JPH10199995A - Cmos集積rfスイッチ - Google Patents
Cmos集積rfスイッチInfo
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Abstract
セルの製造方法を提供すること。 【解決手段】 RFシグナルインプットノードを有し、
ロジカルインプットノードを有し、アノード、カソード
及び電荷注入ノードを備えたダイオード24を有し、負
から少なくとも0ボルトシグナルまで駆動することがで
きるインプット及びアウトプットを備えた電荷注入ノー
ドドライバ60を有し、同じく高圧レベルトランスレー
タ64を有し、同じく高圧ドライバ62を有し、さらに
高圧ドライバアウトプット及び該RFシグナルインプッ
トの間に接続されているRCフィルタを有する、CMO
S集積RFスイッチを提供する。
Description
チングセル、特にCMOS技術で組み込まれ、注入ノー
ドを有する高電圧集積回路ダイオードを備えるRFスイ
ッチングセルに関する。
ョンでは、印刷する領域を選択することができるように
RFスイッチアレーを使用する。音響インクプリントヘ
ッドの例は、ローソン(Rawson)他によるUS特許NO.5,3
39,101でその権利がゼロックス社(Xerox Corporation)
に譲渡され、その技術が参考として本明細書にも組み込
まれるものに開示されている。ローソン他は、音響イン
クプリントヘッドおよびプリントヘッドがインク液滴を
射出するようにプリントヘッドをRF電源に接続する方
法を含むインクプリントヘッドの動作を記述している。
本来RFインプット(入力)はトランスジューサを作動
(励振)してトランスジューサ内に音エネルギーを発生
するのに使う。トランスジューサからの音エネルギー
は、そのエネルギーをインク本体の上表面領域に集中さ
せるフレネルレンズの方に上方へ向けられる。もし向け
られたエネルギーが射出スレッショルド(しきい値)を
超えると、インク液滴はプリントヘッドから射出され
る。スイッチは、インクジェットをオンにしたりオフに
したり液滴の射出を決定する、トランスジューサからの
RF信号を断続又は遮断するのに使われる。
示している。ノード18はRF信号源と接続されたイン
クジェットトランスジューサに接続されている。ノード
18と接地との間に接続されるP−i−Nダイオード1
0は、RF信号源のスイッチとして使われる。ノード1
8とノ−ド20との間に接続される抵抗器12、及びノ
ード20と接地との間に接続されるコンデンサ14は、
高電圧ドライバ16をRF信号から絶縁するのに使われ
るRCネットワークを形成する。高電圧ドライバ16
は、ノード20とノ−ド22との間に接続される。ノー
ド22は、スイッチの”オン””オフ”を決定する、す
なわちインクジェットを起動すべきか否かを決定するロ
ジック(論理)に接続される。
ン”又は”オフ”がノード22から高電圧ドライバ16
に与えられる。もしロジカル”オン”が受信されると、
すなわち、インクジェットがインク液滴を射出すると思
われるならば、高電圧ドライバ16はノード20を+1
5ボルトへ駆動する。抵抗器12には電流が流れて、ノ
ード18もやはり+0.7ボルトである。P−i−Nダ
イオード10は、+0.7ボルトと接地の間で接続さ
れ、ノード18から接地へ短絡された低インピーダンス
となる。インクジェット中のトランスジューサがRF信
号の全電圧スイング(振れ)を認めるとインクジェット
が起動する。
高電圧ドライバ16はノード20を−15ボルトに駆動
する。少量の電流が抵抗器12を流れ、P−i−Nダイ
オード10はノード18に対する低静電容量オープンス
イッチとなる。インクジェットのトランスジューサがR
F信号の全電圧スイングに満たないと認めると、インク
ジェットは起動しない。
−i−Nダイオードは、効率的な動作のための正確なダ
イオード特性を有するため、RFスイッチアレーに使用
されている。分離P−i−Nダイオードを使用すると、
RFスイッチアレーのサイズもコストも増加する。分離
P−i−Nダイオードを使用する他の問題は、P−i−
Nダイオードを駆動するドライバーチップからP−i−
Nダイオードを絶縁するために、別個のRC回路が必要
であることである。RFスイッチアレーをつくるのに集
積ダイオードを使用することが好適であるが、現段階に
