設置時(shí)間不到20ns的GaAs pHEMT微波開(kāi)關(guān)

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

　　開(kāi)關(guān)速度和設置時(shí)間(settling time)，或者柵遲滯(gate lag)，都被用來(lái)描述高速開(kāi)關(guān)性能，但這兩個(gè)參數有區別且往往被誤解。開(kāi)關(guān)速度是指當控制信號使開(kāi)關(guān)從“截止”轉為“導通”時(shí)，射頻包絡(luò )線(xiàn)從10%變化到90%所需的時(shí)間(圖1)。從控制信號值達到其50%開(kāi)始到RF包絡(luò )線(xiàn)達到其90%的這段時(shí)間，傳統上標記為ton。RF包絡(luò )從10%變化到90%所需的上升時(shí)間標記為trise。當控制信號使開(kāi)關(guān)從“導通”變?yōu)椤敖刂埂睍r(shí)，從控制信號值達到其50%開(kāi)始到RF包絡(luò )線(xiàn)從90%降至10%的這段時(shí)間是toff。而RF包絡(luò )線(xiàn)從90%降至10%的這段單獨的時(shí)間是tfall。柵遲滯定義了開(kāi)關(guān)經(jīng)過(guò)RF包絡(luò )線(xiàn)的90%后，或者10%后的設置時(shí)間特性。

圖1：開(kāi)關(guān)設置時(shí)間的圖示說(shuō)明。

　　不幸的是，開(kāi)關(guān)過(guò)渡時(shí)間的最后10%可造成對傳統開(kāi)關(guān)速度規范的誤解，因為最后的10%與先前90%的變化速率不同。歷史上看，響應呈對數形態(tài)，而最后10%所花時(shí)間接近整個(gè)設置時(shí)間。通常情況，對于達到90%這一點(diǎn)需10ns的開(kāi)關(guān)來(lái)說(shuō)，達到100%這一點(diǎn)可能需要數百ms。這個(gè)長(cháng)的設置時(shí)間(柵遲滯)，會(huì )給許多系統帶來(lái)問(wèn)題。

　　根據現有的設備和方法，可通過(guò)測量器件的功率從90%變到以后設置起的某個(gè)值，如97.5%或100%，所需的時(shí)間來(lái)計算器件的柵延遲。此外，還可通過(guò)在控制信號改變后，觀(guān)察兩個(gè)固定時(shí)間點(diǎn)的阻抗變化來(lái)測量，因為開(kāi)關(guān)器件在“開(kāi)”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(kāi)發(fā)出針對柵遲滯導致的延遲的解決方案。

　　無(wú)論是看作延遲或開(kāi)關(guān)阻抗變化，在許多測試應用及其它系統中，開(kāi)關(guān)都必不可少。一些復雜的基于分組的調制方案，依靠快速發(fā)送/接收或分集開(kāi)關(guān)來(lái)優(yōu)化數據吞吐量、降低信噪比。如果當第一個(gè)數據包已通過(guò)它傳輸時(shí)，開(kāi)關(guān)仍處在設置時(shí)期，則包絡(luò )形狀可能是圓的，從而有可能損害數據。對于高數據速率通信應用，快速的設置性能可以顯著(zhù)縮短發(fā)射前的等待時(shí)間?？捎脭祿鬏敃r(shí)間多，則相當于提高了吞吐量。

　　設置時(shí)間短的開(kāi)關(guān)還可帶來(lái)熱管理方面的好處。當射頻功率施加到尚未完全設置起來(lái)的器件上時(shí)，在器件達到穩定狀態(tài)前，功耗會(huì )顯著(zhù)增加。更快的設置速度意味著(zhù)降低了由于設置之前的串聯(lián)電阻引入的功耗，另外還可在高功率下實(shí)現更低的工作結溫。

