高性能射频开关制造技术

HEMT单元包括彼此串联地电连接的两个或更多个氮化镓(“GaN”)高电子迁移率晶体管(“HEMT”)器件。HEMT单元包括HEMT单元漏极、HEMT单元源极和HEMT单元栅极。HEMT单元漏极与该串联中的第一个GaN HEMT器件的漏极连接。HEMT单元源极与该串联中的最后一个GaN HEMT器件的源极连接。HEMT单元栅极连接到与第一个GaN HEMT器件的栅极连接的第一二维电子气(“2DEG”)栅极偏置电阻器。HEMT单元栅极连接到与第二GaN HEMT器件的栅极连接的第二2DEG栅极偏置电阻器。第一和第二2DEG栅极偏置电阻器位于HEMT单元的2DEG层中。还公开了一种多掷RF开关。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】高性能射频开关相关申请的交叉引用本申请基于2015年6月16日提交的第62/180,100号在先美国临时专利申请和2015年6月16日提交的第62/180,117号在先美国临时专利申请并要求其优先权，所述在先美国临时专利申请的公开内容通过引用整体并入本文。
技术介绍
本公开内容总体上涉及有源固态器件，并且更具体地涉及用作开关的氮化镓高电子迁移率晶体管。氮化镓(下文中称为“GaN”)高电子迁移率晶体管(下文中称为“HEMT”)是可以用作开关的耗尽型器件(常开型)。要关断开关，需要以负电压使栅极偏置。大多数应用在应用平台上不具有可用的负电压，因此需要由较小的正电源电压生成负电压。负电压的生成需要许多级的电荷泵电路。电荷泵的每一级都需要电容器。电容器的尺寸取决于电荷泵电路必须提供的负载电流。负载电流是电荷泵电路正在驱动的HEMT器件的栅极电流。现代应用要求RF开关处理高功率RF信号的高速切换，当开关断开(OFF)时具有高的宽频带隔离度和低噪声，并且在开关导通(ON)时具有低的宽频带插入损耗。每个开关都可以具有寄生电感、电容、电导和电阻。这些寄生部件结合起来使开关正在使用以进行路由的信号衰减并降低。由这些部件引起的功率损耗和电压衰减随着输入信号的频率而变化，并且可能受开关在该频率下的插入损耗影响。开关的插入损耗在应用的带宽要求下是可接受的这一点是重要的。许多RF开关——比如PIN二极管开关——都遭受高电流消耗之苦。这会在某些应用中导致不希望的耗散功率和热量生成。附图说明附图中相同的附图标记贯穿各个单独的视图表示相同或功能相似的元件，并且所述附图与下面的具体实施方式一起被并入说明书中并且形成说明书的一部分，所述附图用于进一步示出各实施方案并解释仅根据本公开内容的各原理和优点，在附图中：图1是包括n级电荷泵和GaN开关器件的CMOS控制器的简化框图；图2A是根据本公开内容的射频(RF)开关的示意图；图2B是现有技术RF开关的示意图；图3A是根据本公开内容的一个实施方案的具有一个栅极的GaNHEMT结构的横剖视图；图3B是根据本公开内容的一个实施方案的具有双栅极的GaNHEMT结构的横剖视图；图3C是根据本公开内容的一个实施方案的具有三栅极的GaNHEMT结构的横剖视图；图3D是根据本公开内容的开关样本的功率输出峰值(dBm)与功率输入峰值(dBm)的关系曲线图；图4是包括根据本公开内容的开关的电路的示意图；图5A是根据本公开内容的一个实施方案的具有双栅极的GaNHEMT结构的横剖视图；图5B是图5A中所示的GaNHEMT结构的俯视图；图5C是图5A和图5B中所示的GaNHEMT结构的示意图；图5D是示出图5A和图5B中所示的GaNHEMT结构的谐波失真性能的图；图6A是根据本公开内容的一个实施方案的具有双栅极的单指GaNHEMT结构的俯视图，所述双栅极包括使用2DEG层实现的高密度偏置电阻器；图6B是具有双栅极的多指GaNHEMT结构的俯视图；图6C是根据本公开内容的单位HEMT单元的示意图；图7是GaNHEMT器件以及控制器的NMOS器件和PMOS器件的一实施例的横剖视图，所有这些器件集成在同一管芯(die)上；图8是根据本公开内容的使用GaNHEMT固态开关和控制器来选择性地将一RF端口连接到两个其他RF端口之一的单刀双掷(SP2T)RF固态开关器件的一实施例的示意图；和图9是示出根据本公开内容的一实施方案的选择性地控制GaN开关器件的控制器和驱动器电路的一实施例的电路框图。