おいては技術的な制約があるために使用することはでき
ない。なぜならば、現在のCMOS集積ダイオードはR
Fスイッチアレーに必要な性能要件を維持することがで
きないからである。
高インピーダンス値を有し、順バイアスされると低イン
ピーダンス値を有する。しかし、これまでのCMOS技
術によりつくられたすべてのダイオードにおいては、こ
れらの2つの要件は、ドーピングプロフィールの性質に
起因して相容れないものである。ダイオードが逆バイア
スされるとインピーダンス値が高くなるということは、
ダイオードが順バイアスされるとオン抵抗値が高くな
り、もしダイオードが順バイアスされるとインピーダン
ス値が低くなるならばダイオードが逆バイアスされると
静電容量値が高くなる。さらなる問題は、普通のn+又
はp+CMOSダイオードは、低いブレークダウン(絶
縁破壊)電圧と高い静電容量値を有することである。
入ノードを使用する技術が開発されたため、これにより
分離P−i−Nダイオード特性により近いダイオード特
性を有するCMOS集積ダイオードをつくることができ
るようになった。
いダイオード特性を有する集積CMOSダイオードの導
入により、CMOS技術を使って完全な集積RFスイッ
チングをつくることができるようになった。
主な目的は、集積高電圧CMOSダイオードを含むCM
OS回路を有する集積RFスイッチングセルの製造方法
を提供することである。
は集積高電圧CMOSダイオードを含む集積RFスイッ
チングセルが提供される。すなわち、CMOS集積RF
スイッチであって、 a)RF信号インプットノードを有し、b)ロジカルイ
ンプットノードを有し、c)アノード、カソード及び電
荷注入ノードを備え、カソードが該RF信号インプット
に接続され、該アノードが接地されているダイオードを
有し、d)負の信号から少なくとも0ボルト信号まで駆
動することができるインプット及びアウトプットを備え
た電荷注入ノードドライバを有し、該電荷注入ノードド
ライバインプットは該ロジカルインプットに接続され、
該電荷注入ノードドライバアウトプットは該ダイオード
の電荷注入ノードに接続されており、e)インプット及
びアウトプットを備えた高電圧レベルトランスレータを
有し、該高電圧レベルトランスレータのインプットは該
ロジカルインプットに接続されており、f)インプット
及びアウトプットを備えた高電圧ドライバを有し、該高
電圧ドライバインプットは高電圧レベルトランスレータ
のアウトプットに接続され、g)高電圧ドライバアウト
プット及び該RF信号インプットの間に接続されている
RCフィルタを有する、CMOS集積RFスイッチが提
供される。
集積RFスイッチング回路を可能にするCMOS集積回
路ダイオード24の平面図を見ることができる。図3
は、図2の切断線3―3で切断したときのCMOS集積
回路ダイオード24の断面図を示す。このダイオード2
4は、既知のCMOS形成プロセスを用いて形成されて
いる;したがってダイオード24のレイアウトについて
以下詳説する。このデバイスが相補的ドーピング/技術
によるP−ウェルCMOS形成プロセスを用いて形成さ
れていることに注目するべきである。
円柱デバイスである。ダイオード24は、リングを埋め
込み(インプラントし)、p+基板42とp−エピアノ
ード26をその中心に残したp−エピ34からなる基板
にn−ウェルカソード28を形成することによって作ら
れる。n−ウェルカソード28は、深さD1で示される
約4ミクロンメートルの深さに埋め込まれているが、
3.5〜4.5ミクロンメートルの範囲内であればその
中のどこでもよい。n−ウェルカソード28は、中心線
Cから約30ミクロンメートル離れたところから始ま
り、約18ミクロンメートルの幅をもっている;しかし
中心線から約5〜40ミクロンメートルの間の位置で約
80〜30ミクロンメートルの幅を持てばよく、それら
は所望のブレークダウン特性とRFスイッチング特性に
依存して決められる。具体例として、ダイオード24は
約180ボルトのブレークダウン電圧と0.25pfの
オフ静電容量をもつ。n−ウェルカソード28は、n+
金属コンタクト36を介して電気的に接続される。n+
金属コンタクト36を用いて、n−ウェルカソード28
は金属配線38に接続される。
たダイオード24のp―エピアノード26は、図2に示
されている上面のp―エピアノードコンタクト32を介
して接地される。p+基板42は、裏面のウエハーコン
