Многоканальное коммутирующее устройство свч с изолированными электродами

Изобретение относится к полупроводниковым изделиям, предназначенным для СВЧ управляющих устройств. Сущность изобретения заключается в том, что коммутирующее устройство СВЧ с изолированными электродами изготовлено на графене, где в качестве подложки использован кремний, затем последовательно размещены: слой оксида кремния (SiO2), двумерный слой графена, который служит нижней обкладкой конденсатора, поверх которого нанесен комбинированный диэлектрик, содержащий аморфный слой оксида алюминия (Al2O3), аморфный слой диэлектрика с высокой диэлектрической постоянной, например двуокиси гафния (HfO2) и повторно аморфный слой оксида алюминия (Al2O3), а поверх диэлектрика размещены металлические электроды полосковой формы, которые образуют верхнюю обкладку, по меньшей мере, трех управляемых напряжением конденсаторов, образующих 3-х электродную 2-х канальную конфигурацию. Технический результат – повышение уровня допустимой входной мощности, повышение скорости переключения и уменьшение входных потерь, повышение надежности приборов, уровня радиационной стойкости. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к изделиям микроэлектроники и приборам, предназначенным для СВЧ управляющих устройств, и может быть использовано при создании нового поколения СВЧ элементной базы и монолитных интегральных схем (МИС СВЧ) на графене.

Высокочастотные переключатели играют важную роль в работе многих типов современных систем, таких как радар, фазированная решетка, так как добавляют/снижают фазовую задержку при использовании в сочетании с сегментами линии передачи, используются в различных системах беспроводной связи, таких как мобильный телефон, приемники глобальной спутниковой системы определения местонахождения и/или тому подобное.

Традиционные ВЧ-ключи на основе кремниевого P-I-N диода приводят к дополнительным потерям напряжения постоянного тока, поскольку диод потребляет энергию. Кроме того, кремниевые P-I-N диоды трудно адаптировать к применениям, которые требуют как коммутацию мощности непрерывной волны (CW), так и высокие скорости переключения. В частности, так как высокочастотная энергия рассеивается в P-I-N диоде во время своего относительно длительного переходного процесса при коммутации, номинальная мощность "горячего переключения" P-I-N ключа, как правило, значительно ниже, чем стационарное значение, даже при низкой скорости переключения. Недостатком переключательных СВЧ диодов с p-i-n структурой является инерционность процесса рассасывания носителей зарядов из i-слоя при переключении диода с прямого направления на обратное, так как толщина слоя может составлять несколько десятков микрометров, а скорость движения носителей заряда ограничена.

Кроме того, P-I-N ключ требует схем управления, которые, как правило, сложные, громоздкие и дорогие. В результате, существует потребность в разработке переключателей на основе активных устройств.

Значительно большую скорость переключения можно получить при использовании диодов Шоттки, изготовленных на арсениде галлия. Однако уровень переключаемой СВЧ мощности при этом на несколько порядков ниже, чем при применении переключательных СВЧ диодов с p-i-n структурой.

Известен переключатель СВЧ (RU №2072593, 27.01.1997), содержащий соединение трех линий передачи с одинаковыми волновыми сопротивлениями, одна линия передачи предназначена для входа СВЧ-сигнала, две другие - для выхода, каждая из двух линий передачи на выходе снабжена, по крайней мере, одним электронным ключом, в качестве которых использованы полевые транзисторы с барьером Шотки, при этом их стоки соединены с линиями передачи на выходе, истоки - с линией передачи на входе, а на затворы подают постоянное управляющее напряжение. Недостатком данного устройства является низкая надежность, обусловленная прямыми потерями СВЧ сигнала.

