集成電路振蕩器的制作方法

專利名稱：集成電路振蕩器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電子電路振蕩器，更具體地，涉及以毫米波振蕩的電子電路振蕩器。
背景技術(shù)：
振蕩器電路通過將施加到其上的恒定極性的電源的一部分轉(zhuǎn)換為周期性信號(hào)輸出來產(chǎn)生周期性電信號(hào)，而無需周期性信號(hào)輸入。因此，高頻振蕩器是多種高操作頻率系統(tǒng)的毫米波和微波能量源。即，高頻振蕩器通常是在頻率轉(zhuǎn)換和產(chǎn)生通信系統(tǒng)中的調(diào)制信號(hào)的載波中所使用的精確受控頻率源。
隨著高頻電路和系統(tǒng)的發(fā)展，需要性能更好的振蕩器。使用高頻振蕩器所引起的一些問題包括輸出信號(hào)幅度穩(wěn)定性和相位噪聲，即振蕩頻率與所需頻率之間的變化，相對(duì)較大且較為昂貴的振蕩系統(tǒng)，因?yàn)樾纬尚枰獙⒍鄠€(gè)組件安裝在容納其的設(shè)備中的區(qū)域上的混合電路需要在這些組件之間進(jìn)行互連，有時(shí)通過手工完成，性能隨溫度變化、以及在多種環(huán)境下使用的可靠性而變化。
此外，在許多應(yīng)用中，振蕩器必須相對(duì)于其輸出信號(hào)的頻率是可調(diào)諧的，以便用戶根據(jù)需要來改變頻率。在可調(diào)諧振蕩器中所遇到的額外問題包括相對(duì)較窄的調(diào)諧頻率帶寬、調(diào)諧頻率與控制變量的非線性變化、以及隨著調(diào)諧控制變量對(duì)其做出的改變、輸出信號(hào)頻率和幅度的較長調(diào)整時(shí)間。因此，需要改進(jìn)的高頻振蕩器，以減少這些問題，尤其是高頻可調(diào)諧振蕩器，以減少其所表現(xiàn)出的額外問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了一種反饋振蕩器器件，以具有半導(dǎo)體材料襯底的集成電路構(gòu)成，所述半導(dǎo)體材料襯底具有位于與其操作主表面相對(duì)側(cè)的等電位主表面上的導(dǎo)電接地平面。在操作表面處，將具有輸入和輸出的放大器至少部分設(shè)置在所述半導(dǎo)體材料襯底上，使所述放大器能夠在其輸出處提供代表發(fā)生在其輸入處的信號(hào)的信號(hào)。耦合器，具有設(shè)置在所述半導(dǎo)體襯底的操作表面上的、選定輸入長度的橢圓形輸入導(dǎo)體，其一端與放大器輸出電耦合；以及還具有設(shè)置在半導(dǎo)體襯底的操作表面上的、選定輸出長度的橢圓形輸出導(dǎo)體，與輸入導(dǎo)體緊鄰，使所述輸入長度實(shí)質(zhì)上平行于所述輸出長度。輸出導(dǎo)體的一端與放大器輸入電耦合。
還可以設(shè)置傳送系統(tǒng)，用于使耦合器輸出導(dǎo)體與放大器輸入電耦合。此傳送系統(tǒng)具有設(shè)置在半導(dǎo)體襯底的操作表面上的、選定輸入長度的橢圓形輸入導(dǎo)體，在操作表面上，其一端實(shí)質(zhì)上與耦合器輸出導(dǎo)體電耦合，但在其相反端未連接到操作表面上的其他結(jié)構(gòu)。此傳送系統(tǒng)還具有設(shè)置在半導(dǎo)體襯底的操作表面上的、選定輸出長度的橢圓形輸出導(dǎo)體，在操作表面上，其一端實(shí)質(zhì)上與放大器輸入電耦合，但在其相反端未連接到操作表面上的其他結(jié)構(gòu)。
使用電容器將所述傳送系統(tǒng)和耦合器電耦合到放大器輸入。放大器包括晶體管，以及半導(dǎo)體襯底典型地為砷化鎵的，或者可選地，其他高遷移率半導(dǎo)體材料襯底。緩沖放大器可以與所述振蕩器一起使用。


圖1以應(yīng)用了本發(fā)明的單片集成電路芯片的示意圖示出了示意組件布局和組件互連圖；圖2示出了與圖1相對(duì)應(yīng)的單片微波集成電路芯片的頂視圖；圖3示出了與圖2所示的單片微波集成電路一起使用的組件和組件安裝排列的示意透視圖；圖4示出了圖2所示的單片微波集成電路的等效操作電路；以及圖5示出了應(yīng)用本發(fā)明的可選單片微波集成電路的頂視圖。
具體實(shí)施例方式
先前已經(jīng)利用多種電子器件實(shí)現(xiàn)了能夠提供高頻輸出信號(hào)的振蕩器電路。單端口負(fù)電阻振蕩器使用能夠?qū)ζ溥M(jìn)行偏置從而得到具有負(fù)實(shí)部的阻抗的有源器件，如IMPATT二極管和Gunn二極管等。但是，這些振蕩器典型地形成為具有支撐電路組件的多個(gè)襯底的混合模塊，結(jié)果通常是相對(duì)較大尺寸和相對(duì)較高成本的振蕩器電路實(shí)現(xiàn)。代替地使用多種高頻晶體管之一作為有源器件的振蕩器電路可以看作雙端口電路，或者可以等效地看作利用具有強(qiáng)迫其操作在不穩(wěn)定區(qū)域中的阻抗的潛在不穩(wěn)定晶體管、還經(jīng)常利用正反饋使器件更為不穩(wěn)定的單端口負(fù)電阻電路。本發(fā)明涉及這種基于晶體管的振蕩器電路，因?yàn)槠溥m合于在應(yīng)用半絕緣砷化鎵(GaAs)襯底的單片集成電路芯片中形成這種電路，以減小這樣實(shí)現(xiàn)的電路的物理尺寸和制造成本?？蛇x地，可以使用磷化銦或其他高遷移率半導(dǎo)體材料襯底來代替GaAs。
