射频开关和射频开关单元的制作方法

本申请涉及2017年4月24日提交的名称为ELECTRONIC COMPONENT HAVING FIELD EFFECT TRANSISTOR CELLS(具有场效应晶体管元件的电子元件)的美国专利申请序列号15/494,605，其要求2017年1月6日提交的美国临时申请序列号62/443,047的优先权，它们的公开内容通过引用整体由此并入本文。

技术领域

本公开的实施例涉及射频开关电路。

背景技术：

射频(RF)收发器的重要电子部件是构成堆叠FET型RF开关的场效应晶体管(FET)。基于FET的RF开关通常需要线性补偿，以防止在RF开关处于关断状态时将发送信号施加到RF开关时产生谐波失真。RF开关在关断状态下时有效断开，并且防止发送信号通过RF开关传递。然而，当RF开关断开时，部分地由于RF开关固有的非线性电容而从发送信号产生不期望的谐波。不期望的谐波从RF开关传递并干扰RF收发器的接收器电路。

传统的关断状态线性化网络与RF开关并联放置，以减少不期望的谐波。虽然传统的关断状态线性化网络确实在发送信号施加到关断状态下的RF开关时减少了谐波失真，但传统的关断状态线性化网络占用了有价值的电路基板面，因为它需要外部偏置电路。重新获得有价值的基板面所需要的是不需要外部偏置电路的关断状态线性化网络。

技术实现要素：

公开了一种射频开关，其具有第一节点、第二节点和在第一节点和第二节点之间串联耦合的多个开关单元。多个开关单元中的每个包括场效应晶体管和关断状态线性化网络，该场效应晶体管具有漏极端子、源极端子、场效应晶体管栅极端子以及体端子。关断状态线性化网络包括耦合到场效应晶体管的漏极端子和源极端子的变容器(varactor)。

根据本申请的一个方面，提供了一种射频开关，其包括第一节点、第二节点和多个开关单元，多个开关单元串联耦合在第一节点和第二节点之间，其中多个开关单元中的每个包括：场效应晶体管，其包括漏极端子、源极端子、场效应晶体管栅极端子和体端子；以及关断状态线性化网络，其包括：第一反向模式变容器，其具有耦合到漏极端子的第一变容器栅极端子和耦合到体端子的第一调谐端子；以及第二反向模式变容器，其具有耦合到源极端子的第二变容器栅极端子和耦合到体端子的第二调谐端子。

进一步地，该射频开关还包括耦合在场效应晶体管栅极端子和体端子之间的栅-体开关，其中栅-体开关被配置为当场效应晶体管转换到在漏极端子和源极端子之间传递射频信号的导通状态时自动断开，并且还被配置为当场效应晶体管转换到阻止在漏极端子和源极端子之间传递射频信号的关断状态时自动闭合。

进一步地，其中场效应晶体管、第一反向模式变容器和第二反向模式变容器包括共用体扩散。

进一步地，其中第一调谐端子和第二调谐端子直接耦合到体端子。

进一步地，该射频开关还包括将第一调谐端子和第二调谐端子耦合到体端子的体电阻器。

进一步地，该射频开关还包括与场效应晶体管、第一反向模式变容器和第二反向模式变容器共用体扩散并且将第一调谐端子和第二调谐端子耦合到体端子的体电阻器。

进一步地，该射频开关还包括：第一累积模式变容器，其具有耦合到漏极端子的第三变容器栅极端子和耦合到源极端子的第三调谐端子；以及第二累积模式变容器，其具有耦合到源极端子的第四变容器栅极端子和耦合到漏极端子的第四调谐端子。

根据本申请另一个方面，提供了一种射频开关，其包括第一节点、第二节点和多个开关单元，多个开关单元串联耦合在第一节点和第二节点之间，其中多个开关单元中的每个包括：场效应晶体管，其包括漏极端子、源极端子、场效应晶体管栅极端子和体端子；以及关断状态线性化网络，其包括：第一累积模式变容器，其具有耦合到漏极端子的第一变容器栅极端子和耦合到源极端子的第一调谐端子；以及第二累积模式变容器，其具有耦合到源极端子的第二变容器栅极端子和耦合到漏极端子的第二调谐端子。

进一步地，该射频开关还包括耦合在场效应晶体管栅极端子和体端子之间的栅-体开关，其中栅-体开关被配置为当场效应晶体管转换到在漏极端子和源极端子之间传递射频信号的导通状态时自动断开，并且还被配置为当场效应晶体管转换到阻止在漏极端子和源极端子之间传递射频信号的关断状态时自动闭合。

