专利名称：基于pin二极管的单刀单掷微波开关电路及其制作方法
技术领域：
本发明涉及微电子中微波电路技术领域，尤其涉及一种基于PIN 二极 管的单刀单掷微波开关电路及其制作方法。
背景技术：
PIN 二极管是微波控制电路中应用最普遍的一种器件，其特点是可控 功率大、插入损耗小以及可以得到近似短路和开路的良好特性，可应用于 开关电路、限幅器、移相器、衰减器和调制器等控制电路中。相对于传统的Si PIN 二极管，砷化镓(GaAs) PIN 二极管的高频特性 更为优越，因此基于GaAs的PIN 二极管微波开关在微波系统中有广泛的 应用。PIN 二极管在微波开关中的工作原理是其在不同偏置电压下表现的不 同电性能定义P型层引出电极为正极，N型层引出电极为负极。则在正 向偏压下，二极管导通阻抗很小，可以近似为短路(其等效电路为一个小 的电阻)；反向偏压下，阻抗很高，近似为开路(等效电路为一个小的电容)。通常情况下，为了获得更理想的微波性能(主要是为了获得更高的隔 离度)，基于PIN 二极管的单刀单掷微波开关采用串并联结合的方式。如图1所示，图1为目前常见的基于PIN二极管的单刀单掷开关电路的示意图。其中串联PIN 二极管和并联PIN 二极管的数量和参数由电路性能的总 体要求来决定。在图1中，当开关处于导通状态时，串联PIN二极管导通，偏置电压为正，而并联PIN二极管截止，偏置电压为负；当开关截止时，串联PIN二极管截止，并联PIN二极管导通，各个二极管所需偏置电压与开关导通 时相反。PIN 二极管的伏安特性如图2所示，图2为PIN 二极管的I一V 曲线图。由于电路PIN 二极管偏置状态不同，现有技术中通常用电容隔绝各个 PIN二极管之间的直流通路，对每个PIN二极管单独施加偏置电压。这种 电路结构存在固有的缺陷1) 额外的电容使开关微波性能恶化、电路匹配难度加大；2) 电路结构复杂，芯片面积增大。在微波单片电路中，芯片面积增 加意味着成本的提高；3) 外围控制电路复杂。在现有技术中，串并联结合结构的单刀单掷 开关至少需要两个以上的电压控制端。这意味着系统需要提供多个控制信 号才能控制开关的通断。发明内容(一)要解决的技术问题 有鉴于此，本发明的一个目的在于提供一种基于PIN 二极管的单刀单 掷微波开关电路，以改善开关电路的微波性能，降低电路的匹配难度，化电路结构及外围控制电路。本发明的另一个目的在于提供一种基于PIN 二极管的单刀单掷微波 开关电路的制作方法，以改善幵关电路的微波性能，降低电路的匹配难度， 简化电路结构及外围控制电路。(二)技术方案为达到上述一个目的，本发明提供了一种基于PIN 二极管的单刀单掷微波开关电路，该电路包括四个PIN二极管、三个限流电阻、两个隔直电 容和一个电压控制端；所述电压控制端通过第一限流电阻Rl分别与第一 PIN 二极管Dl的 正极、第二PIN二极管D2的正极、第三PIN二极管D3的负极以及第四 PIN 二极管D4的负极连接；所述第一 PIN 二极管Dl的负极分别与第一隔直电容Cl和第二限流 电阻R2连接，第一隔直电容C1的另一端接电路的输入端，第二限流电阻 R2的另一端接地；所述第二 PIN 二极管D2的负极分别与第二隔直电容C2和第三限流 电阻R3连接，第二隔直电容C2的另一端接电路的输出端，第三限流电阻 R3的另一端接地；所述第三PIN 二极管D3的正极和第四PIN 二极管D4的正极分别接地。所述第一 PIN 二极管Dl与第二 PIN 二极管D2串联连接，二者的正 极直接连接。所述第三PIN 二极管D3与第四PIN 二极管D4并联连接。 该电路关于所述电压控制端呈左右对称结构。