МНОГОСЛОЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ СВЧ-ФИЛЬТРОВ И ДИПЛЕКСЕРОВ НА ОСНОВЕ КЕРАМИКИ С НИЗКОЙ ТЕМПЕРАТУРОЙ ОБЖИГА

July 8, 2012 by admin Комментировать »

Симин А. В., Лапшин А. В., Холодняк Д. В., Вендик И. Б.

Санкт-Петербургский Государственный Электротехнический Университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина), Санкт-Петербург 197376, Россия Тел.: +7 (812) 346-08-67; e-mail: MWLab@eltech.ru

Аннотация Рассматривается применение технологии многослойных интегральных схем (ИС) на основе керамики с низкой температурой обжига (КНТО) для создания малогабаритных СВЧ-фильтров и диплексеров для систем телекоммуникаций. Представлены оригинальные конструкции СВЧ-фильтров с дополнительными нулями передачи, выполненных в виде многослойных ИС на КНТО, их расчетные и экспериментальные характеристики. Приведена эквивалентная схема и расчетные характеристики СВЧ-диплексера стандарта IMT-2000, разработанного с использованием фильтров с заданным положением нулей передачи.

I.  Введение

Технология многослойных интегральных схем СВЧ на основе керамики с низкой температурой обжига (КНТО) предоставляет возможности для создания миниатюрных СВЧ-устройств, выполняемых в едином технологическом цикле и обладающих низкой себестоимостью, что представляет значительный интерес с точки зрения массового производства СВЧ-устройств для беспроводной связи и телекоммуникаций.

Существенным элементом современных систем связи являются СВЧ-диплексеры, предназначенные для разделения частотных каналов передатчика и приемника, использующих общую антенну. В состав неуправляемого СВЧ-диплексера входят два фильтра, каждый из которых пропускает сигналы в полосе частот "своего" канала и обеспечивает запирание другого частотного канала. Для обеспечения необходимой развязки между передатчиком и приемником в большинстве случаев требуются фильтры с высокой частотной избирательностью и большим ослаблением в полосе запирания. С целью минимизации потерь в полосе пропускания, целесообразно использовать фильтры с дополнительными нулями передаточной характеристики.

В диапазоне частот 1-2 ГГц применение планарных СВЧ-фильтров на полуволновых и четвертьволновых отрезках линий передачи неоправданно вследствие больших габаритов подложки. Технология КНТО позволяет реализовывать фильтры на основе сосредоточенных и квазисосредоточенных элементов, что, в сочетании с размещением структуры в нескольких слоях интегральной схемы (ИС), обеспечивает малые габариты устройства. Дополнительным преимуществом фильтров на сосредоточенных элементах является отсутствие паразитных резонансов высших гармоник.

В работе представлены оригинальные конструкции, расчетные и экспериментальные характеристики полоснопропускающих фильтров (ППФ) с дополнительными нулями передачи, выполненных по технологии многослойных ИС на КНТО. Обсуждаются преимущества использования ППФ с асимметричной передаточной характеристикой и заданным положением нулей передачи в составе СВЧ-диплексера. Приведены эквивалентная схема и расчетная характеристика СВЧ-диплексера, разработанного для мобильного терминала беспроводной связи стандарта IMT-2000.

II.  Основная часть

На Рис. 1, а представлена эквивалентная схема трехзвенного ППФ с одним дополнительным нулем передачи, расположенным ниже полосы пропускания фильтра (1900-2000 МГц).

Синтез фильтра выполнялся на основе низкочастотного прототипа с обобщенной Чебышевской характеристикой по методу Фостера [1] с последующим частотным преобразованием. Для реализации инверторов проводимости была применена емкостная Псхема, отрицательные элементы которой поглощаются посредством вычитания из емкостных элементов контуров фильтра. Дополнительный нуль передачи на конечной частоте обусловлен наличием перекрестной емкостной связи между первым и третьим контурами.

