CN104967407B - 氮化镓基低漏电流悬臂梁开关交叉耦合振荡器及制备方法 - Google Patents
氮化镓基低漏电流悬臂梁开关交叉耦合振荡器及制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明是氮化镓基低漏电流悬臂梁开关交叉耦合振荡器及制备方法，用具有悬臂梁开关的MESFET代替传统的MESFET。该交叉耦合振荡器的悬臂梁开关的下拉电极接地，设计两个悬臂梁开关MESFET的阈值电压相等，悬臂梁开关MESFET的阈值电压和它的悬臂梁下拉电压相等，当悬臂梁与下拉电极板间的电压大于阈值电压的绝对值，所以悬臂梁开关被下拉到栅极上，悬臂梁开关与栅极紧贴，同时栅极与源极间的电压也大于阈值电压，所以MESFET导通。当MESFET的悬臂梁开关和下拉电极板之间的电压小于阈值电压，悬臂梁开关是悬浮在栅极上方，处于截止。该GaN基低漏电流悬臂梁开关MESFET的交叉耦合振荡器产生稳定振荡，从而降低该交叉耦合振荡器工作时的功耗。
Description
技术领域
本发明提出了GaN基低漏电流悬臂梁开关MESFET交叉耦合振荡器，属于微电子机械系统的技术领域。
背景技术
随着现代通信的飞速发展，高稳定高性能的振荡器已经成为决定系统性能优劣的关键部件之一。振荡器的应用很广，微处理机，蜂窝电话，测试仪器设备等都要用到振荡器，特别是在军事侦察，雷达，通信领域中，需要采用信号源作为日益复杂的基带信息的载波，对振荡器的稳定性提出更高的要求。振荡器在很高频率下工作，会导致芯片功耗问题变的日益明显，太高的功耗会对芯片的散热提出更高的要求，还会使芯片的性能受到影响。对于振荡器的低功耗的设计在超大规模集成电路的设计中显得越来越重要。
交叉耦合振荡器因为其优越的相位噪声性能，使得基于无源谐振元件的交叉耦合振荡器得以广泛应用。常规的交叉耦合振荡器在大规模集成电路中，功耗问题日益明显，集成电路过高的功耗对设备的散热性能及稳定性提出了更高的要求。传统MESFET在工作态时开关极与衬底之间具有较大的开关极漏电流，本发明即是基于GaN工艺设计了一种具有极低的漏电流的GaN基悬臂梁开关MESFET交叉耦合振荡器，可以有效地降低交叉耦合振荡器中晶体管的开关极漏电流，降低交叉耦合振荡器的功耗。
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悬臂梁开关交叉耦合振荡器及制备方法，使用GaN基悬臂梁开关MESFET替代传统的MESFET。交叉耦合振荡器稳定振荡后两个MESFET交替导通与关断。传统MESFET的开关与有源区是肖特基接触，所以不可避免的会有一定的直流漏电流。在大规模集成电路中，这种漏电流的存在会增加交叉耦合振荡器在工作的中的功耗。本发明中可以有效的降低这种漏电流。
技术方案：本发明的氮化镓基低漏电流悬臂梁开关交叉耦合振荡器，包括第一悬臂梁N型MESFET、第二悬臂梁N型MESFET、LC谐振回路和恒流源组成，该交叉耦合振荡器中的第一悬臂梁N型MESFET和第二悬臂梁N型MESFET都是制作在半绝缘GaN衬底上，其输入引线是利用金制作,N型MESFET栅极与有源层形成肖特基接触，在栅极上方设计了悬臂梁，该悬臂梁由钛/金/钛制作，悬臂梁下方的锚区制作在半绝缘GaN衬底上，在每个悬臂梁下方设计了两个电极板，电极板的上表面覆盖有氮化硅层，电极板接地，第一悬臂梁N型MESFET和第二悬臂梁N型MESFET的源极连在一起并与恒流源相连，恒流源另一端接地，第一悬臂梁N型MESFET的漏极通过引线，锚区与第二悬臂梁N型MESFET的悬臂梁相连，第二悬臂梁N型MESFET的漏极通过引线，锚区与第一悬臂梁N型MESFET的悬臂梁相连形成交叉耦合结构，LC谐振回路接在第一悬臂梁N型MESFET的漏极和第二悬臂梁N型MESFET的漏极之间。
