Интегральная схема свч

 

Изобретение относится к полупроводниковой электронике и может быть использовано при создании интегральных схем СВЧ, прежде всего схем миллиметрового диапазона длин волн, и в особенности его коротковолновой части. Сущность изобретения: интегральная схема СВЧ содержит отрезки линий передачи, элементы согласования, активные и пассивные элементы, сформированные на изолированных кристаллах. В интегральной схеме дополнительно содержатся изолированные друг от друга участки тонкослойного диэлектрика, скрепляющие элементы схемы между собой. При этом возникает возможность замены кристаллов на полуизолирующей подложке на кристаллы с высоколегированной подложкой. Если размеры монолитной схемы малы, то для ее скрепления может быть использован один участок тонкослойного диэлектрика. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к полупроводниковой электронике и может быть использовано при создании интегральных схем СВЧ и прежде всего схем миллиметрового диапазона длин волн.

Известны монолитные интегральные схемы СВЧ, выполненные на арсенидо-галлиевой полуизолирующей подложке, на поверхность которой нанесены эпитаксиальные слои, необходимые для формирования активных элементов (см. например, Арсенид галлия в микроэлектронике, Перев. с англ. под ред. В.Н. Мордковича, М. Мир, 1988, гл.5). Пассивные элементы и элементы линий передачи сформированы непосредственно на полуизолирующей подложке.

Монолитные интегральные схемы созданы и в ММДВ. Известна, например, схема монолитного балансного смесителя (B J Clifton and RW Chick Balauced monolithic mixer us at 44 bHz 10 Jut. Couf. Jufrared and Millim. Wawes Dig. Couf. 1985, р. 273), выполненного на арсенидо-галлиевом чипе размерами 5х2,5 мм с полуизолирующей подложкой, содержащего балансную диодную пару и элементы линий передачи и согласования с каналами сигнала, гетеродина и промежуточной частоты. Арсенидогаллиевый чип крепится в конаровый держатель, а затем, в волноводный узел (устройство, корпус). Недостатком такой монолитной схемы является то, что потери СВЧ мощности в полуизолирующем GaAs выше чем, например, в кварце и растут с повышением частоты. Кроме того, монолитная схема в виде чипа очень трудоемка при монтаже в устройство.

Предлагаемое изобретение позволяет устранить указанные недостатки прототипа. Первый недостаток (дополнительные потери СВЧ мощности) устраняется использованием для скрепления схемы в единое целое участков тонкослойного диэлектрика, предварительно нанесенного на пластину. В присутствии таких скрепляющих участков диэлектрика может быть устранен и другой недостаток прототипа. Он устраняется заменой дорогостоящего материала на полуизолирующей подложке (-n⁺ n-типа) более дешевым материалом на высоколегированной подложке. При этом устраняется и паразитная емкость, обусловленная полуизолирующей подложкой. Подчеркнем, что достоинства прототипа прочность схемы и простота монтажа сохраняются в предлагаемой конструкции схемы.

Очевидно, что изобретение может быть использовано для широкого спектра конкретных СВЧ схем. Сущность изобретения поясняется нижеследующими фигурами на примере схемы переключателя.

На фиг. 1 представлена интегральная схема переключателя вид с обратной стороны (со стороны подложки). Затемненные области 1, 4, 6 полупроводниковые кристаллы, выполняющие различные функции, 2 вывод для подачи обратного смещения, изолированный (отделенный) по постоянному току щелью 5 от волновода, 3 четвертьволновые отрезки щелевой линии, 7 участки тонкослойного диэлектрика.

На фиг. 2 показана с лицевой стороны интегральная схема, закрепленная в волноводный узел (корпус). Обозначения прежние.

На фиг. 3 представлена интегральная схема переключателя (вид с лицевой стороны), скрепленная одним участком диэлектрика. Схема крепится в Е-плоскости волновода с помощью металлизации 8, которая зажимается между двумя половинками волноводного узла.

На кристаллах сформированы активные элементы диоды, с барьером Шоттки (ДБШ). ДБШ попарно (левая пара и правая пара) включены в противоположных направлениях.

На кристаллах 4 сформированы емкости (на основе МДП структур или ДБШ), обеспечивающие низкое сопротивление по СВЧ-сигналу.

Участки тонкослойного диэлектрика 7 служат для скрепления схемы и придания ей прочности и не имеют другого (функционального) назначения.

Кристаллы 6 выполняют вспомогательную роль. Они служат для установки схемы в волноводном узле в фиксированном положении (фиг. 2), чтобы исключить ее смещение при окончательном закреплении с помощью сварки, термокомпрессии или другим методом.

Толщина золотой металлизации схемы составляет обычно 6-8 мкм. Более тонкая металлизация легко деформируется и затрудняет сварку (монтаж в корпусе). При больших толщинах металлизации она становится слишком жесткой.

Схема крепится в Е-плоскости волновода к одной из половинок волноводного узла (фиг. 2). Поскольку толщина схемы (металлизации) достаточно мала, нет необходимости в специальной выемке для схемы. Это значительно упрощает окончательную сборку узла:схема может быть закреплена между двумя половинками узла даже простым механическим прижимом, без приварки или термокомпрессии к одной из них.

