CN104935335B - 砷化镓基低漏电流双固支梁开关双栅锁相环电路 - Google Patents
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Abstract
本发明的GaAs基低漏电流双固支梁开关双栅HEMT锁相环电路，由GaAs衬底，增强型HEMT，外接的低通滤波器，压控振荡器，高频扼流圈构成。固支梁开关通过直流偏置控制，下拉电压设计为HEMT的阈值电压。当两个固支梁开关均悬浮断开时，栅电压为0，HEMT截止，有利于减小栅极漏电流。当两个固支梁开关均通过直流偏置下拉闭合时，栅电压即为直流偏置，形成二维电子气沟道，HEMT导通，参考信号和反馈信号通过HEMT相乘。漏极输出信号经低通滤波器和压控振荡器循环反馈后，达到锁定。只有一个固支梁开关下拉闭合时，可实现对单个信号的放大，电路具有多功能。本发明提高效率，降低功耗，体积更小，且实现多功能。
Description
技术领域
本发明提出了GaAs(砷化镓)基低漏电流双固支梁开关双栅HEMT(高电子迁移率晶体管)锁相环电路，属于微电子机械系统的技术领域。
背景技术
锁相环是利用反馈控制原理实现频率及相位同步的技术，在无线通信、雷达、数字电视、广播等众多领域都有应用。然而，与传统锁相环电路中Si材料制作的MOSFET相比，基于GaAs衬底的高电子迁移率晶体管HEMT的优点在于GaAs与比Si更高的电子迁移率，速度更快，功耗更低等，符合当代微电子技术的发展趋势。另外，MEMS技术发展越来越成熟，而且具有结构简单，体积较小的优势。
本发明正是要集合HEMT结构与MEMS技术,提出一种GaAs基低漏电流双固支梁开关双栅HEMT锁相环电路。
发明内容
技术问题:本发明的目的是提出一种GaAs基低漏电流双固支梁开关双栅HEMT锁相环电路，两个栅极并列设置，栅极上方分别对应两个悬浮的固支梁开关，固支梁开关直流偏置控制其悬浮断开或者下拉闭合，在电路中控制HEMT的导通以及信号的传输。
技术方案：本发明的一种砷化镓基低漏电流双固支梁开关双栅锁相环电路的HEMT是生长在GaAs衬底上的增强型HEMT，包括本征GaAs层，本征AlGaAs层，N+AlGaAs层，源极，漏极，栅极，锚区，固支梁开关，下拉极板，绝缘层，通孔，引线；在GaAs衬底上设有本征GaAs层，本征GaAs层上设有本征AlGaAs层，本征AlGaAs层上设有N+AlGaAs层，源极接地；源极、漏极分别位于栅极两侧，位于N+AlGaAs层上的两个栅极并列设置，两个固支梁开关的两端分别固定在锚区上，两个固支梁开关的中部悬浮在两个栅极上，下拉极板位于栅极与锚区之间，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开关上，固支梁开关的下拉电压设计为HEMT的阈值电压；
漏极输出信号有两种不同的传输方式，一种是选择第一端口连接低通滤波器，低通滤波器的输出连接压控振荡器，压控振荡器的输出通过第三端口作为反馈信号通过锚区加载在一个固支梁开关上，参考信号通过锚区加载到另一个固支梁开关上，漏极输出信号的另一种连接方式是选择第二端口直接输出放大信号。
所述的锁相环电路中，当直流偏置小于下拉电压，两个固支梁开关均处于悬浮断开状态，不与栅极接触时，栅电压为0，没有二维电子气沟道，HEMT处于截止状态，能够减小栅极漏电流，降低功耗；
当直流偏置达到或者大于下拉电压，两个固支梁开关均下拉闭合与栅极接触时，在栅电压的作用下，二维电子气沟道形成，HEMT导通，参考信号与反馈信号通过HEMT相乘，漏极输出包含两信号的相位差信息，经第一端口通过低通滤波器，低通滤波器滤除高频分量，并向压控振荡器输送一个包含相位差信息的直流电压，直流电压调节压控振荡器的输出频率，作为反馈信加载到固支梁开关上，直到反馈信号与参考信号达到频率相同，相位差恒定的锁定状态，压控振荡器第四端口输出频率为参考信号频率fref；