根据本申请另一个方面，提供了一种射频开关单元，其包括：场效应晶体管，其包括漏极端子、源极端子、场效应晶体管栅极端子和体端子；以及关断状态线性化网络，其包括：第一反向模式变容器，其具有耦合到漏极端子的第一变容器栅极端子和耦合到体端子的第一调谐端子；以及第二反向模式变容器，其具有耦合到源极端子的第二变容器栅极端子和耦合到体端子的第二调谐端子。

进一步地，该射频开关单元还包括耦合在场效应晶体管栅极端子和体端子之间的栅-体开关，其中栅-体开关被配置为当场效应晶体管转换到在漏极端子和源极端子之间传递射频信号的导通状态时自动断开，并且还被配置为当场效应晶体管转换到阻止在漏极端子和源极端子之间传递射频信号的关断状态时自动闭合。

进一步地，其中场效应晶体管、第一反向模式变容器和第二反向模式变容器包括共用体扩散。

进一步地，其中第一调谐端子和第二调谐端子直接耦合到体端子。

进一步地，该射频开关单元还包括将第一调谐端子和第二调谐端子耦合到体端子的体电阻器。

进一步地，该射频开关单元还包括与场效应晶体管、第一反向模式变容器和第二反向模式变容器共用体扩散并且将第一调谐端子和第二调谐端子耦合到体端子的体电阻器。

进一步地，该射频开关单元还包括：第一累积模式变容器，其具有耦合到漏极端子的第三变容器栅极端子和耦合到源极端子的第三调谐端子；以及第二累积模式变容器，其具有耦合到源极端子的第四变容器栅极端子和耦合到漏极端子的第四调谐端子。

根据本申请另一个方面，还提供了一种射频开关单元，其包括：场效应晶体管，其包括漏极端子、源极端子、场效应晶体管栅极端子和体端子；以及关断状态线性化网络，其包括：第一累积模式变容器，其具有耦合到漏极端子的第一变容器栅极端子和耦合到源极端子的第一调谐端子；以及第二累积模式变容器，其具有耦合到源极端子的第二变容器栅极端子和耦合到漏极端子的第二调谐端子。

进一步地，该射频开关单元还包括耦合在场效应晶体管栅极端子和体端子之间的栅-体开关，其中栅-体开关被配置为当场效应晶体管转换到在漏极端子和源极端子之间传递射频信号的导通状态时自动断开，并且还被配置为当场效应晶体管转换到阻止在漏极端子和源极端子之间传递射频信号的关断状态时自动闭合。

根据本申请另一个方面，还提供了一种射频开关，其包括第一节点、第二节点和多个开关单元，多个开关单元串联耦合在第一节点和第二节点之间，其中多个开关单元中的每个包括：场效应晶体管，其包括漏极端子、源极端子、场效应晶体管栅极端子和体端子；以及关断状态线性化网络，其包括：第一反向模式变容器，其具有耦合到漏极端子的第一变容器栅极端子和耦合到体端子的第一调谐端子；第二反向模式变容器，其具有耦合到源极端子的第二变容器栅极端子和耦合到体端子的第二调谐端子；第一累积模式变容器，其具有耦合到漏极端子的第三变容器栅极端子和耦合到源极端子的第三调谐端子；以及第二累积模式变容器，其具有耦合到源极端子的第四变容器栅极端子和耦合到漏极端子的第四调谐端子。

进一步地，该射频开关还包括耦合在场效应晶体管栅极端子和体端子之间的栅-体开关，其中栅-体开关被配置为当场效应晶体管转换到在漏极端子和源极端子之间传递射频信号的导通状态时自动断开，并且还被配置为当场效应晶体管转换到阻止在漏极端子和源极端子之间传递射频信号的关断状态时自动闭合。

