CN115001470B - 射频开关芯片、射频开关及电子设备 - Google Patents

射频开关芯片、射频开关及电子设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种射频开关芯片、射频开关及电子设备，该射频开关芯片包括衬底层、第一过渡层、第二过渡层、迁移主体层及栅极，第一过渡层设在衬底层上；第二过渡层设在第一过渡层上；迁移主体层设在第二过渡层上，迁移主体层具有用于外接电路的源极和漏极，且源极与漏极之间构造有能够被连通或断开的连接通道；栅极设在迁移主体层上；当栅极处于初始状态时，连接通道被断开以迫使源极与漏极相互断开；当栅极处于通电状态时，连接通道被连通以迫使源极与漏极相互导通。本发明能够在实际应用中进行射频信号切换时无需中断射频信号就能切换，使得外围电路更简单，并且插入损耗更低，开关时间更短。

Description

射频开关芯片、射频开关及电子设备
技术领域
本发明涉及半导体芯片设计技术领域，具体涉及一种射频开关芯片、射频开关及电子设备。
背景技术
目前，在各种通讯系统中，射频开关是不可或缺的关键元件，其可以将多路射频信号中的一路或几路通过控制逻辑连通，实现不同射频信号路径的切换，包括接收与发射的切换、不同频段间的切换等，以达到共用天线、降低终端成本等目的。射频开关可分为机电式继电器开关和基于半导体技术的固态开关两大类，其中固态射频开关因其在切换时间、传输频率、尺寸、集成度及效率等方面的优异性能在当前各种通讯系统中得到更为广泛的应用。而随着通讯系统多入多出(MINO)技术、多波段无线设备(5G)及其它先进通讯技术的不断进步，固态射频开关在便携及以电池作为电源的设备中更是达到几乎垄断的程度。由于固态射频开关需要切换GHz甚至几十GHz的射频信号，其设计、制造及相关技术极为复杂，因此固态射频开关元件一直被称视为模拟芯片皇冠上的明珠，是雷达、手机、对讲机、通讯基站(2G、3G、4G、5G)、卫星等各种通讯系统中不可或缺的关键元件，其重要性不言而喻。
目前的氮化镓射频开关基本为耗尽型(D-Mode)常开开关，即在没有施加栅极电压时，漏极(D)和源极(S)处于低电阻(导通)状态，而当在栅极施加负电压时，漏极和源极间处于高电阻(关断)状态。而目前的耗尽型氮化镓射频开关需要-18V左右的负电压才能彻底关断，导致外围电路复杂、插入损耗高、开关时间长等缺点。
发明内容
本发明旨在至少一定程度上解决相关技术中的技术问题之一，为此，本发明的一个目的在于提出一种射频开关芯片，包括：
衬底层；
第一过渡层，所述第一过渡层设在所述衬底层上；
第二过渡层，所述第二过渡层设在所述第一过渡层上；
迁移主体层，所述迁移主体层设在所述第二过渡层上，所述迁移主体层具有用于外接电路的源极和漏极，且所述源极与所述漏极之间构造有能够被连通或断开的连接通道；
栅极，所述栅极设在所述迁移主体层上；
当所述栅极处于初始状态时，所述连接通道被断开以迫使所述源极与所述漏极相互断开；当所述栅极处于通电状态时，所述连接通道被连通以迫使所述源极与所述漏极相互导通。
优选的，所述迁移主体层包括：
第一氮化镓层，所述第一氮化镓层覆盖于所述第二过渡层上；
第二氮化镓层，所述第二氮化镓层覆盖于所述第一氮化镓层上，并与所述第一氮化镓层构成所述连接通道。
优选的，所述栅极包括第三氮化镓层和第一金属层，所述第三氮化镓层设在所述第二氮化镓层上，所述第一金属层设在所述第三氮化镓层上。
优选的，所述第三氮化镓层和所述第一金属层具有多个，且所述第三氮化镓层为P型氮化镓层，用于将所述连接通道保持在初始状态。
优选的，所述第一过渡层为氮化铝制成，所述第二过渡层为铝氮化镓材质制成。
优选的，所述栅极的数量大于等于2个。
优选的，所述衬底层包括硅、碳化硅或蓝宝石中的任意一种材料生成。