具体实施方式应该理解的是，将通过给定的说明性实施例来描述本公开内容。然而，其他半导体架构、结构、衬底材料以及工艺特征和步骤可以在本公开内容的范围内变化。还应当理解的是，当元件——诸如层、区域或衬底——被称为在另一元件“上(on)”或“上方(over)”时，所述元件可以直接在另一元件上，或者也可以存在中间元件。相反地，当元件被称为“直接在另一元件上(directlyon)”或“直接在另一元件上方(directlyover)”时，不存在中间元件。还应当理解的是，当元件被称为“连接(connected)”或“耦合(coupled)”到另一元件时，所述元件可以是直接连接或耦合到另一元件，或者可以存在中间元件。相反地，当元件被称为“直接连接(directlyconnected)”或“直接耦合(directlycoupled)”到另一元件时，不存在中间元件。说明书中提及本原理的“一个实施方案(oneembodiment)”或“一实施方案(anembodiment)”以及其其它变体意味着关于该实施方案所描述的特定特征、结构和特性等被包括在本原理的至少一个实施方案中。因此，贯穿说明书各处出现的措辞“在一个实施方案中(inoneembodiment)”或“在一实施方案中(inanembodiment)”以及任何其他变体不一定都指的是同一实施方案。本文中使用的术语“RF”、“射频”等通常是指宽泛的信号频谱。频谱可以包括但不限于以下频率范围中的任何一个或多个中的频率：甚低频范围、甚高频范围、超高频范围、微波频率范围、毫米波频率范围或更高频率范围，除非本文中的特定使用环境清楚地另作规定。各实施方案可以包括用于集成电路芯片的设计，该设计可以以图形计算机编程语言来创建并且存储在计算机存储介质(诸如磁盘、磁带、物理硬盘驱动器或虚拟硬盘驱动器——比如存储访问网络中的虚拟硬盘驱动器)中。如果设计者不制造芯片或用于制造芯片的光刻掩模，设计者可以通过物理手段(例如通过提供对设计进行存储的存储介质的副本)或者电子地(例如通过因特网)将所得设计直接或间接地传输给这样的实体。然后，所存储的设计被转换成用于制造光刻掩模的适当格式，所述光刻掩模通常包括待在晶片(wafer)上形成的上述芯片设计的多个副本。光刻掩模被利用来限定待蚀刻或以其他方式处理的晶片(和/或所述晶片上的层)的区域。如本文所述的方法可以在集成电路芯片的制造中用作过程的一部分。所得的集成电路芯片可以由制造商以原始晶片形式(即，作为具有多个未封装芯片的单个晶片)作为裸管芯或以封装形式分发。在后一种情况下，芯片安装在单芯片封装(比如塑料载体，其具有固定至主板或其他更高级别的载体上的引线)或多芯片封装(比如陶瓷载体，其具有表面互连或埋入式互连中的任一或两者)中。在任何情况下，芯片然后可以与其他芯片、分立电路元件和/或其他信号处理器件集成作为(a)中间产品——比如主板——的一部分，或(b)最终产品的一部分。最终产品可以是包括集成电路芯片的任何产品，比如举例而言但不限于：移动无线通信设备、蜂窝基础设施、军事通信无线电设备、软件无线电设备、AESA雷达、数字通信链路、航空电子设备、LTE中继器、小型基地台、TDD微型基地台、RF基站、PMR/LMR高功率无线电设备、天线调谐开关、3G/4G多模多频带切换系统、Rx分集频带切换系统、高线性通用应用系统、卫星终端、卫星收发器、RF和微波测试装置以及许多其他商业应用系统和军事应用系统。根据各实施方案，公开了一种使用GaN技术的高功率和高电压射频(RF)开关。该开关引入了许多电路技术以实现优越的性能和尺寸。