設置時間不到20ns的GaAs pHEMT微波開關(guān)

開關(guān)速度和設置時間(settling time)，或者柵遲滯(gate lag)，都被用來描述高速開關(guān)性能，但這兩個參數(shù)有區(qū)別且往往被誤解。開關(guān)速度是指當控制信號使開關(guān)從“截止”轉(zhuǎn)為“導通”時，射頻包絡線從10%變化到90%所需的時間(圖1)。從控制信號值達到其50%開始到RF包絡線達到其90%的這段時間，傳統(tǒng)上標記為t_on。RF包絡從10%變化到90%所需的上升時間標記為t_rise。當控制信號使開關(guān)從“導通”變?yōu)椤敖刂埂睍r，從控制信號值達到其50%開始到RF包絡線從90%降至10%的這段時間是t_off。而RF包絡線從90%降至10%的這段單獨的時間是t_fall。柵遲滯定義了開關(guān)經(jīng)過RF包絡線的90%后，或者10%后的設置時間特性。

圖1：開關(guān)設置時間的圖示說明。

不幸的是，開關(guān)過渡時間的最后10%可造成對傳統(tǒng)開關(guān)速度規(guī)范的誤解，因為最后的10%與先前90%的變化速率不同。歷史上看，響應呈對數(shù)形態(tài)，而最后10%所花時間接近整個設置時間。通常情況，對于達到90%這一點需10ns的開關(guān)來說，達到100%這一點可能需要數(shù)百ms。這個長的設置時間(柵遲滯)，會給許多系統(tǒng)帶來問題。

根據(jù)現(xiàn)有的設備和方法，可通過測量器件的功率從90%變到以后設置起的某個值，如97.5%或100%，所需的時間來計算器件的柵延遲。此外，還可通過在控制信號改變后，觀察兩個固定時間點的阻抗變化來測量，因為開關(guān)器件在“開”狀態(tài)呈低阻態(tài)，在“關(guān)”狀態(tài)呈高阻態(tài)。例如，器件的柵遲滯可被描述為：在控制信號改變后10μs到10ms這段時間阻抗發(fā)生了0.5Ω的變化。雖然無法消除柵遲滯，但M/A-COM Technology Solutions已開發(fā)出針對柵遲滯導致的延遲的解決方案。

無論是看作延遲或開關(guān)阻抗變化，在許多測試應用及其它系統(tǒng)中，開關(guān)都必不可少。一些復雜的基于分組的調(diào)制方案，依靠快速發(fā)送/接收或分集開關(guān)來優(yōu)化數(shù)據(jù)吞吐量、降低信噪比。如果當?shù)谝粋€數(shù)據(jù)包已通過它傳輸時，開關(guān)仍處在設置時期，則包絡形狀可能是圓的，從而有可能損害數(shù)據(jù)。對于高數(shù)據(jù)速率通信應用，快速的設置性能可以顯著縮短發(fā)射前的等待時間?？捎脭?shù)據(jù)傳輸時間多，則相當于提高了吞吐量。

設置時間短的開關(guān)還可帶來熱管理方面的好處。當射頻功率施加到尚未完全設置起來的器件上時，在器件達到穩(wěn)定狀態(tài)前，功耗會顯著增加。更快的設置速度意味著降低了由于設置之前的串聯(lián)電阻引入的功耗，另外還可在高功率下實現(xiàn)更低的工作結(jié)溫。

開關(guān)延遲主要與改變存儲在有源器件、相關(guān)電路內(nèi)靜態(tài)電荷、與時間相關(guān)的充/放電衰減效應有關(guān)。有幾個因素造成的遲滯現(xiàn)象，可通過阻抗和容抗對其描述。場效應管(FET)的柵極體積小，且存在一定損耗，為對直流和射頻進行隔離，大多開關(guān)設計中通常采用大阻值的柵電阻。柵電阻成為決定阻容(RC)時間常數(shù)的一個因素。對于任何狀態(tài)的改變(作為一階近似)，必須耗盡或恢復器件溝道、且必須創(chuàng)建或清除柵周圍的電場。

在器件級，參考砷化鎵MESFET/pHEMT的簡化截面，可以理解開關(guān)速度和任何相關(guān)的柵遲滯(圖2)。射頻開關(guān)時間由溝道區(qū)的電荷主導，電荷位于柵附近的柵控和非柵控凹陷區(qū)。器件的導通時間是當施加控制信號后，將電荷通過溝道從源極轉(zhuǎn)移到漏極所需的時間。導通時間是用電荷填充溝道區(qū)所需相應延遲時間的函數(shù)。電荷包括與柵極容抗相關(guān)的溝道電荷，以及非柵控凹陷區(qū)內(nèi)的表面陷阱電荷。關(guān)斷時間定義則相反，只有徹底移除溝道和凹陷區(qū)內(nèi)的電荷，器件才會完全截止。

