МОНОЛИТНАЯ ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА ЗАЩИТНОГО УСТРОЙСТВА
MONOLITHIC INTEGRATED CIRCUIT OF PROTECTIVE DEVICE

Изобретение относится к СВЧ монолитным интегральным схемам и предназначено, преимущественно, для защиты малошумящих усилителей на входе приемных устройств СВЧ аппаратуры.
Широко известны монолитные интегральные схемы защитных устройств (ограничителей СВЧ мощности) из арсенида галлия, использующие pin-диоды [1], [2]. Данные схемы характеризуются высокой стойкостью к воздействию непрерывной СВЧ мощности.
+
+
+
+
Известна, например, монолитная интегральная схема ограничителя СВЧ мощности TGL2201, разработанная фирмой TriQuint Semiconductor [3]. Известный аналог выполнен на полуизолирующей подложке из арсенида галлия и содержит два pin-диода на входе интегральной схемы и два pin-диода на выходе схемы. Входная пара диодов включена встречно-параллельно между микрополосковой линией и «землей», так же как и пара выходных диодов. Входные и выходные пары диодов соединены отрезком микрополосковой линии. В данной схеме pin-диоды выполнены в виде меза-структур на полуизолирующей подложке. Слой n-типа проводимости в диодах сформирован непосредственно на полуизолирующей подложке, поверх которого создан слой i-типа (либо ν-, либо π-типа), на котором выращен слой р-типа проводимости. К слоям n- и р-типов сформированы омические контакты.
Недостатком такой конструкции ограничителя является то, что уровень просачивающейся мощности в ней является сравнительно высоким (16-18 дБм), что ограничивает применение такого защитного устройства для целого ряда полевых гетеротранзисторов в малошумящих усилителях, работающих на предельно высоких частотах.
+
+
+
+
Этот недостаток устранен в монолитной интегральной схеме ограничителя СВЧ мощности, предложенной в Российском патенте RU 102846, где просачивающаяся мощность уменьшена в 4 раза [4]. Известная монолитная интегральная схема ограничителя СВЧ мощности, взятая за прототип изобретения, выполнена на полуизолирующей подложке и содержит группу входных pin-диодов, соединенных с группой диодов Шоттки на выходе схемы через отрезок микрополосковой линии. Диоды Шоттки выполнены на отдельных мезаструктурах, состоящих из следующей последовательности слоев: первого слоя n-типа проводимости, лежащего на полуизолирующей подложке, слоя i-типа проводимости (либо ν-, либо π-типов), слоя р-типа, поверх которого выращены второй слой n-типа проводимости и слой n-типа проводимости, причем омические контакты к диодом Шоттки созданы ко второму слою n-типа, а барьеры Шоттки к слою n-типа.
+
+
Недостатком данной монолитной интегральной схемы является необходимость использования сложной эпитаксиальной структуры, состоящей из пяти слоев, отличающихся типом проводимости, концентрацией носителей и толщиной, что обуславливает удорожание исходной полупроводниковой структуры по сравнению с обычной p-i-n структурой. При использовании данной сложной эпитаксиальной структуры также заметно увеличивается общая толщина всех пяти слоев, что усложняет технологию изготовления интегральной схемы за счет существенного усложнения проведения процессов фотолитографии.
Технический результат, на который направлено заявляемое решение, состоит в устранении указанного недостатка.
+
+
Этот результат достигается тем, что в монолитной интегральной схеме, выполненной на полуизолирующей подложке и содержащей группу входных pin-диодов, соединенных через отрезок микрополосковой линии с группой выходных диодов, в отличие от прототипа, выходные диоды выполнены в виде диодов Мотта, активные области которых сформированы из части слоя i-типа проводимости исходной эпитаксиальной структуры, состоящей из следующей последовательности слоев: слоя n-типа проводимости, лежащего на полуизолирующей подложке, слоя i-типа проводимости (либо ν-, либо π-типов) и слоя р-типа проводимости.
