HEMT结构的横剖视图。图3A示出单栅极开关器件301，如所示，该单栅极开关器件被制造在GaN层308上并具有栅极302、漏极304和源极306。如所示，2DEG层310支撑绝缘阻挡层312，并且设置在阻挡层312的上面的是栅极介电层314。栅极302形成在栅极介电层314上。如所示，漏极304和源极306分别在栅极的两侧与栅极相邻。通过首先蚀刻掉介电层来形成漏极304和源极306触点。一旦电介质被蚀刻掉，就通过使用半导体工艺沉积触点金属来形成欧姆触点。可以通过蚀刻掉阻挡层或沉积金属穿过阻挡层形成触点。栅极介电层314从漏极304延伸到源极306。栅极介电层314设置在绝缘阻挡层312上。阻挡层312设置在二维电子气(2DEG)层310上。2DEG层310设置在氮化镓(以下称为“GaN”)层上。在某些实施方案中，GaN层308设置在电路支撑衬底层上，该电路支撑衬底层可以包括各种材料中的任一种，例如硅或碳化硅。还参照图7以及下面的相关讨论。
在GaN HEMT结构(未示出)的另一实施方案中，漏极304和源极306沉积在阻挡层312上。换言之，在这样的另一实施方案中，阻挡层312不被从漏极304与2DEG层310之间的区域移除，并且阻挡层312不被从源极306与2DEG层310之间的区域移除。在这样的另一实施方案中，阻挡层312在漏极304和源极306处变得导电。
器件应力可以通过使用多栅极GaN HEMT结构来缓解。在一个实施方案中，根据本公开内容的HEMT结构使用多栅极结构来改进技术品质因数(例如，当开关导通时的低插入损耗，当开关断开时的高隔离度以及在导通与断开之间的快速切换时间)、更小的尺寸和更高的电压处理。双栅极HEMT结构大体上类似于具有两个串联的HEMT器件而不具有共同的源极和漏极端子寄生。如图3B中所示，双栅极HEMT结构可以处理两倍于单栅极HEMT结构可处理的电压。图3B以示意图示出双栅极器件321。如所示，该器件结构包括设置在同一栅极介电层314上的两个栅极322、双栅极HEMT结构漏极324和双栅极HEMT结构源极326。栅极介电层314在漏极334与源极336之间延伸。
类似于图3A，在图3B中，栅极介电层314设置在绝缘阻挡层312上。阻挡层312设置在二维电子气(2DEG)层310上。2DEG层310设置在氮化镓(以下称为“GaN”)层308上。在某些实施方案中，GaN层308设置在电路支撑衬底层上，该电路支撑衬底层可以包括各种材料中的任一种，例如硅或碳化硅。
如图3C中所示，三栅极HEMT结构可以处理三倍于单栅极HEMT结构可处理的电压。图3C以示意图示出三栅极器件331。如所示，该器件结构包括设置在同一栅极介电层314上的三个栅极332、三栅极HEMT结构漏极334和三栅极HEMT结构源极336。栅极介电层314在漏极334与源极336之间延伸。
类似于图3A，在图3C中，栅极介电层314设置在绝缘阻挡层312上。阻挡层312设置在二维电子气(2DEG)层310上。2DEG层310设置在氮化镓(以下称为“GaN”)层308上。在某些实施方案中，GaN层308设置在电路支撑衬底层上，该电路支撑衬底层可以包括各种材料中的任一种，例如硅或碳化硅。
如图3D中所示，设计有两个双栅极HEMT器件的SP2T开关的实施例在每个栅极被偏置在-15V时可以处理例如高达70W的峰值功率。
图4是包括根据本公开内容的开关的、例如便携式无线电设备401中的电路的示意图。利用根据本公开内容的开关，所有GaN HEMT器件都是耗尽型器件并且当开关不被偏置时保持导通，这在公共节点处提供低阻抗以及与天线电路的显著阻抗失配。作为这一失配的结果，在公共节点处，反射功率404基本上是全部的入射功率输入402。这使RF开关中的功率耗散降低并且防止RF开关被损坏。
专业的移动无线电开关和军用无线电开关具有在开关电源断开时处理大功率的要求。这一要求来自以下事实：手持式无线电设备可能处于其中安装有较高功率的车载无线电设备的车辆中。在这种情况下，尽管手持式无线电设备的开关电源断开，当车载无线电设备正在进行发送时，手持式无线电设备还是可能暴露在大的RF功率下。
根据本公开内容的开关的GaN HEMT器件的尺寸设置成使得在公共节点处看到的总阻抗低。天线节点处开关的等效阻抗为(Rser+Rsh)/N。其中，N是开关中的掷数。利用根据本公开内容的开关，GaN HEMT器件是当不存在电源电压时保持导通的耗尽型器件。串联和分路HEMT的尺寸设置为使得低阻抗反射大部分的入射功率。这使根据本公开内容的开关中的功率耗散降低并且防止开关被损坏。