Фильтр реализован на основе КНТО Heraeus Нега Таре™ СТ-2000 с диэлектрической проницаемостью вг = 9.2. Многослойная ИС фильтра на квазисосредоточенных элементах (Рис. 1, Ь) содержит 4 слоя КНТО толщиной 84 мкм и имеет габариты 6 мм * 6 мм.

Емкости параллельных контуров (Ci и С2) выполнены в виде плоскопараллельных конденсаторов, в которых один электрод образован металлической пластиной, находящейся между слоями керамики, а в качестве другого электрода выступают два металлических экрана, расположенных сверху и снизу структуры. Емкостные элементы связи между контурами (С12 и С13) реализованы за счет частичного перекрытия электродов конденсаторов, расположенных в разных слоях. Индуктивные элементы (Ц и L2) выполнены в виде отрезков полосковых линий передачи с высоким волновым сопротивлением и соответствующей длиной.

Электродинамическое моделирование фильтра выполнялось при помощи программы Sonnet. Характеристики фильтра без учета потерь представлены на Рис. 2. Наличие нуля передачи на частоте 1800 МГц увеличивает крутизну нижнего фронта характеристики передачи и обеспечивает запирание в полосе частот 1710-1810 МГц, превышающее 20 дБ.

Внесение нескольких нулей передачи делает возможным формирование полосы запирания фиксиро-

Рис. 1. Эквивалентная схема (а) и топология многослойной И С (Ь) трехзвенного ППФ с одним дополнительным нулем передачи

Fig. 1. Equivalent circuit diagram (a) and layout of multilayered 1C (b) of a three-pole bandpass filter with single additional transmission zero

Puc. 6. Расчетная АЧХ диплексера Fig. 6. Simulated characteristics of a dipiexer

(2010-2070 МГц) каналов в мобильном терминале беспроводной связи стандарта IMT-2000. Эквивалентная схема диплексера показана на Рис. 5. В составе диплексера используются трехзвенные ППФ с модифицированной Чебышевской характеристикой, имеющей три нуля передачи на заданных частотах для формирования полосы запирания фиксированной ширины выше/ниже полосы пропускания. Подключение фильтров к общей антенне осуществляется через согласующую цепь, состоящую из двух реактивных элементов (Со и Lo), для уменьшения паразитного взаимодействия между фильтрами вследствие того, что каждый из фильтров имеет большое реактивное входное сопротивление в полосе пропускания другого фильтра [2].

Частотные характеристики диплексера, представленные на Рис. 6, рассчитаны аналитически без использования оптимизационных процедур. Развязка частотных каналов передатчика и приемника составляет 100 дБ. По предварительной оценке габаритные размеры ИС диплексера при реализации на основе КНТО Heraeus НегаТаре™ СТ-2000 не превысят 10 мм х ю мм х 1 мм.

III.  Заключение

ППФ с дополнительными нулями передачи и характеристикой, равнопульсирующей как в полосе пропускания, так и в полосе запирания, наилучшим образом подходят для создания СВЧ-диплексеров. Такие фильтры могут быть синтезированы, используя обычную методику расчета ППФ с Чебышевской характеристикой, с последующим внесением дополнительных нулей передачи на заданных частотах.

Преимуществами реализации СВЧ-фильтров и диплексеров в виде многослойных ИС на основе КНТО, являются малые габариты в сочетании с высокой технологичностью и низкой стоимостью.

IV.  Список литературы

[1]  Hunter I. Theory and design of microwave filters. London: The Institution of Electrical Engineers, 2001.

[2]  Маттей Д. Jl., Янг Jl., Джонс Е. М. Т. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи. М.: Связь, 1971, 1972.

[3]  Lim J.-S., Park D. S. A modified Chebyshev bandpass filter with attenuation poles in the stopband // IEEE Trans. MTT 1997. V. 45, No. 6. P. 898-904.

[4]  Cavalieri d’Oro S., Macchiarella G. Design of asymmetric filters with requirements in two bands of finite extension //

IEEE Trans. MTT 2001. V. 49, No. 6. P. 1045-1049.

