CN104953980A - 氮化镓基低漏电流悬臂梁的开关电容滤波器及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明的氮化镓基低漏电流悬臂梁的开关电容滤波器，制作在半绝缘型GaN衬底上，主要由运算放大器、电容器和两个N型MESFET构成，其中N型MESFET开关的结构是一种新颖的结构，它拥有一个悬臂梁悬浮在栅极上方，该悬臂梁由Au材料制作，偏置信号是加到悬臂梁上的，悬臂梁下方设计有一个下拉电极，分布在锚区与栅极之间，下拉电极接地，这两个N型MESFET的阈值电压设计为相等，而悬臂梁的下拉电压设计为与N型MESFET的阈值电压相等。输入信号通过隔直电容C0与N型MESFET的源极相连，通过电容C1的充放电向后级传输，这种结构的开关电容滤波器可以降低栅极漏电流，减小功耗。

Description

氮化镓基低漏电流悬臂梁的开关电容滤波器及制备方法

技术领域

本发明提出了氮化镓基低漏电流悬臂梁的开关电容滤波器，属于微电子机械系统的技术领域。

背景技术

随着集成电路的不断发展，人们对电路系统的要求越来越高，不仅要求速度快、集成度高，而且要求较低的功耗，这对集成电路的发展提出了不小的挑战。开关电容滤波器是一种大规模集成电路滤波器，它以速度快、集成度高、稳定性好等优点而被广泛应用于微波通信系统中，但是随着各方面的要求不断提高，传统的开关电容滤波器已经不能满足人们的需求了，由GaN场效应晶体管(MESFET)制作的开关电容滤波器比传统MOS器件构成的开关电容滤波器有着更快的速度，但是功耗问题却一直难以控制。随着电子器件尺寸的不断缩小，传统MESFET开关由于其栅极的漏电流问题而导致了开关电容滤波器的功耗增加、性能降低，因此对开关电容滤波器的功耗问题必须加以研究。

随着MEMS技术的蓬勃发展，并且随着对具有MEMS悬臂梁结构的MESFET器件的深入研究，将悬臂梁结构的MESFET应用于开关电容滤波器已成为了不可阻挡的趋势，本发明就是在半绝缘GaN衬底上设计了一种具有极小的栅极漏电流的悬臂梁开关电容滤波器。

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悬臂梁的开关电容滤波器及制备方法，通过控制MESFET开关的悬臂梁与栅极是否接触来实现开关的导通与关断，信号经过电容的充放电可以等效为一个电阻，经过运算放大器就可以实现信号的滤波，在本发明的开关电容滤波器中，滤波器的中心频率仅取决于电容的比值和开关的时钟频率，这是开关电容滤波器的一大特色与优点，也是影响滤波性能的决定性因素。

技术方案：本发明的氮化镓基低漏电流悬臂梁的开关电容滤波器制作在半绝缘型GaN衬底上，由运算放大器、N沟道MESFET和电容器组成，在半绝缘型GaN衬底上设有栅极、N型沟道MESFET、锚区、悬臂梁、下拉电极、氮化硅介质层、N型MESFET的源极、N型MESFET的漏极；在两个N沟道MESFET的上方设有悬浮的悬臂梁，悬臂梁由Au材料制作，通过锚区横跨在栅极的上方，在悬臂梁下方设有一个下拉电极，下拉电极是接地的，其上还覆盖有氮化硅介质层，这两个N沟道MESFET与电容C1、C2和运算放大器共同构成开关电容滤波器，具有低漏电流的优点。

偏置信号是加到悬臂梁上的，整个悬臂梁结构包括锚区、悬臂梁、下拉电极、氮化硅介质层，并且悬臂梁上接有高频扼流圈L，N型MESFET源极接有隔直电容C0，下拉电极是接地的，两个N型MESFET的阈值电压设计为相等，而悬臂梁的下拉电压设计为与N型MESFET的阈值电压相等。只有当N沟道MESFET的悬臂梁上的偏置电压大于阈值电压时，悬浮的悬臂梁才会下拉贴至栅极上使得N沟道MESFET导通，否则N沟道MESFET就截止。

第一N型MESFET开关和第二N型MESFET开关的悬臂梁7上接有完全对称相反的时钟信号，这样N型MESFET开关和N型MESFET开关就会处于一开一关的状态，当第一N型MESFET开关导通、第二N型MESFET开关截止时，输入信号会向电容C1充电，当第一N型MESFET开关截止、第二N型MESFET开关导通时，电容C1就会向后级放电，再经过积分电路的运算实现信号的滤波功能，此开关电容滤波器的滤波性能仅取决于电容C1、C2的比值和开关频率。

该N沟道MESFET的源极和漏极由金和N型重掺杂区形成的欧姆接触区构成，栅极是由金和沟道形成的肖特基接触区构成。

该N沟道MESFET的栅极上方设有一个悬浮的悬臂梁结构，通过锚区固定，与栅极之间有一层空隙，输入信号是加到悬臂梁上的，并非加载到栅极上，该悬臂梁由Au材料制作，在悬臂梁的下方制作有一个下拉电极，同时还有一层绝缘介质层覆盖在下拉电极上，下拉电极是接地的，当正偏置加到悬臂梁上时，悬臂梁就会被下拉电极吸附下来，否则就处于悬浮状态，由于电容的充放电和运算放大器的运算实现了滤波功能。

