CN102735932B - 基于微机械砷化镓基固支梁的相位检测器及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微机械砷化镓基固支梁的相位检测器及检测方法，该相位检测器包括砷化镓衬底（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；该方法包括如下步骤：在第一下拉电极（81）和第二下拉电极（82）加载直流偏置时，固支梁（6）被下拉且与栅极（4）接触时，待测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相位的测量。本发明体积较小，结构简单，易于测量。

Description

基于微机械砷化镓基固支梁的相位检测器及检测方法

技术领域

本发明提出了基于微机械砷化镓基固支梁的相位检测器及制备方法，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、频率和相位）之一的微波相位是微波信号的一个重要参数。微波信号相位检测系统在相位调制器、相移键控、微波定位、天线相位方向图的测试和近场诊断等方面都有极其广泛的应用。现有的微波相位检测技术是基于二极管和矢量运算原理，它们具有低损耗、高灵敏度和宽频带的优点，然而其最大的缺点是结构复杂。随着微电子技术的发展，现代个人通信系统和雷达系统要求微波相位检测器具有小的体积，简单的结构以及小的功耗。随着MEMS技术的快速发展，并对MEMS固支梁结构进行了深入的研究，使基于微机械砷化镓基固支梁实现上述功能的微波相位检测器成为可能。

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固支梁的相位检测器及检测方法，通过控制MEMS固支梁，使待测微波信号加载到金属半导体场效应管的栅极上，与直接加载到栅极上的参考微波信号共同调整沟道宽度，通过检测源漏极饱和电流的大小最终实现两支微波信号相位的测量。

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固支梁的相位检测器及检测方法，该相位检测器包括

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，在源极和漏极的外侧分别设有第一固支梁锚区，第二固支梁锚区，设置在源极和漏极之间的栅极，设置在在该栅极上方且与栅极对的固支梁，固支梁的两侧分别与第一固支梁锚区，第二固支梁锚区相连；

在栅极与第一固定梁锚区之间设有第一下拉电极，在栅极与第二固定梁锚区之间设有第二下拉电极，第一下拉电极和第二下拉电极分别被绝缘介质层覆盖；

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；

第一待测输入信号输入悬臂粱锚区，第二待测输入信号输入栅极。

本发明还提供了一种基于微机械砷化镓基固支梁的相位检测方法，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GaAs 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；

待测微波信号分别连接到第一固支梁锚区和第二固支梁锚区；当第一下拉电极和第二下拉电极上没有直流偏置时，固支梁位于栅极上方， 砷化镓金属半导体场效应管处于非相位检测状态；

当在第一下拉电极和第二下拉电极加载直流偏置时，固支梁被下拉且与栅极接触时，待测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相位的测量。

有益效果：本发明的基于微机械砷化镓基固支梁的相位检测器不但具有体积较小，结构简单，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固支梁的相位检测器的俯视图；

图2是基于微机械砷化镓基固支梁的相位检测器的A-A剖面图；

图3是基于微机械砷化镓基固支梁的相位检测器的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固支梁6，梁的锚区7，MEMS固支梁的下拉电极8，氮化硅介质层9，连接线10，直流偏置压焊块11，待测微波信号输入压焊块12，参考微波信号输入压焊块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固支梁的相位检测器，该相位检测器包括

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，在源极2和漏极3的外侧分别设有第一固支梁锚区71，第二固支梁锚区72，设置在源极2和漏极3之间的栅极4，设置在在该栅极4上方且与栅极4相对的固支梁6，固支梁6的两侧分别与第一固支梁锚区71，第二固支梁锚区72相连；

在栅极5与第一固定梁锚区71之间设有第一下拉电极81，在栅极5与第二固定梁锚区72之间设有第二下拉电极82，第一下拉电极81和第二下拉电极82分别被绝缘介质层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；

第一待测输入信号输入第一固支梁锚区71和第二固支梁锚区72，第二待测输入信号输入栅极4。

本发明还提供了一种基于微机械砷化镓基固支梁的相位检测方法，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GaAs 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；

待测微波信号分别连接到第一固支梁锚区71和第二固支梁锚区72；当第一下拉电极81和第二下拉电极82上没有直流偏置时，固支梁6位于栅极4上方， GaAs 金属半导体场效应管处于非相位检测状态；

当在第一下拉电极81和第二下拉电极82加载直流偏置时，固支梁6被下拉且与栅极4接触时，待测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相位的测量。