+
+
+
+
На фиг. 1 схематично представлена одна из возможных конструкций предлагаемой схемы. Монолитная интегральная схема выполнена на полуизолирующей подложке 1 и содержит группу входных pin-диодов 2 и 3, соединенных с «землей» и включенных встречно-параллельно. Причем pin-диоды 2 и 3 состоят из следующей последовательности слоев: первого слоя n-типа проводимости 4, лежащего на полуизолирующей подложке 1, слоя i-типа проводимости (либо ν-, либо π-типов) 5 и слоя р-типа 6. Диоды 2 и 3 соединены с группой выходных диодов Мотта 7 и 8 отрезком микрополосковой линии 9. В отличие от прототипа группа выходных диодов 7 и 8 изготовлена на структурах состоящих из следующей последовательности слоев: слоя n-типа проводимости 4, лежащего на полуизолирующей подложке 1, слоя i-типа проводимости 5 (либо ν-, либо π-типов), причем омические контакты 10 к этим диодом созданы к слоям n-типа 4, а барьеры Шоттки 11 к слоям i-типа 5. В интегральной схеме также созданы входной 12 и выходной 13 конденсаторы.
+
14
-3
+
+
0
Пример практического исполнения. Монолитная интегральная схема изготавливалась на структуре, выращенной методом молекулярно-лучевой эпитаксии. В качестве подложки 1 использовалась пластина полуизолирующего арсенида галлия. На подложке 1 были выращены слои в следующей последовательности: первый слой n-типа проводимости 4 толщиной 1 мкм, слой i-типа 5 толщиной 1,5 мкм с концентрацией равновесных электронов n=3·10 см, слой р-типа проводимости 6 толщиной 0,3 мкм. С использованием стандартных приемов, включающих методы фотолитографии, мезатравления и методы напыления пленок металлов создавались входные pin-диоды 2 и 3 и выходные диоды 7 и 8. Причем для реализации диодов Мотта 7 и 8 на структуре с использованием процессов фотолитографии и химического травления удаляли слой р-типа проводимости и утоняли слой i-типа проводимости до толщины 0,3 мкм. Затем на поверхности утоненного i-слоя формировали контакты с барьером Шоттки 11. Входные диоды соединялись между собой проводниками, висящими в воздухе в виде мостиков. Отрезок микрополосковой линии 9 из золота выполнялся непосредственно на полуизолирующей подложке.
Работа схемы осуществляется следующим образом.
В исходном состоянии на вход схемы подают СВЧ сигнал. При амплитуде входного сигнала меньшей, чем напряжение открытия pin-диодов (1 В) 2, 3 и диодов Мотта (0,5 В) 7, 8, все диоды остаются запертыми, и входной сигнал поступает на выход практически без потерь. При амплитуде входного сигнала большей, чем напряжение открытия диодов, сигнал поступает на выход с большим ослаблением. Вследствие того что напряжение открытия диодов Мотта такое же, как и у обычных диодов Шоттки в прототипе, предложенная схема характеризуется такой же мощностью просачивания, как и известная конструкция. Но при этом для реализации монолитной интегральной схемы использована более простая эпитаксиальная структура, содержащая всего три слоя разных типов проводимости. Общая толщина слоев в предложенной конструкции составила 2,8 мкм, что в 1,5 раза меньше, чем в прототипе. Это позволило существенно упростить технологию изготовления схемы и уменьшить ее стоимость за счет 40% снижения стоимости эпитаксиальных структур.
Таким образом, использование структур с предложенной последовательностью слоев, что стало возможным при введении в схему диодов Мотта, позволило реализовать монолитную интегральную схему с низкой мощностью просачивания, но при использовании более простой и более дешевой эпитаксиальной структуры с одновременным упрощением технологии изготовления монолитной интегральной схемы.
Источники информации
1. J.V. Bellantoni, D.C. Bartele, D. Payne and et. al. Monolithic GaAs p-i-n Diode Switch Circuits for High-Power Millimeter-Wave Applications // IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 31. NO. 12. DECEMBER 1989, pp. 2162-2165.
2. D.G. Smith, D.D. Heston, J. Heston, B. Heimer, K. Decker. Designing reliable high-power limiter circuits with LIMITER GaAs PIN diodes // 2002 IEEE MTT-S Digest, pp. 1245-1247.
3. TriQuint Semiconductor, (2003), Wideband Dual Stage VPIN Limiter TGL2201-EPU, TriQuint Semiconductor Texas (USA). URL: www.triquint.com.
4. Г.И. Айзенштат, E.A. Монастырев, А.Ю. Ющенко // Ограничитель СВЧ мощности. Патент РФ RU 102846.