CN104935328A - 硅基低漏电流双固支梁可动栅分频器 - Google Patents

Abstract

本发明的硅基低漏电流双固支梁可动栅MOSFET分频器，由硅衬底，N型增强型MOSFET，以及外接的低通滤波器，压控振荡器，乘法器、高频扼流圈构成。MOSFET的栅极是两个悬浮在栅氧化层上的固支梁，作为参考信号和反馈信号的输入，下拉电压设计为MOSFET的阈值电压，由直流偏置控制。两个固支梁可动栅均悬浮时，栅极不与栅氧化层接触，MOSFET截止，能减小栅极漏电流，降低功耗。两个固支梁可动栅均下拉与栅氧化层接触时，MOSFET导通，参考信号和反馈信号经MOSFET相乘，通过外接低通滤波器、压控振荡器以及乘法器的循环反馈得到参考频率的分频信号。下拉单个固支梁可动栅，可实现对单个信号的放大，使电路具有多功能。本发明降低功耗，体积更小，实现多功能。

Description

硅基低漏电流双固支梁可动栅分频器

技术领域

本发明提出了硅基低漏电流双固支梁可动栅MOSFET分频器，属于微电子机械系统的技术领域。

背景技术

分频器能将一参考信号经过功能电路的作用,产生所需的参考信号频率1/N的频率信号。目前，分频器已成为电子技术、空间技术和通信技术中的一个重要的组成部分。需要注意的是，传统分频器中MOSFET器件栅极漏电流的存在使得电路的功耗增加，减小栅极漏电流是急需解决的问题。

MEMS技术具有体积小、重量轻、耐用性好、性能稳定等优点，满足现代电路的发展要求。另外，MEMS固支梁结构的发展也日益成熟。本发明的目的正是要提出一种硅基低漏电流双固支梁可动栅MOSFET分频器。

发明内容

技术问题:本发明的目的是提出一种硅基低漏电流双固支梁可动栅MOSFET分频器，使用两个悬浮固支梁作为MOSFET的栅极，减小栅极漏电流，降低功耗，同时使电路结构简单，体积缩小。另外，通过对两个固支梁可动栅下拉或悬浮状态的控制，实现参考信号的分频以及其它电路功能。

技术方案：本发明的一种基于硅基低漏电流双固支梁可动栅的分频器为生在硅衬底上的N型增强型MOSFET分频器，包括源极，漏极，栅氧化层，锚区，固支梁可动栅，下拉极板，绝缘层，通孔，引线，源极接地；

在硅衬底上设有源极、漏极、栅氧化层，栅氧化层位于源极、漏极之间，引线通过通孔分别接漏极、栅氧化层；MOSFET采用两个悬浮的固支梁可动栅作为栅极，锚区设置在栅氧化层两侧，固支梁可动栅的两端固定在锚区上，中间横跨在栅氧化层上，下拉极板位于锚区和栅氧化层之间，在硅衬底上的下拉极板位于固支梁可动栅的下方，下拉极板接地，绝缘层覆盖在下拉极板之上，直流偏置通过高频扼流圈和锚区作用在固支梁可动栅上，固支梁可动栅的下拉电压设置为MOSFET的阈值电压；

MOSFET的漏极输出信号有两种不同的工作方式，一种是选择第一端口输至低通滤波器，低通滤波器输出接入压控振荡器，压控振荡器输出经第三端口接入乘法器，乘法器输出作为反馈信号通过锚区加载到一个固支梁可动栅上，参考信号通过锚区加载到另一个固支梁可动栅上，MOSFET的漏极输出信号的另一种工作方式是选择通过第二端口直接输出放大信号。