Кроме того, известно коммутирующее устройство СВЧ (RU №2574811, 14.01.2016) на нитриде галлия, где в качестве подложки использован сапфир, затем последовательно размещены: буферный слой AlN, буферный слой из GaN, второй буферный слой из нелегированного нитрида галлия (i-тип), твердый раствор AlXGa1-XN, и в интерфейсе GaN/AlXGa1-XN гетероструктуры образован двумерный электронный газ высокой плотности, который служит нижней обкладкой конденсатора, поверх твердого раствора AlXGa1-XN размещен химически устойчивый сглаживающий слой из нитрида галлия, поверх которого нанесен диэлектрик с высокой диэлектрической проницаемостью, например слой из двуокиси гафния. Поверх диэлектрика размещены металлические электроды полосковой формы, которые образуют верхнюю обкладку конденсатора, при этом, коммутирующее устройство содержит, по меньшей мере, три управляемых напряжением переменных конденсатора, образующих 3-х электродную 2-х канальную конфигурацию. Данное коммутирующее устройство СВЧ является наиболее близким аналогом и выступает в качестве прототипа.

Недостатком коммутирующего устройства СВЧ, при его высоких технических характеристиках, является сложность формирования заземляющих контактов из-за наличия изолирующей подложки сапфира, что приводит к увеличению импеданса входных потерь. Введение дополнительных технологических операций, например формирования в сапфире сквозных заземляющих отверстий, значительно усложняют технологию создания СВЧ устройств.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в повышении уровня допустимой входной мощности, повышении скорости переключения и уменьшении входных потерь, повышении надежности приборов, уровня радиационной стойкости.

Для достижения указанного технического результата необходимо решение задач устранения недостатков прототипа и улучшения технических характеристик устройства.

Для этого переключатель СВЧ изготовлен на графене, где в качестве подложки использован кремний. Затем последовательно размещены: слой оксида кремния (SiO2), двумерный слой графена, который служит нижней обкладкой конденсатора, поверх которого нанесен комбинированный диэлектрик, содержащий аморфный слой оксида алюминия (Al2O3), аморфный слой диэлектрика с высокой диэлектрической постоянной, например двуокиси гафния (HfO2) и повторно аморфный слой оксида алюминия (Al2O3), поверх комбинированного диэлектрика размещены металлические электроды полосковой формы, которые образуют верхнюю обкладку конденсаторов, по меньшей мере, трех управляемых напряжением конденсаторов, образующих двойные ВЧ-ключи.

В мощном переключателе СВЧ на основе графена используется низкоомная подложка кремния, в которой технологически просто формируются эффективные заземляющие контакты; двумерный слой графена - это двумерная аллотропная форма углерода, в которой атомы объединены в гексагональную кристаллическую решетку, материал с очень высокой проводимостью электричества и тепла; подвижность носителей заряда в графене, при комнатной температуре достигает 200000 см2/В⋅c (А.K. Geim, K.S. Novoselov, Nature Matrerials 6, 183 (2007); K.S. Novoselov, A.K. Geim, S.V. Morosov, D. Jiang, Y. Zhang, S.V. Dubonos, I.V. Grigorieva, A.A. Firsov, «Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films», Science Vol. 306, No. 6596, pp. 666-669, October 22, 2004), что обеспечит повышенные скорости переключения и наличие низкого импеданса контактов. Для повышения надежности приборов предусмотрено капсулирование двуокиси гафния (HfO2) сверху и снизу аморфными слоями оксида алюминия (Al2O3). Длительная эксплуатация и воздействие повышенных температур могут приводить к кристаллизации HfO2, что может привести к изменению параметров СВЧ переключателя и повышению уровня деградации. Аморфные слои оксида алюминия (Al2O3) не подвержены рекристаллизации в широком диапазоне температур (во всем диапазоне рабочих и критических температур работы СВЧ устройств). Аморфные диэлектрики на границах с двуокисью гафния не будут создавать центры кристаллизации и будут препятствовать кристаллизации двуокиси гафния, что позволит повысить уровень радиационной стойкости СВЧ устройств и их надежность.

