Линия передачи

 

Изобретение относится к области электронной техники и микроэлектроники, а именно к линиям передачи. Изобретение может быть использовано при построении линий передачи с регулируемым волновым сопротивлением и длиной. Двухпроводная линия содержит две проводящие полоски, между которыми сформирован изолирующий либо полуизолирующий слой, причем либо в верхней полоске выполнены отверстия в направлении вдоль длины линии, либо в нижней полоске выполнены отверстия в направлении поперек длины линии, либо в верхней полоске выполнены отверстия в направлении вдоль длины линии, а в нижней полоске выполнены отверстия в направлении поперек длины линии, на поверхности полосок (полоски) с отверстиями сформирован p-n-переход либо барьер Шоттки с неоднородным вдоль ширины верхней полоски либо вдоль длины нижней полоски профилем легирования, при этом параметры линии передачи (волновое сопротивление и длина) определяются величиной управляющего внешнего смещения, поданного на p-n (барьер Шоттки)-переход, либо величинами управляющих внешних смещений, поданных на p-n-переходы (барьеры Шоттки). 8 ил.

Изобретение относится к области электронной техники и микроэлектронники, а именно к линиям передачи. Изобретение может быть использовано при построении линий передачи с регулируемым волновым сопротивлением и длиной.

Под линией передачи обычно понимают устройство, позволяющее транспортировать электрическую энергию от одного объекта к другому.

Наиболее часто в СВЧ-микроэлектронике используется выбранная в качестве прототипа микрополосковая линия передачи, представляющая собой двухпроводную линию, содержащую две проводящие полоски, между которыми сформирован изолирующий либо полуизолирующий слой [1, 2].

К недостаткам всех линий передачи относится то, что параметры линии передачи, такие, как волновое сопротивление и длина, не регулируются внешним источником напряжения, что затрудняет микроминиатюризацию, настройку и частотную перестройку большого числа СВЧ-устройств.

Задачей изобретения является создание линии передачи с регулируемым при помощи внешнего электрического напряжения волновым сопротивлением и с регулируемой при помощи внешнего электрического напряжения длиной линии.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в двухпроводной линии, содержащей две проводящие полоски, между которыми сформирован изолирующий либо полуизолирующий слой, либо в верхней полоске выполнены отверстия в направлении вдоль длины линии, либо в нижней полоске выполнены отверстия в направлении поперек длины линии, либо в верхней полоске выполнены отверстия в направлении вдоль длины линии, а в нижней полоске выполнены отверстия в направлении поперек длины линии, на поверхности полосок (полоски) с отверстиями сформирован p-n-переход либо барьер Шоттки с неоднородным вдоль ширины верхней полоски либо вдоль длины нижней полоски профилем легирования, при этом параметры линии передачи (волновое сопротивление и длина) определяются величиной управляющего внешнего смещения, поданного на p-n-переход (барьер Шоттки) либо величинами управляющих внешних смещений, поданных на p-n-переходы (барьер Шоттки). Кроме того, барьер Шоттки может быть сформирован между нижней полоской и полуизолирующей (слаболегированной) подложкой, на противоположной поверхности которой сформирована вторая полоска (с отверстиями), образующая с неоднородно легированной подложкой омический контакт.

То есть суть изобретения заключается в использовании возможности изменения при помощи внешнего смещения эффективной площади полосков, образующих микрополосковую линию как вдоль направления линии, что приводит к изменению волнового сопротивления линии, так и поперек нее, вследствие чего изменяется длина линии передачи.