当只有一个固支梁开关下拉与对应的栅极接触，另一个固支梁开关悬浮断开不与栅极接触时，闭合的固支梁开关下方形成二维电子气沟道，断开的固支梁开关下方形成高阻区，沟道与高阻区串联的结构有利于提高HEMT的反向击穿电压，只有闭合的固支梁开关上的选通信号可以通过HEMT放大，放大信号选择第二端口输出，当加载参考信号的固支梁开关闭合时，第二端口输出频率为参考信号频率fref的放大信号，当加载反馈信号的固支梁开关闭合时，反馈信号频率等于压控振荡器的输出频率fo，第二端口输出频率为fo的放大信号，断开的固支梁开关有利于减小栅极漏电流，降低功耗。
有益效果：本发明的GaAs基低漏电流双固支梁开关双栅HEMT锁相环电路结合了MEMS技术与HEMT结构，使电路效率提高，功耗降低，结构简单，体积变小；双固支梁开关结构与双栅结构对应，通过直流偏置控制固支梁开关的下拉和悬浮，即开关的闭合与断开，控制HEMT的导通以及信号的传输；通过对单个固支梁开关的控制，可以实现对选通信号的放大，使电路具有多功能，拓展了电路的应用范围。
附图说明
图1为本发明的GaAs基低漏电流双固支梁开关双栅HEMT锁相环电路的俯视图。
图2为图1GaAs基低漏电流双固支梁开关双栅HEMT锁相环电路的A-A’向剖面图。
图3为图1GaAs基低漏电流双固支梁开关双栅HEMT锁相环电路的B-B’向剖面图。
图4为图1GaAs基低漏电流双固支梁开关双栅HEMT两个固支梁开关均下拉的沟道示意图。
图5为图1GaAs基低漏电流双固支梁开关双栅HEMT下拉单个固支梁开关的沟道示意图。
具体实施方式
为解决上述技术问题，本发明提供了一种GaAs基低漏电流双固支梁开关双栅HEMT锁相环电路。包括GaAs衬底，生长在衬底上的增强型HEMT，以及外接的低通滤波器、压控振荡器、高频扼流圈；HEMT结构从下往上依次为GaAs衬底，本征GaAs层，本征AlGaAs层，N+AlGaAs层；源极和漏极深入穿透到本征GaAs层。两个栅极并列设置在N+AlGaAs层之上。本征GaAs层与本征AlGaAs层形成异质结，栅极与N+AlGAs层形成肖特基接触。两个固支梁开关通过锚区分别悬浮在两个栅极之上，固支梁开关与栅极一一对应。栅极与锚区之间设置有下拉极板，下拉极板被绝缘层覆盖。
锁相环电路中的参考信号通过锚区加载到一个固支梁开关上，反馈信号通过锚区加载到另一个固支梁开关上。直流偏置通过高频扼流圈和锚区作用在固支梁开关上。高频扼流圈保证直流偏置和交流信号隔开。
固支梁开关的下拉电压设计为HEMT的阈值电压。当直流偏置小于下拉电压，两个固支梁开关均处于悬浮断开状态，不与栅极接触时，栅极电压为0，对于增强型HEMT，肖特基势垒深入到本征GaAs层，本征GaAs层与本征AlGaAs层异质结边界的二维电子气被耗尽，所以HEMT无法导通，固支梁开关上的信号无法传输。
当直流偏置达到或大于下拉电压，两个固支梁开关均下拉闭合与栅极接触时，栅电压即为直流偏置的大小，此时肖特基势垒变窄，异质结边界二维电子气浓度增加，沟道形成，HEMT导通。漏极输出是两个信号经HEMT相乘的结果，包含了两信号之间的相位差信息。低通滤波器对漏极输出进行滤波，高频部分被滤除，输出与相位差信息有关的直流电压。压控振荡器在直流电压的作用下，调节输出频率，作为反馈信号通过固支梁开关加载到HEMT上。直到最终反馈信号和参考信号的频率一致，相位差恒定，锁相环电路完成锁定。
当只有一个固支梁开关被下拉闭合与对应栅极接触，另一个固支梁开关处于断开状态不与其对应栅极接触时，闭合的开关下方形成沟道，断开的开关下方为高阻区，沟道与高阻区串联的结构能够有效的提高HEMT的反向击穿电压。只有闭合固支梁开关上的选通信号可以通过HEMT放大，漏极输出放大信号。从而通过对一个固支梁开关的单独控制，实现对单个信号的放大，扩大了电路的应用范围。
本发明的GaAs基低漏电流双固支梁开关双栅HEMT锁相环电路具体实施方式如下：
包括GaAs衬底1，生长在衬底上的增强型HEMT，外接的低通滤波器，压控振荡器，高频扼流圈。
HEMT包括本征GaAs层2，本征AlGaAs层3，N+AlGaAs层4，源极5，漏极6，栅极7，锚区8，固支梁开关9，下拉极板10，绝缘层11，通孔12，引线13。其中，源极5接地，锚区8设置在栅极7两侧，下拉极板10设置在锚区8与栅极7之间，下拉极板10接地，两个栅极7并列设置，两个固支梁开关9通过锚区8横跨在两个栅极7上方。在HEMT结构中，栅极7与N+AlGaAs层4形成肖特基接触，本征AlGaAs层与本征GaAs层形成异质结。对于增强型HEMT，栅电压为0时，肖特基接触势垒耗尽了异质结界面的二维电子气，没有导通沟道。