所述固支梁可动栅的下拉或悬浮通过直流偏置控制，当两个固支梁可动栅均在达到或大于下拉电压的直流偏置下实现下拉，与栅氧化层接触时，MOSFET导通，参考信号和反馈信号通过MOSFET实现相乘，漏极输出包含两信号的相位差信息，经第一端口输入低通滤波器，低通滤波器滤除高频部分，输出包含相位差信息的直流电压，直流电压输入压控振荡器，作为控制电压调节压控振荡器的输出频率，调节频率后的信号经第三端口传输至乘法器，乘法器输出信号作为反馈信号加载到固支梁可动栅上，环路循环反馈的结果是反馈信号与参考信号的频率相等，压控振荡器第四端口输出频率f_o为参考信号频率的1/N：f_ref/N,实现参考信号的分频；

当直流偏置小于下拉电压，两个固支梁可动栅均不下拉处于悬浮状态，不与栅氧化层接触时，MOSFET截止，栅电容较小，能够有效的减小漏电流，降低功耗；

当只有一个固支梁可动栅下拉，另一个固支梁可动栅处于悬浮状态时，下拉的固支梁可动栅下方形成沟道，未被下拉的固支梁可动栅下方形成高阻区，沟道与高阻区串联的结构有利于提高MOSFET的反向击穿电压，只有被下拉的固支梁可动栅上的选通信号可以通过MOSFET放大，放大信号经第二端口输出，当只有加载参考信号的固支梁可动栅下拉时，参考信号通过MOSFET放大，第二端口输出参考频率f_ref的放大信号，当只有加载反馈信号的固支梁可动栅下拉时，反馈信号通过MOSFET放大，反馈信号频率为压控振荡器输出频率f_o经乘法器后乘以N的结果：N×f_o，第二端口输出频率为N×f_o的放大信号。

有益效果：本发明的硅基低漏电流双固支梁可动栅MOSFET分频器具有以下显著的优点：

1、采用固支梁作为栅极，在MOSFET截止状态实现栅极与栅氧化层的脱离，具有减小电路漏电流，降低功耗的优点；

2、下拉单个固支梁可动栅可实现选通信号的单独放大，使电路多功能化，扩展其应用范围，还可以提高反向击穿电压，MOSFET抗击穿能力增强；

3、采用MEMS技术，使得电路结构简单化，体积小型化。

附图说明

图1为本发明的硅基低漏电流双固支梁可动栅MOSFET分频器的俯视图。

图2为图1硅基低漏电流双固支梁可动栅MOSFET分频器的A-A’向剖面图。

图3为图1硅基低漏电流双固支梁可动栅MOSFET分频器的B-B’向剖面图。

图4为图1硅基固支梁可动栅MOSFET两个固支梁可动栅均下拉时的沟道示意图。

图5为图1硅基固支梁可动栅MOSFET单个固支梁可动栅下拉时的沟道示意图。

图中有：硅衬底1，源极2，漏极3，栅氧化层4，锚区5，两个固支梁可动栅6，下拉极板7，绝缘层8，通孔9，引线10，第一端口11，第二端口12，第三端口13，第四端口14。

具体实施方式

本发明的硅基低漏电流双固支梁可动栅MOSFET分频器包括硅衬底、N型增强型MOSFET，以及外接的低通滤波器、压控振荡器、乘法器、高频扼流圈,其中MOSFET生长在硅衬底上，包括源极、漏极、栅氧化层、两个固支梁可动栅极，锚区、下拉极板、下拉极板绝缘层。

MOSFET的栅极是两个固支梁。固支梁可动栅通过栅氧化层两侧的锚区横跨与栅氧化层之上；下拉极板设置在栅氧化层与锚区之间，下拉极板接地,绝缘层覆盖在下拉极板之上。

在本发明的分频器中，参考信号和反馈信号分别通过锚区分别加载在两个固支梁可动栅上。直流偏置通过高频扼流圈和锚区作用在固支梁可动栅上。

固支梁可动栅的下拉电压设计为MOSFET的阈值电压。当两个固支梁可动栅均处于悬浮状态不与栅氧化层接触，MOSFET截止，MOSFET截止时，栅电容较小，能够有效的减小栅极漏电流，降低功耗。