　　開(kāi)關(guān)延遲主要與改變存儲在有源器件、相關(guān)電路內靜態(tài)電荷、與時(shí)間相關(guān)的充/放電衰減效應有關(guān)。有幾個(gè)因素造成的遲滯現象，可通過(guò)阻抗和容抗對其描述。場(chǎng)效應管(FET)的柵極體積小，且存在一定損耗，為對直流和射頻進(jìn)行隔離，大多開(kāi)關(guān)設計中通常采用大阻值的柵電阻。柵電阻成為決定阻容(RC)時(shí)間常數的一個(gè)因素。對于任何狀態(tài)的改變(作為一階近似)，必須耗盡或恢復器件溝道、且必須創(chuàng )建或清除柵周?chē)碾妶?chǎng)。

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

　　通過(guò)器件截面圖還能直觀(guān)地認識相對快的trise(即RF包絡(luò )線(xiàn)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%所需的相對很長(cháng)的柵遲滯時(shí)間。與直接位于柵下方的耗盡區相關(guān)的溝道電荷，占這部分電荷的主要部分。通過(guò)對柵極終端施以正確的極偏置，可相對快地將電荷移進(jìn)和移出柵極區。另一方面，非柵控凹陷區內的電荷以表面狀態(tài)和界面陷阱等形態(tài)被集聚起來(lái)，它們對施加的偏壓相對不敏感，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，直接導致柵遲滯開(kāi)關(guān)時(shí)間延長(cháng)。

圖3: 具有專(zhuān)利的低柵遲滯層的pHEMT剖面圖。

　　為解決由柵遲滯主導的狀態(tài)變化所引致的射頻開(kāi)關(guān)時(shí)間延長(cháng)，對現有的用于制造微波開(kāi)關(guān)的pHEMT工藝進(jìn)行了若干調整。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)和界面陷阱的數量。此外，對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)，并把伴隨器件導通和截止的RC充電時(shí)間最小化。最后，為pHEMT構造增加了專(zhuān)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更自由地移動(dòng)，特別是對來(lái)自非柵控凹陷區內的電荷來(lái)說(shuō)。這樣的工藝優(yōu)化使開(kāi)關(guān)速度比標準pHEMT器件顯著(zhù)提升。與現有開(kāi)關(guān)產(chǎn)品比，這已申請專(zhuān)利的工藝大大改善了設置時(shí)間特性，且不對其它器件參數產(chǎn)生明顯影響(圖4)。

　　圖4和圖5分別顯示了采用標準pHEMT工藝制造的場(chǎng)效應管與采用優(yōu)化工藝制造的場(chǎng)效應管的Ron與開(kāi)關(guān)時(shí)間的對比。新工藝顯著(zhù)改善了導通阻抗性能以及器件-器件間的一致性。新工藝也顯著(zhù)提升了晶圓-晶圓間開(kāi)關(guān)特性的一致性。在隔離或“關(guān)”狀態(tài)，器件有數千歐姆的阻抗是個(gè)重要認識。器件可以迅速達到90%這個(gè)點(diǎn)，但要完全設置仍需很長(cháng)時(shí)間：變化的絕對范圍非常大。對采用標準pHEMT工藝制造的高隔離開(kāi)關(guān)來(lái)說(shuō)，標準開(kāi)關(guān)速度規格可能會(huì )引起誤解，因為遷變與絕對信號電平的變化成正比。改進(jìn)的短柵遲滯工藝帶來(lái)的更快的導通特性提供了可靠的快速轉換。

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

　　表1提供了一組從10MHz到20GHz、具有快速設置時(shí)間的開(kāi)關(guān)的性能概要。MASW-009590型單刀雙擲(SPDT)開(kāi)關(guān)裸片是其中最快的，到97.5%設置點(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。當工作在直流3V時(shí)，在1dB壓縮點(diǎn)具有+30dBm功率。此開(kāi)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。

　　柵遲滯是測試系統、基于分組的數據傳輸、雷達系統以及其它許多對時(shí)間變化有苛刻要求的應用的一個(gè)重要參數。采用可大幅縮短總開(kāi)關(guān)時(shí)間、具有優(yōu)良電氣性能的優(yōu)化半導體工藝制造的新開(kāi)關(guān)產(chǎn)品，具有更短的設置時(shí)間。