通過器件截面圖還能直觀地認識相對快的t_rise(即RF包絡線從10%上升到90%所需的時間)、RF包絡從90%下降到10%所需的時間t_fall、以及RF包絡從90%過渡到100%所需的相對很長的柵遲滯時間。與直接位于柵下方的耗盡區(qū)相關(guān)的溝道電荷，占這部分電荷的主要部分。通過對柵極終端施以正確的極偏置，可相對快地將電荷移進和移出柵極區(qū)。另一方面，非柵控凹陷區(qū)內(nèi)的電荷以表面狀態(tài)和界面陷阱等形態(tài)被集聚起來，它們對施加的偏壓相對不敏感，只能通過由肖特基二極管形成的阻容(RC)電路充放電。這些表面電荷的填充和移出是一個緩慢過程，直接導致柵遲滯開關(guān)時間延長。

圖3: 具有專利的低柵遲滯層的pHEMT剖面圖。

為解決由柵遲滯主導的狀態(tài)變化所引致的射頻開關(guān)時間延長，對現(xiàn)有的用于制造微波開關(guān)的pHEMT工藝進行了若干調(diào)整。改進的pHEMT器件截面圖顯示了這些改變(圖3)。通過聯(lián)合使用清潔技術(shù)和鈍化電介質(zhì)沉積技術(shù)，減少了非柵控砷化鎵表面的表面態(tài)和界面陷阱的數(shù)量。此外，對肖特基二極管柵極的形成做了修改，以同時降低柵極阻抗(但不引入額外柵極容抗)，并把伴隨器件導通和截止的RC充電時間最小化。最后，為pHEMT構(gòu)造增加了專有的III-V層以進一步降低溝道阻抗，從而使電荷能在器件內(nèi)更自由地移動，特別是對來自非柵控凹陷區(qū)內(nèi)的電荷來說。這樣的工藝優(yōu)化使開關(guān)速度比標準pHEMT器件顯著提升。與現(xiàn)有開關(guān)產(chǎn)品比，這已申請專利的工藝大大改善了設置時間特性，且不對其它器件參數(shù)產(chǎn)生明顯影響(圖4)。

圖4和圖5分別顯示了采用標準pHEMT工藝制造的場效應管與采用優(yōu)化工藝制造的場效應管的Ron與開關(guān)時間的對比。新工藝顯著改善了導通阻抗性能以及器件-器件間的一致性。新工藝也顯著提升了晶圓-晶圓間開關(guān)特性的一致性。在隔離或“關(guān)”狀態(tài)，器件有數(shù)千歐姆的阻抗是個重要認識。器件可以迅速達到90%這個點，但要完全設置仍需很長時間：變化的絕對范圍非常大。對采用標準pHEMT工藝制造的高隔離開關(guān)來說，標準開關(guān)速度規(guī)格可能會引起誤解，因為遷變與絕對信號電平的變化成正比。改進的短柵遲滯工藝帶來的更快的導通特性提供了可靠的快速轉(zhuǎn)換

為衡量新工藝帶來的速度好處，將采用新工藝制造的開關(guān)與采用典型pHEMT工藝制造的開關(guān)進行比對。當RF包絡從90%變到98%時，典型pHEMT開關(guān)所用時間為274μs，而具有專有的III-V短柵遲滯層的優(yōu)化pHEMT工藝器件，僅需18ns(圖5)。

表1提供了一組從10MHz到20GHz、具有快速設置時間的開關(guān)的性能概要。MASW-009590型單刀雙擲(SPDT)開關(guān)裸片是其中最快的，到97.5%設置點所需時間約20ns，工作頻率為10MHz到8GHz，插入損耗是0.6dB，隔離度是23dB。當工作在直流3V時，在1dB壓縮點具有+30dBm功率。此開關(guān)系列產(chǎn)品既有大功率器件，也有帶寬很寬的器件，還有一款隔離度非常高的器件。

柵遲滯是測試系統(tǒng)、基于分組的數(shù)據(jù)傳輸、雷達系統(tǒng)以及其它許多對時間變化有苛刻要求的應用的一個重要參數(shù)。采用可大幅縮短總開關(guān)時間、具有優(yōu)良電氣性能的優(yōu)化半導體工藝制造的新開關(guān)產(chǎn)品，具有更短的設置時間。

作者：Andrew Freeston, Timothy Boles, Costas Varmazis

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