开关设备、操作开关设备的方法和制造开关设备的方法与流程

1.本技术涉及开关设备以及用于操作和制造开关设备的方法。


背景技术：

2.根据5g标准，对使用高频的射频(rf)应用(诸如雷达感测和移动通信)的技术要求正在增加。特别地，与最先进的cmos开关相比具有改进特性的开关将需要满足未来的需求。相变开关被认为是用于切换rf信号的有希望的候选。这种相变开关使用相变材料(pcm)，该pcm通常在晶相状态下比在无定形状态下表现出更高的电导率。通过改变相变材料的相状态，可以接通或断开包括这种材料的开关设备。
3.例如，为了将相状态从无定形态变为晶态，通常采用加热器加热相变材料，从而导致结晶。这种接通也称为开关设备的置位操作。在该置位操作中，加热器被致动以使得相变材料的温度高于其结晶温度(通常约250℃)，但低于通常例如在600℃至900℃范围内的熔融温度。由加热器引起的加热脉冲的长度被选择以使得存在于pcm中的任何无定形区域都可以重新长成晶相状态。
4.当断开开关设备时，也称为复位操作，加热器被致动以使得pcm的温度升高到高于熔化温度(例如，高于约600℃至900℃)，然后是快速冷却，以将相变材料冻结成无定形状态。
5.除了预期的切换，还可能发生这种开关设备的无意切换，例如由于过压情况。这种过压情况可能例如由静电放电(esd)事件引起。
6.在这种静电放电事件中的高压放电(例如，在千伏范围内)可能会导致相变材料的加热，从而导致状态的意外切换或将开关设置为混合状态，在该混合状态下，pcm的一部分是结晶的，而部分是无定形的。虽然通常通过专用esd保护电路装置来保护电路免受esd事件的影响，但这对于射频应用来说很难实现，因为提供耦合到相变开关的这种esd保护电路装置可能会对开关的射频行为产生不利影响。
7.在启动包括相变开关的系统时存在相关问题。在这种情况下，相变开关的状态可能是未知的，并且可能需要通过施加对应加热来使相变开关达到期望状态，如上所述。这花费时间，在系统中引起热量，消耗电流，并且不利于定义开关设备的寿命的开关周期数。


技术实现要素：

8.提供了根据权利要求1中定义的设备、根据权利要求10中定义的方法和根据权利要求14中定义的方法。从属权利要求定义了另外的实施例。
9.根据一个实施例，提供了一种设备，该设备包括：
10.相变开关，包括相变材料和加热器，
11.存储器，被配置为存储相变开关的目标状态，以及
12.控制器，被配置为确定相变开关的状态，将所确定的状态与目标状态进行比较，并且如果相变开关的状态与目标状态不对应，则控制相变开关的加热器将相变开关的状态改
变为目标状态。
13.根据另一实施例，提供了一种方法，该方法包括：
14.确定包括相变材料和加热器的相变开关的状态，
15.将所确定的状态与所存储的目标状态进行比较，以及
16.在所确定的状态与目标状态不对应的情况下，将相变开关的状态改变为目标状态。
17.根据另一实施例，提供了一种方法，该方法包括：
18.形成包括相变材料和加热器的相变开关，以及
19.与相变开关同时形成包括另外的相变材料和另外的加热器的相变存储器。
20.以上概述仅旨在给出一些实施例的简要概述，而不应当被解释为以任何方式进行限制。
附图说明
21.图1是根据一个实施例的设备的框图；
22.图2是示出根据一个实施例的设备的图；
23.图3是示出根据一个实施例的用于操作开关设备的方法的流程图；
24.图4是示出根据一些实施例的用于制造开关设备的方法的流程图；以及
25.图5是示出示例相变材料的行为的图。
具体实施方式
26.在下文中，将参考附图详细描述各种实施例。以下描述的实施例仅作为示例而不应当解释为限制。例如，虽然在实施例中提供了特定布置或部件，但在其他实施例中可以使用其他配置。