HEMT漏极6输出信号可以选择第一端口14接入低通滤波器，低通滤波器输出接入压控振荡器，压控振荡器输出选择第三端口16作为反馈信号通过锚区8加载到一个固支梁开关9上，参考信号通过锚区8加载到另一个固支梁开关9上。HEMT漏极6输出也可以选择第二端口15直接输出放大信号。
直流偏置通过高频扼流圈和锚区8作用在固支梁开关9上。直流偏置通过锚区8作用在固支梁开关上。
固支梁开关的下拉电压设计为HEMT的阈值电压。当直流偏置不足以使固支梁开关9下拉与栅极7接触时，开关断开，栅电压为0，没有二维电子气沟道，HEMT截止，能够有效的减小栅极漏电流，降低功耗。
当直流偏置达到或者大于下拉电压，两个固支梁开关9均下拉闭合与栅极7接触时，直流偏置作用在栅极7上，异质结界面产生二维电子气沟道，如图4所示，HEMT导通。参考信号和反馈信号通过HEMT相乘，漏极6输出包含了两信号之间的相位差信息。漏极6输出信号选择第一端口14输入至低通滤波器，低通滤波器对漏极输出进行滤波，高频部分被滤除，输出与相位差信息有关的直流电压。直流电压可以表示为：
UL＝Kcos((ωref-ωback)t+φ) (1)
其中K为HEMT增益系数，ωref为基准信号角频率，ωback为反馈信号角频率，φ为固有相位差。直流电压调节压控振荡器的输出频率，调节后的压控振荡器输出角频率ωo可以通过下式表达：
压控振荡器输出作为反馈信号加载到固支梁开关9上，直到最终反馈信号和参考信号的频率一致，相位差恒定
ωback＝ωo＝ωref (3)
锁相环电路完成锁定，压控振荡器第四端口17输出信号频率与参考信号一致。
当只有一个固支梁开关9被下拉闭合，与对应栅极7接触时，闭合的固支梁开关9下方形成二维电子气沟道，另一个断开的固支梁开关9下方为高阻区，如图5所示，沟道与高阻区串联的结构能够提高HEMT的反向击穿电压。只有闭合固支梁开关9上的选通信号可以通过HEMT放大，放大信号选择第二端口15输出。当加载参考信号的固支梁开关9闭合时，第二端口15输出频率为参考信号频率fref的放大信号，当加载反馈信号的固支梁开关9闭合时，反馈信号频率等于压控振荡器的输出频率fo，第二端口15输出频率为fo的放大信号，通过对单个固支梁开关9的下拉，实现对单个信号的放大，电路具有多功能。此外，断开的固支梁开关9有利于减小栅极漏电流，降低功耗。
本发明的GaAs基低漏电流双固支梁开关双栅HEMT锁相环电路的制备方法如下：
1)在半绝缘P型GaAs衬底；
2)外延生长本征GaAs层约500nm；
3)外延生长本征AlGaAs隔离层约50nm；
4)生长N+型AlGaAs层约20nm，掺杂浓度为1×1018cm-3，控制厚度与掺杂浓度，使得HEMT管为增强型；
5)生长N+型GaAs层厚约300nm，掺杂浓度为3.5×1018cm-3；
6)台面腐蚀隔离有源区；
7)生长氮化硅；
8)光刻氮化硅层，刻出源漏极域，进行N+离子注入，形成源极和漏极，去除氮化硅；
9)涂覆光刻胶，光刻去除电极接触位置的光刻胶；
10)真空蒸发金锗镍/金；
11)剥离，合金化形成源、漏欧姆接触电极；
12)涂覆光刻胶，光刻去除栅极位置的光刻胶；
13)生长厚度为0.5μmTi/Pt/Au；
14)去除光刻胶以及光刻胶上的金属，形成肖特基接触的栅极；
15)涂覆光刻胶，光刻出引线，下拉极板和固支梁锚区的窗口；
16)生长一层厚度为0.3μm的Au；
17)去除光刻胶，形成引线、下拉极板、固支梁的锚区；
18)沉积绝缘层，应用外延工艺生长0.1μm的SixN1-x的绝缘层；
19)光刻去除多余的绝缘层，仅保留下拉极板上方的绝缘层；
20)通过旋涂方式形成PMGI牺牲层，然后光刻牺牲层，仅保留固支梁下方的牺牲层；
21)生长一层用于电镀的底金：蒸发Ti/Au/Ti，作为种子层厚度50/150/30nm；
22)涂覆光刻胶，光刻出固支梁，锚区和连接线的窗口；
23)电镀一层金，其厚度为2μm；
24)去除光刻胶，同时去除光刻胶上的金层；