圖1以用于形成本發(fā)明的振蕩器系統(tǒng)的單片集成電路芯片10的示意圖示出了示意組件布局和組件互連圖。圖2按照實(shí)現(xiàn)在基于GaAs的芯片中的振蕩器系統(tǒng)的可能物理布局示出了單片集成電路芯片10的頂視圖。芯片10形成了電路組件的襯底，并在其上和其中構(gòu)建組件互連。此襯底包括100μm厚的GaAs材料層11，其典型地表現(xiàn)出12.9的相對(duì)介電常數(shù)值和6×10-4的損耗角正切值。
在GaAs層11的背面形成接地平面導(dǎo)電層12，從而設(shè)置看不到的等電位表面，作為GaAs層11的與其操作表面10’相對(duì)的背面主表面。通過以下步驟來形成此導(dǎo)電層由于其粘附性，首先將非常薄的鈦層設(shè)置在表面上，以非常薄的鉑層覆蓋，以防止在其上的下一層的擴(kuò)散，所述下一層是金層，非常好地抵抗了由于環(huán)境中的化學(xué)侵蝕而導(dǎo)致的惡化。還通過圖中所示的地指示符符號(hào)13，將只在圖1中示出的層12表示為處于地電位。以符號(hào)13標(biāo)記由通過層11中的通孔的金屬化互連形成的、到地平面13的其他連接。
在操作表面10’上，在幾個(gè)金屬金電壓源焊盤14、14’、14”、14和14iv中的每一個(gè)處，向芯片10的振蕩器系統(tǒng)的振蕩器電路部分供電。與這些電壓源焊盤中的每一個(gè)相關(guān)地使用解耦網(wǎng)絡(luò)，以便(a)防止發(fā)生在芯片10的振蕩器系統(tǒng)中的振蕩電信號(hào)進(jìn)入與這些焊盤電連接的那些通常所使用的恒定極性的、規(guī)定電壓的電源，以及(b)防止快電壓值干擾或電源噪聲與這些電壓源耦合進(jìn)入芯片10的振蕩器系統(tǒng)。因此，通過形成在操作表面10’的相應(yīng)電容器分路來自這些電源的任何電壓值干擾，所述電容器連接在電壓源焊盤14、14’、14”、14和14iv中的相應(yīng)一個(gè)與地之間，這些電容器分別是15、15’、15”、15和15iv。為了制造方便，將這些電壓源焊盤電容器分割為兩個(gè)分立的并聯(lián)電容器。
此外，在操作表面10’上形成四條相對(duì)較長的金屬金互連傳輸線16、16’、16”、16和16iv，每一個(gè)從電壓源焊盤14、14’、14”、14和14iv中的相應(yīng)一個(gè)開始延伸，在高頻下等效為電感，從而提供位于芯片10的振蕩器電路和與電壓源焊盤相連的那些電壓源之間的高頻信號(hào)模塊。圖中所示的所有其他互連結(jié)構(gòu)也是由鈦、鉑和金層(Ti/Pt/Au)形成的。
通常，通過具有與電壓源焊盤14、14’和14”電連接的電源電壓輸出的、規(guī)定電壓的電源為Ti/Pt/Au供電，以便操作如圖所示的振蕩器系統(tǒng)的振蕩器電路部分。此振蕩器電路基于無源三端晶體管器件17(這里為具有柵極、漏極和源極的假晶高電子遷移率晶體管(PHEMT))、初級(jí)諧振頻率確定器(這里為帶狀線耦合器18，用作定向耦合器)。耦合器18具有橢圓形輸入微帶導(dǎo)體18’，與PHEMT 17的漏極電連接。與輸入導(dǎo)體18’平行、緊鄰設(shè)置另一橢圓形輸出微帶導(dǎo)體18”，以允許將高頻信號(hào)從輸入導(dǎo)體18’耦合到輸出導(dǎo)體18”，但防止零頻電流通過其間。
通過形成在操作表面10’上的、一起用作一對(duì)微帶傳輸線段19和20的一對(duì)橢圓形Ti/Pt/Au導(dǎo)體來提供從PHEMT 17的漏極到其柵極的、振蕩器電路中的反饋路徑的其他部分，微帶傳輸線段19與微帶線耦合器18的輸出微帶導(dǎo)體18”電連接。微帶傳輸線段19由Ti/Pt/Au的初始連續(xù)帶構(gòu)成，其由互連Ti/Pt/Au線路焊盤序列延伸，否則彼此分立。通過在其上將每個(gè)線路焊盤互連到下一個(gè)并互連到原始連續(xù)帶的架高金連續(xù)導(dǎo)體來提供這些Ti/Pt/Au線路焊盤的互連，從而形成合成橢圓形導(dǎo)體。將由架高導(dǎo)體互連的線路焊盤序列稱為空氣橋接線路或?qū)w，并用于允許方便地折斷或去除每個(gè)線路焊盤之間的架高線路互連，從而將架高導(dǎo)體中的斷點(diǎn)另一側(cè)的線路焊盤從形成微帶傳輸線段19的橢圓合成導(dǎo)體中去除，從而縮短微帶傳輸線段19。
