快速設(shè)置的GaAs pHEMT微波開關(guān)

開關(guān)速度是個(gè)涉及多個(gè)事件的復(fù)雜參數(shù)，每個(gè)事件都有自己的持續(xù)時(shí)間。借助已申請(qǐng)專利的pHEMT技術(shù)，M/A-COM Technology Solutions公司(下文簡(jiǎn)稱為M/A-COM)已經(jīng)找到了一種可縮短其中一個(gè)事件——開關(guān)的設(shè)置時(shí)間——的方法，從而給基于分組通信網(wǎng)絡(luò)和雷達(dá)系統(tǒng)等須嚴(yán)格控制時(shí)域參數(shù)的系統(tǒng)帶來(lái)了福音。在從10MHz到20GHz這一系列開關(guān)中都采用了該技術(shù)，其設(shè)置時(shí)間可短至20ns。

　　開關(guān)速度和設(shè)置時(shí)間(settling time)，或者柵遲滯(gate lag)，都被用來(lái)描述高速開關(guān)性能，但這兩個(gè)參數(shù)有區(qū)別且往往被誤解。開關(guān)速度是指當(dāng)控制信號(hào)使開關(guān)從“截止”轉(zhuǎn)為“導(dǎo)通”時(shí)，射頻包絡(luò)線從10%變化到90%所需的時(shí)間(圖1)。從控制信號(hào)值達(dá)到其50%開始到RF包絡(luò)線達(dá)到其90%的這段時(shí)間，傳統(tǒng)上標(biāo)記為ton。RF包絡(luò)從10%變化到90%所需的上升時(shí)間標(biāo)記為trise。當(dāng)控制信號(hào)使開關(guān)從“導(dǎo)通”變?yōu)?ldquo;截止”時(shí)，從控制信號(hào)值達(dá)到其50%開始到RF包絡(luò)線從90%降至10%的這段時(shí)間是 toff。而RF包絡(luò)線從90%降至10%的這段單獨(dú)的時(shí)間是tfall。柵遲滯定義了開關(guān)經(jīng)過(guò)RF包絡(luò)線的90%后，或者10%后的設(shè)置時(shí)間特性。

圖1：開關(guān)設(shè)置時(shí)間的圖示說(shuō)明。

　　不幸的是，開關(guān)過(guò)渡時(shí)間的最后10%可造成對(duì)傳統(tǒng)開關(guān)速度規(guī)范的誤解，因?yàn)樽詈蟮?0%與先前90%的變化速率不同。歷史上看，響應(yīng)呈對(duì)數(shù)形態(tài)，而最后10%所花時(shí)間接近整個(gè)設(shè)置時(shí)間。通常情況，對(duì)于達(dá)到90%這一點(diǎn)需10ns的開關(guān)來(lái)說(shuō)，達(dá)到100%這一點(diǎn)可能需要數(shù)百ms。這個(gè)長(zhǎng)的設(shè)置時(shí)間(柵遲滯)，會(huì)給許多系統(tǒng)帶來(lái)問(wèn)題。

　　根據(jù)現(xiàn)有的設(shè)備和方法，可通過(guò)測(cè)量器件的功率從90%變到以后設(shè)置起的某個(gè)值，如97.5%或100%，所需的時(shí)間來(lái)計(jì)算器件的柵延遲。此外，還可通過(guò)在控制信號(hào)改變后，觀察兩個(gè)固定時(shí)間點(diǎn)的阻抗變化來(lái)測(cè)量，因?yàn)殚_關(guān)器件在“開”狀態(tài)呈低阻態(tài)，在“關(guān)”狀態(tài)呈高阻態(tài)。例如，器件的柵遲滯可被描述為：在控制信號(hào)改變后10μs到10ms這段時(shí)間阻抗發(fā)生了0.5Ω的變化。雖然無(wú)法消除柵遲滯，但M/A-COM Technology Solutions已開發(fā)出針對(duì)柵遲滯導(dǎo)致的延遲的解決方案。

