Сімін А. В., Лапшин А. В., Холодняк Д. В., Вендік І. Б.

Санкт-Петербурзький Державний Електротехнічний Університет “ЛЕТІ” ім. В. І. Ульянова (Леніна), Санкт-Петербург 197376, Росія Тел.: +7 (812) 346-08-67; e-mail: MWLab@eltech.ru

Анотація Розглядається застосування технології багатошарових інтегральних схем (ІС) на основі кераміки з низькою температурою випалу (КНТО) для створення малогабаритних СВЧ-фільтрів і діплексеров для систем телекомунікацій. Представлені оригінальні конструкції НВЧ-фільтрів з додатковими нулями передачі, виконаних у вигляді багатошарових ІС на КНТО, їх розрахункові та експериментальні характеристики. Наведено еквівалентна схема та розрахункові характеристики НВЧ-діплексера стандарту IMT-2000, розробленого з використанням фільтрів з заданим становищем нулів передачі.

I. Вступ

Технологія багатошарових інтегральних схем НВЧ на основі кераміки з низькою температурою випалу (КНТО) надає можливості для створення мініатюрних НВЧ-пристроїв, які виконуються в єдиному технологічному циклі і володіють низькою собівартістю, що становить значний інтерес з точки зору масового виробництва НВЧ-пристроїв для бездротового зв’язку і телекомунікацій.

Істотним елементом сучасних систем зв’язку є СВЧ-діплексеров, призначені для розділення частотних каналів передавача і приймача, які використовують загальну антену. До складу некерованого СВЧ-діплексера входять два фільтри, кожен з яких пропускає сигнали в смузі частот “свого” каналу і забезпечує замикання іншого частотного каналу. Для забезпечення необхідної розв’язки між передавачем і приймачем в більшості випадків потрібні фільтри з високою частотною вибірковістю і великим ослабленням в смузі замикання. З метою мінімізації втрат в смузі пропускання, доцільно використовувати фільтри з додатковими нулями передатної характеристики.

У діапазоні частот 1-2 ГГц застосування планарних СВЧ-фільтрів на півхвильових і чвертьхвильові відрізках ліній передачі невиправдано внаслідок великих габаритів підкладки. Технологія КНТО дозволяє реалізовувати фільтри на основі зосереджених і квазісосредоточенних елементів, що, в поєднанні з розміщенням структури в декількох шарах інтегральної схеми (ІС), забезпечує малі габарити пристрою. Додатковим перевагою фільтрів на зосереджених елементах є відсутність паразитних резонансів вищих гармонік.

В роботі представлені оригінальні конструкції, розрахункові та експериментальні характеристики полоснопропускающіх фільтрів (ППФ) з додатковими нулями передачі, виконаних за технологією багатошарових ІС на КНТО. Обговорюються переваги використання ППФ з асиметричною передавальної характеристикою і заданим становищем нулів передачі в складі СВЧ-діплексера. Наведено еквівалентна схема і розрахункова характеристика СВЧ-діплексера, розробленого для мобільного терміналу бездротового зв’язку стандарту IMT-2000.

II. Основна частина

На Рис. 1, а представлена ​​еквівалентна схема триланкового ППФ з одним додатковим нулем передачі, розташованим нижче смуги пропускання фільтра (1900-2000 МГц).

Синтез фільтра виконувався на основі низькочастотного прототипу з узагальненої чебишовської характеристикою за методом Фостера [1] з наступним частотним перетворенням. Для реалізації інверторів провідності була застосована емкостная Псхема, негативні елементи якої поглинаються за допомогою вирахування з ємнісних елементів контурів фільтра. Додатковий нуль передачі на кінцевій частоті обумовлений наявністю перехресної ємнісний зв’язку між першим і третім контурами.

Фільтр реалізований на основі КНТО Heraeus Нега Тарі ™ СТ-2000 з діелектричною проникністю вг = 9.2. Багатошарова ІС фільтра на квазісосредоточенних елементах (Мал. 1, Ь) містить 4 шару КНТО товщиною 84 мкм і має габарити 6 мм * 6 мм.

