RU2076393C1

RU2076393C1 - Microwave integrated circuit

Info

Publication number: RU2076393C1
Authority: RU
Inventors: В.Г. Божков; В.А. Геннеберг; В.Н. Романовская
Original assignee: Научно-исследовательский институт полупроводниковых приборов
Priority date: 1992-05-14
Filing date: 1992-05-14
Publication date: 1997-03-27

Abstract

FIELD: semiconductor engineering; integrated circuits, primarily of extremely high-frequency range, especially in its short-wave part. SUBSTANCE: microwave integrated circuit has sections of transmission lines, matching components, active and passive elements formed on insulated chips. In addition, it has isolated sections of thin-layer dielectric material which brace circuit components together. Provision is made for replacing chips on semi-insulating substrate by those on highly doped substrate. When size of monolithic circuit is small, use may be made of one section of thin-layer dielectric material for bracing its components together. EFFECT: improved design. 2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к полупроводниковой электронике и может быть использовано при создании интегральных схем СВЧ и прежде всего схем миллиметрового диапазона длин волн. The invention relates to semiconductor electronics and can be used to create microwave integrated circuits and, above all, millimeter wavelength circuit designs.

Известны монолитные интегральные схемы СВЧ, выполненные на арсенидо-галлиевой полуизолирующей подложке, на поверхность которой нанесены эпитаксиальные слои, необходимые для формирования активных элементов (см. например, Арсенид галлия в микроэлектронике, Перев. с англ. под ред. В.Н. Мордковича, М. Мир, 1988, гл.5). Пассивные элементы и элементы линий передачи сформированы непосредственно на полуизолирующей подложке. Monolithic microwave integrated circuits are known that are made on a gallium arsenide semi-insulating substrate, on the surface of which epitaxial layers are deposited, which are necessary for the formation of active elements (see, for example, gallium arsenide in microelectronics, Translated from English under the editorship of V.N. Mordkovich, M. Mir, 1988, ch. 5). Passive elements and elements of transmission lines are formed directly on a semi-insulating substrate.

Монолитные интегральные схемы созданы и в ММДВ. Известна, например, схема монолитного балансного смесителя (B J Clifton and RW Chick Balauced monolithic mixer us at 44 bHz 10 Jut. Couf. Jufrared and Millim. Wawes Dig. Couf. 1985, р. 273), выполненного на арсенидо-галлиевом чипе размерами 5х2,5 мм с полуизолирующей подложкой, содержащего балансную диодную пару и элементы линий передачи и согласования с каналами сигнала, гетеродина и промежуточной частоты. Арсенидогаллиевый чип крепится в конаровый держатель, а затем, в волноводный узел (устройство, корпус). Недостатком такой монолитной схемы является то, что потери СВЧ мощности в полуизолирующем GaAs выше чем, например, в кварце и растут с повышением частоты. Кроме того, монолитная схема в виде чипа очень трудоемка при монтаже в устройство. Monolithic integrated circuits were also created in MMDV. For example, there is a known scheme of a monolithic balanced mixer (BJ Clifton and RW Chick Balauced monolithic mixer us at 44 bHz 10 Jut. Couf. Jufrared and Millim. Wawes Dig. Couf. 1985, p. 273), made on a 5x2 gallium arsenide chip , 5 mm with a semi-insulating substrate containing a balanced diode pair and elements of the transmission lines and matching with the signal channels, the local oscillator and the intermediate frequency. The gallium arsenide chip is mounted in a konar holder, and then in a waveguide assembly (device, housing). The disadvantage of such a monolithic scheme is that the microwave power loss in a semi-insulating GaAs is higher than, for example, in quartz and grow with increasing frequency. In addition, a monolithic circuit in the form of a chip is very laborious when mounted in a device.

Предлагаемое изобретение позволяет устранить указанные недостатки прототипа. Первый недостаток (дополнительные потери СВЧ мощности) устраняется использованием для скрепления схемы в единое целое участков тонкослойного диэлектрика, предварительно нанесенного на пластину. В присутствии таких скрепляющих участков диэлектрика может быть устранен и другой недостаток прототипа. Он устраняется заменой дорогостоящего материала на полуизолирующей подложке (-n⁺ n-типа) более дешевым материалом на высоколегированной подложке. При этом устраняется и паразитная емкость, обусловленная полуизолирующей подложкой. Подчеркнем, что достоинства прототипа прочность схемы и простота монтажа сохраняются в предлагаемой конструкции схемы.The present invention allows to eliminate these disadvantages of the prototype. The first drawback (additional loss of microwave power) is eliminated by using sections of a thin-layer dielectric previously applied to the plate to fasten the circuit into a single unit. In the presence of such bonding portions of the dielectric, another disadvantage of the prototype can be eliminated. It is eliminated by replacing expensive material on a semi-insulating substrate (-n ⁺ n-type) with cheaper material on a highly alloyed substrate. In this case, the parasitic capacitance caused by the semi-insulating substrate is also eliminated. We emphasize that the advantages of the prototype circuit strength and ease of installation are preserved in the proposed design of the circuit.