27.除了明确示出和描述的特征(例如，部件、元件、动作、事件等)，在其他实施例中可以提供附加特征，例如在使用相变材料的常规开关设备中使用的特征。例如，本文中描述的实施例涉及监测基于相变材料的开关的状态以及其他部件和特征，例如用于控制加热器的控制电路装置、使用开关设备的射频(rf)电路装置等可以以常规方式实现。这种附加部件可以与所描述的开关设备集成在同一衬底上，但也可以例如单独设置在一个或多个单独的芯片管芯上，然后，在一些实现中可以与开关设备在公共封装中组合。此外，诸如在诸如硅衬底等衬底上提供相变材料以实现相变开关、在硅衬底中的沟槽中提供相变材料等的结构实现可以以任何常规方式进行。
28.基于相变材料(pcm)的开关在本文中将被称为相变开关或短路pcm开关。如介绍部分所解释的，这种相变开关可以被设置为晶相状态或无定形相状态，从而改变相变材料的电阻并且因此改变开关的电阻达若干数量级。图5中示出了一个说明性示例。图5示出了示例相变材料的电阻随温度的变化。在无定形相状态下，示例电阻较高，高于107欧姆。通过曲线部分50所示的至约250℃的加热，相变材料可以进入晶相，在这种情况下进入面心立方(fcc)晶相，如曲线部分所示51，该晶相在冷却时被保存。在这种情况下，电阻低于104欧姆，即，低三个数量级以上。通过将相变材料的适当尺寸(长度和宽度)用于pcm开关，可以实现例如在1至100欧姆的范围内的开关的导通电阻。
29.关于实施例中的一个而描述的实现细节也适用于其他实施例。例如，关于图1，描述了可能的相变材料和用于加热器的材料，并且这些也可以用于本文中描述的其他实施例中，因此将不再重复描述。
30.现在转向附图，图1示出了根据通过实施例的开关设备。
31.图1包括相变开关15，相变开关15包括相变材料10和加热器11。相变材料10耦合在第一射频端子rf1与第二射频端子rf2之间，以选择性地将射频端子rf1耦合到射频端子rf2。在其他实施例中，可以使用非射频信号。在这方面，射频是指频率至少为1mhz(例如，高于100mhz，例如，在千兆赫(ghz)范围内)的信号。相变开关15可以例如用在天线调谐应用中，以选择性地将电容或电感耦合到天线。
32.通过耦合在rf端子rf1与rf2之间，射频开关15易于经历过电压，例如由于上述天线处或以其他方式发生在rf端子rf1或rf2处的静电放电(esd)。此外，如介绍部分所解释的，通过常规esd保护电路装置保护相变开关15可能对开关设备15的射频特性产生负面影响，因此在一些应用中是不可取的。
33.可用相变材料10的一个示例是碲化锗。加热器11可以由诸如多晶硅或钨等材料制成。加热器11由控制器13控制以在晶相状态与无定形相状态之间切换相变材料10，如上面关于图5所解释的。这可以响应于提供给控制器13的控制信号ctrl来完成。如上所述，该控制可以以任何常规方式执行。
34.除了该常规控制，控制器13还被配置为监测相变材料10的状态并且因此监测相变开关15的状态。对于该监测，可以使用连接16a、16b向相变材料10施加电压，并且可以测量对应电流。在其他实施例中，可以经由连接16a、16b施加预定电流，并且可以测量相变材料10上的电压降。所施加的电压或电流以及所测量的电压或电流可以是经由射频去耦元件12a、12b施加以及测量的dc电压和电流。例如，射频去耦元件12a、12b可以是电感器，该电感器对rf信号表现出高阻抗，但对dc信号表现出低阻抗，射频去耦元件12a、12b也可以是高欧姆电阻器。以这种方式，在一些实施例中控制器13的监测不会显著影响相变开关15的射频操作，即，射频端子rf1和rf2的选择性耦合。尽管在上述示例中使用dc电压和电流，但在其他实施例中，还设计了频率低于射频信号相变开关15的频率的ac电流。
35.例如，如果相变开关15被设计为在ghz范围内切换rf信号，以用于监测具有至少1/10或1/100的频率的状态测量信号(如以上电流和电压)，则例如1可以使用mhz或更低。这种不同频率使得能够设计出阻止射频信号但让测量信号通过的射频去耦元件12a、12b，例如作为截止频率在rf信号的频率与测量信号的频率之间的低通滤波器(电感器是一个简单示例)。