优选的，所述漏极、源极和所述栅极被构造成相互平行。
优选的，所述栅极用于接入第一参考电压或第二参考电压，当所述栅极接入所述第一参考电压时，所述栅极处于初始状态，当所述栅极接入所述第二参考电压时，所述栅极处于通电状态。
优选的，所述第一参考电压为0-1.5V，所述第二参考电压为4.5-10V。
优选的，还包括栅极电阻和均衡电阻，所述栅极电阻与所述栅极的一端相连，所述均衡电阻与所述栅极的另一端相连。
优选的，所述栅极电阻具有多个，且多个所述栅极电阻之间通过第二金属层相互连通。
优选的，所述均衡电阻具有多个，且每个所述均衡电阻上设有滤波电容，多个所述均衡电阻和所述滤波电容之间通过第三金属层相连接。
优选的，还包括第四金属层，所述第四金属层用于将所述源极与所述均衡电阻和所述滤波电容相连接，以及将所述漏极与所述均衡电阻和所述滤波电容相连接。
优选的，所述连接通道为二维电子气构造形成。
本发明的第二个目的在于提出一种射频开关，包括如上述的射频开关芯片。
本发明的第三个目的在于提出一种电子设备，包括如上述的射频开关芯片。
本发明的上述方案至少包括以下有益效果：
本发明提供的射频开关芯片，在栅极处于初始状态时，连接通道被断开并使得源极和漏极之间也相互断开，在栅极处于通电状态时，连接通道被连通并使得源极和漏极之间也相互导通，从而在实际应用中进行射频信号切换时无需中断射频信号就能切换，使得外围电路更简单，并且插入损耗更低，开关时间更短。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明第二实施例中提供的射频开关芯片的等效电路图；
图2为本发明第二实施例中提供的射频开关芯片的简化电路图；
图3为本发明第一实施例中提供的射频开关芯片的剖面结构图；
图4为本发明第一实施例中提供的射频开关芯片的俯视平面结构图；
图5为本发明第三实施例中提供的双栅极射频开关芯片的等效电路图；
图6为本发明第三实施例中提供的双栅极射频开关芯片的剖面结构图；
图7为本发明第三实施例中提供的双栅极射频开关芯片的俯视平面结构图；
图8为本发明第三实施例中提供的双栅极射频开关芯片的俯视平面结构图；
图9为本发明第四实施例中提供的射频开关芯片组的电路结构图；
图10为本发明第五实施例中提供的单刀双掷射频开关的电路结构图；
图11为本发明第五实施例中提供的单刀双掷射频开关的另一电路结构图；
图12为本发明第六实施例中提供的单刀四掷射频开关的电路结构图；
图13为本发明第六实施例中提供的单刀四掷射频开关的另一电路结构图。
附图标号说明：
101、衬底层；102、第一过渡层；103、第二过渡层；104、漏极；105、第一氮化镓层；106、第三氮化镓层；107、第二氮化镓层；108、第一金属层；109、源极；110、连接通道；111、第三金属层；112、第二金属层；113、栅极电阻；114、第四金属层；115、滤波电容；116、均衡电阻。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”“轴向”、“周向”、“径向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下面参照附图详细描述本发明实施例的的射频开关芯片、开关器件及电子设备。
第一实施例
如图3和图4所示，本发明实施例中提供的射频开关芯片，包括衬底层101；第一过渡层102，第二过渡层103，迁移主体层及栅极，第一过渡层102设在衬底层101上；第二过渡层103设在第一过渡层102上；迁移主体层设在第二过渡层103上，迁移主体层具有用于外接电路的源极109和漏极104，且源极109与漏极104之间构造有能够被连通或断开的连接通道110；栅极设在迁移主体层上；当栅极处于初始状态时，连接通道110被断开以迫使源极109与漏极104相互断开；当栅极处于通电状态时，连接通道110被连通以迫使源极109与漏极104相互导通。
