用于切换射频信号的切换设备的制作方法

本发明涉及一种用于切换射频信号的切换设备，该射频信号尤其为从直流(DC)频率到微波频率的频率范围内的信号。该切换设备优选地用在射频开关中。可替选地或另外地，该切换设备用在放大应用中，以放大射频信号。

背景技术：

射频开关(缩写为RF开关)为一种通过传输路径路由RF信号的设备。RF开关广泛地用在微波测试系统中，该微波测试系统用于在仪器(例如，信号发生器或测量设备)和被测设备(缩写为DUT)之间路由的RF信号。将RF开关并入到RF开关矩阵系统中能够将RF信号从单个或多个仪器路由到单个或多个DUT。这使得多个测试通过同样的设置来执行，消除了对于频繁的连接和断开连接的需求。类似于电开关，RF开关针对许多不同的应用呈现不同的配置，这些不同的配置提供了用以创建复杂矩阵和自动测试系统的灵活性。

存在有单刀双掷RF开关(缩写为SPDT开关)，该SPDT开关将RF信号从一个输入端路由到两个输出端。存在有单刀多掷RF开关(缩写为SPnT开关)，该SPnT开关将RF信号路由到多个(至少三个或更多个)输出端。

可替选地，可以采用RF开关来选择性地将通信设备的天线与该设备的发射电路或接收电路连接，或者与多个其它组件间的信号路径连接。

RF开关应当设计为在路由RF信号的同时不影响该RF信号。因此，RF开关的特征为它的频率范围、它的插入损耗、它的回波损耗、它的重复性、它的绝缘性、它的切换速度、它的设置时间、它的功率容量、它的终端、它的视频泄漏、它的非线性和它的使用寿命。RF开关的这些参数用于针对具体应用将RF开关分类。

当今，RF开关利用至少一个场效应晶体管(缩写为FET)作为切换设备。 FET包括优良的参数值从而在路由期间不影响RF信号。因此，当使用FET时，得到了用于上面引用的RF开关特征的合适的值。当操作RF开关中的FET时，FET的漏极终点和源极终点通常是无意义的，这是由于FET以对称方式操作。

根据本发明的切换设备优选地用作RF开关内的并联元件。在电子产品中，并联元件为一种通过形成低电阻路径而允许电流围绕电路中的另一点通过的设备。

通常，存在有很多与在RF开关中用作切换设备的FET关联的寄生电容，这些寄生电容源于FET本身。此外，应用在RF开关中的各个阻容元件和连接到RF开关的电气轨迹也会导致寄生电容。这些电容可以使FET切换性能的各个方面变差。特别地，接地的寄生栅电容使FET开关的线性变差并且导致RF开关中的FET的谐波性能和互调性能变差。此外，发生谐波失真，这是对晶体管电容的主要效应。

在US 2011/0233628 A1中，描述了作为用于RF信号的切换设备的FET结构。为了避免从栅极到地端的寄生电容，提出了经由电阻器和电容器的串联连接将漏极节点连接到栅极节点，以获得高频导电桥。因此，栅极节点跟随施加到漏极节点的RF信号。

该技术的缺点是这样的事实：在低频信号的情况下，该高频桥不工作。在低频信号时，从栅极节点到漏极节点的串联连接变为高阻性，并且阻断RF信号。此外，通过这样的结构不能避免由FET的寄生电容产生的RF信号的谐波失真。

当将这样的FET结构用作RF开关中的并联元件时，FET通道非对称地连接到特定电压电位，优选地供电电压的接地电位。相对地端的这样的非对称布置增大了FET的寄生电容并且导致了RF信号在路由时的不期望的非线性失真。

因此，需要提供一种可灵活使用且可以在各种各样的应用中操作的RF切换设备。该RF切换设备应当至少在从DC频率到微波频率的频率范围内操作。该RF切换设备的寄生电容且尤其谐波失真应当进一步减小。

