本發(fā)明涉及一種新型地墻去耦合連接結(jié)構(gòu)，具體說是一種采用半導(dǎo)體集成電路工藝制作、使用共射結(jié)構(gòu)晶體管的地墻去耦合連接結(jié)構(gòu)以改善毫米波亞毫米波振蕩器輸出功率和振蕩頻率的新型晶體管外圍連接結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

電磁波頻譜中頻率較低的范圍目前已經(jīng)被分配到許多無線電的應(yīng)用中，例如廣播、電視、衛(wèi)星通信、移動電話、軍事應(yīng)用和射電天文等等。隨著無線電技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，目前低頻率段的頻譜資源已非常擁擠，對于未來通信應(yīng)用的需求，低頻段的信道容量已經(jīng)很難滿足要求。然而，在毫米波和亞毫米波頻段，尚有大量的頻段未被開發(fā)和利用，由于毫米波和亞毫米波頻帶更寬，可用于傳輸更高的速率，從而獲得更大的通信容量。國際上目前對于毫米波亞毫米波頻段已經(jīng)涌現(xiàn)出越來越多的應(yīng)用，包括無線局域網(wǎng)、太赫茲成像、毫米波車載雷達(dá)、光譜學(xué)和遙感等。

對所有這些毫米波和亞毫米波系統(tǒng)來說，硅基毫瓦級頻率源電路的設(shè)計(jì)一直是一個難點(diǎn)。晶體管內(nèi)部的寄生電容，尤其是晶體管外圍連接電路的寄生效應(yīng)，在毫米波和亞毫米波頻段常常會給高功率高頻率頻率源電路的設(shè)計(jì)帶來很不利的影響。例如，在200GHz時，對于一個普通連接的晶體管基極和集電極電路，不做去耦合處理，通過電磁仿真軟件HFSS對寄生參數(shù)提取發(fā)現(xiàn)，基極和集電極過孔連接之間的耦合電容達(dá)到了fF量級，這大大惡化了晶體管的性能，直接體現(xiàn)就是對應(yīng)的振蕩器輸出功率和振蕩頻率的惡化。

為了解決毫米波單管外圍連接結(jié)構(gòu)寄生耦合的影響，常常需要使用共射共基結(jié)構(gòu)，即將一個共射結(jié)構(gòu)的晶體管和一個共基結(jié)構(gòu)的晶體管疊加起來使用，這樣雖然能在一定程度上減輕電路寄生耦合的影響，但共射共基結(jié)構(gòu)需要兩倍的發(fā)射極電壓，不利于應(yīng)用在低電壓環(huán)境中，功耗相對較高，且對振蕩器輸出功率提高幅度較小。此外，共射共基結(jié)構(gòu)通常會引入額外的噪聲，影響振蕩器的相位噪聲。

因此，需要發(fā)明一種能夠大幅度減弱毫米波亞毫米波頻段晶體管外圍連接結(jié)構(gòu)之間耦合效應(yīng)的新型晶體管外圍連接結(jié)構(gòu)、同時應(yīng)用于低電源高輸出振蕩功率和振蕩頻率的振蕩器電路中。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)一種新型地墻去耦合連接結(jié)構(gòu)，具體說是一種采用半導(dǎo)體集成電路工藝制作、使用共射結(jié)構(gòu)晶體管的地墻去耦合連接結(jié)構(gòu)以改善毫米波亞毫米波振蕩器輸出功率和振蕩頻率的新型晶體管外圍連接結(jié)構(gòu)。

技術(shù)方案：一種共射結(jié)構(gòu)晶體管的地墻去耦合連接結(jié)構(gòu)，包括襯底、位于襯底中的晶體管、和位于襯底之上的基極、集電極、基極的過孔連接陣列、集電極的過孔連接陣列、地墻去耦合結(jié)構(gòu)，所述地墻去耦合結(jié)構(gòu)位于基極的過孔連接陣列和集電極的過孔連接陣列之間，所述基極的過孔連接陣列以及集電極的過孔連接陣列包括靠近襯底的薄金屬層M1，M2，M3，M4，M5和頂層的厚金屬層TM1，并通過過孔依次連接，貫穿M1到TM1；所述基極的過孔連接陣列的厚金屬層TM1和厚金屬層TM2相鄰，并與位于厚金屬層TM2的基極通過過孔連接；所述集電極的過孔連接陣列的厚金屬層TM1和厚金屬層TM2相鄰，并與位于厚金屬層TM2的集電極通過過孔連接；地墻去耦合結(jié)構(gòu)也包括靠近襯底的薄金屬層M1，M2，M3，M4，M5和頂層的厚金屬層TM1，并通過過孔依次連接，貫穿M1到TM1；靠近襯底的薄金屬層和頂層的厚金屬層根據(jù)硅基工藝提供，集電極的過孔連接陣列、基極的過孔連接陣列、地墻去耦合結(jié)構(gòu)通過過孔連接位于襯底的晶體管，位于襯底的晶體管的基極連接基極的過孔連接陣列、晶體管的集電極連接集電極的過孔連接陣列、晶體管的發(fā)射極連接地墻去耦合結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步的，地墻去耦合結(jié)構(gòu)各層的末端為三角結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步的，位于襯底的晶體管的尺寸可變，地墻去耦合結(jié)構(gòu)的長度根據(jù)晶體管的長度改變。