为达到上述另一个目的，本发明提供了一种基于PIN 二极管的单刀单 掷微波开关电路的制作方法，该方法包括A、 在半绝缘的砷化镓(GaA)衬底上外延生长高掺杂的N"层；B、 在N+层上依次外延生长接近本征的高阻层I和P+层；C、 依次刻蚀减小所述高掺杂N+层、高阻I层和P+层的面积，形成台 面结构；D、 在P+层和N"层上分别蒸发金属形成PIN二极管的上电极和下电极；E、 采用RTP法完成P+层和N+层欧姆接触；F、 在GaAs圆片表面淀积氮化硅，并刻蚀淀积的氮化硅打开电极引线 窗口；G、 溅射形成金属膜电阻；H、 蒸发一次布线金属；I、 淀积氮化硅，并刻蚀淀积的氮化硅打开二次布线窗口； J、蒸发二次布线金属。步骤C中所述刻蚀采用湿法刻蚀方法实现，步骤F中所述刻蚀采用干 法刻蚀方法实现，步骤I中所述刻蚀采用干法刻蚀方法实现。 步骤H中所述蒸发的一次布线金属为电容的下电极。 步骤J中所述蒸发的二次布线金属为电容的下电极。(三)有益效果 从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果1、 本发明提供的这种基于PIN 二极管的单刀单掷微波开关电路，结 构简单，各个PIN二极管不需要用电容隔离开，避免了过多电容对电路射 频性能的负面影响，改善了开关电路的微波性能，简化了开关电路对微波 系统所提供控制电压的要求。2、 本发明提供的这种基于PIN 二极管的单刀单掷微波开关电路，简化了微波开关自身的电路结构，降低了电路的匹配难度，尤其是减少了所 需电容数量，有利于开关电路射频性能的提高。3、 本发明提供的这种基于PIN 二极管的单刀单掷微波开关电路，在 PIN二极管数量相同的情况下，元件数量比现有技术少(主要是电容数量 减少)，因此电路面积相应縮小。对单片电路来讲，该电路结构有效减小 了芯片面积，降低了成本。4、 本发明提供的这种基于PIN 二极管的单刀单掷微波开关电路的制 作方法，与该电路结构相适应，流程简单，可操作性强，适宜批量生产。
图1为目前常见的基于PIN二极管的单刀单掷开关电路的示意图； 图2为PIN二极管的I —V曲线图；图3为本发明提供的基于PIN 二极管的单刀单掷微波开关电路的拓扑图；图4为本发明提供的制作基于PIN 二极管的单刀单掷微波开关电路的方法流程图；图5为本发明提供的基于PIN 二极管的单刀单掷微波开关电路的芯片 版图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实 施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。如图3所示，图3为本发明提供的基于PIN 二极管的单刀单掷微波开 关电路的拓扑图，该电路包括四个PIN二极管(即第一PIN二极管D1、 第二PIN二极管D2、第三PIN二极管D3和第四PIN二极管D4)、三个 限流电阻(即第一限流电阻R1、第二限流电阻R2和第三限流电阻R3)、 两个隔直电容(即第一隔直电容C1、第二隔直电容C2)和一个电压控制丄山顿。所述电压控制端通过第一限流电阻Rl分别与第一 PIN 二极管Dl的 正极、第二PIN二极管D2的正极、第三PIN二极管D3的负极以及第四 PIN二极管D4的负极连接。所述第一 PIN 二极管Dl的负极分别与第一隔直电容Cl和第二限流 电阻R2连接，第一隔直电容C1的另一端接电路的输入端，第二限流电阻 R2的另一端接地。所述第二 PIN 二极管D2的负极分别与第二隔直电容C2和第三限流 电阻R3连接，第二隔直电容C2的另一端接电路的输出端，第三限流电阻 R3的另一端接地。所述第三PIN 二极管D3的正极和第四PIN 二极管D4的正极分别接地。所述第一 PIN 二极管Dl与第二 PIN 二极管D2串联连接，二者的正 极直接连接。