タクト(不図示)を介して接地される。図3に示されて
いるように、p―エピ34の深さは約15ミクロンメー
トル(プロセス前)であるが、約15〜25ミクロンメ
ートルの範囲であればよい。p―エピ34の深さを減ら
すと静電容量とオフインピーダンスが増大し、ブレーク
ダウン電圧が減少する。そのデバイスは、12ミクロン
メートル未満の深さでは動作しないと予想される。しか
しながら、p―エピ34の深さを増大させると、ダイオ
ード24のオンインピーダンスは増大する;従って、2
5ミクロンメートル未満の深さを保つことが望ましい。
は、不完全なリングをn−ウェルカソード28の外側に
形成しているn+注入ノード30であり、p―エピ34
領域の一部分によってn−ウェルカソード28から分離
されている。理想的には、n+注入ノード30は破断さ
れていないことが望ましい;しかし、他の回路に接続す
るためにリングを破断することが必要となる。他の設計
ではn+注入ノード30リングが破断されていなくても
よい。n+注入ノード30は約0.3ミクロンメートル
の深さに埋め込まれているが、約0.3ミクロンメート
ルから1ミクロンメートルまでの範囲であればよい。n
+注入ノード30は約6ミクロンメートル幅であるが、
約1ミクロンメートルから20ミクロンメートルまでの
値も許容される。n+注入ノード30とセンターライン
C間の距離は、どのようなブレークダウン電圧が所望さ
れるかによって変わる。2次元デバイスシミュレーショ
ンプログラム、特に、テクノロジーモデリングアソシエ
イツのメディシ(TechnologyModeling Associates' Med
ici)プログラムを用いて、上述したようなパラメータ
をダイオードの他のエレメントに用いる場合でのシミュ
レーションによれば、例えば、約15ミクロンメートル
の距離では結果として180ボルトのブレークダウン電
圧となる。n+注入ノード30が正確に動作するには、
n+注入ノード30とn−ウェルカソード28が短絡す
ることを防ぐためにn−ウェルカソード28から少なく
とも1ミクロンメートルの間隔が必要である。しかしな
がら、n+注入ノード30がn−ウェルカソード28に
接近しておかれると、ブレークダウン電圧は減少する。
従って、もし最小距離が使われるなら、ブレークダウン
電圧が非常に低くなることが予想される。
モードか逆方向バイアスモードかのいづれかにそのダイ
オードをバイアスすることによって、n+注入ノード3
0はダイオード24の特性を変える。n+注入ノード3
0が順バイアスされると、p―エピアノード26とp―
エピ34に対するn+注入ノード30に負のバイアスが
与えられる。n+注入ノード30の順バイアスにより電
子をp−エピ34とp−エピアノード26に注入する。
そのとき、n−ウェルカソード28は約−0.7Vに降
下、即ち、p−エピアノード26とp−エピ34より
0.7ボルト降下する。そして、p−エピ34とp−エ
ピアノード26に電子が存在する限り、ダイオード24
はオン状態に保たれる。順バイアスされたn+注入ノー
ド30から注入された電子は、ダイオード24のオンイ
ンピーダンスを減少させる。このバイアスとインピーダ
ンス設定特性により、ダイオードがオフ時にはそのダイ
オードは大きなRF電圧信号を扱うことができ、また、
そのダイオードがオン時にはそのダイオードは大きなR
F電流信号を扱うことができる。
えることによって、ダイオード24のオンインピーダン
スを変えることができる。電流が流れないときは、ダイ
オード24は普通の2ターミナル(端子)ダイオードと
して動作する。それは、オンインピーダンスを減らすた
めの注入電子が存在しないからである。しかしながら、
n+注入ノード30に流れる電流量が増えるとより多く
の電子が注入され、オンインピーダンスは下がる。1つ
のデバイスをテストした結果、n+注入ノード30に流
れる小電流が0.4mAのときオンインピーダンスが7
8.9オームであった。電流が3.1mAに増加する
と、オンインピーダンスは38.5オームに低下した。
電流が6.25mAに増加すると、オンインピーダンス
は35.9オームに低下した。
と、p−エピ34に対してn+注入ノード30が正バイ
アスされる。n+注入ノード30に順バイアスがかかる
と、p−エピ34には電子は注入されない。そのとき、
ダイオード24は通常どおりに動作するが、n−ウェル