表1
Pin(dBm) P_refl(dBm)
27.05 26.98
29.03 28.99
31.04 30.9
33.02 32.92
35.02 34.87
36.98 36.82
表1示出当单刀四掷(SP4T)开关未被偏置时的入射功率和反射功率。表1中的数据表明，几乎所有的功率都有利地被反射回来。甚至当电源电压不存在时，根据本公开内容的开关仍可以处理10W的功率。
图5A是根据本公开内容的一个实施方案的具有双栅极的GaN HEMT结构的横剖视图。通常具有多个栅极的这种类型的结构在本文中也可以被称为单位HEMT单元。图5B是图5A中所示的GaN HEMT结构的俯视图。图5C是图5A和图5B中所示的GaN HEMT结构的示意图。
多栅极GaN HEMT结构具有到两个栅极之间的虚拟节点502的电接入，以使虚拟节点502偏置实现改善的线性性能。不具有被偏置的虚拟节点的多栅极HEMT器件使虚拟节点浮置于不同的电压。浮置电压取决于顶部器件和底部器件之间的寄生泄漏电流失配。寄生泄漏电流穿过寄生电阻器504、506。在另一实施方案(未示出)中，虚拟节点502不存在。如图5C中所示，寄生电阻器504、506在栅极输入端与虚拟节点502之间耦合信号，影响GaN开关器件的总体偏置。这种失配可以造成不对称分压，并且可以使HEMT器件的线性性能下降。通过使用两个栅极之间的指状部的一端处的触点来访问虚拟节点502。根据该实施例，使用与用于形成源极和漏极触点相同的半导体工艺步骤形成该触点。对于蛇形HEMT布局而言，类似于图6B中所示，所有指状部的虚拟节点通过未耗尽的2DEG层电连接。因为所有指状部的虚拟节点都是电连接的，所以仅需要用于多指HEMT器件的指状部之一的虚拟节点触点。可以访问虚拟节点在电气方面允许使用线性电阻器606和608将虚拟节点偏置到期望的电位。图6B示出具有被偏置用于双指器件的虚拟节点的双栅极结构的HEMT布局。相同的结构可以用于具有不止两个栅极的HEMT器件。例如，类似于图3C中所示器件的三栅极HEMT器件将具有两个虚拟节点，因此将包括两个虚拟节点触点。
图5D是示出图5A和图5B中所示的GaN HEMT结构的谐波失真性能的图。在虚拟节点502未被偏置的情况下，第一条形图508示出虚拟节点不被偏置的情况下的GaN HEMT器件的性能。条形图510示出虚拟节点502被偏置的情况下的GaN HEMT器件的性能。图5D示出当虚拟节点被偏置时三阶谐波性能的10-15dB的改善。应当注意的是，尽管各实施方案可以使用线性偏置电阻器(举例而言，比如图6C中所示的线性电阻器606和608)，但是在本公开内容的其他实施方案中不要求使用线性偏置电阻器。
图6A是根据本公开内容的一个实施方案的具有双栅极的单指GaNHEMT单元结构的实施例的俯视图，所述双栅极包括使用二维电子气(以下称为“2DEG”)层实现的高密度偏置电阻器。图6B是具有蛇形形式的多指双栅极GaN HEMT结构的俯视图。图6B示出对应于图6A中所示的单指GaN HEMT单元结构的替代GaN HEMT结构制造。利用根据本公开内容的开关，使用2DEG层实现高密度偏置电阻器，该2DEG层使得能够实现在开关的品质因数参数方面具有较低寄生电压并且具有较好性能的、用于开关设计的紧凑布局和单位HEMT单元。根据本公开内容的开关是利用更具有成本效益的方法制造的，因为所述开关不需要额外的掩模/层来构造电阻器。应当注意的是，各实施方案可以使用以不同方式连接的一个或多个2DEG电阻器。例如，可以以串联-串联、串联-并联等方式制造多个电阻器。2DEG电阻器的各种实现是可能的。
图6C是根据本公开内容的单位HEMT单元的示意图。图6C的示意图对应于图6A和图6B中所示的GaN HEMT结构。
如图6C中所示，每个HEMT单元栅极输入端610、614都连接到相应的栅极偏置电阻器602、604的一个触点。相应的栅极偏置电阻器602、604的另一个触点连接到单位HEMT单元中的GaN开关器件的相应栅极G1、G2。应当注意的是，栅极偏置电阻器602、604中的每个不一定是单个电阻器器件，而可以使用串联-串联、串联-并联等形式的电阻器器件的各种组合来实现。栅极输入端610、614可以电连接在一起并且由公共信号驱动，所述公共信号从而将栅极偏置电压驱动到单位HEMT单元中的各个GaN HEMT开关器件的各个栅极G1、G2中。
