RU94765U1

RU94765U1 - Microwave power limiter

Info

Publication number: RU94765U1
Application number: RU2010104470/22U
Authority: RU
Inventors: Геннадий Исаакович Айзенштат; Евгений Александрович Монастырев; Алексей Юрьевич Ющенко
Original assignee: Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт полупроводниковых приборов" (ОАО "НИИПП")
Priority date: 2010-02-09
Filing date: 2010-02-09
Publication date: 2010-05-27

Abstract

Ограничитель СВЧ мощности, выполненный в виде монолитной интегральной схемы на полуизолирующей подложке и содержащий на входе группу pin-диодов, соединенных с группой диодов на выходе схемы, через отрезок микрополосковой линии, отличающийся тем, что выходные диоды выполнены в виде диодов Шоттки на отдельных мезаструктурах, состоящих из следующей последовательности слоев: слоя p+-типа проводимости, лежащего на полуизолирующей подложке, слоя i-типа проводимости (либо ν-, либо π-типов), слоя n+-типа, поверх которого выращен слой n-типа проводимости, причем омический контакт к этим диодом создан к слою n+-типа, а барьеры Шоттки к слою n-типа. The microwave power limiter, made in the form of a monolithic integrated circuit on a semi-insulating substrate and containing at the input a group of pin diodes connected to a group of diodes at the circuit output, through a piece of microstrip line, characterized in that the output diodes are made in the form of Schottky diodes on separate mesostructures, consisting of the following sequence of layers: a p + -type conductivity layer lying on a semi-insulating substrate, an i-type conductivity layer (either ν- or π-types), an n + -type layer over which an n-type conductive layer is grown ti, and the ohmic contact to this diode is created to the n + -type layer, and the Schottky barriers to the n-type layer.

Description

Полезная модель относится к СВЧ монолитным интегральным схемам с pin-диодами и предназначена для использования в качестве защитных схем в устройствах, содержащих малошумящие усилители.The utility model relates to microwave monolithic integrated circuits with pin diodes and is intended for use as protective circuits in devices containing low-noise amplifiers.

Широко известны монолитные интегральные схемы СВЧ-устройств, содержащие pin-диоды из арсенида галлия [1]. В этих схемах pin-диоды выполнены в виде двухуровневой меза-структуры на полуизолирующей подложке, причем слой n⁺-типа проводимости в диодах сформирован непосредственно на полуизолирующей подложке, поверх которого создан слой i-типа (либо ν, либо π-типа), на котором, в свою очередь, выращен слой p⁺-типа проводимости. К слоям n⁺- и p⁺-типов сформированы омические контакты. Недостаток известных конструкций интегральных схем обусловлен указанной последовательностью полупроводниковых слоев, при которой сложно реализовать интегральные схемы с другими активными элементами.Monolithic integrated circuits of microwave devices containing pin diodes from gallium arsenide are widely known [1]. In these schemes, pin diodes are made in the form of a two-level mesa structure on a semi-insulating substrate, and the n ⁺ type conductivity layer in the diodes is formed directly on the semi-insulating substrate, on top of which an i-type layer (either ν or π type) is created, on which, in turn, has grown a layer of p ⁺ type conductivity. Ohmic contacts are formed to the layers of n ⁺ and p ⁺ types. The disadvantage of the known designs of integrated circuits is due to the indicated sequence of semiconductor layers, in which it is difficult to implement integrated circuits with other active elements.

