JP2006032339A

JP2006032339A - 半導体を用いたｍｅｍｓｒｆ−スイッチ

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Publication number: JP2006032339A
Application number: JP2005204137A
Authority: JP
Inventors: Il-Jong Song; 壹鍾宋; Dong-Ha Shim; 東河沈; Keisai Shin; 炯宰愼; Junchoru Ken; 純 ▲チョル▼ 權; Sang Hoon Lee; 相勳李; Young-Tack Hong; 榮澤洪; Che-Heung Kim; 載興金
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2004-07-13
Filing date: 2005-07-13
Publication date: 2006-02-02
Anticipated expiration: 2025-07-13
Also published as: US20060012940A1; KR100761476B1; US20100133077A1; US7683747B2; KR20060005596A; US7911300B2; JP4108694B2

Abstract

【課題】バイアス信号を印加することによって交流信号伝達動作をオン／オフ制御し、バイアス信号が印加した後これが途切れても半導体層の内部で電子および正孔の再結合により電荷の蓄積減少およびスティッキング(ｓｔｉｃｋｉｎｇ)現象といった問題を解決できるＭＥＭＳＲＦ−スイッチを提供する。
【解決手段】ＭＥＭＳＲＦ−スイッチは、外部電源の一端子と接続された第１電極と、第１電極の上部表面に結合され、電源からバイアス信号が印加されると、電位バリアー（ｂａｒｒｉｅｒ）を形成し絶縁性の特性を有するようになる半導体層と、半導体層と一定の距離離間した位置に製造され、電源の他端子と接続され電源からバイアス信号が印加されると半導体層と接触する第２電極とを含む。
【選択図】図３

Description

本発明は、バイアス電圧により交流信号を通過させるＲＦ（ＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙ）−スイッチに関し、詳細には、第１電極および第２電極との間に半導体層を製造して電荷蓄積現象およびスティッキング(ｓｔｉｃｋｉｎｇ)現象を抑えるＲＦ−スイッチに関する。

最近、ＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍ）技術の発展に伴い、ＭＥＭＳＲＦ−スイッチが開発されつつある。ＭＥＭＳＲＦ−スイッチは、従来の半導体スイッチに比べて、スイッチＯＮ時における挿入損失が低く、スイッチＯＦＦ時において高い減衰特性を有する。さらに、スイッチ駆動電力も半導体スイッチに比べて小さく、且つ適用周波数範囲も割合に高いので、ほぼ７０ＧＨｚまで適用できる、といった長所を有している。

ＭＥＭＳＲＦ−スイッチは、両電極との間に絶縁層が位置するＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ／Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ／Ｍｅｔａｌ）構造で製造される。これにより、ＭＥＭＳＲＦ−スイッチにバイアス電圧が印加されると、コンデンサーとして働き、交流信号を通過させる。
図１は、従来のＭＥＭＳＲＦ−スイッチの構成を示した断面図である。同図によれば、ＭＥＭＳＲＦ−スイッチは、基板１１、第１電極１２、絶縁層１３、第２電極１５を含んでなる。同図におけるＭＥＭＳＲＦ−スイッチは、第２電極１５が第１電極１２および絶縁層１３をパッケージングしているキャップ（ｃａｐ）構造のスイッチであって、第２電極および絶縁層１３間にはエアギャップ１４が存在する。

図示したような方向にバイアス電圧（Ｖｂｉａｓ）を印加すると、第２電極１５が熱膨張して矢印の方向に移動し、絶縁層１３と接触する。これにより、第１電極１２、絶縁層１３、および第２電極１５はコンデンサーとして動作するので、ＲＦ−スイッチがオン（ＯＮ）し、所定周波数帯域のＲＦ信号を通過させる。一方、バイアス電圧が印加されない場合、第２電極１５は収縮して絶縁層１３と離れる。結果的に、ＲＦ−スイッチがオフ（ＯＦＦ）してＲＦ信号が通過しなくなる。

一方、バイアス電圧が印加されると、第２電極１５は（＋）電荷に帯電し、第１電極１２は（−）電荷が帯電する。同図の右側には、理想的なＲＦ−スイッチにおいて第１電極１２、絶縁層１３、および第２電極１５がそれぞれ帯電する電荷量を示すグラフを図示している。同図によると、第１電極１２の位置（０〜ｘ１）では−Ｑ_pの電荷が帯電し、第２電極１５の位置（ｘ３〜ｘ４）では＋Ｑ_pの電荷が帯電している。係る状態でバイアス電圧が途切れてしまうと電荷量は０になる。一方、バイアス電圧が印加されたり、または途切れるとしても絶縁層１３での電荷量は０を保つ。