На фиг.1 приведена линия передачи с изменяемым волновым сопротивлением с источником входного сигнала и с источником управляющего напряжения; на фиг.2 - линия передачи с изменяемой длиной с источником входного сигнала и с источником управляющего напряжения; на фиг.3 - линия передачи с изменяемым волновым сопротивлением, выполненная по планарной технологии; на фиг.4 - линия передачи с изменяемым волновым сопротивлением, у которой p-n-переход (барьер Шоттки) сформирован на входе и выходе линии; на фиг.5 - линия передачи с изменяемым волновым сопротивлением, у которой барьер Шоттки сформирован между нижней полоской и полуизолирующей (слаболегированной) подложкой, на противоположной поверхности которой сформирована вторая полоска (с отверстиями), образующая с неоднородно легированной подложкой омический контакт; на фиг. 6 - линия передачи с изменяемым волновым сопротивлением, у которой барьер Шоттки сформирован на входе и выходе линии; на фиг.7 - расчетная зависимость волнового сопротивления линии передачи от напряжения; на фиг.8 - расчетная и экспериментальная зависимости коэффициента стоячей волны линии передачи от напряжения.

Для пояснения работы управляемой линии передачи обратимся к фиг.1, на которой приведен один из вариантов предлагаемой линии передачи, содержащий проводящую полоску 1 с отверстиями, выполненными вдоль длины линии, проводящую полоску 2, слой диэлектрика 3, неоднородно легированную вдоль ширины линии примесями n-типа область 4 с омическим контактом, область 5 с омическим контактом, которая образует с областью 4 p-n-переход либо барьер Шоттки. На фиг. 1 изображены также источник управляющего напряжения 6, подключенный к p-n-переходу через дроссель 7, служащий для развязки цепей источника входного сигнала и управляющего напряжения по переменному току, источник входного сигнала 8.

Поверх проводящей полоски (с отверстиями) 1 сформирован эпитаксиальный n-типа слой поликремния 4, образующий с полоской 1 омический контакт. Причем слой поликремния 4 неоднородно легирован вдоль ширины линии (вдоль направления Z). Причем степень легирования уменьшается с ростом Z. Поверх слоя поликремния сформирована область 5 с омическим контактом, которая образует с областью 4 p-n-переход либо барьер Шоттки. По мере увеличения запирающего напряжения U (источника 6) на переходе размер вдоль Z области нейтральности в полупроводнике n-типа H(U) непрерывно уменьшается. При этом эффективная ширина линии W с дискретностью, равной расстоянию между отверстиями, повторяет H(U), что приводит к пропорциональному увеличению волнового сопротивления линии (ρ ~ 1/H(U)) .

Для пояснения работы линии передачи с изменяемой длиной обратимся к фиг. 2, которая содержит проводящую полоску 1 с отверстиями, выполненными вдоль ширины линии, проводящую полоску 2, слой диэлектрика 3, неоднородно легированную вдоль длины линии примесями n-типа область 4 с омическим контактом, область 5 с омическим контактом, которая образует с областью 4 p-n-переход либо барьер Шоттки. На фиг.2 изображены также источник управляющего напряжения 6, подключенный к p-n-переходу через дроссель 7, служащий для развязки цепей источника входного сигнала и управляющего напряжения по переменному току, источник входного сигнала.

Поверх проводящей полоски (с отверстиями) 1 сформирован эпитаксиальный n-типа слой поликремния 4, образующий с полоской 1 омический контакт. Причем слой поликремния 4 неоднородно легирован вдоль длины линии (вдоль направления X). Причем степень легирования уменьшается с ростом X. Поверх слоя поликремния сформирована область 5 с омическим контактом, которая образует с областью 4 p-n-переход либо барьер Шоттки. По мере увеличения запирающего напряжения U (источника 6) на переходе размер вдоль X области нейтральности (в полупроводнике n-типа) H(U) уменьшается.

При этом эффективная длина линии L повторяет H(U) с дискретностью, равной расстоянию между отверстиями.

Очевидно, что, если в верхней полоске микрополосковой линии выполнены отверстия в направлении вдоль длины линии, а в нижней полоске выполнены отверстия в направлении поперек длины линии, на поверхности полосок с отверстиями сформированы p-n-переходы (барьеры Шоттки) с неоднородным вдоль ширины верхней полоски либо вдоль длины нижней полоски профилем легирования, при этом параметры линии передачи (волновое сопротивление и длина) определяются величинами управляющих внешних смещений, поданных на p-n-переходы (барьеры Шоттки).