其中，栅极(图中G1至Gn)可以有多个，且栅极用于接入第一参考电压或第二参考电压，当栅极接入第一参考电压时，栅极处于初始状态，当栅极接入第二参考电压时，栅极处于通电状态，第一参考电压为0-1.5V，第二参考电压为4.5-10V；并且，连接通道110为二维电子气构造形成；在栅极为第一参考电压时，源极109和漏极104之间处于断开状态，在对栅极施加第二参考电压时，源极109和漏极104之间相互导通，使得射频信号可以在源极109和漏极104之间传递；可以理解的是，初始状态表示为接入第一参考电压后的常闭状态，通电状态表示接入第二参考电压后的常开状态；第一参考电压为低电压，第二参考电压为正开启电压，由于在连接通道110是由二维电子气(简称2DEG)层形成的，因此不存在极性的问题，使得射频信号可以在源极109和漏极104之间可以双向传输，即可以由源极109向漏极104方向传递，也可从漏极104向源极109方向传输，使得该射频开关芯片可以在电路中对应于接收和发射两种情况进行工作，当然，接收和发射是不能同时进行的。
本发明提供的射频开关芯片，在栅极处于初始状态时，连接通道110被断开并使得源极109和漏极104之间也相互断开，在栅极处于通电状态时，连接通道110被连通并使得源极109和漏极104之间也相互导通，从而在实际应用中进行射频信号切换时无需中断射频信号就能切换，使得外围电路更简单，并且插入损耗更低，开关时间更短。
其中，迁移主体层(图中未示出)包括第一氮化镓层105及第二氮化镓层107，第一氮化镓层105覆盖于第二过渡层103上；第二氮化镓层107覆盖于第一氮化镓层105上，并与第一氮化镓层105构成连接通道110。在本实施例中，迁移主体层是以高电子迁移晶体管(简称HEMT,High Electron Mobility Transistor)作为主体构成，因此，通过第一氮化镓层105和第二氮化镓层107共同构成HEMT的主体部分，并且，第一氮化镓层105和第二氮化镓层107能够构成上述的连接通道110，也就是说，由于第一氮化镓层105和第二氮化镓层107之间产生的应力能够生成二维电子气层，因此生成上述的连接通道110；可以理解的是，栅极包括第三氮化镓层106和第一金属层108，多个第三氮化镓层106设在第二氮化镓层107上，多个第一金属层108分别对应设在多个第三氮化镓层106上，第三氮化镓层106为P型氮化镓层，用于将连接通道110保持在初始状态，P型氮化镓层表示为经P型掺杂处理的氮化镓层，因此，第三氮化镓层106是构成HEMT关键的栅极，由于第三氮化镓层106的存在，可以使得迁移主体层能够保持在初始状态，即保持常闭状态；在栅极被施加第二参考电压时，迁移主体层的源极109和漏极104才能导通，使得射频信号的发射和接收无需中断即可切换。
可以理解的是，本发明实施例中提供的射频开关芯片是基于多栅极(≥2个栅极)增强型(E-Mode)常闭氮化镓(GaN)高电子迁移晶体管结构的射频开关芯片，也就是说，该栅极的数量大于等于2个，并且，可以以该射频开关芯片为基础，并通过并联、串联或相结合的方式构成射频开关单元组。
其中，第一过渡层102为氮化铝制成，第二过渡层103为铝氮化镓材质制成。在本实施例中，将第一过渡层102采用氮化铝(AlN)制成，可以使第一过渡层102能够减小氮化镓与衬底层101之间的热膨胀系数差距，从而能够减少晶元内部应力、提高可靠性及绝缘能力等作用；将第二过渡层103采用铝氮化镓(AlGaN)，其功能与第一过渡层102的功能类似，也可减小氮化镓与衬底层101之间的热膨胀系数差距，并减少晶元内部应力、提高可靠性及绝缘能力等作用。