Ємності паралельних контурів (Ci і С2) виконані у вигляді плоскопаралельних конденсаторів, в яких один електрод утворений металевою пластиною, що знаходиться між шарами кераміки, а в якості іншого електрода виступають два металеві екрану, розташованих зверху і знизу структури. Ємнісні елементи зв’язку між контурами (С12 і С13) реалізовані за рахунок часткового перекриття електродів конденсаторів, розташованих в різних шарах. Індуктивні елементи (Ц і L2) виконані у вигляді відрізків Полоскова ліній передачі з високим хвильовим опором і відповідної довжиною.

Електродинамічне моделювання фільтра виконувалось за допомогою програми Sonnet. Характеристики фільтра без урахування втрат представлені на Рис. 2. Наявність нуля передачі на частоті 1800 МГц збільшує крутизну нижнього фронту характеристики передачі і забезпечує замикання в смузі частот 1710-1810 МГц, що перевищує 20 дБ.

Внесення кількох нулів передачі робить можливим формування смуги замикання фіксовано-

Рис. 1. Еквівалентна схема (а) і топологія багатошарової І С (Ь) триланкового ППФ з одним додатковим нулем передачі

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. Розрахункова АЧХ діплексера Fig. 6. Simulated characteristics of a dipiexer

(2010-2070 МГц) каналів в мобільному терміналі бездротового зв’язку стандарту IMT-2000. Еквівалентна схема діплексера показана на Рис. 5. У складі діплексера використовуються триланкового ППФ з модифікованою Чебишовської характеристикою, що має три нулі передачі на заданих частотах для формування смуги замикання фіксованої ширини вище / нижче смуги пропускання. Підключення фільтрів до загальної антени здійснюється через погоджує ланцюг, що складається з двох реактивних елементів (Со і Lo), для зменшення паразитного взаємодії між фільтрами внаслідок того, що кожен з фільтрів має велике реактивне вхідний опір в смузі пропускання іншого фільтра [2].

Частотні характеристики діплексера, представлені на Рис. 6, розраховані аналітично без використання оптимізаційних процедур. Розв’язка частотних каналів передавача і приймача становить 100 дБ. За попередньою оцінкою габаритні розміри ІС діплексера при реалізації на основі КНТО Heraeus НегаТаре ™ СТ-2000 не перевищать 10 мм х ю мм х 1 мм.

III. Висновок

ППФ з додатковими нулями передачі і характеристикою, равнопульсірующей як в смузі пропускання, так і в смузі замикання, найкращим чином підходять для створення НВЧ-діплексеров. Такі фільтри можуть бути синтезовані, використовуючи звичайну методику розрахунку ППФ з чебишовської характеристикою, з подальшим внесенням додаткових нулів передачі на заданих частотах.

Перевагами реалізації СВЧ-фільтрів і діплексеров у вигляді багатошарових ІС на основі КНТО, є малі габарити в поєднанні з високою технологічністю і низькою вартістю.

IV. Список літератури

[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. Фільтри НВЧ, погоджують ланцюга і ланцюга зв’язку. 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.

ТЕХНОЛОГІЧНІ АСПЕКТИ СТВОРЕННЯ Планарная МІКРОХВИЛЬОВИХ діодів з бар’єром Шоттки Au-Ti (ZrBx)-n-n+ 4HSiC

Н. С. Болтовец1, В. Н. Іванов1, Р. В. Конакова2, Я. Я. Кудрик2, В. В. Міленін2, О. А. Агєєв3,

А. М. Світличний3, С. Соловйов4, Т. S. Sudarshan4

1   Науково-Дослідний Інститут «Оріон»

03057, Київ-57, ул.Ежена Потьє, 83 E-mail: bms (8) j. kiev.ua. тел. 8-10-38-044-465-05-48 2 Інститут фізики напівпровідників ім. В. Є. Лашкарьова НАНУ, 03028, Київ-28, пр. Науки, 41 E-mail: konakova@isp.kiev.ua, тел. 8-10-38-044-265-61-82 3 Таганрозький Гесударственний Радіотехнічний університет ГСП-17А, Таганрог, Некрасовский провулок 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


Анотація До і після швидкого термічного відпалу при Т = 1000 ° С досліджені параметри планарних діодів з бар’єром Шоттки Au-ZrBx-n-n+ 4HSiC. Показана можливість створення карбідкремнійових діодних структур із збереженням їх працездатності після БТО при Т = 1000 ° С.

