共射结构晶体管的地墙去耦合连接结构的制作方法

本发明涉及一种新型地墙去耦合连接结构，具体说是一种采用半导体集成电路工艺制作、使用共射结构晶体管的地墙去耦合连接结构以改善毫米波亚毫米波振荡器输出功率和振荡频率的新型晶体管外围连接结构。

背景技术：

电磁波频谱中频率较低的范围目前已经被分配到许多无线电的应用中，例如广播、电视、卫星通信、移动电话、军事应用和射电天文等等。随着无线电技术的进一步发展，目前低频率段的频谱资源已非常拥挤，对于未来通信应用的需求，低频段的信道容量已经很难满足要求。然而，在毫米波和亚毫米波频段，尚有大量的频段未被开发和利用，由于毫米波和亚毫米波频带更宽，可用于传输更高的速率，从而获得更大的通信容量。国际上目前对于毫米波亚毫米波频段已经涌现出越来越多的应用，包括无线局域网、太赫兹成像、毫米波车载雷达、光谱学和遥感等。

对所有这些毫米波和亚毫米波系统来说，硅基毫瓦级频率源电路的设计一直是一个难点。晶体管内部的寄生电容，尤其是晶体管外围连接电路的寄生效应，在毫米波和亚毫米波频段常常会给高功率高频率频率源电路的设计带来很不利的影响。例如，在200GHz时，对于一个普通连接的晶体管基极和集电极电路，不做去耦合处理，通过电磁仿真软件HFSS对寄生参数提取发现，基极和集电极过孔连接之间的耦合电容达到了fF量级，这大大恶化了晶体管的性能，直接体现就是对应的振荡器输出功率和振荡频率的恶化。

为了解决毫米波单管外围连接结构寄生耦合的影响，常常需要使用共射共基结构，即将一个共射结构的晶体管和一个共基结构的晶体管叠加起来使用，这样虽然能在一定程度上减轻电路寄生耦合的影响，但共射共基结构需要两倍的发射极电压，不利于应用在低电压环境中，功耗相对较高，且对振荡器输出功率提高幅度较小。此外，共射共基结构通常会引入额外的噪声，影响振荡器的相位噪声。

因此，需要发明一种能够大幅度减弱毫米波亚毫米波频段晶体管外围连接结构之间耦合效应的新型晶体管外围连接结构、同时应用于低电源高输出振荡功率和振荡频率的振荡器电路中。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的是设计一种新型地墙去耦合连接结构，具体说是一种采用半导体集成电路工艺制作、使用共射结构晶体管的地墙去耦合连接结构以改善毫米波亚毫米波振荡器输出功率和振荡频率的新型晶体管外围连接结构。

技术方案：一种共射结构晶体管的地墙去耦合连接结构，包括衬底、位于衬底中的晶体管、和位于衬底之上的基极、集电极、基极的过孔连接阵列、集电极的过孔连接阵列、地墙去耦合结构，所述地墙去耦合结构位于基极的过孔连接阵列和集电极的过孔连接阵列之间，所述基极的过孔连接阵列以及集电极的过孔连接阵列包括靠近衬底的薄金属层M1，M2，M3，M4，M5和顶层的厚金属层TM1，并通过过孔依次连接，贯穿M1到TM1；所述基极的过孔连接阵列的厚金属层TM1和厚金属层TM2相邻，并与位于厚金属层TM2的基极通过过孔连接；所述集电极的过孔连接阵列的厚金属层TM1和厚金属层TM2相邻，并与位于厚金属层TM2的集电极通过过孔连接；地墙去耦合结构也包括靠近衬底的薄金属层M1，M2，M3，M4，M5和顶层的厚金属层TM1，并通过过孔依次连接，贯穿M1到TM1；靠近衬底的薄金属层和顶层的厚金属层根据硅基工艺提供，集电极的过孔连接阵列、基极的过孔连接阵列、地墙去耦合结构通过过孔连接位于衬底的晶体管，位于衬底的晶体管的基极连接基极的过孔连接阵列、晶体管的集电极连接集电极的过孔连接阵列、晶体管的发射极连接地墙去耦合结构。