所述第三PIN 二极管D3与第四PIN 二极管D4并联连接。 该电路关于所述电压控制端呈左右对称结构。第一PIN二极管D1、第二PIN二极管D2、第三PIN二极管D3和第 四PIN 二极管D4四个PIN 二极管共用一个电压控制端，其中两个串联PIN 二极管正极与电压控制端连接，负极分别与输入输出端隔直电容Cl、 C2 连接；两个并联PIN二极管负极与电压控制端相连，正极与地相连。第一 PIN 二极管Dl与第二 PIN 二极管D2串联，第三PIN 二极管D3 和第四PIN 二极管D4并联，串并联结合的结构使微波开关具有较好的隔 离度。电路中，第一限流电阻R1、第二限流电阻R2和第三限流电阻R3主 要作用表现在以下两个方面1) 从图2的伏安特性可知，PIN 二极管导通态电阻很小，如果直接 将控制电压加在PIN二极管两端，当控制电压出现小幅波动时，流过PIN 管的电流会出现很大的变化，容易导致电路烧毁。因此将PIN二极管与较 大电阻串联，对一定的控制电压，流过PIN二极管的电流主要由电阻值决 定，避免了电流大幅波动；2) 直流通路上串联较大电阻可以减少射频信号的泄漏，保证电路的 射频性能。第一限流电阻R1 —端与电压控制端相连，另一端与电路中心相连；第二限流电阻R2和第三限流电阻R3—端接地，另一端与串联PIN 二极管的负极相连。本发明提供的这种基于PIN 二极管的单刀单掷微波幵关电路，其工作 原理如下当电压控制端加正电压时，串联PIN二极管正极电势高于负极， 处于导通态；并联PIN二极管正极电势低于负极，处于截止状态，此时电 路处于导通状态。当电压控制端加负电压时，串联PIN二极管正极电势低 于负4及，处于截止态；并联PIN二极管正极电势高于负极，处于导通状态， 此时电路处于截止状态。本发明提供的这种基于PIN 二极管的单刀单掷微波开关电路，通过巧 妙的电路布局，使得串联PIN 二极管和并联PIN 二极管在同一控制电压控 制下分别处于不同的工作状态，从而减少了电容数量，简化了外围控制电 路。基于图3所述的本发明提供的基于PIN 二极管的单刀单掷微波开关电 路的拓扑图，以下对本发明提供的制作单刀单掷微波开关电路的方法进一 步详细说明。如图4所示，图4为本发明提供的制作基于PIN 二极管的单刀单掷微 波开关电路的方法流程图，该方法是与电路结构相适应的电路制造工艺， 具体包括以下步骤步骤401:在半绝缘GaAs衬底上外延生长高掺杂的N+层； 步骤402:在N+层上依次外延生长接近本征的高阻层I和P+层； 步骤403:采用湿法刻蚀依次刻蚀减小所述高掺杂N+层、高阻I层和P+层的面积，形成台面结构；步骤404:在P+层和N+层上分别蒸发金属形成PIN 二极管的上电极 和下电极；步骤405:采用RTP法完成P+层和N"层欧姆接触； 步骤406:在GaAs圆片表面淀积氮化硅，并采用干法刻蚀淀积的氮 化硅打开电极引线窗口；步骤407:溅射形成金属膜电阻；步骤408:蒸发一次布线金属；此时，电容下电极为一次金属； 步骤409:淀积氮化硅，并采用干法刻蚀淀积的氮化硅打开二次布线 窗口；步骤410:蒸发二次布线金属；此时，电容下电极为二次金属。关于本发明提供的制作基于PIN 二极管的单刀单掷微波开关电路的 工艺，还可以参照图5，图5为本发明提供的基于PIN二极管的单刀单掷 微波开关电路的芯片版图。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行 了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而 已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修 改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1. 