ОПТИЧЕСКИ-УПРАВЛЯЕМЫЙ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА СО ВСТРОЕННЫМ ИСТОЧНИКОМ СВЕТА, ОСНОВАННЫЙ НА ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ С ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ПОДЛОЖКОЙ
OPTICALLY-CONTROLLED SWITCH OF MILLIMETER RANGE WITH BUILT-IN LIGHT SOURCE, BASED ON TRANSMISSION LINE WITH SEMICONDUCTOR SUBSTRATE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к радиотехнике, и, более конкретно, к оптически–управляемому переключателю миллиметрового диапазона на основе линии передачи с полупроводниковой подложкой.
Уровень техники
В настоящее время ведется активная разработка сетей и устройств миллиметрового диапазона, таких как 5G и 6G, WiGig, радары для автономной навигации и т.д. Появление подобных новых приложений в миллиметровом диапазоне для частот свыше 30 ГГц (КВЧ, или EHF) требует разработки нового класса элементов и схем (активных элементов, антенн, печатных плат, фидеров и коммутационных устройств), способных интегрировать передачу данных, возможности обнаружения и возможности поиска оптимального направления передачи в рамках одного устройства. В частности, для многих приложений переключатель является важным компонентом, поскольку он позволяет управлять переключением каналов распространения сигнала.
Между тем, на частотах свыше 30 ГГц технологические особенности исполнения устройств имеют большое значение, поскольку длины распространяющихся волн очень малы, и любые неоднородности в трактах, которые не были бы существенны для меньших частот, могут приводить к паразитным и шумовым эффектам, во избежание которых требуется производство высокоточных линий передачи с малыми потерями на единицу длины. Соответственно, существующие в уровне техники переключатели для более низких частот становятся непригодны из–за высоких потерь.
Известные решения без оптического управления для частот свыше 30 ГГц чрезвычайно сложны и дороги, поэтому среди доступных технологий для миллиметрового диапазона особый интерес представляют оптически–управляемые переключатели на SIW–структурах (см., например, US 2019/086763 A1, 12.09.2018, Samsung Electronics), так как в том диапазоне, для которого они предназначены (приблизительно от 10 до 40 ГГц) им присущи простая конструкция и изготовление; экономичный способ встраивания в одной диэлектрической подложке; отсутствие сложных переходов; широкая полоса частот; удобство интегрирования с классическими технологиями печатных плат (PCB), а также хорошая изоляция схем питания/управления от РЧ тракта, малые потери, высокая допустимая пропускаемая мощность. Такой переключатель содержит печатную плату, включающую в себя верхний и нижний слои и диэлектрический слой между верхним и нижним слоями, множество переходных металлизированных отверстий, электрически соединенных с верхним и нижним слоями и расположенных по меньшей мере двумя рядами, закорачивающее металлизированное отверстие, электрически соединенное с нижним слоем и отделенное от верхнего слоя диэлектрическим зазором, и фотопроводящий элемент, электрически соединенный с верхним слоем и закорачивающим отверстием, причем фотопроводящий элемент имеет состояние диэлектрика и состояние проводника и причем электромагнитная волна, подаваемая на оптически–управляемый переключатель, распространяется через волновод, сформированный между упомянутыми по меньшей мере двумя рядами, или блокируется в нем. Тем не менее, на частотах свыше 30–40 ГГц в таком переключателе возникает паразитное излучение как через частично закрытый, так и через полностью закрытый диэлектрический зазор, потому что покрывающий его фотопроводящий элемент изготавливается из материалов, имеющих относительно высокую диэлектрическую проницаемость (например, около 12 для кремния), что создает условия излучения для данного зазора как для кольцевого излучателя. Из–за этого увеличиваются потери, ухудшается согласование в РЧ–тракте в открытом состоянии, увеличивается чувствительность к внешним наводкам, ухудшается изоляция между состояниями ВКЛ/ВЫКЛ и требуется большая оптическая мощность от управляющего источника света, что приводит к его нагреву и уменьшению срока работоспособности.
Указанные выше недостатки во многом связаны с тем, что этот переключатель, как и большинство существующих в уровне техники радиочастотных устройств, основан на технологиях изготовления печатных плат (PCB), тогда как последние имеют определенные ограничения для частот свыше 30 ГГц. Известные проблемы таких технологий заключаются в следующем.
– Неуправляемое травление медных линий не позволяет обеспечить высокую точность изготовления, ограничиваясь в лучшем случае показателями ~ +/– 20 мкм, что приводит к недостаточной точности ширины медных полосков и позиционирования VIA (переходных металлизированных отверстий), несоблюдению нужной ширины зазоров в металлизации, а также к значительной шероховатости поверхности. Это критично для частот свыше 30 ГГц, так как на таких частотах все эти неточности изготовления являют собой неоднородности, из–за которых происходит отклонение реальных характеристик линии передачи от расчетных и появление высоких потерь в диэлектрике и в проводниках.
– Толщина медных линий в традиционных технологиях PCB является относительно большой, из–за чего на частотах свыше 30 ГГц возникает связанное с этим паразитное реактивное сопротивление, которое приходится компенсировать, используя дополнительные компоненты, что в свою очередь ведет к дополнительным потерям, увеличению габаритов и сужению полосы пропускания.
– Для эффективного переключения линии необходим большой объем фотопроводящего материала, вследствие чего существует ограничение скорости работы переключателя.
– В последнее время приобрел популярность поверхностно–излучающий лазер с вертикальным резонатором (или просто вертикально–излучающий лазер, VCSEL). Для практического применения весьма удобным является использование решетки таких лазеров VCSEL, однако низкая плотность упаковки питающих линий и переключателей на печатной плате приводит к тому, что из всей решетки используется лишь небольшое количество VSCEL, что ведет к увеличению размера требуемой решетки VCSEL, и соответственно, к увеличению ее стоимости.
