DC～40 GHz反射型GaAs MMIC SPST開關(guān)

0 引言
    隨著GaAs MMIC技術(shù)的發(fā)展和成熟，人們對(duì)高性能、小型化、超寬帶開關(guān)的要求越來越迫切。GaAs MMIC開關(guān)具有開關(guān)速度快、插損小、可靠性高、驅(qū)動(dòng)功耗幾乎為零、體積小等特點(diǎn)，能夠滿足工程應(yīng)用的系列要求。SPST開關(guān)作為電子系統(tǒng)中射頻信號(hào)調(diào)制、信號(hào)通斷的元件，現(xiàn)今在實(shí)際工程中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。
    本文系統(tǒng)地介紹了一種單片SPST開關(guān)電路研制過程。SPST開關(guān)電路結(jié)構(gòu)采用具有寬頻帶的三并FET器件結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)具有低插入損耗和寬頻帶等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，對(duì)比不同的通孔數(shù)量，分析了通孔電感對(duì)電路性能的影響。

1 寬帶單片SPST開關(guān)的設(shè)計(jì)
1．1 開關(guān)FET器件的工作原理
    開關(guān)設(shè)計(jì)過程中，主要使用的元器件是開關(guān)FET器件、微帶拐角和微帶傳輸線等。開關(guān)FET器件是核心元件，器件的襯底材料、物理參數(shù)和工藝制作直接影響開關(guān)FET的微波性能。FET開關(guān)器件是一種三端口壓控電阻，柵偏置電壓Vg控制開關(guān)的狀態(tài)，控制溝道中源漏電阻的大小。分析文獻(xiàn)得出，本征柵源電容和漏柵電容、器件的寄生參數(shù)限制FET開關(guān)的高頻性能。開關(guān)FET器件等效電路如圖1所示。

    圖中的Cps、Cpd、Ls、Ld和Lf為器件寄生電容和電感，Rg為柵隔離電阻。Rds和Cg在開態(tài)和關(guān)態(tài)有不同的值。所有元件都表征為器件柵寬和柵指數(shù)的函數(shù)。理想情況下，Rds和器件總柵寬成反比例關(guān)系，Cg和器件總柵寬成正比例關(guān)系。
1. 2 開關(guān)FET器件在片測(cè)試及建模
    在整個(gè)研制過程中，開關(guān)FET器件模型是電路設(shè)計(jì)工作的保障，而且是一個(gè)持續(xù)的、不斷修正的過程。本開關(guān)單片使用的開關(guān)器件模型是基于器件的在片測(cè)試結(jié)果所提取的小信號(hào)模型。首先針對(duì)建模器件測(cè)試圖形設(shè)計(jì)專用TRL(直通＼反射＼傳輸線)在片校準(zhǔn)圖形，采用該校準(zhǔn)圖形對(duì)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀E8363B進(jìn)行在片校準(zhǔn)，測(cè)量器件不同柵壓情況下的小信號(hào)S參數(shù)。然后，用建模軟件對(duì)開關(guān)FET器件等效電路模型所需的參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，擬合測(cè)試所得到的小信號(hào)S參數(shù)，得到模型的參數(shù)值。
    同時(shí)，在前期研制工作中，對(duì)TRL(thru，reflect，line)校準(zhǔn)方式進(jìn)行了相關(guān)的理論分析。TRL校準(zhǔn)是準(zhǔn)確度比SOLT校準(zhǔn)更高的一種校準(zhǔn)方式。通常來說，TRL標(biāo)準(zhǔn)件的要求如下：
    (1)直通標(biāo)準(zhǔn)件：電氣長(zhǎng)度不為O時(shí)，直通標(biāo)準(zhǔn)件的特性阻抗必須和延遲線標(biāo)準(zhǔn)件相同，無須知道損耗，當(dāng)群延時(shí)設(shè)為0 ps時(shí)，參考測(cè)量面位于直通標(biāo)準(zhǔn)件的中間；(2)反射標(biāo)準(zhǔn)件：反射系數(shù)的相位必須在正負(fù)90°以內(nèi)，反射系數(shù)最好接近1，所有端口上的反射系數(shù)必須相同；(3)傳輸線標(biāo)準(zhǔn)件：傳輸線的特性阻抗作為測(cè)量時(shí)的參考阻抗，系統(tǒng)阻抗定義為和延遲線特性阻抗一致。延遲線和直通之間的插入相位差值必須在20°～160°，如果相位差值接近0°或者180°時(shí)，由于正切函數(shù)的特性，很容易造成相位模糊。
    開路標(biāo)準(zhǔn)件實(shí)現(xiàn)起來最容易，但是由于開路標(biāo)準(zhǔn)件存在邊緣電容效應(yīng)，所以還通過3D-EM仿真來獲得開路標(biāo)準(zhǔn)件的邊緣電容。本電路建模時(shí)，專用TRL校準(zhǔn)圖形如圖2所示。