一种基于PIN二极管的单刀单掷微波开关电路，其特征在于，该电路包括四个PIN二极管、三个限流电阻、两个隔直电容和一个电压控制端；所述电压控制端通过第一限流电阻(R1)分别与第一PIN二极管(D1)的正极、第二PIN二极管(D2)的正极、第三PIN二极管(D3)的负极以及第四PIN二极管(D4)的负极连接；所述第一PIN二极管(D1)的负极分别与第一隔直电容(C1)和第二限流电阻(R2)连接，第一隔直电容(C1)的另一端接电路的输入端，第二限流电阻(R2)的另一端接地；所述第二PIN二极管(D2)的负极分别与第二隔直电容(C2)和第三限流电阻(R3)连接，第二隔直电容(C2)的另一端接电路的输出端，第三限流电阻(R3)的另一端接地；所述第三PIN二极管(D3)的正极和第四PIN二极管(D4)的正极分别接地。
2、 根据权利要求1所述的基于PIN 二极管的单刀单掷微波开关电路， 其特征在于，所述第一PIN二极管(Dl)与第二PIN二极管(D2)串联 连接，二者的正极直接连接。
3、 根据权利要求1所述的基于PIN 二极管的单刀单掷微波开关电路， 其特征在于，所述第三PIN二极管(D3)与第四PIN二极管(D4)并联 连接。
4、 根据权利要求1所述的基于PIN 二极管的单刀单掷微波幵关电路， 其特征在于，该电路关于所述电压控制端呈左右对称结构。
5、 一种基于PIN 二极管的单刀单掷微波开关电路的制作方法，其特征在于，该方法包括A、 在半绝缘的砷化镓GaAs衬底上外延生长高掺杂的N+层；B、 在N+层上依次外延生长接近本征的高阻层I和P+层；C、 依次刻蚀减小所述高掺杂N+层、高阻I层和P+层的面积，形成台 面结构；D、 在P+层和N+层上分别蒸发金属形成PIN二极管的上电极和下电极；E、 采用RTP法完成P+层和N+层欧姆接触；F、 在GaAs圆片表面淀积氮化硅，并刻蚀淀积的氮化硅打开电极引线 窗口；G、 溅射形成金属膜电阻；H、 蒸发一次布线金属；I、 淀积氮化硅，并刻蚀淀积的氮化硅打开二次布线窗口； J、蒸发二次布线金属。
6、 根据权利要求5所述的基于PIN 二极管的单刀单掷微波开关电路 的制作方法，其特征在于，步骤C中所述刻蚀采用湿法刻蚀方法实现，步 骤F中所述刻蚀采用干法刻蚀方法实现，步骤I中所述刻蚀采用干法刻蚀方法实现。
7、 根据权利要求5所述的基于PIN 二极管的单刀单掷微波开关电路 的制作方法，其特征在于，步骤H中所述蒸发的一次布线金属为电容的下电极。
8、根据权利要求5所述的基于PIN 二极管的单刀单掷微波开关电路的制作方法，其特征在于，步骤J中所述蒸发的二次布线金属为电容的下 电极。
全文摘要
本发明涉及微电子中微波电路技术领域，公开了一种基于PIN二极管的单刀单掷微波开关电路，包括四个PIN二极管、三个限流电阻、两个隔直电容和一个电压控制端；所述电压控制端通过R1分别与D1的正极、D2的正极、D3的负极以及D4的负极连接；所述D1的负极分别与C1和R2连接，C1的另一端接电路的输入端，R2的另一端接地；所述D2的负极分别与C2和R3连接，C2的另一端接电路的输出端，R3的另一端接地；所述D3的正极和D4的正极分别接地。本发明同时公开了一种基于PIN二极管的单刀单掷微波开关电路的制作方法。利用本发明，改善了开关电路的微波性能，降低了电路的匹配难度，简化了电路结构及外围控制电路。
文档编号H01L21/822GK101242175SQ200710063699
公开日2008年8月13日 申请日期2007年2月7日 优先权日2007年2月7日
发明者浩 杨 申请人:中国科学院微电子研究所