Принципиальная схема заявляемого изобретения приведена на фиг. 1, где:

1. Подложка кремния;

2. Слой оксида кремния (SiO2);

3. Двумерный слой графена (нижняя обкладка конденсатора);

4. Аморфный слой оксида алюминия (Al2O3);

5. Аморфный слой диэлектрика с высокой диэлектрической проницаемостью (ε) (принято считать, если у диэлектрика ε более 20, то такие диэлектрики называют high-K диэлектрики, например у оксида гафния (HfO2)ε≥20);

6. Аморфный слой оксида алюминия (Al2O3);

7. Металлический электрод.

На подложке кремния 1 толщиной 150-200 мкм последовательно размещены слой оксида кремния 2, двухмерный слой графена 3 (нижняя обкладка конденсатора). Поверх слоя графена 3 нанесен комбинированный диэлектрик, включающий последовательно нанесенные слои 4, 5, 6:

- аморфный слой оксида алюминия (Al2O3) 1-3 нм;

- аморфный слой диэлектрика с высокой диэлектрической проницаемостью (ε) оксида гафния (HfO2) 7-10 нм;

- аморфный слой оксида алюминия (Al2O3) 1-3 нм.

Оксид гафния является представителем наиболее перспективных диэлектрических материалов для микроэлектроники, отличается высокой технологичностью. Этот материал обладает высокой диэлектрической проницаемостью (ε≥20-25) и шириной запрещенной зоны Eg=5,8 эв. Кроме того, двуокись гафния как диэлектрический материал подходит для устройств с парными емкостно соединенными контактами с изолированными электродами, имеет высокую диэлектрическую проницаемость и пригоден для более сильной емкостной связи. Для повышения надежности приборов предусмотрено капсулирование двуокиси гафния (HfO2) сверху и снизу аморфными слоями 4 и 6 оксида алюминия (Al2O3). Длительная эксплуатация и воздействие повышенных температур могут приводить к кристаллизации HfO2, что может привести к изменению параметров СВЧ переключателя и повышению уровня деградации. Аморфные слои 4, 6 оксида алюминия (Al2O3) не подвержены рекристаллизации в широком диапазоне температур (во всем диапазоне рабочих и критических температур работы СВЧ устройств), наличие аморфного диэлектрика оксида алюминия с двух сторон двуокиси гафния не будет создавать центры кристаллизации для двуокиси гафния и это позволит повысить уровень радиационной стойкости СВЧ устройств и их надежность.

Поверх комбинированного диэлектрика размещены изолированные электроды 7 полосковой формы Mo/Ti/Au.

Таким образом, в данном изобретении предлагается конструкция коммутирующего устройства, которая позволяет использовать парные емкостные контакты. Соединенные "спина к спине" конденсаторы образуют ВЧ-ключи, тем самым устраняя потребность в омических контактах. Приведенная конструкция коммутирующего устройства сочетает преимущества графена, материала с очень высокой проводимостью электричества и тепла; подвижность носителей заряда в графене при комнатной температуре достигает 200000 см2/В⋅с. Это обеспечивает очень высокую проводимость и низкое сопротивление канала, и рекордно высокие токи насыщения.

Использование комбинированного диэлектрика Al2O3/HfO2/Al2O3 обеспечивает низкие токи утечки и хорошую емкостную связь.

Принцип работы 3-х электродного 2-х канального устройства приведен на фиг. 2. Входной импульс может быть подан между землей Eo и электродом E2, в то время как два маршрутных канала (каналы A, B) подсоединены между землей Eo и электродами E3 и E1 соответственно. Для работы коммутирующего устройства управляющее напряжение (+UC1) может быть подано на E3, а отрицательное управляющее напряжение (-UC1) может быть подано на E1. Когда полярность управляющего напряжения положительна, конденсатор для E1 будет включен, а для E3 будет выключен. В результате, входной сигнал будет направлен к каналу, подсоединенному между E3 и Eo (канал A). Аналогично, когда полярность управляющего напряжения отрицательна, то входной сигнал будет направлен между E1 и Eo (канал B).