根据本公开内容的开关利用绝缘栅极来实现，该绝缘栅极使得能够使用低得多的电流本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单位HEMT单元，其包括：氮化镓(以下称为“GaN”)层；二维电子气(2DEG)层，其设置在所述GaN层上；栅极介电层，其设置在所述2DEG层上；GaN高电子迁移率晶体管(以下称为“HEMT”)器件，所述GaN HEMT器件具有设置在所述栅极介电层上的栅极、邻近所述栅极的一侧的漏极和邻近所述栅极的相对侧的源极，所述GaN HEMT器件设置在所述GaN层上并且包括所述GaN层，并且所述GaN HEMT器件的栅极连接到2DEG栅极偏置电阻器的一个触点，所述2DEG栅极偏置电阻器设置在所述2DEG层中；HEMT单元栅极，其电连接到所述2DEG栅极偏置电阻器的另一个触点；HEMT单元漏极，其电连接到2DEG线性电阻器的一个触点并且电连接到所述GaN HEMT器件的漏极；和HEMT单元源极，其电连接到所述2DEG线性电阻器的另一个触点并且电连接到所述GaN HEMT器件的源极，所述2DEG线性电阻器设置在所述2DEG层中。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.06.16 US 62/180,100;2015.06.16 US 62/180,1171.一种单位HEMT单元，其包括：氮化镓(以下称为“GaN”)层；二维电子气(2DEG)层，其设置在所述GaN层上；栅极介电层，其设置在所述2DEG层上；GaN高电子迁移率晶体管(以下称为“HEMT”)器件，所述GaNHEMT器件具有设置在所述栅极介电层上的栅极、邻近所述栅极的一侧的漏极和邻近所述栅极的相对侧的源极，所述GaNHEMT器件设置在所述GaN层上并且包括所述GaN层，并且所述GaNHEMT器件的栅极连接到2DEG栅极偏置电阻器的一个触点，所述2DEG栅极偏置电阻器设置在所述2DEG层中；HEMT单元栅极，其电连接到所述2DEG栅极偏置电阻器的另一个触点；HEMT单元漏极，其电连接到2DEG线性电阻器的一个触点并且电连接到所述GaNHEMT器件的漏极；和HEMT单元源极，其电连接到所述2DEG线性电阻器的另一个触点并且电连接到所述GaNHEMT器件的源极，所述2DEG线性电阻器设置在所述2DEG层中。2.根据权利要求1所述的单位HEMT单元，其中，所述GaN层设置在电路支撑衬底层上，所述电路支撑衬底层包括硅衬底层或碳化硅衬底层中之一。3.根据权利要求1所述的单位HEMT单元，还包括置于所述栅极介电层和所述2DEG层之间的绝缘阻挡层。4.一种单位HEMT单元，其包括：氮化镓(以下称为“GaN”)层；二维电子气(2DEG)层，其设置在所述GaN层上；栅极介电层，其设置在所述2DEG层上；多个GaN高电子迁移率晶体管(以下称为“HEMT”)器件，所述多个GaNHEMT器件设置在所述GaN层上并且包括所述GaN层，每个GaNHEMT器件均包括设置在所述栅极介电层上的栅极、以及邻近所述栅极的一侧的漏极和邻近所述栅极的相对侧的源极，所述多个GaNHEMT器件彼此串联地电连接，使得第一GaNHEMT器件通过与第二GaNHEMT器件的漏极或源极之一共用所述第一GaNHEMT器件的漏极或源极之一而与所述第二GaNHEMT器件串联地电连接，并且所述第一GaNHEMT器件的栅极和所述第二GaNHEMT器件的栅极设置在同一栅极介电层上；HEMT单元漏极、HEMT单元源极和HEMT单元栅极；所述HEMT单元栅极电连接到第一2DEG栅极偏置电阻器的一个触点，并且所述第一2DEG栅极偏置电阻器的另一个触点电连接到所述第一GaNHEMT器件的栅极；所述HEMT单元栅极电连接到第二2DEG栅极偏置电阻器的一个触点，并且所述第二2DEG栅极偏置电阻器的另一个触点电连接到所述第二GaNHEMT器件的栅极；所述第一GaNHEMT器件的漏极电连接到第一2DEG线性电阻器的一个触点，并且所述第一GaNHEMT器件的源极电连接到所述第一2DEG线性电阻器的另一个触点；所述第二GaNHEMT器件的漏极电连接到第二2DEG线性电阻器的一个触点，并且所述第二GaNHEMT器件的源极电连接到所述第二2DEG线性电阻器的另一个触点；所述HEMT单元漏极电连接到彼此串联地电连接的所述多个GaNHEMT器件中的第一个GaNHEMT器件的剩余的未共用的漏极或源极；所述HEMT单元源极电连接到彼此串联地电连接的所述多个GaNHEMT器件中的最后一个GaNHEMT器件的剩余的未共用的漏极或源极；和所述第一2DEG栅极偏置电阻器、所述第二2DEG栅极偏置电阻器、所述第一2DEG线性电阻器和所述第二2DEG线性电阻器共同地设置在所述2DEG层中。