[5]  Macchiarella G., Bovatti A. Design of microstrip duplexers for mobile communications using single-sided filters // Proc. of 32nd European Microwave Conf. 2002. V. 3. P. 11251128.

MULTILAYER INTEGRATED CIRCUITS OF MICROWAVE FILTERS AND DIPLEXERS BASED ON LOW-TEMPERATURE BAKED CERAMICS

A.     Simine, A. Lapshin, D. Kholodnyak, and I. Vendik St.-Petersburg Electrotechnical University ”LETI”, St.-Petersburg 197376, Russia Phone: +7 (812) 346-08-67; E-mail: MWLab@eltech.ru

Abstract Multilayer integrated circuits using low temperature baked ceramics technology are considered as applied to design of microwave filters and diplexers for telecommunications. Original designs of filters with additional transmission zeros and a dipiexer for IMT-2000 handset are reported.

I. Introduction

The low temperature baked ceramic (LTCC) technology is very attractive for a design of miniature front-end filters and diplexers for wireless applications since it allows a mass production of multilayer microwave integrated circuits of a low cost.

Highly selective filters are usually required to build a dipiexer providing a high isolation between Tx and Rx channels. Filters with transmission zeros at finite frequencies are promising, in order to provide the high selectivity in a combination with a low in-band insertion loss.

II. Main part

A three-pole bandpass LTCC filter (Fig. 1, a) with an additional transmission zero placed below the pass band of 1900-

2000  MHz has been developed. The Foster synthesis method

[1]  was applied to the generalized Chebyshev prototype. Parallel tanks have been realized as parallel-plate capacitors and inductors shaped as narrow striplines. Overlaying of the capacitors produces couplings between the resonators. The filter structure (Fig. 1, b) uses four dielectric layers of Heraeus Heratape (CT-2000 of 84 (m thickness with the dielectric constant of 9.2. The filter size is 6 mm (6-mm Frequency response of the filter simulated by using Sonnet software is shown in Fig. 2).

Placing several transmission zeros, which the number is limited by the filter order, makes it possible to form a stop band of finite extension. A two-pole band pass LTCC filter (Fig. 3, a) with two transmission zeros placed below the pass band of 1900-2000 MHz has been designed. The filter structure (Fig. 3, b) has been realized using ten 112 |jm thick layers of Dupont GreenTape (LTCC with the dielectric constant of 7.7 and the loss tangent of 0.002). The filter size is 9 mm (7 mm). The experimental filter performance is presented in Fig. 4 in a comparison with results of simulation by Sonnet software.

Such filters can be designed using the conventional Chebyshev prototype [2]. Additional transmission zeros can be further placed at desired frequencies by adding some reactive elements. The filters having an asymmetric frequency response with a single pass band and a single stop band are suitable for duplexer applications due to efficient channel separation for given filter order [3]. The maximum attenuation in the stop band is achieved, if the filter frequency response is equiripple in both the pass band and the stop band. A technique providing a suitable distribution of transmission zeros in the stop band and transmission poles in the pass band was reported in [4], [5].

A dipiexer for IMT-2000 handsets has been developed using this technique. The dipiexer (Fig. 5) comprises three-pole filters with modified Chebyshev characteristic. Theoretical performance of the dipiexer is shown in Fig. 6. The dipiexer developed provides about 100 dB of isolation between Rx and Tx channels. The size of the dipiexer integrated circuit to be realized using ten layers of Heraeus Heratape (CT-2000 LTCC with the dielectric constant of 9.2 was preliminary estimated as 10 mm x 10 mm x 1 mm).