　　無(wú)論是看作延遲或開關(guān)阻抗變化，在許多測(cè)試應(yīng)用及其它系統(tǒng)中，開關(guān)都必不可少。一些復(fù)雜的基于分組的調(diào)制方案，依靠快速發(fā)送/接收或分集開關(guān)來(lái)優(yōu)化數(shù)據(jù)吞吐量、降低信噪比。如果當(dāng)?shù)谝粋€(gè)數(shù)據(jù)包已通過(guò)它傳輸時(shí)，開關(guān)仍處在設(shè)置時(shí)期，則包絡(luò)形狀可能是圓的，從而有可能損害數(shù)據(jù)。對(duì)于高數(shù)據(jù)速率通信應(yīng)用，快速的設(shè)置性能可以顯著縮短發(fā)射前的等待時(shí)間?？捎脭?shù)據(jù)傳輸時(shí)間多，則相當(dāng)于提高了吞吐量。

　　設(shè)置時(shí)間短的開關(guān)還可帶來(lái)熱管理方面的好處。當(dāng)射頻功率施加到尚未完全設(shè)置起來(lái)的器件上時(shí)，在器件達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)前，功耗會(huì)顯著增加。更快的設(shè)置速度意味著降低了由于設(shè)置之前的串聯(lián)電阻引入的功耗，另外還可在高功率下實(shí)現(xiàn)更低的工作結(jié)溫。

　　開關(guān)延遲主要與改變存儲(chǔ)在有源器件、相關(guān)電路內(nèi)靜態(tài)電荷、與時(shí)間相關(guān)的充/放電衰減效應(yīng)有關(guān)。有幾個(gè)因素造成的遲滯現(xiàn)象，可通過(guò)阻抗和容抗對(duì)其描述。場(chǎng)效應(yīng)管(FET)的柵極體積小，且存在一定損耗，為對(duì)直流和射頻進(jìn)行隔離，大多開關(guān)設(shè)計(jì)中通常采用大阻值的柵電阻。柵電阻成為決定阻容(RC)時(shí)間常數(shù)的一個(gè)因素。對(duì)于任何狀態(tài)的改變(作為一階近似)，必須耗盡或恢復(fù)器件溝道、且必須創(chuàng)建或清除柵周圍的電場(chǎng)。

　　在器件級(jí)，參考砷化鎵MESFET/pHEMT的簡(jiǎn)化截面，可以理解開關(guān)速度和任何相關(guān)的柵遲滯(圖2)。射頻開關(guān)時(shí)間由溝道區(qū)的電荷主導(dǎo)，電荷位于柵附近的柵控和非柵控凹陷區(qū)。器件的導(dǎo)通時(shí)間是當(dāng)施加控制信號(hào)后，將電荷通過(guò)溝道從源極轉(zhuǎn)移到漏極所需的時(shí)間。導(dǎo)通時(shí)間是用電荷填充溝道區(qū)所需相應(yīng)延遲時(shí)間的函數(shù)。電荷包括與柵極容抗相關(guān)的溝道電荷，以及非柵控凹陷區(qū)內(nèi)的表面陷阱電荷。關(guān)斷時(shí)間定義則相反，只有徹底移除溝道和凹陷區(qū)內(nèi)的電荷，器件才會(huì)完全截止。

通過(guò)器件截面圖還能直觀地認(rèn)識(shí)相對(duì)快的trise(即RF包絡(luò)線從10%上升到90%所需的時(shí)間)、RF包絡(luò)從90%下降到10%所需的時(shí)間 tfall、以及RF包絡(luò)從90%過(guò)渡到100%所需的相對(duì)很長(zhǎng)的柵遲滯時(shí)間。與直接位于柵下方的耗盡區(qū)相關(guān)的溝道電荷，占這部分電荷的主要部分。通過(guò)對(duì)柵極終端施以正確的極偏置，可相對(duì)快地將電荷移進(jìn)和移出柵極區(qū)。另一方面，非柵控凹陷區(qū)內(nèi)的電荷以表面狀態(tài)和界面陷阱等形態(tài)被集聚起來(lái)，它們對(duì)施加的偏壓相對(duì)不敏感，只能通過(guò)由肖特基二極管形成的阻容(RC)電路充放電。這些表面電荷的填充和移出是一個(gè)緩慢過(guò)程，直接導(dǎo)致柵遲滯開關(guān)時(shí)間延長(zhǎng)。