25)反刻钛/金/钛，腐蚀种子层，形成固支梁及以及连接线；
26)去除聚酰亚胺牺牲层，释放MEMS固支梁；
27)将制备的HEMT与外部电路连接，构成锁相环电路。
区分是否为该结构的标准如下：
本发明的GaAs基低漏电流双固支梁开关双栅HEMT锁相环电路采用两个固支梁开关作为控制HEMT导通以及信号传输的开关。固支梁开关的下拉电压设计为HEMT的阈值电压。当固支梁开关不被下拉，处于断开状态时，栅电压为0，HEMT截止；当两个固支梁开关均通过直流偏置下拉与栅极接触，开关闭合时，二维电子气沟道形成，HEMT导通，参考信号和反馈信号通过HEMT相乘，输出信号在低通滤波器和压控振荡器的作用下，最终达到锁定状态；另外，下拉闭合一个固支梁开关后，另一个不被下拉的固支梁开关下方形成高阻区，有利于提高反击穿电压，此时，只有对应选通信号可以通过HEMT传输，实现了对单个选通信号的放大，拓展了电路的应用范围。
Claims (1)
1.一种砷化镓基低漏电流双固支梁开关双栅锁相环电路，其特征在于该锁相环电路的HEMT是生长在GaAs衬底(1)上的增强型HEMT，包括本征GaAs层(2)，本征AlGaAs层(3)，N+AlGaAs层(4)，源极(5)，漏极(6)，栅极(7)，锚区(8)，固支梁开关(9)，下拉极板(10)，绝缘层(11)，通孔(12)，引线(13)；在GaAs衬底(1)上设有本征GaAs层(2)，本征GaAs层(2)上设有本征AlGaAs层(3)，本征AlGaAs层(3)上设有N+AlGaAs层(4)，源极(5)接地；源极(5)、漏极(6)分别位于栅极(7)两侧，位于N+AlGaAs层(4)上的两个栅极(7)并列设置，两个固支梁开关(9)的两端分别固定在锚区(8)上，两个固支梁开关(9)的中部悬浮在两个栅极(7)上，下拉极板(10)位于栅极(7)与锚区(8)之间，下拉极板(10)接地，绝缘层(11)覆盖在下拉极板(10)之上，直流偏置通过高频扼流圈和锚区(8)作用在固支梁开关(9)上，固支梁开关(9)的下拉电压设计为HEMT的阈值电压；
漏极(6)输出信号有两种不同的传输方式，一种是选择第一端口(14)连接低通滤波器，低通滤波器的输出连接压控振荡器，压控振荡器的输出通过第三端口(16)作为反馈信号通过锚区(8)加载在一个固支梁开关(9)上，参考信号通过锚区(8)加载到另一个固支梁开关(9)上，漏极(6)输出信号的另一种连接方式是选择第二端口(15)直接输出放大信号；
在砷化镓基低漏电流双固支梁开关双栅锁相环电路中，当直流偏置小于下拉电压，两个固支梁开关(9)均处于悬浮断开状态，不与栅极(7)接触时，栅电压为0，没有二维电子气沟道，HEMT处于截止状态，能够减小栅极漏电流，降低功耗；
当直流偏置达到或者大于下拉电压，两个固支梁开关(9)均下拉闭合与栅极(7)接触时，在栅电压的作用下，二维电子气沟道形成，HEMT导通，参考信号与反馈信号通过HEMT相乘，漏极(6)输出包含两信号的相位差信息，经第一端口(14)通过低通滤波器，低通滤波器滤除高频分量，并向压控振荡器输送一个包含相位差信息的直流电压，直流电压调节压控振荡器的输出频率，作为反馈信加载到固支梁开关(9)上，直到反馈信号与参考信号达到频率相同，相位差恒定的锁定状态，压控振荡器第四端口(17)输出频率为参考信号频率fref；
当只有一个固支梁开关(9)下拉与对应的栅极(7)接触，另一个固支梁开关(9)悬浮断开不与栅极(7)接触时，闭合的固支梁开关(9)下方形成二维电子气沟道，断开的固支梁开关(9)下方形成高阻区，沟道与高阻区串联的结构有利于提高HEMT的反向击穿电压，只有闭合的固支梁开关(9)上的选通信号可以通过HEMT放大，放大信号选择第二端口(15)输出，当加载参考信号的固支梁开关(9)闭合时，第二端口(15)输出频率为参考信号频率fref的放大信号，当加载反馈信号的固支梁开关(9)闭合时，反馈信号频率等于压控振荡器的输出频率fo，第二端口(15)输出频率为fo的放大信号，断开的固支梁开关(9)有利于减小栅极漏电流，降低功耗。
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