При производстве полупроводниковых приборов посредством планарно-эпитаксиальной технологии все контакты, как правило, формируются на одной из поверхностей полупроводниковой пластины, причем контакты отделены друг от друга диэлектрической прослойкой (SiO₂). На фиг.3 представлена управляемая линия передачи, выполненная посредством планарно-эпитаксиальной технологии. Линия содержит проводящую полоску 1 с отверстиями, выполненными вдоль длины линии, проводящую полоску 2, слой диэлектрика 3, неоднородно легированную вдоль ширины линии примесями n-типа область 4 с омическим контактом, область 5 с омическим контактом, которая образует с областью 4 p-n-пероеход. На фиг. 3 изображены также источник управляющего напряжения 6, подключенный к p-n-переходу через дроссель 7, служащий для развязки цепей источника входного сигнала и управляющего напряжения по переменному току, источник входного сигнала 8. Причем полоска 1 (с отверстиями) выполнена из сплава золота и сурьмы (для формирования омического контакта с полупроводником n-типа). В качестве диэлектрика использована двуокись кремния. Омический контакт к p-области 5 выполнен из алюминия. Омический контакт к n-области 4 (сильнолегированной в районе контакта) выполнен также из алюминия, полоска 2 выполнена также из алюминия. Все контакты друг от друга отделены защитным слоем двуокиси кремния 9.

Для исключения нежелательного влияния емкостной связи между областями 1 и 5 p-n-переход (барьер Шоттки) может быть сформирован над частью полоски с отверстиями (см. фиг.4, на которой приведен один из вариантов предлагаемой линии передачи). На фиг.4 изображены проводящая полоска 1 с отверстиями, выполненными вдоль длины линии, проводящая полоска 2, слой диэлектрика 3, неоднородно легированная вдоль ширины линии примесями n-типа область 4 с омическим контактом, область 5 с омическим контактом, которая образует с областью 4 p-n-переход либо барьер Шоттки. На фиг. 4 изображены также источник управляющего напряжения 6, подключенный к p-n-переходу через дроссель 7, служащий для развязки цепей источника входного сигнала и управляющего напряжения по переменному току, источник входного сигнала 8, сопротивление нагрузки 10, подключенное к выходу линии. Причем p-n-переход (барьер Шоттки) выполнен в начале и в конце линии. Заметим, что p-n-переход либо барьер Шоттки может быть сформирован на продолжении проводящих участков полоски, находящихся между отверстиями за пределами диэлектрической прослойки 3.

Второй способ исключения нежелательного влияния емкостной связи между областями 1 и 5 заключается в том, что у p-n-перехода неоднородно вдоль Z (X) легируются как n-область, так и p-область. При этом по мере роста управляющего напряжения размер области нейтральности вдоль Z (X) в p-области уменьшается, так же как и в n-области.

В рассмотренных на фиг.1 - 4 примерах область 4 для определенности была выбрана с электронным типом проводимости. Очевидно, что область 4 может быть выполнена и с дырочным типом проводимости.

В общем случае для формирования p-n-перехода на поверхности полоски с отверстиями необходимо на ней сформировать одну поверх другой противоположно легированные полупроводниковые области. Известно, что барьер Шоттки возникает в приконтактной области полупроводника контакта металл-полупроводник и только. Для формирования барьера Шоттки на поверхности проводящей (не обязательно металлической) полоски с отверстиями необходимо сформировать полупроводниковую область электронного либо дырочного типа проводимости, поверх которой выполнен слой металла. Работоспособность прибора очевидна: при определенном значении управляющего напряжения на p-n-переходе (барьере Шоттки) ОПЗ примыкает к полоске с отверстиями по всей площади p-n-перехода, с изменением управляющего напряжения в сторону открывания p-n-перехода (барьера Шоттки) область нейтральности полупроводника постепенно (примесный профиль неоднородности) заполняет все большее количество отверстий и соединяет все большее число полосок, отделенных отверстиями, друг с другом, вследствие чего изменяются параметры линии передачи.