III. Conclusion

Bandpass filters with additional transmission zeros in the stop band of finite extension are suitable for dipiexer applications. Advantages of microwave filters and diplexers realized as multilayer integrated circuits based on LTCC are small size, higher manufacturability, and low cost.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ СОЗДАНИЯ ПЛАНАРНЫХ МИКРОВОЛНОВЫХ ДИОДОВ С БАРЬЕРОМ ШОТТКИ Au-Ti(ZrBx)-n-n+ 4HSiC

Н.      С. Болтовец1, В. Н. Иванов1, Р. В. Конакова2, Я. Я. Кудрик2, В. В. Миленин2, О. А. Агеев3,

А. М. Светличный3, С. Соловьев4, Т. S. Sudarshan4

1   Научно-Исследовательский Институт «Орион»

03057, Киев-57, ул.Эжена Потье, 83 E-mail: bms(8)j. kiev.ua. тел. 8-10-38-044-465-05-48 2 Институт физики полупроводников им. В. Е. Лашкарева НАНУ, 03028, Киев-28, пр. Науки, 41 E-mail:konakova@isp.kiev.ua, тел. 8-10-38-044-265-61-82 3 Таганрогский Гэсударственный Радиотехнический университет ГСП-17А, Таганрог, Некрасовский переулок 44, тел. 863-44-6-16-11; E-mail; svetlich(a)tsure.ru 4 Department of Electrical Engineering, University of South Carolina, Columbia, South Carolina 29208 tel. 803-777-8577. fax: 208-988-9071; E-mail: solovievtdienar.sc.edu


Аннотация До и после быстрого термического отжига при Т=1000°С исследованы параметры планарных диодов с барьером Шоттки Au-ZrBx-n-n+ 4HSiC. Показана возможность создания карбидкремниевых диодных структур с сохранением их работоспособности после БТО при Т=1000°С.

I.  Введение

Уникальное сочетание фундаментальных свойств 4HSiC политипа представляют значительный интерес для создания мощных микроволновых планарных диодов с барьером Шоттки (детекторов, смесителей, умножителей). Судя по литературным данным такие диоды будут иметь повышенную рабочую температуру (до 500 С) минимальное тепловое сопротивление (коэффициент теплопроводности 4H(6H)SiC равен 4,9 Вт/см К), функционировать при более высоких уровнях СВЧ мощности чем аналогичные кремниевые и арсенидгаллиевые приборы [1-3].

Несмотря на значительные успехи в создании диодов с барьером Шоттки на основе карбида кремния, задача формирования термостабильного контакта особенно к эпитаксиальным п-п+ структурам остается актуальной [2, 3]. Это связано с возникновением на границе раздела металл-карбид кремния переходного слоя сложного состава, включающего в ряде случаев тернарные фазы, свойства которых в значительной мере определяют стабильность и параметры диодов с барьером Шоттки [4-6]. Поэтому поиск материалов для барьерных контактов не взаимодействующих с карбидом кремния представляет актуальную научнотехническую задачу, решение которой позволит реализовать ожидаемые преимущества карбидкремниевой высокотемпературной электроники.

Ранее нами была предпринята попытка создания высокотемпературных барьерных контактов на основе диборида титана к массивному карбиду кремния птипа 6Н политипа [7]. В данной работе рассматривается возможность создания подобных контактов к эпитаксиальным п-п+ структурам карбида кремния 4Н политипа с использованием барьерообразующих слоев ZrBx и титана.

II.Образцы и методы исследования

Исследовались два типа образцов: барьеры Шоттки на эпитаксиальных п-п+ структурах 4HSiC и массивном 6HSiC n-типа, выращенным методом Лели с концентрацией некомпенсированных доноров ~ 1018 см’3 и толщиной -400 мкм. Эпитаксиальные n-n+ SiC структуры были получены по методике, описанной в

[8]    на подложках Cree Research Inc. Концентрация донорной примеси в n-слое составляла 6101 см’3, толщина п-слоя 12 мкм, толщина подложки -400 мкм.

Часть образцов представляла собой тестовые структуры, на которых измерялись электронные Ожеспектры и фазовый состав металлизированных слоев до и после быстрых термических отжигов (БТО) при Т=1000°С.

Приборные структуры с барьером Шоттки были изготовлены по планарной технологии в окнах диаметром 100 мкм, протравленных в пленке ЭЮг толщиной

0,       4 мкм, выращенной на поверхности (0001) SiC4H (6Н). Барьерные слои формировались магнетронным распылением Ti-Au или ZrBx-Au с последующим электрохимическим золочением. Омические контакты создавались также магнетронным напылением никеля на С грань SiC вжиганием его при Т=1000°С в течение 90 сек и последующим золочением.