技术实现要素：

根据本发明的一个方面，提出了一种用于切换射频信号的切换设备。该切换设备包括至少一个第一场效应晶体管，该第一场效应晶体管包括第一源极节点、第一栅极节点和第一漏极节点，其中在半导体基板上，第一栅极节点布置在第一漏极区域和第一源极区域之间。该切换设备包括至少一个第二场效应晶体管，该第二场效应晶体管包括第二源极节点、第二栅极节点和第二漏极节点，其中在同一个半导体基板上，第二栅极节点布置在第二漏极区域和第二源极区域之间。第一场效应晶体管的第一源极区域直接连接至第二场效应晶体管的第二漏极区域，以形成切换设备的公共节点。优选地，切换设备的输入节点和输出节点直接连接至公共节点。优选地，切换设备由公共半导体基板上的偶数个场效应晶体管形成。

偶数是可被2整除的整数。这意味着如果整数个FET被2除，则不产生余数。该偶数是正数。术语“偶数”等同于术语“偶数型的整数”。

在同一个基板上的各FET的第一源极区域和第二漏极区域之间的直接连接导致两个单个FET的配对连接。因此，由于第一FET的漏源电压等于第二FET的负的漏源电压，故获得了均衡。因此，通过第二FET的电容完全地补偿了第一FET的寄生电容。因此，完全地补偿了或至少很大程度上减小了谐波失真。至少二次谐波失真产物(缩写为HD2产物)被抑制。信号的总谐波失真(缩写为THD)为谐波失真现状的测量值，并且被限定为所有的谐波分量的功率的总和与基频的功率的比率。THD用于描述传输系统的线性度和电力质量的特征。

本发明的用于切换设备的结构允许RF信号在DC频率到微波频率的频率范围内进行切换。微波频率的范围可以从300兆赫兹到300千兆赫兹。切换设备包括非常低的谐波失真并且可以处理高功率信号，其中总能实现DC能力和尖脉冲的自由切换。

第一FET的总寄生电容以与第二FET的总寄生电容相反的极性被调制。因此抵消了HD2产物。切换设备的电阻值在频率范围上是高度恒定的。

在切换设备的公共半导体基板上具有漏极区域和源极区域导致了容易制造切换设备，这是由于这些区域可以相同地被构造并且仅通过特定区域的各自连 接而被分类为漏极区域和/或源极区域。

术语“节点”在下文指的是电气等效电路中的特定晶体管的电气端子。术语“区域”在下文指的是在公共半导体基板中的各自的几何区域。

在优选的实施方式中，公共基板中的各自的漏极区域和源极区域并排布置。因此，在不增加另外的连接层的情况下，用于构造共同节点的简单连接是可行的。

在优选的实施方式中，漏极区域和源极区域尺寸相等。因此，独立地构造这些区域，并且各自的区域仅取决于连接和施加于其的各自的信号而成为漏极区域或源极区域。

在优选的实施方式中，切换设备的FET为一种特定沟道类型的耗尽型晶体管，优选地为p沟道类型的耗尽型晶体管。特别地，公共基板上的FET为一种沟道类型(p沟道或n沟道)。因此，公共基板容易制造并且特定的漏极区域和源极区域可以以容易的方式直接连接。

在优选的实施方式中，切换设备的FET为金属半导体FET(缩写为MESFET)。该MESFET在结构和术语方面很类似于结型FET(缩写为JFET)。替代针对栅极节点使用PIN结，使用肖特基结或金属半导体结。使用MESFET结构来避免高质量表面钝化。因此，MESFET比基于硅的MOSFET更快速。MESFET用于微波频率通信并且用于快速切换应用。FET优选地利用氮化镓工艺或砷化镓工艺来构造。

在优选的实施方式中，栅极节点非对称地布置在各自的FET的漏极区域和源极区域之间，其中距源极区域的距离小于距漏极区域的距离。因此，进一步减小了RF电阻，并且因此减少了阻容寄生效应。