しかし、実際のところ、絶縁層１３に電荷蓄積（Ｃｈａｒｇｅｂｕｉｌｄｕｐ）現象が発生し、電荷量が０として検出されない恐れがある。
図２は、実際のＲＦ−スイッチで発生する電荷蓄積現象およびこれによるスティッキング現象を説明するための模式図である。同図の（Ａ）はＶｂｉａｓが印加された場合であって、第１電極１２には−Ｑ_pの電荷が帯電し、第２電極１５には＋Ｑ１の電荷が帯電する。この場合、絶縁層１３では＋Ｑ２だけの電荷が蓄積する。Ｑ１およびＱ２との間にはＱ１＋Ｑ２＝Ｑ_pの式が成立つ。これにより、バイアス電荷を印加しても、第２電極１５が＋Ｑ２以上の電荷量に帯電するまでは、絶縁層１３に帯電した＋Ｑ２電荷により斥力が作用する。従って、一定大きさのバイアス電圧をかけるまではＲＦ−スイッチがオン（ＯＮ）しないことから、スイッチングタイムが長時間かかるという問題点がある。

一方、ＲＦ−スイッチがオン（ＯＮ）した後にバイアスが途切れてしまっても絶縁層１３に蓄積された＋Ｑ２電荷により、第１電極１２には−Ｑ２だけの電荷が帯電する。これにより、第２電極１５が絶縁層１３と離れないスティッキング現象が生じる。これにより、バイアス電圧を遮断してもＲＦ−スイッチがオフ（ＯＦＦ）しない問題点を抱えている。

本発明は前述した問題点を解決するために案出されたもので、本発明の目的は、両電極との間に半導体を製造して電荷蓄積現象およびこれによるスティッキング(ｓｔｉｃｋｉｎｇ)現象を抑えることのできるＭＥＭＳＲＦ−スイッチを提供することにある。

以上の目的を達成するために、本発明に係るＭＥＭＳＲＦ−スイッチは、電源の一端子と接続された第１電極と、前記第１電極の上部表面に結合され、前記電源からバイアス信号が印加されると、電位バリアー（ｂａｒｒｉｅｒ）を形成し絶縁体の特性を有するようになる半導体層と、前記半導体層と一定の距離離間した位置に製造され、前記電源の他端子と接続され、前記電源からバイアス信号が印加されると前記半導体層と接触する第２電極とを含む。

好ましくは、前記半導体層は、Ｐ型半導体層およびＮ型半導体層を含むことができる。
さらに好ましくは、本ＭＥＭＳＲＦ−スイッチは、前記第１電極の下部表面に結合し、前記第１電極、前記半導体層、および前記第２電極を支える基板を更に含むことができる。
一方、前記第２電極は、前記基板上で前記半導体層と一定の距離離間した状態で前記第１電極および前記半導体層を覆うキャップ（ｃａｐ）構造、または、前記基板上の一定領域に結合した支持部および前記支持部により支えられる前記半導体層と一定の距離離間した突出部を含むカンチレバー構造で製造することができる。

なお、前記半導体層は、真性半導体、Ｐ型半導体、およびＮ型半導体のいずれかの物質で製造することが好ましい。
本発明の他の実施形態に係るＭＥＭＳＲＦ−スイッチは、上部表面の一定領域がＮ型半導体にドーピングされたＰ型基板と、前記Ｐ型基板の下部表面と結合し、外部電源の一端子と接続された第１電極と、前記Ｎ型半導体と一定距離離間した位置に製造され、前記電源の他端子と接続されて前記電源からバイアス信号が印加されると前記Ｎ型半導体と接触する第２電極とを含む。

本発明のさらなる実施形態によると、ＭＥＭＳＲＦ−スイッチは、上部表面の一定領域がＰ型半導体でドーピングされたＮ型基板と、前記Ｎ型基板の下部表面と結合し、外部電源の一端子と接続された第１電極と、前記Ｐ型半導体と一定の距離離間した位置に製造され、前記電源の他端子と接続され、前記電源からバイアス信号が印加されると前記Ｐ型半導体と接触する第２電極とを含む構成とすることができる。

一方、好ましくは、以上の実施形態において前記第１電極および前記第２電極の少なくとも１つは、メタル、アモルファスシリコン、およびポリシリコンのいずれかの物質で製造することが好ましい。

本発明によると、ＭＩＭ構造のＭＥＭＳＲＦ−スイッチにおいて、絶縁層の代わりに半導体層を用いて交流信号電圧動作を行う。これにより、バイアス電荷が印加されると半導体層で電位バリアーを形成することにより、絶縁層の特性によって交流信号伝達動作が行われる。一方、バイアス電荷が遮断されれば、半導体層内で自由電子および正孔が再結合されることにより電荷蓄積現象およびこれによるスティッキング現象を防止できる。さらに、本発明の一実施の形態によると、第１電極および第２電極がポリシリコンまたはアモルファスシリコンなどで形成することによって従来のＣＭＯＳ製造工程と互換性のある付加的な効果も得られる。

以下、添付の図面に基づいて本発明の好適な実施形態を詳述する。

図３は、本発明の一実施の形態に係るＭＥＭＳＲＦ−スイッチの構成を示した断面図である。同図によると、本ＭＥＭＳＲＦ−スイッチは第１電極１１０、半導体層１２０、第２電極１３０を含んでなる。この場合、ＭＥＭＳＲＦ−スイッチと結合し支持する基板１００を更に含むことが好ましい。
第１電極１１０および第２電極１３０は、それぞれ外部電源１４０の一端子および他端子と接続される。これによって、外部電源１４０からバイアス信号（Ｖｂｉａｓ）が印加されると第１電極１１０および第２電極１３０はそれぞれ−Ｑおよび＋Ｑの電荷量に帯電する。

この場合、第２電極１３０は、周りの支持構造（図示せず）より薄く形成することにより、バイアス信号の印加時に熱膨張して半導体層１２０と接触する。なお、バイアス信号は半導体層１２０についてはリバースバイアス（ｒｅｖｅｒｓｅｂｉａｓ）として動作する。従って、半導体層１２０は内部の自由電子および正孔の配置により電位バリアーを生成し絶縁性の特性を有する。結果的に、第１電極１１０、半導体層１２０、第２電極１３０はコンデンサーの構造を形成するため、所定周波数帯域のＲＦ信号を通過させることができるようになる。

この場合、半導体層１２０は、真性半導体、Ｐ型半導体、Ｎ型半導体のいずれかの物質で製造され得る。この場合、Ｐ型半導体およびＮ型半導体はそれぞれ３族元素および５族元素であって、弱くドーピングされた半導体を使用することができる。一方、半導体層１２０ではバイアス信号遮断の際に電子および正孔の再結合が行われるので、電荷蓄積現象が起こらない。

図４は図３のＭＥＭＳＲＦ−スイッチの動作原理を説明するための模式図である。図４の（Ａ）はバイアス信号（Ｖｂｉａｓ）が印加された時の電荷帯電状態を示す。同図に基づくと、第１電極１１０は（−）電荷に帯電し、第２電極１３０は（＋）電荷に帯電する。これにより、第２電極１３０は熱膨張して半導体層１２０と接触する。なお、半導体層１２０の上部は第２電極１３０の（＋）電荷により自由電子が配置され、下部は第１電極１１０の（−）電荷により正孔が配置される。これにより、半導体層１２０内で電位バリアーが形成され第１電極１１０との間で空乏層（ｄｅｐｌｅｔｉｏｎｒｅｇｉｏｎ）が増えるようになる。なお、半導体層１２０は絶縁性の特性を有することから、ＲＦ信号のみを通過するようになる。結果的に、ＭＥＭＳＲＦ−スイッチがオン（ＯＮ）する。

図５は半導体層１２０が絶縁性の特性を有することの原理について説明するための模式図である。同図によると、半導体層１２０でのエネルギーレベルは、導電帯レベル（Ｅ_c）、フェルミレベル（Ｆｅｒｍｉｌｅｖｅｌ：Ｅ_f）、安定帯レベル（Ｅ_v）で示される。一方、第１電極１１０および半導体層１２０はショットキーダイオード（ｓｃｈｏｔｔｋｙｄｉｏｄｅ）の構造を形成する。これによって、半導体層１２０が陰極部分に、第１電極１１０が陽極部分になる。係る構造で、バイアス信号が第２電極１３０へ印加されれば、ショットキーダイオードにリバースバイアス信号が印加された状態となる。即ち、図５のように、第１電極１１０および半導体層１２０との間で電位バリアーが発生する。電位バリアーは第１電極のエネルギーレベルよりｅ(_Bn の分大きく、半導体層の導電帯レベル（Ｅ_c）よりｅ_Vbiの分大きい。これにより、第１電極１１０および半導体層１２０間の自由電子または正孔の移動が遮断されるにつれ、半導体層１２０は絶縁性の特性を有することになる。好ましくは、第１電極１１０のエネルギーレベルはフェルミレベルと同じ大きさで調整する。