Очевидно, что изобретение может быть использовано для широкого спектра конкретных СВЧ схем. Сущность изобретения поясняется нижеследующими фигурами на примере схемы переключателя. Obviously, the invention can be used for a wide range of specific microwave circuits. The invention is illustrated by the following figures on the example of a switch circuit.

На фиг. 1 представлена интегральная схема переключателя вид с обратной стороны (со стороны подложки). Затемненные области 1, 4, 6 полупроводниковые кристаллы, выполняющие различные функции, 2 вывод для подачи обратного смещения, изолированный (отделенный) по постоянному току щелью 5 от волновода, 3 четвертьволновые отрезки щелевой линии, 7 участки тонкослойного диэлектрика. In FIG. 1 shows an integrated circuit of a switch view from the reverse side (from the substrate side). Shaded areas 1, 4, 6 semiconductor crystals that perform various functions, 2 terminal for reverse bias, isolated (separated) by direct current gap 5 from the waveguide, 3 quarter-wave lengths of the slit line, 7 sections of a thin-layer dielectric.

На фиг. 2 показана с лицевой стороны интегральная схема, закрепленная в волноводный узел (корпус). Обозначения прежние. In FIG. 2 shows an integrated circuit mounted on a waveguide assembly (housing) on the front side. Designations are the same.

На фиг. 3 представлена интегральная схема переключателя (вид с лицевой стороны), скрепленная одним участком диэлектрика. Схема крепится в Е-плоскости волновода с помощью металлизации 8, которая зажимается между двумя половинками волноводного узла. In FIG. Figure 3 shows the integrated circuit of the switch (front view), fastened by one section of the dielectric. The circuit is mounted in the E-plane of the waveguide using metallization 8, which is clamped between the two halves of the waveguide assembly.

На кристаллах сформированы активные элементы диоды, с барьером Шоттки (ДБШ). ДБШ попарно (левая пара и правая пара) включены в противоположных направлениях. On the crystals, active elements are formed diodes with a Schottky barrier (DBS). DBL in pairs (left pair and right pair) are included in opposite directions.

На кристаллах 4 сформированы емкости (на основе МДП структур или ДБШ), обеспечивающие низкое сопротивление по СВЧ-сигналу. On crystals 4, capacitances are formed (based on MIS structures or DBL), which provide low resistance to the microwave signal.

Участки тонкослойного диэлектрика 7 служат для скрепления схемы и придания ей прочности и не имеют другого (функционального) назначения. The sections of the thin-layer dielectric 7 serve to fasten the circuit and give it strength and do not have another (functional) purpose.

Кристаллы 6 выполняют вспомогательную роль. Они служат для установки схемы в волноводном узле в фиксированном положении (фиг. 2), чтобы исключить ее смещение при окончательном закреплении с помощью сварки, термокомпрессии или другим методом. Crystals 6 play a supporting role. They serve to install the circuit in the waveguide assembly in a fixed position (Fig. 2) in order to exclude its displacement during final fastening by welding, thermal compression, or another method.

Толщина золотой металлизации схемы составляет обычно 6-8 мкм. Более тонкая металлизация легко деформируется и затрудняет сварку (монтаж в корпусе). При больших толщинах металлизации она становится слишком жесткой. The thickness of the gold metallization scheme is usually 6-8 microns. Thinner metallization easily deforms and makes welding difficult (installation in the housing). With large thicknesses of metallization, it becomes too stiff.

Схема крепится в Е-плоскости волновода к одной из половинок волноводного узла (фиг. 2). Поскольку толщина схемы (металлизации) достаточно мала, нет необходимости в специальной выемке для схемы. Это значительно упрощает окончательную сборку узла:схема может быть закреплена между двумя половинками узла даже простым механическим прижимом, без приварки или термокомпрессии к одной из них. The circuit is attached in the E-plane of the waveguide to one of the halves of the waveguide assembly (Fig. 2). Since the thickness of the circuit (metallization) is quite small, there is no need for a special recess for the circuit. This greatly simplifies the final assembly of the assembly: the circuit can be fixed between the two halves of the assembly even with a simple mechanical clamp, without welding or thermal compression to one of them.

