CN102735928B - 基于微机械砷化镓基的悬臂梁频率检测器及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微机械砷化镓基的悬臂梁频率检测器及检测方法，该频率检测器包括功率分配器（PD）、移相器(PS)、低通滤波器(F)和砷化镓金属半导体场效应管，功率分配器，用于接收待侧微波信号，并将该待侧微波信号分成幅度、相位相同的两个支路信号。本发明提供的检测方法包括如下步骤，当在下拉电极（8）加载直流偏置时，悬臂梁（6）被下拉且与栅极（4）接触时，两路微波信号同时加载到栅极（4）上，从而改变源极（2）漏极（3）之间的饱和电流大小；通过一个电容和滤波器之后，检测源极（2）漏极（3）饱和电流的大小最终实现频率的测量。本发明低直流功耗，易测量。

Description

基于微机械砷化镓基的悬臂梁频率检测器及 检测方法

技术领域

本发明提出了基于微机械砷化镓基的悬臂梁频率检测器及制备方法，属于微电子机械系统（MEMS）的技术领域。

背景技术

在微波技术研究中，作为表征信号的三大参数（幅度、相位和频率）之一的频率是微波信号的一个重要参数。微波信号频率检测系统在军事、商业和科学研究等方面都有极其广泛的应用。现有的微波频率检测技术主要基于外差法、计数法和谐振法原理，它们具有精度高和宽频带的优点，但其最大的缺点是需要比较精密的测量仪器。随着科学技术的发展，现代个人通信系统和雷达系统要求越来越高，具有简单的结构，小的体积以及小的直流功耗的微波频率检测器成为一种趋势。近年来，随着MEMS技术的快速发展，并对MEMS悬臂梁结构进行了深入的研究，使基于微机械砷化镓基的悬臂梁技术实现上述功能的微波频率检测器成为可能。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种基于微机械砷化镓基的悬臂梁频率检测器及检测方法，通过下拉电极控制MEMS悬臂梁与MESFET（金属半导体场效应管）上栅极的断开和接触，使待测的微波信号经过功分器和移相器之后共同加载到MESFET的栅极上，通过检测源漏极饱和电流的大小，从而推断出待测信号的频率。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于微机械砷化镓基的悬臂梁频率检测器，该频率检测器包括

功率分配器、移相器、低通滤波器和砷化镓金属半导体场效应管，

功率分配器，用于接收待侧微波信号，并将该待侧微波信号分成幅度、相位相同的两个支路信号，即第一路微波信号和第二路微波信号，并分别输出给砷化镓金属半导体场效应管和移相器；

移相器，用于接收所述第二路微波信号，使该信号产生一个与频率成正比的相移后，输出第三路微波信号给砷化镓金属半导体场效应管；

低通滤波器，用于通过隔直电容与砷化镓金属半导体场效应管相连，滤去其输出的高频信号，得到与频率相关的电流信号；

砷化镓金属半导体场效应管，用于实现频率的测量，其中，

砷化镓金属半导体场效应管包括砷化镓衬底，生长在砷化镓衬底表面上的用于输出饱和电流的源极和漏极，源极与漏极相对设置，设置在源极和漏极之间栅极，设置在在该栅极上方且与栅极相对的悬臂梁，悬臂梁的一端分别与悬臂梁锚区相连；

在栅极与固定梁锚区之间设有下拉电极，下拉电极被绝缘介质层覆盖；

源极接地，漏极接正电压；源极和漏极之间通过N型沟道连通，电流方向由漏极到源极；源极和漏极由金和N型重掺杂区形成欧姆接触区构成；

栅极由金与N型薄层形成的肖特基接触区构成，栅极接负电压，其用于调整N型沟道耗尽层的宽度，改变源极漏极之间的饱和电流的大小；

功率分配器输出的第一路微波信号输出给悬臂梁锚区的一端；

移相器的第三路微波信号输出给砷化镓 金属半导体场效应管结构的悬臂梁锚区的另一端。

本发明还提供了一种基于微机械砷化镓基的悬臂梁频率检测方法，该方法包括如下步骤：

源极和漏极用于输出饱和电流，由金和N型重掺杂区形成欧姆接触区构成；当砷化镓金属半导体场效应管正常工作情况下，源极接地，漏极接正电压，N型沟道中的电子将从源极流向漏极，电流方向由漏极到源极，栅极由金与N型薄层形成的肖特基接触区构成，接负电压；

待测微波信号经过功率分配器分成幅度、相位完全相同的两个支路信号，一路信号连接到悬臂梁锚区，另一路信号经过一个线性移相器之后连接到悬臂梁锚区；当下拉电极上没有直流偏置时，悬臂梁位于栅极上方，砷化镓金属半导体场效应管处于非频率检测状态；

