專利名稱：一種右手非線性傳輸線微波倍頻電路及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微電子中微波電路技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于平面肖特基二極管的右手非線性傳輸線微波倍頻電路及其制作方法。
背景技術(shù)：
隨著系統(tǒng)工作頻率向微波和毫米波段延伸，要求頻率越來(lái)越高，但是由于受器件、輸出功率等因素的影響，在微波頻段上常常缺乏穩(wěn)定、有效的信號(hào)源，這就要求將頻率較低、輸出功率較大和頻率穩(wěn)定度高的低頻信號(hào)源通過(guò)非線性器件，如變?nèi)荻O管、高電子遷移率晶體管、異質(zhì)結(jié)雙極性晶體管等來(lái)實(shí)現(xiàn)倍頻。高頻倍頻器廣泛應(yīng)用于微波信號(hào)源的產(chǎn)生，微波倍頻器能對(duì)低頻段的穩(wěn)態(tài)信號(hào)源進(jìn)行頻率倍增，產(chǎn)生低相位噪聲的微波信號(hào)。肖特基二極管具有快速的電容開(kāi)關(guān)特性，肖特基結(jié)電容隨外加偏置電壓非線性變化，因寄生串聯(lián)電阻小，具有極高的截止頻率，常作為基本的非線性元件用在微波、毫米波或亞毫米波倍頻器中。通?；诙O管的倍頻器使用單個(gè)二極管陣列，展現(xiàn)出感性的輸入阻抗，使得工作頻率變窄，另外單二極管倍頻器組態(tài)結(jié)構(gòu)不利于獲得高的轉(zhuǎn)換效率。一種全分布式周期加載組態(tài)的右手非線性傳輸線也可用來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率倍增，相應(yīng)右手非線性傳輸線的平均輸入阻抗變成了電阻特性，因此利用該結(jié)構(gòu)的右手非線性傳輸線可以獲得較高的轉(zhuǎn)換效率。周期加載的右手非線性傳輸線具有低通濾波器的特性(具有Bragg截止頻率)，可以用來(lái)濾除高次諧波、增加低次諧波的轉(zhuǎn)換效率。右手非線性傳輸線的這些特性在倍頻電路中非常重要。如果Bragg截止頻率高于輸入信號(hào)的頻率，我們可以利用右手非線性傳輸線中二極管的變?nèi)萏匦援a(chǎn)生低相位噪聲的高頻信號(hào)源。通常情況下，基于肖特基二極管的倍頻電路，設(shè)計(jì)上使用微帶線傳輸線結(jié)構(gòu)，制作上采用混合電路制作工藝。該結(jié)構(gòu)電路存在以下固定缺陷需采用過(guò)孔和背金工藝；分別將肖特基二極管倒扣或表貼在高頻基板上；需要為肖特基二極管提供偏置電路；諧波隨肖特基二極管外加偏置電壓影響較大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種右手非線性傳輸線微波倍頻電路，優(yōu)化了電路結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化了外圍偏置電路，以改善倍頻電路的諧波輸出功率，增加諧波轉(zhuǎn)化效率，改善窄頻帶諧波輸出特性，增強(qiáng)諧波輸出純度。本發(fā)明的另一目的在于提供一種右手非線性傳輸線微波倍頻電路的制作方法，簡(jiǎn)化電路制作工藝。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種右手非線性傳輸線微波倍頻電路，所述倍頻電路由23節(jié)右手非線性傳輸線單元串聯(lián)構(gòu)成，每節(jié)右手非線性傳輸線單元由并聯(lián)的肖特基二極管和串聯(lián)的兩段相同傳輸線組成。
上述方案中，所述每節(jié)右手非線性傳輸線單元中肖特基二極管的電容對(duì)外加
偏置電壓的關(guān)系為c = 250fF/(l-V/0.65)°_35，電流對(duì)外加偏置電壓的關(guān)系為I =
