CN105044452A - 基于GaAs基低漏电流双悬臂梁开关频率检测器 - Google Patents
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Abstract
本发明的基于GaAs基低漏电流双悬臂梁开关频率检测器,结构简单,静态功耗低,具有频率检测和信号放大两种功能,有效节约了芯片的面积。频率检测时,施加直流偏置电压使悬臂梁处于下拉状态,待测微波信号经过两段长度分别为λ/4和λ/100的延迟线后,产生两路信号分别加在两个悬臂梁的输入端,检测源漏极饱和电流,由相位差得到待测微波信号的频率。电路处于信号放大状态时,施加直流偏置电压使连接λ/100延迟线的悬臂梁处于下拉状态,λ/4延迟线末端被接地短路,始端相当于开路,待测微波信号完全由另一路输出到悬臂梁上,实现信号的放大,由于悬浮的悬臂梁下方存在着高阻区域,增大了HEMT的反向击穿电压。
Description
技术领域
本发明提出了基于GaAs基低漏电流双悬臂梁开关HEMT(高电子迁移率晶体管)的频率检测器,属于微电子机械系统(MEMS)的技术领域。
背景技术
HEMT,即高电子迁移率晶体管,有被称为调制掺杂场效应晶体管、二维电子气场效应晶体管和选择掺杂异质结晶体管。与普通的场效应管相比,HEMT具有截止频率高、工作速度快、短沟道效应小和噪声性能好的优点,非常适合应用于微波领域。
频率作为微波信号的三大基本参数之一,其检测在微波通信、雷达监测、导航技术等领域扮演着非常重要的角色。现有的微波频率检测方法可以分为计数法、光子法、谐振法和矢量合成法。其中矢量合成法属于无源法,具有频带宽、结构简单、易通过MEMS技术实现等特点,相对其他方法具有较大优势。随着MEMS技术的快速发展,对梁结构有了比较深入的研究和认识,结合MEMS表面微机械加工技术和常规HEMT工艺使本发明基于GaAs基低漏电流双悬臂梁开关HEMT的频率检测器成为了可能。
发明内容
技术问题:本发明的目的是提供一种基于GaAs基低漏电流双悬臂梁开关HEMT的频率检测器,两个悬臂梁在HEMT栅极的上方,由偏置电压控制其状态,作用相当于开关,在HEMT处于非工作状态时,由于悬臂梁处于悬浮态,栅极漏电流减小,降低了静态功耗。通过改变梁的状态和λ/4延迟线的设计,电路可以实现频率检测和信号放大两种功能,节约了芯片的面积,降低了成本。
技术方案:为解决上述技术问题,本发明提出了一种基于GaAs基低漏电流双悬臂梁开关频率检测器,GaAs基低漏电流双悬臂梁开关HEMT以半绝缘的GaAs为衬底,在衬底上设有本征GaAs层,本征GaAs层上设有本征AlGaAs层、源区和漏区,本征AlGaAs层上设有N+AlGaAs层,N+AlGaAs层上设有栅极金属层,栅极金属层上设有两个悬臂梁;悬臂梁材料为Au,横跨在锚区上,锚区和输入引线连,作为HEMT微波信号和直流偏置信号的输入端;其中,微波信号由微波信号输入端口输入,通过隔直电容后分为两路,分别经λ/100延迟线和λ/4延迟线输入到两个悬臂梁上,直流偏置信号由偏置端口和偏置端口输入,通过高频扼流圈分别输入到两个悬臂梁上,在悬臂梁的下方各有一个下拉电极,下拉电极接地,下拉电极的上面覆盖一层绝缘的氮化硅介质层,悬臂梁的下拉电压设置为HEMT的阈值电压;本征GaAs层和本征AlGaAs层间的异质结形成的二维电子气通道,在非工作状态时被肖特基接触的耗尽区阻断,在施加偏置电压使悬臂梁下拉时,肖特基接触的耗尽区变窄,二维电子气通道处于导通状态。