– Доступные на рынке диэлектрические подложки для печатных плат имеют относительно большую толщину, из–за чего усложняется миниатюризация КВЧ–устройств и КВЧ–линий.
Соответственно, существующие на рынке КВЧ–переключатели являются громоздкими, сложными и дорогими, обладают очень высокими потерями, а также неудобны для интеграции из–за необходимости развязки схем питания/управления.
Из уровня техники на данный момент не были известны доступные на рынке КВЧ–переключатели в диапазоне >70 ГГц, способные в чистом виде выполнять функцию открытого–закрытого ключа для проходящих через него волн и которые при этом не были бы подвержены вышеуказанным проблемам. Известны лишь подобные решения из смежной области, которые могут рассматриваться как частично решающие эти проблемы.
Так, например, в патенте US 9,431,564 B2 (30.08.2016, Thales Holding UK PLC) раскрывается фотопроводящий переключатель, содержащий фотопроводящий материал и первый и второй контакты, предусмотренные на указанном фотопроводящем материале, при этом указанные первый и второй контакты содержат множество пересекающихся дорожек, причем дорожки каждого контакта отделены от дорожек другого контакта фотопроводящим зазором, дорожки изогнуты так, что минимальный фотопроводящий зазор, измеренный в каком–либо направлении, остается практически одинаковым независимо от ориентации направления. Однако функцией этого переключателя является лишь модуляция проходящих через него миллиметровых волн, а для их полной блокировки он не подходит, так как имеет паразитную емкость, из–за которой возникает дополнительная утечка волн и ухудшается изоляция.
В патенте US 9,716,202 B2 (25.07.2017, The Curators of the University of Missouri, Columbia, MO) раскрывается твердотельный оптически–управляемый переключатель, который может использоваться в качестве ограничивающего мощность переключателя в различных применениях или в качестве высокомощного переключателя. В частности, этот переключатель использует фотопроводящие свойства полупроводника для обеспечения функции ограничения в линейном режиме. В одном варианте осуществления конфигурация переключателя обеспечивает передачу в выключенном состоянии более 99,9999% проходящего сигнала и ограничение во включенном состоянии вплоть до менее чем 0,0001% проходящего сигнала. Данный переключатель является наиболее близким к настоящему изобретению. Отличие в сути и реализации этого известного решения состоит в том, что его применение сводится лишь к ограничителю мощности, в котором сигнал должен не отражаться, а либо поглощаться, либо отводиться в аттенюаторы, и чтобы он эффективно работал, полупроводниковый материал в нем должен содержать нитрид, что требует больших оптических мощностей для активации переключателя. Кроме того, в этом документе не описывается, как можно выполнить переключатель со встроенным источником света, а описываемая якобы копланарная структура не является на самом деле таковой, поскольку не предполагает конфигурацию копланарной линии передачи для распределения электромагнитного поля в ее сечении на высоких частотах, а представляет собой лишь проводник, частично окруженный землей для отвода части сигнала.
Сущность изобретения
С целью устранения по меньшей мере некоторых из вышеупомянутых недостатков предшествующего уровня техники, настоящее изобретение направлено на создание оптически–управляемого переключателя КВЧ–диапазона, изготавливаемого по более точной технологии на основе линии передачи с полупроводниковой подложкой и имеющего встроенный источник света.
Согласно первому аспекту настоящего изобретения предложен оптически–управляемый переключатель, содержащий снизу вверх: подложку, выполненную из полупроводникового материала, который при отсутствии внешнего воздействия выступает в качестве диэлектрика, первый проводящий слой линии передачи, выполненный из проводящего материала на верхней стороне подложки, и лазер, содержащий снизу вверх: нижний распределенный брэгговский отражатель (DBR) лазера, выполненный частично светопрозрачным для обеспечения возможности светового излучения лазера через нижний DBR, активную область лазера, и верхний DBR лазера, выполненный полностью отражающим, причем в подложке в зоне падения луча выполнен фотопроводящий участок, который при освещении светом находится в состоянии проводника, а при отсутствии света находится в состоянии диэлектрика, в первом проводящем слое линии передачи в зоне падения луча выполнено по меньшей мере одно окно излучения для обеспечения прохождения светового излучения лазера к фотопроводящему участку.
В одном из вариантов осуществления подложка выполнена из высокорезистивного фотопроводящего материала.
В одном из вариантов осуществления линией передачи является копланарный волновод (CPW), причем первый проводящий слой содержит копланарную линию, содержащую проходящий над фотопроводящим участком центральный сигнальный проводник и окружающие его полубесконечные земляные проводники, причем диэлектрическим слоем для CPW служит упомянутая подложка.
В одном из вариантов осуществления переключатель дополнительно содержит: соединительный слой, выполненный из светопрозрачного диэлектрика между первым проводящим слоем и нижним DBR.
В одном из вариантов осуществления соединительный слой выполнен из диэлектрической пленки.
В одном из вариантов осуществления линией передачи является копланарный волновод (CPW), причем первый проводящий слой содержит копланарную линию, содержащую проходящий над фотопроводящим участком центральный сигнальный проводник и окружающие его полубесконечные земляные проводники, причем диэлектрическим слоем для CPW служит соединительный слой.
В одном из вариантов осуществления переключатель дополнительно содержит: второй проводящий слой, выполненный из проводящего материала между соединительным слоем и нижним DBR, причем во втором проводящем слое линии передачи в зоне падения луча выполнено по меньшей мере одно окно излучения для обеспечения прохождения светового излучения лазера к фотопроводящему участку, причем первый проводящий слой является сигнальным слоем линии передачи, а второй проводящий слой является земляным слоем линии передачи.