一方、図４の（Ｂ）は、バイアス信号（Ｖｂｉａｓ）が０である場合、即ち、外部電源１４０との接続が途切れたときの電荷帯電状態を示す。この場合、第１電極１１０および第２電極１３０に帯電した電荷量は０になり、半導体層１２０内では両表面に配置されていた自由電子と正孔とが再結合される。これによって、第２電極１３０は正常に半導体層１２０から離れてスティッキング現象が生じないことから、ＭＥＭＳＲＦ−スイッチが正常にオフ（ＯＦＦ）する。

図６は本発明の他の実施の形態に係るＭＥＭＳＲＦ−スイッチの構成を示した模式図である。同図に示したように本ＭＥＭＳＲＦ−スイッチは、第１電極２１０、Ｐ型半導体層２２０、Ｎ型半導体層２３０、および第２電極２４０を含んでなる。第１電極２１０および第２電極２４０はそれぞれ外部電源２５０の一端子および他端子と接続されている。

Ｐ型およびＮ型半導体層２２０、２３０は互いに結合してＰＮ−ジャンクション（ｊｕｎｃｔｉｏｎ）ダイオードの構造で製造される。図示したように、第１および第２電極２１０、２４０がそれぞれ外部電源２５０の（−）端子および（＋）端子と接続されると、ＰＮ−ジャンクションダイオードにリバースバイアスが印加された状態になる。従って、ＰＮ−ジャンクションダイオード間に電位障壁が生成されて絶縁性の特性を有することになる。結果的に、ＭＥＭＳＲＦ−スイッチがオン（ＯＮ）状態になりＲＦ信号を通過させる。

図７は本発明の更なるＭＥＭＳ−スイッチの構成を示した模式図である。同図に示したように、本ＭＥＭＳＲＦ−スイッチは第１電極３１０、Ｐ型基板３２０、Ｎ型半導体領域３３０、第２電極３４０を有する。Ｐ型基板３２０の上部表面の一定領域をドーピングしてＮ型半導体領域３３０を製造することにより、ＰＮ−ジャンクションダイオードの構造が形成される。結果的に、外部電源３５０によりバイアス信号が印加されれば、図６におけるＭＥＭＳＲＦ‐スイッチと同じ原理で行われる。

図８は本発明の他の実施形態に係るＭＥＭＳＲＦ−スイッチの構成を示している。同図において、外部電源４５０のバイアス方向は逆になる。つまり、第１電極４１０および第２電極４４０はそれぞれ外部電源４５０の（＋）および（−）端子と接続される。この場合、上部表面の一定領域がＰ型半導体領域４３０であって、ドーピングされたＮ型基板４２０を第１電極４１０と結合することによりＰＮ−ジャンクションダイオードの構造を有することになる。従って、外部電源４５０からバイアス信号が印加されると、図６における実施の形態に係るＭＥＭＳＲＦ−スイッチと同じ原理で動作する。

一方、前述のような本発明の実施形態において、第１電極１１０、２１０、３１０、４１０および第２電極１３０、２４０、３４０，４４０はメタル、アモルファスシリコン、およびポリシリコンのような導電性物質を用いることができる。この場合、アモルファスシリコン、ポリシリコンのようにＣＭＯＳ（ＣｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙＭｅｔａｌ−ＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）製造工程にて使用される材料を使って電極を製造すれば、従来のＣＭＯＳ製造設備および製造工程をそのまま利用できて互換性を有することが可能になる。

以上のような本発明の実施形態において、第２電極１３０，２４０，３４０，４４０はキャップ（ｃａｐ）状、またはカンチレバー状に製造される。キャップ状態とは、第２電極１３０，２４０，３４０，４４０が第１電極および半導体層と一定距離離れた状態で覆っている状態を指す。図１にて、キャップ状態の構造が図示されているため、それ以上の図示および説明は省略する。

図９は図３における実施形態に係るＭＥＭＳＲＦ−スイッチをカンチレバー状態に製造した場合の模式図である。同図によると、第２電極１３０の一部が基板１００と接合して支持部５００ａを形成する。さらに、第２電極１３０の一部は第１電極１１０および半導体層１２０と一定距離離れるように支持部５００ａから突出した突出部５００ｂを形成する。これにより、外部バイアス信号が印加されれば突出部５００ｂが下部へ移動することによって半導体層１２０と接触するようになる。

以上、図面に基づいて本発明の好適な実施形態を図示および説明してきたが本発明の保護範囲は、前述の実施形態に限定するものではなく、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物にまで及ぶものである。

