CN105048988B - 氮化镓基低漏电流固支梁的开关电容滤波器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种氮化镓基低漏电流固支梁的开关电容滤波器及制备方法，该滤波器及由N型MESFET开关、运算放大器和电容器组成，整个结构是基于半绝缘型GaN衬底制作的，该N型MESFET具有悬浮在栅极上方的固支梁，该固支梁由Au材料制作的，固支梁下方设有两个下拉电极，下拉电极接地，其上覆盖一层氮化硅介质层，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。时钟信号经过高频扼流圈L加载到N型MESFET的固支梁上，整个滤波器的性能仅取决于电容C1、C2的比值和时钟频率fc，这种结构的开关电容滤波器可以降低栅极漏电流，并降低部分功耗。
Description
技术领域
本发明提出了氮化镓基低漏电流固支梁的开关电容滤波器，属于微电子机械系统的技术领域。
背景技术
随着滤波器理论的不断发展，开关电容滤波器成为了滤波器理论中最为活跃的一个分支，对集成电路的设计起到了巨大的促进作用。开关电容滤波器的核心组成是模拟开关、运算放大器和电容器，起初，由于MOS器件工艺的飞速发展，模拟开关都是用GaN场效应晶体管(MESFET)制作的，随着集成电路技术的不断提高，比MOS器件更加优越的MESFET器件逐渐映入人们的眼帘。氮化镓(GaN)场效应晶体管就是一种MESFET器件，由于其拥有散热性能好、禁带宽度大、载流子迁移率高等诸多优点，使得它在高频微波通讯方面有着非常好的前景。利用GaN场效应晶体管来制作开关电容滤波器的模拟开关也有着独特的优势，但是随着器件尺寸的不断缩小、集成电路规模的不断增大，开关电容滤波器也必须向集成度更高、功耗更低、精度更好的方向发展。
如今，开关电容滤波器的集成度越来越高，但是功耗问题却一直无法得到有效的解决，有一大部分原因是因为MESFET器件的各种漏电流所导致的，其中栅极漏电流的影响很大，为了解决影响开关电容滤波器功耗的栅极漏电流问题，本发明在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开关电容滤波器。
发明内容
技术问题：在本发明中，提供了一种氮化镓基低漏电流固支梁的开关电容滤波器及制备方法，该开关电容器由两个N型MESFET开关、运算放大器和电容器组成，通过对开关的控制实现对电容的充电和放电，再加上运算放大器的计算实现滤波功能，开关电容滤波器的中心频率仅取决于电容的比值和开关频率，因此电容和时钟频率的取值关乎到整个开关电容滤波器的滤波性能。
技术方案：本发明的氮化镓基低漏电流固支梁的开关电容滤波器制作在半绝缘型GaN衬底上，包括N沟道MESFET、电容器和运算放大器，在半绝缘型GaN衬底上有两个N沟道MESFET，N沟道MESFET由源极、漏极、栅极和沟道组成；这两个N沟道MESFET具有悬浮的固支梁，它们通过锚区横跨在栅极上方，与栅极之间有一层间隙，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，这两个N沟道MESFET与电容C1、C2和运算放大器共同构成开关电容滤波器，具有低漏电流、低直流功耗的特点。
偏置信号是连接到固支上的，而不是连接到栅极上的，整个固支梁结构包括锚区、固支梁、下拉电极、氮化硅介质层，并且固支梁上接有高频扼流圈L，N型MESFET源极接有隔直电容C0，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。只有当N沟道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沟道MESFET导通，否则N沟道MESFET就截止。
第一N型MESFET开关和第二N型MESFET开关的固支梁上接有完全对称相反的时钟信号，这样第一N型MESFET开关和第二N型MESFET开关就会处于一开一关的状态，当第一N型MESFET开关导通、第二N型MESFET开关截止时，输入信号会向电容C1充电，当第一N型MESFET开关12截止、第二N型MESFET开关导通时，电容C1就会向后级放电，再经过积分电路的运算实现信号的滤波功能，此开关电容滤波器的滤波性能仅取决于电容C1、C2的比值和开关频率。
该N沟道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。
该N沟道MESFET的栅极上方设有一个悬浮的固支梁结构，通过锚区固定，与栅极之间有一层空隙，输入信号是加到固支梁上的，并非加载到栅极上，该固支梁由Au材料制作的，在固支梁的下方制作了两个下拉电极，同时还有一层绝缘介质层覆盖在下拉电极上，该下拉电极的作用就是将悬浮的固支梁吸附下来，这里的下拉电极是接地的，当高频率的时钟信号加载到固支梁上时，固支梁栅就会由于下拉电极的作用在up态和down态之间不断转换，从而实现MESFET开关的导通与断开，通过对电容的不断充放电就实现了信号的滤波功能。
在该N型MESFET的固支梁上还各自接上一个高频扼流圈，该高频扼流圈是为了防止输入交流信号通过固支梁的耦合作用对固支梁上的直流偏置产生影响，同时，输入交流信号也要通过一个隔直电容来防止固支梁上的直流偏置通过固支梁的耦合作用对输入信号的影响。
本发明的氮化镓基低漏电流固支梁的开关电容滤波器的制备方法如下：
1)准备半绝缘型GaN衬底；
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，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型重掺杂，在N型MESFET源极和漏极区域形成的N型重掺杂区，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，去除引线、下拉电极和固支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，形成引线、下拉电极和固支梁的锚区；