Принцип работы коммутирующего устройства может быть распространен на ВЧ коммутаторы любого количества каналов. На фиг. 3 показан четырехканальный коммутатор с вариантом реализации изобретения. В этом случае каждый выходной сигал трехэлектродной конфигурации является входным сигналом для другой трехэлектродной конфигурации. В частности, входной сигнал подан между землей Eo и электродом E2, а четыре маршрутных канала подсоединены между землей и E4, E6, E7 и E9 соответственно. Подавая три управляющих напряжения UC1, UC2, UC3 между электродами E1 и E3, E4 и E6, а также E7 и E9 соответственно и изменяя их полярности, как требуется, входной сигнал может быть направлен на любой желаемый канал, соединенный с E4, E6, E7, или E9.

1. Коммутирующее устройство СВЧ с изолированными электродами, содержащее три линии передачи, одна линия передачи предназначена для входа СВЧ-сигнала, две другие для выхода, отличающееся тем, что коммутирующее устройство СВЧ изготовлено на графене, где в качестве подложки использован кремний, затем последовательно размещены: слой оксида кремния (SiO2), двумерный слой графена, который служит нижней обкладкой конденсатора, поверх которого нанесен комбинированный диэлектрик, содержащий аморфный слой оксида алюминия (Al2O3), аморфный слой диэлектрика с высокой диэлектрической постоянной, например двуокиси гафния (HfO2) и повторно аморфный слой оксида алюминия (Al2O3), а поверх диэлектрика размещены металлические электроды полосковой формы, которые образуют верхнюю обкладку, по меньшей мере, трех управляемых напряжением конденсаторов, образующих 3-х электродную 2-х канальную конфигурацию.

2. Коммутирующее устройство СВЧ по п. 1, отличающееся тем, что коммутирующее устройство содержит ряд 3-х электродных 2-х канальных конфигураций, причем выходные сигналы первой конфигурации являются входными сигналами для следующих аналогичных конфигураций

3. Коммутирующее устройство СВЧ по п. 1, отличающееся тем, что диэлектрик с высокой диэлектрической постоянной, могут использоваться диэлектрики других оксидов редких и редкоземельных металлов с высокой диэлектрической постоянной.

4. Коммутирующее устройство СВЧ по п. 1, отличающееся тем, что для повышения рабочих напряжений коммутирующего устройства увеличивается толщина комбинированного диэлектрика за счет толщины диэлектрика с высокой диэлектрической постоянной, эффективность работы емкостной связи обеспечивается при толщинах двуокиси гафния (HfO2) менее 30 нм.



 

Похожие патенты:

Использование: для создания фазовращателя. Сущность изобретения заключается в том, что фазовращатель содержит n щелевых мостов, соединенных последовательно, где n - число разрядов фазовращателя, 2n короткозамкнутых отрезков прямоугольных волноводов, вносимый фазовый сдвиг которых ϕm=180°/2m-1, где m=1,2…n - номер разряда фазовращателя, а также СВЧ-ключи, при этом в него введены 2n диафрагм, выполненных на основе двухстороннего фольгированного диэлектрика, с установленным на каждой из них, по крайней мере, одним СВЧ-ключом, расположенных между выходными плечами щелевых мостов и открытыми концами короткозамкнутых отрезков прямоугольных волноводов.

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в коммутаторах, фазовращателях, аттенюаторах и других управляющих устройствах СВЧ. Волноводный выключатель состоит из прямоугольного волновода, в поперечном сечении которого размещена диафрагма, выполненная на основе двухстороннего фольгированного диэлектрика, в первом слое фольги которого реализованы две щели, параллельные широким стенкам прямоугольного волновода, а во втором слое фольги реализованы земляной проводник, связанный с первым слоем фольги с помощью металлизированных отверстий, расположенных по контуру прямоугольного волновода, а также сигнальный проводник, состоящий из центральной области, тонкого печатного проводника, выходящего из прямоугольного волновода через отверстие, расположенное в одной из его узких стенок, и дополнительного тонкого печатного проводника, выходящего из прямоугольного волновода через отверстие, расположенное в другой его узкой стенке.

