CN104993808B - 氮化镓基低漏电流悬臂梁开关或非门的rs触发器 - Google Patents

Abstract

氮化镓基低漏电流悬臂梁开关MESFET或非门的RS触发器该RS触发器由第一悬臂梁栅NMOS管(1)、第二悬臂梁栅NMOS管(2)、第三悬臂梁栅NMOS管(3)、第四悬臂梁栅NMOS管(4)组成的第一或非门(G1)、第二或非门(G2)，每一个悬臂梁栅NMOS管分别由栅极(8)、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，该RS触发器的四个悬臂梁栅NMOS管制作在氮化镓衬底(13)上，悬臂梁开关(7)的一端固定在锚区(9)上，另一端悬浮在栅极(8)上，当悬臂梁开关与下拉电极之间所加电压小于MESFET的阈值电压时，悬臂梁开关就不能下拉，其栅极上就不存在电压，所以该N型MESFET就不能导通。

Description

氮化镓基低漏电流悬臂梁开关或非门的RS触发器

技术领域

本发明提出了氮化镓基低漏电流悬臂梁开关MESFET(金属—半导体场效应晶体管)或非门的RS触发器，属于微电子机械系统的技术领域。

背景技术

随着智能手机等智能化终端设备的出现，移动终端设备快速更新的浪潮开始出现，移动终端设备的制造技术是当前工业与科研中最重要的研究方向之一，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，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，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。

RS触发器电路作为数字电路的重要组成部分，它是各种具有复杂功能的触发器电路的基本构成部分，由于RS触发器电路的基础性，在中央处理器等数字式电路中有巨大的应用，所以对RS触发器电路的功耗和温度的控制就显得十分重要，由常规MESFET组成的RS触发器，随着集成度的提升，功耗变得越来越严重，功耗过大带来的芯片过热问题会严重影响集成电路的性能，MEMS技术的发展使得制造具有可动悬臂梁开关结构的MESFET成为可能，具有可动悬臂梁开关结构的MESFET可以有效降低栅极漏电流，进而降低RS触发器电路的功耗。

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悬臂梁开关MESFET或非门的RS触发器，将RS触发器中采用的两个由传统MESFET组成的或非门电路换为两个由有悬臂梁开关结构的MESFET组成的或非门电路，在该RS触发器处于工作状态时，可以有效地减小晶体管的栅极漏电流，从而降低RS触发器的功耗。

技术方案：本发明的氮化镓基低漏电流悬臂梁开关或非门的RS触发器由第一悬臂梁栅NMOS管、第二悬臂梁栅NMOS管、第三悬臂梁栅NMOS管、第四悬臂梁栅NMOS管组成的第一或非门、第二或非门，每一个悬臂梁栅NMOS管分别由栅极、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，该RS触发器的四个悬臂梁栅NMOS管制作在氮化镓衬底上，悬臂梁开关的一端固定在锚区上，另一端悬浮在栅极上，输入的数字信号加载在悬臂梁开关上，该悬臂梁开关由钛/金/钛组成，在悬臂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；其中第一或非门的输出端通过导线与第二或非门的一个输入端相接，同样第二或非门的输出端也通过导线与第一或非门的一个输入端相连接，形成完全对称的结构；该RS触发器有两个输入端分别是SD和RD，以及两个输出端Q和Q'，SD和RD分别是两个或非门中没有与输出端相连接的那个输入端，Q和Q'则仍然是由两个或非门的输出端直接构成。

组成该RS触发器中的每一个或非门的两个悬臂梁栅NMOS管的源极连接在一起共同接地，两个悬臂梁栅NMOS管的悬臂梁开关都是数字信号的输入端，两个悬臂梁栅NMOS管的漏极连接在一起通过同一电阻与电源电压相接，数字信号在两个悬臂梁栅NMOS管的悬臂梁开关上输入，在两个MESFET的漏极与其共同的负载电阻之间输出。

所述的电阻的阻值设置为：当其中任意一个悬臂梁栅NMOS管导通时，相比于导通的悬臂梁栅NMOS管，该电阻的阻值足够大可使得输出为低电平，当两个悬臂梁栅NMOS管都不能导通时，相比于截止的悬臂梁栅NMOS管，该电阻的阻值足够小可使得输出为高电平。

所述的悬臂梁开关是悬浮在其栅极之上的，栅极与衬底之间形成了肖特基接触，在栅极下方的衬底中形成耗尽层，该悬臂梁开关的下拉电压设计的与悬臂梁栅NMOS管的阈值电压相等，当加载在悬臂梁开关与下拉电极之间的电压大于悬臂梁栅NMOS管的阈值电压时，悬臂梁开关下拉与栅极紧贴,悬臂梁栅NMOS管的耗尽区厚度减小并导通；当悬臂梁开关与下拉电极之间所加电压小于悬臂梁栅NMOS管的阈值电压时，悬臂梁开关就不能下拉，其栅极上就不存在电压，所以该悬臂梁栅NMOS管就不能导通，栅极漏电流就不会存在，这样就减小了RS触发器的功耗。

