Свч мис на основе GaAs-pin-диодов для управления амплитудой сигнала в диапазоне частот 4-27 ГГц

УДК 621.382.2/.3

В.А. Гущин, И.В. Юнусов, А.Ю. Плотникова

СВЧ МИС на основе ОаАв-рт-диодов для управления амплитудой сигнала в диапазоне частот 4-27 ГГц

Приведены результаты разработки серии сверхвысокочастотных монолитных интегральных схем (СВЧ МИС) на основе ОаЛБ-рш-диодов с интегрированными цепями управления, предназначенных для управления амплитудой сигнала в диапазоне частот (4-27) ГГц. Разработанные МИС характеризуются низкими вносимыми и обратными потерями СВЧ-сигнала, и могут успешно применяться в составе измерительной техники СВЧ.

Ключевые слова: монолитные интегральные схемы, СВЧ, арсенид галлия, рт-диод, коммутатор, аттенюатор, модулятор, интегрированные цепи управления.

Монолитные интегральные схемы (МИС) на основе ОаЛ8 широко используются в составе аппаратуры СВЧ различного назначения. В частности, в измерительной технике замена блоков, реализуемых в виде гибридных интегральных схем, на МИС аналогичного функционального назначения направлена на расширение рабочего диапазона частот, снижение вносимых потерь сигнала и уровня шума, значительное ускорение сборки и настройки. Использование МИС позволяет повысить технические параметры аппаратуры СВЧ при снижении ее стоимости.

Как правило, при создании измерительной аппаратуры СВЧ-производители вынуждены ориентироваться на представленную на рынке номенклатуру СВЧ МИС, однако нередко возникают технико -экономические задачи, оптимальное решение которых связано с необходимостью разработки собственных МИС, удовлетворяющих специальным требованиям.

Одним из базовых элементов в векторном анализаторе цепей являются схемы управления амплитудой СВЧ-сигнала: коммутаторы, модуляторы, аттенюаторы. Для реализации МИС данного функционального назначения на сегодняшний день существуют две основные технологии: на основе рт-диодов и на основе полевых транзисторов с затвором Шоттки (ПТШ). Нередко обе технологии взаимно дополняют друг друга в одной и той же системе: в нижнем диапазоне частот используются МИС на основе ПТШ, в верхнем диапазоне частот - МИС на основе рт-диодов. Рт-диоды обладают более низкой емкостью и меньшим сопротивлением потерь по сравнению с ПТШ, т.е. обладают более высоким коммутационным качеством и способны эффективно функционировать при значительно больших частотах. К преимуществам рт-диода также относятся простая технология изготовления, не критичная к операциям литографии, и более высокая максимально допустимая входная мощность.

В настоящей работе приведены результаты разработки СВЧ МИС коммутаторов 1x2 и 1x3 канала, модулятора с фильтром верхних частот (ФВЧ) и аттенюатора для применения в диапазоне частот (4-27) ГГц. МИС выполнены с интегрированными цепями управления (ЦУ), при этом реализован способ расширения частотного диапазона МИС с встроенными ЦУ

Технология изготовления МИС. МИС изготовлены на основе технологии гетероструктурных ЛЮаЛ8/ОаЛ8 квазивертикальных рт-диодов, разработанной в ЗАО «НПФ «Микран» [2]: на полуизолирующей подложке с выращенной методом молекулярно-лучевой эпитаксии р-/-и+-структурой последовательно выполняются следующие операции: формирование несплавного омического контакта к слою р-ОаЛ8, жидкостное химическое травление слоев р-ОаЛ8 и /-ОаЛ8, формирование сплавного омического контакта к и-ОаЛ8; локальная пассивация периферии /-слоя нитридом кремния; жидкостное травление и-ОаЛ8 для межэлементной изоляции; гальваническое осаждение Ли для формирования металлической разводки и воздушных мостов; финишная пассивация диэлектрическим покрытием; утонение пластины; травление сквозных отверстий в ОаЛ8; металлизация обратной стороны пластины гальваническим осаждением Ли. Технология включает также блоки формирования тонкопленочных резисторов, тонкопленочных конденсаторов и защиту МИС полимерным покрытием.

Интегрированные цепи управления МИС. Основная техническая проблема при использовании рт-диодных СВЧ МИС - необходимость применения инжекторов питания для разделения СВЧ-

В.А. Гущин, И.В. Юнусов, А.Ю. Плотникова. СВЧМИС на основе GaAs-pin-дuодов

71

сигнала и управляющего низкочастотного сигнала, обладающих приемлемыми параметрами в широком частотном диапазоне. Существуют ограничения по диапазону частот для интегрального исполнения инжекторов питания в виде фильтра нижних частот (ФНЧ), обусловленные применением в них интегральных катушек индуктивности. Для работы в широком диапазоне частот катушка индуктивности должна удовлетворять противоречивым требованиям: с одной стороны, необходимо иметь максимальную индуктивность, что определяет нижнюю частотную границу и подразумевает использование максимального количества витков при минимальном расстоянии между ними, а с другой стороны, необходимо минимизировать суммарную емкость между витками катушки, что определяет верхнюю частотную границу функционирования. В качестве одного из решений был исследован вариант с изготовлением катушки индуктивности в виде последовательности воздушных мостиков для снижения емкости между витками.