В одном из вариантов осуществления линией передачи является копланарный волновод с земляным слоем (GCPW), причем сигнальный слой содержит копланарную линию, содержащую проходящий над фотопроводящим участком центральный сигнальный проводник и окружающие его полубесконечные земляные проводники.
В одном из вариантов осуществления линией передачи является микрополосковая линия, причем сигнальный слой содержит два отрезка микрополосковой линии, разделенные между собой фотопроводящим участком.
В одном из вариантов осуществления переключатель дополнительно содержит: второй проводящий слой, выполненный из проводящего материала на нижней стороне подложки, причем линией передачи является волновод со штырьевыми стенками (SIW), причем первый проводящий слой является верхней стенкой SIW, а второй проводящий слой является нижней стенкой SIW, причем диэлектрическим слоем для SIW служит упомянутая подложка.
В одном из вариантов осуществления переключатель дополнительно содержит: боковые стенки, сформированные рядами переходных металлизированных отверстий (VIA), выполненных в подложке между первым и вторым проводящими слоями по разные стороны от фотопроводящего участка.
В одном из вариантов осуществления переключатель дополнительно содержит: по меньшей мере один дополнительный лазер и по меньшей мере один соответствующий ему дополнительный фотопроводящий участок, расположенные рядом с упомянутым лазером и упомянутым фотопроводящим участком между боковыми стенками SIW для формирования отражающей стенки.
В одном из вариантов осуществления переключатель дополнительно содержит: соединительную пленку, выполненную между активной областью лазера и нижним DBR.
В одном из вариантов осуществления толщина подложки равна глубине поглощения света на рабочей длине волны лазера с учетом диффузионной длины носителей заряда на фотопроводящем участке.
В одном из вариантов осуществления ширина проводников в первом проводящем слое, размер апертуры лазера и диффузионная длина носителей заряда на фотопроводящем участке имеют один и тот же порядок.
В одном из вариантов осуществления фотопроводящий участок выполнен в подложке с применением метода введения в полупроводник новых центров рекомбинации.
В одном из вариантов осуществления подложка в целом имеет время жизни свободных носителей в полупроводнике, превышающее время жизни носителей, требуемое для формирования фотопроводящего участка с заданными характеристиками, и фотопроводящий участок выполнен в подложке с помощью метода введения в полупроводник новых центров рекомбинации в зоне падения луча.
В одном из вариантов осуществления подложка в целом имеет время жизни свободных носителей в полупроводнике, равное или меньшее времени жизни носителей, требуемому для формирования фотопроводящего участка с заданными характеристиками, и фотопроводящий участок выполнен в подложке с помощью метода введения в полупроводник новых центров рекомбинации вдоль границы вокруг зоны падения луча.
Согласно второму аспекту настоящего изобретения предложено высокочастотное коммутирующее устройство, содержащее множество оптически–управляемых переключателей по п. 1, выполненных на основе единой подложки и содержащих связанные между собой линии передачи.
Согласно третьему аспекту настоящего изобретения предложен реконфигурируемый оптически–управляемый коммутатор, содержащий решетку оптически–управляемых переключателей по первому аспекту, выполненных на основе единой подложки, в которой по меньшей мере часть соседних оптически–управляемых переключателей выполнены с возможностью, находясь во включенном состоянии, формировать собой боковые стенки SIW.
Технический результат
Настоящее изобретение обеспечивает недорогой оптически–управляемый переключатель, который способен работать в мм–диапазоне на частотах свыше 30 ГГц, демонстрируя при этом улучшенные характеристики, такие как уменьшение вносимых потерь, уменьшение энергопотребления, улучшение изоляции между состояниями ВКЛ/ВЫКЛ, увеличение скорости переключения, увеличение рабочей полосы частот, уменьшение габаритов, простая интеграция в устройства SoI и CMOS.
Краткое описание чертежей
Далее настоящее изобретение будет описано более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
На Фиг. 1A–1B показан оптически–управляемый переключатель согласно настоящему изобретению.
На Фиг. 2A–2B показаны варианты осуществления линии передачи в переключателе последовательного типа и параллельного типа.
На Фиг. 3A–3B показан принцип работы переключателя последовательного типа по Фиг. 2A.
На Фиг. 4A–4B показан принцип работы переключателя последовательного типа по Фиг. 2B.
На Фиг. 5 показан пример распределения возбужденных носителей в толще кремниевого материала.
На Фиг. 6 показаны результаты моделирования концентрации носителей в объеме фотопроводящего материала.
На Фиг. 7 показано примерное распределение проводимости в засвеченной области в переключателе на основе линии GCPW.
На Фиг. 8 представлены результаты моделирования S–параметров переключателя по Фиг. 7.
На Фиг. 9A–9C показаны варианты осуществления проводящих слоев в предложенном переключателе.
На Фиг. 10A–10C показаны варианты осуществления сигнального проводника в копланарной линии.
На Фиг. 11A–11D показан вариант осуществления переключателя на основе SIW–линии.
На Фиг. 12 показан вариант осуществления отражающей стенки в переключателе на основе SIW–линии.
На Фиг. 13A–13B показан реконфигурируемый коммутатор на основе SIW–линии без VIA.
На Фиг. 14 показан пример фазовращателя с использованием переключателей последовательного типа.
На Фиг. 15–16 показаны примеры локальной обработки кремниевой подложки.
Следует понимать, что фигуры могут быть представлены схематично и не в масштабе и предназначены, главным образом, для улучшения понимания настоящего изобретения.
