CN105024688B - 氮化镓基低漏电流固支梁的与非门 - Google Patents
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Abstract
本发明的氮化镓基低漏电流固支梁的与非门制作在半绝缘型GaN衬底(1)上,由两个N型沟道MESFET(11)和电阻R顺序串联所构成,该N型沟道MESFET(11)包括源极、漏极、栅极和沟道,这两个N沟道MESFET(11)具有悬浮的固支梁(4),该固支梁(4)的两端固定在锚区(2)上,中间横跨在栅极(10)上方且与栅极(10)之间有一间隙,偏置信号连接到固支梁(4)上,固支梁(4)由Au材料制作的,在固支梁(4)下方设有两个下拉电极(5),下拉电极(5)是接地的,其上还覆盖有氮化硅介质层(6),这种结构可以大大减小栅极泄漏电流,从而降低器件的功耗。
Description
技术领域
本发明提出了氮化镓基低漏电流固支梁的与非门,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,数字集成电路也在不断进行着改善与提高,在数字集成电路中,速度的快慢与功耗的大小往往是人们最看重的两项指标,在当今,速度快与功耗低的器件已是人们追求的目标,GaN金属—半导体场效应晶体管(MESFET)以其电子迁移率高、载流子漂移速度快、禁带宽度大、抗辐射能力强、工作温度范围宽等诸多优点被广泛应用于数字集成电路中。其中与非门逻辑电路是数字集成电路中最为常见的一个逻辑电路,与非门逻辑其实是由内部开关的开关特性来实现与非逻辑的,利用MESFET器件制作的开关固然有其独特的优点,但与大多数传统MES器件一样存在着功耗高的问题,在一些集成度非常高的集成电路中,功耗过高会导致系统的瘫痪和损坏,因此如何降低器件的功耗是人们所面临的巨大挑战。
传统的MESFET器件由于其栅极是与沟道直接接触,从而形成了肖特基接触,当存在偏置电压时,就会产生明显的栅极漏电流,而这种栅极漏电流就是导致器件直流功耗增大的罪魁祸首,因此必须减少这种栅极漏电,本发明就是在GaN衬底上设计了一种具有很小的栅极泄漏电流的固支梁式的与非门。
发明内容
技术问题:本发明的目的是提供了一种氮化镓基低漏电流固支梁的与非门,由于传统MESFET器件的栅极是与沟道直接接触的,产生肖特基接触,所以会产生不必要的栅极泄漏电流,从而导致了与非门器件的功耗较大,本发明就极为有效的降低了与非门逻辑电路中的栅极漏电流,从而可以降低与非门电路的功耗。
技术方案:本发明的氮化镓基低漏电流固支梁的与非门制作在半绝缘型GaN衬底上,由两个N型MESFET和电阻R顺序串联所构成,该N型MESFET包括源极、漏极、栅极和沟道,这两个N型MESFET具有悬浮的固支梁,该固支梁的两端固定在锚区上,中间横跨在栅极上方且与栅极之间有一间隙,偏置信号连接到固支梁上,固支梁由Au材料制作的,在固支梁下方设有两个下拉电极,下拉电极是接地的,其上还覆盖有氮化硅介质层,这种结构可以大大减小栅极泄漏电流,从而降低器件的功耗。
两个N型沟道MESFET的阈值电压设计为相等,而固支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,悬浮的固支梁才会下拉贴至栅极上使得N型MESFET导通,否则N型MESFET就截止。
所述的两个N型MESFET的固支梁上都存在高电平时,N型MESFET的固支梁就会下拉并使其导通,此时输出低电平;当两个N型沟道MESFET的固支梁上分别出现一高电平和一低电平时,只有一个N型MESFET的固支梁会下拉,电路无法形成回路,此时输出高电平;当两个N型MESFET的固支梁上都存在低电平时,N型MESFET的固支梁还是处于悬浮状态,没有导通,因此输出高电平。
有益效果:本发明的氮化镓基低漏电流固支梁的与非门具有悬浮的固支梁结构,极大的减小了栅极的直流漏电流,从而很大程度上降低了与非门器件的功耗,提高了与非门电路的工作稳定性。
附图说明
图1为本发明的氮化镓基低漏电流固支梁的与非门的示意图,
图2为本发明的氮化镓基低漏电流固支梁的与非门的内部原理图,
图3为本发明的氮化镓基低漏电流固支梁的与非门的俯视图,,
图4为图3氮化镓基低漏电流固支梁的与非门的P-P’向的剖面,
图5为图3氮化镓基低漏电流固支梁的与非门的A-A’向的剖面图。
图中包括:半绝缘型GaN衬底1,锚区2,N型MESFET沟道3,固支梁4,下拉电极5,氮化硅介质层6,源极7,漏极8,引线9,栅极10,N型MESFET 11,电阻R。
具体实施方式
本发明的氮化镓基低漏电流固支梁的与非门主要是由两个N型MESFET和一个电阻串联构成的,该N型MESFET由源极、漏极、栅极和沟道组成,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。
在本发明中,与非门内部结构中的两个开关都是用具有MEMS固支梁结构的N型MESFET制作的,这两个N型MESFET的阈值电压设计为相等,而固支梁的下拉电压设计为与N型MESFET的阈值电压相等。N型MESFET的悬浮固支梁是通过锚区悬浮在栅氧化层上方的,而不是贴附在栅极上,开关控制信号是在固支梁上传输的,并不在栅极上传输,由于下拉电极接地,只有当固支梁与下拉电极间的电压大于阈值电压时,固支梁才会吸附下来并贴至栅极上,从而使得N型MESFET导通,否则N型MESFET就截止,正是由于该N型MESFET的固支梁结构,栅极漏电流得到很大程度上的减小,从而降低了与非门的功耗。
整个与非门结构是基于半绝缘型GaN衬底制作的,其中N型MESFET拥有独特的MEMS固支梁结构,控制信号是附加在该固支梁上的,而并不是如传统MESFET器件一样直接加载在栅极上,该固支梁由Au材料制作,在固支梁下方有两个下拉电极,分布在锚区与栅极之间,该下拉电极是接地的,下拉电极上覆盖有氮化硅介质层。
