CN102735934B - 基于微机械砷化镓基的悬臂梁相位检测器及检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于微机械砷化镓基的悬臂梁相位检测器，该频率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，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）。检测方法包括当在下拉电极（8）和悬臂梁（6）之间加载直流偏置时，悬臂梁（6）被下拉且与栅极（4）接触时，通过第一压焊块（12）加悬臂梁（6）上的待测微波信号加载到的栅极（4）上，经过一个电容和滤波器之后，通过检测源极（2）和漏极（3）饱和电流的大小最终实现相位的检测。本发明结构简单，易于测量。

Description

基于微机械砷化镓基的悬臂梁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的悬臂梁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，相位是表征微波信号的重要参数之一。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、乘法器和矢量运算原理，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对微波相位检测器的要求也越来越高。简单的结构，小的体积以及小的直流功耗成为微波相位检测器的发展趋势。随着MEMS技术的快速发展，并对砷化镓（GaAs）金属半导体场效应管T结构进行了深入的研究，使基于微机械砷化镓基的悬臂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的悬臂梁相位检测器及检测方法，通过下拉电极控制MEMS悬臂梁，使待测微波信号加载到MESFET的栅极上，与栅极上的参考微波信号共同控制源漏极饱和电流，通过检测饱和电流的大小判定入射信号的相位差。
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相位检测器，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，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，悬臂梁的一端与悬臂梁锚区相连；
在栅极与固定梁锚区之间设有MEMS悬臂梁的下拉电极，MEMS悬臂梁的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；
第一待测输入信号输入悬臂梁锚区，参考信号输入栅极。
本发明还提供了一种基于微机械砷化镓基的悬臂梁相位检测方法，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；当砷化镓金属半导体场效应管T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；栅极用于调整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；栅极通过参考微波信号输入压焊块和连接线与参考微波信号相连；
当MEMS悬臂梁的下拉电极没有直流偏置时，悬臂梁位于栅极上方，源极和漏极之间的饱和电流保持不变；当在MEMS悬臂梁的下拉电极和悬臂梁之间加载直流偏置时，悬臂梁被下拉且与栅极接触时，此时，通过待测微波信号输入压焊块加悬臂梁上的待测微波信号加载到的栅极上，与参考信号共同调整N型沟道的宽度，改变源极和漏极之间的饱和电流大小；经过一个电容和滤波器之后，通过检测源极和漏极饱和电流的大小最终实现相位的检测。
有益效果：本发明的基于微机械砷化镓基的悬臂梁相位检测器不但具有结构简单，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的悬臂梁相位检测器的俯视图；
图2是基于微机械砷化镓基的悬臂梁相位检测器的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悬臂梁6，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，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的悬臂梁相位检测器，该频率检测器包括
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，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MEMS悬臂梁6，MEMS悬臂梁6的一端分别与梁的锚区7相连；
在栅极4与梁的锚区7之间设有MEMS悬臂梁的下拉电极8，MEMS悬臂梁的下拉电极8被氮化硅介质层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梁的锚区7，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的悬臂梁相位检测方法，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；当砷化镓金属半导体场效应管T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；栅极4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；栅极4通过参考微波信号输入压焊块13和连接线10与参考微波信号相连；
当MEMS悬臂梁的下拉电极8上没有直流偏置时，MEMS悬臂梁6位于栅极4上方，源极2和漏极3之间的饱和电流保持不变；当在MEMS悬臂梁的下拉电极8和MEMS悬臂梁6之间加载直流偏置时，MEMS悬臂梁6被下拉且与栅极4接触时，此时，通过待测微波信号输入压焊块12加MEMS悬臂梁6上的待测微波信号加载到的栅极4上，与参考信号共同调整N型沟道5的宽度，改变源极2和漏极3之间的饱和电流大小；经过一个电容和滤波器之后，通过检测源极2和漏极3饱和电流的大小最终实现相位的检测。
本发明的基于微机械砷化镓基的悬臂梁相位检测器主要包括两个部分：MESFET（金属半导体场效应管）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、下拉电极和介质层。该结构制备在GaAs衬底上：
源漏极都由金和N型重掺杂区形成欧姆接触区构成。当GaAsMESFET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，从而改变源漏极之间的饱和电流的大小。栅极通过压焊块和连接线与参考微波信号相连。
该相位检测器具有一个MEMS悬臂梁结构，它悬于栅极上方，下拉电极位于悬臂梁的下面，分布在栅极与悬臂梁锚区之间，绝缘的介质氮化硅覆盖在下拉电极上。当下拉电极和MEMS悬臂梁之间没有直流偏置时，MEMS悬臂梁位于up态，GaAsMESFET源漏极之间的饱和电流保持不变；当在下拉电极和悬臂梁之间加载直流偏置时，MEMS悬臂梁被下拉且与栅极接触时，此时，通过压焊块加到MEMS悬臂梁上的待测微波信号加载到GaAsMESFET的栅极上，与参考信号共同调整沟道宽度，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最终可以实现两支信号相位的检测。
在GaAs衬底1上设有源极2、漏极3、栅极4、N型沟道5、梁的锚区7和MEMS悬臂梁的下拉电极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GaAsMESFET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。栅极4通过参考微波信号输入压焊块13和连接线10与参考微波信号相连。
该相位检测器具有一个MEMS悬臂梁6，它横跨在栅极4上，一个MEMS悬臂梁的下拉电极8位于MEMS悬臂梁6的下面，分布在栅极4的两侧，绝缘的氮化硅介质层9覆盖在MEMS悬臂梁的下拉电极8上。当MEMS悬臂梁的下拉电极8上没有直流偏置时，MEMS悬臂梁6位于up态，GaAsMESFET源极2和漏极3之间的饱和电流保持不变；当在MEMS悬臂梁的下拉电极8和MEMS悬臂梁6之间加载直流偏置时，MEMS悬臂梁6被下拉且与栅极4接触时，此时，通过待测微波信号输入压焊块12加到MEMS悬臂梁6上的待测微波信号加载到GaAs MESFET的栅极4上，与参考信号共同调整N型沟道5的宽度，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之后，通过检测源极2和漏极3饱和电流的大小最终可以实现两支信号相位的检测。
基于微机械砷化镓基的悬臂梁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
Figure GDA0000474085650000051
：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相位检测器具有一个位于栅极上方的MEMS悬臂梁，在MEMS悬臂梁下方设计了一个下拉电极。当在下拉电极上加载直流偏置时，MEMS悬臂梁被下拉且与栅极相连，通过压焊块加到MEMS悬臂梁上的待测微波信号加载到GaAsMESFET的栅极上，与通过压焊块直接加载到栅极上的参考微波信号共同作用调整沟道的宽度，从而控制源漏极间饱和电流的大小，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的悬臂梁相位检测器。
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的悬臂梁相位检测器，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，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）相对的悬臂梁（6），悬臂梁（6）的一端与梁的锚区（7）相连；
在栅极（4）与梁的锚区（7）之间设有MEMS悬臂梁的下拉电极（8），MEMS悬臂梁的下拉电极（8）被氮化硅介质层（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梁的锚区（7），参考信号输入栅极（4）。
2.一种如权利要求1所述的基于微机械砷化镓基的悬臂梁相位检测器的悬臂梁相位检测方法，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；栅极（4）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；栅极（4）通过参考微波信号输入压焊块（13）和连接线（10）与参考微波信号相连；
当MEMS悬臂梁的下拉电极（8）上没有直流偏置时，悬臂梁（6）位于栅极（4）上方，源极（2）和漏极（3）之间的饱和电流保持不变；当在MEMS悬臂梁的下拉电极（8）和悬臂梁（6）之间加载直流偏置时，悬臂梁（6）被下拉且与栅极（4）接触时，此时，通过待测微波信号输入压焊块（12）加悬臂梁（6）上的待测微波信号加载到的栅极（4）上，与参考信号共同调整N型沟道（5）的宽度，改变源极（2）和漏极（3）之间的饱和电流大小；经过一个电容和滤波器之后，通过检测源极（2）和漏极（3）饱和电流的大小最终实现相位的检测。
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