进一步的，地墙去耦合结构各层的末端为三角结构。

进一步的，位于衬底的晶体管的尺寸可变，地墙去耦合结构的长度根据晶体管的长度改变。

进一步的，地墙去耦合结构的长度为晶体管的长度的两倍。

进一步的，地墙去耦合结构采用硅基双极型金属氧化物半导体集成电路工艺实现。

有益效果：

1)大幅改善毫米波亚毫米波振荡器的输出功率和振荡频率。

2)对振荡器的结构没有特殊的要求，可以选用基于共射结构晶体管的任意硅基毫米波亚毫米波振荡器结构。

3)适合于小型化、高输出功率和高频率输出的振荡器应用场合。

附图说明

图1(a)是硅基工艺的金属和过孔层分布图，图1(b)是本发明中的新型共射结构晶体管去耦合连接结构的俯视图；

图2是本发明中的新型共射结构晶体管外围去耦合连接结构的三维视图；

图3是将本发明应用在一个J波段亚毫米波四阶基波振荡器中的电路原理图；

图4是将本发明应用在一个J波段亚毫米波六阶基波振荡器中的电路原理图；

图5是将本发明应用在一个J波段亚毫米波四阶基波振荡器的输出功率测试结果；

图6是将本发明应用在一个J波段亚毫米波六阶基波振荡器的输出功率测试结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，本发明的基本结构是一种共射结构晶体管的地墙去耦合外围连接结构，图(a)是硅基工艺的金属和过孔层分布图，图(b)是该新型晶体管去耦合连接结构的俯视图。对于共射结构的晶体管外围连接结构，引入一个从M1到TM1的地墙，地墙位于基极3和集电极4之间，地墙去耦合结构长度为L1，晶体管的长度为S，地墙去耦合结构长度至少为晶体管长度的两倍，为了有效的减少基极和集电极过孔连接阵列之间的耦合效应，在地墙末端引入三角结构进一步去除基极和集电极过孔连接阵列之间的耦合。

如图2所示，为了更加清晰的展现该新型的共发射极地墙去耦合晶体管连接结构，特给出了该晶体管外围连接的三维效果图。图中可以看到从衬底到顶层金属之间的基极和集电极过孔连接阵列，该地墙去耦合结构7位于两个过孔连接阵列之间。硅基工艺提供靠近衬底1的薄金属层和顶层的厚金属层，由于薄金属层耐流特性较差且传输损耗较大，顶层金属通常用于主信号传输。实际设计中需要过孔阵列连接顶层金属和位于衬底的晶体管2，过孔阵列高度H2在10μm左右且距离较近，对于频率高于100GHz的毫米波亚毫米波电路过孔连接的电长度不可忽略，通过电磁仿真软件HFSS发现两排过孔阵列之间的耦合寄生电容达到fF量级，对电路性能产生极大的影响。在振荡器设计中，引入地墙去耦合结构7，通过优化地墙结构的长度L1，可以消除晶体管基极和集电极过孔阵列之间的耦合，从而可以大幅度提升亚毫米波振荡器的输出功率和输出频率，解决了传统晶体管连接结构对毫米波亚毫米波振荡器电路输出功率和频率性能恶化的影响。

图3是将本发明应用在一个J波段亚毫米波四阶基波振荡器中的原理图。该振荡器的四个晶体管均为共射结构，且均采用本发明提出的地墙去耦合外围连接结构。图中微带连接线l1-l12均位于TM2层，Q1，Q2，Q3，Q4为采用该地墙去耦合外围连接结构的共射晶体管，W为微带线的宽度，L为微带线的长度。

图4是将本发明应用在一个J波段亚毫米波六阶基波振荡器中的原理图，B点、C点为连接点。该振荡器的六个晶体管均为共射结构，且均采用本发明提出的地墙去耦合外围连接结构。图中微带连接线L1-L16均位于TM2层，Q5-Q10为采用该地墙去耦合外围连接结构的共射晶体管，W为微带线的宽度，L为微带线的长度。

图5是将本发明应用在一个J波段亚毫米波四阶基波振荡器的输出功率测试结果。从图中可以看书，使用本发明以后振荡器的输出功率提升了将近一倍。此外该振荡器的输出频率也因地墙去耦结构的引入从210GHz提升到了225GHz的频率范围。

图6是将本发明应用在一个J波段亚毫米波六阶基波振荡器的输出功率测试结果。从图中可以看出，使用本发明以后振荡器的输出功率平均提升了50％以上。此外该振荡器的输出频率也因地墙去耦结构的引入从200GHz提升到了213GHz的频率范围。

本发明及其所应用在的毫米波亚毫米波振荡器均采用硅基双极型金属氧化物半导体集成电路工艺实现。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。