Подробное описание
Структура оптически–управляемого переключателя согласно настоящему изобретению показана на Фиг. 1A–1B. Так, переключатель представляет собой многослойное устройство, содержащее укрупненно три слоя (Фиг. 1B): нижний слой 1 в виде полупроводниковой подложки (пластины), средний слой 2 в виде соединительной (скрепляющей) структуры, в которой также выполнена половина конструкции лазера с полупрозрачным зеркалом (отражателем), и верхний слой 3 в виде второй части лазера с полностью отражающим зеркалом. Как показано на Фиг 1A, нижний слой 1 (подложка) выполнен из высокорезистивного полупроводникового материала, такого как кремний, который в нормальных условиях при отсутствии внешнего воздействия должен выступать в качестве диэлектрика. Средний слой 2 (соединительная структура) содержит сигнальный слой 4, выполненный на упомянутой подложке 1, соединительный слой 5 диэлектрика, например пленка оксида кремния, земляной слой 6, нижний (частично светопрозрачный) распределенный брэгговский отражатель (DBR) 7 и соединительную пленку (соединительный интерфейс, bonding interface) 8. При этом для изготовления проводников сигнального и земляного слоев могут применяться золото, серебро, медь и любые другие проводники, которые можно нанести на данные подложки с заданной точностью. Верхний слой 3 (источник света) содержит активную область 9 и верхний (полностью отражающий) DBR 10.
Как можно заметить, такая структура напоминает лазер VCSEL с нижним излучением, с той разницей, что в средний слой встроена линия передачи. Соответственно, основной принцип настоящего изобретения состоит в том, что на той же полупроводниковой подложке, что и РЧ (радиочастотная) линия, возможно выращивание части VCSEL структур (одиночных, или набора, или целой решетки).
На подложке 1 высокорезистивного кремния, например, с помощью метода электронной литографии, наносятся проводники сигнальной РЧ линии 4. Далее на данной структуре выращивается слой 5 оксида кремния фиксированной толщины. Толщина оксида кремния и ширина проводников РЧ линии выбираются для соблюдения необходимого импеданса линии (например 50 Ом). На слое 5 оксида кремния наносится металлизация земляного слоя 6 с необходимым окошком для прохождения светового пучка от лазера. Далее на этой структуре выращивается структура частично светопрозрачного распределенного брэгговского отражателя (DBR) 7. На ее поверхности выращивается соединительная пленка 8. Независимо от данной структуры изготавливается вторая часть лазера: активная среда 9 лазера и непрозрачный распределенный отражатель 10. Данная структура может выращиваться, например, на подложке GaAs или другой оптически–непрозрачной подложке. Затем эти две части лазера соединяются через соединительную пленку 8 или иным образом.
2
Верхний DBR 10 имеет очень высокий коэффициент отражения (например, более 99,9%) для полного отражения света, а нижний DBR 7 имеет меньший коэффициент отражения (например, около 95%) для обеспечения возможности светового излучения лазера через нижний DBR. Также для обеспечения прохождения светового излучения лазера в сигнальном слое 4 и в земляном слое 6 выполнены отверстия или зазоры (окна излучения) 12, а соединительная структура 5 является светопрозрачной. В то же время, соединительная структура 5 должна выполнять роль слоя диэлектрика между сигнальным слоем 4 и земляным слоем 6 микрополосковой линии передачи. Соответственно, для таких целей соединительная структура 5 должна быть выполнена из светопрозрачного диэлектрика, такого как оксид кремния, SiO. Тем самым, свет от лазера может проходить до подложки 1.
В подложке в зоне падения луча выполнен фотопроводящий участок 11, обладающий эффектом фотопроводимости. Это означает изменение состояния фотопроводящего участка при освещении светом: без света он находится в состоянии диэлектрика, при свете он находится в состоянии проводника. За счет этого можно создавать коммутируемые структуры (отражающие или передающие) для радиочастотного сигнала.
С точки зрения линии передачи, переключатель может быть последовательного типа (когда 2 отдельных отрезка линии передачи соединены переключающим элементом) или параллельного типа (когда линия передачи шунтируется переключающим элементом). Далее на Фиг. 2A–2B показаны варианты осуществления линии передачи в переключателе, соответственно, последовательного типа и параллельного типа. В обоих типах в земляном слое, который выполнен сплошным, имеется отверстие 13 для пропускания света от лазера к фотопроводящему участку 11 (на Фиг. 2B для упрощения не показан). Что касается сигнального слоя 4, то в переключателе последовательного типа используется, например, обычная микрополосковая линия (Фиг. 1A–1B, 2A), в которой в области фотопроводящего участка 11 выполнен разрыв 12 (или иными словами, два отрезка микрополосковой линии разделены между собой фотопроводящим участком 11). В переключателе параллельного типа используется, например, копланарный волновод с земляным слоем (GCPW), в котором сигнальный слой 4 содержит копланарную линию, содержащую проходящий над фотопроводящим участком центральный сигнальный проводник и окружающие его полубесконечные земляные проводники (Фиг. 2B).
Принцип работы переключателя последовательного типа по Фиг. 2A показан на Фиг. 3A–3B. В частности, в состоянии 1 (ВЫКЛ), когда на VCSEL не подается питание, VCSEL не излучает – соответственно, свет не падает на фотопроводящий участок 11, и фотопроводящий участок 11 находится в состоянии диэлектрика. Микрополосковая линия 4 разомкнута, и поступающий на вход переключателя сигнал 14 отражается от такого диэлектрического зазора 12, не попадая на выход.
В отличие от этого, в состоянии 2 (ВКЛ), когда на VCSEL подается питание, VCSEL излучает свет 15, который через отверстие 13 в земляном слое 6, соединительный слой 5 и разрыв 12 в сигнальном слое 4 падает на фотопроводящий участок 11. Фотопроводящий участок 11 переходит в состояние проводника, тем самым замыкая разрыв 12 в микрополосковой линии, и поступающий на вход переключателя сигнал 14 поступает на выход.