两个串联的漏极至源极线性偏置电阻器606、608为虚拟节点N提供偏压。第一漏极至源极线性偏置电阻器606电连接在第一GaN HEMT器件的漏极与源极之间。第二漏极至源极线性偏置电阻器608电连接在第二GaN HEMT器件的漏极和源极之间。应当注意的是，线性偏置电阻器606、608中的每一个不一定是单个电阻器器件，而可以使用串联-串联、串联-并联等形式的电阻器器件的各种组合来实现。如对应于图6A和6B中所示的结构的图6C中示意性示出的，第一和第二GaN HEMT器件彼此串联地电连接，使得第一GaN HEMT器件通过与第二GaN HEMT器件的漏极或源极之一共用第一GaN HEMT器件的漏极或源极之一而与第二GaNHEMT器件串联地电连接。为未耗尽的2DEG(当GaN HEMT器件处于断开状态时)的虚拟节点N通过与形成源极和漏极所使用的相同的触点而被偏置。该触点可以仅放置在如图6B中所示的多指器件的一个指状部的边缘处，以创建用于RF开关的完整的单位HEMT单元。根据一个示例实现，单位HEMT单元包含栅极偏置电阻器、漏极到虚拟节点线性电阻器以及源极到虚拟节点线性电阻器，而不需要额外的工艺步骤或掩模。对于任何RF开关设计而言为基本结构单元的该单位HEMT单元在图6A和6B中分别针对单指单位HEMT单元器件和双指单位HEMT单元器件被示出。该单位HEMT单元结构可以扩展到具有大于两个指状部的多个指状部的多指单位HEMT单元器件。对形成单位HEMT单元开关器件所需的层的再利用使得这一布局紧凑、尺寸更小并且更具成本效益。
在单位HEMT单元(未示出)的另一实施方案中，不存在连接到电阻器606、608的虚拟节点N。在这样的其他实施方案中，虚拟节点502(参见图5B)不存在。
还参见以上参照图3B关于双栅极单位HEMT单元的横剖视图的讨论。与图6A和图6B中的单位HEMT单元的顶视图中所示的半导体器件结构相比，图6A和图6B还示出了两个栅极G1和G2之间的虚拟节点N。还与图6C中示意性示出的电路进行比较，图6C包括了偏置电阻器602、604、606、608和虚拟节点N。
可以利用RF感测电路(图6C中未示出)来监测栅极输入之一处(例如，在栅极偏置电阻器602的栅极G1触点处)的节点612以提供RF检测信号，该RF检测信号指示对存在于第一GaN HEMT器件的漏极或源极中至少之一中的高功率RF信号的检测。这一信号还将指示对存在于包括第一GaN HEMT器件的单位HEMT单元的漏极或源极中至少之一中的高功率RF信号的检测。将参照图9更详细地讨论这一RF检测信号的使用的实施例。
图7是示出在硅衬底层706上面利用GaN层704制造的GaN HEMT器件702的一实施例的横剖视图。硅衬底层706还可以支持NMOS器件708和PMOS 710的制造，可以用来创建与GaNHEMT 702共用硅衬底的控制电路。GaN HEMT器件702以及控制器的NMOS器件708和PMOS器件710全都可以集成在同一管芯上。应该注意的是，本公开内容的各实施方案可以实现在与GaN HEMT器件702分开的管芯上制造的CMOS控制器。控制器和GaN HEMT器件702两者位于相同的衬底上不是必要的。在某些实施方案中，整个控制器和GaN HEM器件702集成在相同的衬底上。可选地，多个单位HEMT单元与整个控制器共用同一衬底。例如，参照图9，单位HEMT单元904和整个控制器902可以位于同一衬底上。
硅上GaN(GaN-on-silicon)技术允许GaN HEMT开关器件702和CMOS控制器器件708、710集成在相同的管芯上，从而使得总体解决方案非常小。GaN HEMT器件702生长在具有GaN层704的硅电路支撑衬底706上。因为GaN HEMT器件702生长在硅衬底706上，所以可以使用相同的硅衬底，通过蚀刻掉GaN层704并使用标准CMOS工艺生长NMOS和PMOS器件708、710来生长CMOS器件708、710。这允许RF GaN器件702与CMOS控制器器件708、710集成在一起，从而有利地消除双管芯总体解决方案。
图8是根据本公开内容的使用多个HEMT单元开关的单刀双掷(SP2T)RF开关的一实施例的示意图。根据各实施方案，图8示出RF信号多路复用器器件802的实施例。RF信号多路复用器器件802包括控制器804，多个输出驱动电路805、807以及多个HEMT单元器件810、814、818、820，以在公共RF端口822与第一RF端口812和第二RF端口816中之一之间选择性地耦合RF信号。