用具有悬臂梁开关的MESFET代替传统的MESFET,悬臂梁开关MESFET基于GaN衬底，设计悬臂梁开关MESFET和悬臂梁开关MESFET的阈值电压相等，同时设计第一悬臂梁N型MESFET和第二悬臂梁N型MESFET的阈值电压与它的悬臂梁下拉电压相等，当悬臂梁开关MESFET的悬臂梁与下拉电极板间的电压大于阈值电压的绝对值，所以悬臂梁被下拉到栅极上，悬臂梁与栅极短接，同时栅极与源极间的电压也大于阈值电压，所以MESFET导通，当悬臂梁开关MESFET的悬臂梁和下拉电极板之间的电压小于阈值电压，悬臂梁是悬浮在栅极上方，处于截止，该GaN基低漏电流悬臂梁开关MESFET的交叉耦合振荡器在稳定振荡时，第一悬臂梁N型MESFET 1和第二悬臂梁N型MESFET 2交替导通与关断，当悬臂梁开关MESFET关断，悬臂梁处于悬浮状态，悬臂梁与栅极间有一层空气层，所以该悬臂梁开关MESFET栅极漏电流大大减小,从而降低该交叉耦合振荡器工作时的功耗，并且GaN基的MESFET具有高电子迁移率，能够满足射频信号下电路正常工作的需要。
该GaN基低漏电流悬臂梁开关MESFET的交叉耦合振荡器使用的具有悬臂梁开关MESFET代替传统的MESFET，设计两个悬臂梁开关MESFET的阈值电压相等，悬臂梁开关MESFET的阈值电压和它的悬臂梁下拉电压相等，当悬臂梁与下拉电极板间的电压大于阈值电压的绝对值，所以悬臂梁开关被下拉到栅极上，悬臂梁开关与栅极紧贴，同时栅极与源极间的电压也大于阈值电压，所以MESFET导通。当MESFET的悬臂梁开关和下拉电极板之间的电压小于阈值电压，悬臂梁开关是悬浮在栅极上方，处于截止。该GaN基低漏电流悬臂梁开关MESFET的交叉耦合振荡器产生稳定振荡，此时第一悬臂梁N型MESFET 1和第二悬臂梁N型MESFET 2交替导通与关断，当悬臂梁开关MESFET关断，悬臂梁开关处于悬浮状态，悬臂梁开关与栅极间有一层空气层，所以该悬臂梁开关MESFET栅极漏电流大大减小,从而降低该交叉耦合振荡器工作时的功耗，并且GaN基的MESFET具有高电子迁移率，能够满足射频信号下电路正常工作的需要。
GaN基悬臂梁开关MESFET交叉耦合振荡器的制备方法包括以下几个步骤：
1)准备半绝缘GaN衬底；
2)淀积氮化硅，用等离子体增强型化学气相淀积法工艺(PECVD)生长一层氮化硅，然后光刻和刻蚀氮化硅，去除N型MESFET有源区的氮化硅；
3)N型MESFET有源区离子注入：注入磷后，在氮气环境下退火；退火完成后，在高温下进行N+杂质再分布，形成N型MESFET有源区的N型有源层；
4)去除氮化硅层：采用干法刻蚀技术将氮化硅全部去除；
5)光刻开关区，去除开关区的光刻胶；
6)电子束蒸发钛/铂/金；
7)去除光刻胶以及光刻胶上的钛/铂/金；
8)加热，使钛/铂/金合金与N型GaN有源层形成肖特基接触；
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)注入重掺杂N型杂质，在N型MESFET源极和漏极区域形成的N型重掺杂区，注入后进行快速退火处理；
11)光刻源极和漏极，去除引线、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，形成引线、源极和漏极；
15)涂覆光刻胶，去除输入引线、电极板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，初步形成输入引线、电极板和悬臂梁的锚区；
18)淀积氮化硅：用等离子体增强型化学气相淀积法工艺(PECVD)生长厚的氮化硅介质层；
19)光刻并刻蚀氮化硅介质层，保留在电极板上的氮化硅；