I. Вступ

Унікальне поєднання фундаментальних властивостей 4HSiC політипу становлять значний інтерес для створення потужних мікрохвильових планарних діодів з бар’єром Шоттки (детекторів, змішувачів, помножувачів). Судячи з літературними даними такі діоди матимуть підвищену робочу температуру (до 500 С) мінімальне теплове опір (коефіцієнт теплопровідності 4H (6H) SiC дорівнює 4,9 Вт / см К), функціонувати при більш високих рівнях НВЧ потужності ніж аналогічні кремнієві і арсенідгалліевие прилади [1-3].

Незважаючи на значні успіхи в створенні діодів з бар’єром Шоттки на основі карбіду кремнію, завдання формування термостабільного контакту особливо до епітаксіальним п-п+ структурам залишається актуальною [2, 3]. Це пов’язано з виникненням на межі розділу метал-карбід кремнію перехідного шару складного складу, що включає в ряді випадків тернарние фази, властивості яких значною мірою визначають стабільність і параметри діодів з бар’єром Шоттки [4-6]. Тому пошук матеріалів для бар’єрних контактів не взаємодіють з карбідом кремнію представляє актуальну науковотехнічної задачу, вирішення якої дозволить реалізувати очікувані переваги карбідкремнійового високотемпературної електроніки.

Раніше нами була зроблена спроба створення високотемпературних бар’єрних контактів на основі дибориду титану до масивного карбіду кремнію птіпа 6Н політипу [7]. У даній роботі розглядається можливість створення подібних контактів до епітаксіальним п-п+ структурам карбіду кремнію 4Н політипу з використанням барьерообразующіх верств ZrBx і титану.

II.Образци і методи дослідження

Досліджувалися два типи зразків: бар’єри Шоткі на епітаксійних п-п+ структурах 4HSiC і масивному 6HSiC n-типу, вирощеним методом Лелі з концентрацією некомпенсованих донорів ~ 1018 см ‘3 і товщиною -400 мкм. Епітаксіальні n-n+ SiC структури були отримані за методикою, описаною в

[8] на підкладках Cree Research Inc. Концентрація донорной домішки в n-шарі становила 6101 см ‘3, Товщина п-шару 12 мкм, товщина підкладки -400 мкм.

Частина зразків представляла собою тестові структури, на яких вимірювалися електронні Ожеспектри і фазовий склад металізованих шарів до і після швидких термічних отжигом (БТО) при Т = 1000 ° С.

Приладові структури з бар’єром Шоттки були виготовлені по планарной технології у вікнах діаметром 100 мкм, протравленого в плівці ЕЮг товщиною

0, 4 мкм, вирощеної на поверхні (0001) SiC4H (6Н). Бар’єрні верстви формувалися магнетронним розпиленням Ti-Au або ZrBx-Au з наступним електрохімічним золоченням. Омічні контакти створювалися також магнетронним напиленням нікелю на С грань SiC вжіганіем його при Т = 1000 ° С протягом 90 сек і наступним золоченням.

До і після БТО вимірювалися вольтамперні характеристики (ВАХ) і вольтфарадние характеристики (ВФХ) діодних структур, з яких визначалися параметри бар’єрів Шотткі.

III. Результати та обговорення

У табл. 1 наведені результати вимірювань висоти бар’єру Шоттки срв з вольтамперних і вольтфарадних характеристик, а також фактора ідеальності п з прямих гілок ВАХ для діодних структур Au-Ti (ZrBx)-n-n+-4HSiC і Au-ZrBx(TiBx)-N-6HSiC, сформованих на Si-грані карбіду кремнію.