该频率检测器电路通过施加直流偏置电压和控制λ/4延迟线是否接地实现频率检测和信号放大两种功能;频率检测时施加直流偏置电压使两个悬臂梁都处于下拉状态,待测微波信号经过λ/4延迟线和λ/100延迟线后产生两路频率相等和存在一定相位差的信号,输入到HEMT的栅极金属层上,经HEMT实现信号混频,输出的源漏极饱和电流包含了相位信息的电流分量,通过低通滤波器滤去源漏极饱和电流中的高频分量,由相位检测输出端口输出,从而得到两路信号的相位差,最后通过相位差反推出待测微波信号的频率;电路处于信号放大状态时,施加直流偏置电压使λ/100延迟线连接的悬臂梁处于下拉状态,λ/4延迟线的末端接地,延迟线始端相当于开路,信号完全经过λ/100延迟线输入到对应的悬臂梁上,源漏极输出放大后的电流信号,最后由信号放大输出端口输出,由于存在一个悬浮的悬臂梁,下面对应的区域为高阻区,有利于增大反向击穿电压。
该频率检测器非工作状态时,两个悬臂梁都处于悬浮态,与栅极金属层没有接触,减小了栅极漏电流,功耗被有效地降低。
有益效果:本发明相对于现有的频率检测器具有以下优点:
1.本发明的频率检测器原理、结构简单,利用MEMS工艺易于实现,输出电流包含两个栅电压的乘积分量,起到了频率检测的作用;
2.本发明采用HEMT,具有截止频率高、工作速度快、短沟道效应小和噪声性能好的优点本发明;
3.由于采用悬臂梁结构,使频率检测器在非工作状态的漏电流减小,从而有效地降低了功耗;
4.本发明的频率检测器同时可以实现频率检测和信号放大的作用,有效地减小了芯片的面积,降低了成本。
5.信号放大状态时,在悬浮的悬臂梁下方存在高阻区域,增大了HEMT的反向击穿电压值。
附图说明
图1为本发明基于GaAs基低漏电流双悬臂梁开关HEMT的频率检测器俯视图。
图2为本发明GaAs基低漏电流双悬臂梁开关HEMT的P-P’向的剖面图。
图3为本发明GaAs基低漏电流双悬臂梁开关HEMT的A-A’向的剖面图。
图4为GaAs基低漏电流双悬臂梁开关HEMT在两个悬臂梁下拉时的沟道示意图。
图5为GaAs基低漏电流双悬臂梁开关HEMT在一个悬臂梁下拉时的沟道示意图。
图中包括:半绝缘GaAs衬底1,本征GaAs层2,本征AlGaAs层3,N+AlGaAs层4,栅极金属层5,下拉电极6,氮化硅介质层7,悬臂梁锚区8,输入引线9,下拉电极引线10,压焊块11,悬臂梁12,源区13,漏区14,有源区引线孔15,有源区引线16,第一偏置端口17,第二偏置端口18,频率检测输出端口19,信号放大输出端口20。
具体实施方式
本发明提出了一种基于GaAs基低漏电流双悬臂梁开关HEMT的频率检测器。该频率检测器由隔直电容、λ/100延迟线,λ/4延迟线、高频扼流线圈、开关、低通滤波器、GaAs基低漏电流双悬臂梁开关HEMT构成;GaAs基低漏电流双悬臂梁开关HEMT选择半绝缘的GaAs作为衬底,在衬底上含有本征GaAs层、本征AlGaAs层、N+AlGaAs层、源区、漏区、栅极金属层和两个悬臂梁,在栅极上方的两个悬臂梁相当于开关,受直流偏置电压控制,其下拉电压等于HEMT的阈值电压。悬臂梁下方各有一个下拉电极,下拉电极上覆盖有绝缘介质氮化硅。栅极与本征AlGaAs层之间形成肖特基接触,本征GaAs层和本征AlGaAs层的异质结接触形成二维电子气通道,二维电子气通道受到肖特基接触的耗尽层调制。HEMT为增强型,当悬臂梁处于悬浮态时,肖特基势垒深入到本征GaAs层,本征GaAs层与AlGaAs层异质结边界的二维电子气被耗尽,HEMT无法导通;当悬臂梁被下拉时,施加的偏置电压使肖特基势垒的耗尽层变窄,二维电子气通道处于导通态。
为实现频率检测,两个直流偏置端加上一定的偏置电压,使两个悬臂梁都处于下拉状态,此时二维电子气通道处于导通态;控制λ/4延迟线末端是否接地的开关处于断开状态,输入的待测微波信号经过隔直电容后,再经过λ/4和λ/100延迟线后产生频率相等和存在一定相位差的两路信号,并输入到HEMT的两个栅极上,经HEMT实现信号混频,输出的源漏极饱和电流包含了相位信息的电流分量,通过低通滤波器滤去源漏极饱和电流中的高频分量,从而得到两路信号的相位差,最后通过相位差反推出待测微波信号的频率。
