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1、设置时间不到20ns的GaAs pHEMT微波开关开关速度是个涉及多个事件的复杂参数，每个事件都有自己的持续时间。借助已申请专 利的pHEMT技术，M/A-COM Technology Solutions公司（下文简称为M/A-C0M）已经找到了一 种可缩短其中一个事件——开关的设置时间——的方法，从而给基于 分组通信网络和雷达系统等须严格控制时域参数的系统带来了福音。在从10MHz到20GHz这 一系列开关中都采用了该技术，其设置时间可短至20ns。开关速度和设置时间（se ttl ing time）,或者栅迟滞（ga te lag），都被用来
2、描述高速开关 性能，但这两个参数有区别且往往被误解。开关速度是指当控制信号使开关从 “ 截止 ”转为“导通”时，射频包络线从10%变化到90%所需的时间（图1）。从控 制信号值达到其50%开始到RF包络线达到其90%的这段时间，传统上标记为ton。RF包络从 10%变化到90%所需的上升时间标记为trise。当控制信号使开关从“导通”变为 “截止”时，从控制信号值达到其50%开始到RF包络线从90%降至10%的这段时 间是toff。而RF包络线从90%降至10%的这段单独的时间是tfall。栅迟滞定
3、义了开关经过 RF 包络线的 90%后，或者 10%后的设置时间特性。图 1：开关设置时间的图示说明。不幸的是，开关过渡时间的最后10%可造成对传统开关速度规范的误解，因为最后的10% 与先前90%的变化速率不同。历史上看，响应呈对数形态，而最后 10%所花时间接近整个设置 时间。通常情况，对于达到 90%这一点需 10ns 的开关来说，达到 100%这一点可能需要数百 ms。这个长的设置时间（栅迟滞），会给许多系统带来问题。根据现有的设备和方法，可通过测量器件的功率从90%变到以后设置起的某个值，如97.5% 或 100%，所需的时间来计算器件的栅延迟。此外，还可通过在控制信号改变后，观察两
4、个固 定时间点的阻抗变化来测量，因为开关器件在“开”状态呈低阻态，在“ 关”状态呈高阻态。例如，器件的栅迟滞可被描述为：在控制信号改变后10μs到 10ms这段时间阻抗发生了 0.5Ω的变化。虽然无法消除栅迟滞，但M/A-COM Technology Solutions 已开发出针对栅迟滞导致的延迟的解决方案。无论是看作延迟或开关阻抗变化，在许多测试应用及其它系统中，开关都必不可少。一 些复杂的基于分组的调制方案，依靠快速发送/接收或分集开关来优化数据吞吐量、降低信噪 比。如果当第一个数据包已通过它传输时，开关仍处在设置时期，则
5、包络形状可能是圆的， 从而有可能损害数据。对于高数据速率通信应用，快速的设置性能可以显著缩短发射前的等 待时间。可用数据传输时间多，则相当于提高了吞吐量。设置时间短的开关还可带来热管理方面的好处。当射频功率施加到尚未完全设置起来的 器件上时，在器件达到稳定状态前，功耗会显着增加。更快的设置速度意味着降低了由于设 置之前的串联电阻引入的功耗，另外还可在高功率下实现更低的工作结温。开关延迟主要与改变存储在有源器件、相关电路内静态电荷、与时间相关的充/放电衰减 效应有关。有几个因素造成的迟滞现象，可通过阻抗和容抗对其描述。场效应管（FET）的栅极 体积小，且存在一定损耗，为对直流和射频进行隔离，大多