Известна монолитная интегральная схема ограничителя мощности TGL2201, разработанная фирмой TriQuint Semiconductor [2]. Известный аналог выполнен на полуизолирующей подложке из арсенида галлия и содержит два pin-диода на входе интегральной схемы и два pin-диода на выходе схемы. Входная пара диодов, включена встречно-параллельно между микрополоском и «землей», также как и пара выходных диодов. Входные и выходные пары диодов соединены отрезком микрополосковой линии. В данной схеме pin-диоды выполнены в виде меза-структур на полуизолирующей подложке, причем слой n⁺-типа проводимости в диодах сформирован непосредственно на полуизолирующей подложке, поверх которого создан слой i-типа (либо ν, либо π-типа), на котором выращен слой p⁺-типа проводимости. К слоям n⁺- и p⁺-типов сформированы омические контакты. Недостаток такой конструкции монолитной интегральной схемы заключается в том, что в нее нельзя ввести другие активные элементы, например, диоды с барьером Шоттки для снижения уровня просачивающейся мощности в режиме ограничения сигнала.Known monolithic integrated circuit power limiter TGL2201, developed by TriQuint Semiconductor [2]. The known analogue is made on a semi-insulating gallium arsenide substrate and contains two pin diodes at the input of the integrated circuit and two pin diodes at the output of the circuit. The input pair of diodes is turned on in parallel between the microstrip and the ground, as well as the pair of output diodes. Input and output pairs of diodes are connected by a piece of microstrip line. In this scheme, pin diodes are made in the form of mesa structures on a semi-insulating substrate, and the n ⁺ type conductivity layer in the diodes is formed directly on the semi-insulating substrate, on top of which an i-type (either ν or π-type) layer is created on which a layer of p ⁺ type conductivity is grown. Ohmic contacts are formed to the layers of n ⁺ and p ⁺ types. The disadvantage of this design of a monolithic integrated circuit is that it cannot be inserted into other active elements, for example, diodes with a Schottky barrier to reduce the level of leaking power in the signal limiting mode.

Наиболее близким аналогом предлагаемой полезной модели является монолитная интегральная схема ограничителя, рассмотренная в работе [3]. Прототип [3] выполнен на полуизолирующей подложке из арсенида галлия и содержит группу pin-диодов на входе интегральной схемы и группу pin-диодов на выходе схемы. Входные и выходные диоды соединены отрезком микрополосковой линии, размер которой равен четверти длины волны входного СВЧ сигнала. В данной схеме pin-диоды выполнены в виде меза-структур на полуизолирующей подложке, причем слой n⁺-типа проводимости в диодах сформирован непосредственно на полуизолирующей подложке, поверх которого создан слой i-типа (либо ν, либо π-типа), на котором выращен слой p⁺-типа проводимости. К слоям n⁺- и p⁺-типов сформированы омические контакты. Недостаток такой конструкции монолитной интегральной схемы заключается в том, что в нее нельзя ввести другие активные элементы, например, диоды с барьером Шоттки для снижения уровня просачивающейся мощности в режиме ограничения сигнала.The closest analogue of the proposed utility model is the monolithic integrated circuit of the limiter, considered in [3]. The prototype [3] is made on a semi-insulating gallium arsenide substrate and contains a group of pin diodes at the input of the integrated circuit and a group of pin diodes at the output of the circuit. Input and output diodes are connected by a microstrip line segment, the size of which is equal to a quarter of the wavelength of the input microwave signal. In this scheme, pin diodes are made in the form of mesa structures on a semi-insulating substrate, and the n ⁺ type conductivity layer in the diodes is formed directly on the semi-insulating substrate, on top of which an i-type (either ν or π-type) layer is created on which a layer of p ⁺ type conductivity is grown. Ohmic contacts are formed to the layers of n ⁺ and p ⁺ types. The disadvantage of this design of a monolithic integrated circuit is that it cannot be inserted into other active elements, for example, diodes with a Schottky barrier to reduce the level of leaking power in the signal limiting mode.

Технический результат, на который направлено заявляемое решение, состоит в устранении указанного недостатка.The technical result to which the claimed solution is directed is to eliminate this drawback.

Этот результат достигается тем, что в монолитной интегральной схеме, выполненной на полуизолирующей подложке, содержащей группу входных pin -диодов, соединенных с группой диодов на выходе схемы, через отрезок микрополосковой линии, изменена последовательность слоев, выращенных на подложке и добавлен еще один слой n-типа проводимости, вследствие чего выходные диоды выполнены в виде диодов Шоттки. Они выполнены на отдельных мезаструктурах, состоящих из следующей последовательности слоев: слоя p⁺-типа проводимости, лежащего на полуизолирующей подложке, слоя i-типа проводимости (либо ν либо π-типов), слоя n⁺-типа, на котором выращен слой n-типа проводимости, причем омический контакт к этим диодом создан к слоям n⁺-типа, а барьер Шоттки к слоям n-типа.This result is achieved by the fact that in a monolithic integrated circuit made on a semi-insulating substrate containing a group of input pin diodes connected to a group of diodes at the output of the circuit through a segment of a microstrip line, the sequence of layers grown on the substrate is changed and another layer of n type of conductivity, as a result of which the output diodes are made in the form of Schottky diodes. They are made on separate mesastructures consisting of the following sequence of layers: a p ⁺ -type conductivity layer lying on a semi-insulating substrate, an i-type conductivity layer (either ν or π-types), an n ⁺ -type layer on which an n- conductivity type, and the ohmic contact to this diode is created to the n ⁺ -type layers, and the Schottky barrier to the n-type layers.