Принцип работы переключателя параллельного типа по Фиг. 2B показан на Фиг. 4A–4B. Для удобства понимания источник света здесь не показан. В состоянии 1 (ВЫКЛ), когда на VCSEL не подается питание, VCSEL не излучает – соответственно, свет не падает на фотопроводящий участок 11, и фотопроводящий участок 11 находится в состоянии диэлектрика. Зазор 12 между сигнальным проводником копланарной линии и земляными проводниками остается непроводящим, и поступающий на вход переключателя сигнал поступает на выход.
В состоянии 2 (ВКЛ), когда на VCSEL подается питание, VCSEL излучает свет 15, который через отверстие 13 в земляном слое 6, соединительный слой 5 и зазор 12 между сигнальным проводником копланарной линии и земляными проводниками падает на фотопроводящий участок 11. Фотопроводящий участок 11 переходит в состояние проводника, тем самым замыкая зазор 12, и поступающий на вход переключателя сигнал закорачивается на землю.
Миниатюризация такого переключателя, созданного путем размещения на полупроводниковой подложке малогабаритных линии передачи и источника света, достигается в том случае, когда в целях соблюдения баланса между оптической мощностью источника света, размером его апертуры и достигаемой площади зоны проводимости в фотопроводнике следующие три величины имеют один и тот же порядок:
1) ширина сигнальных проводников (в примерном варианте осуществления ширина линии передачи в сигнальном слое составляет порядка 10 мкм);
2) размер апертуры источника света (в примерном варианте осуществления диаметр луча VCSEL составляет порядка 10 мкм);
3) диффузионная длина в полупроводниковом материале (она определяется временем жизни носителя и скоростью рекомбинации, как будет более подробно пояснено далее) (в примерном варианте осуществления размеры фотопроводящего участка составляют 10х10х10 мкм).
Задача выбора конкретных значений этих трех величин может быть решена путем определения размеров фотопроводящего участка и ширины сигнальных проводников при заданных известных характеристиках выбранного источника света (размер его апертуры, мощность излучения, длина волны) с учетом выбранных материалов и технологии изготовления, так чтобы мощности лазера хватило для замыкания/размыкания линии, а также чтобы обеспечить требуемые характеристики переключателя.
d
Выбрав для упрощения расчетов куб размером  в качестве той активной зоны фотопроводящего участка, где требуется обеспечить заданные характеристики (то есть в которой не действуют краевые эффекты), можно оценить его параметры при возбуждении светом.
R
C
Электрическое сопротивление  и электрическую емкость между параллельными гранями такого кубического участка можно оценить следующими соотношениями:
, (1)
, (2)
σ
где  – проводимость,
ε
– относительная диэлектрическая проницаемость,
ε
0
– диэлектрическая проницаемость в свободном пространстве.
σ
При этом проводимость  фотопроводящего участка вычисляется по следующей формуле:
, (3)
n
где  – концентрация носителей,
e
– элементарный электрический заряд (фиксированная величина),
μ
– подвижность носителей (фиксированная величина для заданного полупроводника).
n
В свою очередь, для определения концентрации  носителей может применяться уравнение Гельмгольца:
, (4)
где Φ – функция освещения.
s
Границы фотопроводящего участка, фактически, определяются диффузионной длиной :
, (5)
D
где  – коэффициент диффузии,
τ
– время жизни носителей заряда в фотопроводящем материале.
Оценка для требуемой потребляемой мощности составляет:
(6)
Соотношение размеров источника света и фотопроводящего участка влияет на требуемую величину оптической мощности. При одном и том же размере источника света и при различных размерах фотопроводящего участка для обеспечения заданной величины концентрации носителей необходима различная оптическая мощность.
Помимо диффузии, размер фотопроводящей области может быть ограничен посредством модуляции времени жизни носителей в полупроводнике. Время жизни в объеме полупроводника может быть уменьшено, например, внесением дефектов в его кристаллическую структуру. Отодвигая/придвигая границы фотопроводящего (области с малым объемным временем жизни) участка от зоны, в которой необходимо обеспечивать заданный уровень проводимости, с помощью рекомбинационных краевых эффектов можно увеличивать/уменьшать эффективное время жизни носителей и увеличивать/уменьшать итоговое время включения/выключения переключателя.
Поэтому, в зависимости от целей устройства назначения, подбором геометрических параметров фотопроводящего участка, линии передачи и источника освещения, можно оптимизировать потребляемую оптическую мощность переключателя и его время включения/выключения.
Выше в недостатках уровня техники указывалось на необходимость перехода от традиционных размеров линии передачи к микронным размерам для перехода к более высоким рабочим частотам, увеличения точности изготовления, уменьшения паразитных реактивностей, связанных с толщиной проводников. Переход к технологиям, используемым для производства полупроводниковых устройств, может решить проблемы ограниченной точности изготовления печатных плат, а также обеспечить микронные размеры переключателя и линий передачи устройства.
d
Учитывая вышеуказанные требования и технологию, в конкретном примере в качестве источника света выбран доступный на рынке лазер с апертурой 10 мкм, мощностью 10 мВт и длиной волны 850 нм. Соответственно, в качестве той зоны фотопроводящего участка, где требуется обеспечить заданные характеристики, выберем куб со стороной =10 мкм, что в 100 раз меньше размеров фотопроводящих элементов, известных из уровня техники.
d
d
0
0
–2
=1000 мкм → 10=10 мкм.
Объем области возбуждения, соответственно:
V
V
0
0
–6
→ 10.
R
0
Учитывая вышеуказанные соотношения (1) и (2), паразитное сопротивление рассчитываемого участка вырастает в 100 раз по сравнению с сопротивлением  традиционного фотопроводящего элемента, а паразитная емкость уменьшается в 100 раз.
R
R
0
0
→ 100 .
C
C
0
0
→ 0,01 .
