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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