在优选的实施方式中，第一晶体管的第一漏极节点连接到第一电压电位，优选地正的电压电位。因此，切换设备的第一半FET通道连接到第一电压电位。

在优选的实施方式中，第二晶体管的第二源极节点连接到第二电压电位，优选地基准电位。因此，切换设备的第二半FET通道连接到接地电位。

第一半通道连接到第一电压电位并且第二半通道连接到第二电压电位导致 了反并联配置、补偿了寄生电容、并且抑制了THD。

优选地，通过布置在公共半导体基板中的过孔或通孔来实现接地。

在优选的实施方式中，场效应晶体管为高电子迁移率晶体管(缩写为HEMT-FET)，优选地基于氮化镓的高电子迁移率晶体管。这样的晶体管可以以很高的频率进行操作，这是由于该晶体管在具有不同带隙的两种材料之间并入了结作为沟道，替代了在MOSFET中使用的掺杂区域。氮化镓HEMT-FET包括卓越的高功率性能参数。在优选的实施方式中，FET未被密封，因此FET可以用在微波布置中。

在优选的实施方式中，第一FET和第二FET形成晶体管模块，其中在公共基板上，第一晶体管模块布置成与第二晶体管模块镜像对称。FET的数目的加倍导致了各自的漏极区域和源极区域的加倍，并且导致了由FET引起的RF电阻的减半。因此，进一步减小了失真，并且显著地提高了RF切换设备的处理高功率频率信号的能力。

在优选的实施方式中，晶体管模块的数目为偶数。这导致了RF切换设备的对称布置，并且实现了非常低的RF电阻。

在优选的实施方式中，晶体管模块的公共节点共同连接并且形成切换设备的输入节点和输出节点。FET反并联连接到切换设备的输入节点和输出节点补偿了每一单个FET的总寄生电容。

在优选的实施方式中，所有的第一漏极节点共同连接到第一电压电位。这避免了大数目的连接板，并且避免了进一步的电阻寄生效应。

在优选的实施方式中，晶体管模块的第一栅极节点共同连接并且形成切换设备的第一控制节点。晶体管模块的第二栅极节点也共同连接并且形成切换设备的第二控制节点。

各自的第一栅极节点或第二栅极节点的共同连接导致了切换设备的单个连接板，这减少了布线工作，并因此减小了寄生效应。

在优选的实施方式中，所有的栅极节点共同连接并且形成切换设备的公共控制节点。因此，第一晶体管模块的栅极电压完全等于第二晶体管模块的栅极 电压。因此，对齐了不同FET的切换效果。

在本发明的构思中，第一半FET通道连接到第一电压供应电位，其中剩余的另一半FET通道连接到第二电压供应电位，优选地接地电位。所建议的用于驱动RF信号的反并联配置因此导致了各自的FET的电容的对称负载，并且避免了谐波失真。

在优选的实施方式中，切换设备被用作并联元件。这些并联元件例如用在RF开关或安培计中，因此使用上述结构大大提高了精确度。特别地，通过本发明的并联元件，提高了RF开关的绝缘性。

在优选的实施方式中，切换设备用在多端口RF开关中或用在单刀双掷RF开关中或用在单刀多掷RF开关中。

在优选的实施方式中，切换设备用在放大模块中。

附图说明

仅作为示例，参照附图描述本发明的以下示例性实施方式。这些示例性实施方式不限制本发明的范围。不同的附图中的相同的附图标记指示相同的元件或至少相同的功能，除非另有说明。附图中：