На фиг.5 приведена линия передачи с изменяемым волновым сопротивлением, у которой барьер Шоттки сформирован между нижней полоской и полуизолирующей (слаболегированной) подложкой, на противоположной поверхности которой сформирована вторая полоска (с отверстиями), образующая с неоднородно легированной подложкой омический контакт. С изменением управляющего напряжения в сторону открывания p-n-барьера Шоттки область нейтральности полупроводника постепенно (примесный профиль неоднороден) заполняет все большее количество отверстий и соединяет все большее число полосок, отделенных отверстиями, друг с другом, вследствие чего изменяются параметры линии передачи.

На подложке с толщиной 0,5 мм (D = 0,5 мм) из двуокиси кремния была сформирована микрополосковая линия длиной 50 мм (L = 50 мм), с шириной верхнего полоска 4 мм (W = 4 мм), с шириной нижнего полоска 12 мм (фиг.6). В верхней полоске, выполненной из сплава золота и сурьмы, были вытравлены вдоль длины линии отверстия шириной 4 мкм с шагом 40 мкм, поверх которых в начале и в конце линии был сформирован слой поликремния толщиной 0,6 мкм с донорной концентрацией примесей примерно 10¹⁵ l/см³. В слое посредством ионной имплантации фосфора при энергии 200 КЭВ сформирован неоднородно легированный примесный профиль, причем имплантационная доза линейно изменялась вдоль ширины линии (вдоль Z): спадала от 1 · 10¹² ион/см² до 2,5 · 10¹¹ ион/см². Барьер Шоттки формировался поверх слоя поликремния нанесением металлизации из алюминия. Омический контакт к поликремнию был выполнен также из алюминия путем нанесения последнего на предварительно сформованный сильнолегированный участок слоя поликремния. После изготовления проволочных контактов поверхность прибора покрывалась защитным слоем 9 (SiO₂).

Волновое сопротивление линии передачи (Zc) определялось по формулам [3] при W = H(U): В свою очередь H(U) определялось из условия полного обеднения полупроводникового слоя поликремния толщиной d (d = 0,6 мм) с неоднородным профилем легирования Ni(z, y) основными носителями заряда в сечении H(U),y при минимальном запирающем напряжении на барьере Шоттки: где y - координата отсчитываемая от поверхности пленки, на которой сформирован барьер Шоттки, вдоль ее толщины, q - элементарный заряд, ε_s - диэлектрическая проницаемость полупроводника, Uk - встроенный потенциал перехода, ε₁ - относительная диэлектрическая проницаемость SiO₂,
C = 120 π Ом.

Расчетная зависимость Zc(U) представлена на фиг.7. Измеренная зависимость коэффициента стоячей волны (КСВ) в измерительной линии с характеристическим сопротивлением 50 Ом, один конец которой подключен к источнику входного сигнала с частотой 3,2 гГц и внутренним сопротивлением 50 Ом, а второй соединен с линией передачи, нагруженной на нагрузку в 50 Ом, представлена на фиг. 8, которая качественно совпала с расчетной при предположении отсутствия потерь в линии передачи.

Изобретение простыми технологическими средствами позволяет создавать линии передачи с регулируемым волновым сопротивлением и длиной.

Изобретение может быть использовано в электронной промышленности.

Формула изобретения

Двухпроводная линия, содержащая верхнюю и нижнюю проводящие полоски, между которыми сформирован изолирующий либо полуизолирующий слой, отличающаяся тем, что либо в верхней полоске выполнены отверстия в направлении вдоль длины линии, либо в нижней полоске выполнены отверстия в направлении поперек длины линии, либо в верхней полоске выполнены отверстия в направлении вдоль длины линии, а в нижней полоске выполнены отверстия в направлении поперек длины линии, на поверхности полоски с отверстиями сформирован p-n-переход либо барьер Шоттки с неоднородным вдоль ширины верхней полоски либо вдоль длины нижней полоски профилем легирования, при этом параметры линии передачи определяются по крайней мере одной величиной управляющего внешнего смещения, поданного на p - n-переход либо барьер Шо

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8