进一步地，其中场效应晶体管、第一反向模式变容器和第二反向模式变容器包括共用体扩散。

进一步地，该射频开关还包括与场效应晶体管、第一反向模式变容器和第二反向模式变容器共用体扩散并且将第一调谐端子和第二调谐端子耦合到体端子的体电阻器。

在结合附图阅读以下优选实施例的详细描述之后，本领域技术人员将理解本公开的范围并实现其另外的方面。

附图说明

并入在本说明书中并形成本说明书的一部分的附图示出了本公开的若干方面，并且与说明书一起用于解释本公开的原理。

图1是描绘根据本公开构造的射频(RF)开关单元的反向模式(inversion-mode)变容器版本的实施例的示意图。

图2是描绘RF开关单元的另一实施例的示意图，该RF开关单元包括体电阻器，其在某些功率电平下提供增加的线性化。

图3是描绘RF开关单元的累积模式变容器版本的示意图。

图4是混合RF开关单元的实施例，其将基于反向模式变容器的线性化网络(图1和图2)与基于累积模式变容器的线性化网络(图3)组合以产生混合线性化网络。

图5是混合RF开关单元的实施例，其包括图4的混合线性化网络和体电阻器。

图6是由多个图1中描绘的RF开关单元构成的RF开关的反向模式变容器版本的示意图。

图7是由多个图2中所描绘的RF开关单元构成的RF开关的反向模式变容器版本的示意图。

图8是由多个图3中描绘的RF开关单元构成的RF开关的累积模式变容器版本的示意图。

图9是由多个图4中描绘的RF开关单元构成的RF开关的混合版本的示意图。

图10是由多个图5中描绘的RF开关单元构成的RF开关的混合版本的示意图。

图11是峰值谐波失真与信号幅度的曲线图，其比较没有关断状态线性化的RF开关与具有累积模式变容器关断状态线性化的RF开关以及具有反向模式变容器关断状态线性化的RF开关。

图12是峰值谐波失真与信号幅度的曲线图，其比较不同大小的反向模式变容器的关断状态线性化性能。

图13是峰值谐波失真与信号幅度的曲线图，其比较没有关断状态线性化、共用体扩散的反向-变容器、以及通过隔离电阻耦合到体端子的反向变容器的关断状态线性化性能。

具体实施方式

以下阐述的实施例表示使得本领域技术人员能够实践实施例的必要信息，并且示出了实践实施例的最佳模式。在根据附图阅读以下描述时，本领域技术人员将理解本公开的概念并且将认识到这里未特别提出的这些概念的应用。应该理解，这些概念和应用都落入本公开和所附权利要求的范围内。

应当理解，尽管本文可以使用术语第一、第二等来描述各种元件，但是这些元件不应受这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个元件与另一元件。例如，第一元件可以被称为第二元件，并且类似地，第二元件可以被称为第一元件，而不脱离本公开的范围。如本文所使用的，术语“和/或”包括相关联所列项目中的一个或多个的任何和所有组合。

应当理解，当诸如层、区域或基板的元件被称为“在”另一元件“上”或延伸“到”另一元件“上”时，它可以直接在另一元件上或直接延伸到另一元件上或也可以存在中间元件。相比之下，当一个元件被称为“直接在”另一元件“上”或“直接”延伸“到”另一元件“上”时，不存在中间元件。同样地，应当理解，当诸如层、区域或基板的元件被称为“在”另一元件“上方”或“在”另一元件“上方”延伸时，它可以直接在另一元件上方或直接在另一元件上方延伸或也可能存在中间元件。相比之下，当一元件被称为“直接在”另一元件“上方”或“直接在”另一元件“上方”延伸时，不存在中间元件。还应该理解，当一个元件被称为“连接”或“耦合”到另一元件时，它可以直接连接或耦合到另一元件，或者可以存在中间元件。相比之下，当一个元件被称为“直接连接”或“直接耦合”到另一元件时，不存在中间元件。

本文可以使用诸如“下方”或“上方”或“上”或“下”或“水平”或“竖直”的相对术语来描述如图所示的一个元件、层或区域与另一元件、层或区域的关系。应当理解，除了图中所示的取向之外，这些术语和上面讨论的那些术语旨在包括设备的不同取向。

本文使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，并不旨在限制本公开。如本文所使用的，单数形式“一(a)”、“一(an)”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文另有明确说明。将进一步理解，术语“包括(comprises、comprising、includes和/或including)”在本文中使用时指定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其群组。

除非另外定义，否则本文使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。将进一步理解，本文使用的术语应被解释为具有与本说明书和相关领域的上下文中的含义一致的含义，并且除非在本文中明确定义，否则将不以理想化或过于正式的含义解释。

本公开包括射频开关的实施例，其使用累积模式变容器或反向模式变容器或两者的组合来减少当射频信号施加在关断状态中的射频开关两端时由射频开关产生的不期望的谐波。利用负金属氧化物半导体(NMOS)结构制造累积模式变容器和反向模式变容器的示例性实施例。NMOS型累积模式变容器和NMOS型反向模式变容器之间的结构差异是NMOS型累积模式变容器的源极和漏极之间的沟道中的N阱。NMOS型反向模式变容器不具有N阱，并且在一些示例性实施例中可以制造以共用构成RF开关的场效应晶体管的体扩散。在行为上，随着调谐电压从更正的电压区域转换到更负的电压区域，累积模式变容器的总电容通常从较小的值转换为较大的值。相比之下，随着调谐电压从更正的电压区域转换到更负的电压区域，反向模式变容器的总电容通常从较大的值转换为较小的值。