有益效果：本发明的氮化镓基低漏电流悬臂梁开关MESFET或非门的RS触发器中的悬臂梁开关MESFET的悬臂梁开关下拉与N型MESFET栅极相接触时，栅极上才会有电压存在，当悬臂梁开关处于悬浮状态时，并不能有效的导通，因此悬臂梁开关MESFET可有效减小栅极漏电流，降低电路的功耗；并且氮化镓基的MESFET具有高电子迁移率，能够满足高频数字信号下电路正常工作的需要。

附图说明

图1为氮化镓基低漏电流悬臂梁开关MESFET或非门的RS触发器的俯视图。

图2为氮化镓基低漏电流悬臂梁开关MESFET或非门的RS触发器的A-A'向剖面图。

图3为氮化镓基低漏电流悬臂梁开关MESFET或非门的RS触发器的B-B'向的剖面图。

图4为氮化镓基低漏电流悬臂梁开关MESFET或非门的RS触发器的原理图。

图中包括：第一悬臂梁栅NMOS管1、第二悬臂梁栅NMOS管2、第三悬臂梁栅NMOS管3、第四悬臂梁栅NMOS管4、电阻5、引线6、悬臂梁开关7、栅极8、锚区9、N阱10、N型有源区11、下拉电极12、氮化镓衬底13、第一或非门G1、第二或非门G2。

具体实施方式

本发明的氮化镓基低漏电流悬臂梁开关MESFET或非门的RS触发器由两个由悬臂梁开关N型MESFET(悬臂梁栅NMOS管)组成的或非门电路组成，MESFET由栅极8、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8由金属和沟道区形成肖特基接触构成，该触发器的四个N型MESFET制作在氮化镓衬底13上，在MESFET的栅极8上方悬浮着悬臂梁开关7，输入的数字信号加载在悬臂梁开关7上，该悬臂梁开关7由钛/金/钛组成，在悬臂梁开关7与衬底13之间存在下拉电极12，下拉电极12由氮化硅材料覆盖。

组成该RS触发器的或非门的两个MESFET的源极连接在一起共同接地，两个MESFET的悬臂梁开关7都是数字信号的输入端，两个MESFET的漏极连接在一起然后与同一电阻5相接，电阻5的阻值设置为当其中任意一个MESFET导通时，相比于导通的MESFET，该电阻5的阻值足够大可使得输出为低电平，当两个MESFET都不能导通时，相比于截止的MESFET，该电阻5的阻值足够小可使得输出为高电平。电阻5与电源电压相接，数字信号在两个MESFET的悬臂梁开关7上输入，在两个MESFET的漏极与其共同的负载电阻5之间输出。

该RS触发器是由两个完全相同的第一或非门G1、第二或非门G2组成，其中第一或非门G1的输出端通过导线与第二或非门G2的一个输入端相接，同样第二或非门G2的输出端也通过导线与第一或非门G1的一个输入端相连接，形成完全对称的结构。RS触发器有两个输入端分别是SD和RD，以及两个输出端Q和Q'，SD和RD分别是两个或非门没有与输出端相连接的各自的输入端，Q和Q'则是由两个或非门的输出端直接形成。

当该RS触发器处于工作态时，定义Q＝1，Q'＝0为触发器的1状态，定义Q＝0，Q'＝1为触发器的0状态，SD称为置位端，RD称为复位端。当SD＝1、RD＝0时，Q＝1，Q'＝0，在SD＝1信号消失以后，由于有Q端的高电平接回到G2的另一个输入端，因而电路的1状态得以保持；当SD＝0、RD＝1时，Q＝0，Q'＝1，在RD＝1信号消失以后，电路的0状态保持不变；当SD＝RD＝0时，电路维持原来的状态不变；当SD＝RD＝1时，Q＝Q'＝0，这既不是定义的1状态，也不是定义的0状态，而且当SD和RD同时回到0以后仍然无法判断触发器将回到哪个状态，因此，在正常工作时输入信号应遵守SDRD＝0的约束条件，那么SD＝RD＝1的信号将不允许输入。并且该RS触发器中的悬臂梁开关N型MESFET随着输入信号的变化其状态也在导通与关断之间变化，当悬臂梁开关MESFET处于关断态时其悬臂梁开关就处于悬浮状态，这就意味着此刻该RS触发器中的MESFET上不存在栅极漏电流，这就降低了RS触发器的静态功耗。由于RS触发器的新状态Q*(也称为次态)不仅与输入状态有关，而且也与RS触发器原来的状态Q(也称为初态)有关，所以可以把Q作为一个变量列入真值表，那么得到的RS触发器的真值表如下：

SD	RD	Q	Q*
				0	0	0	0
0	0	1	1
				1	0	0	1
1	0	1	1
				0	1	0	0
0	1	1	0

氮化镓基低漏电流悬臂梁开关MESFET或非门的RS触发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13；