Функционирование переключателя осуществляется по обычной схеме. При подаче СВЧ мощности по каналу I (вход), фиг. 2, мощность направляется в канал II, если диоды левой ветви схемы включены в обратном направлении (при этом диоды правой ветви схемы включены в прямом направлении, что приводит к отражению сигнала из-за закорачивания волноводного канала). И наоборот, мощность направляется по каналу III, если полярность смещения меняется на обратную. Четвертьволновые отрезки щелевых линий служат для согласования сопротивления волноводного канала и диодов. Размеры схемы составляют λ_в/2· λ_в/2 (λ_в длина волны СВЧ-сигнала в волноводе).

Способ создания СВЧ-схемы может быть следующим.

В качестве полупроводникового материала используются арсенидо-галлиевые структуры n⁺-n-типа на высоколегированной (≥ 2. 10¹⁸ см^-3) n⁺-подложке с параметрами рабочего n-слоя: n (5 ^oC 10)·10¹⁶ см^-3, толщина 01-0,3 мкм. На этой пластине известными методами формируются диоды с барьером Шоттки (БШ) с планарными выводами.

Для формирования планарных ДБШ может быть использован с небольшими отклонениями способ, описанный в ст. D.G.Gardfield, E.J.Matsauch, W.L.Bishop, Desigtin, fabrication and testing of novel planar Schott. Ky barrier diode for millimeter and Submillimeter wavelengths. IEEE Southeast can. Knoxville. Tevn. 1988, Couf. Proc. N Y, p.154-160.

Согласно этому способу БШ и омический контакт формируется во вскрытых в SiO₂ окнах путем нанесения металлизации Pt-Gr-Au и Su/Ni-Ni-Au, соответственно. Металлизация Cr-Au наносится на всю пластину и служит для формирования ДБШ и топологии остальной схемы одновременно. Для этого проводится фотолитография и электрохимическое осаждение золота в окна, вскрытые в фоторезисте. При этом формируется полосковый вывод 2 (фиг. 1), служащий для подачи постоянного смещения и элементы щелевых линий 3. Подслой Cr-Au стравливается после формирования топологии и удаления фоторезиста. Затем на всю поверхность пластины наносится известным методом слой диэлектрика (полиимида) толщиной 5 8 мкм и формируются с помощью фотолитографии участки диэлектрика 7, фиг. 1.

Далее пластина крепится лицевой стороной на держатель (керамическую пластину) и проводится утоньшение пластины (подложки) до толщины 25 30 мкм. После этого с помощью фотолитографии и совмещения в инфракрасном свете с обратной стороны формируются кристаллы 1, 4, 6. Вся остальная часть подложки стравливается, при этом происходит разделение пластины на отдельные схемы, целостность и прочность которых достигается благодаря участкам диэлектрика 7, фиг. 2.

После разделения схемы крепятся в Е-плоскости волновода к одной из половинок волноводного узла, фиг. 2. Кристаллы 6 и 4 позволяют закреплять схему таким образом, чтобы исключить ее сдвиг при случайных толчках и касаниях инструмента. Поскольку толщина схемы достаточно мала (6 8 мкм), сборку можно осуществить механическим прижимом обеих половинок волноводного узла после предварительной приварки или термокомпрессии схемы к волноводу в заранее установленных местах.

Естественно, что предлагаемая конструкция схемы точно так же реализуема и на материале с полуизолирующей подложкой, если по каким-либо причинам предпочтение отдается материалу с полуизолирующей подложкой. По отношению к прототипу преимущество есть и в этом случае. Оно связано с исключением потерь СВЧ мощности в кристаллах, выполняющих вспомогательные функции скрепления схемы. Эти кристаллы заменяются участками диэлектрика с малыми потерями.

Использование нескольких участков диэлектрика, изолированных друг от друга для скрепления схемы и придания ей прочности рационально при относительно больших размерах схемы. Если же размеры схемы малы (коротковолновая часть миллиметрового диапазона, субмиллиметровый диапазон), то можно ограничиться одним участком диэлектрика, фиг. 3, покрывающим основную часть схемы. При этом края схемы 8, с помощью которых схема крепится в Е-плоскости волновода и вывод 2 не покрываются диэлектриком.

Формула изобретения

1. Интегральная схема СВЧ, содержащая активные и пассивные элементы, элементы линий передач и согласования и элементы, предназначенные для монтажа, отличающаяся тем, что активные и пассивные элементы выполнены в виде отдельных полупроводниковых кристаллов с металлизацией, элементы линий передач и согласования и элементы, предназначенные для монтажа, выполнены в виде отдельных участков металлизации, являющихся монолитным продолжением металлизации кристаллов, при этом со стороны металлизации схема снабжена одним или несколькими участками тонкослойного диэлектрика, соединяющими отдельные участки металлизации между собой, а элементы металлизации, предназначенные для монтажа, выступают за границы тонкослойного диэлектрика.

2. Схема СВЧ по п. 1, отличающаяся тем, что она снабжена элементами фиксации ее местоположения, выполненными в виде отдельных полупроводниковых кристаллов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3