Как видно, такое масштабирование положительно влияет на паразитную емкость, уменьшая ее, но отрицательно влияет на сопротивление. Чтобы уменьшить сопротивление, вернув его значение к приемлемому, не изменяя размеры участка, необходимо увеличить его проводимость, как следует из (1).
σ
σ
0
0
→ 100 .
Такая проводимость, исходя из соотношений (3) и (4), обеспечивается при соответствующем увеличении концентрации носителей:
n
n
0
0
→ 100 .
–6
V
0
Тогда, в рассматриваемом объеме 10число носителей, переведенное в возбужденное состояние, должно составить:
N
N
0
0
–4
→ 10.
P
0
При заданной (неизменной) мощности источника света , в соответствии с соотношением (6), необходимо, чтобы время жизни носителей в данном материале было
τ
τ
0
0.
–4
→ 10
Требование на уменьшение времени жизни неосновных носителей поддерживает идею миниатюризации переключателя, так как оно определяет диффузионную длину носителей в материале, т.е. фактический размер зоны проводимости в материале. Это может быть использовано при выборе размера апертуры источника света, которая может быть меньше размеров необходимой активной зоны переключения на длину диффузионного распространения носителей в фотопроводнике.
–4
τ
0
Время жизни неосновных носителей также определяет длительность процессов возбуждения и рекомбинации носителей в материале. Поэтому, требование на уменьшение 10 позволяет в ~10000 раз увеличить скорость переключения фотопроводящего участка (и соответственно переключателя), при той же мощности источника света.
2
В качестве примера расчета, когда в качестве фотопроводящего материала выбран кремний, при коэффициенте диффузии для малых областей 29 см/с и обеспечении времени жизни носителей 1 мкс диффузионная длина составит приблизительно 54 мкм, что сопоставимо с необходимым размером фотопроводящего участка.
На Фиг. 5 иллюстрируется пример распределения возбужденных носителей в толще того же самого кремниевого материала для случая, когда в качестве источника света выбран вышеуказанный доступный на рынке лазер с апертурой 10 мкм, мощностью 10 мВт и длиной волны 850 нм. Глубина проникновения света при этом составляет в среднем 15 мкм (показано пунктирной линией), что является подходящим результатом (глубина зоны проводимости=глубина проникновения света+диффузия. В целом глубина зоны проводимости должна быть больше толщины скин–слоя для проводника на заданной частоте устройства (определяется с учетом проводимости проводника)).
2
Далее на Фиг. 6 показаны результаты моделирования концентрации носителей в объеме фотопроводящего материала. При этом выбраны следующие параметры источника света: световой луч 10 мкм х 10 мкм, мощность 10 мВт и длина волны 850 нм; и следующие параметры фотопроводящего материала: кремний, коэффициент диффузии 29 см/с, время жизни носителей 1 мкс.
Еще в одном примере, приведенном на Фиг. 7, рассматривается оптически–управляемый переключатель на основе линии GCPW. Ширина сигнального проводника в копланарной линии передачи задана 2 мкм, ширина зазоров между сигнальным проводником и земляными проводниками с обеих сторон задана равной 6 мкм. То есть суммарная ширина линии вместе с зазорами составит 14 мкм. Чтобы сигнальный проводник при включенном состоянии переключателя мог закорачиваться на землю, размер фотопроводящего участка должен превышать эту суммарную ширину линии. Усредним распределение проводимости в засвеченной области следующим образом: максимальная проводимость 10000 См/м на участке с круглым сечением диаметром 25 мкм, спадание проводимости до 5000 См/м на участке диаметром 50 мкм (Фиг. 7).
Результаты моделирования S–параметров переключателя согласно настоящему изобретению и описанному распределению проводимости представлены на Фиг. 8: как видно, получен широкополосный переключатель с изоляцией между состояниями ВКЛ/ВЫКЛ более 20 дБ, при том что в состоянии ВЫКЛ, в котором (как показано выше в отношении Фиг. 4A–4B для переключателя параллельного типа по Фиг. 2B) сигнал должен полностью проходить на выход, коэффициент отражения составляет приблизительно –45 дБ, а коэффициент передачи –0,03 дБ, а в состоянии ВКЛ, в котором сигнал должен закорачиваться, коэффициент отражения составляет приблизительно –0,95 дБ, а коэффициент передачи –23 дБ.
Таким образом, в настоящем изобретении обеспечивается оптически–управляемый переключатель микронных размеров для частот свыше 30 ГГц с возможностью использования источника света микронных размеров, содержащий полупроводниковую подложку с фотопроводящим участком и встроенную РЧ линию передачи, при этом уменьшена паразитная емкость, повышена точность и плотность компонентов. Иными словами, обеспечивается следующий технический результат:
– уменьшение размеров (миниатюризация) переключателя, и как следствие, уменьшение паразитных потерь,
– низкие диэлектрические потери у подложки линии передачи и высокое качество изготовления проводников в линии передачи, и как следствие, уменьшение вносимых потерь в КВЧ–диапазоне,
– уменьшение энергопотребления, улучшение изоляции между состояниями ВКЛ/ВЫКЛ и увеличение скорости переключения благодаря уменьшению переключателя при условии обеспечения приемлемых уровней проводимости и времени жизни носителей,
– увеличение рабочей полосы частот,
– простая интеграция в устройства SoI и CMOS.
Далее в настоящем документе будут описаны другие варианты осуществления настоящего изобретения. Следует понимать, что изобретение не ограничивается этими вариантами, и специалисты в данной области смогут получить иные варианты осуществления, руководствуясь изложенными здесь принципами создания высокочастотного переключателя.