与非门工作时,当两个N型MESFET的固支梁上都加载有高电平‘1’时,由于下拉电极接地,从而使得N型MESFET的悬浮固支梁被下拉电极吸附并贴至N型沟道上方的栅极上,此时两个N型MESFET均导通,于是整个电路形成通路,由于电阻R的分压作用使得输出端为低电平‘0’;当其中一个N型MESFET的固支梁上加载高电平‘1’、而另一个N型MESFET的固支梁上加载低电平‘0’时,使得一个N型MESFET导通,另一个N型MESFET截止,整个电路没有形成通路,所以输出端为高电平‘1’;当两个N型MESFET的固支梁上都加载有低电平‘0’时,两个N型MESFET的悬浮固支梁都不会被下拉,使得两个N型MESFET均是截止状态,整个电路并没有形成通路,所以输出端为高电平‘1’。此处的高电平‘1’是大于N型MESFET的阈值电压绝对值的电源电压,可根据需要设置为相应的值,而低电平‘0’即是地。
本发明的氮化镓基低漏电流固支梁的与非门是基于半绝缘型GaN衬底1制作的,其中N型MESFET由源极7、漏极8、锚区2、固支梁4、下拉电极5和氮化硅介质6所组成,它拥有独特的MEMS固支梁结构,该固支梁4是横跨在栅极10上方的,该固支梁由Au材料制作,在固支梁下方有两个下拉电极,该下拉电极是接地的,下拉电极上覆盖有氮化硅介质层,控制信号是附加在该固支梁上的,而并不是直接加载在栅极上,电阻R的作用是将电源电压进行分压得到正确的输出值。
本发明的氮化镓基低漏电流固支梁的与非门的制备方法为:
1)准备半绝缘型GaN衬底1;
2)淀积一层氮化硅,光刻并刻蚀氮化硅,去除N型MESFET沟道区3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3;
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10,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3形成肖特基接触;
9)涂覆光刻胶,光刻并刻蚀N型MESFET源极7和漏极8区域的光刻胶;
10)对该区域进行N型重掺杂,在N型MESFET源极7和漏极8区域形成的N型重掺杂区,进行快速退火处理;
11)光刻源极7和漏极8,去除源极7和漏极8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7和漏极8;
15)涂覆光刻胶,去除引线9、下拉电极5和固支梁的锚区2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9、下拉电极5和固支梁的锚区2;
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6;
20)淀积并光刻聚酰亚胺牺牲层:在GaN衬底1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,仅保留固支梁4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固支梁4;
26)释放聚酰亚胺牺牲层:显影液浸泡,去除固支梁4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,构成与非门电路的开关是由具有固支梁结构的N型MESFET构成,该固支梁通过锚区横跨在栅极上方,与栅极之间有一层空隙,在固支梁下方设有两个下拉电极,该下拉电极是接地的,两个N型MESFET的阈值电压设计为相等,而固支梁的下拉电压设计为与N型MESFET的阈值电压相等。当固支梁与下拉电极之间的电压大于阈值电压时,固支梁下拉贴至栅极上,从而使得N型MESFET导通,否则N型MESFET截止,由于N型MESFET的固支梁的存在,使得栅极漏电流大大降低,直流功耗也进一步减小。
满足以上条件的结构即视为本发明的氮化镓基低漏电流固支梁的与非门。
本发明图1中的氮化镓基低漏电流固支梁的与非门的符号和真值表:
Claims (1)
1.一种氮化镓基低漏电流固支梁的与非门,其特征在于该与非门制作在半绝缘型GaN衬底(1)上,由两个N型沟道MESFET(11)和电阻R顺序串联所构成,该N型沟道MESFET(11)包括源极、漏极、栅极和沟道,这两个N沟道MESFET(11)具有悬浮的固支梁(4),该固支梁(4)的两端固定在锚区(2)上,中间横跨在栅极(10)上方且与栅极(10)之间有一间隙,偏置信号连接到固支梁(4)上,固支梁(4)由Au材料制作的,在固支梁(4)下方设有两个下拉电极(5),下拉电极(5)是接地的,其上还覆盖有氮化硅介质层(6),这种结构可以大大减小栅极泄漏电流,从而降低器件的功耗;
氮化镓基低漏电流固支梁的与非门中两个N型沟道MESFET(11)的阈值电压设计为相等,而固支梁的下拉电压设计为与N型沟道MESFET(11)的阈值电压相等;只有当N型沟道MESFET(11)的固支梁(4)与下拉电极之间的电压大于阈值电压时,悬浮的固支梁(4)才会下拉贴至栅极(10)上使得N型沟道MESFET(11)导通,否则N型沟道MESFET(11)就截止;
氮化镓基低漏电流固支梁的与非门中两个N型沟道MESFET(11)的固支梁(4)上都存在高电平时,N型沟道MESFET(11)的固支梁(4)就会下拉并使其导通,此时输出低电平;当两个N型沟道MESFET(11)的固支梁(4)上分别出现一高电平和一低电平时,只有一个N型沟道MESFET(11)的固支梁(4)会下拉,电路无法形成回路,此时输出高电平;当两个N型沟道MESFET(11)的固支梁(4)上都存在低电平时,N型沟道MESFET(11)的固支梁(4)还是处于悬浮状态,没有导通,因此输出高电平。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
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