当两个固支梁可动栅均通过直流偏置下拉与栅氧化层接触时，MOSFET导通，参考信号和反馈信号通过MOSFET实现相乘。漏极输出包含了两信号之间的相位差信息。低通滤波器将此信号中的高频分量滤除，调节压控振荡器输出频率。压控振荡器输出信号经过乘法器之后，在频率上对应发生N倍的改变，并作为反馈信号，重新输入MOSFET，经过锁相环环路的作用，反馈信号和参考信号达到锁定，即压控振荡器输出频率乘以N之后和参考信号频率相等。所以，最终压控振荡器输出的信号频率为参考频率的1/N。

当只有一个固支梁可动栅被下拉与栅氧化层接触时，被下拉的固支梁可动栅下方形成沟道，另一个不被下拉的固支梁可动栅下方为高阻区，沟道与高阻区串联的结构能够有效的提高器件的反向击穿电压。只有下拉固支梁可动栅上的选通信号可以通过MOSFET放大输出。从而通过对一个固支梁可动栅的单独控制，实现对单个信号的放大，电路具有多功能，扩大了电路的应用范围。

下面结合附图对本发明的基于硅基低漏电流双固支梁可动栅MOSFET的分频器做进一步解释。

本发明的硅基低漏电流双固支梁可动栅MOSFET分频器包括硅衬底1，设置在硅衬底上的N型增强型MOSFET，外接的低通滤波器，压控振荡器，乘法器、高频扼流圈。MOSFET包括源极2，漏极3，栅氧化层4，锚区5，两个固支梁可动栅6，下拉极板7，绝缘层8，通孔9，引线10，其中，源极2接地。

在本发明中MOSFET的栅极采用悬浮在栅氧化层4之上的两个分立的固支梁可动栅6。源极2和漏极3相对设置，栅氧化层4连接在源漏之间，锚区5设置在栅氧化层4的两侧，下拉极板7设置在锚区5与栅氧化层4之间，绝缘层8覆盖在下拉极板7之上。

MOSFET漏极3输出分为两种工作方式，一种是选择端口11输入至低通滤波器，低通滤波器输出信号接入压控振荡器、压控振荡器输出信号通过端口13接入乘法器，乘法器的输出作为反馈信号通过锚区5加载到一个固支梁可动栅6上。参考信号通过锚区5加载到另一个固支梁可动栅6上。MOSFET漏极3输出的另一种工作方式是选择端口12直接输出放大信号。

直流偏置通过高频扼流圈和锚区5作用在固支梁可动栅6上。固支梁可动栅6的下拉电压设置为MOSFET的阈值电压。

当直流偏置小于下拉电压时，两个固支梁可动栅6均处于悬浮状态，没有栅极与栅氧化层4接触，MOSFET处于截止状态，栅电容小于传统结构的MOSFET，能够有效的减小漏电流的产生，降低电路功耗。

当两个固支梁可动栅6均通过达到或大于下拉电压的直流偏置实现下拉与栅氧化层4接触时，MOSFET导通，沟道示意图如图4所示。参考信号和反馈信号通过MOSFET实现相乘。漏极3输出信号包含了两信号之间的相位差信息，选择端口11输入至低通滤波器，低通滤波器将此信号中的高频分量滤除，并向压控振荡器输送一个包含相位差信息的直流电压，直流电压可以采用下式来表示：

$U_L=K\cos (\frac{(f_{ref}-f_{back})}{2\mathrm{\π}}t+\mathrm{\φ})---\left(1\right)$

其中K为MOSFET增益系数，f_ref为参考信号频率，f_back为反馈信号频率，φ为固有相位差。压控振荡器在直流电压的控制下，调节输出频率的大小。压控振荡器输出频率可以通过以下微分表示式表达：

$\frac{1}{2\mathrm{\π}}\frac{{\mathrm{df}}_o}{dt}=K_v{U}_L=K_{v}K\cos (\frac{(f_{ref}-f_{back})}{2\mathrm{\π}}t+\mathrm{\φ})---\left(2\right)$