当在下拉电极加载直流偏置时，悬臂梁被下拉且与栅极接触时，两路微波信号同时加载到栅极上，从而改变源极漏极之间的饱和电流大小；通过一个电容和滤波器之后，检测源极漏极饱和电流的大小最终实现频率的测量。

有益效果：本发明的基于微机械砷化镓基的悬臂梁频率检测器不但具有尺寸较小，结构新颖，易于测量的优点，而且具有低直流功耗，易于集成以及与GaAs单片微波集成电路兼容的优点。

附图说明

图1是基于微机械砷化镓基的悬臂梁频率检测器的俯视图；

图2是基于微机械砷化镓基的悬臂梁频率检测器的A-A剖面图；

图3是基于微机械砷化镓基的悬臂梁频率检测器的B-B剖面图；

图中包括：GaAs衬底1，源极2，漏极3，栅极4，N型沟道

5，MEMS悬臂梁6，MEMS悬臂梁的锚区7，MEMS悬臂梁的下拉电极8，氮化硅介质层9，连接线10，直流偏置压焊块11，微波输入压焊块12，微波输入压焊块13。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

参见图1-3，本发明提供的基于微机械砷化镓基的悬臂梁频率检测器，该频率检测器包括

功率分配器PD、移相器PS、低通滤波器F和砷化镓金属半导体场效应管结构，

功率分配器，用于接收待侧微波信号，并将该待侧微波信号分成幅度、相位相同的两个支路信号，即第一路微波信号和第二路微波信号，并分别输出给砷化镓金属半导体场效应管结构和移相器；

移相器，用于接收所述第二路微波信号，使该信号产生一个与频率成正比的相移后，输出第三路微波信号给砷化镓金属半导体场效应管结构；

低通滤波器，用于通过隔直电容与砷化镓金属半导体场效应管结构相连，滤去其输出的高频信号，得到与频率相关的电流信号；

砷化镓金属半导体场效应管结构，用于实现频率的测量，其中，

砷化镓金属半导体场效应管结构包括砷化镓衬底1，生长在砷化镓衬底1表面上的用于输出饱和电流的源极2和漏极3，源极2与漏极3相对设置，设置在源极2和漏极3之间栅极4，设置在在该栅极4上方且与栅极4相对的悬臂梁6，悬臂梁6的一端分别与悬臂梁锚区7相连；

在栅极4与固定梁锚区7之间设有下拉电极8，下拉电极8被绝缘介质层9覆盖；

源极2接地，漏极3接正电压；源极2和漏极3之间通过N型沟道5连通，电流方向由漏极3到源极2；源极2和漏极3由金和N型重掺杂区形成欧姆接触区构成；

栅极4由金与N型薄层形成的肖特基接触区构成，栅极4接负电压，其用于调整N型沟道5耗尽层的宽度，改变源极2漏极3之间的饱和电流的大小；

功率分配器输出的第一路微波信号输出给悬臂梁锚区7的一端；

移相器的第三路微波信号输出给砷化镓MESFET结构的悬臂梁锚区7的另一端。

本发明还提供了一种基于微机械砷化镓基的悬臂梁频率检测方法，该方法包括如下步骤：

源极2和漏极3用于输出饱和电流，由金和N型重掺杂区形成欧姆接触区构成；当砷化镓金属半导体场效应管正常工作情况下，源极2接地，漏极3接正电压，N型沟道中的电子将从源极2流向漏极3，电流方向由漏极3到源极2，栅极4由金与N型薄层形成的肖特基接触区构成，接负电压；

待测微波信号经过功率分配器PD分成幅度、相位完全相同的两个支路信号，一路信号连接到悬臂梁锚区7，另一路信号经过一个线性移相器之后连接到悬臂梁锚区7；当下拉电极8上没有直流偏置时，悬臂梁6位于栅极4上方，砷化镓金属半导体场效应管处于非频率检测状态；

当在下拉电极8加载直流偏置时，悬臂梁6被下拉且与栅极4接触时，两路微波信号同时加载到栅极4上，从而改变源极2漏极3之间的饱和电流大小；通过一个电容和滤波器之后，检测源极2漏极3饱和电流的大小最终实现频率的测量。

本发明的基于微机械砷化镓基的悬臂梁频率检测器以GaAs为衬底，主要包括两个部分：MESFET和MEMS悬臂梁结构。其中，MESFET包括源极、漏极、栅极和N型沟道；MEMS悬臂梁结构包括MEMS悬臂梁、梁的锚区和下拉电极：