31.97fAX (,-Ixuw58XU431Lik上述方案中，所述每節(jié)右手非線性傳輸線單元中串聯(lián)的兩段傳輸線采用共面波導(dǎo)傳輸線組態(tài)，制作在350微米的砷化鎵襯底上。 上述方案中，所述傳輸線的幾何尺寸為中間信號(hào)線寬20微米，中間信號(hào)線距信號(hào)線兩邊共面地的間距為89微米，中間兩段信號(hào)線共長(zhǎng)560微米。上述方案中，所述每節(jié)右手非線性傳輸線單元中肖特基二極管陽(yáng)極與共面地相連，陰極與中央共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線相連，肖特基二極管通過(guò)共面波導(dǎo)傳輸線中央信號(hào)線和共面地構(gòu)成偏置電路。一種右手非線性傳輸線微波倍頻電路的制作方法，包括如下步驟A、在半絕緣的砷化鎵(GaAs)襯底上外延生長(zhǎng)N+層；B、在N+層上外延生長(zhǎng)N—有源層；C、采用濕法腐蝕刻蝕N—層，在N+層上形成臺(tái)面結(jié)構(gòu)D、在N+層上蒸發(fā)金屬形成肖特基二極管的下電極；E、采用低溫合金方法，在N+層形成歐姆接觸；F、在N—層上蒸發(fā)金屬形成肖特基接觸的上電極；G、采用濕法腐蝕刻蝕N+層，形成器件之間的電學(xué)隔離；H、在外延片上沉積一層Si3N4，采用干法刻蝕在Si3N4表面刻孔，打開(kāi)電極引線窗 Π ；I、電鍍形成布線金屬。上述方案中，所述步驟A中N+層的厚度為1微米，摻雜濃度為5X1018cm_3。上述方案中，所述步驟B中N_有源層的厚度為0. 6微米，摻雜濃度為5X 1016cm_3。上述方案中，所述步驟I中所述電鍍形成的布線金屬用于制作共面波導(dǎo)傳輸線和連接線。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明采用的技術(shù)方案產(chǎn)生的有益效果如下本發(fā)明提供的右手非線性傳輸線微波倍頻電路，優(yōu)化了電路結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化了外圍偏置電路；本發(fā)明提供的右手非線性傳輸線微波倍頻電路的制作方法，簡(jiǎn)化相應(yīng)電路制作工藝，以改善倍頻電路的諧波輸出功率，增加諧波轉(zhuǎn)化效率，改善窄頻帶諧波輸出特性，增強(qiáng)諧波輸出純度。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的右手非線性傳輸線微波倍頻電路的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例中一節(jié)右手非線性傳輸線單元的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例中肖特基二極管C-V特性曲線圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施例中肖特基二極管I-V特性曲線圖；圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的右手非線性傳輸線微波倍頻電路的色散特性曲線圖；圖6為本發(fā)明實(shí)施例提供的右手非線性傳輸線微波倍頻電路的S21參數(shù)曲線圖；圖7為本發(fā)明實(shí)施例提供的右手非線性傳輸線微波倍頻電路的S11參數(shù)曲線圖8為本發(fā)明實(shí)施例提供的復(fù)合左右手非線性傳輸線微波倍頻電路的諧波輸出頻譜圖；圖9為本發(fā)明實(shí)施例提供的右手非線性傳輸線微波倍頻電路制作方法的流程圖；圖10為本發(fā)明實(shí)施例提供的右手非線性傳輸線微波倍頻電路的芯片版圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)描述。