其中，f_o为压控振荡器输出频率，K_v为压控振荡器灵敏度。经过乘法器后，频率变为原来的N倍，作为反馈信号重新加载到固支梁可动栅6上。也就是：

f_back＝N×f_o         (3)

经过环路的循环作用，反馈信号的频率最终和参考信号一致。即：

$\begin{array}{c}{f}_{back}=N\×f_o=f_{ref}\\ \⇒f_o=\frac{f_{ref}}{N}\end{array}---\left(4\right)$

最终压控振荡器端口14输出的信号频率为参考频率的1/N，实现参考信号的分频。

只有一个固支梁可动栅6被下拉，另一个固支梁可动栅6处于悬浮状态时，下拉的固支梁可动栅6下方形成沟道，未被下拉的固支梁可动栅6下方为高阻区，如图5所示，沟道与高阻区串联的结构有利于提高MOSFET的反向击穿电压。此时，只有下拉固支梁可动栅6上的选通信号可以经MOSFET放大，放大信号选择端口12输出。当只有加载参考信号的固支梁可动栅6下拉时，参考信号通过MOSFET放大，端口12输出频率为f_ref的放大信号。当只有加载反馈信号的固支梁可动栅6下拉时，反馈信号频率为压控振荡器频率f_o的N倍，即N×f_o，端口12输出频率为N×f_o的放大信号。从而通过对一个固支梁可动栅6的单独控制，实现对单个信号的放大，扩大了电路的应用范围。

本发明的硅基低漏电流双固支梁可动栅MOSFET分频器的制备方法如下：

1)准备P型Si衬底；

2)底氧生长

3)沉积氮化硅；

4)光刻、刻蚀氮化硅形成MOSFET源极和漏极；

5)场氧化；

6)去除氮化硅和底氧层；

7)进行栅氧化，调节阈值电压，使MOSFET为增强型；

8)沉积多晶硅，并光刻，保留固支梁的锚区位置的多晶硅；

9)电镀蒸发生长Al；

10)涂覆光刻胶，保留下拉极板上方的光刻胶；

11)反刻Al，形成下拉极板；

12)淀积绝缘层，外延生长0.1μm的Si_xN_1-x绝缘层；

13)光刻窗口，刻蚀掉多余的Si_xN_1-x：

14)涂覆光刻胶，保留下拉极板的绝缘层；

15)利用反应离子刻蚀，形成下拉极板上的氮化硅介质层；

16)通过旋涂方式形成PMGI牺牲层，然后光刻牺牲层，仅保留固支梁可动栅下方的牺牲层；

17)电镀蒸发生长Al；

18)涂覆光刻胶，保留固支梁上方的光刻胶；

19)反刻Al，形成固支梁可动栅；

20)涂覆光刻胶，光刻注入孔，注入N+磷离子，形成MOSFET源极和漏极；

21)制作通孔和引线，涂覆光刻胶，去除源漏电极接触区的光刻胶，真空蒸发金锗镍/金，剥离，合金化形成欧姆接触；

22)释放PMGI牺牲层，形成悬浮的固支梁；

23)将制备的MOSFET与外部电路连接，构成分频器。

区分是否为该结构的标准如下：

本发明的硅基低漏电流双固支梁可动栅MOSFET分频器采用两个固支梁作为MOSFET的栅极，通过直流偏置控制其下拉或悬浮的状态，固支梁的下拉电压设计为MOSFET的阈值电压。两个固支梁可动栅分别作为参考信号和反馈信号的输入。当两个固支梁可动栅均悬浮在栅氧化层上时，MOSFET截止，有利于减小栅极漏电流，降低功耗。当两个固支梁可动栅均下拉和栅氧化层接触时，参考信号和反馈信号通过MOSFET相乘，漏极输出包含相位差信息，经过低通滤波器，压控振荡器、乘法器反馈循环后得到参考频率1/N的分频信号。另外，下拉一个固支梁可动栅可以实现对对应信号的单独放大，电路具有多功能，另一个不被下拉的另一个固支梁可动栅下方形成高阻区，提高MOSFET的反向击穿电压。