20)淀积并光刻聚酰亚胺牺牲层：在砷化镓衬底上涂覆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，其厚度为蒸发用于电镀的底金；
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。
该交叉耦合振荡器使用的具有悬臂梁开关MESFET的下拉电极接地，悬臂梁开关是悬浮在其栅极之上的，N型MESFET的栅极与衬底之间形成了肖特基接触,设计两个悬臂梁开关MESFET的阈值电压相等，悬臂梁开关MESFET的阈值电压和它的悬臂梁下拉电压相等，当悬臂梁与下拉电极板间的电压大于阈值电压的绝对值，所以悬臂梁开关被下拉到栅极上，悬臂梁开关与栅极紧贴，同时栅极与源极间的电压也大于阈值电压，所以MESFET导通。当MESFET的悬臂梁开关和下拉电极板之间的电压小于阈值电压，悬臂梁开关是悬浮在栅极上方，处于截止。该GaN基低漏电流悬臂梁开关MESFET的交叉耦合振荡器产生稳定振荡，此时第一悬臂梁N型MESFET 1和第二悬臂梁N型MESFET 2交替导通与关断，当悬臂梁开关MESFET关断，悬臂梁开关处于悬浮状态，悬臂梁开关与栅极间有一层空气层，所以该悬臂梁开关MESFET栅极漏电流大大减小,从而降低该交叉耦合振荡器工作时的功耗，并且GaN基的MESFET具有高电子迁移率，能够满足射频信号下电路正常工作的需要。
有益效果：本发明的GaN基低漏电流悬臂梁开关MESFET交叉耦合振荡器使用的具有悬臂梁开关MESFET的悬臂梁开关是悬浮在栅极之上的，N型MESFET的栅极与衬底之间形成了肖特基接触，该GaN基低漏电流悬臂梁开关MESFET的交叉耦合振荡器稳定振荡时，第一悬臂梁开关MESFET和第二悬臂梁开关MESFET交替导通与关断，当悬臂梁开关MESFET关断，悬臂梁开关处于悬浮状态，悬臂梁开关与栅极间有一层空气层，所以该悬臂梁开关MESFET栅极漏电流大大减小,从而降低该交叉耦合振荡器工作时的功耗，并且GaN基的MESFET具有高电子迁移率，能够满足射频信号下电路正常工作的需要。
附图说明
图1为本发明GaN基低漏电流悬臂梁开关MESFET交叉耦合振荡器的俯视图，
图2为图1GaN基低漏电流悬臂梁开关MESFET交叉耦合振荡器的P-P’向的剖面图，
图3为图1GaN基低漏电流悬臂梁开关MESFET交叉耦合振荡器的A-A’向的剖面图，
图4为GaN基低漏电流悬臂梁开关MESFET交叉耦合振荡器原理图。
图中包括：第一悬臂梁N型MESFET1，第二悬臂梁N型MESFET2，半绝缘GaN衬底3，输入引线4，栅极5，悬臂梁6，锚区7，电极板8，氮化硅层9，N型MESFET的漏极10，N型有源层11，N型MESFET的源极12，通孔13,引线14，恒流源15。
具体实施方式
本发明的悬臂梁开关MESFET交叉耦合振荡器是由悬臂梁开关MESFET1和悬臂梁开关MESFET2，LC谐振回路，恒流源15构成，该交叉耦合振荡器的MESFET是基于GaN衬底3制作，其输入引线4是利用金制作。本发明中的MESFET的栅极5与有源层形成肖特基接触，在栅极5上方设计了悬臂梁6。悬臂梁6两个锚区7制作在半绝缘GaN衬底3上。在每个悬臂梁6下方设计了两个电极板8，电极板的上方覆盖有氮化硅层9。每个MESFET的电极板8接地。