Изобретение относится к сумматору для маршрутизации радиочастотных сигналов в целом и радиочастотных сигналов, передаваемых вещательной станцией, в частности. Согласно изобретению безразрывный сумматор содержит цепь (32), включающую в себя линию задержки, состоящую из линии (12, 12') передачи с постоянным импедансом и устройства (10), выполненного с возможностью изменения электрической длины указанной линии (12, 12') передачи, где указанное устройство (10) содержит металлический корпус (14) с внешней стенкой (16) и внутренней стенкой (22), образующей полость (20), при этом указанные стенки (16, 22) прерываются с образованием щели (24), указанная полость (20) и указанная щель (24) расположены вдоль по меньшей мере части длины указанного устройства (10), указанная полость (20) содержит первую часть (21) с первым поперечным сечением и вторую часть (23) со вторым поперечным сечением, превышающим первое поперечное сечение, указанная вторая часть (23) содержит диэлектрический элемент (27) с вырезом (25), соответствующим указанной щели (24), указанная первая часть (21) и указанная вторая часть (23) ориентированы в продольном направлении указанного устройства (10), а указанная линия (12, 12') передачи расположена внутри указанной первой части (21) и внутри указанной второй части (23) в указанном вырезе (25) указанного диэлектрического элемента (27), выполненного с возможностью заполнения полости (20) указанной второй части (23), и содержит перемещающее средство (11), выполненное в конструктивном единстве с указанным металлическим корпусом (14) с возможностью перемещения указанного диэлектрического элемента (27) по указанной цепи (32) в продольном направлении указанного устройства (10).

Изобретение относится к области радиолокационной техники, в частности к устройствам антенно-фидерной системы, используемым для передачи сверхвысокочастотной энергии между неподвижной частью радиолокационной станции (РЛС), например стационарными (неподвижными) передатчиками, приемниками, и вращающейся антенной системой.

Изобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано в спутниковой связи. Разделитель ортогонально-поляризованных волн, содержащий последовательно расположенные первый поляризатор, первый уголковый изгиб, корректор эллиптичности, второй уголковый изгиб, идентичный первому, второй поляризатор и поляризационный селектор с прямым и боковым выходными плечами, причем первый и второй поляризаторы выполнены в виде отрезка круглого волновода, внутри которого размещен фазосдвигающий элемент с возможностью поворота посредством диэлектрического стержня, проходящего через отверстие, выполненное в стенке отрезка круглого волновода между первым и вторым уголковыми изгибами, при этом фазосдвигающий элемент в первом поляризаторе выполнен с дифференциальным фазовым сдвигом, равным 90°.

Предлагаемое изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в радиопередающих системах KB диапазона. Заявленный направленный ответвитель содержит корпус, а также первичную и вторичную линии, состоящие из проводников, образующих область электромагнитной связи, причем дополнительно введен металлический экран, закрепляемый винтами на коротких боковых сторонах корпуса, двухсторонняя печатная плата с реализованной на ней схемой амплитудно-частотной корректора, закрепленная винтами параллельно верхней и нижней крышкам корпуса, а также диэлектрические вставки, проводники первичной и вторичной линии выполнены с одной стороны двухсторонней печатной платы в виде отрезков круглой металлической проволоки, диаметр проводника первичной линии в 4-5 раз больше диаметра проводника вторичной линии, причем первичная линия выполнена соединенной непосредственно с центральными жилами соединителей, расположенных на коротких боковых стенках корпуса методом пайки, а проводники вторичной линии через сквозные отверстия в двухсторонней печатной плате выполнены выведенными на ее обратную сторону и методом пайки соединенными с токонесущими проводниками печатной платы, при этом одно плечо каждого проводника вторичной линии выполнено соединенным через нагрузку 50 Ом с экранным проводником на печатной плате и корпусом, а другое - с входом схемы амплитудно-частотного корректора.