На рис. 1 приведены микроскопические изображения тестовых катушек индуктивности одинаковой топологии, выполненных по стандартной технологии и в виде воздушных мостиков. Амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) ^-параметров тестовых катушек, включенных в схему согласно рис. 2, приведены на рис. 3: кривые 2 и 3 соответствуют |821| и |Б11| для катушки, выполненной по стандартной технологии, а кривые 1 и 4 соответствуют |Б21| и |Б11| для катушки, выполненной в виде воздушных мостиков.

а б

Рис. 1. Микроскопические изображения катушек индуктивности: а - выполненной по стандартной технологии; б - выполненной в виде воздушных мостиков

Как видно из рис. 3, без каких-либо измене- ]_, дБ ний в стандартной технологии изготовления был расширен вверх рабочий диапазон частот интег- -Ю рированного инжектора питания на 2-3 ГГц.

Р1

P1

Z line "Z line

Z line Z line

P2

P2

Рис. 2. Схема включения катушки индуктивности

-20-

-30

-40

-50

4

8

12

16

L, дБ -0,5 -1 1,5

20 24

Г, ГГц

Рис. 3. АЧХ ^-параметров устройства по схеме рис. 2 с различными катушками индуктивности

Данный результат использован при проектировании и изготовлении приборов, описанных ниже.

СВЧ МИС коммутаторов 1x2 и 1x3 канала. СВЧ-коммутаторы 1x2 и 1x3 канала (рис. 5 и 7) предназначены для соединения по СВЧ-сигналу входа и одного из двух (трех) выходов, обеспечивая между ними малые вносимые потери, при этом между входом и остальными выходами обеспечивается максимальная изоляция [1]. Часть топологий МИС закрыта, т.к. содержит рт-диоды с рядом конструктивных особенностей, не подлежащих разглашению. Эквивалентные низкочастотные (НЧ) схемы МИС коммутаторов (рис. 4 и 6) представляют собой последовательно-параллельное включение рт-диодов в каждом выходном канале, а также ЦУ в виде фильтра нижних частот (ФНЧ), со-

стоящего из катушки индуктивности и конденсатора [3]. На всех СВЧ-входах МИС установлены разделительные конденсаторы. Управление состоянием каналов («открыто»/«закрыто») осуществляется постоянным током ±10 мА.

Н<-

т

СВЧ Вых.2 £

4

х-3 Т

-)1-

СВЧ Вых.7

У /пит, Вх.6

СВЧ Вх.1

Рис. 4. Эквивалентная НЧ схема коммутатора 1 х2 канала

Рис. 5. Микроскопическое изображение коммутатора 1 х2 канала

СВЧ Вых.6

СВЧ Вых.4 •-К-г

СВЧ Вых.8

СВЧ Вх.1

Рис. 6. Эквивалентная НЧ-схема коммутатора 1x3 канала

Рис. 7. Микрофотография топологии коммутатора 1x3 канала

Ь, дБ -10 -20 -30 -40 -50 -60

( 1 -

{ -2

-3

Ь, дБ Ь, дБ

-1 -10

-2 -20

3 -30

-4 -40

5 -50

-6 -60

Ь, дБ

1-.ДБ 1 2

-5 -6

4

8

12

16

20

24 ГГц

4

8

12

16

20

Рис. 8. Измеренные АЧХ ^-параметров коммутатора 1 х2 канала

24 ГГц

Рис. 9. Измеренные АЧХ ^-параметров коммутатора 1x3 канала

Измеренные АЧХ ^-параметров МИС коммутаторов в диапазоне частот (4-27) ГГц приведены на рис. 8 и 9: кривые 1 соответствуют вносимым потерям открытых каналов, кривые 2 - возвратным потерям по входу и выходу открытого канала, кривые 3 - изоляции закрытых каналов коммутаторов. Отечественных аналогов данных МИС не представлено, ближайшие аналоги - MA4SW210B и MA4SW310B фирмы М/А-СОМ (США).

/пит, Вх.7

/пит, Вх.5

/пит, Вх.9

В.А. Гущин, И.В. Юнусов, А.Ю. Плотникова. СВЧМИС на основе GaAs-pin-диодов

73

Особенностью схем является возможность использования встроенного либо подключение внешнего токозадающего резистора в ЦУ СВЧ-входа МИС. Контактные площадки спроектированы с учетом способа монтажа МИС.

СВЧ МИС аттенюатора и СВЧ МИС модулятора с ФВЧ. Аттенюатор предназначен для управления в широком диапазоне амплитудой проходящего СВЧ-сигнала в зависимости от величины управляющего тока, при этом варьирование мощности на выходе аттенюатора происходит за счет поглощения мощности активными сопротивлениями pin-диодов и за счет отражения сигнала [1].