カソード28とp−エピ34のドーピング値によって
は、ダイオード24は低逆バイアス静電容量をもつ。
である。RFインプットボンディングパッド50は図1
に示される従来の技術による回路のノード18に相当す
る。スイッチインプットノード54は、図1の従来技術
回路におけるノード22に相当する。図1のP-i-N ダイ
オード10は上記のように構成されるダイオード24が
取って代わっている。ダイオード24のカソードはRF
インプットボンディングパッド50に接続され、ダイオ
ード24のアノードは接地されている。ダイオード24
のn+注入ノード30はノード52においてダイオード
注入ノードドライバ60により駆動され、ダイオード注
入ノードドライバ60はスイッチインプットノード54
により制御される。
+注入ノード30を活性化したり不活性化することによ
りダイオード24を正確に動作する0ボルトから−1ボ
ルトまでの電圧を駆動することができなければならな
い。しかし、たとえば+5ボルトから−5ボルトのよう
なより大きいスイングを使うと、ダイオード24の切り
換え速度が速くなる。こうしたドライバが当業者に知ら
れている;この適用に適するある特定のCMOSドライ
バは、US特許NO.5,321,293、モジャラディ(Mojaradi)
他による”Integrated Device Having MOS Transistors
which Enable Positive and Negative Voltage Swing
s" と称する発明で、本発明にその技術が参考として含
まれるものにおいて開示されている。この例において、
ダイオード注入ノードドライバ60は、ロジカル"off"
(オフ)が受信されると+5ボルトの信号をn+注入ノ
ード30に出力し、ロジカル"on"(オン)が受信される
とノード52に5mAの電流を流しながら−1ボルトの
信号を出力する。
ノード66及びノード68間に接続される高電圧ドライ
バ62が取って代わっている。高電圧ドライバ62は、
図1の回路においては15ボルトであるのに対して75
ボルトまでを駆動する。ドライバの機能は、ダイオード
24に蓄積されたあらゆる残留少数キャリアを速やかに
取り除き、次いでダイオードを低静電容量逆バイアス領
域へバイアスすることである。
5に示すとうりである。それは2つのPMOSトランジ
スタ70、72及び75ボルトの電圧源74を含む。P
MOSトランジスタ72は、75ボルト電圧源74及び
ノード68の間に接続される。PMOSトランジスタ7
0は75ボルト電圧源及びノード66の間に接続され
る。2つのPMOSトランジスタ70、72のゲート
は、結合されていると共にノード66に結合されてい
る。
スイッチインプットノード54とノード66との間の高
電圧レベルトランスレータ( translator) 64である。
この高電圧レベルトランスレータ64は、高電圧ドライ
バ62がスイッチインプットノード54に入ってくる信
号によって正確に駆動されるよう、および高電圧ドライ
バ62が図6に示される一対のカスケードを含むまざま
な方法で実装されるように、使われる。一対のカスケー
ドは、PMOSトランジスタ76及び高電圧トランジス
タ78の2つのトランジスタを含む。2つのトランジス
タはノード66と接地の間で互いに直列に接続される。
ノード66は高電圧ノードであるため、高電圧トランジ
スタ78が接続される。高電圧トランジスタ78はまた
そのゲートを駆動するように接続されるバイアス電圧V
b を有し、それにより高電圧トランジスタ78がいつ
も”on”状態にて作動されているようになっている。
PMOSトランジスタ76はスイッチインプットノード
54上の信号によって駆動される。
ンサ58は、本質的に図1における抵抗器12及びコン
デンサ14と同じエレメントである。
ように作動する。ダイオード24がオフにされると、そ
れは大きなRF電圧を維持することになるが、しかしそ
こを流れる電流はごく僅かであるかあるいは全く流れな
い。ダイオード24がオンになると、そこに大量の電流
が流れるが、ダイオード24における電圧の降下はほと
んど生じないかあるいは全く生じない。インクジェット
を起動させるための条件として、RF電圧がインクジェ
ットによって確認されるようにダイオード24がオンさ
れることが要求される。
+注入ノード30がオンされて注入モードで作動しなけ