36.通过这种监测，可以测量相变开关15的状态(置位或复位)。例如，相变开关15可以被设计为具有1欧姆的导通电阻以及1至200千欧之间的断开电阻。通过以上测量，可以由控制器13确定电阻(接通、断开或甚至中间)。
37.相变开关15的目标状态存储在耦合到控制器13的存储器14中。目标状态是相变开关15旨在处于的状态(置位或复位)，例如由控制信号ctrl确定。
38.存储器14可以是任何种类的合适的存储器。在实施例中，存储器14是非易失性存储器。例如，存储器14可以包括闪存。在一些实现中，存储器14可以包括相变存储器。相变存储器是本质上对应于相变开关的存储器，其中相变材料的状态(置位或复位)对应于存储器
中存储的值(例如，1或0)。在作为相变存储器的实现的情况下，存储器14可以与相变开关15同时制造，即，在相同处理阶段期间。应当注意，在很多实现中，相变存储器不需要单独的加热器，而是直接加热，例如也可以使用通过相变材料的加热电流。
39.控制器13可以将所测量的相变开关15的状态与存储在存储器14中的目标状态进行比较。在存在偏差(即，相变开关15的状态与目标状态不对应)的情况下，控制器13可以控制加热器11将相变开关15置位或复位到目标状态。
40.在一些实施例中，由控制器13对相变开关15的状态的监测可以是连续的。在这种情况下，控制器13可以例如在每次控制信号ctrl指示目标状态的改变时，更新存储器14中的目标状态。
41.这种监测的第一应用示例(特别是在连续监测的情况下)是针对相变开关15的不希望的状态变化的保护。如上所述，这种不希望的变化可能是由于端子rf1或rf2处的静电放电引起的，从而导致相变材料10的加热，并且因此可以改变相变开关15的相状态。然后可以由控制器13检测这种无意的状态变化，并且在检测到时，相变开关15可以进入由存储器14指示的目标状态。
42.另外地或备选地，存储器14可以存储用于启动包括相变开关15的设备的目标状态。通常，在这样的启动时，所使用的相变开关的状态是不确定的，并且所有开关都需要被置位或复位，这会消耗能量并且导致发热。在实施例中，控制器13确定启动时相变开关15的状态是否对应于存储在存储器14中的目标状态，并且仅在偏离的情况下(即，在相变开关15尚未处于目标状态的情况下)控制加热器使相变开关15进入目标状态。以这种方式，仅当相变开关15的状态不同于目标状态时才需要切换。在一些实施例中，这可以降低功耗，以及降低开关的循环速率(减少切换事件)，这可以延长相变开关15的寿命。
43.在这种情况下，不需要执行连续监测，而可以仅在启动时由控制器13监测相变开关15的状态。
44.应当注意，这两种方式可以结合使用，即，存储器14既可以存储用于启动的目标状态，也可以存储在正常操作期间的目标状态(后者例如基于控制信号ctrl)，并且监测可以在启动时以及在正常操作期间被连续执行。除了连续监测，还可以定期或不定期地进行监测。
45.应当注意，虽然相变开关15可能容易发生如上所述的静电放电事件，但即使存储器14使用相变材料实现，它也可以通过常规esd保护电路装置与设备的其他部分(例如，示例控制器13)一起免受静电放电事件的影响，因为存储器14不需要切换射频信号，并且因此与相变开关15相比，这里不考虑esd保护电路装置对任何rf性能的影响。
46.图2示出了根据另外的实施例的设备。为避免重复，在描述图2的设备时，相似部分将参考图1的描述。
47.如图所示，图2的实施例包括在射频端子rf1、rf2、rf3之间以单刀双掷(spdt)配置提供的两个相变开关20a、20b。单刀双掷表示例如rf端子rf2可以通过相应地操作相变开关20a和20b而选择性地耦合到rf端子rf1、rf端子rf3或rf端子rf1和rf3两者。例如，这种配置有时用于天线调谐应用或其他rf应用。spdt配置只是一个示例，也可以使用其他开关配置，如一般的单刀多掷(图2的示例中的多为双，但也可以为三等)、基本上如图所示图1的单刀单掷(spst)、双刀双掷(dpdt)等。