进一步的，衬底层101包括硅(Si)、碳化硅(SiC)或蓝宝石(Al2O3的一种)中的任意一种材料生成，其中，该衬底层101能够作为载体并提供热传导、电绝缘等功能；本领域技术人员可以理解的是，上述的衬底层101、第一过渡层102及第二过渡层103也可以采用其他的材料进行等效替代，并且在实现上述效果的同时，本领域技术人员可以根据实际需求进行设置，在此不作任何限定。
进一步的，漏极104、源极109和栅极被构造成相互平行。其中，在设计本发明提供的射频开关芯片时，可以采用弯曲结构设计，也可以采用直线结构设计，在采用弯曲结构设计时，漏极104、源极109和栅极可以被构造成在相互平行。
具体的，还包括栅极电阻113和均衡电阻116，栅极电阻113与栅极的一端相连，均衡电阻116与栅极的另一端相连。其中，栅极电阻113具有多个，且多个栅极电阻113之间通过第二金属层112相互连通，每个栅极电阻113均为通过半导体制造工艺在二维电子气层形成的高密度电阻，并且栅极电阻113能够对栅极起到限流、保护和均流等作用，可以保证各栅极工作的一致性和稳定性。
进一步的，均衡电阻116具有多个，且每个均衡电阻116上设有滤波电容115，多个均衡电阻116和滤波电容115之间通过第三金属层111相连接。其中，第三金属层111为图示中的Y1，在均衡电阻116和滤波电容115设置有n个时，则第三金属层111设置有n-1个，由于整个射频开关芯片只有一个源极109和一个漏极104，但由于源极109和漏极104之间的各个栅极的存在，通过第三金属层111将每两个均衡电阻116和滤波电容115相连，从而形成源极109和漏极104之间的虚拟公共短接点。
进一步的，还包括第四金属层114，第四金属层114用于将源极109与均衡电阻116和滤波电容115相连接，以及将漏极104与均衡电阻116和滤波电容115相连接。其中，第四金属层114为图示中的Gm，第四金属层114将所有的栅极电阻113进行连接，例如可以采用引线键合等连接方式与其他电路实现电连接，在有外部电压接入该第四金属层114时，外部电压可以经过RG1至RGn均匀分布至各栅极G1至Gn上。
如图3所示，衬底层101、第一过渡层102和第二过渡层103能够对迁移主体层起到支撑、散热、绝缘、降低应力等作用，因此不是射频开关芯片的有效电路组成部分。但是作为迁移主体层的第一氮化镓层105、第二氮化镓层107及第三氮化镓层106等都是在这几层基础上通过蚀刻、沉积等半导体工艺制作而成的。漏极104、源极109和其它金属层均是通过蚀刻工艺去掉部分第二氮化镓层107和第一氮化镓层105形成相应接触点，然后再通过在这些接触点沉积金属形成欧姆触点实现与二维电子气层的电连接。由于二维电子气层是介于漏极104和源极109之间的平面层，各短接点Y1至Yn-1只需按图4所示与二维电子气层实现点接触或者一小段接触即可实现电连接，无需与漏极104、源极109或Gm一样长。
可以理解的是，栅极电阻113包括RG1至RGn、均衡电阻116包括R1至Rn，滤波电容115包括C1至Cn，上述均是采用同样氮化镓半导体制造工艺、通过改变第二氮化镓层107和第一氮化镓层105的晶体结构及材料成分进而改变二维电子气层的特性而生成的，因此可与迁移主体层集成在一体，采用同样的半导体制造工艺制作而成。所有栅极电阻113的一端均短接在一起，以形成该射频开关芯片的共用栅极Gm，当有外部栅极电压施加在共用栅极Gm时，电压会同时通过RG1至RGn均匀施加到所有单体栅极G1至Gn上。
本发明提供的射频开关芯片为有源固态器件，更具体地是用于通讯领域、基于增强型(E-Mode)常闭氮化镓(GaN)高电子迁移晶体管技术的固态射频开关芯片，包括相关衍生的各种半导体晶元及封装后的半导体集成电路元件。
