本发明涉及的是一种应用于高频开关单片电路的pin二极管，属于集成电路领域。
背景技术：
高频开关单片电路是高频雷达、tr组件的重要元器件，上述系统采用的开关电路结构需要满足低插损、高隔离度、高功率的要求，频率高至毫米波频段的开关通常使用垂直结构gaaspin工艺来加工实现。
典型的pin工艺单刀双掷功率开关电路拓扑结构如图1所示：pin二极管并联在电路中，并通过偏置网络设置二极管的通断状态。当pin二极管正向导通时，二极管呈低阻近似短路，并通过1/4波长的高阻抗线进行阻抗变换，使得对输入端口呈现开路状态，因此对微波信号呈现关断状态；反之，当pin二极管反向偏置时，二极管呈高阻近似开路，并通过1/4波长的高阻抗线进行阻抗变换，使得对输入端口呈现导通状态，微波信号可以以较小的损耗通过网络。单刀双掷开关的两个通路通常是轮流导通和关断。
传统的gaaspin结构如图2（a）～2（b）所示：pin二极管的i层大小决定着二极管的结电容和结电阻。随着电路频率的不断升高，电路设计要求二极管的结电容尽可能小，这就要求i层面积必须尽可能小。但是随着i层的减小，传统结构的pin二极管开关出现了一些问题：1）引线变窄导致寄生电感和电阻不断增大，使其在高频下正向导通时的阻抗过大，无法提供足够的隔离度；2）垂直加工工艺的线宽限制使的p层和i层面积不可能无限量的缩小，过小的p层面积不仅可能导致电镀空气桥的坍塌，而且会导致金属与p层的接触电阻迅速增大，进一步提到导通态的电阻；3）由于二极管导通态时高频阻抗过大，引起单刀双掷开关关断支路隔离度不足，在大功率通过导通支路时无法有效隔离功率泄露，导致导通支路的损耗变大，影响开关的功率性能。
技术实现要素：
本发明提出的是一种应用于高频开关单片电路的pin二极管，其目的在于克服现有的pin二极管在高频电路中阻抗过大、隔离度不足导致的损耗变大、功率降低的缺点，提出一种能够在高频电路中保证高隔离度、低阻抗的pin二极管结构。
本发明的技术解决方案：一种应用于高频开关单片电路的pin二极管，其结构包括gaas衬底、p型半导体层（阳极）、i型半导体层、n型半导体层（阴极），其中gaas衬底的表面自下而上依次设置n型半导体层、i型半导体层、p型半导体层；其特征在于，所述的n型半导体层在gaas衬底的y方向两侧分别设有n1和n2两个引线输出端，p型半导体层在gaas衬底的x方向两侧分别设有p1和p2两个引线输出端。
本发明的优点：
1）利用空气桥工艺实现pin二极管阳极和阴极在两个不同维度上的输出，在保证p型半导体层和i型半导体层面积的前提下，实现两个pin二极管并联的效果；
2）增加的阴极输出使二极管的接地通孔由一个增加至两个，进一步减小了并联阻抗；
3）并联二极管的结构的变化导致n层面积增大，但是由于是并联到地的二极管，n层增大的面积增大了阴极对地的寄生电容，这进一步减小了对地的阻抗；
4）阻抗的减小有利于保证开关在关断时的隔离度；
5）二极管关闭时，增加的寄生电容、电阻对开关的插损影响较小。
附图说明
附图1是pin工艺单刀双掷功率开关电路拓扑结构图。
附图2（a）～2（b）是传统的gaaspin二极管结构示意图，其中图2（a）是平面结构示意图，图2（b）是垂直结构示意图。
附图3（a）～3（c）是应用于高频开关单片电路的pin二极管结构示意图，其中图3（a）是平面结构示意图，图3（b）是x方向剖面垂直结构示意图，图3（c）是y方向剖面垂直结构示意图。
附图4（a）～4（b）是pin二极管并联模型结构图，其中图4（a）是传统pin二极管并联模型结构图，图4（b）是应用于高频开关单片电路的pin二极管并联模型结构图。
附图5是并联模型二极管测试结果图。
附图6是pin二极管单刀双掷开关电路仿真结果图。
具体实施方式
如图3（a）～3（c）所示，一种应用于高频开关单片电路的pin二极管，其结构包括gaas衬底、p型半导体层（阳极）、i型半导体层、n型半导体层（阴极），其中gaas衬底的表面自下而上依次设置n型半导体层、i型半导体层、p型半导体层；其特征在于，所述的n型半导体层在gaas衬底的y方向两侧分别设有n1和n2两个引线输出端，p型半导体层在gaas衬底的x方向两侧分别设有p1和p2两个引线输出端。