5.根据权利要求4所述的单位HEMT单元，其中，所述GaN层设置在电路支撑衬底层上，所述电路支撑衬底层包括硅衬底层或碳化硅衬底层中之一。6.根据权利要求4所述的单位HEMT单元，还包括置于所述栅极介电层和所述2DEG层之间的绝缘阻挡层。7.根据权利要求4所述的单位HEMT单元，其中，所述单位HEMT单元包括设置在所述GaN层上并且彼此串联地电连接的至少三个GaNHEMT器件；第三GaNHEMT器件通过与所述第二GaNHEMT器件的漏极或源极中剩余的未与所述第一GaNHEMT器件共用的另一个共用所述第三GaNHEMT器件的漏极或源极之一而与所述第二GaNHEMT器件串联地电连接；和所述HEMT单元栅极电连接到第三2DEG栅极偏置电阻器的一个触点，并且所述第三2DEG栅极偏置电阻器的另一个触点电连接到所述第三GaNHEMT器件的栅极；所述第三GaNHEMT器件的漏极电连接到第三2DEG线性电阻器的一个触点，并且所述第三GaNHEMT器件的源极电连接到所述第三2DEG线性电阻器的另一个触点；和所述第三2DEG栅极偏置电阻器和所述第三2DEG线性电阻器设置在所述2DEG层中。8.一种RF开关，其包括：至少一个单位HEMT单元的组，所述组中的每个单位HEMT单元都包括：氮化镓(以下称为“GaN”)层；二维电子气(2DEG)层，其设置在所述GaN层上；栅极介电层，其设置在所述2DEG层上；多个GaN高电子迁移率晶体管(以下称为“HEMT”)器件，所述多个GaNHEMT器件设置在所述GaN层上并且包括所述GaN层，每个GaNHEMT器件均包括设置在所述栅极介电层上的栅极、以及邻近所述栅极的一侧的漏极和邻近所述栅极的相对侧的源极，所述多个GaNHEMT器件彼此串联地电连接，使得第一GaNHEMT器件通过与第二GaNHEMT器件的漏极或源极之一共用所述第一GaNHEMT器件的漏极或源极之一而与所述第二GaNHEMT器件串联地电连接，并且所述第一GaNHEMT器件的栅极和所述第二GaNHEMT器件的栅极设置在同一栅极介电层上；HEMT单元漏极、HEMT单元源极和HEMT单元栅极；所述HEMT单元栅极电连接到第一2DEG栅极偏置电阻器的一个触点，并且所述第一2DEG栅极偏置电阻器的另一个触点电连接到所述第一GaNHEMT器件的栅极；所述HEMT单元栅极电连接到第二2DEG栅极偏置电阻器的一个触点，并且所述第二2DEG栅极偏置电阻器的另一个触点电连接到所述第二GaNHEMT器件的栅极；所述第一GaNHEMT器件的漏极电连接到第一2DEG线性电阻器的一个触点，并且所述第一GaNHEMT器件的源极电连接到所述第一2DEG线性电阻器的另一个触点；所述第二GaNHEMT器件的漏极电连接到第二2DEG线性电阻器的一个触点，并且所述第二GaNHEMT器件的源极电连接到所述第二2DEG线性电阻器的另一个触点；所述HEMT单元漏极电连接到彼此串联地电连接的所述多个GaNHEMT器件中的第一个GaNHEMT器件的剩余的未共用的漏极或源极；所述HEMT单元源极电连接到彼此串联地电连接的所述多个GaNHEMT器件中的最后一个GaNHEMT器件的剩余的未共用的漏极或源极；和所述第一2DEG栅极偏置电阻器、所述第二2DEG栅极偏置电阻器、所述第一2DEG线性电阻器和所述第二2DEG线性电阻器共同地设置在所述2DEG层中；至少第一RF端口和第二RF端口；所述至少一个单位HEMT单元的组中的第一单位HEMT单元，所述第一单位HEMT单元的漏极或源极之一电连接到所述第一RF端口，并且所述第一单位HEMT单元的漏极或源极中的...

【专利技术属性】
技术研发人员：马尼沙·N·沙哈，阿米塔瓦·达斯，
申请(专利权)人：泰戈尔技术股份有限公司，马尼沙·N·沙哈，阿米塔瓦·达斯，
类型：发明
国别省市：美国,US