CN105049032A - 氮化镓基低漏电流悬臂梁开关场效应晶体管或非门 - Google Patents

Abstract

本发明的氮化镓基低漏电流悬臂梁开关场效应晶体管或非门，其特征在于该或非门由第一场效应晶体管(1)和第二场效应晶体管(2)以及一个负载电阻(3)组成，两个场效应晶体管的源极接在一起并共同接地，漏极也连接在一起并且共同通过电阻(3)接电源VCC，第一输入信号(A)和第二输入信号(B)分别通过锚区(7)在第一场效应晶体管(1)和第二场效应晶体管(2)的悬臂梁开关(5)上输入，输出信号在第一场效应晶体管(1)和第二场效应晶体管(2)的漏极与负载电阻(3)之间输出；引线(4)由金属构成，悬臂梁开关(5)的一端固定在锚区(7)上，另一端悬浮在MESFET的栅极(6)之上，减小了或非门的功耗。

Description

氮化镓基低漏电流悬臂梁开关场效应晶体管或非门

技术领域

本发明提出了氮化镓基低漏电流悬臂梁开关MESFET或非门，属于微电子机械系统的技术领域。

背景技术

无线通信技术的高速发展使得传统的硅基器件已经无法满足高频、高效和耐高温的要求，因此各种新型的器件和半导体材料不断被提出。氮化镓材料制造的晶体管具有很高的电子迁移率，很强的抗辐射能力，很大的工作温度范围。氮化镓场效应晶体管可以在高频、超高频集成电路电路中使用。如今晶体管的尺寸已经发展至纳米级别，相应的集成电路单位面积的集成度仍然在不断地提升，芯片的功能也日趋复杂，呈现出了数模混合的状态，同时芯片的处理速度越来越高；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。由于电池技术的发展遭遇了前所未有的技术瓶颈，所以找到一种低功耗的解决方案就显得十分重要。

或非门电路作为数字电路的重要组成部分，它能够实现两个输入端所输入的数字信号的或非逻辑功能，由于或非门电路在中央处理器等数字式电路中有巨大的应用，所以对或非门电路的功耗和温度的控制就显得十分重要，由常规MESFET组成的或非门，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的MESFET成为可能，具有可动悬臂梁开关的MESFET可以有效降低栅极漏电流，进而降低或非门电路的功耗。

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，将或非门中采用的两个传统MESFET换为具有悬臂梁开关结构的两个MESFET，在该或非门处于工作状态时，可以有效地减小晶体管的栅极漏电流，从而降低或非门的功耗。

技术方案：本发明的氮化镓基低漏电流悬臂梁开关场效应晶体管或非门由两个具有悬臂梁开关的N型MESFET即第一场效应晶体管和第二场效应晶体管以及一个负载电阻组成，第一场效应晶体管和第二场效应晶体管的源极接在一起并共同接地，漏极也连接在一起并且共同通过电阻接电源VCC，第一输入信号和第二输入信号分别通过锚区在第一场效应晶体管和第二场效应晶体管的悬臂梁开关上输入，输出信号在第一场效应晶体管和第二场效应晶体管的漏极与负载电阻之间输出；引线由金属构成，悬臂梁开关的一端固定在锚区上，另一端悬浮在MESFET的栅极之上，该悬臂梁开关由钛/金/钛组成，MESFET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，锚区制作在P型氮化镓衬底上，N型有源区构成源极和漏极，在悬臂梁开关与P型氮化镓衬底之间存在下拉电极，下拉电极由氮化硅覆盖，下拉电极接地。

所述的负载电阻的阻值设置为当其中任意一个MESFET导通时，相比于导通的MESFET，该负载电阻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，该负载电阻的阻值足够小可使得输出为高电平。

所述的第一场效应晶体管和第二场效应晶体管的悬臂梁开关是悬浮在其栅极之上的，N型MESFET的栅极与P型氮化镓衬底之间形成了肖特基接触，在栅极下方的P型氮化镓衬底中形成耗尽层，该N型MESFET的悬臂梁开关的下拉电压设计为与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；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，这样就减小了或非门的功耗。

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或非门的俯视图。

图2为氮化镓基低漏电流悬臂梁开关MESFET或非门的A-A'向的剖面图。

图3为氮化镓基低漏电流悬臂梁开关MESFET或非门的B-B'向的剖面图。

图4为氮化镓基低漏电流悬臂梁开关MESFET或非门的原理图。

图中包括：第一场效应晶体管1、第二场效应晶体管2、负载电阻3、引线4、悬臂梁开关5、栅极6、锚区7、N阱8、N型有源区9、下拉电极10、P型氮化镓衬底11、第一输入信号A、第二输入信号B。