所述的p1引线输出端和p2引线输出端通过穿越p型半导体层顶端的空气桥连接；改变结构后的单个pin二极管阳极引线由单端变为双端，阴极引线输出端也变成两个，从原理上用一个二极管实现了两个二极管并联的效果；同时由于该二极管并联到地时可以使用双侧接地，在gaas电路中利用两个接地通孔，进一步减小了接地通孔的对地电感。
其制作方法，包括如下工艺步骤：
1）在制作之前，先通过mbe或mocvd外延生长方法在gaas晶圆表面自下向上分别生长n型半导体层、i型半导体层、p型半导体层；
2）工艺开始后，首先在p型半导体层表面形成p型接触金属，然后用p型掩膜将p型金属表面覆盖，并进行垂直方向的刻蚀，将非掩膜区的p型半导体层和i型半导体层全部刻蚀掉，刻蚀到n型半导体层时停止，形成pi垂直台面；
3）进行n型半导体层表面接触金属的形成，完成后将整个二极管区域用保护胶覆盖，并继续对非保护区进行刻蚀，直到将非保护区的n型半导体层全部刻蚀掉，形成二极管台面；
4）刻蚀完成后，将二极管表面的保护胶去除，并通过接触孔工艺将p型金属和n型金属表面的介质开孔，露出接触金属；然后，在需要架桥的位置铺设桥胶，桥胶一直铺设到gaas表面，并进入电镀工艺，电镀金属为3um厚的au；
5）电镀完成后，将桥胶去除，在gaas表面和二极管台面间形成金属空气桥，与p型金属及台面连接的金属即为二极管的阳极，与n型金属连接的金属即为二极管的阴极，其输出端均铺设于gaas表面；至此，pin二极管制作完成。
改变二极管结构后的性能提升可以通过电路模型来说明。如图4（a）～4（b）所示，lp为阳极（p型半导体层）的引线电感；rp为阳极的串联电阻；ri为i型半导体层的串联电阻，阻值由电压/电流偏置决定；cs为阳极和阴极之间的结电容，其容值主要有i型半导体层厚度决定；rn为阴极（n型半导体层）的串联电阻；ln为阴极的引线电阻；csub为阴极对地的寄生电容；lv为二极管外部接地通孔的寄生电感，因二极管并联到地时通常都是阴极接地，因此在模型中常将接地通孔的寄生电感一起进行设计仿真。
从模型上可以看出本发明提出的改进结构的并联二极管比传统并联二极管的优势：1）增加一个并联到地的支路，阴极对地的寄生电阻和感性器件通过并联实现了阻抗减半，n型半导体层面积的增大则引起并联的容性寄生器件增加，进一步减小了对地的阻抗，有利于提高开关隔离度；2）p型半导体层和i型半导体层面积不变，pin二极管内部本征的阻抗没有发生根本性变化，pin结电容也不会发生变化；3）由于p型半导体层的面积没有减小，增加的阳极引线电感影响不大，并且能够在电路设计中将其作为整体匹配电路设计，不会引起电路插损的增加。
图5是对结面积为15×15μm2的单个并联pin二极管插损和隔离度的测试结果。并联pin二极管关断时，测试通路则呈插损状态，此时ri很大，而cs很小，并联后的阻抗远高于电路中串联着的其他寄生阻抗，因此本发明中的改进结构的并联pin二极管总阻抗与传统结构的并联pin二极管总阻抗基本相同，插损没有明显差别；
当并联pin二极管导通时，测试通路则呈隔离状态，此时ri很小，cs的阻抗可以忽略，随着频率的升高，本发明中的改进结构的并联pin二极管的总阻抗仅有传统结构的并联pin二极管总阻抗1/2，因此通路的隔离度更大。从隔离度对比数据可以看出，在频率很低时两种结构的隔离度基本相同，本发明改进结构的并联pin二极管更适合在高频应用，频率越高优势越明显。
图6是改进结构的并联pin二极管在单刀双掷开关中的应用仿真结果对比。利用图1的拓扑结构设计了一个20-40ghz频段的单刀双掷开关，选用的pin二极管结面积为15×15μm2。从图6的仿真结果可以看出，本发明所设计的并联pin二极管在电路应用中性能明显优于传统并联pin二极管的性能，除了隔离度的优势外，随着频率的升高，其插损性能的优势也有逐步显现，主要克服了传统pin二极管中单刀双掷开关在高频下关断支路的隔离度退化影响导通支路的插损性能的缺陷。因此，本发明可在现有的工艺基础上有效的提升pin高频单刀双掷开关在高频率下工作的性能，满足毫米波频段的应用。