CN116260441A - 一种新型高隔离低插损开关矩阵芯片 - Google Patents

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韩思扬
卢子焱
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Abstract

本发明公开了一种新型高隔离低插损开关矩阵芯片，包括设置于砷化镓PHEMT半导体电路层上的开关矩阵电路，所述开关矩阵电路包括m个输入端、m个开关结构、垂直过渡结构、n个功分器、n个输出端，所述垂直过渡结构设置为共面波导的结构形式，所述输入端电连接所述开关结构的信号输入端，所述开关结构的信号输出端电连接所述垂直过渡结构和所述功分器的信号输入端，所述垂直过渡结构的信号输出端电连接所述功分器的信号输入端，所述功分器的信号输出端电连接所述输出端。采用砷化镓pHEMT工艺实现高集成开关矩阵芯片，该开关矩阵芯片集成多个开关和功分器，并集成高隔离垂直过渡结构，可实现高隔离、低损耗功能。

Description

一种新型高隔离低插损开关矩阵芯片
技术领域
本发明涉及微波射频技术领域，尤其涉及一种新型高隔离低插损开关矩阵芯片。
背景技术
目前通过控制开关管的开启和闭合实现射频信号的开关，更复杂的开关矩阵可通过单刀单掷、单刀双掷以及功分器等单元电路的组合实现复杂路由。在通信、电子战和雷达等各种系统中，开关矩阵用于连接不同的射频功能单元，通过开启和闭合，从而控制和改变射频信号的流向，实现同一套射频前端满足不同的应用需求，减少系统开发成本、缩短开发时间和简化开发流程。现有技术的优点是可通过开关和功分器等芯片进行搭配实现需要的路由功能，不需额外开发新的芯片；缺点是：集成度低，成本高，不利于小型化低成本。
发明内容
为解决上述开关矩阵面临的问题，本发明提出一种新型高隔离低插损开关矩阵芯片，采用砷化镓pHEMT工艺实现高集成开关矩阵芯片，该开关矩阵芯片集成多个开关和功分器，并集成高隔离垂直过渡结构，可实现高隔离、低损耗功能。
本发明采用的技术方案如下：
一种新型高隔离低插损开关矩阵芯片，包括设置于砷化镓PHEMT半导体电路层上的开关矩阵电路，所述开关矩阵电路包括m个输入端、m个开关结构、垂直过渡结构、n个功分器、n个输出端，所述垂直过渡结构设置为共面波导的结构形式，所述输入端电连接所述开关结构的信号输入端，所述开关结构的信号输出端电连接所述垂直过渡结构和所述功分器的信号输入端，所述垂直过渡结构的信号输出端电连接所述功分器的信号输入端，所述功分器的信号输出端电连接所述输出端。
进一步地，所述砷化镓PHEMT半导体电路层包括砷化镓层、第一金属层、薄膜电阻层、氮化硅介质层、聚酰亚胺介质层和第二金属层，所述砷化镓层设置于底部，所述氮化硅介质层和所述聚酰亚胺介质层作为电容介质依次设置于所述砷化镓层之上，所述第一金属层作为电容下电极设置于所述砷化镓层和所述氮化硅介质层之间，所述第二金属层作为电容上电极设置于所述聚酰亚胺介质层之上，并通过第二过孔层向下扩展与所述聚酰亚胺介质层直接相连，所述第一金属层、氮化硅介质层、第二过孔层和第二金属层共同构成MIM电容；所述薄膜电阻层设置于所述砷化镓层和所述氮化硅介质层之间，用于制作pHEMT管的栅极隔离电阻。
进一步地，所述第一金属层、氮化硅介质层、聚酰亚胺介质层和第二金属层能够用于制作微带传输线及其交叉布线。
进一步地，所述第一金属层、氮化硅介质层、聚酰亚胺介质层和第二金属层能够用于制作共面波导。
进一步地，所述第一金属层依次通过第一过孔层和第二过孔层连接所述第二金属层。
进一步地，所述第一金属层通过第三过孔层接地。
进一步地，所述砷化镓PHEMT半导体电路层还包括钝化层，所述钝化层设置于所述聚酰亚胺介质层之上。
进一步地，所述钝化层由二氧化硅制作而成。
进一步地，所述开关结构包括单刀单掷开关和单刀双掷开关。
进一步地，所述单刀单掷开关和所述单刀双掷开关的插损和相位相同。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明的一种新型高隔离低插损开关矩阵芯片可实现多个单功能芯片实现的功能，大幅提升集成度；
(2)采用新型垂直过渡结构提升通道之间的隔离度，仿真隔离度达到50dB；
(3)芯片面积减小有利于降低整套方案的成本，并提升产品的一致性，在大规模使用中成本和一致性优势明显。
附图说明
图1是本发明实施例的砷化镓PHEMT半导体电路层示意图。
图2是本发明实施例的垂直过渡结构示意图。
图3是本发明实施例的开关矩阵电路原理框图。
图4是本发明实施例的开关矩阵电路效果图(包括插损IL和隔离度ISO，其中RFin1、RFin2、RFin3、RFin4为输入端，RFout1为输出端)，仿真结果为输出端RFout1的结果，输出端RFout2的效果一致。