48.每个相变开关20a、20b包括相变材料和加热器，如针对图1的相变开关15所解释的，加热器由控制器(图2中未完全示出，参见图1的控制器13)控制以置位或复位相应相变开关20a、20b。
49.对于相变开关20a，提供了用于存储相变开关20a的目标状态的相变存储器23a，而对于相变开关20b，提供了用于存储相变开关20b的目标状态的相变存储器23b。目标状态的这种存储可以如针对图1的存储器14所解释的那样执行。
50.可以是如控制器13等控制器的一部分的比较器电路22a经由去耦电感器21a、21b耦合到相变开关20a，去耦电感器21a、21b是去耦元件12a、12b的示例。比较器电路22a经由电感器21a、21b向相变开关20a提供dc电压或dc电流中的一项，并且测量dc电压和dc电流中的另一项，如图1中的控制器13已经说明的。同样，比较器电路22a向相变存储器23a提供dc电压或dc电流中的一项，并且测量dc电压或dc电流中的另一项，以读出相变存储器23a。比较器电路22a然后比较这两个测量，这对应于将相变开关20a的相变状态与相变存储器23a中存储的目标状态进行比较，并且将结果提供给例如图1的控制器13等控制器的其他部分。如针对图1所解释的，在状态不同于目标状态的情况下，控制器可以控制相变开关20a的加热器将相变开关20a设置为目标状态。如关于图1所解释的，这可以在启动时进行、在正常操作期间连续地或间断地进行、或这两者。
51.以类似的方式，对于相变开关20b，提供了比较器电路22b、相变存储器23b以及耦合在比较器电路22b与相变开关20b之间的电感器21c、21d，它们起到与用于相变开关20a的比较器电路22a、相变存储器23a、以及电感器21a和21b相同的功能，并且因此将不再详细描述。
52.虽然图2中示出了两个相变开关20a、20b，但是也可以使用更多的相变开关，相应地具有更多数目的比较器电路以及相变存储器和电感器。代替如针对图1的存储器14所解释的相变存储器23a、23b，可以提供其他类型的存储器。例如，可以提供存储相变开关20a和相变开关20b两者的目标状态的闪存。
53.电感器21a至21d的尺寸被设计成使得电感器21a至21d针对该设备打算用于的射频具有足够高的阻抗，使得相变开关21a、21b的射频切换操作基本上不受监测的影响。应当注意，在其中仅在启动时执行监测的实施例中，可以省略rf去耦元件12a、12b和对应的电感器21a至21d。这同样适用于其中例如仅在不使用相变开关20a、20b的rf开关操作的时间期间不连续地执行监测的设备，例如在不存在或不处理射频信号的情况下。
54.图3示出了根据一些实施例的方法。
55.图3的方法可以使用图1和图2所示的设备来实现，并且为了避免重复，将参考图1和图2进行说明。然而，应当理解，图3的方法也可以使用其他设备来实现。
56.在30处，图3的方法包括确定相变开关的状态。该确定可以如参考图1和图2所解释的那样进行，即，通过向相变开关的相变材料施加dc电压或dc电流中的一项并且测量dc电压和dc电流中的另一项。
57.在31处，该方法包括将所确定的状态与所存储的目标状态(例如，存储在图1的存储器14或图2的相变存储器23a或23b中)进行比较。如果状态相等，则在连续监测的情况下，30处的确定和31处的比较是连续执行的。例如，如果该方法仅在启动时执行，如果状态相等，则该方法结束，然后是正常操作。
58.如果状态不相等，则在32处，该方法包括通过相应地控制如图1的加热器11等加热器来将相变开关的状态改变为目标状态。在32之后，在连续监测的情况下，重复30处的确定和31处的比较。否则，例如，如果该方法仅在启动时执行，则在32之后，该方法终止，然后是正常操作。