另一方面，微帶傳輸線段20完全由空氣橋接線路或?qū)w形成，即完全由通過架高連續(xù)金導(dǎo)體互連以形成橢圓形導(dǎo)體的、否則為分立的Ti/Pt/Au線路焊盤形成。在圖1中，微帶傳輸線段20的一端與變?nèi)荻O管21互連。在圖2中，微帶傳輸線段20與Ti/Pt/Au安裝焊盤21’相連，Ti/Pt/Au安裝焊盤21’與另一Ti/Pt/Au變?nèi)荻O管互連焊盤21”相分離。圖2中未示出變?nèi)荻O管，從而可以清楚地看到這些焊盤，因?yàn)樵谝粋€(gè)實(shí)施例中，實(shí)際上并未將其集成在集成電路芯片10的結(jié)構(gòu)中。代替地，該實(shí)施例中的變?nèi)荻O管21的一端安裝在安裝焊盤21’上并與之互連，互連從其另一側(cè)延伸到互連焊盤21”。稍后將對(duì)此結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述。
在圖1中，變?nèi)荻O管21與電感器22的一端相連，電感器22由圖2所示的延伸Ti/Pt/Au互連線路形成，設(shè)置在操作表面10’上，此處也標(biāo)為22，用作高頻電感器的互連線路。電感器22的、未與變?nèi)荻O管21相連的一端通過形成在操作表面10’的耦合電容器23與PHEMT 17的柵極相耦合。除了完成從PHEMT 17的漏極到其柵極的信號(hào)反饋路徑之外，耦合電容器23還防止在電壓源焊盤14和14’處提供的電流轉(zhuǎn)移到其他電路路徑中。
考慮到更為詳細(xì)的振蕩器電路組件，將PHEMT 17形成在設(shè)置在操作表面10’上的超晶格緩沖層上，包括GaAs和AlGaAs的交替層，通過在相對(duì)較高的溫度下利用分子束外延形成，從而最小化電子-空穴對(duì)產(chǎn)生-重組噪聲，并減少抖動(dòng)或1/f噪聲。由本征GaAs層和AlGaAs層形成PHEMT 17的剩余部分，AlGaAs層具有GaInAs峰通道，通過摻雜，使其上下具有n型導(dǎo)電材料，并以摩爾百分比大于25％的銦形成異質(zhì)結(jié)。選擇PHEMT 17，具有0.25μm或更小的柵極長度，總柵極寬度為400μm，分隔成四個(gè)柵極指，每個(gè)100μm寬，以具有80GHz或更高的單向功率增益截止頻率fmax。電壓源焊盤14’和14”分別提供對(duì)PHEMT 17的柵極和漏極的偏置，以確定與其性能特性有關(guān)的操作點(diǎn)，并且可以在其極限內(nèi)改變這些電壓，以在某種程度上改變PHEMT 17的操作點(diǎn)和不穩(wěn)定區(qū)域。
如圖2所示，通過使用由Ti/Pt/Au的連續(xù)帶形成的、也標(biāo)為24的高阻抗微帶傳輸線段來實(shí)現(xiàn)提供了圖1中的PHEMT 17的源極和地之間的電感的等效電感器24。在效果上，將此電感器反映為與PHEMT 17的柵極串聯(lián)的無噪聲電阻器，其有助于消除在此晶體管的操作期間可能發(fā)生的、除所需頻率信號(hào)之外的任何可能的瞬時(shí)過程，從而穩(wěn)定振蕩器電路的振蕩頻率。
盡管以上將其稱為帶狀線耦合器，耦合器18實(shí)際上由兩條平行連續(xù)Ti/Pt/Au微帶線或?qū)w構(gòu)成，每一條的寬度大約為70μm，在其長度的大部分區(qū)域中的恒定最近間隔距離大約為10μm。此外，延伸輸入導(dǎo)體18’的長度和輸出導(dǎo)體18”的長度，從在相同點(diǎn)彼此相交處開始，并使用空氣橋接增加距離，以便再次連接彼此分立的Ti/Pt/Au線路焊盤序列，其上的架空金線路使其彼此互連并與初始連續(xù)導(dǎo)體互連。連續(xù)導(dǎo)體部分和輸入導(dǎo)體18’的空氣橋接部分的長度，以及初始連續(xù)部分和輸出導(dǎo)體18’的空氣橋接部分的長度均為大約920μm，沿著所述長度方向，彼此以恒定最近距離(即最大耦合區(qū)域長度)相間隔。
這種結(jié)構(gòu)提供了在耦合波長的中間波段波長處的-10db耦合器，以及由作為中間波段波長的四分之一的耦合區(qū)域長度來設(shè)置中間波段波長。由于在中間波段波長處，耦合因子是相對(duì)較強(qiáng)的峰值因子，由針對(duì)耦合器輸入導(dǎo)體18’而選擇的耦合區(qū)域長度來確定中間波段波長，耦合器輸出導(dǎo)體18”將設(shè)置由耦合器18展示給振蕩器電路的其余部分的等效并聯(lián)諧振電路的諧振頻率。因此，通過折斷或去除將其連接至每個(gè)均與初始連續(xù)導(dǎo)體電互連的剩余空氣橋接的架空導(dǎo)體，從耦合器輸入導(dǎo)體18’和耦合器輸出導(dǎo)體18”中的每一個(gè)中的空氣橋接的末端去除一些線路焊盤將增加耦合器18的中間波段波長和諧振頻率。