進(jìn)一步的，地墻去耦合結(jié)構(gòu)的長度為晶體管的長度的兩倍。

進(jìn)一步的，地墻去耦合結(jié)構(gòu)采用硅基雙極型金屬氧化物半導(dǎo)體集成電路工藝實(shí)現(xiàn)。

有益效果：

1)大幅改善毫米波亞毫米波振蕩器的輸出功率和振蕩頻率。

2)對振蕩器的結(jié)構(gòu)沒有特殊的要求，可以選用基于共射結(jié)構(gòu)晶體管的任意硅基毫米波亞毫米波振蕩器結(jié)構(gòu)。

3)適合于小型化、高輸出功率和高頻率輸出的振蕩器應(yīng)用場合。

附圖說明

圖1(a)是硅基工藝的金屬和過孔層分布圖，圖1(b)是本發(fā)明中的新型共射結(jié)構(gòu)晶體管去耦合連接結(jié)構(gòu)的俯視圖；

圖2是本發(fā)明中的新型共射結(jié)構(gòu)晶體管外圍去耦合連接結(jié)構(gòu)的三維視圖；

圖3是將本發(fā)明應(yīng)用在一個J波段亞毫米波四階基波振蕩器中的電路原理圖；

圖4是將本發(fā)明應(yīng)用在一個J波段亞毫米波六階基波振蕩器中的電路原理圖；

圖5是將本發(fā)明應(yīng)用在一個J波段亞毫米波四階基波振蕩器的輸出功率測試結(jié)果；

圖6是將本發(fā)明應(yīng)用在一個J波段亞毫米波六階基波振蕩器的輸出功率測試結(jié)果。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。

如圖1所示，本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)是一種共射結(jié)構(gòu)晶體管的地墻去耦合外圍連接結(jié)構(gòu)，圖(a)是硅基工藝的金屬和過孔層分布圖，圖(b)是該新型晶體管去耦合連接結(jié)構(gòu)的俯視圖。對于共射結(jié)構(gòu)的晶體管外圍連接結(jié)構(gòu)，引入一個從M1到TM1的地墻，地墻位于基極3和集電極4之間，地墻去耦合結(jié)構(gòu)長度為L1，晶體管的長度為S，地墻去耦合結(jié)構(gòu)長度至少為晶體管長度的兩倍，為了有效的減少基極和集電極過孔連接陣列之間的耦合效應(yīng)，在地墻末端引入三角結(jié)構(gòu)進(jìn)一步去除基極和集電極過孔連接陣列之間的耦合。

如圖2所示，為了更加清晰的展現(xiàn)該新型的共發(fā)射極地墻去耦合晶體管連接結(jié)構(gòu)，特給出了該晶體管外圍連接的三維效果圖。圖中可以看到從襯底到頂層金屬之間的基極和集電極過孔連接陣列，該地墻去耦合結(jié)構(gòu)7位于兩個過孔連接陣列之間。硅基工藝提供靠近襯底1的薄金屬層和頂層的厚金屬層，由于薄金屬層耐流特性較差且傳輸損耗較大，頂層金屬通常用于主信號傳輸。實(shí)際設(shè)計(jì)中需要過孔陣列連接頂層金屬和位于襯底的晶體管2，過孔陣列高度H2在10μm左右且距離較近，對于頻率高于100GHz的毫米波亞毫米波電路過孔連接的電長度不可忽略，通過電磁仿真軟件HFSS發(fā)現(xiàn)兩排過孔陣列之間的耦合寄生電容達(dá)到fF量級，對電路性能產(chǎn)生極大的影響。在振蕩器設(shè)計(jì)中，引入地墻去耦合結(jié)構(gòu)7，通過優(yōu)化地墻結(jié)構(gòu)的長度L1，可以消除晶體管基極和集電極過孔陣列之間的耦合，從而可以大幅度提升亞毫米波振蕩器的輸出功率和輸出頻率，解決了傳統(tǒng)晶體管連接結(jié)構(gòu)對毫米波亞毫米波振蕩器電路輸出功率和頻率性能惡化的影響。

圖3是將本發(fā)明應(yīng)用在一個J波段亞毫米波四階基波振蕩器中的原理圖。該振蕩器的四個晶體管均為共射結(jié)構(gòu)，且均采用本發(fā)明提出的地墻去耦合外圍連接結(jié)構(gòu)。圖中微帶連接線l1-l12均位于TM2層，Q1，Q2，Q3，Q4為采用該地墻去耦合外圍連接結(jié)構(gòu)的共射晶體管，W為微帶線的寬度，L為微帶線的長度。

圖4是將本發(fā)明應(yīng)用在一個J波段亞毫米波六階基波振蕩器中的原理圖，B點(diǎn)、C點(diǎn)為連接點(diǎn)。該振蕩器的六個晶體管均為共射結(jié)構(gòu)，且均采用本發(fā)明提出的地墻去耦合外圍連接結(jié)構(gòu)。圖中微帶連接線L1-L16均位于TM2層，Q5-Q10為采用該地墻去耦合外圍連接結(jié)構(gòu)的共射晶體管，W為微帶線的寬度，L為微帶線的長度。

圖5是將本發(fā)明應(yīng)用在一個J波段亞毫米波四階基波振蕩器的輸出功率測試結(jié)果。從圖中可以看書，使用本發(fā)明以后振蕩器的輸出功率提升了將近一倍。此外該振蕩器的輸出頻率也因地墻去耦結(jié)構(gòu)的引入從210GHz提升到了225GHz的頻率范圍。

圖6是將本發(fā)明應(yīng)用在一個J波段亞毫米波六階基波振蕩器的輸出功率測試結(jié)果。從圖中可以看出，使用本發(fā)明以后振蕩器的輸出功率平均提升了50％以上。此外該振蕩器的輸出頻率也因地墻去耦結(jié)構(gòu)的引入從200GHz提升到了213GHz的頻率范圍。

本發(fā)明及其所應(yīng)用在的毫米波亞毫米波振蕩器均采用硅基雙極型金屬氧化物半導(dǎo)體集成電路工藝實(shí)現(xiàn)。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。