59.图4是示出根据实施例的用于制造开关设备的方法的流程图。例如，图4的方法可以用于制造图1和图2的开关设备。然而，图4的方法也可以用于制造其他开关设备，包括不使用如上面参考图1至图3所解释的相变开关的状态的监测的开关设备。
60.在40处，该方法包括形成相变开关。这种形成可以包括沉积相变材料、沉积加热器材料以及使相变材料与加热器材料电接触。
61.在41处，该方法包括与相变切换同时(即，在同一处理切换期间)形成相变存储器。例如，在40处，用于相变存储器的相变材料可以在与相变开关的相变材料相同的处理步骤中沉积，如果相变存储器需要(如上所述，并非一定如此)，则可以在相同的工艺步骤中沉积加热器材料，可以在相同的工艺步骤中形成触头，可以在相同的步骤中执行结构化，等等。以这种方式，一些实施例中，相变开关以及相变存储器的有效制造是可能的。
62.一些实施例由以下示例定义：
63.示例1.一种设备，包括：
64.相变开关，包括相变材料和加热器，
65.存储器，被配置为存储相变开关的目标状态，以及
66.控制器，被配置为确定相变开关的状态，将所确定的状态与目标状态进行比较，并且如果相变开关的状态与目标状态不对应，则控制相变开关的加热器将相变开关的状态改变为目标状态。
67.示例2.根据示例1的设备，其中存储器包括相变存储器，相变存储器包括另外的相变材料。
68.示例3.根据示例1或2的设备，其中为了确定相变开关的状态，控制器被配置为向相变开关的相变材料施加电压和电流中的一项并且响应于施加而测量电压和电流中的另一项。电压和电流可以是dc电压和电流，也可以是频率更小的ac电压和电流，例如，是在正常操作中由相变开关切换的信号(例如，rf信号)的频率的至少1/10、1/100或更小。
69.示例4.根据示例1至3中任一项的设备，其中控制器经由至少一个射频去耦元件耦合到相变开关。这种经由射频去耦元件进行的耦合可以用于通过经由射频去耦元件来传输例如根据示例3的电流或电压来确定相变开关的状态。
70.示例5.根据示例4的设备，其中射频去耦元件包括电感器。
71.示例6.根据示例1至5中任一项的设备，其中控制器被配置为在设备的操作期间连续地执行确定和比较。
72.示例7.根据示例1至6中任一项的设备，其中控制器被配置为在设备的启动时执行确定和比较。
73.示例8.根据示例1至7中任一项的设备，其中相变开关是被配置为切换射频信号的射频开关。
74.示例9.根据示例8的设备，其中相变开关以单刀多掷配置与另外的相变开关耦合。
75.示例10.一种方法，包括：
76.确定包括相变材料和加热器的相变开关的状态，
77.将所确定的状态与所存储的目标状态进行比较，以及
78.在所确定的状态与目标状态不对应的情况下，将相变开关的状态改变为目标状态。
79.示例11.根据示例10的方法，其中确定状态包括向相变材料施加电压和电流中的一项，并且响应于施加而测量电压和电流中的另一项。电压和电流可以是dc电压和电流，也可以是频率更小的ac电压和电流，例如，是在正常操作中由相变开关切换的信号(例如，rf信号)的频率的至少1/10、1/100或更小。
80.示例12.根据示例10或11的方法，其中方法在包括相变开关的设备的操作期间被连续执行。
81.示例13.根据示例10至12中任一项的方法，其中方法在包括相变开关的设备的启动时被执行。
82.示例14.一种方法，包括：
83.形成包括相变材料和加热器的相变开关，以及
84.与相变开关同时形成包括另外的相变材料的相变存储器。
85.示例15.根据示例14的方法，其中方法适于制造示例1至10中任一项的设备。
86.尽管本文中已经说明和描述了特定实施例，但是本领域普通技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以用各种备选和/或等效实现替代所示出和描述的特定实施例。本技术旨在涵盖本文中讨论的特定实施例的任何修改或变化。因此，本发明旨在仅由权利要求及其等效物限制。