如果對(duì)其進(jìn)行選擇從而具有與耦合器輸入導(dǎo)體18’和耦合器輸出導(dǎo)體18”相同的長度，則與耦合器輸出導(dǎo)體18”相連的、形成為合成橢圓形導(dǎo)體的微帶傳輸線段19將具有等于耦合器18的諧振波長的四分之一的長度。由于微帶傳輸線段19，在與耦合器輸出導(dǎo)體18”相連的一端相反的一端，未與操作表面10’上的任何其他組件相連，微帶傳輸線在此端開路。具有開路終端的四分之一波長微帶傳輸線，在其輸入處，對(duì)于與全波長相對(duì)應(yīng)的信號(hào)頻率，用作對(duì)地的短路，所以微帶傳輸線段19提供了對(duì)耦合器18的輸出的有效接地。如果最初將微帶傳輸線段19選擇為920μm，并且無論何時(shí)進(jìn)行去除，都從其長度上去除與從耦合器輸入導(dǎo)體18’和耦合器輸出導(dǎo)體18”的長度上去除的線路焊盤相同數(shù)量的線路焊盤，則上述情況總是如此。
考慮到其完全構(gòu)建為線路焊盤和對(duì)其進(jìn)行互連的架空連續(xù)導(dǎo)體的空氣橋接結(jié)構(gòu)，可以使微帶傳輸線段20具有與微帶傳輸線段19以及耦合器輸入導(dǎo)體18’和耦合器輸出導(dǎo)體18”相同的長度。而且，微帶傳輸線段20的未與可變二極管安裝焊盤21’相連的一端不與操作表面10’上的任何其他電路組件相連。微帶傳輸線段19和微帶傳輸線段20一起形成了傳送系統(tǒng)，作為顯然通過地的高頻反饋路徑的一部分。通過應(yīng)用了這些開路四分之一波微帶傳輸線段的此地路徑，同時(shí)保持漏極和柵極之間對(duì)甚低頻信號(hào)的隔離，建立了作為對(duì)穩(wěn)定振蕩器設(shè)計(jì)的需要之一，從PHEMT 17的漏極到其柵極的正高頻反饋路徑。圖4示出了此反饋路徑的等效示意圖，其還示出了針對(duì)耦合器18的并聯(lián)諧振電路，其中將電阻、電容和電感的電路符號(hào)示為可變，因?yàn)榭諝鈽蚪邮蛊淠軌蚩s短耦合器輸入導(dǎo)體18’和耦合器輸出導(dǎo)體18”的長度(為了有效，借助于同時(shí)縮短和匹配微帶傳輸線段19和20的長度)。
在一個(gè)實(shí)施例中，在其他地方制造的、實(shí)際安裝在安裝焊盤21’上且具有焊接于圖2所示的芯片10上的互連焊盤21”的配線的變?nèi)荻O管21，并利用導(dǎo)電銀環(huán)氧樹脂或焊料附加于這些焊盤，從而將振蕩器電路配置為壓控振蕩器。當(dāng)然，以電容器代替變?nèi)荻O管21將允許振蕩器電路作為固定頻率振蕩器進(jìn)行操作，由于變?nèi)荻O管或這種電容器在從PHEMT 17的漏極到其柵極的反饋路徑中提供了與有效諧振電路串聯(lián)的大部分電抗，以提供正反饋，從而確保電路振蕩。
通常，選擇變?nèi)荻O管21，從而使其結(jié)電容響應(yīng)所施加的二極管結(jié)反向偏置電壓的變化值，實(shí)質(zhì)上在從大約0.3pF到1pF的范圍內(nèi)變化。與芯片10一起使用的一種典型變?nèi)荻O管具有根據(jù)0.0到-12.0V的范圍內(nèi)的二極管結(jié)反向偏置電壓變化，而在0.3pF到0.8pF的范圍內(nèi)發(fā)生變化的二極管結(jié)電容。在使用狀態(tài)下，電壓源焊盤14與具有可選輸出電壓值的電壓源電連接，通過此焊盤向變?nèi)荻O管21的二極管結(jié)提供反向偏置，從而改變其電容值，進(jìn)而改變出現(xiàn)在由從PHEMT 17的漏極到其柵極的反饋路徑中提供的等效諧振電路中的電容值，由此改變振蕩器電路的諧振頻率。因此，可以利用在電壓源焊盤14上提供的施加電壓的值來控制振蕩器電路中的振蕩頻率，得到大于1GHz的調(diào)諧頻率范圍。
作為替代，在另一實(shí)施例中，可以將變?nèi)荻O管21提供為與PHEMT17的形成相關(guān)地形成在芯片10上的集成變?nèi)荻O管，其結(jié)果為如圖3所示的示意透視圖。設(shè)置相同的半導(dǎo)體材料層序列，以便通過分子束外延在集成變?nèi)荻O管的位置形成基極，與為PHEMT 17所提供的相同。在設(shè)置這些層之后，利用蝕刻停止層，以形成用于每個(gè)PHEMT的半導(dǎo)體材料序列的所需剩余部分，之后，蝕刻半導(dǎo)體材料序列的剩余暴露部分，還設(shè)置該部分，用作要形成的變?nèi)荻O管的基極，在圖3中，將其標(biāo)為半導(dǎo)體基極17’。將Ti/Pt/Au金屬層序列設(shè)置在基極17’上剩余的蝕刻停止部分上，并形成圖案，以提供互連20(以及互連22)。然后，以類似的方法，在位于基極17’上的蝕刻停止上的互連20部分上將變?nèi)荻O管21形成為超突變二極管結(jié)。將接觸焊盤設(shè)置在變?nèi)荻O管21的上表面上，作為互連焊盤21”，并在二者之間形成空氣橋接21。在美國專利No.6,060,962中公開了與這樣制造的變?nèi)荻O管21的結(jié)構(gòu)有關(guān)的更多細(xì)節(jié)，這里將其一并作為參考。變?nèi)荻O管對(duì)整個(gè)輸出信號(hào)的噪聲和相位影響是可忽略的，并不會(huì)影響振蕩器電路的整體性能。