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8，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型轻掺杂，在N型MESFET源极和漏极区域形成的N型轻掺杂有源区11，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，去除电源线、地线、引线6、下拉电极12和悬臂梁开关的锚区9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，形成电源线、地线、引线6、下拉电极12和悬臂梁开关的锚区9；

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12上的氮化硅；

20)淀积并光刻聚酰亚胺牺牲层：在氮化镓衬底13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，仅保留悬臂梁开关下方的牺牲层；

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，形成悬臂梁开关7；

26)释放聚酰亚胺牺牲层：显影液浸泡，去除悬臂梁开关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。

本发明与现有技术的区别在于

本发明中的RS触发器所使用的N型悬臂梁开关MESFET的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，在栅极下方的衬底中形成耗尽层，该N型MESFET的悬臂梁开关的下拉电压设计得与MESFET的阈值电压相等，当加载在悬臂梁开关与下拉电极之间的电压大于MESFET的阈值电压时，悬臂梁开关下拉与栅极紧贴,N型MESFET的耗尽区厚度减小并导通，在此基础上实现对输入信号的或非逻辑；当悬臂梁开关与下拉电极之间所加电压小于MESFET的阈值电压时，悬臂梁开关就不能下拉，其栅极上就不存在电压，所以该N型MESFET就不能导通，那么栅极漏电流就不会存在，这样就减小了RS触发器的功耗。

满足以上条件的结构即可以视为本发明中的氮化镓基低漏电流悬臂梁开关MESFET或非门的RS触发器。

Claims (3)

1.一种氮化镓基低漏电流悬臂梁开关或非门的RS触发器，其特征在于该RS触发器由第一悬臂梁栅NMOS管(1)、第二悬臂梁栅NMOS管(2)、第三悬臂梁栅NMOS管(3)、第四悬臂梁栅NMOS管(4)组成的第一或非门(G1)、第二或非门(G2)，每一个悬臂梁栅NMOS管分别由栅极(8)、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，该RS触发器的四个悬臂梁栅NMOS管制作在氮化镓衬底(13)上，悬臂梁开关(7)的一端固定在锚区(9)上，另一端悬浮在栅极(8)上，输入的数字信号加载在悬臂梁开关(7)上，该悬臂梁开关(7)由钛-金-钛组成，在悬臂梁开关(7)与衬底(13)之间存在下拉电极(12)，下拉电极(12)由氮化硅材料覆盖；其中第一或非门(G1)的输出端通过导线与第二或非门(G2)的一个输入端相接，同样第二或非门(G2)的输出端也通过导线与第一或非门(G1)的一个输入端相连接，形成完全对称的结构；该RS触发器有两个输入端分别是SD和RD，以及两个输出端Q和Q'，SD和RD分别是两个或非门中没有与输出端相连接的那个输入端，Q和Q'则仍然是由两个或非门的输出端直接构成；

所述的悬臂梁开关(7)是悬浮在其栅极(8)之上的，栅极(8)与衬底(13)之间形成了肖特基接触，在栅极(8)下方的衬底(13)中形成耗尽层，该悬臂梁开关(7)的下拉电压设计的与悬臂梁栅NMOS管的阈值电压相等，当加载在悬臂梁开关(7)与下拉电极(12)之间的电压大于悬臂梁栅NMOS管的阈值电压时，悬臂梁开关(7)下拉与栅极(8)紧贴,悬臂梁栅NMOS管的耗尽区厚度减小并导通；当悬臂梁开关(7)与下拉电极(12)之间所加电压小于悬臂梁栅NMOS管的阈值电压时，悬臂梁开关(7)就不能下拉，其栅极(8)上就不存在电压，所以悬臂梁栅NMOS管就不能导通，栅极漏电流就不会存在，这样就减小了RS触发器的功耗。

2.根据权利要求1所述的氮化镓基低漏电流悬臂梁开关或非门的RS触发器，其特征在于组成该RS触发器中的每一个或非门的两个悬臂梁栅NMOS管的源极连接在一起共同接地，两个悬臂梁栅NMOS管的悬臂梁开关(7)都是数字信号的输入端，两个悬臂梁栅NMOS管的漏极连接在一起通过同一电阻(5)与电源电压相接，数字信号在两个悬臂梁栅NMOS管的悬臂梁开关(7)上输入，在两个MESFET的漏极与其共同的负载电阻(5)之间输出。

3.根据权利要求2所述的氮化镓基低漏电流悬臂梁开关或非门的RS触发器，其特征在于所述的电阻(5)的阻值设置为：当其中任意一个悬臂梁栅NMOS管导通时，相比于导通的悬臂梁栅NMOS管，该电阻(5)的阻值足够大可使得输出为低电平，当两个悬臂梁栅NMOS管都不能导通时，相比于截止的悬臂梁栅NMOS管，该电阻(5)的阻值足够小使得输出为高电平。