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；
20)淀积并光刻聚酰亚胺牺牲层：在GaN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，仅保留固支梁下方的牺牲层；
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MEMS固支梁；
26)释放聚酰亚胺牺牲层：显影液浸泡，去除固支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。
在本发明中，构成开关电容滤波器的模拟开关是用具有MEMS固支梁结构的N型MESFET制作的，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。该N型MESFET的固支梁是通过锚区悬浮在栅极上方的，由于下拉电极接地，只有当固支梁与下拉电极之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MESFET导通，否则MESFET截止，正是由于该MESFET的固支梁结构，使得栅极的直流漏电流得到很大的减小。
有益效果：本发明的氮化镓基低漏电流固支梁的开关电容滤波器具有可浮动的固支梁结构，它的栅极上是没有偏置信号的，只通过固支梁的上下浮动来控制开关的通断，因此该开关电容滤波器不仅速度快、集成度高，而且有效的降低了栅极漏电流，从而减小了开关电容滤波器的功耗。
附图说明
图1为本发明的氮化镓基低漏电流固支梁的开关电容滤波器的原理图，
图2为本发明的氮化镓基低漏电流固支梁的开关电容滤波器的俯视图，
图3为图2氮化镓基低漏电流固支梁的开关电容滤波器的P-P’向的剖面图，
图4为图2氮化镓基低漏电流固支梁的开关电容滤波器的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，N型MESFET的源极7，N型MESFET的漏极8，引线9，栅极10，运算放大器11，第一N型MESFET开关12，第二N型MESFET开关13，高频扼流圈L，隔直电容C0，电容C1、C2。
具体实施方式
本发明的氮化镓基低漏电流固支梁的开关电容滤波器是基于半绝缘型GaN衬底1制作的，两个开关都是由N型MESFET构成，该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。
N型MESFET的源极和漏极分别作为输入和输出，两个N型MESFET串联相接，中间并联接有一个电容C1，输入信号就是通过这两个开关的通与断使电容不断充放电，从而使得信号向后传输并实现滤波功能。
N型MESFET的固支梁4是横跨在栅极10上方的，在固支梁4的下方存在着两个下拉电极5，它们分布在锚区2与栅极10之间，其上覆盖有氮化硅介质层6，而锚区2是淀积在半绝缘型GaN衬底1上的，时钟信号通过高频扼流圈L加到固支梁4上，实现两个N型MESFET的一通一断，而输入信号通过一个隔直电容C0接到N型MESFET的源极7，经过不断的充放电与运算放大器11的运算实现了滤波功能，其滤波特性仅取决于电容C1、C2的比值和时钟频率fc，因此根据不同的滤波性能可以选取不同的参数值。
本发明的氮化镓基低漏电流固支梁的开关电容滤波器的制备方法为：
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，构成开关电容滤波器的模拟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，输入信号通过该N型MESFET开关管向后传输，并与后面的运算放大器形成开关电容滤波器，由于N型MESFET的悬浮固支梁的存在，使得栅极漏电流大大降低，直流功耗也减小了。
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开关电容滤波器。
Claims (2)
1.一种氮化镓基低漏电流固支梁的开关电容滤波器，其特征在于该滤波器制作在半绝缘型GaN衬底（1）上，包括N沟道MESFET、电容器和运算放大器，在半绝缘型GaN衬底（1）上有两个N沟道MESFET，N沟道MESFET由源极、漏极、栅极和沟道组成；这两个N沟道MESFET具有悬浮的固支梁（4），它们通过锚区（2）横跨在栅极（10）上方，与栅极（10）之间有一层间隙，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），这两个N沟道MESFET串联连接，中间并联接有一个电容C1，C2接在运算放大器的输出端和输入负端之间，电容C1、C2和运算放大器组成一个积分电路，这两个N沟道MESFET与电容C1、C2和运算放大器共同构成开关电容滤波器，当固支梁（4）上的直流偏置大于N沟道MESFET阈值电压时，固支梁（4）才会下拉并吸附至栅极上，N沟道MESFET导通，否则N沟道MESFET截止，由于N沟道MESFET的悬浮的固支梁（4）的存在，使得栅极漏电流大大降低，具有低漏电流、低直流功耗的特点。
2.一种如权利要求1所述的氮化镓基低漏电流固支梁的开关电容滤波器的制备方法，其特征在于该制备方法为：
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1000Å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，其厚度分别为为500 Å、1500 Å、300Å；
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。
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