回到圖1和2，從耦合器18的耦合器輸出導(dǎo)體18”和微帶傳輸線段19之間的互連獲得來自振蕩器電路的輸出電壓信號(hào)，并施加到設(shè)置在芯片10上的振蕩系統(tǒng)中的緩沖放大和阻抗匹配輸出電路中的放大器25的輸入。以圖2中也標(biāo)為25的另一PHEMT來提供所示放大器25。與PHEMT 17同時(shí)、按照相同的方式來制造PHEMT 25，具有相同的柵極長度，但選擇其具有300μm的總柵極寬度，分隔為每個(gè)150μm寬的兩個(gè)柵極指，從而也具有80GHz的單向功率增益截止頻率fmax。電壓源焊盤14和14iv分別為PHEMT 25的漏極和柵極提供偏置電壓，以確定其性能特性上的操作點(diǎn)。
PHEMT 25的漏極與作為獲得振蕩系統(tǒng)的輸出信號(hào)的位置的信號(hào)輸出焊盤26相連。如圖2所示，微帶傳輸線阻抗匹配段27與信號(hào)輸出焊盤26相連，并也由已互連否則將彼此分立的Ti/Pt/Au線路焊盤的空氣橋接序列延伸的Ti/Pt/Au初級(jí)連續(xù)帶形成。也由架空金連續(xù)導(dǎo)體來提供這些Ti/Pt/Au線路焊盤的互連，所述架空金連續(xù)導(dǎo)體在其上將每個(gè)線路焊盤互連到下一個(gè)并互連到初級(jí)連續(xù)帶，從而形成合成橢圓形導(dǎo)體。從形成了微帶傳輸線阻抗匹配段27的橢圓形合成導(dǎo)體中去除架空導(dǎo)體中的折斷另一側(cè)的線路焊盤縮短了微帶傳輸線阻抗匹配段27，從而允許振蕩器系統(tǒng)的輸出在其用作較大系統(tǒng)的一部分時(shí)與信號(hào)輸出焊盤26電連接的其他電路進(jìn)行阻抗匹配。在大多數(shù)系統(tǒng)互連情況下，不必如此，因而在圖1中未示出。
由芯片10的振蕩器系統(tǒng)的PHEMT 25提供的緩沖放大器電路將放大由耦合器18從振蕩器電路耦合到其的輸出信號(hào)，將有助于提供與其所應(yīng)用的任何較大系統(tǒng)的下一級(jí)的良好阻抗匹配電路。緩沖放大器具有高輸入阻抗和低輸出阻抗，從而將振蕩器電路輸出所表現(xiàn)出的高阻抗轉(zhuǎn)換為50Ω的特性阻抗，便于與典型的50Ω通信系統(tǒng)一起使用。但是，如圖2所示的振蕩器系統(tǒng)的緩沖放大器25不能高增益或高功率輸出。
(如圖2所示，沒有相應(yīng)的數(shù)字標(biāo)識(shí)符的耦合電容器連接在PHEMT17的漏極與耦合器18的耦合器輸入導(dǎo)體18’之間，沒有相應(yīng)的數(shù)字標(biāo)識(shí)符的另一耦合電容器連接在放大器25的輸入與位于耦合器18的耦合器輸出導(dǎo)體18”和微帶傳輸線段19之間的互連之間。另一這種耦合電容器連接在PHEMT 25的漏極和信號(hào)輸出焊盤26之間。為了芯片設(shè)計(jì)靈活性和評(píng)估的原因，為芯片10提供這些耦合電容器，但對(duì)于振蕩器系統(tǒng)的操作是不必需的。因此，在前兩個(gè)實(shí)例中，可以用短路互連來代替耦合電容器，因?yàn)轳詈掀?8防止低頻電壓和電流通過。如果在較大的系統(tǒng)中使用芯片10的振蕩器系統(tǒng)時(shí)，未將發(fā)生在PHEMT 25的漏極處的低頻電壓和電流耦合到與信號(hào)輸出焊盤26相連的其他系統(tǒng)，則最后一個(gè)實(shí)例中的耦合電容器也可以用短路互連來代替。因此，在圖1中并未示出這些耦合電容器。)設(shè)置芯片10的振蕩器電路，從而當(dāng)不存在機(jī)械調(diào)諧時(shí)，即當(dāng)未去除任何空氣橋接時(shí)，包括PHEMT 17和關(guān)聯(lián)晶體管偏置網(wǎng)絡(luò)的振蕩器晶體管電路，在電路特性上，處于其中能夠以正反饋發(fā)生電路振蕩的不穩(wěn)定參數(shù)區(qū)域的邊緣。對(duì)PHEMT 17和PHEMT 25進(jìn)行偏置，以具有～4V的漏極電壓、～130mA的漏極電流和～0.5V的柵極電壓。振蕩器電路將以其最低可能振蕩頻率(～24GHz)、最大可用長度(即最長可用路徑，通過耦合器18、通過微帶傳輸線段19和微帶傳輸線段20(～920μm))振蕩。顯然，當(dāng)未去除任何空氣橋接，從而振蕩器晶體管電路中的PHEMT 17及關(guān)聯(lián)晶體管偏置網(wǎng)絡(luò)處于不穩(wěn)定參數(shù)區(qū)域的邊緣時(shí)，發(fā)生這種情況。