在本发明的交叉耦合振荡器基于GaN衬底，在该振荡器中的MESFET的栅极上方设计有悬臂梁结构。悬臂梁的下拉电极接地，设计两个悬臂梁开关MESFET的阈值电压相等，悬臂梁开关MESFET的阈值电压和它的悬臂梁下拉电压相等，当悬臂梁与下拉电极板间的电压大于阈值电压的绝对值，所以悬臂梁开关被下拉到栅极上，悬臂梁开关与栅极紧贴，同时栅极与源极间的电压也大于阈值电压，所以MESFET导通。当MESFET的悬臂梁开关和下拉电极板之间的电压小于阈值电压，悬臂梁开关是悬浮在栅极上方，处于截止。该GaN基低漏电流悬臂梁开关MESFET的交叉耦合振荡器产生稳定振荡，此时第一悬臂梁开关MESFET和第二悬臂梁开关MESFET交替导通与关断，当悬臂梁开关MESFET关断，悬臂梁开关处于悬浮状态，悬臂梁开关与栅极间有一层空气层，所以该悬臂梁开关MESFET栅极漏电流大大减小,从而降低该交叉耦合振荡器工作时的功耗，并且GaN基的MESFET具有高电子迁移率，能够满足射频信号下电路正常工作的需要。
GaN基悬臂梁开关MESFET交叉耦合振荡器的制备方法包括以下几个步骤：
1)准备半绝缘GaN衬底；
2)淀积氮化硅，用等离子体增强型化学气相淀积法工艺(PECVD)生长一层氮化硅，然后光刻和刻蚀氮化硅，去除N型MESFET有源区的氮化硅；
3)N型MESFET有源区离子注入：注入磷后，在氮气环境下退火；退火完成后，在高温下进行N+杂质再分布，形成N型MESFET有源区的N型有源层；
4)去除氮化硅层：采用干法刻蚀技术将氮化硅全部去除；
5)光刻开关区，去除开关区的光刻胶；
6)电子束蒸发钛/铂/金；
7)去除光刻胶以及光刻胶上的钛/铂/金；
8)加热，使钛/铂/金合金与N型GaN有源层形成肖特基接触；
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)注入重掺杂N型杂质，在N型MESFET源极和漏极区域形成的N型重掺杂区，注入后进行快速退火处理；
11)光刻源极和漏极，去除引线、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，形成引线、源极和漏极；
15)涂覆光刻胶，去除输入引线、电极板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，初步形成输入引线、电极板和悬臂梁的锚区；
18)淀积氮化硅：用等离子体增强型化学气相淀积法工艺(PECVD)生长厚的氮化硅介质层；
19)光刻并刻蚀氮化硅介质层，保留在电极板上的氮化硅；
20)淀积并光刻聚酰亚胺牺牲层：在砷化镓衬底上涂覆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，其厚度为蒸发用于电镀的底金；
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。
本发明与现有技术的区别在于：
本发明中交叉耦合振荡器与传统的交叉耦合振荡器最大的区别在于所用的悬臂梁开关MESFET基于GaN衬底，悬臂梁开关MESFET的栅极上方设计有悬臂梁结构,能够有效的减小该交叉耦合振荡器在工作时的栅极漏电流，降低功耗，改善性能。该交叉耦合振荡器的悬臂梁开关的下拉电极接地，设计两个悬臂梁开关MESFET的阈值电压相等，悬臂梁开关MESFET的阈值电压和它的悬臂梁下拉电压相等，当悬臂梁与下拉电极板间的电压大于阈值电压的绝对值，所以悬臂梁开关被下拉到栅极上，悬臂梁开关与栅极紧贴，同时栅极与源极间的电压也大于阈值电压，所以MESFET导通。当MESFET的悬臂梁开关和下拉电极板之间的电压小于阈值电压，悬臂梁开关是悬浮在栅极上方，处于截止。该GaN基低漏电流悬臂梁开关MESFET的交叉耦合振荡器产生稳定振荡，此时悬臂梁开关MESFET(1)和悬臂梁开关MESFET(2)交替导通与关断，当悬臂梁开关MESFET关断，悬臂梁开关处于悬浮状态，悬臂梁开关与栅极间有一层空气层，所以该悬臂梁开关MESFET栅极漏电流大大减小,从而降低该交叉耦合振荡器工作时的功耗，并且GaN基的MESFET具有高电子迁移率，能够满足射频信号下电路正常工作的需要。
满足以上条件的结构即视为本发明的GaN基低漏电流悬臂梁开关MESFET交叉耦合振荡器。