图5是本发明实施例的开关矩阵电路外部结构示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现说明本发明的具体实施方式。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。
本实施例提供了一种新型高隔离低插损开关矩阵芯片，包括设置于砷化镓PHEMT半导体电路层上的开关矩阵电路，开关矩阵电路包括m个输入端、m个开关结构、垂直过渡结构、n个功分器、n个输出端，垂直过渡结构设置为共面波导的结构形式，输入端电连接开关结构的信号输入端，开关结构的信号输出端电连接垂直过渡结构和功分器的信号输入端，垂直过渡结构的信号输出端电连接功分器的信号输入端，功分器的信号输出端电连接输出端。优选地，开关结构包括单刀单掷开关和单刀双掷开关，且单刀单掷开关和单刀双掷开关的插损和相位应相同。
如图1所示，砷化镓PHEMT半导体电路层包括砷化镓层GaAs、第一金属层M1、薄膜电阻层RT、氮化硅介质层SiN、聚酰亚胺介质层Polymide和第二金属层M2，砷化镓层GaAs设置于底部，氮化硅介质层SiN和聚酰亚胺介质层Polymide作为电容介质依次设置于砷化镓层GaAs之上，其中氮化硅介质层SiN厚度较薄(例如0.1um)，聚酰亚胺介质层Polymide在电容的位置通过第二过孔层P1刻蚀掉，实现金属化。第一金属层M1作为电容下电极设置于砷化镓层GaAs和氮化硅介质层SiN之间，第二金属层M2作为电容上电极设置于聚酰亚胺介质层Polymide之上，第一金属层M1、氮化硅介质层SiN、第二过孔层P1和第二金属层M2共同构成MIM电容(金属-绝缘体-金属电容)，以提高电容密度。
其中，PHEMT是对高电子迁移率晶体管(HEMT)的一种改进结构，其基本器件结构是n+-AlxGa1-xAs/i-InGaAs/i–GaAs型式，采用了不掺杂的i–InGaAs层作为沟道层。
在不制备电容的位置保留聚酰亚胺介质层Polymide，直接使用不同高度上的第一金属层M1和第二金属层M2也可实现传输线之间的交叉布线，但直接交叉的隔离度只能达到35dB，难以实现高隔离度指标。因此，将交叉的微带线转换为CPW(共面波导)结构，CPW结构交叉线之间的耦合电容下降为微带线结构的1/25，并在四周大面积接地，通过优化接地外形以及线宽可提升交叉线隔离度至50dB，具体结构如图2所示。第一金属层M1依次通过第一过孔层V1和第二过孔层P1连接第二金属层M2，第一金属层M1通过第三过孔层接地。
薄膜电阻层RT设置于砷化镓层GaAs和氮化硅介质层SiN之间，用于制作pHEMT管的栅极隔离电阻，提高通道之间的隔离度。同时考虑开关切换速度，该隔离电阻一般在1.5千欧量级，可实现10ns量级的切换速度。
优选地，第二金属层M2可以采用加厚工艺达到4um的厚度降低射频走线的损耗。通过严格控制每个通道开关传输线的电长度和串并联管大小实现不同通道之间插损和相位的一致性。
优选地，砷化镓PHEMT半导体电路层还包括钝化层，钝化层设置于聚酰亚胺介质层Polymide之上，用于对整个芯片的上表面进行保护，防止多余物引起烧毁或长期可靠性。具体地，钝化层可由二氧化硅制作而成。
上述砷化镓PHEMT半导体电路层可实现电容、电阻、传输线、接地孔以及焊盘等基本元件，实现功分、垂直过渡电路，并与pHEMT管一起实现开关电路，形成开关矩阵芯片。
更为具体地，如图3所示为工作于DC～18GHz的四入二出开关矩阵电路原理框图，其由2个固定为开态的单刀单掷开关、2个单刀双掷开关、2个两路功分以及1个高隔离垂直过渡结构组成，该开关矩阵电路制作在上述砷化镓PHEMT半导体电路层上。
单刀单掷开关和单刀双掷开关保持一致的插损和相位，确保通道幅度一致性和相位一致性，DC～18GHz，带内插入损耗小于1.5dB，隔离度大于50dB，开关接两路功分器，功分器的损耗4.5dB，整体插损见图4所示，隔离度为开关隔离度加功分器的插损，达到54dBm。
如图5所示，RFin1、RFin2、RFin3、RFin4为四入二出的四个输入端，RFout1和RFout2为两个输出端，整个芯片尺寸4.2mm*3.6mm，仿真结果损耗6dB，隔离度54dB。
需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”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，或者是本发明使用时惯常摆放的方位或位置关系，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”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