圖3: 具有專利的低柵遲滯層的pHEMT剖面圖。

　　為解決由柵遲滯主導(dǎo)的狀態(tài)變化所引致的射頻開關(guān)時(shí)間延長(zhǎng)，對(duì)現(xiàn)有的用于制造微波開關(guān)的pHEMT工藝進(jìn)行了若干調(diào)整。改進(jìn)的pHEMT器件截面圖顯示了這些改變(圖3)。通過(guò)聯(lián)合使用清潔技術(shù)和鈍化電介質(zhì)沉積技術(shù)，減少了非柵控砷化鎵表面的表面態(tài)和界面陷阱的數(shù)量。此外，對(duì)肖特基二極管柵極的形成做了修改，以同時(shí)降低柵極阻抗(但不引入額外柵極容抗)，并把伴隨器件導(dǎo)通和截止的RC充電時(shí)間最小化。最后，為pHEMT構(gòu)造增加了專有的III-V 層以進(jìn)一步降低溝道阻抗，從而使電荷能在器件內(nèi)更自由地移動(dòng)，特別是對(duì)來(lái)自非柵控凹陷區(qū)內(nèi)的電荷來(lái)說(shuō)。這樣的工藝優(yōu)化使開關(guān)速度比標(biāo)準(zhǔn)pHEMT器件顯著提升。與現(xiàn)有開關(guān)產(chǎn)品比，這已申請(qǐng)專利的工藝大大改善了設(shè)置時(shí)間特性，且不對(duì)其它器件參數(shù)產(chǎn)生明顯影響(圖4)。

圖4和圖5分別顯示了采用標(biāo)準(zhǔn)pHEMT工藝制造的場(chǎng)效應(yīng)管與采用優(yōu)化工藝制造的場(chǎng)效應(yīng)管的Ron與開關(guān)時(shí)間的對(duì)比。新工藝顯著改善了導(dǎo)通阻抗性能以及器件-器件間的一致性。新工藝也顯著提升了晶圓-晶圓間開關(guān)特性的一致性。在隔離或“關(guān)”狀態(tài)，器件有數(shù)千歐姆的阻抗是個(gè)重要認(rèn)識(shí)。器件可以迅速達(dá)到90%這個(gè)點(diǎn)，但要完全設(shè)置仍需很長(zhǎng)時(shí)間：變化的絕對(duì)范圍非常大。對(duì)采用標(biāo)準(zhǔn)pHEMT工藝制造的高隔離開關(guān)來(lái)說(shuō)，標(biāo)準(zhǔn)開關(guān)速度規(guī)格可能會(huì)引起誤解，因?yàn)檫w變與絕對(duì)信號(hào)電平的變化成正比。改進(jìn)的短?hào)胚t滯工藝帶來(lái)的更快的導(dǎo)通特性提供了可靠的快速轉(zhuǎn)換。

為衡量新工藝帶來(lái)的速度好處，將采用新工藝制造的開關(guān)與采用典型pHEMT工藝制造的開關(guān)進(jìn)行比對(duì)。當(dāng)RF包絡(luò)從90%變到98%時(shí)，典型pHEMT開關(guān)所用時(shí)間為274μs，而具有專有的III-V短?hào)胚t滯層的優(yōu)化pHEMT工藝器件，僅需18ns(圖5)。

　　表1提供了一組從10MHz到20GHz、具有快速設(shè)置時(shí)間的開關(guān)的性能概要。MASW-009590型單刀雙擲(SPDT)開關(guān)裸片是其中最快的，到97.5%設(shè)置點(diǎn)所需時(shí)間約20ns，工作頻率為10MHz到8GHz，插入損耗是0.6dB，隔離度是23dB。當(dāng)工作在直流3V時(shí)，在1dB 壓縮點(diǎn)具有+30dBm功率。此開關(guān)系列產(chǎn)品既有大功率器件，也有帶寬很寬的器件，還有一款隔離度非常高的器件。

　　柵遲滯是測(cè)試系統(tǒng)、基于分組的數(shù)據(jù)傳輸、雷達(dá)系統(tǒng)以及其它許多對(duì)時(shí)間變化有苛刻要求的應(yīng)用的一個(gè)重要參數(shù)。采用可大幅縮短總開關(guān)時(shí)間、具有優(yōu)良電氣性能的優(yōu)化半導(dǎo)體工藝制造的新開關(guān)產(chǎn)品，具有更短的設(shè)置時(shí)間。