如圖1所示，圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種右手非線性傳輸線微波倍頻電路，該電路由23節(jié)右手非線性傳輸線單元串聯(lián)構(gòu)成，每節(jié)右手非線性傳輸線單元由并聯(lián)的肖特基二極管和串聯(lián)的兩段相同傳輸線組成，如圖2所示。傳輸線等效為右手傳輸線中的串聯(lián)電感，構(gòu)成由串聯(lián)電感和并聯(lián)電容級(jí)聯(lián)的典型右手非線性傳輸線。每節(jié)右手非線性傳輸線中，所采用的肖特基二極管的電容對(duì)外加偏置電壓的關(guān)系為C = 250fF/(l-V/0. 65)°·35 ；電流對(duì)外加偏置電壓的關(guān)系為I = 31. 97fAX (e(v-IX3-18)/(0-0258XL 0431)-l)。每節(jié)右手非線性傳輸線中，肖特基二極管陽(yáng)極與共面地相連，陰極與中央共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線相連，肖特基二極管通過(guò)共面波導(dǎo)傳輸線中央信號(hào)線和共面地構(gòu)成偏置電路。如圖3所示，圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的右手非線性傳輸線微波倍頻電路中，肖特基二極管C-V特性曲線，從圖中可以看出在-IOV到0. 6V偏置電壓間，肖特基二極管的最大電容比達(dá)5. 4，該肖特基二極管是一種非常理想的非線性變?nèi)菰?。如圖4所示，圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的右手非線性傳輸線微波倍頻電路中，肖特基二極管I-V特性曲線，從圖中可以看出在-IOV到0. 6V的偏置電壓間，在大正向偏置電壓下，電流很大，對(duì)應(yīng)極小的非線性電阻，在負(fù)的反向偏置電壓下，電流很小，對(duì)應(yīng)極大地非線性電阻，等效為開(kāi)路。每節(jié)右手非線性傳輸線中，兩段相同傳輸線和采用共面波導(dǎo)傳輸線組態(tài)，制作在350微米的砷化鎵襯底上，其幾何尺寸為中間信號(hào)線寬20微米，中間信號(hào)線距信號(hào)線兩邊的共面地的間距為89微米，中間信號(hào)線長(zhǎng)560微米，對(duì)應(yīng)的特征阻抗為108Ω ；中間信號(hào)線越窄，對(duì)應(yīng)等效的分布電感越大，其寬度可以根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)電路的需要選擇；共面波導(dǎo)傳輸線對(duì)應(yīng)的特征阻抗可以通過(guò)調(diào)節(jié)中央信號(hào)線與共面地之間的間距改變。如圖5所示，圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的右手非線性傳輸線微波倍頻電路測(cè)量的色散特性曲線，外加反向偏置電壓為2. 0V;相位傳播速度隨著信號(hào)頻率的增加而增大，表現(xiàn)為正常的色散特性。如圖6和圖7所示，圖6和圖7分別為本發(fā)明實(shí)施例提供的右手非線性傳輸線微波倍頻電路在反向偏置4. 5V電壓下測(cè)量的S21和S11曲線圖，由S21可知在整個(gè)頻段內(nèi)表現(xiàn)為一個(gè)右手低通電路，對(duì)應(yīng)上限截止頻率& (Bragg截止頻率)由右手非線性傳輸線的元