源漏极用于检测饱和电流的大小，由金和N型重掺杂区形成欧姆接触区构成。当MESFET正常工作情况下，源极接地，漏极接正电压，N型沟道中的电子将从源极流向漏极，电流方向由漏极到源极。

栅极由金与N型薄层形成的肖特基接触区构成，栅极接负电压。负极性栅极的作用是调整沟道耗尽层的宽度，改变源漏极之间的饱和电流的大小。

该频率检测器具有一个MEMS悬臂梁结构，它位于栅极上方，下拉电极位于悬臂梁的下面，分布在栅极与锚区之间的衬底上，绝缘的介质氮化硅覆盖在下拉电极上。待测的微波信号经过一个标准功分器之后，分成幅度、相位完全相同的两个支路信号，分别连接到相应的压焊块上。当下拉电极上没有直流偏置时，MESFET源漏极之间的饱和电流不变；当在下拉电极上加载直流偏置将MEMS悬臂梁下拉与栅极接触时，支路一的信号经过移相器之后与支路二的信号通过MEMS悬臂梁同时加载到MESFET的栅极上，从而改变源漏极之间的饱和电流大小。因此，经过一个电容和滤波器之后，通过检测源漏极饱和电流的大小可以最终实现待测微波信号频率的测量。

在GaAs衬底1上设有源极2、漏极3、栅极4、N型沟道5、MEMS悬臂梁锚区7和

下拉电极8。

源极2和漏极3用于检测饱和电流的大小，由金和N型重掺杂区形成欧姆接触区构成。当MESFET正常工作情况下，源极2接地，漏极3接正电压，N型沟道中的电子将从源极2流向漏极3，电流方向由漏极3到源极2。

栅极4由金与N型薄层形成的肖特基接触区构成，栅极4接负电压。负极性栅极4的作用是调整沟道5耗尽层的宽度，改变源极2漏极3之间的饱和电流的大小。

该频率检测器具有一个MEMS悬臂梁结构6，它横跨在栅极4上，下拉电极8位于悬臂梁6的下面，分布在栅极4的两侧，绝缘的介质氮化硅9覆盖在下拉电极8上。待测的微波信号经过一个标准功分器之后，分成幅度、相位完全相同的两个支路信号，分别连接到相应的压焊块12、13上。当下拉电极上没有直流偏置时，MEMS悬臂梁位于up态，MESFET源漏极之间的饱和电流不变；当在下拉电极8上加载直流偏置将MEMS悬臂梁6下拉与栅极4接触时，支路一的信号经过移相器之后与支路二的信号通过MEMS悬臂梁6同时加载到MESFET的栅极4上，从而改变源极2与漏极3之间的饱和电流大小。因此，经过一个电容和滤波器之后，通过检测源极2漏极3饱和电流的大小最终可以实现待测微波信号频率的测量。

基于微机械砷化镓基的悬臂梁频率检测器的制备方法为：

1）准备半绝缘GaAs衬底；

2）注入N型杂质，在GaAs表面形成N型薄层；

3）光刻栅区，去除栅区以外的光刻胶；

4）电子束蒸发钛/铂/金；

5）剥离栅极区域以外的钛/铂/金；

6）加热蒸发的钛/铂/金形成肖特基势垒区，形成栅极；

7）在需要形成源极和漏极的区域注入重掺杂N型杂质，形成N型重掺杂区；

8）对N型重掺杂区快速退火处理；

9）光刻源极和漏极，去除源极和漏极以外的光刻胶；

10）真空蒸发金锗镍/金；

11）剥离源级和漏级区域以外的金锗镍/金；

12）合金化形成欧姆接触，形成源极和漏极；

13）光刻：去除将要保留下拉电极、MEMS悬臂梁的锚区、压焊块和连接线地方的光刻胶；

14）蒸发第一层金，其厚度为0.3μm；

15）剥离下拉电极、悬臂梁锚区、压焊块和连接线以外的金，形成下拉电极、MEMS悬臂梁的锚区、压焊块和连接线；

16）淀积并光刻聚酰亚胺牺牲层：在GaAs衬底上涂覆1.6μm厚的聚酰亚胺牺牲层，要求填满凹坑，聚酰亚胺牺牲层的厚度决定了MEMS悬臂梁与其下方在下拉电极上氮化硅介质层之间的距离；光刻聚酰亚胺牺牲层，仅保留悬臂梁下方的牺牲层；