Claims (3)
1.一种氮化镓基低漏电流悬臂梁开关交叉耦合振荡器，其特征是该振荡器包括第一悬臂梁N型MESFET(1)、第二悬臂梁N型MESFET(2)、LC谐振回路和恒流源(15)组成，该交叉耦合振荡器中的第一悬臂梁N型MESFET(1)和第二悬臂梁N型MESFET(2)都是制作在半绝缘GaN衬底(3)上，其输入引线(4)是利用金制作,N型MESFET栅极(5)与有源层形成肖特基接触，在栅极(5)上方设计了悬臂梁(6)，悬臂梁(6)下方的锚区(7)制作在半绝缘GaN衬底(3)上，在每个悬臂梁(6)下方设计了两个电极板(8)，电极板(8)的上表面覆盖有氮化硅层(9)，电极板(8)接地，第一悬臂梁N型MESFET(1)和第二悬臂梁N型MESFET(2)的源极连在一起并与恒流源相连，恒流源另一端接地，第一悬臂梁N型MESFET(1)的漏极(10)通过引线(14)，锚区(7)与第二悬臂梁N型MESFET(2)的悬臂梁(6)相连，第二悬臂梁N型MESFET(2)的漏极(10)通过引线(14)，锚区(7)与第一悬臂梁N型MESFET(1)的悬臂梁(6)相连形成交叉耦合结构，LC谐振回路接在第一悬臂梁N型MESFET(1)的漏极(10)和第二悬臂梁N型MESFET(2)的漏极(10)之间。
2.根据据权利要求1所述的氮化镓基低漏电流悬臂梁开关交叉耦合振荡器，其特征在于所述的悬臂梁(6)由钛/金/钛三层复合制作而成。
3.如权利要求1所述的氮化镓基低漏电流悬臂梁开关交叉耦合振荡器的制备方法，其特征在于该制备方法包括以下几个步骤：
1) .准备半绝缘GaN衬底；
2) .淀积氮化硅，用等离子体增强型化学气相淀积法工艺(PECVD)生长一层氮化硅，然后光刻和刻蚀氮化硅，去除N型MESFET有源区的氮化硅；
3) .N型MESFET有源区离子注入：注入磷后，在氮气环境下退火；退火完成后，在高温下进行N+杂质再分布，形成N型MESFET有源区的N型有源层；
4) .去除氮化硅层：采用干法刻蚀技术将氮化硅全部去除；
5) .光刻开关区，去除开关区的光刻胶；
6) .电子束蒸发钛-铂-金；
7) .去除光刻胶以及光刻胶上的钛-铂-金；
8) .加热，使钛-铂-金与N型GaN有源层形成肖特基接触；
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) .注入重掺杂N型杂质，在N型MESFET源极和漏极区域形成的N型重掺杂区，注入后进行快速退火处理；
11) .光刻源极和漏极，去除引线、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，形成引线、源极和漏极；
15) .涂覆光刻胶，去除输入引线、电极板和悬臂梁的锚区位置的光刻胶；
16) .蒸发第一层金，其厚度为0.3μm；
17) .去除光刻胶以及光刻胶上的金，初步形成输入引线、电极板和悬臂梁的锚区；
18) .淀积氮化硅：用等离子体增强型化学气相淀积法工艺(PECVD)生长厚的氮化硅介质层；
19) .光刻并刻蚀氮化硅介质层，保留在电极板上的氮化硅；
20) .淀积并光刻聚酰亚胺牺牲层：在砷化镓衬底上涂覆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，其厚度分别为蒸发用于电镀的钛-金-钛；
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，腐蚀钛-金-钛，形成悬臂梁；
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。
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