件值決定 其中Ctl和Ltl是一節(jié)右手非線性共面波導(dǎo)傳輸線等效分布電容和電感值，C1是右手非線性傳輸線中的并聯(lián)電容值。上限截止頻率可以通過(guò)改變肖特基二極管上的外加偏置電壓而變化，因此右手非線性傳輸線表現(xiàn)為上限截止頻率可調(diào)的低通特性。當(dāng)右手非線性傳輸線用作倍頻電路時(shí)，產(chǎn)生的諧波應(yīng)避免應(yīng)低于截止頻率，否則會(huì)導(dǎo)致諧波信號(hào)輸出功率的嚴(yán)重衰減，諧波信號(hào)應(yīng)該出現(xiàn)在右手非線性傳輸線的帶通中。另外也可以通過(guò)調(diào)整并聯(lián)電容值和共面波導(dǎo)傳輸線參數(shù)來(lái)改變上限截止頻率，設(shè)計(jì)滿足要求的諧波電路。如圖8所示，圖8為本發(fā)明提供的一種制作基于平面肖特基二極管的右手非線性傳輸線微波倍頻電路在反向2. OV偏置電壓下的諧波輸出頻譜圖，輸入基波信號(hào)頻率為13GHz，輸入功率為20dBm，可見(jiàn)本發(fā)明提供的一種制作基于平面肖特基二極管的右手非線性傳輸線微波倍頻電路，可以輸出純凈的二次諧波，而且輸出諧波功率達(dá)15dBm，相應(yīng)二次諧波轉(zhuǎn)換效率高達(dá)25%。如圖9所示，圖9為本發(fā)明提供的一種制作基于平面肖特基二極管的右手非線性傳輸線微波倍頻電路的方法流程圖，該方法是與電路結(jié)構(gòu)相適應(yīng)的電路制造工藝，具體包括以下步驟步驟801 在半絕緣的砷化鎵(GaAs)襯底上外延生長(zhǎng)1微米、摻雜濃度為5 X IO18CnT3 的 N+層；步驟802 在N+層上外延生長(zhǎng)0. 6微米、摻雜濃度為5 X IO16CnT3的N—有源層步驟803 采用濕法腐蝕刻蝕N—層，在N+層上形成臺(tái)面結(jié)構(gòu)步驟804 在N+層上蒸發(fā)金屬形成肖特基二極管的下電極；步驟805 采用低溫合金方法，在N+層形成歐姆接觸；步驟806 :在層上蒸發(fā)金屬形成肖特基接觸的上電極；步驟807 采用濕法腐蝕刻蝕N+層，形成器件之間的電學(xué)隔離；步驟808 在外延片上沉積一層Si3N4，采用干法刻蝕在Si3N4表面刻孔，打開(kāi)電極引線窗口 ；步驟809 電鍍形成二次布線金屬，形成共面波導(dǎo)傳輸線以及連接線。上述制作方法與右手非線性傳輸線微波倍頻與該電路結(jié)構(gòu)相適應(yīng)，流程簡(jiǎn)單，可操作性強(qiáng)，適宜批量生產(chǎn)。關(guān)于本發(fā)明提供的右手非線性傳輸線微波倍頻電路的制作方法，還可以參照?qǐng)D10，圖10為右手非線性傳輸線微波倍頻電路的芯片版圖。本發(fā)明采用共面波導(dǎo)傳輸線的平面結(jié)構(gòu)，避免了復(fù)雜的過(guò)孔和背金制作工藝。本發(fā)明中肖特基二極管通過(guò)右手非線性傳輸線單元本身構(gòu)成偏置電路，即通過(guò)共面波導(dǎo)傳輸線中央信號(hào)線和共面地構(gòu)成偏置電路，無(wú)需偏置電路，簡(jiǎn)化了倍頻器結(jié)構(gòu)，縮小了體積。本發(fā)明提供的這種右手非線性傳輸線微波倍頻電路，電路的平均輸入阻抗變成了由電抗變?yōu)榱穗娮杼匦裕敵鲋C波的頻帶加寬，改善了倍頻電路的窄帶特性。本發(fā)明提供的右手非線性傳輸線微波倍頻電路，電路匹配容易，只需通過(guò)調(diào)整肖特基有源區(qū)面積和共面波導(dǎo)傳輸線特征尺寸參數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)與負(fù)載和信號(hào)源之間的匹配。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種右手非線性傳輸線微波倍頻電路，其特征在于所述倍頻電路由23節(jié)右手非線性傳輸線單元串聯(lián)構(gòu)成，每節(jié)右手非線性傳輸線單元由并聯(lián)的肖特基二極管和串聯(lián)的兩段相同傳輸線組成。
2.如權(quán)利要求1所述的右手非線性傳輸線微波倍頻電路，其特征在于所述每節(jié)右手非線性傳輸線單元中肖特基二極管的電容對(duì)外加偏置電壓的關(guān)系為C=250fF/ (1-V/0. 65)°_35，電流對(duì)外加偏置電壓的關(guān)系為1=31. 97fAX (e ("Χ3·18)/ (0-0258XL 0431)-l)。