图1是描绘根据本公开构造的射频(RF)开关单元10的第一实施例的示意图。RF开关单元10包括具有漏极端子D1、源极端子S1、FET栅极端子GF1和体端子B1的场效应晶体管(FET)12。RF开关单元10还包括关断状态线性化网络14，当FET 12处于关断状态时，该关断状态线性化网络14减少从RF开关单元10两端施加的RF信号产生的不期望的谐波，该关断状态阻止RF信号在漏极端子D1和源极端子S1之间传递。部分地由于RF开关单元10中固有的寄生非线性电容而产生不期望的谐波。寄生非线性电容至少部分地归因于FET 12的漏-体和源-体二极管(未示出)。

在图1中，寄生非线性电容在虚线中象征性地表示为漏到体电容器CDB和源到体电容器CSB。关断状态线性化网络14包括第一反向模式变容器16，以抵消由于漏到体电容器CDB引起的不期望的谐波。第一反向模式变容器16具有耦合到漏极端子D1的第一变容器栅极端子GI1和耦合到体端子B1的第一调谐端子TI1。包括第二反向模式变容器18以抵消由于源到体电容器CSB引起的不期望的谐波。第二反向模式变容器18具有耦合到源极端子S1的第二变容器栅极端子GI2和耦合到体端子B1的第二调谐端子TI2。

表示第一反向模式变容器16和第二反向模式变容器18的变容器符号中的字母“I”表示允许第一反向模式变容器16和第二反向模式变容器18在不需要外部偏置网络的情况下进行调谐的反向模式操作。相反，第一反向模式变容器16和第二反向模式变容器18由将FET 12置于关断状态的栅极电压VG调谐。栅极电压VG在第一控制端子SC1处施加到FET 12的栅极。栅极电阻器RG1可以耦合在第一控制端子SC1和FET栅极端子GF1之间。

栅极电压VG通过耦合在FET栅极端子GF1和体端子B1之间的栅-体开关SW1施加到体端子B1、第一调谐端子TI1和第二调谐端子TI2。用于控制栅-体开关SW1的第二控制端子SC2耦合到第一控制端子SC1。栅-体开关SW1被配置为当栅极电压VG处于将FET 12保持在关断状态的电平时闭合，并且当栅极电压VG处于使FET 12保持在在漏极端子D1和源极端子S1之间传递RF信号的导通状态的电平时断开。用于将FET 12保持在关断状态的VG的示例性电压电平是-2.5V。图1的FET 12被描绘为处于关断状态。这样，栅极电压VG被示出为相对于地是负的，并且栅-体开关SW1被描绘为处于其闭合状态以将负电平的栅极电压VG施加到体端子B1、第一调谐端子TI1和第二调谐端子TI2。因此，图1描绘了RF开关单元10的即时配置，其中第一反向模式变容器16抵消由于漏到体电容器CDB引起的不期望的谐波，并且第二反向模式变容器18抵消由于源到体电容器CSB引起的不期望的谐波。在图1的示例性实施例中，第一反向模式变容器16和第二反向模式变容器18被制造成使得它们与FET12共用体扩散20。体扩散20用具有圆化边缘的虚线矩形符号表示。

图2是描绘RF开关单元22的第二实施例的示意图，其包括耦合在体端子B1与第一调谐端子TI1和第二调谐端子TI2之间的体电阻器RB1。体电阻器RB1提供隔离电阻和增加的线性化。如图2所示，体电阻器RB1可以共用体扩散20。

图3是RF开关单元24的示意图，其包括关断状态线性化网络26，其根据本公开构造为不同于图1和图2的关断状态线性化网络14。在这种情况下，关断状态线性化网络26包括以反并联配置布置的第一累积模式变容器28和第二累积模式变容器30。表示第一累积模式变容器28和第二累积模式变容器30的变容器符号中的字母“A”表示累积模式操作。

更详细地，第一累积模式变容器28具有耦合到漏极端子D1的第一变容器栅极端子GA1和耦合到源极端子S1的第一调谐端子TA1。第二累积模式变容器30具有耦合到源极端子S1的第二变容器栅极端子GA2和耦合到漏极端子D1的第二调谐端子TA2。类似于图1和图2的实施例的操作，栅-体开关SW1被配置为当FET 12转换到在漏极端子D1和源极端子S1之间传递RF信号的导通状态时自动断开，并且还被配置为当FET 12转换到阻止RF信号在漏极端子D1和源极端子S1之间传递的关断状态时自动闭合。