17）蒸发钛/金/钛，其厚度为500/1500/300Å：蒸发用于电镀的底金；

18）光刻：去除要电镀地方的光刻胶；

19）电镀金，其厚度为2μm；

20）去除光刻胶：去除不需要电镀地方的光刻胶；

21）反刻钛/金/钛，腐蚀底金，形成MEMS悬臂梁；

22）释放聚酰亚胺牺牲层：显影液浸泡，去除MEMS悬臂梁下的聚酰亚胺牺牲层，去离子水稍稍浸泡，无水乙醇脱水，常温下挥发，晾干。

区分是否为该结构的标准如下：

本发明的基于微机械砷化镓基的悬臂梁频率检测器具有一个悬于栅极上方的MEMS悬臂梁，在MEMS悬臂梁下方设计了一个下拉电极。待测的微波信号经过一个标准功分器之后，分成幅度、相位完全相同的两个支路信号，分别连接到相应的压焊块上。当在下拉电极上加载直流偏置时，MEMS悬臂梁被下拉至与栅极相连，支路一的信号经过移相器之后，与支路二的信号通过MEMS悬臂梁同时加载到MESFET的栅极上，从而控制源漏极间的饱和电流的大小，最终实现待测微波信号频率的检测。

满足以上条件的结构即视为本发明的基于微机械砷化镓基的悬臂梁频率检测器。以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (2)

1.一种基于微机械砷化镓基的悬臂梁频率检测器，其特征在于：该频率检测器包括

功率分配器(PD)、移相器(PS)、低通滤波器(F)和砷化镓金属半导体场效应管，

功率分配器，用于接收待测微波信号，并将该待测微波信号分成幅度、相位相同的两个支路信号，即第一路微波信号和第二路微波信号，并分别输出给砷化镓金属半导体场效应管和移相器；

移相器，用于接收所述第二路微波信号，使该信号产生一个与频率成正比的相移后，输出第三路微波信号给砷化镓金属半导体场效应管；

低通滤波器，用于通过隔直电容与砷化镓金属半导体场效应管相连，滤去其输出的高频信号，得到与频率相关的电流信号；

砷化镓金属半导体场效应管，用于实现频率的测量，其中，

砷化镓金属半导体场效应管包括砷化镓衬底(1)，生长在砷化镓衬底(1)表面上的用于输出饱和电流的源极(2)和漏极(3)，源极(2)与漏极(3)相对设置，设置在源极(2)和漏极(3)之间栅极(4)，设置在在该栅极(4)上方且与栅极(4)相对的悬臂梁(6)，悬臂梁(6)的一端与悬臂梁锚区(7)相连；

在栅极(4)与固定梁锚区(7)之间设有下拉电极(8)，下拉电极(8)被绝缘介质层(9)覆盖；

源极(2)接地，漏极(3)接正电压；源极(2)和漏极(3)之间通过N型沟道(5)连通，电流方向由漏极(3)到源极(2)；源极(2)和漏极(3)由金和N型重掺杂区形成欧姆接触区构成；

栅极(4)由金与N型薄层形成的肖特基接触区构成，栅极(4)接负电压，其用于调整N型沟道(5)耗尽层的宽度，改变源极(2)漏极(3)之间的饱和电流的大小；

功率分配器输出的第一路微波信号输出给悬臂梁锚区(7)的一端；

移相器的第三路微波信号输出给砷化镓金属半导体场效应管结构的悬臂梁锚区(7)的另一端。

2.一种如权利要求1所述的基于微机械砷化镓基的悬臂梁频率检测器的悬臂梁频率检测方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

源极(2)和漏极(3)用于输出饱和电流，由金和N型重掺杂区形成欧姆接触区构成；当砷化镓金属半导体场效应管正常工作情况下，源极(2)接地，漏极(3)接正电压，N型沟道中的电子将从源极(2)流向漏极(3)，电流方向由漏极(3)到源极(2)，栅极(4)由金与N型薄层形成的肖特基接触区构成，接负电压；

待测微波信号经过功率分配器(PD)分成幅度、相位完全相同的两个支路信号，一路信号连接到悬臂梁锚区(7)，另一路信号经过一个线性移相器之后连接到悬臂梁锚区(7)；当下拉电极(8)上没有直流偏置时，悬臂梁(6)位于栅极(4)上方，砷化镓金属半导体场效应管处于非频率检测状态；

当在下拉电极(8)加载直流偏置时，悬臂梁(6)被下拉且与栅极(4)接触时，两路微波信号同时加载到栅极(4)上，从而改变源极(2)漏极(3)之间的饱和电流大小；通过一个电容和滤波器之后，检测源极(2)漏极(3)饱和电流的大小最终实现频率的测量。

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