Табл. 1. Результати вимірювань висоти бар’єру Шоттки і фактора ідеальності Table 1. Measurements of Schottky barrier height and ideality factor

Структура контактів

Г рань

ЦФв \

OB)

ЦФв ™,

(ЕВ)

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

З табл. 1 видно, що СРВ і п несуттєво різняться для цих діодних структур. Такого ж порядку величини фв і п для діодів Шоттки Au-TiBx-N6HSiC, наведені в роботі [7]. Як показали вимірювання прямої гілки ВАХ досліджуваних діодних структур після БТО при Т = 1000 ° С параметри бар’єрів Шотткі ZrBx-n-n+4H і ZrBx-N-SiC практично не змінилися, що знаходиться у відповідності з даними роботи [9] і результатами досліджень розподілу компонентів в контактах до і після БТО незалежно від політипу, а також результатами рентгенофазового аналізу, що свідчать про відсутність фазового переходу в контакті ZrBx4H (6H) SiC. Підтвердженням слабкого впливу БТО на параметри бар’єрних структур є також стабільність омічного контакту Ni-4H (6H) SiC в результаті повторного БТО. На рис. 1 наведено типові профілі розподілу компонентів в контакті Ni-n-6HSiC: а) вихідний зразок; б) після БТО при Т = 1000 ° С, 90 сек.

Рис. 1. Профілі розподілу компонентів в контакті Ni-n-6HSiC: а) вихідний зразок;

6) після БТО при Т-1 ТОВ0С, 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. Профілі розподілу компонентів в контакті SiC> 2-SiC6H

Робота виконана при частковій підтримці проекту INTAS 603.

Зворотні гілки BAX діодних структур Au-Ti (ZrBx)n-n+-4HSiC при струмі 10 ‘4 А мають величини зворотних напруг -700-750 В. Діоди Шотткі Au-ZrBx-N6HSiC, виготовлені на масивному карбіді кремнію при струмі 10 ‘4 А мали зворотне напруга -40 В. В обох випадках надмірні струми обмежують досягнення напруги лавинного пробою, що пов’язано зі структурними неоднорідностями в карбіді кремнію і на межі розділу Si02-SiC4H (6H). Дійсно, профілі розподілу компонентів в контакті БЮгSiC6H (тестова структура з товщиною Бюг -500 А) представлені на рис. 2 свідчать про суттєво неоднорідному діелектричному шарі, електрична міцність якого нижче розрахункової.

Усунення цих причин дозволить значно зменшити величини зворотних струмів у всьому діапазоні вимірюваних напруг. Зауважимо, що, при порівняно малих зсувах на бар’єрі (порядку десятків вольт) щільності зворотних струмів в діодних структурах Au-Ti (ZrBx)-n-n+-4HSiC не перевищують 10 ‘7 А / см2.

IV. Висновок

Представлені результати дозволяють зробити висновок про можливість створення бар’єру Шоттки АіZrBx-n-n+-4HSiC зберігає бар’єрні властивості після БТО при Т = 1000 ° С. Підвищення зворотного (блокуючого) напруги бар’єрних структур може бути досягнуто шляхом вдосконалення планарной технології (охоронні кільця, підвищення електричної міцності діелектрика).

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

V. Література

[1] В. Н. Данілін, Ю. П. Докучаєв, Т. А. Жукова, М. А. Комаров. Потужні високотемпературні і радіаційностійки СВЧ прилади нового покоління на ширококутного гетеропереходних структурах AIGaN / GaN. / / Огляди з електронної техніки. Сер. 1. СВЧ техніка. М.: ГУП НПП «Пульсар».-2001.випуск 1,137 с.

[2] С. Ю. Давидов, А. А. Лебедєв, С. К. Тихонов. Про бар’єрі Шотткі на контакті з карбідом кремнію. / / 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. Іванов,

С. І. Власкіна, Р. В. Конакова, Я. Я. Кудрик,

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

С. К. Абдіжаліев. Особливості формування і термостабільність бар’єрних контактів до високочутливим карбідкремнійового детекторним диодам. / /. Листи до 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. Іванов, С. К. Абдіжаліев,

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

П. М. Литвин, В. В. Міленін, А. Е. Ренгевич. Термостійкі бар’єри Шоткі Au-ZrBx-N-SiC 6Н. – В кн.: 12-я Міжнародна Кримська конференція «СВЧ техніка і телекомунікаційні технології» (КриМіКо’2002). Матеріали конференції [Севастополь, 9-13 вересня 2002 р.]. – 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.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2003р.