Так, например, в качестве линии передачи может использоваться не только микрополосковая линия (Фиг. 2A) и копланарный волновод с земляным слоем GCPW (Фиг. 2B), но также и обычный копланарный волновод (CPW), без дополнительного земляного слоя, как показано на Фиг. 9A, или любая другая подходящая линия передачи. Возможен также вариант, в котором диэлектрическим слоем для копланарной линии служит непосредственно полупроводниковая подложка, и тогда не требуется наличие соединительного слоя и земляного слоя. Форма отверстия для прохождения света от источника света к фотопроводящему участку может быть любой – и круглой, как упоминалось ранее, и квадратной, как показано на Фиг. 9B, и прямоугольной, и любой иной, с тем условием чтобы ее размер позволял свету беспрепятственно достигнуть фотопроводящего участка. Структура земляного слоя также не ограничивается настоящим изобретением и может быть выбрана любой удобной конфигурации – сплошная, как упоминалось выше, или сетчатая, как показано на Фиг. 9C.
Толщина полупроводниковой подложки в таких структурах, где требуется закорачивание проводников линии передачи в горизонтальной плоскости, должна быть больше или примерно равной глубине поглощения света на рабочей длине волны источника света с учетом диффузионной длины носителей заряда на фотопроводящем участке полупроводниковой подложки.
Что касается реализаций на копланарной линии (CPW, GCPW), то на Фиг. 10A показан вариант, в котором используется прямолинейный сплошной сигнальный проводник. Этот вариант является в достаточной мере эффективным и обладает всеми вышеуказанными преимуществами настоящего изобретения. Тем не менее, выполнение сигнального проводника с дополнительной неоднородностью 16 (Фиг. 10B) может обеспечить более сильное отражение сигнала от фотопроводящего участка 11 из–за увеличения площади зоны переключения (уменьшение шунтирующего сопротивления). Кроме того, выполнение сигнального проводника в виде сетки (Фиг. 10C) может обеспечить лучшее возбуждение носителей на фотопроводящем участке при сохранении качества передачи сигнала.
Еще одним вариантом линии передачи может быть SIW–линия (substrate integrated waveguide, волновод со штырьевыми стенками), показанная на Фиг. 11A–11D. В таком варианте осуществления формируется волновод с диэлектрическим заполнением: верхняя (4) и нижняя (17) стенки волновода представляют собой металлизированные поверхности непосредственно самой полупроводниковой подложки 1. При этом в верхнем слое 4 металлизации должно быть отверстие 12 (или несколько) для прохождения света от источника (источников). Боковые стенки формируются рядами переходных металлизированных отверстий 18, выполненных, например, по технологиям TSV (Through Silicon VIA). Шаг между отверстиями должен быть меньше λ/10, где λ – рабочая длина волны устройства.
Толщина полупроводниковой подложки (пластины) в такой структуре, поскольку в ней требуется закорачивание проводников линии передачи в вертикальной плоскости, должна быть примерно равной глубине поглощения света на рабочей длине волны источника света с учетом диффузионной длины носителей заряда на фотопроводящем участке полупроводниковой подложки (или не превышать ее).
В выключенном состоянии (при выключенном источнике света) сигнал будет свободно проходить в реализованном волноводе (Фиг. 11A, 11C). При включении источника света, он будет отражаться от активированной зоны проводимости (Фиг. 11B, 11D).
Для улучшения эффективности запирания SIW–линии можно использовать несколько источников света, образующих отражающую стенку в волноводе, как показано на Фиг. 12.
При использовании решетки VCSEL можно создать структуру без необходимости выполнения VIA, в которой волноведущая SIW–линия будет образовываться непосредственно засвеченными (активированными) участками 11 фотопроводника, образующими боковые стенки волновода (Фиг. 13A). На 13A изображены только активированные фотопроводящие участки 11, но следует понимать, что в такой структуре могут быть и не активированные фотопроводящие участки под соответствующими не излучающими свет через окна 12 источниками света.
В предельном случае, это может быть полностью реконфигурируемая структура коммутации, в которой сигнал 14 можно направлять в любую нужную точку устройства (Фиг. 13B) и которая может также использоваться для деления/суммирования мощности, фазовращателей и других пассивных РЧ структур.
На Фиг. 14 показан вид сверху примера реализации фазовращателя, в котором применяются предложенные оптически–управляемые переключатели последовательного типа. На полупроводниковой подложке 1 выполнены отрезки 19 линии передачи, являющиеся ветвями фазовращателя, обеспечивающими необходимые задержки фазы при прохождении по ним сигнала. Между отрезками выполнены разрывы длиной, сопоставимой с шириной этих отрезков, и в области этих разрывов расположены фотопроводящие участки 11 соответствующего размера, на которые может излучаться свет от расположенных над ними вертикально–излучающих лазеров.
В случае, когда подложка в целом имеет большое время жизни носителей, предлагается применять локальное (в пределах требуемых участков) уменьшение времени жизни свободных носителей в полупроводнике, например, прямо в процессе изготовления самой полупроводниковой подложки с помощью введения новых центров рекомбинации в кремнии. Возможны несколько подходов: ионная имплантация, электронно–лучевое облучение и другие. Это все еще позволяет использовать в качестве подложек относительно большое разнообразие материалов, но устраняет необходимость использования отдельных фотопроводящих элементов и их монтажа в подложку. При необходимости такой обработке может подвергаться полностью вся подложка.
На Фиг. 15 показан пример такой локальной обработки, когда на кремниевой подложке фазовращателя, упомянутого ранее со ссылкой на Фиг. 11 (а в общем случае – на подложке любого требуемого устройства, содержащего предложенные переключатели), в областях, где должны располагаться фотопроводящие участки (показаны кружком), производится ионная бомбардировка. Соответственно, в этих областях время жизни свободных носителей уменьшается, и образуются фотопроводящие участки с требуемыми характеристиками.