如果代替地通過去除這些空氣橋接中所選的一個(gè)來機(jī)械調(diào)諧振蕩器電路，振蕩器晶體管電路的參數(shù)將更加進(jìn)入不穩(wěn)定參數(shù)區(qū)域，以產(chǎn)生與耦合器18、微帶傳輸線段19和微帶傳輸線段20的縮短長度相對(duì)應(yīng)的較大振蕩頻率。對(duì)于每一個(gè)都有足夠的空氣橋接，以允許振蕩器晶體管電路充分地改變其參數(shù)，以達(dá)到存在發(fā)生電路振蕩的潛力的所述電路的整個(gè)不穩(wěn)定參數(shù)區(qū)域中的任何地方。如果去除全部這些空氣橋接，振蕩器晶體管電路參數(shù)將達(dá)到不穩(wěn)定參數(shù)區(qū)域的另一邊緣，振蕩器晶體管電路將以最高可能頻率(～40GHz)振蕩。從耦合器18、微帶傳輸線段19和微帶傳輸線段20的每一個(gè)中去除一個(gè)相應(yīng)的空氣橋接將粗略地使振蕩器電路的振蕩頻率增加1GHz。通過這種機(jī)械調(diào)諧，振蕩器電路能夠?qū)崿F(xiàn)多于15GHz的振蕩頻率變化。
在將振蕩器電路機(jī)械調(diào)諧到由此調(diào)諧范圍提供的不同振蕩頻率時(shí)，通過從每一個(gè)中去除相應(yīng)的空氣橋接，同步地調(diào)諧耦合器18、微帶傳輸線段19和微帶傳輸線段20從而保持其具有相等的長度，每一個(gè)均為振蕩頻率的四分之一波長，以保持PHEMT 17的漏極和柵極之間的正反饋，并有效保持耦合器18的等效并聯(lián)諧振電路。這種機(jī)械調(diào)諧將改變?nèi)鐖D4所示的等效電路的RLC參數(shù)，相應(yīng)地以不同的頻率諧振。通過改變施加到變?nèi)荻O管21上的反向偏置結(jié)電壓，機(jī)械調(diào)諧不會(huì)嚴(yán)重地影響振蕩器電路可用的頻率范圍。
圖5示出了單片集成電路芯片10的另一版本的頂視圖，按照振蕩器系統(tǒng)的另一可能物理布局，同樣以基于GaAs的芯片實(shí)現(xiàn)，適用于比圖1和2之一更高的頻帶。在適當(dāng)?shù)那闆r下，與圖2中的電路組件和結(jié)構(gòu)相類似的圖5中的電路組件和結(jié)構(gòu)在這些附圖中具有相同的數(shù)字標(biāo)號(hào)。圖5所示的版本對(duì)于PHEMT 17采用了類似于圖2中的PHEMT25的PHEMT。將自偏置方案引入PHEMT 17。而且，為PHEMT 17和PHEMT25提供公共漏極偏置。圖5實(shí)施例中的PHEMT 17具有比用在圖2實(shí)施例中的相應(yīng)PHEMT在更高頻帶中進(jìn)行振蕩的潛力，此處，其范圍是24GHz到40GHz。當(dāng)然，再次選擇圖5中的耦合器18、微帶傳輸線段19和微帶傳輸線段20的長度，使其等于包括PHEMT 17的振蕩器晶體管電路的潛在振蕩頻率的四分之一波長。
盡管已經(jīng)參照優(yōu)選實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將意識(shí)到可以在形式和細(xì)節(jié)上進(jìn)行改變，而并不偏離本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種以集成電路構(gòu)成的反饋振蕩器器件，所述器件包括半導(dǎo)體材料襯底，具有位于與其操作主表面相對(duì)側(cè)的等電位主表面上的導(dǎo)電地平面；放大器，在所述操作表面，具有至少部分設(shè)置在所述半導(dǎo)體材料襯底上的輸入和輸出，所述放大器能夠在其輸出處提供代表發(fā)生在所述輸入處的信號(hào)的信號(hào)；以及耦合器，具有設(shè)置在所述半導(dǎo)體襯底的所述操作表面上的、選定輸入長度的橢圓形輸入導(dǎo)體，其一端與所述放大器輸出電耦合，以及還具有設(shè)置在所述半導(dǎo)體襯底的所述操作表面上的、選定輸出長度的橢圓形輸出導(dǎo)體，與所述輸入導(dǎo)體緊鄰，使所述輸入長度實(shí)質(zhì)上平行于所述輸出長度，所述輸出導(dǎo)體的一端與所述放大器輸入電耦合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其特征在于所述半導(dǎo)體材料襯底是由砷化鎵形成的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其特征在于還包括電容器，用于使所述耦合器輸出導(dǎo)體與所述放大器輸入電耦合。