Claims (10)

1.一种新型高隔离低插损开关矩阵芯片，其特征在于，包括设置于砷化镓PHEMT半导体电路层上的开关矩阵电路，所述开关矩阵电路包括m个输入端、m个开关结构、垂直过渡结构、n个功分器、n个输出端，所述垂直过渡结构设置为共面波导的结构形式，所述输入端电连接所述开关结构的信号输入端，所述开关结构的信号输出端电连接所述垂直过渡结构和所述功分器的信号输入端，所述垂直过渡结构的信号输出端电连接所述功分器的信号输入端，所述功分器的信号输出端电连接所述输出端。
2.根据权利要求1所述的一种新型高隔离低插损开关矩阵芯片，其特征在于，所述砷化镓PHEMT半导体电路层包括砷化镓层(GaAs)、第一金属层(M1)、薄膜电阻层(RT)、氮化硅介质层(SiN)、聚酰亚胺介质层(Polymide)和第二金属层(M2)，所述砷化镓层(GaAs)设置于底部，所述氮化硅介质层(SiN)和所述聚酰亚胺介质层(Polymide)依次设置于所述砷化镓层(GaAs)之上，所述第一金属层(M1)作为电容下电极设置于所述砷化镓层(GaAs)和所述氮化硅介质层(SiN)之间，所述第二金属层(M2)作为电容上电极设置于所述聚酰亚胺介质层(Polymide)之上，并通过第二过孔层(P1)向下扩展与所述氮化硅介质层(SiN)直接相连，所述第一金属层(M1)、氮化硅介质层(SiN)、第二过孔层(P1)和第二金属层(M2)共同构成MIM电容；所述薄膜电阻层(RT)设置于所述砷化镓层(GaAs)和所述氮化硅介质层(SiN)之间，用于制作pHEMT管的栅极隔离电阻。
3.根据权利要求2所述的一种新型高隔离低插损开关矩阵芯片，其特征在于，所述第一金属层(M2)、氮化硅介质层(SiN)、聚酰亚胺介质层(Polymide)和第二金属层(M2)能够用于制作微带传输线及其交叉布线。
4.根据权利要求2所述的一种新型高隔离低插损开关矩阵芯片，其特征在于，所述第一金属层(M1)、氮化硅介质层(SiN)、聚酰亚胺介质层(Polymide)和第二金属层(M2)能够用于制作共面波导。
5.根据权利要求2所述的一种新型高隔离低插损开关矩阵芯片，其特征在于，所述第一金属层(M1)依次通过第一过孔层(V1)和第二过孔层(P1)连接所述第二金属层(M2)。
6.根据权利要求2所述的一种新型高隔离低插损开关矩阵芯片，其特征在于，所述第一金属层(M1)通过第三过孔层接地。
7.根据权利要求2所述的一种新型高隔离低插损开关矩阵芯片，其特征在于，所述砷化镓PHEMT半导体电路层还包括钝化层，所述钝化层设置于所述聚酰亚胺介质层(Polymide)之上。
8.根据权利要求7所述的一种新型高隔离低插损开关矩阵芯片，其特征在于，所述钝化层由二氧化硅制作而成。
9.根据权利要求1-8任一项所述的一种新型高隔离低插损开关矩阵芯片，其特征在于，所述开关结构包括单刀单掷开关和单刀双掷开关。
10.根据权利要求9所述的一种新型高隔离低插损开关矩阵芯片，其特征在于，所述单刀单掷开关和所述单刀双掷开关的插损和相位相同。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117497989A (zh) * 2024-01-03 2024-02-02 南京迈矽科微电子科技有限公司 功率分配器及一种电子设备
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