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，由两个具有悬臂梁开关的N型MESFET即第一场效应晶体管1和第二场效应晶体管2以及一个阻值合适的负载电阻3组成，两个N型MESFET的源极接在一起，并共同接地，两个N型MESFET的漏极也连接在一起，并且共同与负载电阻3相接，该负载电阻3的阻值与N型MESFET导通或者截止状态下的阻值决定电源电压的分压比，进而决定输出为高电平还是低电平，负载电阻3与电源电压相连接。两个信号分别通过锚区7在两个N型MESFET的悬臂梁开关5上输入，输出信号在这两个N型MESFET的漏极与负载电阻之间输出；引线4由金属构成，N型MESFET的悬臂梁开关5依靠锚区7的支撑悬浮在MESFET的栅极6之上，该悬臂梁开关5由钛/金/钛组成，输入的数字信号接在悬臂梁开关5上，MESFET由栅极6、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6由金属和沟道区形成肖特基接触构成，锚区7制作在P型氮化镓衬底11上，N型有源区9构成源极和漏极，在悬臂梁开关5与P型氮化镓衬底11之间存在下拉电极10，下拉电极10由氮化硅覆盖，下拉电极10接地，电路制作在P型氮化镓衬底11上。

该或非门处于工作态时，两个N型MESFET的下拉电极10都接地，将高电平或者低电平通过锚区7分别加在两个N型MESFET的悬臂梁开关5上，高电平即数字信号“1”的电压足够大，能够使加载了高电平的N型MESFET的悬臂梁开关5下拉并且导通，而低电平不能使N型MESFET的悬臂梁开关5下拉，所以当两个N型MESFET的悬臂梁开关上都加载低电平时，两个管子都不能导通，则输出为高电平；当其中任意一个MESFET或者两个N型MESFET都加载高电平时，则输出为低电平，实现对输入信号进行或非的功能，对应的公式为Y＝A+B，并且该或非门中的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N型MESFET处于关断态时其悬臂梁开关5就处于悬浮状态，这就意味着此刻该或非门中的N型MESFET上不存在栅极漏电流，降低了电路的功耗。或非门的真值表：

A	B	Y
			0	0	1
1	0	0
			0	1	0
1	1	0

氮化镓基低漏电流悬臂梁开关MESFET或非门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；

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6，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9，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4、下拉电极10和悬臂梁开关的锚区7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4、下拉电极10和悬臂梁开关的锚区7；

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10上的氮化硅；

20)淀积并光刻聚酰亚胺牺牲层：在P型氮化镓衬底11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

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5；

26)释放聚酰亚胺牺牲层：显影液浸泡，去除悬臂梁开关5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

本发明中的或非门所使用的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，这样就减小了或非门的功耗。

满足以上条件的结构即可视为本发明的氮化镓基低漏电流悬臂梁开关MESFET或非门。

Claims (3)

1.一种氮化镓基低漏电流悬臂梁开关场效应晶体管或非门，其特征在于该或非门由两个具有悬臂梁开关的N型MESFET即第一场效应晶体管（1）和第二场效应晶体管（2）以及一个负载电阻（3）组成，第一场效应晶体管（1）和第二场效应晶体管（2）的源极接在一起并共同接地，漏极也连接在一起并且共同通过电阻（3）接电源VCC，第一输入信号（A）和第二输入信号（B）分别通过锚区（7）在第一场效应晶体管（1）和第二场效应晶体管（2）的悬臂梁开关（5）上输入，输出信号在第一场效应晶体管（1）和第二场效应晶体管（2）的漏极与负载电阻（3）之间输出；引线（4）由金属构成，悬臂梁开关（5）的一端固定在锚区（7）上，另一端悬浮在MESFET的栅极（6）之上，该悬臂梁开关（5）由钛/金/钛组成，MESFET由栅极（6）、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（6）由金属和沟道区形成肖特基接触构成，锚区（7）制作在P型氮化镓衬底（11）上，N型有源区（9）构成源极和漏极，在悬臂梁开关（5）与P型氮化镓衬底（11）之间存在下拉电极（10），下拉电极（10）由氮化硅覆盖，下拉电极（10）接地。

2.根据权利要求1所述的氮化镓基低漏电流悬臂梁开关场效应晶体管或非门，其特征在于所述的负载电阻(3)的阻值设置为当其中任意一个MESFET导通时，相比于导通的MESFET，该负载电阻(3)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，该负载电阻(3)的阻值足够小可使得输出为高电平。

3.根据权利要求1所述的氮化镓基低漏电流悬臂梁开关场效应晶体管或非门，其特征在于所述的第一场效应晶体管（1）和第二场效应晶体管（2）的悬臂梁开关（5）是悬浮在其栅极（6）之上的，N型MESFET的栅极（6）与P型氮化镓衬底（11）之间形成了肖特基接触，在栅极（6）下方的P型氮化镓衬底（11）中形成耗尽层，该N型MESFET的悬臂梁开关（5）的下拉电压设计为与MESFET的阈值电压相等，当加载在悬臂梁开关（5）与下拉电极（10）之间的电压大于MESFET的阈值电压时，悬臂梁开关（5）下拉与栅极（6）紧贴，N型MESFET的耗尽区厚度减小并导通；当悬臂梁开关（5）与下拉电极（10）之间所加电压小于MESFET的阈值电压时，悬臂梁开关（5）就不能下拉，其栅极（6）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，这样就减小了或非门的功耗。