满足以上条件的结构即视为本发明的硅基低漏电流双固支梁可动栅MOSFET分频器。

Claims (2)

1.一种基于硅基低漏电流双固支梁可动栅的分频器，其特征在于该分频器为生在硅衬底(1)上的N型增强型MOSFET分频器，包括源极(2)，漏极(3)，栅氧化层(4)，锚区(5)，固支梁可动栅(6)，下拉极板(7)，绝缘层(8)，通孔(9)，引线(10)，源极(2)接地；

在硅衬底(1)上设有源极(2)、漏极(3)、栅氧化层(4)，栅氧化层(4)位于源极(2)、漏极(3)之间，引线(10)通过通孔(9)分别接漏极(3)、栅氧化层(4)；MOSFET采用两个悬浮的固支梁可动栅(6)作为栅极，锚区(5)设置在栅氧化层(4)两侧，固支梁可动栅(6)的两端固定在锚区(5)上，中间横跨在栅氧化层(4)上，下拉极板(7)位于锚区(5)和栅氧化层(4)之间，在硅衬底(1)上的下拉极板(7)位于固支梁可动栅(6)的下方，下拉极板(7)接地，绝缘层(8)覆盖在下拉极板(7)之上，直流偏置通过高频扼流圈和锚区(5)作用在固支梁可动栅(6)上，固支梁可动栅(6)的下拉电压设置为MOSFET的阈值电压；

MOSFET的漏极(3)输出信号有两种不同的工作方式，一种是选择第一端口(11)输至低通滤波器，低通滤波器输出接入压控振荡器，压控振荡器输出经第三端口(13)接入乘法器，乘法器输出作为反馈信号通过锚区(5)加载到一个固支梁可动栅(6)上，参考信号通过锚区(5)加载到另一个固支梁可动栅(6)上，MOSFET的漏极(3)输出信号的另一种工作方式是选择通过第二端口(12)直接输出放大信号。

2.根据权利要求1所述的基于硅基低漏电流双固支梁可动栅的分频器，其特征在于所述固支梁可动栅(6)的下拉或悬浮通过直流偏置控制，当两个固支梁可动栅(6)均在达到或大于下拉电压的直流偏置下实现下拉，与栅氧化层(4)接触时，MOSFET导通，参考信号和反馈信号通过MOSFET实现相乘，漏极(3)输出包含两信号的相位差信息，经第一端口(11)输入低通滤波器，低通滤波器滤除高频部分，输出包含相位差信息的直流电压，直流电压输入压控振荡器，作为控制电压调节压控振荡器的输出频率，调节频率后的信号经第三端口(13)传输至乘法器，乘法器输出信号作为反馈信号加载到固支梁可动栅(6)上，环路循环反馈的结果是反馈信号与参考信号的频率相等，压控振荡器第四端口(14)输出频率f_o为参考信号频率的1/N：f_ref/N,实现参考信号的分频；

当直流偏置小于下拉电压，两个固支梁可动栅(6)均不下拉处于悬浮状态，不与栅氧化层(4)接触时，MOSFET截止，栅电容较小，能够有效的减小漏电流，降低功耗；

当只有一个固支梁可动栅(6)下拉，另一个固支梁可动栅(6)处于悬浮状态时，下拉的固支梁可动栅(6)下方形成沟道，未被下拉的固支梁可动栅(6)下方形成高阻区，沟道与高阻区串联的结构有利于提高MOSFET的反向击穿电压，只有被下拉的固支梁可动栅(6)上的选通信号可以通过MOSFET放大，放大信号经第二端口(12)输出，当只有加载参考信号的固支梁可动栅(6)下拉时，参考信号通过MOSFET放大，第二端口(12)输出参考频率f_ref的放大信号，当只有加载反馈信号的固支梁可动栅(6)下拉时，反馈信号通过MOSFET放大，反馈信号频率为压控振荡器输出频率f_o经乘法器后乘以N的结果：N×f_o，第二端口(12)输出频率为N×f_o的放大信号。