本发明实施例中所采用的氮化镓是属于宽禁带半导体材料，与传统硅基半导体材料相比，具有电性能优异、使用寿命长、可靠性高、耐高温、自带抗辐射能力等优点，应用领域更为广泛；根据本发明提供的各种射频开关芯片，该射频开关芯片的使用范围可以覆盖1MHz至10GHz的通讯频段，单个通道可开关的射频功率能够达到200W以上，射频开关芯片的栅极控制电压为0VDC至10VDC、控制电流为微安级、开关时间可达到几十至几百纳秒级。
本发明的射频开关芯片可以极大提高芯片处理电压的能力，其由n个栅极组合后能够处理的电压可达单个栅极的n倍。芯片处理电压能力的提高不但能相应提高芯片开关射频信号的功率，而且可以采用成本更低的成熟低压(≤100V)半导体工艺制造，产品极具价格优势和市场竞争力。
可以理解的是，本发明提供的射频开关芯片为常闭型，在实际应用中进行射频信号切换时无需中断射频信号就能切换，即可实现“热”切换。比起现有的耗尽型氮化镓常开开关必须先在前级中断输入的射频信号，当开关完成通路切换后才能再接通射频信号，严重影响系统响应速度，且增加了系统控制复杂程度。另外，本发明与常开型氮化镓射频开关相比，常闭型氮化镓射频开关不需要负电压(一般为-18V左右)进行关断，开启控制电压一般只需4.5V至7V(最大不超过10V)，非常有利于与其它控制电路或芯片进行集成，而无需负电压供电又能大大简化整体电路结构；并且，该射频开关芯片兼具与PIN二极管相当的低插入损耗、较短开关时间以及其它射频开关隔离度高、噪声低等优点，而且开关射频功率大、外围电路简单、开关组合灵活、工作频带宽、可靠性高，可作为各种通讯设备及应用中的理想射频开关元件。
第二实施例
如图1所示，图1中所示为本发明实施例中提供的射频开关芯片的等效电路图，n个栅极的射频开关芯片由n个HEMT支路构成，n大于等于2。其中：
(1)RG1至RGn为栅极电阻113，对各个HEMT支路的栅极能够起到限流、保护和均流等作用，可以保证各栅极工作的一致性和稳定性。
(2)节点Y1至Yn-1与上述的第三金属层对应，相当于两个临近HEMT的源极109和漏极104的公共虚拟短接点。
(3)R1至Rn为各个HEMT支路间的电压均衡电阻116，作用是确保各短接点(节点Y1至Yn-1)处的电压不会浮置于不同的电压，从而可以改善射频开关的线性性能及可靠性。
(4)C1至Cn是在某些应用中有滤波需要时加入的滤波电容115，该滤波电容115可以滤掉杂波信号以减少射频噪声，也可滤掉不需要的频段作为窄频带射频开关以满足窄频带应用的需求。
(5)G1至Gn为各个HEMT支路的栅极，并且对应上述第一实施例中的栅极，用于控制各个HEMT支路的开关，进而实现整个射频开关芯片的打开和关闭。
(6)D和S分别为射频开关芯片的公共漏极104和源极109，当在各栅极的电压为第一参考电压时，即低电压(一般为0V至1.5V)时，漏极104和源极109处于关断状态；当在各栅极施加第二参考电压时，即正开启电压(一般为4.5V至7V，最高≤10V)后，漏极104和源极109导通，射频信号可以在漏极104和漏极104间传递，由于连接通道是由二维电子气层形成的，不存在极性的问题，因此射频信号在漏极104和源极109之间可以双向传输，即可由漏极104向源极109方向传递，也可从源极109向漏极104方向传输，从而可以在电路中对应于接收和发射两种状态进行工作。
进一步的，本发明实施例中提供的射频开关芯片以图2所示电路符号代表。其中，D为该射频开关芯片的漏极104，S为源极109，Gm为所有图1所示各个HEMT支路的栅极G1至Gn通过各栅极电阻113后的公共短接点，用于连接外部栅极电压。
第三实施例
图5是本发明实施例中提供的双栅极射频开关芯片的等效电路图，图6为该双栅极射频开关芯片对应剖面结构图，与图2所示结构完全一致，区别是图2只有两个栅极。在本实施例中，该双栅极射频开关芯片一般适用于射频功率50W及以下的射频开关应用，能够开关的射频频率可以达到10GHz。