根据该实施例，控制器804包括输出驱动电路805、807，所述输出驱动电路可以由控制器804选择性地驱动，以在该实施例中控制如所示的成对HEMT单元开关810、814、818和820。控制器804还包括可被控制以向输出驱动电路805、807提供负电压的电荷泵808和负电压电平转换器(还参见图9和以下的相关讨论)。HEMT单元810、814、818、820中的每一个的栅极电阻器的输入端被连接在一起并且共同由输出驱动电路805、807之一驱动。
为了关断HEMT单元开关810、814、818、820，栅极输入端由输出驱动电路805、807之一以负电压驱动。如果栅极输入端不被以负电压驱动，则它们被以来自输出驱动电路805、807之一的零电压驱动。HEMT单元开关810、814、818、820将在各自的栅极输入端被以零电压驱动时接通。这允许HEMT单元开关810、814、818、820的漏极和源极之间的RF信号传输。
为了将RF端口1 812与公共RF端口C 822连接，输出驱动电路805将负电压信号驱动到一对HEMT单元810、820的栅极输入端中以将这对HEMT单元关断。同时，输出驱动电路807将零电压驱动到HEMT单元818、814的栅极输入端中，从而允许HEMT单元818、814接通。以这一方式，RF信号在RF端口1 812和公共RF端口C 822之间被耦合。根据各实施方案的HEMT单元818的设计被优化以降低源于HEMT单元818的漏极和源极之间的信号传输路径的信号插入损耗。
以负电压信号驱动HEMT单元820的栅极输入端(即，HEMT单元开关820被关断)，这在公共RF端口C 822处存在RF信号时隔离(阻断)RF信号阻止其耦合到RF端口2 816。根据各实施方案的阻断HEMT单元开关820的设计被优化，以在HEMT单元开关820关断时增强对HEMT单元820的漏极和源极之间的RF信号传输的隔离(阻断)。
还以来自输出驱动电路807的零电压驱动HEMT单元814的栅极输入端，因此HEMT单元开关814接通，从而创建到RF接地的短路(传输路径)，进一步减少在上述单位HEMT单元关断时通过该单位HEMT单元耦合的任何RF信号。这进一步改善了RF多路复用器开关802的隔离性能。
替代地，为了在公共RF端口C 822和RF端口2 816之间连接RF信号，控制器804控制输出驱动电路807以将负偏置电压信号输出到HEMT单元818、814的栅极输入端中。同时，控制器804控制输出驱动电路805以将零偏置电压信号输出到HEMT单元810、820的栅极输入端中。以这一方式，RF端口C 822处存在的RF信号经由HEMT单元开关820电耦合到RF端口2816。根据各实施方案，HEMT单元820的设计被优化以实现两个RF端口822、816和公共RF端口822之间的RF信号的低插入损耗传输。
以负偏置电压信号驱动HEMT单元814、818的栅极输入端以关断HEMT单元开关814、818。当在RF端口C 822处存在RF信号时，单位HEMT单元818在关断时隔离(阻断)RF信号阻止其在单位HEMT单元818的漏极和源极之间被耦合并由此到达RF端口1 812。另外，单位HEMT单元810接通，从而将RF端口1 812电耦合到RF接地基准。这一与RF接地的耦合进一步减少了在单位HEMT单元818关断时通过该单位HEMT单元耦合的任何RF信号。这进一步改善了RF多路复用器开关802的隔离性能。在本实施例中，RF信号多路复用器802在RF端口C 822和RF端口2 816之间的单位HEMT单元开关820中提供低插入损耗，并且同时在RF端口C 822和RF端口1 812之间的单位HEMT单元开关818中提供对RF信号传输的高隔离(阻断)。
在RF信号多路复用器器件802的其他实施方案(未示出)中，HEMT单元开关810、814、818和820不同地互连以增强隔离和降低插入损耗。
参照图9，控制器和驱动器电路902可以控制对被驱动到单位HEMT单元的GaN HEMT开关器件904的栅极输入端中的高电平负偏置电压信号或低电平负偏置电压信号之一的选择。GaN HEMT开关器件904的栅极输入端处的高电平负偏置电压信号还增强GaN HEMT开关器件904的漏极和源极之间的隔离。(也参见图6C和以上相关讨论)。然而，此高电平负偏置电压信号在驱动单位HEMT单元的GaN HEMT开关器件904的栅极输入端时也消耗较大量的电流消耗。
另一方面，在GaN HEMT开关器件904的栅极处被驱动的低电平负偏置电压信号在使GaN HEMT开关器件904关断的同时，减弱了GaN HEMT开关器件904的漏极和源极之间的隔离。同时，低电平负偏置电压信号减少了驱动GaN HEMT开关器件904的栅极的电流消耗的量。通过选择将高电平负偏置电压信号或低电平负偏置电压信号之一驱动到GaN HEMT开关器件904的栅极输入端中，具体的实现可以在以下两者之间权衡：开关904中的较高隔离度加上驱动GaN HEMT开关器件904的栅极时较高的电流消耗，以及较低隔离度加上驱动GaNHEMT开关器件904时较低的电流消耗。可能希望较高隔离度以关断具有高功率RF信号的GaNHEMT开关器件904，所述高功率RF信号存在于包括GaN HEMT开关器件904的单位HEMT单元的漏极或源极之一上。
例如，当在包括GaN HEMT开关器件904的单位HEMT单元的漏极或源极之一中存在高功率RF信号时，可能期望增加对该高功率RF信号的隔离以阻止其在包括GaN HEMT开关器件904的单位HEMT单元的漏极和源极之间通过。可以利用高电平负偏置电压信号来驱动GaNHEMT开关器件904的栅极以增加隔离度。这一较高隔离度是以驱动GaN HEMT开关器件904的栅极的较高电流消耗为交换来获得的。
当在包括GaN HEMT开关器件904的单位HEMT单元的漏极或源极之一中检测到低功率(弱)RF信号或没有检测到RF信号时，可能期望减少驱动GaN开关器件904的栅极方面的电流消耗同时保持单位HEMT单元的漏极和源极之间的较低但仍可接受的隔离度。在这种情况下，控制器和驱动器电路902可以利用低电平负偏置电压信号驱动GaN HEMT开关器件904的栅极，从而导致较低的电流消耗，同时容许包括GaN HEMT开关器件904的单位HEMT单元的漏极和源极之间对RF信号的较低隔离。
如图9的实施例中所示，控制器和驱动器电路902可以驱动至GaNHEMT开关器件904的栅极输入，根据各实施方案该GaN HEMT开关器件可以包括一个或多个单位HEMT单元。在一个示例实现中，可控电荷泵910将电压提供到可控负电压电平转换器912，然后该可控负电压电平转换器可以驱动带栅极控制信号的输出906、908。这些输出906、908将栅极控制信号驱动到一个或多个单位HEMT单元的栅极输入端中，从而将栅极控制信号驱动到一个或多个单位HEMT单元的GaN HEMT开关器件904的栅极中。在这一实施例中，GaN HEMT开关器件904的每一个栅极都电耦合到栅极偏置电阻器的一个触点，而栅极偏置电阻器的另一触点耦合到包括GaN HEMT开关器件904的单位HEMT单元的栅极输入端。来自负电压电平转换器912的输出906、908提供对栅极控制信号的驱动将其驱动到单位HEMT单元的一个或多个GaN开关器件904的栅极中。
根据第一示例实施方案，控制器将模式选择逻辑信号914(例如，被驱动为“1”或“0”值)驱动到电荷泵910的输入端916中并且驱动到负电压电平转换器912的输入端918中。以这一方式，控制器控制电荷泵910和负电压电平转换器912中的每个选择在输出线路906、908处驱动高电平负偏置电压信号或低电平负偏置电压信号之一。
回顾上面的讨论，被驱动到GaN HEMT开关器件904的栅极输入端中的高电平负偏置电压信号可以使GaN HEMT开关器件904的漏极和源极之间的隔离增加。然而，这在驱动GaN HEMT开关器件904的栅极方面也消耗较大量的电流消耗。另一方面，被驱动到GaN HEMT开关器件904的栅极输入端中的低电平负偏置电压信号使GaN HEMT开关器件904的漏极和源极之间的隔离减弱，而同时减小驱动GaN HEMT开关器件904的栅极方面的电流消耗的量。
根据第二示例实施方案，控制器将从例如GaN HEMT开关器件904中的一个中的RF感测电路922接收的反馈信号920耦合到电荷泵910的输入端916以及负电压电平转换器912的输入端918中。以这一方式，控制器可以控制对在输出端906、908处被从负电压电平转换器912驱动的高电平负偏置电压信号或低电平负偏置电压信号之一的选择。
根据一个实施例，这一反馈信号920是使用耦合到单位HEMT单元中的GaN HEMT开关器件904之一的栅极偏置电阻器的栅极触点926的RF感测电路922生成的。也参见图6C中所示的栅极偏置电阻器602和节点612以及上面的相关讨论。
在这一实施例中，单位HEMT单元的栅极输入端电耦合到栅极偏置电阻器的一个触点。栅极偏置电阻器的另一个触点连接到GaN HEMT开关器件904中的一个的栅极。单位HEMT单元的栅极输入端连接到驱动输出线路906，该驱动输出线路经由栅极偏置电阻器将负偏置电压信号驱动到GaN HEMT开关器件904中的一个的栅极中。类似地，如图9的实施例中所示，单位HEMT单元的栅极输入端连接到驱动输出线路908，该驱动输出线路经由栅极偏置电阻器将负偏置电压信号驱动到GaN HEMT开关器件904中的另一个的栅极中。
可以检测到RF信号存在于GaN HEMT开关器件904中的一个的栅极处以及栅极偏置电阻器的栅极触点926处，比如由于高功率RF信号存在于GaN HEMT开关器件904的漏极或漏极中的至少一个中。还参见图3A、3B和3C中的RF信号Vrf。RF感测电路922感测在栅极偏置电阻器的栅极触点926处高功率RF信号的存在，并且生成输出RF检测信号920——例如，逻辑输出驱动信号920(例如，被驱动为“1”或“0”值)，该输出RF检测信号指示对存在于GaN HEMT开关器件904的漏极或源极中的至少一个中的高功率RF信号的检测。
这一RF检测信号是反馈信号920，控制器将该反馈信号耦合到电荷泵910的输入端916和负电压电平转换器912的输入端918中。这一反馈信号920控制对在负电压电平转换器912的驱动输出端906、908处被驱动的高电平负偏置电压信号或低电平负偏置电压信号之一的选择。
根据第三示例实施方案，节点924包括“与”(AND)逻辑电路，以将“与”逻辑功能应用于两个输入信号，即模式输入信号914和反馈信号920。节点924处的“与”逻辑电路输出可以驱动电荷泵910的输入端916和负电压电平转换器912的输入端918。“与”逻辑电路将基于模式信号914和反馈信号920的逻辑“与”功能组合来确定其输出。在这一实施例中，为了将“与”逻辑电路的输出端驱动到第一逻辑电平(例如，逻辑“1”)，模式信号914和反馈信号920中的每个都被驱动为例如被输入到“与”逻辑电路924中的逻辑“1”。如果模式信号914或反馈信号920被驱动为被输入到“与”逻辑电路924中的逻辑“0”，则“与”逻辑电路924的输出将被驱动到第二逻辑电平(例如，逻辑“0”)。
以这一方式，例如，只有当模式信号914和反馈信号920两者都是逻辑“1”时，高电平负偏置电压信号输出才会在906、908处被驱动。也就是说，例如，只有当控制器的反馈输入端920处的RF检测信号指示检测到高功率RF信号存在于相应的单位HEMT单元的GaN HEMT器件904的漏极或源极中的至少一个中时，控制器才会控制至少一个可控电荷泵以在输出端906、908处选择性地生成高电平负偏置电压信号，从而增加相应的单位HEMT单元的漏极和源极之间的RF信号隔离。
基于本公开内容，对是在906、908处驱动高电平负电压信号输出还是低电平负电压信号输出进行控制的其他实现是可能的。例如，代替“与”逻辑电路和功能，可以使用替代的“或”(OR)逻辑电路和功能来控制可控电荷泵910和负电压电平转换器912。
尽管已经公开了本公开内容的具体实施方案，但是本领域普通技术人员将理解，在不脱离本公开内容的精神和范围的情况下可以对具体实施方案作出改变。因此，本公开内容的范围不限于具体实施方案，并且意在所附权利要求涵盖处于本公开内容的范围内的任何及所有这样的应用、修改和实施方案。
应当注意的是，本公开内容的一些特性可能在不使用本公开内容的其他特征的情况下用于本公开内容的一个实施方案中。因此，前面的描述应当被认为仅仅是对本公开内容的原理、教导、实施例和示例性实施方案的说明，而不是对其的限制。
此外，这些实施方案仅是本文中的创新教导的许多有利用途的示例。总体而言，在本申请的说明书中所作的陈述不一定限制多方面要求保护的公开内容中的任何内容。另外，一些陈述可能适用于一些创造性特征，而不适用于另一些创造性特征。

Claims (12)

1.一种RF开关，其包括：
至少一个单位HEMT单元的组，所述组中的每个单位HEMT单元都包括：
氮化镓(GaN)层；
二维电子气(2DEG)层，其设置在所述GaN层上；
栅极介电层，其设置在所述2DEG层上；
多个GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)器件，所述多个GaN HEMT器件设置在所述GaN层上并且包括所述GaN层，每个GaN HEMT器件均包括设置在所述栅极介电层上的栅极、以及邻近所述栅极的一侧的漏极和邻近所述栅极的相对侧的源极，所述多个GaN HEMT器件彼此串联地电连接，使得第一GaN HEMT器件通过与第二GaN HEMT器件的漏极或源极之一共用所述第一GaN HEMT器件的漏极或源极之一而与所述第二GaN HEMT器件串联地电连接，并且所述第一GaN HEMT器件的栅极和所述第二GaN HEMT器件的栅极设置在同一栅极介电层上；
HEMT单元漏极、HEMT单元源极和HEMT单元栅极；
所述HEMT单元栅极电连接到第一2DEG栅极偏置电阻器的一个触点，并且所述第一2DEG栅极偏置电阻器的另一个触点电连接到所述第一GaN HEMT器件的栅极；
所述HEMT单元栅极电连接到第二2DEG栅极偏置电阻器的一个触点，并且所述第二2DEG栅极偏置电阻器的另一个触点电连接到所述第二GaN HEMT器件的栅极；
所述第一GaN HEMT器件的漏极电连接到第一2DEG线性电阻器的一个触点，并且所述第一GaN HEMT器件的源极电连接到所述第一2DEG线性电阻器的另一个触点；
所述第二GaN HEMT器件的漏极电连接到第二2DEG线性电阻器的一个触点，并且所述第二GaN HEMT器件的源极电连接到所述第二2DEG线性电阻器的另一个触点；
所述HEMT单元漏极电连接到彼此串联地电连接的所述多个GaN HEMT器件中的第一个GaN HEMT器件的剩余的未共用的漏极或源极；
所述HEMT单元源极电连接到彼此串联地电连接的所述多个GaN HEMT器件中的最后一个GaN HEMT器件的剩余的未共用的漏极或源极；和
所述第一2DEG栅极偏置电阻器、所述第二2DEG栅极偏置电阻器、所述第一2DEG线性电阻器和所述第二2DEG线性电阻器共同地设置在所述2DEG层中；
至少第一RF端口和第二RF端口；
所述至少一个单位HEMT单元的组中的第一单位HEMT单元，所述第一单位HEMT单元的漏极或源极之一电连接到所述第一RF端口，并且所述第一单位HEMT单元的漏极或源极中的另一个电连接到所述第二RF端口；和
控制器，其具有至少第一输出信号驱动电路，所述第一输出信号驱动电路的输出端电耦合到所述第一单位HEMT单元的栅极，所述控制器被配置为用于将来自所述第一输出信号驱动电路的输出端的第一栅极控制信号选择性地输出到所述第一单位HEMT单元的栅极中，所述第一栅极控制信号相对于第一RF基准电压具有负电压和零电压之一，用于选择性地单独地接通或关断所述第一单位HEMT单元，所述第一栅极控制信号的负电压使所述第一单位HEMT单元关断，并且所述第一栅极控制信号的零电压使所述第一单位HEMT单元接通，
其中，所述RF开关包括多掷RF开关，并且所述多掷RF开关包括：
所述至少一个单位HEMT单元的组，所述至少一个单位HEMT单元的组是至少四个单位HEMT单元的组；
所述至少第一RF端口和第二RF端口，所述至少第一RF端口和第二RF端口包括第三RF端口；
所述至少四个单位HEMT单元的组中的第二单位HEMT单元，所述第二单位HEMT单元的漏极或源极之一电连接到所述第一RF端口，并且所述第二单位HEMT单元的漏极或源极中的另一个电连接到所述第一RF基准电压；
所述组中的第三单位HEMT单元，所述第三单位HEMT单元的漏极或源极之一电连接到所述第三RF端口，并且所述第三单位HEMT单元的漏极或源极中的另一个电连接到第二RF基准电压；
所述组中的第四单位HEMT单元，所述第四单位HEMT单元的漏极或源极之一电连接到所述第二RF端口，并且所述第四单位HEMT单元的漏极或源极中的另一个电连接到所述第三RF端口；和
所述控制器，其具有第一输出信号驱动电路和第二输出信号驱动电路，所述第一输出信号驱动电路的输出端电耦合到所述第一单位HEMT单元的栅极和所述第三单位HEMT单元的栅极，所述第二输出信号驱动电路的输出端电耦合到所述第二单位HEMT单元的栅极和所述第四单位HEMT单元的栅极，
所述控制器被配置为用于将来自所述第一输出信号驱动电路的输出端的第一栅极控制信号选择性地输出到所述第一单位HEMT单元的栅极和所述第三单位HEMT单元的栅极中，并且所述控制器被配置为用于将来自所述第二输出信号驱动电路的输出端的第二栅极控制信号选择性地输出到所述第二单位HEMT单元的栅极和所述第四单位HEMT单元的栅极中，
所述第一栅极控制信号相对于所述第一RF基准电压具有负电压和零电压之一，用于选择性地单独地接通或关断所述第一单位HEMT单元和所述第三单位HEMT单元中的每个，所述第一栅极控制信号的负电压使所述第一单位HEMT单元和所述第三单位HEMT单元中的每个关断，并且所述第一栅极控制信号的零电压使所述第一单位HEMT单元和所述第三单位HEMT单元接通，和
所述第二栅极控制信号相对于所述第二RF基准电压具有负电压和零电压之一，用于选择性地单独地接通或关断所述第二单位HEMT单元和所述第四单位HEMT单元中的每个，所述第二栅极控制信号的负电压使所述第二单位HEMT单元和所述第四单位HEMT单元中的每个关断，并且所述第二栅极控制信号的零电压使所述第二单位HEMT单元和所述第四单位HEMT单元接通，
其中，所述第一栅极控制信号和所述第二栅极控制信号中的一个具有负电压和零电压中的一个，而所述第一栅极控制信号和所述第二栅极控制信号中的另一个具有负电压和零电压中的另一个。
2.根据权利要求1所述的RF开关，其中，所述多掷RF开关是单刀双掷(SP2T)开关。
3.根据权利要求1所述的RF开关，其中，所述至少四个单位HEMT单元的组和所述控制器处于一个微电子封装中。
4.根据权利要求3所述的RF开关，其中，所述至少四个单位HEMT单元的组和所述控制器被制造在一个电路支撑衬底上。
5.根据权利要求4所述的RF开关，其中，所述至少四个单位HEMT单元的组和所述控制器被制造在一个硅电路支撑衬底上。
6.根据权利要求1所述的RF开关，还包括：
至少一个可控电荷泵，其耦合到所述第一输出信号驱动电路和所述第二输出信号驱动电路中的至少一个，以生成所述第一栅极控制信号和所述第二栅极控制信号中的相应至少一个，所述可控电荷泵由所述控制器控制以将所述第一栅极控制信号和所述第二栅极控制信号中的所述相应至少一个的负电压选择性地生成为高电平负电压或低电平负电压之一。
7.根据权利要求6所述的RF开关，其中，所述控制器被配置为控制所述至少一个可控电荷泵以选择性地生成所述第一栅极控制信号的高电平负电压，从而在所述第一单位HEMT单元和所述第三单位HEMT单元两者均关断时使所述第一单位HEMT单元的漏极与源极之间的以及所述第三单位HEMT单元的漏极与源极之间的RF信号隔离增加。
8.根据权利要求6所述的RF开关，其中，所述控制器被配置为控制所述至少一个可控电荷泵以选择性地生成所述第一栅极控制信号的低电平负电压，从而在所述第一单位HEMT单元和所述第三单位HEMT单元两者均关断时使被从所述第一输出信号驱动电路的输出端输出到所述第一单位HEMT单元的栅极和所述第三单位HEMT单元的栅极中的所述第一栅极控制信号的电流消耗减小。
9.根据权利要求6所述的RF开关，其中，所述控制器被配置为控制所述至少一个可控电荷泵以：
生成所述第一栅极控制信号的高电平负电压，从而在所述第一单位HEMT单元和所述第三单位HEMT单元两者均关断时使所述第一单位HEMT单元的漏极和源极之间的以及所述第三单位HEMT单元的漏极和源极之间的RF信号隔离增加，和
同时生成所述第二栅极控制信号的零电压，从而使所述第二单位HEMT单元和所述第四单位HEMT单元接通。
10.根据权利要求9所述的RF开关，其中，所述第一单位HEMT单元包括RF感测电路，所述RF感测电路具有RF感测输入端和RF存在检测输出端，所述RF感测输入端电连接到所述第一单位HEMT单元的第一GaN HEMT器件的栅极，所述RF存在检测输出端电耦合到所述控制器的反馈输入端，所述RF感测电路于在所述RF感测输入端处对所述第一GaN HEMT器件的栅极处存在高功率RF信号进行感测的同时，在所述RF存在检测输出端处输出RF检测信号，所述RF检测信号指示对存在于所述第一GaN HEMT器件的漏极或源极之一中的高功率RF信号的检测；和
其中，所述控制器被配置为在所述第一单位HEMT单元和所述第三单位HEMT单元两者均关断并且所述控制器的反馈输入端处的RF检测信号指示检测到存在于所述第一单位HEMT单元的所述第一GaN HEMT器件的漏极或源极中的至少一个中的高功率RF信号时，控制所述至少一个可控电荷泵以选择性地生成所述第一栅极控制信号的高电平负电压，从而使所述第一单位HEMT单元的漏极与源极之间的以及第三单位HEMT单元的漏极与源极之间的RF信号隔离增加。
11.根据权利要求10所述的RF开关，其中，所述控制器被配置为在所述第一单位HEMT单元和所述第三单位HEMT单元两者均关断并且所述控制器的反馈输入端处的RF检测信号指示没有检测到存在于所述第一单位HEMT单元的所述第一GaN HEMT器件的漏极或源极中的至少一个中的高功率RF信号时，控制所述可控电荷泵以选择性地生成所述第一栅极控制信号的低电平负电压，从而使驱动所述第一单位HEMT单元和所述第三单位HEMT单元的电流消耗减小。
12.根据权利要求6所述的RF开关，其中，所述第一RF端口是RF发射器端口，所述第二RF端口是RF天线端口，并且所述第三RF端口是RF接收器端口。
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