Функционирование переключателя осуществляется по обычной схеме. При подаче СВЧ мощности по каналу I (вход), фиг. 2, мощность направляется в канал II, если диоды левой ветви схемы включены в обратном направлении (при этом диоды правой ветви схемы включены в прямом направлении, что приводит к отражению сигнала из-за закорачивания волноводного канала). И наоборот, мощность направляется по каналу III, если полярность смещения меняется на обратную. Четвертьволновые отрезки щелевых линий служат для согласования сопротивления волноводного канала и диодов. Размеры схемы составляют λ_в/2• λ_в/2 (λ_в длина волны СВЧ-сигнала в волноводе).The operation of the switch is carried out according to the usual scheme. When applying microwave power through channel I (input), FIG. 2, the power is directed to channel II if the diodes of the left branch of the circuit are turned on in the opposite direction (while the diodes of the right branch of the circuit are turned on in the forward direction, which leads to reflection of the signal due to shorting of the waveguide channel). Conversely, power is routed through channel III if the polarity of the bias is reversed. The quarter-wave segments of the slit lines serve to match the resistance of the waveguide channel and diodes. The dimensions of the circuit are λ _in / 2 • λ _in / 2 (λ _in the wavelength of the microwave signal in the waveguide).

Способ создания СВЧ-схемы может быть следующим. A method of creating a microwave circuit may be as follows.

В качестве полупроводникового материала используются арсенидо-галлиевые структуры n⁺-n-типа на высоколегированной (≥ 2. 10¹⁸ см^-3) n⁺-подложке с параметрами рабочего n-слоя: n (5 ^oC 10)•10¹⁶ см^-3, толщина 01-0,3 мкм. На этой пластине известными методами формируются диоды с барьером Шоттки (БШ) с планарными выводами.As a semiconductor material, gallium arsenide structures of n ⁺ -n type on a highly doped (≥ 2. 10 ¹⁸ cm ^-3 ) n ⁺ substrate with the parameters of the working n-layer are used: n (5 ^o C 10) • 10 ¹⁶ cm ^{- 3} , the thickness is 01-0.3 microns. Diodes with a Schottky barrier (BS) with planar leads are formed on this plate by known methods.

Для формирования планарных ДБШ может быть использован с небольшими отклонениями способ, описанный в ст. D.G.Gardfield, E.J.Matsauch, W.L.Bishop, Desigtin, fabrication and testing of novel planar Schott. Ky barrier diode for millimeter and Submillimeter wavelengths. IEEE Southeast can. Knoxville. Tevn. 1988, Couf. Proc. N Y, p.154-160. To form planar DBL, the method described in Art. D.G. Guardfield, E.J. Matsauch, W. L. Bishop, Desigtin, fabrication and testing of novel planar Schott. Ky barrier diode for millimeter and Submillimeter wavelengths. IEEE Southeast can. Knoxville Tevn. 1988, Couf. Proc. N Y, p. 154-160.

Согласно этому способу БШ и омический контакт формируется во вскрытых в SiO₂ окнах путем нанесения металлизации Pt-Gr-Au и Su/Ni-Ni-Au, соответственно. Металлизация Cr-Au наносится на всю пластину и служит для формирования ДБШ и топологии остальной схемы одновременно. Для этого проводится фотолитография и электрохимическое осаждение золота в окна, вскрытые в фоторезисте. При этом формируется полосковый вывод 2 (фиг. 1), служащий для подачи постоянного смещения и элементы щелевых линий 3. Подслой Cr-Au стравливается после формирования топологии и удаления фоторезиста. Затем на всю поверхность пластины наносится известным методом слой диэлектрика (полиимида) толщиной 5 8 мкм и формируются с помощью фотолитографии участки диэлектрика 7, фиг. 1.According to this method, a BS and an ohmic contact are formed in windows opened in SiO ₂ by applying metallization Pt-Gr-Au and Su / Ni-Ni-Au, respectively. Metallization of Cr-Au is applied to the entire plate and serves to form the DBL and the topology of the rest of the circuit at the same time. To do this, photolithography and electrochemical deposition of gold into the windows opened in the photoresist are performed. In this case, a strip terminal 2 is formed (Fig. 1), which serves to supply constant bias and slotted line elements 3. The Cr-Au sublayer is etched after the formation of the topology and removal of the photoresist. Then, a dielectric layer (polyimide) with a thickness of 5-8 μm is applied on the entire surface of the plate by a known method and dielectric sections 7 are formed using photolithography, FIG. one.