发明人在研究中发现，对于双栅极射频开关芯片的的平面结构可以如图7或图8所示，也可以采用其它结构布局，但需要保证D、S及各栅极均平行走向。一般情况下如图7所示结构即可满足大多数开关的需要，只有在晶元尺寸、形状等方面有限制的情况下方采用图8所示布局结构。
此双栅极射频开关芯片对外通过漏极104、源极109和短接在一起的栅极电阻113及Gm与外部电路形成电连接。当Gm电压为低(一般为0V至1.5V)时，漏极104和源极109处于关断状态；当在Gm施加正开启电压(一般为4.5V至7V，不超过10V)后，连接通道110才能整体贯通，从而实现漏极104和源极109之间的导通。开启电压的高低与栅极电阻的阻值也有关。
当漏极104和源极109从关闭状态转为导通状态后，射频信号可以在漏极104和源极109之间双向传递，即射频信号可以从漏极104传导至源极109，也可以从源极109向漏极104方向传导。
第四实施例
可以理解的是，为了增加射频开关功率的处理能力，多个射频开关芯片之间可以通过并联、串联相结合等方式组成射频开关单元组以作为独立的射频开关。图9所示为射频开关芯片M1至Mn通过并联构成一个射频开关单元组的实例。将所有漏极D1至Dn短接在一起作为射频开关单元组的公共漏极D，所有源极S1至Sn短接在一起作为单元组的公共源极S，所有的Gm1至Gmn短接在一起作为公共栅极Gm。射频开关单元组也由图2所示符号代表。
此射频开关单元组与射频开关芯片一样除了能够作为独立的射频开关以外，也可以作为基础射频开关芯片构成各种单刀多掷、多刀多掷等射频开关，用于高功率射频开关应用中。
第五实施例
采用本发明的射频开关芯片或者如第四实施例中所述的射频开关单元组(均由图2所示电路符号代表)可以自由构建各种单刀单掷、单刀多掷、多刀多掷射频开关。以单刀双掷开关为例，要组合形成单刀双掷开关，主要构成方式有图10和图11所示的两种拓扑结构，当然不排除利用本发明的射频开关芯片或单元组通过其它形式构建不同的单刀双掷开关。
在图10所示的单刀双掷开关中，直接采用两个射频开关芯片或单元组M1和M2连接而成。通过在Gm1和Gm2端施加外部栅极电压可以分别控制两个独立的射频开关芯片或单元组M1和M2的导通或关断。M1和M2可以单独开关、也可以同时开关，其栅极控制逻辑及相应开关状态见表一。在以下所有表中，栅极为“0”时代表栅极电压为低(一般为0V至1.5V)，栅极为“1”时代表在栅极施加了正开启电压(一般为4.5V至7V，最高≤10V)；“OFF”代表射频开关D和S间处于关断状态，“ON”代表射频开关D和S间处于导通状态。
表一:图10所示单刀双掷开关控制逻辑
Gm1 Gm2 M1 M2
0 0 OFF OFF
0 1 OFF ON
1 0 ON OFF
1 1 ON ON
发明人在研究中发现，图10所示单刀双掷开关的特点是结构简单、芯片尺寸小、成本低，但隔离度稍差，信号失真度较大。
为改善图10所示单刀双掷开关隔离度及失真度等方面的问题，可以如图11所示采用主射频开关芯片加旁路射频开关芯片的拓扑结构形成单刀双掷射频开关。其中，M1和M2为主射频开关芯片或单元组，作为射频开关的两个通道；S1和S2是两个依附于两个主射频开关芯片的旁路射频开关芯片或单元组，目的是解决隔离度差、信号失真等方面的问题。因此，该射频开关的工作原理是：当M1或M2关断时，对应的S1或S2必须是导通的。反之当M1或M2导通时，对应的S1或S2必须是关断的。与4A所示的单刀双掷开关一样，M1和M2也可以同时或者分别开关，具体控制逻辑见表二。
表二:图11所示单刀双掷开关控制逻辑
Gm1 Gm2 Gm3 Gm4 M1 M2 S1 S2
0 0 1 1 OFF OFF ON ON