До и после БТО измерялись вольтамперные характеристики (ВАХ) и вольтфарадные характеристики (ВФХ) диодных структур, из которых определялись параметры барьеров Шоттки.

III.  Результаты и обсуждение

В табл. 1 приведены результаты измерений высоты барьера Шоттки срв из вольтамперных и вольтфарадных характеристик, а также фактора идеальности п из прямых ветвей ВАХ для диодных структур Au-Ti(ZrBx)-n-n+-4HSiC и Au-ZrBx(TiBx)-n-6HSiC, сформированных на Si-грани карбида кремния.

Табл. 1. Результаты измерений высоты барьера Шоттки и фактора идеальности Table 1. Measurements of Schottky barrier height and ideality factor

Структура контактов

Г рань

ЦФв\

OB)

ЦФв™,

(эВ)

n

Au-Ti-n-n"-4H SiC

Si

0,95

1,47

1.17

Au-ZrBx-n-n"-4H SiC

Si

0,83

0,87

1.2

Au-ZrBx-n-6H SiC

Si

0,79

0,87

1.2

Au-TiBx-n-6H SiC

Si

0,82

1.2

Из табл. 1 видно, что срв и п несущественно различаются для этих диодных структур. Такого же порядка величины фв и п для диодов Шоттки Au-TiBx-n6HSiC, приведенные в работе [7]. Как показали измерения прямой ветви ВАХ исследуемых диодных структур после БТО при Т=1000°С параметры барьеров Шоттки ZrBx-n-n+4H и ZrBx-n-SiC практически не изменились, что находится в соответствии с данными работы [9] и результатами исследований распределения компонентов в контактах до и после БТО независимо от политипа, а также результатами рентгенофазового анализа, свидетельствующими об отсутствии фазового перехода в контакте ZrBx4H(6H)SiC. Подтверждением слабого влияния БТО на параметры барьерных структур является также стабильность омического контакта Ni-4H(6H)SiC в результате повторного БТО. На рис. 1 приведены типичные профили распределения компонентов в контакте Ni-n-6HSiC: а) исходный образец; б) после БТО при Т=1000°С, 90 сек.

Рис. 1. Профили распределения компонентов в контакте Ni-n-6HSiC: а) исходный образец;

6) после БТО при Т-1 ООО0С, 90 сек

Fig. 1. Profiles of component distribution in the Ni-n-6HSiC contact: a) original sample; b) after a 90s RTA at T=1000°C

Рис. 2. Профили распределения компонентов в контакте SiC>2-SiC6H

Работа выполнена при частичной поддержке проекта INTAS 603.

Обратные ветви BAX диодных структур Au-Ti(ZrBx)n-n+-4HSiC при токе 10′4 А имеют величины обратных напряжений -700-750 В. Диоды Шоттки Au-ZrBx-n6HSiC, изготовленные на массивном карбиде кремния при токе 10′4 А имели обратное напряжение -40 В. В обоих случаях избыточные токи ограничивают достижение напряжения лавинного пробоя, что связано со структурными неоднородностями в карбиде кремния и на границе раздела Si02-SiC4H(6H). Действительно, профили распределения компонентов в контакте БЮгSiC6H (тестовая структура с толщиной БЮг -500 А) представленные на рис. 2 свидетельствуют о существенно неоднородном диэлектрическом слое, электрическая прочность которого ниже расчетной.

Устранение этих причин позволит значительно уменьшить величины обратных токов во всем диапазоне измеряемых напряжений. Заметим, что, при сравнительно малых смещениях на барьере (порядка десятков вольт) плотности обратных токов в диодных структурах Au-Ti(ZrBx)-n-n+-4HSiC не превышают 10′7 А/см2.