Изобретение относится к антенной технике. Регулируемое фазовращающее устройство антенной решетки для передачи сигнала между общим входным портом и несколькими портами, содержащее проводниковую камеру, разветвленную сеть фидеров, диэлектрический элемент и рычаг тяги.

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к фазовращателям. Сверхширокополосный коаксиальный фазовращатель содержит центральный и внешний проводники со скользящими контактами.

Изобретение относится к частотно-избирательным устройствам волноводного типа. Перестраиваемый полосно-запирающий волноводный фильтр состоит из отрезка прямоугольного волновода с фланцами, втулки, сопряженной с одной из широких сторон волновода, подстроенного поршня, сопряженного со втулкой с помощью резьбового соединения и образующего вместе с ней короткозамкнутую коаксиальную линию, имеющих постоянные заданные высоты одной длинной и двух коротких диафрагм, расположенных соответственно вдоль широкой стенки волновода с фланцами и поперек этой стенки симметрично относительно втулки, причем поперечные и продольные торцы всех диафрагм скошены под углом, коаксиальная линия и диафрагмы смещены от центра к краям широкой стенки отрезка прямоугольного волновода с фланцами из области максимальной напряженности электрического поля в область ее меньших значений, а подстроечный поршень выполнен с дополнительной согласующей частью, расположенной между резьбовой и настроечной частями, размеры которой по отношению к размерам настроечной части подобраны таким образом, чтобы осуществлялось дроссельное соединение.

Изобретение относится к области радиотехники СВЧ и может быть использовано в фазированных антенных решетках для выравнивания фаз СВЧ трактов после их изготовления.
Изобретение относится к электронной и ускорительной технике для повышения электрической и механической прочности вакуумно-плотных окон ввода и/или вывода энергии СВЧ-излучения в волноводные ускоряющие структуры и может быть использовано при создании/эксплуатации мощных современных ускорителей электронов. Одновременное повышение электрической и механической прочности диэлектрических окон ввода/вывода СВЧ-излучения достигается нанесением на одну или обе поверхности окна защитного покрытия в виде слоя клея на основе поливинилацетата толщиной 1,5-2 мм, обладающего малыми значениями коэффициентов вторичной и фотоэлектронной эмиссии, высокой адгезионной способностью к диэлектрическим материалам и высокими вакуум-прочностными свойствами. Механическая прочность вакуумно-плотных окон ввода/вывода СВЧ-излучения обеспечивается и при ее потере в результате тепловых, электрических и СВЧ-пробоев или суммарного их воздействия. Технический результат - повышение электрической и механической прочности вакуумно-плотных окон ввода/вывода СВЧ-излучения в ускоряющие структуры электронных ускорителей и увеличение тем самым надежности их работы, продление сроков безаварийной эксплуатации, а также восстановление работоспособности вышедших из строя СВЧ-окон, экономии материальных и временных ресурсов при простоте реализации предлагаемого способа. 2 н.п. ф-лы.

Изобретение относится к полупроводниковым изделиям, предназначенным для СВЧ управляющих устройств. Сущность изобретения заключается в том, что коммутирующее устройство СВЧ с изолированными электродами изготовлено на графене, где в качестве подложки использован кремний, затем последовательно размещены: слой оксида кремния, двумерный слой графена, который служит нижней обкладкой конденсатора, поверх которого нанесен комбинированный диэлектрик, содержащий аморфный слой оксида алюминия, аморфный слой диэлектрика с высокой диэлектрической постоянной, например двуокиси гафния и повторно аморфный слой оксида алюминия, а поверх диэлектрика размещены металлические электроды полосковой формы, которые образуют верхнюю обкладку, по меньшей мере, трех управляемых напряжением конденсаторов, образующих 3-х электродную 2-х канальную конфигурацию. Технический результат – повышение уровня допустимой входной мощности, повышение скорости переключения и уменьшение входных потерь, повышение надежности приборов, уровня радиационной стойкости. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

Наверх