Эквивалентная НЧ-схема pin-диодного аттенюатора представляет собой подключенные параллельно СВЧ-тракту pin-диоды, а также ЦУ в виде фильтра нижних частот (ФНЧ), состоящего из катушки индуктивности и конденсатора, а также разделительные конденсаторы на СВЧ-входах устройства (рис. 12). СВЧ МИС модулятора (рис. 11) аналогична схеме аттенюатора (рис. 10), но содержит в СВЧ-тракте ФВЧ для предотвращения распространения частоты управляющего сигнала. ФВЧ выполнен в виде трех конденсаторов и трех катушек индуктивности (рис. 13).

Рис. 10. Микроскопическое изображение МИС-аттенюатора

Рис. 11. Микроскопическое изображение МИС-модулятора

СВЧ Вх.2

СВЧ Вх.3

Рис. 12. Эквивалентная НЧ схема аттенюатора

L, дБ

-10| -20 -30  -40 -50 -60 -70

8

Hf—1—If—1—if-

СВЧ Вх.1

I F www w

-)\-«

СВЧ Вх.3

Рис. 13. Эквивалентная НЧ-схема модулятора

12

16 20 24 Рис. 14. Измеренные АЧХ ^-параметров аттенюатора

f ГГ-7

-10 -20 -30 -40 -50 -60 70

1'

у '7

\ N N /

\ / V

•3

f — — -

L, дБ -1 -2 -3 -4

-5 6 7

12

16 20

Рис. 15. Измеренные АЧХ ^-параметров модулятора

'пит Вх.1

Лшт, Вх.2

Измеренные АЧХ ^-параметров МИС аттенюатора и МИС модулятора в диапазоне частот (427) ГГц приведены на рис. 14 и 15 соответственно. Кривые 1 соответствуют вносимым потерям МИС при 1упр= 0 мА, кривые 2 - возвратным потерям по входу модулятора и аттенюатора при 1упр= 0 мА, кривые 3 - вносимым потерям МИС при 1упр= 10 мА.

Заключение. Разработан ряд СВЧ МИС для управления амплитудой сигнала, который включает коммутаторы 1x2 и 1x3 канала, модулятор и аттенюатор для применения в диапазоне частот (427) ГГц. Изготовленные микросхемы обладают сравнительно хорошими СВЧ-параметрами и могут успешно применяться при создании СВЧ-измерительной аппаратуры и других СВЧ-систем, позволяя провести замещение зарубежных СВЧ МИС аналогичного функционального назначения. Использованные при проектировании схемотехнические и конструктивные решения позволили без усложнения технологии производства расширить рабочий диапазон СВЧ МИС.

Литература

1. Веселов Г.И. Микроэлектронные устройства СВЧ: учеб. пособие для радиотехнических специальностей вузов / Г.И. Веселов, Е.Н. Егоров, Ю.Н. Алехин. - М.: Высш. шк., 1988. - 280 с.

2. Монолитные интегральные схемы GaAs-pin-диодных коммутаторов СВЧ / И.В. Юнусов, А.М. Ющенко, А.Ю. Плотникова и др. // Сб. докл. Всерос. конф. «Микроэлектроника СВЧ». - СПб., 2012. - С. 93-96.

3. Хижа Г. С. СВЧ-фазовращатели и переключатели: Особенности создания на pin-диодах в интегральном исполнении / Г.С. Хижа, И.Б. Вендик, Е.А. Серебрякова. - М.: Радио и связь, 1984. -184 с.

4. RFIC and MMIC design and technology [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.globalspec.com/reference/25581/203279/rfic-and-mmic-design-and-technology, свободный (дата обращения: 12.04.2014).

Гущин Владимир Александрович

Студент 2-го курса магистратуры каф. физической электроники ТУСУРа

инженер-технолог НПКМ ЗАО «НПФ «Микран»

Тел.: +7-923-403-26-96

Эл. почта: vovan545182@gmail.com

Юнусов Игорь Владимирович

Начальник лаборатории диодных МИС НПКМ ЗАО «НПФ «Микран», г. Томск

Тел.:+7-952-890-98-01

Эл. почта: yunusov@micran.ru

Плотникова Александра Юрьевна

Инженер-технолог НПКМ ЗАО «НПФ «Микран» Тел.: +7-923-402-39-60 Эл. почта: alpl@micran.ru

Gushchin V.A., Yunusov I.V., Plotnikova A.Y. Control MMICs based on GaAs

The article describes pin-diode-based GaAs MMICs design results. MMICs are designed for using in frequency range (4-27) GHz, first of all in microwave measuring equipment. Measured characteristics show that produced MMICs can control a RF signal without adding significant insertion losses and reflections from device's input. Keywords: monolithic microwave integrated circuit, gallium arsenide, pin diode, SPDT switch, SP3T switch, attenuator, modulator, integrated bias network.