在该MESFET的悬臂梁上还各自接上一个高频扼流圈，该高频扼流圈是为了防止输入交流信号通过悬臂梁的耦合作用对悬臂梁上的直流偏置产生影响，同时，输入交流信号也要通过一个隔直电容来防止悬臂梁上的直流偏置通过悬臂梁的耦合作用对输入信号的影响。

本发明的氮化镓基低漏电流悬臂梁的开关电容滤波器的制备方法如下：

1)准备半绝缘型GaN衬底；

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)涂覆光刻胶，光刻并刻蚀N型MESFET源极和漏极区域的光刻胶；

10)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；

11)光刻源极和漏极，去除源极和漏极的光刻胶；

12)真空蒸发金锗镍/金；

13)去除光刻胶以及光刻胶上的金锗镍/金；

14)合金化形成欧姆接触，形成源极和漏极；

15)涂覆光刻胶，去除引线、下拉电极和悬臂梁的锚区位置的光刻胶；

16)蒸发第一层金，其厚度约为0.3μm；

17)去除光刻胶以及光刻胶上的金，形成引线、下拉电极和悬臂梁的锚区；

18)淀积一层厚的氮化硅；

19)光刻并刻蚀氮化硅介质层，保留在下拉电极上的氮化硅介质层；

20)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，仅保留悬臂梁下方的牺牲层；

21)蒸发钛/金/钛，其厚度为500/1500/

22)光刻：去除要电镀地方的光刻胶；

23)电镀金，其厚度为2μm；

24)去除光刻胶：去除不需要电镀地方的光刻胶；

25)反刻钛/金/钛，腐蚀底金，形成MEMS悬臂梁；

26)释放聚酰亚胺牺牲层：显影液浸泡，去除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。

在本发明中，MESFET的栅极上没有偏置电压，偏置电压是加载到悬臂梁上的，该悬臂梁通过锚区固定，悬浮在栅极上方，悬臂梁下方还有一个下拉电极，分布在锚区与栅极之间，下拉电极接地，两个N型MESFET的阈值电压设计为相等，而悬臂梁的下拉电压设计为与N型MESFET的阈值电压相等。只有当N型MESFET的固支梁与下拉电极之间的电压大于阈值电压时，悬臂梁才会下拉并吸附至栅极上，N型MESFET导通，否则N型MESFET截止，MESFET开关的悬臂梁结构使得栅极漏电流有效的得到降低，从而减小了开关电容滤波器的功耗。

有益效果：本发明的氮化镓基低漏电流悬臂梁的开关电容滤波器具有可浮动的悬臂梁结构，与栅极之间有一层空隙，它的结构简单、速度快，关键是栅极漏电流很小，这使得开关电容滤波器的滤波性能更加优越。

附图说明

图1为本发明的氮化镓基低漏电流悬臂梁的开关电容滤波器的原理图

图2为本发明的氮化镓基低漏电流悬臂梁的开关电容滤波器的俯视图

图3为图2氮化镓基低漏电流悬臂梁的开关电容滤波器的P-P’向的剖面图

图4为图2氮化镓基低漏电流悬臂梁的开关电容滤波器的A-A’向的剖面图

图中包括：运算放大器1，半绝缘型GaN衬底2，引线3，栅极4，N型MESFET沟道5，锚区6，悬臂梁7，下拉电极8，氮化硅介质层9，N型MESFET的源极10，N型MESFET的漏极11，第一N型MESFET开关12，第二N型MESFET开关13，高频扼流圈L，隔直电容C0，电容C1、C2。

具体实施方式

本发明的氮化镓基低漏电流悬臂梁的开关电容滤波器是基于半绝缘型GaN衬底2制作的，两个开关是由N型MESFET构成，该N型MESFET由源极10、漏极11、锚区6、悬臂梁7、下拉电极8和氮化硅介质9所组成。

N型MESFET的源极接输入信号，两个N型MESFET串联相接，中间并联接有电容C1，输入信号就是通过这两个开关的通与断使电容不断充放电，从而实现滤波功能。

N型MESFET的悬臂梁7是悬浮在栅极4上方的，在悬臂梁7的下方存在着一个下拉电极8，它们分布在锚区6与栅极4之间，其上覆盖有氮化硅介质层9，而锚区6是淀积在半绝缘型GaN衬底2上的，时钟信号通过高频扼流圈L加到悬臂梁7上，实现两个N型MESFET的一通一断，而输入信号通过一个隔直电容C0接到N型MESFET的源极10，经过不断的充放电与运算放大器1的运算实现了滤波功能，其滤波特性仅取决于电容C1、C2的比值和时钟频率fc，因此根据不同的滤波性能可以选取不同的参数值。