В случае, когда вся подложка обладает эффектом фотопроводимости, плотность компоновки элементов определяется зоной фотопроводимости, т.е. суммой размера апертуры источника света и диффузионной длины. Расстояние между соседними переключателями при этом рекомендуется задавать большим как минимум на еще одну диффузионную длину. На периферии проводимость спадает экспоненциально.
Возможна также и иная ситуация. В случае, когда подложка в целом имеет необходимое время жизни носителей, можно дополнительно ограничить фотопроводящие участки. Для этого вокруг фотопроводящих участков создаются границы, на которых носители рекомбинируют очень быстро. Методы обработки те же самые: ионная имплантация, электронно–лучевое облучение и другие. Это позволяет увеличить плотность упаковки элементов на подложке, которая уже выполнена из материала, пригодного для использования непосредственно в качестве фотопроводящего участка.
На Фиг. 16 показан пример такой локальной обработки, когда на кремниевой подложке фазовращателя, упомянутого ранее со ссылкой на Фиг. 14, на границах областей, где должны располагаться фотопроводящие участки (показаны квадратиком), производится ионная бомбардировка. Соответственно, на этих границах время жизни свободных носителей резко уменьшается, носители рекомбинируют очень быстро, и тем самым создаются границы, в пределах которых по–прежнему остаются фотопроводящие участки с требуемыми характеристиками.
Следует понимать, что в настоящем документе показаны принцип построения и базовые примеры оптически–управляемого переключателя мм–диапазона на основе полупроводниковой подложки. Специалист в данной области техники, используя данные принципы, сможет получить и другие варианты осуществления изобретения, не прикладывая творческих усилий.
Применение
Оптически–управляемые переключатели на основе фотопроводящих элементов и полупроводниковой подложки, созданные с их использованием полосковые линии, циркуляторы, фазовращатели, коммутаторы и антенны с адаптивным формированием диаграммы направленности согласно настоящему изобретению можно использовать в электронных устройствах, в которых требуется управление ВЧ–сигналами, например, в миллиметровом диапазоне для сетей мобильной связи перспективных стандартов 5G, 6G и WiGig, для различных датчиков, для сетей Wi–Fi, для беспроводной передачи энергии, в том числе на большие расстояния, для систем «умный дом» и иных адаптивных к мм–диапазону интеллектуальных систем, для автомобильной навигации, для Интернета вещей (IoT), беспроводной зарядки и т.д.
Следует понимать, что хотя в настоящем документе для описания различных элементов, компонентов, областей, слоев и/или секций, могут использоваться такие термины, как "первый", "второй", "третий" и т.п., эти элементы, компоненты, области, слои и/или секции не должны ограничиваться этими терминами. Эти термины используются только для того, чтобы отличить один элемент, компонент, область, слой или секцию от другого элемента, компонента, области, слоя или секции. Так, первый элемент, компонент, область, слой или секция может быть назван вторым элементом, компонентом, областью, слоем или секцией без выхода за рамки объема настоящего изобретения. В настоящем описании термин "и/или" включает любые и все комбинации из одной или более из соответствующих перечисленных позиций. Элементы, упомянутые в единственном числе, не исключают множественности элементов, если отдельно не указано иное.
Функциональность элемента, указанного в описании или формуле изобретения как единый элемент, может быть реализована на практике посредством нескольких компонентов устройства, и наоборот, функциональность элементов, указанных в описании или формуле изобретения как несколько отдельных элементов, может быть реализована на практике посредством единого компонента.
В одном варианте осуществления элементы/блоки предложенного оптически–управляемого переключателя находятся в общем корпусе, размещены на одной раме/конструкции/подложке/печатной плате и связаны друг с другом конструктивно посредством монтажных (сборочных) операций и функционально посредством линий связи. Упомянутые линии или каналы связи, если не указано иное, являются стандартными, известными специалистам линиями связи, материальная реализация которых не требует творческих усилий. Линией связи может быть провод, набор проводов, шина, дорожка, беспроводная линия связи (индуктивная, радиочастотная, инфракрасная, ультразвуковая и т.д.). Протоколы связи по линиям связи известны специалистам и не раскрываются отдельно.
Под функциональной связью элементов следует понимать связь, обеспечивающую корректное взаимодействие этих элементов друг с другом и реализацию той или иной функциональности элементов. Частными примерами функциональной связи может быть связь с возможностью обмена информацией, связь с возможностью передачи электрического тока, связь с возможностью передачи механического движения, связь с возможностью передачи света, звука, электромагнитных или механических колебаний и т.д. Конкретный вид функциональной связи определяется характером взаимодействия упомянутых элементов, и, если не указано иное, обеспечивается широко известными средствами, используя широко известные в технике принципы.
Конструктивное исполнение элементов предложенного устройства является известным для специалистов в данной области техники и не описывается отдельно в данном документе, если не указано иное. Элементы устройства могут быть выполнены из любого подходящего материала. Эти составные части могут быть изготовлены с использованием известных способов, включая, лишь в качестве примера, механическую обработку на станках, литье по выплавляемой модели, наращивание кристаллов. Операции сборки, соединения и иные операции в соответствии с приведенным описанием также соответствуют знаниям специалиста в данной области и, таким образом, более подробно поясняться здесь не будут.
Несмотря на то что примерные варианты осуществления были подробно описаны и показаны на сопроводительных чертежах, следует понимать, что такие варианты осуществления являются лишь иллюстративными и не предназначены ограничивать настоящее изобретение, и что данное изобретение не должно ограничиваться конкретными показанными и описанными компоновками и конструкциями, поскольку специалисту в данной области техники на основе информации, изложенной в описании, и знаний уровня техники могут быть очевидны различные другие модификации и варианты осуществления изобретения, не выходящие за пределы сущности и объема данного изобретения.