На фиг.1 схематично представлена одна из возможных конструкций предлагаемой схемы. Монолитная интегральная схема выполнена на полуизолирующей подложке 1 и содержит группу входных pin-диодов 2 и 3, соединенных с «землей» и включенных встречно параллельно. Причем pin-диоды 2 и 3 состоят из следующей последовательности слоев: слоя p⁺-типа проводимости 4, лежащего на полуизолирующей подложке 1, слоя i-типа проводимости (либо ν либо π-типов) 5 и слоя n⁺-типа 6. Диоды 2 и 3 соединены с группой выходных диодов 7 и 8 отрезком микрополосковой линии 9. В отличие от прототипа группа выходных диодов 7 и 8 заменена диодами с барьером Шоттки, которые выполнены в виде отдельных мезаструктур, состоящих из следующей последовательности слоев: слоя p⁺-типа проводимости 4, лежащего на полуизолирующей подложке 1, слоя i-типа проводимости 5 (либо ν либо π-типов), слоя n⁺-типа 6, на котором выращен новый слой, а именно, слой n-типа проводимости 10, причем омические контакты 11 к этим диодом созданы к слоям n⁺-типа 6, а барьеры Шоттки 12 к слоям n-типа 10. В интегральной схеме также созданы входной 13 и выходной 14 конденсаторы.Figure 1 schematically shows one of the possible designs of the proposed scheme. The monolithic integrated circuit is made on a semi-insulating substrate 1 and contains a group of input pin diodes 2 and 3, connected to the ground and connected in parallel. Moreover, pin diodes 2 and 3 consist of the following sequence of layers: a p ⁺ type conductivity layer 4 lying on a semi-insulating substrate 1, an i-type conductivity layer (either ν or π types) 5 and an n ⁺ type layer 6. Diodes 2 and 3 are connected to the group of output diodes 7 and 8 by a microstrip line segment 9. In contrast to the prototype, the group of output diodes 7 and 8 is replaced by Schottky barrier diodes, which are made in the form of separate mesastructures consisting of the following sequence of layers: p ⁺ -type layer conductivity 4 lying on the semi-insulating substrate 1, i-type layer rovodimosti 5 (or any ν π-type), n ⁺ -type layer 6, on which is grown a new layer, namely the layer of n-type conductivity 10, wherein the ohmic contacts 11 to the diode created to this n ⁺ -type layers 6, and Schottky barriers 12 to n-type layers 10. The input circuit 13 and the output 14 capacitors are also created in the integrated circuit.

Пример практического исполнения. Монолитная интегральная схема изготавливалась на структуре, выращенной методом газофазовой эпитаксии. В качестве подложки 1 использовалась пластина полуизолирующего арсенида галлия. На подложке 1 были выращены слои в следующей последовательности: слой p⁺-типа проводимости 4 толщиной 3 мкм, слой i-типа 5, компенсированный хромом с толщиной слоя 1,5 мкм и слой n⁺-типа проводимости 6 толщиной 1 мкм и слой n-типа проводимости 10, толщиной 0,5 мкм. С использованием стандартных приемов, включающих методы фотолитографии, мезатравления и методы напыления пленок металлов создавались входные pin-диоды 2 и 3 и выходные диоды Шоттки 7 и 8. Входные диоды соединялись между собой проводниками, висящими в воздухе в виде мостиков. Отрезок микрополосковой линии 9 из золота выполнялся непосредственно на полуизолирующей подложке.An example of practical implementation. A monolithic integrated circuit was fabricated on a structure grown by gas-phase epitaxy. As the substrate 1, a plate of semi-insulating gallium arsenide was used. The layers on the substrate 1 were grown in the following sequence: a p ⁺ type conductivity layer 4 with a thickness of 3 μm, an i-type 5 layer compensated by chromium with a layer thickness of 1.5 μm, and an n ⁺ type conductivity layer 6 with a thickness of 1 μm and an n layer - conductivity type 10, 0.5 μm thick. Using standard techniques, including photolithography, mes etching, and metal film deposition methods, input pin diodes 2 and 3 and output Schottky diodes 7 and 8 were created. Input diodes were connected by conductors hanging in the form of bridges in the air. A piece of microstrip line 9 of gold was made directly on a semi-insulating substrate.