Далее пластина крепится лицевой стороной на держатель (керамическую пластину) и проводится утоньшение пластины (подложки) до толщины 25 30 мкм. После этого с помощью фотолитографии и совмещения в инфракрасном свете с обратной стороны формируются кристаллы 1, 4, 6. Вся остальная часть подложки стравливается, при этом происходит разделение пластины на отдельные схемы, целостность и прочность которых достигается благодаря участкам диэлектрика 7, фиг. 2. Next, the plate is attached with its face to the holder (ceramic plate) and thinning the plate (substrate) to a thickness of 25 to 30 μm. After that, using photolithography and infrared alignment, crystals 1, 4, 6 are formed on the back side. The entire remaining part of the substrate is etched, and the plate is divided into separate circuits, the integrity and strength of which is achieved due to the areas of the dielectric 7, FIG. 2.

После разделения схемы крепятся в Е-плоскости волновода к одной из половинок волноводного узла, фиг. 2. Кристаллы 6 и 4 позволяют закреплять схему таким образом, чтобы исключить ее сдвиг при случайных толчках и касаниях инструмента. Поскольку толщина схемы достаточно мала (6 8 мкм), сборку можно осуществить механическим прижимом обеих половинок волноводного узла после предварительной приварки или термокомпрессии схемы к волноводу в заранее установленных местах. After separation, the circuits are attached in the E-plane of the waveguide to one of the halves of the waveguide assembly, FIG. 2. Crystals 6 and 4 make it possible to fix the circuit in such a way as to exclude its shift during random shocks and touches of the instrument. Since the thickness of the circuit is quite small (6-8 μm), the assembly can be carried out by mechanical clamping of both halves of the waveguide assembly after preliminary welding or thermal compression of the circuit to the waveguide in predetermined places.

Естественно, что предлагаемая конструкция схемы точно так же реализуема и на материале с полуизолирующей подложкой, если по каким-либо причинам предпочтение отдается материалу с полуизолирующей подложкой. По отношению к прототипу преимущество есть и в этом случае. Оно связано с исключением потерь СВЧ мощности в кристаллах, выполняющих вспомогательные функции скрепления схемы. Эти кристаллы заменяются участками диэлектрика с малыми потерями. Naturally, the proposed design of the circuit is just as realizable on a material with a semi-insulating substrate, if for some reason preference is given to a material with a semi-insulating substrate. In relation to the prototype, there is an advantage in this case. It is associated with the exclusion of microwave power losses in crystals that perform auxiliary functions of fastening the circuit. These crystals are replaced by low-loss dielectric regions.

Использование нескольких участков диэлектрика, изолированных друг от друга для скрепления схемы и придания ей прочности рационально при относительно больших размерах схемы. Если же размеры схемы малы (коротковолновая часть миллиметрового диапазона, субмиллиметровый диапазон), то можно ограничиться одним участком диэлектрика, фиг. 3, покрывающим основную часть схемы. При этом края схемы 8, с помощью которых схема крепится в Е-плоскости волновода и вывод 2 не покрываются диэлектриком. The use of several sections of the dielectric isolated from each other for fastening the circuit and giving it strength is rational for relatively large sizes of the circuit. If the dimensions of the circuit are small (the short-wavelength part of the millimeter range, the submillimeter range), then we can confine ourselves to one section of the dielectric, Fig. 3 covering the main part of the circuit. The edges of the circuit 8, with which the circuit is mounted in the E-plane of the waveguide and pin 2 are not covered by a dielectric.

Claims

1. Microwave integrated circuit containing active and passive elements, elements of transmission and coordination lines and elements intended for installation, characterized in that the active and passive elements are made in the form of separate semiconductor crystals with metallization, elements of transmission and coordination lines and elements, designed for installation, made in the form of separate sections of metallization, which are a monolithic continuation of the metallization of crystals, while on the metallization side the circuit is equipped with one or more sections E thin-layer insulator connecting the separate parts interconnected metallization and metallization elements intended for mounting, protrude beyond the dielectric thin layer.

2. The microwave circuit according to claim 1, characterized in that it is equipped with elements for fixing its location, made in the form of separate semiconductor crystals.