第一累积模式变容器28和第二累积模式变容器30各自是用于线性化在关断状态下的RF开关的传统累积模式变容器的大小的十分之一。这样，由多个RF开关单元24构成的RF开关的品质因数不会受到负面影响。为了比较，传统的关断状态线性化网络导致品质因数降低8％至10％。第一累积模式变容器28和第二累积模式变容器30的示例性大小是2平方微米。

图4是RF开关单元32的实施例，其组合基于反向模式变容器版本的关断状态线性化网络14(图1和图2)与基于累积模式变容器版本的关断状态线性化网络26(图3)以产生混合线性化网络34。在该示例性实施例中，制造第一反向模式变容器16和第二反向模式变容器18，使得它们与FET 12共用体扩散20，而第一累积模式变容器28和第二累积模式变容器30不共用体扩散20。

图5是RF开关单元36的实施例，其包括混合线性化网络34以及体电阻器RB1。在该示例性实施例中，体电阻器RB1与FET 12以及第一反向模式变容器16和第二反向模式变容器18共用体扩散20。体电阻器RB1提供隔离电阻和增加的线性化。体电阻器RB1的示例性电阻值是10,000Ω。

图6是RF开关38的反向模式变容器版本的示意图，其具有第一节点RF1、第二节点RF2和多个图1中所描绘的RF开关单元10。RF开关单元10从源极端子S1到漏极端子D1串联耦合在第一节点RF1和第二节点RF2之间。栅极控制端子接收栅极电压VG(图1-5)以将RF开关38在导通状态和关断状态之间转换和/或保持。

图7是由多个图2中描绘的RF开关单元22构成的RF开关40的反向模式变容器版本的示意图。RF开关单元22从源极端子S1到漏极端子D1串联耦合在第一节点RF1和第二节点RF2之间。RF开关38和RF开关40之间的差异是包括在每个RF开关单元22中的体电阻器RB1。

图8是由多个图3中描绘的RF开关单元24构成的RF开关42的累积模式变容器版本的示意图。RF开关单元24从源极端子S1到漏极端子D1串联耦合在第一节点RF1和第二节点RF2之间。

图9是由多个图4中描绘的RF开关单元32构成的RF开关44的混合版本的示意图。在该示例性实施例中，RF开关单元32组合了反向模式变容器操作和累积模式变容器操作的属性，用于针对特定RF信号幅度范围在前面的实施例中增加RF开关44的线性化。RF开关单元32从源极端子S1到漏极端子D1串联耦合在第一节点RF1和第二节点RF2之间。

图10是由多个图5中描绘的RF开关单元36构成的RF开关46的混合版本的示意图。RF开关46和RF开关38之间的差异是每个RF开关单元36都包括的体电阻器RB1。

图11是峰值谐波失真与信号幅度的曲线图，其比较没有关断状态线性化的RF开关与具有累积模式变容器关断状态线性化的RF开关和具有反向模式变容器关断状态线性化的RF开关。以虚线绘制仅具有累积模式关断状态线性化的RF开关42(图8)的性能。RF开关42的累积模式关断状态线性化优于没有关断状态线性化的传统RF开关，除了在发生最大线性化的陷波之后的较高电压区域之外。

以点划线绘制仅具有反向模式关断状态线性化的RF开关44(图9)的性能。RF开关44的反向模式关断状态线性化在比RF开关42更大的信号电压范围内优于没有关断状态线性化的传统RF开关。即使在发生最大线性化的陷波之后，RF开关44的反向模式关断状态线性化也优于传统的RF开关。然而，应该理解，图11中描绘的性能是示例性的，并且对于具有不同尺寸和制造工艺的RF开关设想了更大的线性化性能。在这方面，

图12是峰值谐波失真与信号幅度的曲线图，比较了不同大小的反向模式变容器的关断状态线性化性能。

图13是峰值谐波失真与信号幅度的曲线图，其比较没有关断状态线性化、共用体扩散的反向变容器、以及变容器的调谐端子通过隔离电阻耦合到体端子的关断状态线性化性能。特别地，图13的曲线图示出了图1的RF开关单元10的增强的线性化以及由图2的RF开关单元22提供的甚至更大的线性化。由体电阻器RB1(图2)提供10kΩ的隔离，体电阻器可以是井型(well-type)电阻器。

本领域技术人员将认识到对本公开的优选实施例的改进和修改。所有这些改进和修改都被认为是在本文公开的概念和随后的权利要求的范围内。