ればならない;したがって、ダイオード注入ノードドラ
イバ60は、−1ボルト信号をノード52及びn+注入
ノード30へ駆動するべきである。同時に、高電圧ドラ
イバ62はロー状態であるべきで、RFインプットボン
ディングパッド50を高電圧に駆動してはならない。ダ
イオード24がRFインプットボンディングパッド50
を−0.7ボルトの電圧に設定すると、RFインプット
ボンディングパッド50と接地との間には負電圧が生じ
る。
いときには、逆の状況が要求される。ダイオード24は
オフでなければならず、それによって大きなRF電圧降
下を維持しながら、電流はほとんど流れないことにな
る。この場合、n+注入ノード30は、注入モードで作
動してはならない。n+注入ノード30をオフにするた
め、ダイオード注入ノードドライバ60は0ボルト又は
それ以上の電圧を駆動しなければならず、この例におい
ては+5ボルトの電圧へノード52及びn+注入ノード
30を駆動する。同時に、高電圧ドライバ62はオン状
態にしてRFインプットボンディングパッド50を高電
圧に駆動しなければならない。
50に沿ってダイオード24、コンデンサ58、接地金
属56及びn−ウェル抵抗器46を含むRFスイッチン
グサブ回路44の平面配置図で、RFスイッチングサブ
回路44に使われる空間節約レイアウト技術を図示する
ためのものである。
ボンディングパッド50の真下に構成される。これによ
りダイオード24とRFインプットボンディングパッド
50を接続する金属線の長さが減少されるので、ダイオ
ード24と、RFインプットボンディングパッド50
と、接地との間の寄生静電容量が減少する。寄生静電容
量はダイオード24のオフインピーダンスを減少するの
で、これによりダイオード24のオフインピーダンスを
できるだけ大きく保つことができる。
ウェル抵抗器を使って構成され、コンデンサ58はこれ
を創造するために接地金属56上にノード68のための
拡張ルート金属を使って構成される。通常は、これらの
2つのコンポーネントは2つ別々に構成されたデバイス
として配置される;しかし、寄生静電容量を利用する
と、コンデンサ58は別々のエレメントとして構成され
る必要がなくなる。
ードの平面図である。
積回路ダイオードの断面図である。
オードを使ったRFスイッチング回路の概略線図であ
る。
る高電圧ドライバー回路の概略線図である。
る一対のカスケードの概略線図である。
ングサブ回路の平面図である。
Claims (1)
- 【請求項1】 CMOS集積RFスイッチであって、 a)RF信号インプットノードを有し、 b)ロジカルインプットノードを有し、 c)アノード、カソード及び電荷注入ノードを備え、カ
ソードが該RF信号インプットに接続され、該アノード
が接地されているダイオードを有し、 d)負の信号から少なくとも0ボルト信号まで駆動する
ことができるインプット及びアウトプットを備えた電荷
注入ノードドライバを有し、該電荷注入ノードドライバ
インプットは該ロジカルインプットに接続され、該電荷
注入ノードドライバアウトプットは該ダイオードの電荷
注入ノードに接続されており、 e)インプット及びアウトプットを備えた高電圧レベル
トランスレータを有し、該高電圧レベルトランスレータ
のインプットは該ロジカルインプットに接続されてお
り、 f)インプット及びアウトプットを備えた高電圧ドライ
バを有し、該高電圧ドライバインプットは高電圧レベル
トランスレータのアウトプットに接続され、 g)高電圧ドライバアウトプット及び該RF信号インプ
ットの間に接続されているRCフィルタを有する、 CMOS集積RFスイッチ。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US746589 | 1996-11-12 | ||
US08/746,589 US5786722A (en) | 1996-11-12 | 1996-11-12 | Integrated RF switching cell built in CMOS technology and utilizing a high voltage integrated circuit diode with a charge injecting node |
Publications (2)
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