本发明的氮化镓基低漏电流悬臂梁的开关电容滤波器的制备方法为：

1)准备半绝缘型GaN衬底2；

2)淀积一层氮化硅，光刻并刻蚀氮化硅，去除N型MESFET沟道区5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5；

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4，去除栅区的光刻胶；

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5形成肖特基接触；

9)涂覆光刻胶，光刻并刻蚀N型MESFET源极10和漏极11区域的光刻胶；

10)对该区域进行N型重掺杂，在N型MESFET源极10和漏极11区域形成的N型重掺杂区，进行快速退火处理；

11)光刻源极10和漏极11，去除源极10和漏极11的光刻胶；

12)真空蒸发金锗镍/金；

13)去除光刻胶以及光刻胶上的金锗镍/金；

14)合金化形成欧姆接触，形成源极10和漏极11；

15)涂覆光刻胶，去除引线3、下拉电极8和悬臂梁的锚区6位置的光刻胶；

16)蒸发第一层金，其厚度约为0.3μm；

17)去除光刻胶以及光刻胶上的金，形成引线3、下拉电极8和悬臂梁的锚区6；

18)淀积一层厚的氮化硅；

19)光刻并刻蚀氮化硅介质层，保留在下拉电极8上的氮化硅介质层9

20)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，仅保留悬臂梁7下方的牺牲层；

21)蒸发钛/金/钛，其厚度为500/1500/

22)光刻：去除要电镀地方的光刻胶；

23)电镀金，其厚度为2μm；

24)去除光刻胶：去除不需要电镀地方的光刻胶；

25)反刻钛/金/钛，腐蚀底金，形成MEMS悬臂梁7；

26)释放聚酰亚胺牺牲层：显影液浸泡，去除悬臂梁7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。

本发明的不同之处在于：

在本发明中，构成开关电容滤波器的模拟开关是由两个具有悬臂梁结构的N型MESFET构成，该悬臂梁位于栅极上方，与栅极之间有一层空隙，该悬臂梁由Au材料制作，在悬臂梁下方设有一个下拉电极，该下拉电极是接地的，这两个N型MESFET的阈值电压设计为相等，而悬臂梁的下拉电压设计为与N型MESFET的阈值电压相等。当悬臂梁上的直流偏置大于MESFET阈值电压时，悬臂梁才会下拉贴至栅极上，从而使得N型MESFET导通，否则N型MESFET截止，N型MESFET开关与电容C1、C2和运算放大器运算共同形成开关电容滤波器，由于N型MESFET的悬浮的悬臂梁的存在，使得栅极漏电流大大降低，直流功耗也减小了。

满足以上条件的结构即视为本发明的氮化镓基低漏电流悬臂梁的开关电容滤波器。

Claims (2)

1.一种氮化镓基低漏电流悬臂梁的开关电容滤波器，其特征在于该滤波器制作在半绝缘型GaN衬底(2)上，由运算放大器、N沟道MESFET和电容器组成，在半绝缘型GaN衬底(2)上设有栅极(4)、N型沟道MESFET(5)、锚区(6)、悬臂梁(7)、下拉电极(8)、氮化硅介质层(9)、N型MESFET的源极(10)、N型MESFET的漏极(11)；在两个N沟道MESFET(5)的上方设有悬浮的悬臂梁(7)，悬臂梁(7)由Au材料制作，通过锚区(6)横跨在栅极(4)的上方，在悬臂梁(7)下方设有一个下拉电极(8)，下拉电极(8)是接地的，其上还覆盖有氮化硅介质层(9)，这两个N沟道MESFET(5)与电容C1、C2和运算放大器共同构成开关电容滤波器，具有低漏电流的优点。

2.一种如权利要求1所述的氮化镓基低漏电流悬臂梁的开关电容滤波器的制备方法，其特征在于该滤波器的制备方法如下：

1).准备半绝缘型GaN衬底；

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).涂覆光刻胶，光刻并刻蚀N型MESFET源极和漏极区域的光刻胶；

10).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；

11).光刻源极和漏极，去除源极和漏极的光刻胶；

12).真空蒸发金锗镍/金；

13).去除光刻胶以及光刻胶上的金锗镍/金；

14).合金化形成欧姆接触，形成源极和漏极；

15).涂覆光刻胶，去除引线、下拉电极和悬臂梁的锚区位置的光刻胶；

16).蒸发第一层金，其厚度约为0.3μm；

17).去除光刻胶以及光刻胶上的金，形成引线、下拉电极和悬臂梁的锚区；

18).淀积一层厚的氮化硅；

19).光刻并刻蚀氮化硅介质层，保留在下拉电极上的氮化硅介质层；

20).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，仅保留悬臂梁下方的牺牲层；

21).蒸发钛/金/钛，其厚度为

22).光刻：去除要电镀地方的光刻胶；

23).电镀金，其厚度为2μm；

24).去除光刻胶：去除不需要电镀地方的光刻胶；

25).反刻钛/金/钛，腐蚀底金，形成MEMS悬臂梁；

26).释放聚酰亚胺牺牲层：显影液浸泡，去除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。