IV.  Заключение

Представленные результаты позволяют сделать вывод о возможности создания барьера Шоттки АиZrBx-n-n+-4HSiC сохраняющего барьерные свойства после БТО при Т=1000°С. Повышение обратного (блокирующего) напряжения барьерных структур может быть достигнуто путем совершенствования планарной технологии (охранные кольца, повышение электрической прочности диэлектрика).

Fig. 2. Profiles of component distribution in the SiC>2-SiC6H contact

V.  Литература

[1]  В. Н. Данилин, Ю. П. Докучаев, Т. А. Жукова, М. А. Комаров. Мощные высокотемпературные и радиационностойкие СВЧ приборы нового поколения на широкозонных гетеропереходных структурах AIGaN/GaN. // Обзоры по электронной технике. Сер. 1. СВЧ техника. М.: ГУП НПП «Пульсар».-2001.выпуск 1,137с.

[2]  С. Ю. Давыдов, А. А. Лебедев, С. К. Тихонов. О барьере Шоттки на контакте с карбидом кремния. // ФТП,1997,т. 31,№5,с. 597-599.

[3]  A. Itoh, Н. Matsunami. Analysis of Schottky Barrier Heights of Metal/SiC Contacts and Its Possible Application to HighVoltage Rectifying Devices. // PSS(a).1997,v.162.p.389408.

[4]  R. Getto, J. Freytag, M. Kopnarski, H. Oechsner. Characterization of sputtered titanium silicide ohmic contacts on ntype 6H -silicon carbide. // Materials Science and Engineering.1999,V.B.61-62,p.270 274.

[5]  K. Bhamimurthy, R. Schmid-Fetzer. Interface reactions between silicon carbide and metals (Ni, Cr, Pd, Zr). // Composites: Part A.2001.V.A32.p.569 574.

[6]  F. La Via, F. Roccaforte, A. Makhtari, V. Raineri, P. Musumeci,

L. Calcagno. Structural and electrical characterization of titanium and nickel silicide contacts on silicon carbide. // Microelectronic Engineering.2002,v.60.p.269 282.

[7]  H. С. Болтовец, А. В. Зоренко, В. H. Иванов,

С.    И. Власкина, Р. В. Конакова, Я. Я. Кудрик,

П. М. Литвин, О. С.Литвин, В. В. Миленин,

С.      К. Абдижалиев. Особенности формирования и термостабильность барьерных контактов к высокочувствительным карбидкремниевым детекторным диодам. //. Письма в ЖТФ,2003.т.29.№1.с.47-55.

[8]  У. Gao, S. I. Soloviev, Т. S. Sudarshan. Selective doping of 4H-SiC by codiffusion of aluminium and born. // J. Appl. Phys.2001.v.90.№11.p.5647 5651.

[9]  H. С. Болтовец, В. H. Иванов, С. К. Абдижалиев,

Р. В. Конакова, Я. Я. Кудрик, О. С. Литвин,

П. М. Литвин, В. В. Миленин, А. Е. Ренгевич. Термостойкие барьеры Шоттки Au-ZrBx-n-SiC 6Н. — В кн.: 12-я Международная Крымская конференция «СВЧ техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо’2002). Материалы конференции [Севастополь, 9-13 сентября 2002 г.]. — Севастополь: Вебер, 2002, с. 159-160. ISBN 966-7968-12-Х, IEEE Cat. Number 02ЕХ570.

TECHNOLOGICAL ASPECTS OF MANUFACTURING PLANAR MICROWAVE DIODES WITH Au-Ti(ZrBx)-nn+ 4HSiC SCHOTTKY BARRIER

N. S. Boltovets, V. N. Ivanov, R. V. Konakova,

Ya. Ya. Kudrik, V. V. Milenin, O. A. Ageyev,

A. M. Svetlichniy, S. I. Solovyov, T. S. Sudarshan

Abstract The parameters of planar diodes with Au-ZrBx-n-n+ 4HSiC Schottky barrier have been studied both before and after rapid thermal annealing (RTA) at T=1000°C. A possibility to produce high-voltage diode structures that remain serviceable after the RTA at T=1000°C is demonstrated.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2003г.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты