CN104935262B - 氮化镓基低漏电流固支梁开关场效应晶体管混频器 - Google Patents
氮化镓基低漏电流固支梁开关场效应晶体管混频器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明的目的是提供一种氮化镓基低漏电流固支梁开关场效应晶体管混频器，用三个具有MEMS固支梁开关结构的MESFET代替传统的MESFET，减小混频器中晶体管的栅极漏电流，降低电路的功耗，该混频器体积小易于集成，应用具有高电子迁移率的氮化镓材料，可实现很高的开关频率，本发明另一个创新在于该混频器的第二种工作方式，如果在位于差分对下方的第三固支梁栅N型MESFET(4)的栅极上只加载直流电压V并且使该第三固支梁栅N型MESFET(4)处于导通的状态，该第三固支梁栅N型MESFET(4)可以被认为是一个恒流源，此时该混频器也可以作为差分放大器使用，这样的设计能够使本发明利用同样数量的晶体管实现两种不同的功能。
Description
技术领域
本发明提出了氮化镓基低漏电流固支梁开关MESFET混频器，属于微电子机械系统的技术领域。
背景技术
随着无线通信技术的发展，全球袭来了移动终端设备快速更新的浪潮，各种先进的技术先后被发明并应用到移动终端设备的制造当中去。与此同时作为此类设备不可缺少的重要组成部分，射频集成电路的芯片也迅速发展，集成规模不断扩大，工作频率不断提高，传统的硅基材料已经不能满足要求。基于氮化镓衬底的MESFET就是在这种背景下被提出应用，由于氮化镓材料良好的特性使得由它制造的晶体管具有很高的电子迁移率，很强的抗辐射能力，较大的工作温度范围。由于芯片中晶体管的数量越来越多，随之而来的就是集成电路的功耗问题，而过高的功耗会使得芯片过热，晶体管的工作特性会受到温度的影响而发生改变，所以过热的芯片温度不仅会使芯片寿命降低，而且会影响芯片的稳定性。
模拟混频器电路是实现两个模拟量相乘的非线性电子器件，它以差分电路作为基础，电路性能良好便于集成，模拟混频器是射频集成电路的重要组成部分，自然对降低其功耗的研究就显得十分有意义，MEMS技术的持续发展使制造具有可动固支梁开关结构的晶体管成为现实，具有可动固支梁开关结构的晶体管在工作中具有较小的栅极漏电流，从而可以降低混频器电路的功耗。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种氮化镓基低漏电流固支梁开关场效应晶体管混频器，用三个具有MEMS固支梁开关结构的MESFET代替传统的MESFET，减小混频器中晶体管的栅极漏电流，降低电路的功耗。本发明另一个创新在于位于差分 对下方的固支梁开关MESFET，只在其栅极上加直流电压，并使该MESFET导通，此时该MESFET可以被认为是一个恒流源，此时该混频器也可以作为差分放大器使用，这样的设计能够使本发明利用同样数量的晶体管实现两种不同的功能。
技术方案：本发明的氮化镓基低漏电流固支梁开关场效应晶体管混频器制作在P型氮化镓衬底上，由第一固支梁栅N型MESFET、第二固支梁栅N型MESFET、第三固支梁栅N型MESFET组成，其中第三固支梁栅N型MESFET的栅极上还制作了一层氮化硅，其余结构均与第一固支梁栅N型MESFET、第二固支梁栅N型MESFET相同，第一固支梁栅N型MESFET、第二固支梁栅N型MESFET组成差分对，其源极连接在一起，并共同与第三固支梁栅N型MESFET的漏极相接，第三固支梁栅N型MESFET的源极接地，第一固支梁栅N型MESFET、第二固支梁栅N型MESFET的漏极分别与电阻相接，电阻作为负载使用，两负载电阻共同与电源电压相连接，本振信号υLO在差分对第一固支梁栅N型MESFET、第二固支梁栅N型MESFET的固支梁开关之间输入，射频信号υRF则加载到第三固支梁栅N型MESFET的固支梁开关上，输出信号通过一个中频滤波器选频输出所需要的信号υIF；MESFET由栅极、源极和漏极构成，其中源极和漏极由金属和重掺杂N区形成欧姆接触构成，栅极由金属和沟道区形成肖特基接触构成，引线由Al制作，在MESFET栅极上方悬浮着MEMS固支梁开关，该固支梁开关由钛/金/钛组成，锚区制作在P型氮化镓衬底上，整个N型MESFET制作在N阱中，有源区包括源极和漏极，在固支梁开关与衬底之间存在下拉电极，下拉电极由氮化硅材料覆盖。
所述的第一固支梁栅N型MESFET、第二固支梁栅N型MESFET、第三固支梁栅N型MESFET，其中第三固支梁栅N型MESFET的栅极上制作了氮化硅层，上述的三个MESFET的固支梁开关都是依靠锚区的支撑悬浮在MESFET的栅极上，把第一固支梁栅N型MESFET、第二固支梁栅N型MESFET的固支梁开关的下拉电压设计的与第一固支梁栅N型MESFET、第二固支梁栅N型MESFET的阈值电压相等，当固支梁开关与下拉电极之间所加的电压大于阈值电压时，才能使固支梁开关下拉并接触MESFET的栅极，这样第一固支梁栅N型MESFET、第二固支梁栅N型MESFET才能够导通，否则该固支梁开关就一直处于悬浮状态，第一固支梁栅N型MESFET、第二固支梁栅N型MESFET也处于关断的状态，固支梁开关的存在使得栅极漏电流大大减小，从而降低了该混频器电路的功耗；对于第三固支梁栅N型MESFET，只有 当在固支梁开关与下拉电极之间所加的直流电压V2大于固支梁开关的下拉电压时，才能使固支梁开关下拉并接触MESFET的栅极上的氮化硅层，否则该固支梁开关就一直处于悬浮状态，要使第三固支梁栅N型MESFET导通则需要在其栅极上另外加载直流电压V1。
第一固支梁栅N型MESFET、第二固支梁栅N型MESFET和第三固支梁栅N型MESFET的下拉电极都通过高频扼流圈接地，以防止交流信号通过地流失，在差分对中的第一固支梁栅N型MESFET、第二固支梁栅N型MESFET的固支梁开关之间加上本振信号υLO，本振信号υLO是混频器中输入的两种交流信号中的一种，本振信号υLO足够高，当本振信号处于正半周期时使差分对中第一固支梁栅N型MESFET的固支梁开关下拉与MESFET的栅极紧贴，使MESFET的耗尽区宽度减小导电能力提升并导通，第二固支梁栅N型MESFET处于关断状态，当本振信号处于负半周时则相反；因此差分对中的第一固支梁栅N型MESFET、第二固支梁栅N型MESFET在本振信号υLO的作用下处于一通一断交替的状态，也就是使两个MESFET的固支梁开关处于下拉或者悬浮交替的状态，当固支梁开关处于悬浮态时，第一固支梁栅N型MESFET、第二固支梁栅N型MESFET中就不存在的栅极漏电流了；在第三固支梁栅N型MESFET的栅极上通过高频扼流圈加上足够大的直流电压V1，该直流电压V1使第三固支梁栅N型MESFET导通，在第三固支梁栅N型MESFET的固支梁开关上通过高频扼流圈接入另一个直流电压V2，该直流电压V2大于固支梁开关的下拉电压，使固支梁开关第三固支梁栅N型MESFET的固支梁开关下拉贴紧该第三固支梁栅N型MESFET的栅极上的氮化硅层，此氮化硅层起到了隔直流电容的作用，能够阻止直流电压V2加载到该MESFET的栅极上，并且仍然能够使固支梁开关上输入的交流信号加载到该MESFET的栅极上，而高频扼流圈可以防止输入交流信号对第三固支梁栅N型MESFET上所加的直流电压产生影响，在此基础上将射频信号υRF经由固支梁开关加载到该第三固支梁栅N型MESFET的栅极上，此射频信号υRF是混频器中输入的两种交流信号中的另外一种；当两路交流信号都输入到该混频器电路以后，即实现交流信号的混频，混频后的输出通过一个中频滤波器选出所需要的信号频率υIF。
该混频器的第二种工作方式，如果在位于差分对下方的第三固支梁栅N型MESFET的栅极只加载直流电压V1并且使该第三固支梁栅N型MESFET处于导通的状态，该第三固支梁栅N型MESFET可以被认为是一个恒流源，此时该混频器也可 以作为差分放大器使用，这样的设计能够使本发明利用同样数量的晶体管实现两种不同的功能。
有益效果：本发明的氮化镓基低漏电流固支梁开关MESFET混频器体积小，易于集成，应用了具有高电子迁移率的氮化镓材料，可实现很高的开关频率，混频器中所用到的固支梁开关MESFET，在工作中有效的减小了栅极漏电流，从而使得本发明中的固支梁开关MESFET混频器的功耗得到有效的降低。
附图说明
图1为本发明的氮化镓基低漏电流固支梁开关MESFET混频器的俯视图，
图2为氮化镓基低漏电流固支梁开关MESFET混频器的A-A'向的剖面图，
图3为氮化镓基低漏电流固支梁开关MESFET混频器的B-B'向的剖面图，
图4为氮化镓基低漏电流固支梁开关MESFET混频器的C-C'向的剖面图，
图5为氮化镓基低漏电流固支梁开关MESFET混频器的D-D'向的剖面图，
图6为图1氮化镓基低漏电流固支梁开关MESFET混频器的原理图。
图中包括：P型氮化镓衬底1，第一固支梁栅N型MESFET 2、第二固支梁栅N型MESFET3、第三固支梁栅N型MESFET 4，引线5，固支梁开关6，栅极7，锚区8，N阱9，有源区10，下拉电极11，氮化硅层12。
具体实施方式
本发明的氮化镓基低漏电流固支梁开关MESFET混频器，制作在氮化镓衬底1上，由三个具有固支梁开关的N型MESFET即第一固支梁栅N型MESFET 2、第二固支梁栅N型MESFET3、第一固支梁栅N型MESFET 2、第二固支梁栅N型MESFET3、第三固支梁栅N型MESFET 4组成，第一固支梁栅N型MESFET 2、第二固支梁栅N型MESFET 3、第三固支梁栅N型MESFET 4的栅极上制作了一层氮化硅12，MESFET由栅极7、源极和漏极构成，其中源极和漏极由金属和重掺杂N区形成欧姆接触构成，栅极由金属和沟道区形成肖特基接触构成，引线5由Al制作，在MESFET栅极7上方悬浮着MEMS固支梁开关6，该固支梁开关6由钛/金/钛组成，锚区8制作在氮化镓衬底1上，整个N型MESFET制作在N阱9中，有源区10包括源极和漏极，在固支梁与衬底之间存在下拉电极11，下拉电极11由氮化硅材料覆盖。
该混频器的三个N型MESFET的下拉电极11都通过高频扼流圈接地，在差分对中的第一固支梁栅N型MESFET 2、第二固支梁栅N型MESFET 3的固支梁开关之间加上本振信号，本振信号是混频器中输入的两种交流信号中的一种，本振信号足够高，当本振信号处于正半周期时可以使差分对中左侧第一固支梁栅N型MESFET 2的固支梁开关6下拉与MESFET的栅极7紧贴，使MESFET沟道内的耗尽区宽度减小导电能力提升，右侧第二固支梁栅N型MESFET 3处于关断状态，当本振信号处于负半周时则相反。因此差分对中的两个MESFET在本振信号的作用下处于一通一断交替的状态，也就是使两个MESFET的固支梁开关6处于下拉或者悬浮交替的状态，当固支梁开关6处于悬浮态时，MESFET中就不存在的栅极漏电流了；在第三固支梁栅N型MESFET 4的栅极上通过高频扼流圈加上足够大的直流电压V1，高频扼流圈可以防止输入交流信号对第三固支梁栅N型MESFET 4上所加的直流电压产生影响，该直流电压V1可以使第三固支梁栅N型MESFET 4导通，在第三固支梁栅N型MESFET 4的固支梁开关6上通过高频扼流圈接入另一个直流电压V2，该直流电压V2可以使第三固支梁栅N型MESFET 4的固支梁开关6下拉贴紧该第三固支梁栅N型MESFET 4的栅极7上的氮化硅层12，此氮化硅层12起到了隔直流电容的作用，能够阻止直流电压V2加载到该MESFET的栅极7上，并且仍然能够使交流信号加载到该MESFET的栅极7上，在此基础上将射频信号υRF经由固支梁开关6加载到该第三固支梁栅N型MESFET 4的栅极7上，此射频信号υRF是混频器中输入的两种交流信号中的另外一种；当两路交流信号都输入到该混频器电路以后，即可实现交流信号的混频，混频后的输出通过一个中频滤波器选出所需要的信号频率υIF，
氮化镓基低漏电流固支梁开关MESFET混频器的制备方法包括以下几个步骤：
1)准备半绝缘型氮化镓衬底1；
2)淀积一层氮化硅，光刻并刻蚀氮化硅，去除N型MESFET沟道区的氮化硅；
3)N型MESFET沟道注入，注入磷，在氮气环境下退火；退火完成后，在高温下进行杂质再分布，形成N型MESFET的沟道区；
4)去除氮化硅层：采用干法刻蚀技术将氮化硅全部去除；
5)光刻栅极，去除栅极区的光刻胶；
6)电子束蒸发钛/铂/金；
7)去除剩余的光刻胶及光刻胶上的钛/铂/金；
8)加热，使钛/铂/金合金与N型MESFET沟道形成肖特基接触；
9)在位于差分对下方的MESFET管的栅极上在蒸镀一层氮化硅12；
10)涂覆光刻胶，光刻并刻蚀N型MESFET源极和漏极区域的光刻胶；
11)对该区域进行N型重掺杂，在N型MESFET源极和漏极区域形成的N型重掺杂区，进行快速退火处理；
12)光刻源极和漏极，去除源极和漏极的光刻胶；
13)真空蒸发金锗镍/金；
14)去除光刻胶以及光刻胶上的金锗镍/金；
15)合金化形成欧姆接触，形成源极和漏极；
16)涂覆光刻胶，去除电源线、地线、引线、下拉电极11和固支梁开关的锚区8位置的光刻胶；
17)蒸发第一层金，其厚度约为0.3μm；
18)去除光刻胶以及光刻胶上的金，形成电源线、地线、引线、下拉电极11
19)和固支梁开关的锚区8；
20)淀积一层厚的氮化硅；
21)光刻并刻蚀氮化硅介质层，保留在下拉电极11上的氮化硅；
22)淀积并光刻聚酰亚胺牺牲层：在GaN衬底上涂覆1.6μm厚的聚酰亚胺牺牲层，要求填满凹坑；光刻聚酰亚胺牺牲层，仅保留固支梁下方的牺牲层；
23)蒸发钛/金/钛，其厚度为500/1500/
24)光刻：去除要电镀地方的光刻胶；
25)电镀金，其厚度为2μm；
26)去除光刻胶：去除不需要电镀地方的光刻胶；
27)反刻钛/金/钛，腐蚀底金，形成MEMS固支梁开关6；
28)释放聚酰亚胺牺牲层：显影液浸泡，去除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。
本发明与现有技术的区别在于
本发明的氮化镓基低漏电流固支梁开关MESFET混频器是由三个具有固支梁开关的N型MESFET组成，其中位于差分对下方的MESFET的栅极上还制作了一层氮 化硅，这两种新型的MESFET的固支梁开关是依靠锚区的支撑悬浮在MESFET的栅极上，把第一固支梁栅N型MESFET 2、第二固支梁栅N型MESFET 3的固支梁开关的下拉电压设计得与MESFET的阈值电压相等。对于组成差分对的第一固支梁栅N型MESFET 2、第二固支梁栅N型MESFET 3，只有当固支梁开关与下拉电极之间所加的电压大于MESFET的阈值电压时，才能使固支梁开关下拉并接触MESFET的栅极，这样第一固支梁栅N型MESFET 2、第二固支梁栅N型MESFET 3才能够导通，否则该固支梁开关就一直处于悬浮状态，MESFET也处于关断的状态，固支梁开关的存在使得电路中的栅极漏电流大大减小，从而降低了该混频器的功耗；对于处于差分对下方的第三固支梁栅N型MESFET 4，只有当在固支梁开关与下拉电极之间所加的直流电压大于固支梁开关的下拉电压时，才能使固支梁开关下拉并接触第三固支梁栅N型MESFET 4的栅极上的氮化硅层，否则该固支梁开关就一直处于悬浮状态，第三固支梁栅N型MESFET 4的导通则需要在其栅极上加载另一个直流电压。
本发明中的混频器的第二种工作方式是，如果只在位于差分对下方的MESFET的栅极加载直流电压并且使该MESFET处于导通的状态，该MESFET可以被认为是一个恒流源，此时该混频器也可以作为差分放大器使用，这样的设计能够使本发明利用同样数量的晶体管实现两种不同的功能。
满足以上条件的结构即可视为本发明的氮化镓基低漏电流固支梁开关MESFET混频器。
Claims (3)
1.一种氮化镓基低漏电流固支梁开关场效应晶体管混频器，其特征在于该混频器制作在P型氮化镓衬底(1)上，由第一固支梁栅N型MESFET(2)、第二固支梁栅N型MESFET(3)、第三固支梁栅N型MESFET(4)组成，其中第三固支梁栅N型MESFET(4)的栅极(7)上还制作了一层氮化硅(12)，其余结构均与第一固支梁栅N型MESFET(2)、第二固支梁栅N型MESFET(3)相同，第一固支梁栅N型MESFET(2)、第二固支梁栅N型MESFET(3)组成差分对，其源极连接在一起，并共同与第三固支梁栅N型MESFET(4)的漏极相接，第三固支梁栅N型MESFET(4)的源极接地，第一固支梁栅N型MESFET(2)、第二固支梁栅N型MESFET(3)的漏极分别与电阻相接，电阻作为负载使用，两负载电阻共同与电源电压相连接，本振信号υLO在差分对第一固支梁栅N型MESFET(2)、第二固支梁栅N型MESFET(3)的固支梁开关之间输入，射频信号υRF则加载到第三固支梁栅N型MESFET(4)的固支梁开关(6)上，输出信号通过一个中频滤波器选频输出所需要的信号υIF；MESFET由栅极(7)、源极和漏极构成，其中源极和漏极由金属和重掺杂N区形成欧姆接触构成，栅极由金属和沟道区形成肖特基接触构成，引线(5)由Al制作，在MESFET栅极(7)上方悬浮着MEMS固支梁开关(6)，该固支梁开关(6)由钛-金-钛组成，锚区(8)制作在P型氮化镓衬底(1)上，整个N型MESFET制作在N阱(9)中，有源区(10)包括源极和漏极，在固支梁开关与衬底之间存在下拉电极(11)，下拉电极(11)由氮化硅材料覆盖。