图1示出了根据本发明的切换设备的第一示例性实施方式；

图2示出了根据图1的第一示例性实施方式在公共半导体基板上的示意性绘制的俯视图；

图3示出了根据本发明的切换设备在公共半导体基板上的第二示例性实施方式的示意性绘制的俯视图；

图4示出了根据图3的第二示例性实施方式的等效电路；

图5示出了本发明的RF开关的形成的取决于漏源电压的寄生电容的特征曲线；以及

图6示出了本发明的切换设备在公共半导体基板上的第三示例性实施方式的示意性绘制的截面图。

具体实施方式

图1示出了本发明的切换设备1的第一示例性实施方式。该切换设备1包括第一FET Q1。第一FET Q1包括第一栅极节点G1，第一漏极节点D1和第一源极节点S1。该切换设备1还包括第二FET Q2。第二FET Q2包括第二栅极节点G2，第二漏极节点D2和第二源极节点S2。根据本发明，第一源极节点S1直接连接到第二漏极节点D2。这导致了两个FET的配对连接，并且导致了信号路径的对称负载，该信号路径在此被应用为切换设备1的输入节点2和输出节点3。此外，第一栅极节点G1为切换设备1的第一控制节点4。第二栅极节点G2为切换设备1的第二控制节点5。根据图1的切换设备1包括两个供电电位，其中第一FET Q1的第一漏极节点D1连接到第一电压电位V⁺，以及其中第二FET Q2的第二源极节点S2连接到第二电压电位V^—。

第一FET Q1和第二FET Q2以这样的方式设置在公共半导体基板上：各自的漏极区域和源极区域并排布置。各自的漏极区域和源极区域并行地布置在公共半导体基板中，其中漏极区域和源极区域尺寸相等。因此，各自的区域总体相等，并且仅所述区域的连接导致所描述的FET结构。

在优选的实施方式中，相同的切换信号施加在切换设备1的第一控制节点4和第二控制节点5。切换设备1的输入节点2和输出节点3之间的信号路径由此以反并联配置连接，并且导致并联元件。

第一FET Q1和第二FET Q2构造成具有相同的晶体管沟道类型，例如，p沟道或n沟道。优选地，第一FET Q1和第二FET Q2构造为p沟道耗尽型FET。

现在参照图2，根据第一示例性实施方式(根据图1)的切换设备1示出为在公共半导体基板Sub上的示意性绘制的俯视图。第一源极区域S1和第二漏极区域D2共同地连接以构造切换设备1的输入节点2和输出节点3。在第一FET Q1的第一漏极区域D1和第一源极区域S1之间布置有第一栅极节点G1。根据图2，第一栅极节点G1和第一漏极区域D1之间的距离x1等于第一FET Q1的第一栅极节点G1和第一源极区域S1之间的距离x2。第一漏极区域D1连接到第一电压电位V⁺。第一FET Q1和第二FET Q2构造一个晶体管模块M1。

此外，第二栅极节点G2布置在第二FET Q2的第二漏极区域D2和第二源极区域S2之间，其中距离x1和距离x2也相等。源极区域S2通过半导体基板Sub中的过孔V或通孔而连接到第二电压电位V^—。

第一FET Q1和第二FET Q2为HEMT-FET，HEMT-FET包括作为沟道的两种材料的不同带隙之间的结，而非如用在MOSFET中的掺杂材料。HEMT-FET基于氮化镓而构造，以允许高功率性能。为了允许导电，半导体掺杂有杂质，其中高速移动电子为空穴。所有的这些电子通过与杂质的碰撞而减速，这些杂质起初用于生成这些电子。HEMT-FET通过使用高速移动电子而避免了这种情况，高速移动电子是使用通过例如砷化铝镓(缩写为AlGaAs)高掺杂的宽带隙供给层和不具有掺杂杂质(例如砷化镓)的无掺杂的窄带隙沟道层的异质结而生成的。这样的HEMT-FET允许RF信号切换而不产生高的寄生效应。

现在参照图3，根据第二示例性实施方式将切换设备1示出为在公共半导体基板Sub上的示意性绘制的俯视图。相较于图2，公共半导体基板Sub的俯视图现在示出了四个晶体管模块M1、M2、M3和M4(虚线)。每一晶体管模块M1、M2、M3和M4如图2所示被构造。在第一对称轴A1上，第一晶体管模块M1布置成与第二晶体管模块M2镜像对称。再者，第一晶体管模块M1和第二晶体管模块M2布置成与第三晶体管模块M3和第四晶体管模块M4镜像对称，其中镜像轴A2也示出在图3中。所有的公共节点C分别指的是第一FET Q1的源极区域和第二FET Q2的漏极区域的直接连接。所有的公共节点C共同连接以提供一个输入节点2和一个输出节点3。