В исходном состоянии вход и выход интегральной схемы присоединяли к стандартным микрополосковым трактам. На вход схемы подавали СВЧ сигнал. При амплитуде сигнала большей чем величина напряжения, необходимая для открытия pin-диода (~1В), часть входного сигнала отражалась от диодов 2 и 3, включенных в прямом направлении, при этом осуществлялось ограничение сигнала. Сигнал, дошедший до выходных диодов 7 и 8, ограничивается еще раз. А поскольку в нашей схеме диоды 7 и 8 являются диодами Шоттки, а у них величина напряжения, необходимая для открытия в два раза меньше, чем у pin-диодов, то в данной схеме выходной сигнал имеет существенно меньшую мощность просачивания, чем в прототипе, при том же уровне входного сигнала.In the initial state, the input and output of the integrated circuit were connected to standard microstrip paths. A microwave signal was applied to the input of the circuit. When the signal amplitude is greater than the voltage required to open the pin diode (~ 1V), part of the input signal was reflected from the diodes 2 and 3, turned on in the forward direction, while the signal was limited. The signal reaching the output diodes 7 and 8 is limited again. And since in our circuit diodes 7 and 8 are Schottky diodes, and they have the voltage required to open half as much as pin diodes, in this circuit the output signal has a significantly lower leakage power than in the prototype, when same input level.

Итак, предложена конструкция монолитной интегральной схемы ограничителя, позволяющая создавать наряду с pin-диодами другие активные элементы, например, диоды Шоттки, для снижения мощности просачивания ограничителя.So, the design of a monolithic integrated circuit of the limiter is proposed, which allows creating other active elements along with pin diodes, for example, Schottky diodes, to reduce the power of leakage of the limiter.

Источники информации.Information sources.

1. J.V.Bellantoni, D.C.Bartele, D. Payne and et. al. Monolithic GaAs p-i-n Diode Switch Circuits for High-Power Millimeter-Wave Applications // IЕЕЕ TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL.31. NO.12. DECEMBER 1989 pp.2162-2165.1. J. V. Bellantoni, D. C. Bartele, D. Payne and et. al. Monolithic GaAs p-i-n Diode Switch Circuits for High-Power Millimeter-Wave Applications // IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 31. NO.12. DECEMBER 1989 pp. 2162-2165.

2. James M. Carrol. Performance Comparison of Single and Dual Stage MMIC Limiters// 2001 IEEE MTT-S Digest, pp.1341-1344.2. James M. Carrol. Performance Comparison of Single and Dual Stage MMIC Limiters // 2001 IEEE MTT-S Digest, pp. 1341-1344.

3. D.G. Smith, D.D. Heston, J. Heston, B. Heimer, K.Decker. Designing reliable high-power limiter circuits with LIMITER GaAs PIN diodes // 2002 IEEE MTT-S Digest, pp.1245-1247.3. D.G. Smith, D.D. Heston, J. Heston, B. Heimer, K. Decker. Designing reliable high-power limiter circuits with LIMITER GaAs PIN diodes // 2002 IEEE MTT-S Digest, pp. 1245-1247.

Claims

The microwave power limiter, made in the form of a monolithic integrated circuit on a semi-insulating substrate and containing at the input a group of pin diodes connected to a group of diodes at the output of the circuit, through a piece of microstrip line, characterized in that the output diodes are made in the form of Schottky diodes on separate mesostructures, consisting of the following sequence of layers: a p ⁺ -type conductivity layer lying on a semi-insulating substrate, an i-type conductivity layer (either ν- or π-types), an n ⁺ -type layer over which an n-type layer is grown w, and the ohmic contact to this diode is created to the n ⁺ -type layer, and the Schottky barriers to the n-type layer.