Silizium Oberwellenmischer für den Mikrowellenbereich

Abstract

Bestandteil der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung der Aluminium-Metallisierung für die koplanare SIMMWIC-Technologie (SIMMWIC, Silicon based Monolithic MicroWave Integrated Circuits) und die Realisierung der Mikrowellenkomponente, des 38GHz Oberwellenmischers. Durch die tiefgehende Untersuchung der Verlustmechanismen der Aluminium-Koplanarleitung (CPW, CoPlanar Waveguide) wurde der Verlustanteil von Interface-Ladungsträgern (Interface Losses) in einer CPW festgestellt. Dieser Anteil ist von der Bias-Spannung abhängig und kann durch eine angelegte Spannung in einem grossen Bereich variieren. Die Al-CPW bildet mit der Isolationsschicht (SiO2) und dem Silizium-Substrat einen MOS-Varaktor (MOS, Metal-Oxid-Semiconductor). Der optimale Betriebszustand der CPW für geringe Leitungsdämpfung ist der Verarmungsbereich des MOS-Varaktors. Um diesen Zustand ohne zusätzliche Bias-Spannung (sogenannten "Zero-Bias"-Betrieb) zu erreichen, ist eine sehr gute Qualität der Isolationsschicht (SiO2) zwischen den Aluminium-Leiterbahnen und dem Silizium-Substrat erforderlich. Für das Design von SIMMWIC-Schaltungen ist unbedingt zu beachten, dass die Versorgungsleitungen von den HF-Signalleitungen weitestgehend getrennt sein müssen, damit keine DC-Spannung auf die HF-Signalleitung angelegt wird und der MOS-Varaktor im Verarmungsbereich bleibt. Die verlustarme Aluminium-Koplanarleitung auf dem hochohmigen FZ-Silizium-Substrat (FZ, Float Zone, rho(Si)>1000Ohm.cm) ist unter dieser Voraussetzung realisiert. Das Messergebnis zeigte auch, dass sogar das mediumohmige Substrat (CZ-Si, Czochralski, rho(Si)>50Ohmcm) mit dem koplanaren Design bei kleinen Dimensionen für die Mikrowellenanwendungen verwendet werden kann. Die Al-Metallisierung ist geeignet für die Mikrowellenanwendungen. Dies öffnet ein Tor zur monolithischen Integration der SIMMWIC-Schaltungen mit den analogen und digitalen Schaltungen mit der Standard-Silizium-Technologie der Mikroelektronik. Mit dieser koplanaren SIMMWIC-Technologie (Al-Metallisierung) wurde eine Mikrowellenkomponente, der 38GHz Oberwellenmischer (OWM), realisiert. Bei der hybriden Version waren die Schottky-Dioden auf die Mischerschaltung "Flip Chip" gebondet. Im monolithischen OWM waren die Schottky-Dioden monolithisch integriert. Der hybride OWM zeigte gute HF-Eigenschaften. Mit Hilfe eines Lokaloszillators bei 4,6GHz mischt der OWM das Mikrowellen-Signal bei 38GHz auf 1,2GHz herunter. Dies ermöglicht die Verarbeitung des Mikrowellen-Signals mit Oszillator um 5GHz mit kommerzieller SiGe-Technologie. Die monolithische Version des OWM hat die Realisierbarkeit der Mikrowellenkomponente mit Al-Metallisierung bewiesen.

The main parts of this work are the investigation of the aluminum metallization for the coplanar SIMMWIC (Silicon based Monolithic Millimeter Wave Integrated Circuits) technology and the realization of a microwave component, the 38GHz 8th harmonic mixer. The loss mechanisms of the aluminum coplanar waveguides (CPW) were investigated. The interface losses induced with interface charge carriers in a CPW were determined. This part is dependent on bias voltage. It can vary in a large range with a changing bias voltage. The metal of the aluminium CPW forms a MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) varactor with the isolation layer (SiO2) and the silicon substrate. The optimal operation for a low-loss CPW is in the depletion region of the MOS varactor. In order to achieve this condition without additional bias voltage (zero bias), a very good quality of the isolation layer (SiO2) between the aluminum line and the silicon substrate is necessary. For the design of SIMMWIC circuits it is important to separate the DC supply lines from the RF signal lines and so that on CPW zero bias voltage is applied, which should bring the CPW with oxide layer in depletion state. The low-loss aluminum coplanar waveguides on the high resistivity silicon (FZ-Si, rho(Si)>1000Ohm.cm) were realized with this requirement on oxide quality. The measurement results also showed that even the medium resistivity substrate (CZ-Si, Czochralski, rho(Si)>50Ohm.cm) with the small coplanar design for the microwave applications can be used. The aluminum metallization is suitable for the microwave applications. It opens a new way for the monolithic integration of the SIMMWIC circuits with the analogue and digital circuits by the standard silicon technology of microelectronics. With this coplanar SIMMWIC technology (aluminum metallization) a microwave component, the 38GHz 8th harmonic mixer was realized. In the hybrid version the Schottky diodes were bonded on the mixer circuit with "flip chip" montage. In the monolithic one the Schottky diodes were monolithically integrated. The hybrid harmonic mixer showed a good RF performance. The 38GHz RF signal can be mixed by means of a local oscillator with 4.6GHz down to 1.2GHz. It makes possible to process the microwave signal with oscillator about 5GHz manufactured by commercial SiGe technology. The monolithic version of the harmonic mixer proved the feasibility of the aluminum metallization for the microwave component.