超低插损的新材料射频开关（PCM RF switch）的新进展

简单的背景资料
从分离器件到芯片集成
PCM RF开关单片集成的几种电路
- 数控电容（DSC，Digital Step Capacitor）
- 切换滤波（Switched Filter）
- 可调滤波（sub 6 GHz tunable RF filter）
小结

简单的背景资料

相变材料射频开关（PCM RF switches, phase-change material RF switches）有能力实现超过10THz的截止频率。其在微波和毫米波频段的插入损耗，是目前各种开关中最低的，甚至低于以低插损著称的MEMS射频开关¹，各种开关性能的比较如图1、图2所示。因此，与CMOS及SiGe BiCMOS工艺进行结合，有很多多功能射频电路与器件的研究，比如LNA、VCO和接收机。

图1 PCM RF switches与各种工艺射频SPDT开关的导通状态插入损耗比较¹

图2 PCM RF switches与各种工艺射频SPDT开关的截止状态隔离度比较¹

从分离器件到芯片集成

不过在之前的各种相关研究中，PCM RF开关都是作为独立的器件，通过BGA或者倒装焊与商用工艺开发的芯片进行互联的。比如图3所示，倒装再SiGe上的小黑块就是PCM RF开关。这种集成方式会引入寄生参数从而影响性能。所以如果能够将该类开关与传统的商用芯片加工工艺进行融合，避免各种寄生参数的引入，就能够极大限度的扩展这类开关的应用。

图3 分离的PCM RF开关与SiGe芯片集成²

根据文献³来自Tower Semiconductor的团队声称，这篇文章的工作第一次将相变射频开关（phase-change RF switches）通过单片集成工艺进行集成，该集成通过该公司 SBC18H3B SiGe BiCMOS process完成，同时验证了PCM射频开关并不会影响FETs和bipolar等BiCMOS工艺器件的性能。

完成这种集成的难度并不在于PCM RF开关与单片集成电路材料的不同，而在于PCM RF开关工作所需要的温度变化。

如果需要把该开关切换到关闭的状态，需要控制电流流过一个微加热器，来将PCM融化，当电流关闭的时候，PCM的温度需要快速的（在100ns内）冷却到结晶温度（crystallization temperature），来转换到无序的高阻态（原文是high resistivity amorphous state，不知道对不对），如果冷却的过慢，那么PCM依然会保持为开启的状态。

这种快速冷却的需求需要PCM RF 开关必须直接在热导载体上加工，比如高阻硅（hi-resistivity Si），蓝宝石（sapphire）和碳化硅（SiC）。

PCM RF 开关没办法直接构建在CMOS工艺的BEOL（back end of line）上。因为常用的层间介质ILD材料为SiO2或SiN，这两种材料热导率都很低，不能快速散热来完成开关状态的切换；而常用的金属层虽然有较高的热导率，但较高的电导率将破坏开关的性能。也就是说，所需要的材料要有较高的热导率，电绝缘，同时还需要与BEOL兼容。文中最终选择的材料是氮化铝（AlN），不仅是绝缘介质，而且有高达130W/m.K的热导率。

图4 PCM RF开关与锗硅工艺进行集成³

大概了解了PCM RF开关集成的问题和解决方案后，我准备跳过文献中讲工艺的第二节，因为实在是不太理解，大概就是图4的样子。直接看后面的验证电路。

PCM RF开关单片集成的几种电路

数控电容（DSC，Digital Step Capacitor）

5bit的DSC容值分别为0.2pF，0.4pF，0.8pF，1.6pF，3.2pF，共32种状态。理论上当开关全ON状态，电容为零，而当开关全OFF状态，容值为6.2pF。但是由于加工误差和额外的电容，最终实测全ON状态为33fF，全OFF状态为6.75pF。芯片实物和测试结果如图5。

图5 DSC的测试结果³

切换滤波（Switched Filter）

通过两个SPDT，在50欧姆直通和24.25GHz~33.4GHz带通滤波间进行切换。通过单独的滤波器测试（图6c红色虚线）和级联两级SPDT后的滤波器测试对比（图6c红色实线）可知，集成PCM RF开关的引入并没有明显造成毫米波频段滤波器的传输特性变化，间接证明了其引入的寄生参数极小。

图6 Switched Filter的测试结果³

可调滤波（sub 6 GHz tunable RF filter）

通过7级开关，并将DSC引入，滤波器设计可以对高端的阻带抑制和低端的阻带抑制进行调节。高端的调节用了三个开关，切换6pF、1.5pF和0.9pF，低端也有三个开关，切换0.49pF、1.0pF和3.3pF，低端还有第4个开关用于旁路直通。

图7 可调滤波器的版图和电路构成³

通过切换开关共128个滤波状态，图8展示了几种与通信相关的频段滤波。

图8 可调滤波器的实际测试³

小结

上面的三个应用实例的性能并不很吸引人，主要用来证明PCM RF开关的单片集成可行性，同时说明这种集成基本不影响其它电路。这种开关的使用，最关键的还是追求其极低的插入损耗，图9是另一个团队在文献⁴中发布的SPST实测曲线，相对PIN的SPST，在插入损耗上还是有一定优势。

图9 PCM RF开关SPST实测曲线⁴

N. El-Hinnawy et al., “12.5 THz Fco GeTe Inline Phase-Change Switch Technology for Reconfigurable RF and Switching Applications,” 2014 IEEE Compound Semiconductor Integrated Circuit Symposium (CSICS), 2014, pp. 1-3. ↩︎ ↩︎ ↩︎
R. H. Olsson, K. Bunch, C. Gordon and N. Zhou, “Creating a universal radio frequency front-end for elemental digital beam formed phased arrays,” 2016 IEEE International Symposium on Phased Array Systems and Technology (PAST), 2016, pp. 1-4. ↩︎
G. Slovin, N. El-Hinnawy, C. Masse, J. Rose and D. Howard, “Monolithic Integration of Phase-Change RF Switches in a Production SiGe BiCMOS Process with RF Circuit Demonstrations,” 2020 IEEE/MTT-S International Microwave Symposium (IMS), 2020, pp. 57-60. ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
T. Singh and R. R. Mansour, “Miniaturized Reconfigurable 28 GHz PCM-Based 4-bit Latching Variable Attenuator for 5G mmWave Applications,” 2020 IEEE/MTT-S International Microwave Symposium (IMS), 2020, pp. 53-56. ↩︎ ↩︎