2.根据权利要求1所述的氮化镓基低漏电流固支梁开关场效应晶体管混频器，其特征在于所述的第一固支梁栅N型MESFET(2)、第二固支梁栅N型MESFET(3)、第三固支梁栅N型MESFET(4)，其中第三固支梁栅N型MESFET(4)的栅极(7)上制作了氮化硅层(12)，上述的三个MESFET的固支梁开关(6)都是依靠锚区(8)的支撑悬浮在MESFET的栅极(7)上，把第一固支梁栅N型MESFET(2)、第二固支梁栅N型MESFET(3)的固支梁开关(6)的下拉电压设计的与第一固支梁栅N型MESFET(2)、第二固支梁栅N型MESFET(3)的阈值电压相等，当固支梁开关(6)与下拉电极(11)之间所加的电压大于阈值电压时，才能使固支梁开关(6)下拉并接触MESFET的栅极(7)，这样第一固支梁栅N型MESFET(2)、第二固支梁栅N型MESFET(3)才能够导通，否则该固支梁开关(6)就一直处于悬浮状态，第一固支梁栅N型MESFET(2)、第二固支梁栅N型MESFET(3)也处于关断的状态，固支梁开关(6)的存在使得栅极漏电流大大减小，从而降低了该混频器电路的功耗；对于第三固支梁栅N型MESFET(4)，只有当在固支梁开关(6)与下拉电极(11)之间所加的直流电压V2大于固支梁开关(6)的下拉电压时，才能使固支梁开关(6)下拉并接触MESFET的栅极(7)上的氮化硅层(12)，否则该固支梁开关(6)就一直处于悬浮状态，要使第三固支梁栅N型MESFET(4)导通则需要在其栅极(7)上另外加载直流电压V1。
3.根据权利要求1所述的氮化镓基低漏电流固支梁开关场效应晶体管混频器，其特征在于第一固支梁栅N型MESFET(2)、第二固支梁栅N型MESFET(3)和第三固支梁栅N型MESFET(4)的下拉电极(11)都通过高频扼流圈接地，以防止交流信号通过地流失，在差分对中的第一固支梁栅N型MESFET(2)、第二固支梁栅N型MESFET(3)的固支梁开关之间加上本振信号υLO，本振信号υLO是混频器中输入的两种交流信号中的一种，本振信号υLO足够高，当本振信号处于正半周期时使差分对中第一固支梁栅N型MESFET(2)的固支梁开关下拉与MESFET的栅极(7)紧贴，使MESFET的耗尽区宽度减小导电能力提升并导通，第二固支梁栅N型MESFET(3)处于关断状态，当本振信号处于负半周时则相反；因此差分对中的第一固支梁栅N型MESFET(2)、第二固支梁栅N型MESFET(3)在本振信号υLO的作用下处于一通一断交替的状态，也就是使两个MESFET的固支梁开关(6)处于下拉或者悬浮交替的状态，当固支梁开关(6)处于悬浮态时，第一固支梁栅N型MESFET(2)、第二固支梁栅N型MESFET(3)中就不存在的栅极漏电流了；在第三固支梁栅N型MESFET(4)的栅极(7)上通过高频扼流圈加上足够大的直流电压V1，该直流电压V1使第三固支梁栅N型MESFET(4)导通，在第三固支梁栅N型MESFET(4)的固支梁开关(6)上通过高频扼流圈接入另一个直流电压V2，该直流电压V2大于固支梁开关(6)的下拉电压，使固支梁开关第三固支梁栅N型MESFET(4)的固支梁开关(6)下拉贴紧该第三固支梁栅N型MESFET(4)的栅极(7)上的氮化硅层(12)，此氮化硅层(12)起到了隔直流电容的作用，能够阻止直流电压V2加载到该MESFET的栅极(7)上，并且仍然能够使固支梁开关(6)上输入的交流信号加载到该MESFET的栅极(7)上，而高频扼流圈可以防止输入交流信号对第三固支梁栅N型MESFET(4)上所加的直流电压产生影响，在此基础上将射频信号υRF经由固支梁开关(6)加载到该第三固支梁栅N型MESFET(4)的栅极(7)上，此射频信号υRF是混频器中输入的两种交流信号中的另外一种；当两
路交流信号都输入到该混频器电路以后，即实现交流信号的混频，混频后的输出通过一个中频滤波器选出所需要的信号频率υIF。
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