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其特征在于還包括傳送系統(tǒng)，用于使所述耦合器輸出導(dǎo)體與所述放大器輸入電耦合，所述傳送系統(tǒng)具有設(shè)置在所述半導(dǎo)體襯底的所述操作表面上的、選定輸入長度的橢圓形輸入導(dǎo)體，在所述操作表面上，其一端實(shí)質(zhì)上與所述耦合器輸出導(dǎo)體電耦合，但在其相反側(cè)未連接到所述操作表面上的其他結(jié)構(gòu)，以及具有設(shè)置在所述半導(dǎo)體襯底的所述操作表面上的、選定輸出長度的橢圓形輸出導(dǎo)體，在所述操作表面上，其一端實(shí)質(zhì)上與所述放大器輸入電耦合，但在其相反側(cè)未連接到所述操作表面上的其他結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其特征在于所述放大器包括晶體管，具有第一和第二端接區(qū)域并具有控制區(qū)域，通過所述控制區(qū)域，通過對(duì)其進(jìn)行電激勵(lì)，能夠使其有效地提供所述第一和第二端接區(qū)域之間的選定電導(dǎo)率的導(dǎo)電路徑，將所述第一和第二端接區(qū)域中選定的一個(gè)與所述放大器輸出耦合，并將所述控制區(qū)域與所述放大器輸入耦合。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其特征在于所述耦合器輸入導(dǎo)體具有位于所述操作表面上的連續(xù)部分，其一端與所述放大器輸出電耦合，并具有在其相反端與之相連的輸入延伸，包括位于所述操作表面上的導(dǎo)電焊盤序列，通過具有位于所述導(dǎo)電焊盤之間的、相對(duì)易于去除的部分的架空導(dǎo)體互連；以及所述耦合器輸出導(dǎo)體具有位于所述操作表面上的連續(xù)部分，其一端與所述放大器輸入電耦合，并具有在其相反端與之相連的輸出延伸，包括位于所述操作表面上的導(dǎo)電焊盤序列，通過具有位于所述導(dǎo)電焊盤之間的、相對(duì)易于去除的部分的架空導(dǎo)體互連。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的器件，其特征在于所述電容器由變?nèi)荻O管構(gòu)成，具有與之相連的導(dǎo)體，通過所述導(dǎo)體，可以將低頻電壓進(jìn)一步提供給所述變?nèi)荻O管中的半導(dǎo)體材料結(jié)的兩端。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的器件，其特征在于還包括電容器，使所述傳送系統(tǒng)輸出導(dǎo)體與所述放大器輸入電耦合。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的器件，其特征在于所述傳送系統(tǒng)輸入導(dǎo)體具有位于所述操作表面上的連續(xù)部分，其一端與所述耦合器輸出導(dǎo)體電耦合，并具有在其相反端與之相連的輸入延伸，包括位于所述操作表面上的導(dǎo)電焊盤序列，通過具有位于所述導(dǎo)電焊盤之間的、相對(duì)易于去除的部分的架空導(dǎo)體互連；以及所述傳送系統(tǒng)輸出導(dǎo)體具有位于所述操作表面上的連續(xù)部分，其一端與所述放大器輸入電耦合，并具有在其相反端與之相連的輸出延伸，包括位于所述操作表面上的導(dǎo)電焊盤序列，通過具有位于所述導(dǎo)電焊盤之間的、相對(duì)易于去除的部分的架空導(dǎo)體互連。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的器件，其特征在于所述半導(dǎo)體材料襯底是由砷化鎵形成的。
11.根據(jù)權(quán)利要求5所述的器件，其特征在于所述晶體管是高電子遷移率晶體管。
12.根據(jù)權(quán)利要求5所述的器件，其特征在于所述晶體管，所述第一和第二端接區(qū)域中剩余的一個(gè)具有從其耦合到所述導(dǎo)電地平面的電感。
13.根據(jù)權(quán)利要求6所述的器件，其特征在于還包括傳送系統(tǒng)，用于使所述耦合器輸出導(dǎo)體與所述放大器輸入電耦合，所述傳送系統(tǒng)具有設(shè)置在所述半導(dǎo)體襯底的所述操作表面上的、選定輸入長度的橢圓形輸入導(dǎo)體，在所述操作表面上，其一端實(shí)質(zhì)上與所述耦合器輸出導(dǎo)體電耦合，但在其相反側(cè)未連接到所述操作表面上的其他結(jié)構(gòu)，以及具有設(shè)置在所述半導(dǎo)體襯底的所述操作表面上的、選定輸出長度的橢圓形輸出導(dǎo)體，在所述操作表面上，其一端實(shí)質(zhì)上與所述放大器輸入電耦合，但在其相反側(cè)未連接到所述操作表面上的其他結(jié)構(gòu)，而且所述傳送系統(tǒng)輸入導(dǎo)體具有位于所述操作表面上的連續(xù)部分，其一端與所述耦合器輸出導(dǎo)體電耦合，并具有在其相反端與之相連的輸入延伸，包括位于所述操作表面上的導(dǎo)電焊盤序列，通過具有位于所述導(dǎo)電焊盤之間的、相對(duì)易于去除的部分的架空導(dǎo)體互連；以及所述傳送系統(tǒng)輸出導(dǎo)體具有位于所述操作表面上的連續(xù)部分，其一端與所述放大器輸入電耦合，并具有在其相反端與之相連的輸出延伸，包括位于所述操作表面上的導(dǎo)電焊盤序列，通過具有位于所述導(dǎo)電焊盤之間的、相對(duì)易于去除的部分的架空導(dǎo)體互連。