0 1 1 0 OFF ON ON OFF
1 0 0 1 ON OFF OFF ON
1 1 0 0 ON ON OFF OFF
无论是图10或者图11所示的单刀双掷开关，在一般应用中，两路射频开关M1和M2可以同时处于关断状态，或者只有一路处于导通状态，但在一些特殊应用(比如混频)中两路开关均可同时导通。
当开关导通时，射频信号可双向传递。例如，当M1导通时，射频信号可从RF1到RFC(ANT)方向传递，也可以从RFC(ANT)到RF1方向传递。如果RFC(ANT)连接的是天线，则对应状态分别为发射和接收。以此类推当M2导通时工作情况也是一样的。
第六实施例
本发明实施例中提供的射频开关，还包括主要构成方式有图12和图13所示两种结构，图12和图13为单刀四掷开关的电路结构，当然也不排除利用本发明的射频开关芯片或单元组通过其它形式构建不同的单刀四掷开关。
在图12所示的单刀四掷开关中，直接由4个射频开关单元或单元组M1至M4组合而成。通过在Gm1至Gm4端施加外部栅极电压可以分别控制M1、M2、M3和M4的导通或关断。M1至M4可以单独开关、也可以同时开关，其控制逻辑及相应开关状态见表三。
发明人在研究中发现，与图10所示单刀双掷射频开关一样，图12所示单刀四掷开关的特点也是结构简单、芯片尺寸小、成本低，但隔离度差，信号失真度较大。
为改善图12所示单刀四掷开关隔离度及失真度等方面的问题，可以如图13所示采用主射频开关芯片加旁路射频开关芯片的拓扑结构形成单刀四掷开关。其中，M1至M4为主射频开关芯片或单元组，以构建作为射频开关的四个通道；S1至S2是四个分别依附于四个主射频开关芯片的旁路射频开关芯片开关单元或单元组，目的是解决隔离度差、信号失真等方面的问题。因此，该单刀四掷开关的工作原理是：当M1至M4中的某一个通道关断时，S1至S4中必须是导通的。反之，当M1至M4中的某一个通道导通时，S1至S4中必须是关断的。与12所示的单刀四掷开关一样，M1至M4也可以同时或者分别开关，具体控制逻辑见表四。
表三:图12所示单刀四掷开关控制逻辑
Gm1 Gm2 Gm3 Gm4 M1 M2 M3 M4
0 0 0 0 OFF OFF OFF OFF
0 0 0 1 OFF OFF OFF ON
0 0 1 0 OFF OFF ON OFF
0 0 1 1 OFF OFF ON ON
0 1 0 0 OFF ON OFF OFF
0 1 0 1 OFF ON OFF ON
0 1 1 0 OFF ON ON OFF
0 1 1 1 OFF ON ON ON
1 0 0 0 ON OFF OFF OFF
1 0 0 1 ON OFF OFF ON
1 0 1 0 ON OFF ON OFF
1 0 1 1 ON OFF ON ON
1 1 0 0 ON ON OFF OFF
1 1 0 1 ON ON OFF ON
1 1 1 0 ON ON ON OFF
1 1 1 1 ON ON ON ON
表四:图13所示单刀四掷开关控制逻辑
由上表可知，开关M1至M4可以同时处于关断状态，或者只有一路在同一时刻处于导通状态，只有在一些特殊应用(比如混频)中两路或者两路以上的开关均可同时导通。
同样的，当某一射频开关导通时，射频信号可以双向传递。例如，当M1导通时，射频信号可从RF1到RFC(ANT)方向传递，也可以从RFC(ANT)到RF1方向传递。如果RFC(ANT)连接的是天线，则对应状态分别为发射和接收。以此类推当M2、M3或者M4导通时工作情况也是一样的。
第七实施例