6、开关设计中通常采用大阻值的栅 电阻。栅电阻成为决定阻容（RC）时间常数的一个因素。对于任何状态的改变（作为一阶近似）， 必须耗尽或恢复器件沟道、且必须创建或清除栅周围的电场。在器件级，参考砷化镓MESFET/pHEMT的简化截面，可以理解开关速度和任何相关的栅迟 滞（图 2）。射频开关时间由沟道区的电荷主导，电荷位于栅附近的栅控和非栅控凹陷区。器 件的导通时间是当施加控制信号后，将电荷通过沟道从源极转移到漏极所需的时间。导通时 间是用电荷填充沟道区所需相应延迟时间的函数。电荷包括与栅极容抗相关的沟道电荷，以 及非栅控凹陷区内的表面陷阱电荷。关断时间定义则相反，只有彻底移除沟道和凹陷区内的 电荷
7、，器件才会完全截止。通过器件截面图还能直观地认识相对快的trise（即RF包络线从10%上升到90%所需的时 间）、RF包络从90%下降到10%所需的时间tfall、以及RF包络从90%过渡到100%所需的相对 很长的栅迟滞时间。与直接位于栅下方的耗尽区相关的沟道电荷，占这部分电荷的主要部分。 通过对栅极终端施以正确的极偏置，可相对快地将电荷移进和移出栅极区。另一方面，非栅 控凹陷区内的电荷以表面状态和界面陷阱等形态被集聚起来，它们对施加的偏压相对不敏感， 只能通过由肖特基二极管形成的阻容（RC）电路充放电。这些表面电荷的填充和移出是一个缓 慢过程，直接导致栅迟滞开关时间延长。图 3: 具有专
8、利的低栅迟滞层的 pHEMT 剖面图。为解决由栅迟滞主导的状态变化所引致的射频开关时间延长，对现有的用于制造微波开 关的 pHEMT 工艺进行了若干调整。改进的 pHEMT 器件截面图显示了这些改变（图 3）。通过联 合使用清洁技术和钝化电介质沉积技术，减少了非栅控砷化镓表面的表面态和界面陷阱的数 量。此外，对肖特基二极管栅极的形成做了修改，以同时降低栅极阻抗（但不引入额外栅极容 抗），并把伴随器件导通和截止的RC充电时间最小化。最后，为pHEMT构造增加了专有的III-V 层以进一步降低沟道阻抗，从而使电荷能在器件内更自由地移动，特别是对来自非栅控凹陷 区内的电荷来说。这样的工艺优化使开关速
9、度比标准pHEMT器件显着提升。与现有开关产品 比，这已申请专利的工艺大大改善了设置时间特性，且不对其它器件参数产生明显影响 （图 4）。图4和图5分别显示了采用标准pHEMT工艺制造的场效应管与采用优化工艺制造的场效 应管的Ron与开关时间的对比。新工艺显着改善了导通阻抗性能以及器件器件间的一致性。 新工艺也显著提升了晶圆-晶圆间开关特性的一致性。在隔离或&ldqu。;关”状态，器件 有数千欧姆的阻抗是个重要认识。器件可以迅速达到 90%这个点，但要完全设置仍需很长时 间：变化的绝对范围非常大。对采用标准pHEMT工艺制造的高隔离开关来说，标准开关速度 规格可能会引起误解，因为迁
10、变与绝对信号电平的变化成正比。改进的短栅迟滞工艺带来的 更快的导通特性提供了可靠的快速转换。为衡量新工艺带来的速度好处，将采用新工艺制造的开关与采用典型pHEMT工艺制造的开关 进行比对。当RF包络从90%变到98%时，典型pHEMT开关所用时间为274μs，而具有专有 的III-V短栅迟滞层的优化pHEMT工艺器件，仅需18ns（图5）。表1提供了一组从10MHz到20GHz、具有快速设置时间的开关的性能概要。MASW-009590 型单刀双掷（SPDT）开关裸片是其中最快的，到97.5%设置点所需时间约20ns，工作频率为 10MHz到8GHz，插入损耗是0.6dB,隔离度是23dB。当工作在直流3V时，在1dB压缩点具有 +30dBm 功率。此开关系列产品既有大功率器件，也有带宽很宽的器件，还有一款隔离度非常 高的器件。栅迟滞是测试系统、基于分组的数据传输、雷达系统以及其它许多对时间变化有苛刻要 求的应用的一个重要参数。采用可大幅缩短总开关时间、具有优良电气性能的优化半导体工 艺制造的新开关产品，具有更短的设置时间。