而且，所有的第一栅极节点G1共同连接以提供第一控制节点4。分别地，第二栅极节点G2共同连接以提供第二控制节点5。在图3中，三个过孔V示出在分开的源极节点S2上以允许连接到第二电压电位V^—。

优选地，切换设备1包括偶数个FET的镜像对称布置，以便允许切换设备1的输入节点2和输出节点3之间的信号路径的对称负载。由于在公共半导体基板Sub中的漏极区域D和源极区域S为相同的材料，因此以成本有效的方式实现制造这样的切换设备1。

在图4中，示出了根据图3的第二示例性实施方式的等效电路。相较于根据图1的切换设备1，根据图4的切换设备1包括八个FET。这些FET并行布置，其中一对FET包括根据图1的第一FET Q1和第二FET Q2。该并行配对布置导致了输入节点2和输出节点3之间的信号路径的对称负载。因此，该切换设备1可以用作并联元件，该并联元件利用第一半FET通道连接到第一电压电位V⁺，且利用第二半FET通道连接到第二电压电位V^—，以实现反并联配置并且减小晶体管的寄生效应。

现在参照图5，绘制了取决于漏极-源极电压V_DS的晶体管寄生电容C_T的特征曲线。第一FET Q1包括减小的总电容C_Q1，其中第二FET Q2包括独自增大的总电容C_Q2。使用本发明的构思，通过根据图1的将第一源极节点S1配对连接到第二漏极节点D2而衍生的公共电容C_公共导致了公共的总晶体管电容C_公共的线性特性，因此不产生非线性失真，例如HD2产物。

在图6中，公共半导体基板Sub的截面示出为本发明的切换设备1的第三示例性实施方式。其中示出了在漏极区域D1和源极区域S1之间的栅极节点G1、在漏极区域D2和源极区域S2之间的栅极节点G2的非对称布置。从图6可以得出，第一FET Q1的第一栅极节点G1和第一源极区域S1之间的第一距离x1小于第一栅极节点G1和第一漏极区域D1之间的第二距离x2。相应地，第二FET Q2的第二栅极节点G2和第二源极区域S2之间的第一距离x1小于第二栅极节点G2和第二漏极区域D2之间的第二距离x2。栅极节点G1、栅极节点G2的非对称布置导致FET的RF电阻减小，并因此导致切换设备1具有较小寄生组件。

根据图6，公共节点C连接第一源极节点S1和第二漏极节点D2以获得具有对称负载的切换设备1的输入节点2和输出节点3，以实现无寄生元件的并联元件。第一FET Q1的总电容C_Q1以与第二FET Q2的总电容C_Q2相反的极性被调制，这导致线性公共电容C_公共。因此，抑制了谐波失真产物。本文中不限制在RF切换设备1中使用的FET的数目。

形成的RF电压等于第二FET Q2的漏源电压+V_DS，并等于第一FET Q1的 负电压-V_DS。切换设备1的各个区域的面积越大，切换设备1的RF电阻就越小。该面积的每次加倍使该电阻按照系数2减小。

在此描述、示出和/或请求保护的所有实施方式的所有特征可以彼此组合。

尽管上文已经描述了本发明的各种实施方式，但是应当理解的是，这些实施方式仅通过示例而非限制的方式呈现。在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可以根据本文的公开内容对公开的实施方式进行多种改变。因此，本发明的广度和范围不应当受上面描述的实施方式中的任何实施方式限制。然而，本发明的范围应当根据所附权利要求及其等同物来限定。

尽管已经关于一个或多个实现方式示出并描述了本发明，但是对于本领域的技术人员来说，在阅读并理解了本说明书和附图之后，等效的变型和修改将出现。此外，尽管可以关于多个实现方式中的仅一个实现方式公开了本发明的具体特征，但是这样的特征可以与其它实现方式的一个或多个其它特征组合，如对于任何的给定应用或具体应用可以是期望的和有利的。