従来のＭＥＭＳＲＦ−スイッチの構成を示した図である。図１のＭＥＭＳＲＦ−スイッチの動作を説明するための図である。図１のＭＥＭＳＲＦ−スイッチの動作を説明するための図である。本発明の一実施の形態に係るＲＦ−スイッチの構成を示した図である。図３に示したＲＦ−スイッチの動作を説明するための図である。図３に示したＲＦ−スイッチの動作を説明するための図である。図３に示したＲＦ−スイッチの動作原理を説明するための図である。本発明の他の実施形態に係るＲＦ−スイッチの構成を示した図である。本発明の他の実施形態に係るＲＦ−スイッチの構成を示した図である。本発明の他の実施形態に係るＲＦ−スイッチの構成を示した図である。図３に示したＲＦ−スイッチをカンチレバー状態に製造した場合の構成を示した図である。

符号の説明

１００基板
１１０、２１０、３１０、４１０第１電極
１２０半導体
１３０、２４０、３４０、４４０第２電極
２２０、４３０Ｐ型半導体
２３０、３３０Ｎ型半導体
３２０Ｐ型基板
４２０Ｎ型基板
１４０，２５０，３５０，４５０電源

Claims

外部電源と接続され交流信号伝達動作をＯＮ／ＯＦＦ制御するＭＥＭＳＲＦ−スイッチにおいて、
前記電源の一端子と接続された第１電極と、
前記第１電極の上部表面に結合され、前記電源からバイアス信号が印加されると、電位バリアー（ｂａｒｒｉｅｒ）を形成して絶縁体の特性を有するようになる半導体層と、
前記半導体層と一定の距離離間した位置に形成され、前記電源の他端子と接続され、前記電源からバイアス信号が印加されると前記半導体層と接触する第２電極と、
を含むことを特徴とするＭＥＭＳＲＦ−スイッチ。
前記半導体層は、Ｐ型半導体層およびＮ型半導体層を含むことを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳＲＦ−スイッチ。
前記第１電極の下部表面に結合し、前記第１電極、前記半導体層、および前記第２電極を支える基板を更に含むことを特徴とする請求項２に記載のＭＥＭＳＲＦ−スイッチ。
前記第２電極は、前記基板上で前記半導体層と一定の距離離隔された状態で前記第１電極および前記半導体層を覆うキャップ（ｃａｐ）構造で製造されることを特徴とする請求項３に記載のＭＥＭＳＲＦ−スイッチ。
前記第２電極は、前記基板上の一定領域に結合した支持部および前記支持部により支えられる前記半導体層と一定の距離離間した突出部を含むカンチレバー構造で製造されることを特徴とする請求項３に記載のＭＥＭＳＲＦ−スイッチ。
前記第１電極および前記第２電極のうち少なくとも１つは、メタル、アモルファスシリコン（ａｍｏｒｐｈｏｕｓｓｉｌｉｃｏｎ）およびポリシリコン（ｐｏｌｙｓｉｌｉｃｏｎ）のいずれかの物質で製造されることを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳＲＦ−スイッチ。
前記半導体層は、真性半導体、Ｐ型半導体、およびＮ型半導体のいずれかの物質で製造されることを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳＲＦ−スイッチ。
上部表面の一定領域がＮ型半導体にドーピングされたＰ型基板と、
前記Ｐ型基板の下部表面と結合し、外部電源の一端子と接続された第１電極と、
前記Ｎ型半導体と一定距離離間した位置に製造され、前記電源の他端子と接続されて前記電源からバイアス信号が印加されると前記Ｎ型半導体と接触する第２電極と、
を含むことを特徴とするＭＥＭＳＲＦ−スイッチ。
前記第１電極および前記第２電極の少なくとも１つは、メタル、アモルファスシリコン、およびポリシリコンのいずれかの物質で製造されることを特徴とする請求項８に記載のＭＥＭＳＲＦ−スイッチ。
上部表面の一定領域がＰ型半導体でドーピングされたＮ型基板と、
前記Ｎ型基板の下部表面と結合し、外部電源の一端子と接続された第１電極と、
前記Ｐ型半導体と一定の距離離間した位置に製造され、前記電源の他端子と接続され、前記電源からバイアス信号が印加されると前記Ｐ型半導体と接触する第２電極と、
を含むことを特徴とするＭＥＭＳＲＦ−スイッチ。
前記第１電極および前記第２電極の少なくとも１つは、メタル、アモルファスシリコン、およびポリシリコンのいずれかの物質で製造されることを特徴とする請求項１０に記載のＭＥＭＳＲＦ−スイッチ。