    本寬帶低插損開關(guān)電路對(duì)開關(guān)FET器件模型的提取提出更高的要求，模型的頻率響應(yīng)要求更高。實(shí)測(cè)模型小信號(hào)S參數(shù)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度，直接影響模型的精度。本文還對(duì)引起測(cè)量誤差的幾種情況進(jìn)行了分析。通常，網(wǎng)絡(luò)分析儀的誤差可以分為漂移誤差、隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差三類。漂移誤差主要是由溫度變化造成的，可通過重新校準(zhǔn)來消除；隨機(jī)誤差主要是由儀器的噪聲、開關(guān)的重復(fù)性和射頻電纜接頭的重復(fù)性引起的。降低隨機(jī)誤差的最好方法是減小中頻帶寬或多次掃描下進(jìn)行示跡平均，但測(cè)量的時(shí)間將受到影響；系統(tǒng)誤差是測(cè)量不確定度的重要來源。
    圖3是2×50μm FET器件傳輸特性和反射特性的實(shí)測(cè)和模型對(duì)比情況。從圖中可以看出在DC～40 GHz的頻率內(nèi)，模型參數(shù)取得非常滿意的擬合結(jié)果。

1．3 SPST電路的設(shè)計(jì)
    在電路設(shè)計(jì)過程中，采用分布參數(shù)的原理圖和電磁場(chǎng)仿真相結(jié)合的方法，開展了電路設(shè)計(jì)。SPST的電原理圖如圖4所示。電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用三并聯(lián)器件結(jié)構(gòu)，該種結(jié)構(gòu)只需一個(gè)控制端來實(shí)現(xiàn)開關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷。

    在分布參數(shù)的原理圖設(shè)計(jì)過程中，當(dāng)取得滿意的設(shè)計(jì)結(jié)果，將設(shè)計(jì)參數(shù)在版圖中實(shí)現(xiàn)，進(jìn)行電磁場(chǎng)分析，充分考慮無源電路部分的色散、輻射和耦合等影響，進(jìn)而彌補(bǔ)電原理圖設(shè)計(jì)精度的不足。圖5是寬帶SPST電磁場(chǎng)分析時(shí)網(wǎng)格的部分情況。

    為提高電路設(shè)計(jì)成功率，采用電磁場(chǎng)分析對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析和修正。電路中除開關(guān)器件外其他元件采用電磁場(chǎng)結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)，以此來保障電路設(shè)計(jì)的性能。

2 電路的工藝實(shí)現(xiàn)與制作
    采用InGaP作為腐蝕阻斷層，提高柵挖槽的均勻性。寬帶單片低插入損耗SPST開關(guān)電路采用高性能的GaAs MBE材料，開關(guān)器件柵長(zhǎng)為0．25 μm。器件柵上淀積氮化硅膜進(jìn)行鈍化以保護(hù)柵，同時(shí)單片電路的可靠性得到增強(qiáng)。
    GaAs MMIC工藝主要步驟為：材料檢測(cè)→臺(tái)面光刻→離子注入隔離→源漏歐姆接觸制作→柵光刻→柵挖槽→柵金屬化→鈍化→一次金屬制作→鈍化→二次金屬互連→背面減薄→背面通孔→背面金屬化→分片。
    本單片電路中的無源元件主要是微帶傳輸線，微帶傳輸線的形貌對(duì)開關(guān)的性能會(huì)產(chǎn)生影響，在工藝加工過程中要嚴(yán)格控制電鍍工藝。同時(shí)，版圖設(shè)計(jì)過程中，避免工藝加工過程暴露GaAs材料，導(dǎo)致電化學(xué)效應(yīng)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論
    寬帶單片SPST開關(guān)芯片的芯片面積為1．1 mm2。圖6是兩種不同通孔連接方式的芯片照片。

    本電路測(cè)試采用微波在片測(cè)試，插入損耗、隔離度和開態(tài)駐波比測(cè)試結(jié)果見圖7。圖7(a)、(c)、(e)為雙接地孔測(cè)試結(jié)果，圖7(b)、(d)、(f)為單接地孔測(cè)試結(jié)果。

    從圖7可知，通孔電感對(duì)SPST開關(guān)的高頻性能有較大的影響，尤其是插入損耗和駐波特性等指標(biāo)。合理的增加通孔數(shù)量對(duì)提高電路性能有明顯的作用。通常，通孔對(duì)地的寄生電感量為二十幾皮亨，當(dāng)兩個(gè)通孔對(duì)地并聯(lián)時(shí)，電感值減小近50％。

4 結(jié)語
    本項(xiàng)目中采用專用TRL校準(zhǔn)圖形進(jìn)行儀器校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)傳輸特性的相位歸零，從而獲得更高精度的器件模型精度。同時(shí)，分析了兩種情況的通孔形式對(duì)高頻微波性能的影響，實(shí)驗(yàn)取得滿意的結(jié)果。