本发明的实施例中提供了一种电子设备，该电子设备包括如上述的射频开关芯片。其中，经过现有的半导体制造工艺，可以制作成射频开关的半导体晶元(又称裸芯)，晶元再经过半导体封装后即可形成得到上述的射频开关芯片，该射频开关芯片可以应用于各种电子设备，该电子设备可以是通讯系统等，并且该射频开关芯片适用领域包括但不限于：移动无线通讯设备、蜂窝基础设施、雷达、数字通信链路、LTE中继器、各种大中小型3G/4G/5G通讯基站(包括微基站、皮基站等)、TDD微型基地台、PMR/LMR高功率无线电设备、天线调谐开关、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、各种通讯终端、收发器、RF和微波测试装置以及众多其它应用。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (15)

1.一种射频开关芯片，其特征在于，包括：
衬底层；
第一过渡层，所述第一过渡层设在所述衬底层上；
第二过渡层，所述第二过渡层设在所述第一过渡层上；
迁移主体层，所述迁移主体层设在所述第二过渡层上，所述迁移主体层具有用于外接电路的源极和漏极，且所述源极与所述漏极之间构造有能够被连通或断开的连接通道；
栅极，所述栅极设在所述迁移主体层上；
当所述栅极处于初始状态时，所述连接通道被断开以迫使所述源极与所述漏极相互断开；当所述栅极处于通电状态时，所述连接通道被连通以迫使所述源极与所述漏极相互导通；
还包括栅极电阻和均衡电阻，所述栅极电阻与所述栅极的一端相连，所述均衡电阻与所述栅极的另一端相连；所述均衡电阻具有多个，且每个所述均衡电阻上设有滤波电容，多个所述均衡电阻和所述滤波电容之间通过第三金属层相连接。
2.根据权利要求1所述的射频开关芯片，其特征在于，所述迁移主体层包括：
第一氮化镓层，所述第一氮化镓层覆盖于所述第二过渡层上；
第二氮化镓层，所述第二氮化镓层覆盖于所述第一氮化镓层上，并与所述第一氮化镓层构成所述连接通道。
3.根据权利要求2所述的射频开关芯片，其特征在于，所述栅极包括第三氮化镓层和第一金属层，所述第三氮化镓层设在所述第二氮化镓层上，所述第一金属层设在所述第三氮化镓层上。
4.根据权利要求3所述的射频开关芯片，其特征在于，所述第三氮化镓层和所述第一金属层具有多个，且所述第三氮化镓层为P型氮化镓层，用于将所述连接通道保持在初始状态。
5.根据权利要求1所述的射频开关芯片，其特征在于，所述第一过渡层为氮化铝制成，所述第二过渡层为铝氮化镓材质制成。
6.根据权利要求1所述的射频开关芯片，其特征在于，所述栅极的数量大于等于2个。
7.根据权利要求1所述的射频开关芯片，其特征在于，所述衬底层包括硅、碳化硅或蓝宝石中的任意一种材料生成。
8.根据权利要求1所述的射频开关芯片，其特征在于，所述漏极、源极和所述栅极被构造成相互平行。
9.根据权利要求1所述的射频开关芯片，其特征在于，所述栅极用于接入第一参考电压或第二参考电压，当所述栅极接入所述第一参考电压时，所述栅极处于初始状态，当所述栅极接入所述第二参考电压时，所述栅极处于通电状态。
10.根据权利要求9所述的射频开关芯片，其特征在于，所述第一参考电压为0-1.5V，所述第二参考电压为4.5-10V。
11.根据权利要求1所述的射频开关芯片，其特征在于，所述栅极电阻具有多个，且多个所述栅极电阻之间通过第二金属层相互连通。
12.根据权利要求1所述的射频开关芯片，其特征在于，还包括第四金属层，所述第四金属层用于将所述源极与所述均衡电阻和所述滤波电容相连接，以及将所述漏极与所述均衡电阻和所述滤波电容相连接。
13.根据权利要求1所述的射频开关芯片，其特征在于，所述连接通道为二维电子气构造形成。
14.一种射频开关，其特征在于，包括如权利要求1至13任一项所述的射频开关芯片。
15.一种电子设备，其特征在于，包括如权利要求1至13任一项所述的射频开关芯片。
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