当施加一定的直流偏置电压使连接λ/100延迟线的悬臂梁处于下拉状态,控制λ/4延迟线末端是否接地的开关处于闭合状态时,电路可以实现信号放大功能。由于λ/4延迟线末端接地,其始端相当于开路,没有信号经过,输入的微波信号完全通过λ/100延迟线输入到对应的悬臂梁上,HEMT对输入信号进行放大。由于只有一个悬臂梁处于下拉状态,HEMT在信号放大状态时存在着高阻区域,增大了HEMT的反向击穿电压。
当两个悬臂梁都没有加偏置电压而处于悬浮态时,HEMT处于非工作状态,此时由于悬臂梁处于悬浮态,减小了栅极漏电流,功耗被有效地降低。
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参见图1-3,本发明提出了一种基于GaAs基低漏电流双悬臂梁开关HEMT的频率检测器。该频率检测器主要包括:隔直电容、λ/100延迟线,λ/4延迟线、高频扼流线圈、开关、低通滤波器L、GaAs基低漏电流双悬臂梁开关HEMT。其中,隔直电容,用来隔离微波信号和直流信号;λ/100延迟线,使微波信号信号产生一定的相位延迟;λ/4延迟线,频率检测时使微波信号产生90度的相移,信号放大时末端被短路,等效于始端开路,使微波信号从另一路延迟线输入;高频扼流线圈,用于隔离微波信号,避免微波信号对直流信号源的影响;低通滤波器,滤去输出信号的高频成分,得到与频率相关的电流信号。
GaAs基低漏电流双悬臂梁开关HEMT,用于实现两路微波信号的运算,输出和频率有关的电流信号。选择半绝缘的GaAs作为衬底1,在衬底1上含有本征GaAs层2、本征AlGaAs层3、N+AlGaAs层4、源区13、漏区14、栅极金属层5和两个悬臂梁12。悬臂梁12横跨在锚区8上方,锚区8和输入引线9相连,悬臂梁12的下方各有一个下拉电极6,下拉电极6接地,下拉电极6上覆盖一层氮化硅介质层7。本征GaAs层2和本征AlGaAs层3之间的异质结形成二维电子气通道,HEMT为增强型,非工作状态由于栅极金属层5与N+AlGaAs层4形成肖特基接触,其耗尽区会阻断二维电子气通道;设置悬臂梁12的下拉电压等于HEMT的阈值电压,当悬臂梁12处于下拉状态时,对应的肖特基接触耗尽区变窄,二维电子气处于导通状态。
悬臂梁12的输入引线9作为HEMT微波信号和直流偏置信号的输入端口。隔直电容与λ/100延迟线、λ/4延迟线的始端相连,延迟线的末端与悬臂梁12输入引线9相连,作为微波信号的传输通道,其中,λ/4延迟线的末端存在一个控制其是否接地的开关;高频扼流圈与悬臂梁12输入引线9相连,作为直流偏置信号的输入通道;HEMT的源极13和下拉电极6接地,通过在第一偏置端口17和第二偏置端口18施加直流偏置电压到悬臂梁12上,可以使悬臂梁12处于下拉状态,悬臂梁12与对应的栅极5接触,下方的二维电子气处于导通态。HEMT的漏极14作为源漏极饱和电流的输出端口,频率检测时通过低通滤波器后输出和待测信号频率有关的电流信号,与频率检测输出端口19对应;信号放大时从源漏极饱和电流中提取放大后的微波信号,与信号放大输出端口20对应。
当两个偏置端加上一定的直流偏置电压,使两个悬臂梁12都处于下拉状态,HEMT导通,控制λ/4延迟线末端是否接地的开关处于断开状态时,电路处于频率检测状态,此时HEMT的二维电子气沟道如图4所示。输入的待测微波信号,经过λ/4和λ/100延迟线后产生存在一定相位差的两路信号,分别记为:
相位差与待测微波信号的频率的关系可以表示为:
两路信号分别输入到HEMT两个悬臂梁12上,源极13和漏极14之间的饱和电流包含了两路信号的乘积分量,可以表示为:
通过低通滤波器滤去其输出信号的高频成分,得到与相位差有关的直流分量,从而得出两路信号的相位差,再根据相位差和待测微波信号频率的关系,最终得出待测微波信号的频率。
为使电路处于信号放大状态,控制λ/4延迟线末端是否接地的开关处于闭合状态,在偏置端口17施加一定的直流偏置电压使连接λ/100延迟线的悬臂梁12处于下拉状态,对应的栅极下方二维电子气通道处于导通态,如图5所示。由于λ/4延迟线末端接地,其始端相当于开路,没有信号经过,输入的微波信号完全通过λ/100延迟线输入到对应的悬臂梁12上。此时输入和输出信号的关系可以表示为
u′1=Avu1(4)
HEMT对输入信号进行放大后通过信号放大输出端口输出。由于只有一个悬臂梁12处于下拉状态,另一个悬臂梁12处于悬浮状态,HEMT在信号放大状态时在悬浮的悬臂梁12下方存在着高阻区域,提高了HEMT的反向击穿电压。
当两个悬臂梁12都没有加偏置电压而处于悬浮态时,HMET处于非工作状态,此时由于悬臂梁12处于悬浮态,减小了栅极漏电流,功耗被有效地降低。
本发明的GaAs基低漏电流双悬臂梁开关HEMT制备方法如下:
1)准备半绝缘GaAs衬底1;
2)分子束外延法生长一层厚度为60nm的本征GaAs层2;
3)分子束外延法生长一层厚度为20nm的本征AlGaAs层3;
4)生长一层厚度为20nm的N+型AlGaAs层4,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)生长一层厚度为50nm的N+型GaAs层,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,刻出源漏区域,进行磷(P)离子注入,掺杂浓度为3.5×1018cm-3,形成源区13和漏区14;
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,合金化形成欧姆接触;
12)涂覆光刻胶,光刻去除HEMT栅极5位置的光刻胶;
13)生长一层Ti/Pt/Au,厚度为0.5μm;
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5;
15)涂覆光刻胶,光刻去除下拉电极6、下拉电极引线10和悬臂梁锚区8位置的光刻胶;
16)蒸发第一层金,厚度为0.3μm;
17)去除光刻胶以及光刻胶上的金,形成下拉电极6和下拉电极引线10,以及悬臂梁锚区8的第一层金;
18)生长一层氮化硅介质层7,厚度为0.2μm;
19)涂覆光刻胶,保留下拉电极6上的光刻胶;
20)利用反应离子刻蚀,形成下拉电极6上的氮化硅介质层7;
21)淀积并光刻聚酰亚胺牺牲层:涂覆聚酰亚胺牺牲层,要求填满凹坑,聚酰亚胺牺牲层的厚度决定了悬臂梁12与栅极5间的距离;光刻聚酰亚胺牺牲层,仅保留悬臂梁12下方的牺牲层;
22)涂覆光刻胶,光刻去除悬臂梁12、输入引线9、悬臂梁锚区8、压焊块11位置的光刻胶;
23)蒸发500/1500/300A°的Ti/Au/Ti的种子层,去除顶部的Ti层后再蒸发一层厚度为2μm的金层;
24)去除光刻胶以及光刻胶上的金,形成悬臂梁12、输入引线9、悬臂梁锚区8、压焊块11;
25)释放聚酰亚胺牺牲层:显影液浸泡,去除悬臂梁12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。
区分是否为该结构的标准如下:
本发明的基于GaAs基低漏电流双悬臂梁开关HEMT的频率检测器,在HEMT栅极的上方,设置有两个相当于开关的悬臂梁,其下方各有两个下拉电极,下拉电极上覆盖着一层绝缘的氮化硅介质层。由偏置端施加直流电压控制悬臂梁的状态,下拉电压的大小设置为HEMT的栅极工作电压。悬臂梁横跨在锚区上,锚区与输入引线相连,作为微波信号和直流偏置信号的输入端,其中,微波信号通过隔直电容和延迟线输入到悬臂梁上,直流偏置信号通过高频扼流圈输入到悬臂梁上。当两个悬臂梁处于下拉状态,待测信经过λ/100延迟线和λ/4延迟线后产生两路频率相等和存在一定相位差的信号,输入到HEMT的栅极上,为频率检测状态;当λ/4延迟线末端接地,λ/100延迟线连接的悬臂梁处于下拉状态,另一悬臂梁处于悬浮态,为信号放大状态,此时信号完全由λ/100延迟线输入到对应的悬臂梁而不经过λ/4延迟线,由于存在高阻区,有利于增大HEMT的反向击穿电压。非工作状态时,两个悬臂梁都处于悬浮态,栅极漏电流极低,有效地降低了功耗。
满足以上条件的结构即视为本发明的基于GaAs基低漏电流双悬臂梁开关HEMT的频率检测器。
Claims (3)
1.一种基于GaAs基低漏电流双悬臂梁开关频率检测器,其特征是:GaAs基低漏电流双悬臂梁开关HEMT以半绝缘的GaAs为衬底(1),在衬底(1)上设有本征GaAs层(2),本征GaAs层(2)上设有本征AlGaAs层(3)、源区(13)和漏区(14),本征AlGaAs层(3)上设有N+AlGaAs层(4),N+AlGaAs层(4)上设有栅极金属层(5),栅极金属层(5)上设有两个悬臂梁(12);悬臂梁(12)材料为Au,横跨在锚区(8)上,锚区(8)和输入引线(9)相连,作为HEMT微波信号和直流偏置信号的输入端;其中,微波信号由微波信号输入端口输入,通过隔直电容后分为两路,分别经λ/100延迟线和λ/4延迟线输入到两个悬臂梁(12)上,直流偏置信号由第一偏置端口(17)和第二偏置端口(18)输入,通过高频扼流圈分别输入到两个悬臂梁(12)上,在悬臂梁(12)的下方各有一个下拉电极(6),下拉电极(6)接地,下拉电极(6)的上面覆盖一层绝缘的氮化硅介质层(7),悬臂梁(12)的下拉电压设置为HEMT的阈值电压;本征GaAs层(2)和本征AlGaAs层(3)间的异质结形成的二维电子气通道,在非工作状态时被肖特基接触的耗尽区阻断,在施加偏置电压使悬臂梁(12)下拉时,肖特基接触的耗尽区变窄,二维电子气通道处于导通状态。
2.根据权利要求1所述的基于GaAs基低漏电流双悬臂梁开关频率检测器,其特征是该频率检测器电路通过施加直流偏置电压和控制λ/4延迟线是否接地实现频率检测和信号放大两种功能;频率检测时施加直流偏置电压使两个悬臂梁(12)都处于下拉状态,待测微波信号经过λ/4延迟线和λ/100延迟线后产生两路频率相等和存在一定相位差的信号,输入到HEMT的栅极金属层(5)上,经HEMT实现信号混频,输出的源漏极饱和电流包含了相位信息的电流分量,通过低通滤波器滤去源漏极饱和电流中的高频分量,由相位检测输出端口(19)输出,从而得到两路信号的相位差,最后通过相位差反推出待测微波信号的频率;电路处于信号放大状态时,施加直流偏置电压使λ/100延迟线连接的悬臂梁(12)处于下拉状态,λ/4延迟线的末端接地,延迟线始端相当于开路,信号完全经过λ/100延迟线输入到对应的悬臂梁(12)上,源漏极输出放大后的电流信号,最后由信号放大输出端口(20)输出,由于存在一个悬浮的悬臂梁(12),下面对应的区域为高阻区,有利于增大反向击穿电压。
3.根据权利要求1或2所述的基于GaAs基低漏电流双悬臂梁开关频率检测器,其特征是该频率检测器非工作状态时,两个悬臂梁(12)都处于悬浮态,与栅极金属层(5)没有接触,减小了栅极漏电流,功耗被有效地降低。
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