14.根據(jù)權(quán)利要求8所述的器件，其特征在于所述電容器由變?nèi)荻O管構(gòu)成，具有與之相連的導(dǎo)體，通過所述導(dǎo)體，可以將低頻電壓進(jìn)一步提供給所述變?nèi)荻O管中的半導(dǎo)體材料結(jié)的兩端。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的器件，其特征在于所述晶體管是假晶高電子遷移率晶體管。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的器件，其特征在于還包括電容器，使所述傳送系統(tǒng)輸出導(dǎo)體與所述放大器輸入電耦合。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的器件，其特征在于所述電容器由變?nèi)荻O管構(gòu)成，具有與之相連的導(dǎo)體，通過所述導(dǎo)體，可以將低頻電壓進(jìn)一步提供給所述變?nèi)荻O管中的半導(dǎo)體材料結(jié)的兩端。
18.一種以集成電路構(gòu)成的反饋振蕩器器件，所述器件包括半導(dǎo)體材料襯底，具有位于與其操作主表面相對(duì)側(cè)的等電位主表面上的導(dǎo)電地平面；放大器，在所述操作表面，具有至少部分設(shè)置在所述半導(dǎo)體材料襯底上的輸入和輸出，所述放大器能夠在其輸出處提供代表發(fā)生在所述輸入處的信號(hào)的信號(hào)；以及傳送系統(tǒng)，具有設(shè)置在所述半導(dǎo)體襯底的所述操作表面上的、選定輸入長度的橢圓形輸入導(dǎo)體，在所述操作表面上，其一端實(shí)質(zhì)上與所述放大器輸出電耦合，但在其相反側(cè)未連接到所述操作表面上的其他結(jié)構(gòu)，以及具有設(shè)置在所述半導(dǎo)體襯底的所述操作表面上的、選定輸出長度的橢圓形輸出導(dǎo)體，在所述操作表面上，其一端實(shí)質(zhì)上與所述放大器輸入電耦合，但在其相反側(cè)未連接到所述操作表面上的其他結(jié)構(gòu)。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的器件，其特征在于所述半導(dǎo)體材料襯底是由砷化鎵形成的。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的器件，其特征在于還包括電容器，使所述傳送系統(tǒng)輸出導(dǎo)體與所述放大器輸入電耦合。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的器件，其特征在于所述放大器包括晶體管，具有第一和第二端接區(qū)域并具有控制區(qū)域，通過所述控制區(qū)域，通過對(duì)其進(jìn)行電激勵(lì)，能夠使其有效地提供所述第一和第二端接區(qū)域之間的選定電導(dǎo)率的導(dǎo)電路徑，將所述第一和第二端接區(qū)域中選定的一個(gè)與所述放大器輸出耦合，并將所述控制區(qū)域與所述放大器輸入耦合。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的器件，其特征在于所述電容器和所述傳送系統(tǒng)具有串聯(lián)的電路部分，具有依賴于頻率的阻抗，在諧振頻率處，表現(xiàn)出極限阻抗。
23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的器件，其特征在于所述晶體管，所述第一和第二端接區(qū)域中剩余的一個(gè)具有從其耦合到所述導(dǎo)電地平面的電感。
24.根據(jù)權(quán)利要求22所述的器件，其特征在于所述電容器由變?nèi)荻O管構(gòu)成，具有與之相連的導(dǎo)體，通過所述導(dǎo)體，可以將低頻電壓進(jìn)一步提供給所述變?nèi)荻O管中的半導(dǎo)體材料結(jié)的兩端。
全文摘要
一種以具有位于地平面上的半導(dǎo)體材料襯底的集成電路構(gòu)成的反饋振蕩器器件。所述電路具有至少部分設(shè)置在所述半導(dǎo)體材料襯底上的、具有輸入和輸出的放大器。利用定向耦合器，通過并行分立傳輸線傳送系統(tǒng)和如變?nèi)荻O管等電容器，將放大器輸出信號(hào)耦合到放大器輸入。所述襯底可以是砷化鎵的。
文檔編號(hào)H03B5/18GK1695293SQ03825134
公開日2005年11月9日 申請(qǐng)日期2003年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月13日
發(fā)明者扎希爾亞·奧斯汀, 蒂莫西·T·蔡爾茲, 薩希德哈·瓦伊哈 申請(qǐng)人:Tlc精密晶片技術(shù)公司