CN109855728A - 全周期检波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全周期检波器，涉及检波管技术领域。所述检波器包括检波管和检波天线结构，所述检波管包括两个检波肖特基二极管，其中的一个所述检波肖特基二极管的阳极与另一个所述检波肖特基二极管的阴极连接，两个所述肖特基二极管的结点为所述检波管的一个接线端，两个所述肖特基二极管的自由端为所述检波管的另外两个接线端；通过天线PAD分别相应的接线端进行焊接，将所述检波管倒装到所述天线结构上。所述检波器可以检测整个时间周期内的正弦模拟信号和余弦模拟信号，实现对毫米波和太赫兹波信号的整周期内的功率检测。

Description

全周期检波器

技术领域

本发明涉及检波管技术领域，尤其涉及一种全周期检波器。

背景技术

毫米波是指频率处于26.5GHz-300GHz的一段电磁波，太赫兹（THz）波是指频率在0.3-3THz范围内的电磁波，广义的太赫兹波频率是指100GHz到10THz，其中 1THz=1000GHz。毫米波和太赫兹波在高速无线通信，雷达，人体安全检测等领域具有广阔的应用前景，要实现毫米波和太赫兹频段信号的发射和接收，离不开各种毫米波和太赫兹接收器件，在接收电路中有基于混频肖特基二极管来制作的混频器，混频器一般需要本振功率来驱动，将混频二极管打开，才能对高频毫米波和太赫兹信号进行探测。除了混频器以外，还有一种接收器件是基于检波器来对高频毫米波和太赫兹波直接进行功率检测，该检测方式主要是毫米波和太赫兹波照射到检波器件上时，功率信号在器件上引起电压变化，通过检测电压来检测毫米波和太赫兹的功率，实现对毫米波和太赫兹的探测，该种检测方式只能检测毫米波和太赫兹的功率，而不能检测相位信息，但是由于基于检波芯片的检波器不需要提供本振电路，其相较于需要本振信号驱动的混频器而言，更加简单方便，可以满足很多需求，例如毫米波及太赫兹通信，成像等应用。目前常用的检波管是基于砷化镓GaAs材料体系的肖特基二极管，一般是单管配置结构，即只有一个肖特基结，这种形式的肖特基二极管只能将一个周期内的正弦或者余弦信号的一半检测出来，而不能检测另一半的功率信号。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是如何提供一种可以检测整个时间周期内的正弦模拟信号和余弦模拟信号，实现对毫米波和太赫兹波信号的整周期内的功率检测的全周期检波器。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种全周期检波器，其特征在于：包括检波管和检波天线结构，所述检波管包括两个检波肖特基二极管，其中的一个所述检波肖特基二极管的阳极与另一个所述检波肖特基二极管的阴极连接，两个所述肖特基二极管的结点为所述检波管的一个接线端，两个所述肖特基二极管的自由端为所述检波管的另外两个接线端；所述检波天线结构包括天线基板，所述天线基板上设置有与所述检波管上的接线端相对应的三个天线PAD，位于前侧的天线PAD与连接两个所述检波肖特基二极管的公共接线端进行焊接，位于后侧的两个天线PAD分别与连接两个所述检波肖特基二极管的自由端的接线端进行焊接，将所述检波管倒装到所述天线结构上。

进一步的技术方案在于：所述检波管包括位于衬底上的第一金属电极组件、第二金属电极组件和第三金属电极组件，所述第一金属电极组件为两个所述肖特基二极管的结点，所述第二金属电极组件和第三金属电极组件分别为所述检波管的其余两个接线端，第二金属电极组件与第三金属电极组件之间通过隔离槽进行隔离，第一金属电极组件与第二金属电极组件以及第三金属电极组件之间分别通过空气桥进行连接。

进一步的技术方案在于：位于前侧的天线PAD通过金丝跳线与位于天线基板前侧的连接电极连接，位于后的两个天线PAD之间具有间隙，所述间隙与所述检波管上的隔离槽相适配，位于后侧的一个所述天线PAD通过金丝跳线与位于天线基板后侧的连接电极连接，位于后侧且不具有金丝跳线的天线PAD以及两个所述连接电极分别与一条电极引线连接。

进一步的技术方案在于：所述第一金属电极组件、第二金属电极组件以及第三金属电极组件包括从下到上设置的重掺杂 GaAs 层、低掺杂InGaAs层、第一二氧化硅层和金属电极层，金属电极层上表面的高度大于第一二氧化硅层上表面的高度， 第一肖特基接触金属层分别内嵌于所述第一金属电极组件以及第三金属电极组件的二氧化硅层内，且第一肖特基接触金属层与低掺杂InGaAs层相接触，所述第二金属电极组件上的金属电极层与所述第一金属电极组件上的第一肖特基接触金属层之间通过空气桥进行连接，所述第一金属电极组件上的金属电极层与所述第三金属电极组件上的第一肖特基接触金属层之间通过空气桥进行连接。

进一步的技术方案在于：所述第一金属电极组件、第二金属电极组件和第三金属电极组件中重掺杂 GaAs 层的四周设置有钝化层，所述钝化层的高度低于所述重掺杂GaAs 层的高度。

进一步的技术方案在于：所述金属电极层包括位于下层的欧姆接触层和位于上层的金属加厚层。

进一步的技术方案在于：所述衬底为半绝缘层GaAs衬底。

进一步的技术方案在于：所述重掺杂 GaAs 层的厚度为2微米，掺杂浓度为5e18cm^-3。

进一步的技术方案在于：所述低掺杂InGaAs层厚度为100nm，掺杂浓度为5e17cm^-3。

进一步的技术方案在于：所述第一肖特基接触金属层采用钛/铂/金合金体系制作；欧姆接触层采用钛/金/锗/镍/金系统的合金制作。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：该检波器采用新型检波管，两个检波肖特基二极管构成反向并联结构，可以检测整个时间周期内的正弦模拟信号和余弦模拟信号，实现对微波、毫米波和太赫兹波信号的整周期内的功率检测。由于该检波芯片在整个信号周期内都有响应，即会产生正反两个方向都有电流，也就产生两个电压信号，通过采用射频通而直流断的天线封装电路，可以将检波芯片的电压进行检测出来，通过将天线和软基板相连接，并将天线和软基板制作在黄铜镀金的腔体上，则制作出了可以工作在微波、毫米波及太赫兹频段的新型检波器。本发明所述全周期检波器具有以下优点：无需偏置，零偏置工作，采用中频SMA头输出电压信号，可以检测X波段到1000GHz频率范围内的毫米波和太赫兹波的功率；较采用单个肖特基结检波二极管的检波器相比，其检测灵敏度是上述检波器的两倍；输入端可采用硅透镜或者波导直接耦合，根据不同的频段采用不同的输入方式；检测灵敏度高，可以达到2000V/W以上；装配工艺简单。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明实施例中所述检波管的结构示意图；

图2是本发明实施例所述检波管的简单电路图；

图3是本发明实施例所述检波管的部分剖视结构示意图

图4是本发明实施例所述天线结构的示意图；

图5是本发明实施例所述检波器的结构示意图；

图6是本发明实施例所述检波器的结构示意图（具有引线）；

其中：1、检波肖特基二极管；2、衬底；3、第一金属电极组件；4、第二金属电极组件；5、第三金属电极组件；6、隔离槽；7、空气桥；8、重掺杂 GaAs 层；9、低掺杂InGaAs层；10、第一二氧化硅层；11、金属电极层；12、第一肖特基接触金属层；13、钝化层；14、欧姆接触层；15、金属加厚层；16、检波管；17、检波天线结构；18、天线基板；19、天线PAD；20、金丝跳线；21、连接电极；22、电极引线。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1、图2和图5所示，本发明实施例公开了一种全周期检波器，包括检波管16和检波天线结构17。所述检波管16包括两个检波肖特基二极管1，其中的一个所述检波肖特基二极管1的阳极与另一个所述检波肖特基二极管1的阴极连接，两个所述肖特基二极管的结点为所述检波管16的一个接线端，两个所述肖特基二极管的自由端为所述检波管16的另外两个接线端；如图4所示，所述检波天线结构17包括天线基板18，所述天线基板18上设置有与所述检波管16上的接线端相对应的三个天线PAD19，位于前侧的天线PAD19与连接两个所述检波肖特基二极管的公共接线端进行焊接，位于后侧的两个天线PAD19分别与连接两个所述检波肖特基二极管的自由端的接线端进行焊接，将所述检波管16倒装到所述天线结构上。

该检波器采用新型检波管，两个检波肖特基二极管构成反向并联结构，可以检测整个时间周期内的正弦模拟信号和余弦模拟信号，实现对微波、毫米波和太赫兹波信号的整周期内的功率检测。由于该检波芯片在整个信号周期内都有响应，即会产生正反两个方向都有电流，也就产生两个电压信号，通过采用射频通而直流断的天线封装电路，可以将检波芯片的电压进行检测出来，通过将天线和软基板相连接，并将天线和软基板制作在黄铜镀金的腔体上，则制作出了可以工作在微波、毫米波及太赫兹频段的新型检波器。

如图1所示，所述检波管包括位于衬底2上的第一金属电极组件3、第二金属电极组件4和第三金属电极组件5。所述第一金属电极组件3为两个所述肖特基二极管的结点，所述第二金属电极组件4和第三金属电极组件5分别为所述检波管的其余两个接线端，第二金属电极组件4与第三金属电极组件5之间通过隔离槽6进行隔离，第一金属电极组件3与第二金属电极组件4以及第三金属电极组件5之间分别通过空气桥7进行连接。

所述检波管采用两个检波肖特基二极管构成反向并联结构，其简单的等效电路如图2所示，可以检测整个时间周期内的正弦模拟信号和余弦模拟信号，实现对毫米波和太赫兹波信号的整周期内的功率检测。为了能使检波管可以工作在100GHz以上，要求肖特基二极管的阳极在微米量级，为了能工作到最高1000GHz，二极管的阳极需要在亚微米量级，因此该实施例中，所述检波管中肖特基二极管的阳极大小为1微米。

如图5和图6所示，位于前侧的天线PAD19通过金丝跳线20与位于天线基板18前侧的连接电极21连接，位于后的两个天线PAD19之间具有间隙，所述间隙与所述检波管16上的隔离槽6相适配，位于后侧的一个所述天线PAD19通过金丝跳线20与位于天线基板18后侧的连接电极连接，位于后侧且不具有金丝跳线的天线PAD19以及两个所述连接电极21分别与一条电极引线22连接。

检波芯片采用倒装焊接的方式焊接在天线结构上，如附图5-图6所示，可以看到天线PAD分成上下两部分，上部分天线PAD又被分成左右两部分，左右部分天线PAD需小于1个微米，左右两端在直流上为断开状态，而射频可以通过电磁耦合，在射频上为通的状态。

检波器输出电压由两部分构成，如附图6所示，天线PAD的电压通过金丝跳线从天线PAD引入到天线基板上，比如罗杰斯5880软基板，Vout=V1＋V2，其中V1为一个信号周期上半周期的信号输出电压，而V2为一个信号周期下半周期的信号输出电压。通过一个简单的差分电路，就可以得到Vout电压，Vout输出端采用标准的SMA接头进行输出。

进一步的，如图3所示，所述第一金属电极组件3、第二金属电极组件4以及第三金属电极组件5包括从下到上设置的重掺杂 GaAs 层8、低掺杂InGaAs层9、第一二氧化硅层10和金属电极层11。金属电极层11上表面的高度大于第一二氧化硅层10上表面的高度， 第一肖特基接触金属层12分别内嵌于所述第一金属电极组件3以及第三金属电极组件5的第一二氧化硅层10内，且第一肖特基接触金属层12与低掺杂InGaAs层9相接触；所述第二金属电极组件4上的金属电极层11与所述第一金属电极组件3上的第一肖特基接触金属层12之间通过空气桥7进行连接，所述第一金属电极组件3上的金属电极层11与所述第三金属电极组件5上的第一肖特基接触金属层12之间通过空气桥7进行连接。

进一步的，如图3所示，所述第一金属电极组件3、第二金属电极组件4和第三金属电极组件5中重掺杂 GaAs 层8的四周设置有钝化层13，所述钝化层13的高度低于所述重掺杂 GaAs 层8的高度。所述金属电极层11包括位于下层的欧姆接触层 15和位于上层的金属加厚层15。

优选的，所述衬底1为半绝缘层GaAs衬底。所述重掺杂 GaAs 层8的厚度为2微米，掺杂浓度为5e18cm^-3。所述低掺杂InGaAs层9的厚度为100nm，掺杂浓度为5e17cm^-3。所述第一肖特基接触金属层12采用钛/铂/金合金体系制作；欧姆接触层14采用钛/金/锗/镍/金系统的合金制作。

所述检波管的工艺加工过程较为简单，通过制作阴极欧姆接触和阳极的肖特基接触，并在阴极欧姆接触电极和阳极肖特基接触之间通过架设空气桥来实现电连接，同时在两个阴极欧姆接触电极上通过挖隔离槽进行隔离。待肖特基二极管的正面制作完毕后，将整个晶圆粘贴在蓝宝石或者其他衬底上，将整个晶圆进行减薄，由于该新型检波二极管要工作到1000GHz，需要将背面减薄到20微米。这样才能降低寄生参量，使器件可以在目标频率下，良好的工作。待芯片减薄到目标厚度后，将整个晶圆粘贴在蓝膜上，采用砂轮切割机将整个晶圆进行切割分片，就获得了新型零偏置检波肖特基二极管。

所述检波管具有以下优点：结构为射频并联，而直流串联，工艺简单；可以检测X波段到1000GHz频率范围内的毫米波和太赫兹波的功率；较单个肖特基结的检波二极管相比，其检测灵敏度是单个肖特基结的两倍；开启电压低，约为50mV，无需偏置电压就可工作；检测灵敏度高，可以达到2000V/W以上；可大规模生产，一致性好，成本低。

Claims (10)

1.一种全周期检波器，其特征在于：包括检波管（16）和检波天线结构（17），所述检波管（16）包括两个检波肖特基二极管（1），其中的一个所述检波肖特基二极管（1）的阳极与另一个所述检波肖特基二极管（1）的阴极连接，两个所述肖特基二极管的结点为所述检波管（16）的一个接线端，两个所述肖特基二极管的自由端为所述检波管（16）的另外两个接线端；所述检波天线结构（17）包括天线基板（18），所述天线基板（18）上设置有与所述检波管（16）上的接线端相对应的三个天线PAD（19），位于前侧的天线PAD（19）与连接两个所述检波肖特基二极管的公共接线端进行焊接，位于后侧的两个天线PAD（19）分别与连接两个所述检波肖特基二极管的自由端的接线端进行焊接，将所述检波管（16）倒装到所述天线结构上。

2.如权利要求1所述的全周期检波器，其特征在于：所述检波管包括位于衬底（2）上的第一金属电极组件（3）、第二金属电极组件（4）和第三金属电极组件（5），所述第一金属电极组件（3）为两个所述肖特基二极管的结点，所述第二金属电极组件（4）和第三金属电极组件（5）分别为所述检波管的其余两个接线端，第二金属电极组件（4）与第三金属电极组件（5）之间通过隔离槽（6）进行隔离，第一金属电极组件（3）与第二金属电极组件（4）以及第三金属电极组件（5）之间分别通过空气桥（7）进行连接。

3.如权利要求2所述的全周期检波器，其特征在于：位于前侧的天线PAD（19）通过金丝跳线（20）与位于天线基板（18）前侧的连接电极（21）连接，位于后的两个天线PAD（19）之间具有间隙，所述间隙与所述检波管（16）上的隔离槽（6）相适配，位于后侧的一个所述天线PAD（19）通过金丝跳线（20）与位于天线基板（18）后侧的连接电极连接，位于后侧且不具有金丝跳线的天线PAD（19）以及两个所述连接电极（21）分别与一条电极引线（22）连接。

4.如权利要求2所述的全周期检波器，其特征在于：所述第一金属电极组件（3）、第二金属电极组件（4）以及第三金属电极组件（5）包括从下到上设置的重掺杂 GaAs 层（8）、低掺杂InGaAs层（9）、第一二氧化硅层（10）和金属电极层（11），金属电极层（11）上表面的高度大于第一二氧化硅层（10）上表面的高度， 第一肖特基接触金属层（12）分别内嵌于所述第一金属电极组件（3）以及第三金属电极组件（5）的第一二氧化硅层（10）内，且第一肖特基接触金属层（12）与低掺杂InGaAs层（9）相接触，所述第二金属电极组件（4）上的金属电极层（11）与所述第一金属电极组件（3）上的第一肖特基接触金属层（12）之间通过空气桥（7）进行连接，所述第一金属电极组件（3）上的金属电极层（11）与所述第三金属电极组件（5）上的第一肖特基接触金属层（12）之间通过空气桥（7）进行连接。

5.如权利要求4所述的全周期检波器，其特征在于：所述第一金属电极组件（3）、第二金属电极组件（4）和第三金属电极组件（5）中重掺杂 GaAs 层（8）的四周设置有钝化层（13），所述钝化层（13）的高度低于所述重掺杂 GaAs 层（8）的高度。

6.如权利要求4所述的全周期检波器，其特征在于：所述金属电极层（11）包括位于下层的欧姆接触层（14）和位于上层的金属加厚层（15）。

7.如权利要求4所述的全周期检波器，其特征在于：所述衬底（1）为半绝缘层GaAs衬底。

8.如权利要求4所述的全周期检波器，其特征在于：所述重掺杂 GaAs 层（8）的厚度为2微米，掺杂浓度为5e18cm^-3。

9.如权利要求4所述的全周期检波器，其特征在于：所述低掺杂InGaAs层（9）的厚度为100nm，掺杂浓度为5e17cm^-3。

10.如权利要求4所述的全周期检波器，其特征在于：所述第一肖特基接触金属层（12）采用钛/铂/金合金体系制作；欧姆接触层（14）采用钛/金/锗/镍/金系统的合金制作。