本发明的基于微机械砷化镓基固支梁的相位检测器包括两个部分：MESFET和MEMS固支梁结构。其中，金属半导体场效应管由源极、漏极、栅极和N型沟道组成；MEMS固支梁结构由MEMS固支梁、梁的锚区、下拉电极和介质层组成。该结构制备在GaAs衬底上：

源极和漏极用于检测MESFET饱和电流的大小，由金和N型重掺杂区形成的欧姆接触区构成。MESFET的源极接地，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。参考微波信号通过压焊块和连接线加载到栅极上。

该相位检测器具有一个MEMS固支梁结构，它横跨在栅极上，两个下拉电极位于固支梁的下面，分布在栅极和固支梁锚区之间，绝缘介质氮化硅覆盖在下拉电极上。待测微波信号通过压焊块和连接线与MEMS固支梁锚区相连。当两个下拉电极上没有直流偏置时，MEMS固支梁位于up态；当在两个下拉电极上加载直流偏置将MEMS固支梁下拉与栅极接触时，待测微波信号通过MEMS固支梁加载到栅极上，与参考信号共同作用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，通过检测源漏极饱和电流的大小可以实现两支信号相位的检测。

本文发明的基于微机械砷化镓基固支梁的相位检测器的具体实施方案如下：

在GaAs衬底1上设有源极2、漏极3、栅极4、N型沟道5、MEMS固支梁锚区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。

该相位检测器具有一个MEMS固支梁6，它横跨在栅极4上，两个下拉电极8位于固支梁6的下面，分布在栅极4和固支梁锚区7之间，绝缘的介质氮化硅9覆盖在下拉电极8上。待测微波信号通过压焊块12和连接线10与MEMS固支梁锚区7相连。当两个下拉电极8上没有直流偏置时，MEMS固支梁6位于up态；当在两个下拉电极8上加载直流偏置将MEMS固支梁8下拉与栅极4接触时，待测微波信号通过MEMS固支梁6加载到栅极4上，与参考信号共同作用改变源极2和漏极3之间的饱和电流大小。因此，经过一个电容和滤波器，通过检测源极2漏极3饱和电流的大小可以实现两支信号相位的检测。

基于微机械砷化镓基固支梁的相位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固支梁的锚区、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、固支梁锚区、压焊块和连接线以外的金，形成下拉电极、MEMS固支梁的锚区、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固支梁与其下方

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，仅保留固支梁下方的牺牲层；

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固支梁；

22）释放聚酰亚胺牺牲层：显影液浸泡，去除MEMS固支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固支梁的相位检测器具有MEMS固支梁横跨在栅极上方，在MEMS固支梁下方设计了两个下拉电极。当在下拉电极上加载直流偏置时，MEMS固支梁被下拉与栅极相连，通过压焊块加到MEMS固支梁上的待测微波信号加载到MESFET的栅极上，与直接加载到栅极上的参考微波信号一起控制源漏极间的饱和电流，通过检测饱和电流的大小最终实现两支微波信号相位的检测。

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固支梁的相位检测器。

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固支梁的相位检测器，其特征在于：该相位检测器包括

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，在源极（2）和漏极（3）的外侧分别设有第一固支梁锚区（71），第二固支梁锚区（72），设置在源极（2）和漏极（3）之间的栅极（4），设置在该栅极（4）上方且与栅极（4）相对的固支梁（6），固支梁（6）的两侧分别与第一固支梁锚区（71），第二固支梁锚区（72）相连；

在栅极（4）与第一固支梁锚区（71）之间设有第一下拉电极（81），在栅极（ 4）与第二固支梁锚区（72）之间设有第二下拉电极（82），第一下拉电极（81）和第二下拉电极（82）分别被绝缘介质层（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；

第一待测输入信号输入第一固支梁锚区（71）和第二固支梁锚区（72），第二待测输入信号输入栅极（4）。

2.一种如权利要求1所述的基于微机械砷化镓基固支梁的相位检测器的相位检测方法，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；

待测微波信号分别连接到第一固支梁锚区（71）和第二固支梁锚区（72）； 当第一下拉电极（81）和第二下拉电极（82）上没有直流偏置时，固支梁（6）位于栅极（4）上方，砷化镓金属半导体场效应管处于非相位检测状态；

当在第一下拉电极（81）和第二下拉电极（82）加载直流偏置时，固支梁（6）被下拉且与栅极（4）接触时，待测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相位的测量。