3.如權(quán)利要求1所述的右手非線性傳輸線微波倍頻電路，其特征在于所述每節(jié)右手非線性傳輸線單元中串聯(lián)的兩段傳輸線采用共面波導(dǎo)傳輸線組態(tài)，制作在350微米的砷化鎵襯底上。
4.如權(quán)利要求3所述的右手非線性傳輸線微波倍頻電路，其特征在于所述傳輸線的幾何尺寸為中間信號(hào)線寬20微米，中間信號(hào)線距信號(hào)線兩邊共面地的間距為89微米，中間兩段信號(hào)線共長(zhǎng)560微米。
5.如權(quán)利要求1所述的右手非線性傳輸線微波倍頻電路，其特征在于所述每節(jié)右手非線性傳輸線單元中肖特基二極管陽(yáng)極與共面地相連，陰極與中央共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線相連，肖特基二極管通過(guò)共面波導(dǎo)傳輸線中央信號(hào)線和共面地構(gòu)成偏置電路。
6.一種右手非線性傳輸線微波倍頻電路的制作方法，其特征在于，包括如下步驟A、在半絕緣的砷化鎵(GaAs)襯底上外延生長(zhǎng)N+層；B、在N+層上外延生長(zhǎng)N—有源層；C、采用濕法腐蝕刻蝕N—層，在N+層上形成臺(tái)面結(jié)構(gòu)；D、在N+層上蒸發(fā)金屬形成肖特基二極管的下電極；E、采用低溫合金方法，在N+層形成歐姆接觸；F、在N—層上蒸發(fā)金屬形成肖特基接觸的上電極；G、采用濕法腐蝕刻蝕N+層，形成器件之間的電學(xué)隔離；H、在外延片上沉積一層Si3N4，采用干法刻蝕在Si3N4表面刻孔，打開(kāi)電極引線窗口；I、電鍍形成布線金屬。
7.如權(quán)利要求6所述的右手非線性傳輸線微波倍頻電路的制作方法，其特征在于所述步驟A中N+層的厚度為1微米，摻雜濃度為5X1018cm_3。
8.如權(quán)利要求6所述的右手非線性傳輸線微波倍頻電路的制作方法，其特征在于所述步驟B中N—有源層的厚度為0. 6微米，摻雜濃度為5X 1016cnT3。
9.如權(quán)利要求6所述的右手非線性傳輸線微波倍頻電路的制作方法，其特征在于所述步驟I中所述電鍍形成的布線金屬用于制作共面波導(dǎo)傳輸線和連接線。
全文摘要
本發(fā)明涉及微電子中微波電路技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于平面肖特基二極管的右手非線性傳輸線微波倍頻電路及其制作方法。一種右手非線性傳輸線微波倍頻電路，該倍頻電路由23節(jié)右手非線性傳輸線單元串聯(lián)構(gòu)成，每節(jié)右手非線性傳輸線單元由并聯(lián)的肖特基二極管和串聯(lián)的兩段相同傳輸線組成。本發(fā)明提供的右手非線性傳輸線微波倍頻電路，優(yōu)化了電路結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化了外圍偏置電路；本發(fā)明提供的右手非線性傳輸線微波倍頻電路的制作方法，簡(jiǎn)化相應(yīng)電路制作工藝，以改善倍頻電路的諧波輸出功率，增加諧波轉(zhuǎn)化效率，改善窄頻帶諧波輸出特性，增強(qiáng)諧波輸出純度等特性。
文檔編號(hào)H01L21/8252GK102570977SQ20101057844
公開(kāi)日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2010年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月8日
發(fā)明者張海英, 楊浩, 田超, 董軍榮, 黃杰 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院微電子研究所