CN105049033A - 基于砷化镓基低漏电流双悬臂梁开关的或非门 - 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HEMT的或非门由直流偏置源、上拉电阻、GaAs基低漏电流双悬臂梁开关HEMT组成，减少晶体管数量的同时降低了电路的功耗。在HMET栅极上方对称设计的两个悬臂梁作为信号的输入端，在悬臂梁下方各有一个下拉电极，下拉电极上覆盖着一层绝缘的氮化硅介质层。当HMET两个输入为低电平时，悬臂梁都处于悬浮状态，此时HEMT的沟道被耗尽层阻断，漏极输出为高电平；当至少一个输入端为高电平时，高电平对应的悬臂梁被下拉，此时HEMT的沟道处于导通状态，漏极输出为低电平，从而实现了或非门逻辑功能。
Description
技术领域
本发明提出了基于GaAs(砷化镓)基低漏电流双悬臂梁开关HEMT(高电子迁移率晶体管)的或非门，属于MEMS(微电子机械系统)的技术领域。
背景技术
或非门是数字逻辑电路中的基本元件，实现逻辑或非功能，是构成各种复杂组合逻辑和时序逻辑的基础。常见集成电路中的或非门通过Si基COMS工艺实现，然而，随着对集成电路的速度和功耗的要求越来也高，GaAs基HEMT作为电路器件显示出一定的优越性。同硅材料相比，GaAs材料具备载流子迁移率高、衬底半绝缘以及禁带较宽等特征，因此用它制成的器件具有频率高、速度快、抗辐射能力强等优点。GaAs基HEMT以二维电子气为导电通道，电子迁移率相比普通GaAs器件更高，适用于低功耗数字集成电路领域。近年来，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，使本发明基于GaAs基低漏电流双悬臂梁开关HEMT的或非门成为了可能。
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的或非门，两个对称设计的悬臂梁在HEMT栅极的上方，相当于开关，作为信号的输入端，通过双悬臂梁结构HEMT实现或非门功能，电路结构得到简化，使用的晶体管数量减少，同时也减低了电路功耗。
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HEMT的或非门。以半绝缘GaAs衬底为基底，在半绝缘GaAs衬底上设有本征GaAs层、本征AlGaAs层、N+AlGaAs层、源区、漏区、栅极金属层和悬臂梁；悬臂梁材料为Au，其一端固定在锚区上，锚区和输入引线相连，作为信号的输入端；在悬臂梁的下方各有一个栅极金属层和下拉电极，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，源区、漏区分别位于栅极金属层的两侧，所述的漏极与上拉电阻相连，源极接地，未与漏极相连的另外两个输入引线分别作为RS触发器的R端口和S端口，实现或非门逻辑功能；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，悬臂梁处于悬浮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。
两个悬臂梁的输入引线都输入低电平时，悬臂梁处于悬浮态，由于二维电子气沟道被耗尽层阻断，漏极输出为高电平；当至少一个悬臂梁的输入引线上输入高电平时，输入高电平的悬臂梁被下拉，HMET的二维电子气沟道处于导通态，漏极输出为低电平，由于没有栅极漏电流，使得电路中的功耗被有效地降低。
有益效果：本发明相对于现有的或非门具有以下优点：
1.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；
2.本发明通过双悬臂梁开关HEMT实现或非门，结构简单，减少了晶体管的数量，降低了成本；
3.本发明由于采用悬臂梁结构，使或非门在悬臂梁处于悬浮态时漏电流减小，从而有效地降低了功耗；
4.本发明通过采用悬臂梁结构，HMET的导通和关断差异明显，有效地减少了或非门的逻辑错误。
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的或非门俯视图，
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，上拉电阻17。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
参见图1-4，本发明提出了一种基于GaAs基低漏电流双悬臂梁开关HEMT的或非门。触发器主要包括：直流偏置源、上拉电阻17、GaAs基低漏电流双悬臂梁开关HEMT。
GaAs基低漏电流双悬臂梁开关HEMT，用于实现或非门逻辑功能。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分别横跨在两个锚区8上方，作用相当于开关，锚区与输入引线相连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，悬臂梁12处于悬浮态时由于栅极金属层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。
GaAs基低漏电流双悬臂梁开关HEMT的漏极14与上拉电阻17相连，源极13接地，组成了或非门电路。当两个悬臂梁12的输入引线都输入低电平时，悬臂梁12处于悬浮态，由于二维电子气沟道被耗尽层阻断，漏极14输出为高电平。当至少一个悬臂梁12的输入引线9上输入高电平时，输入高电平的悬臂梁12被下拉，HMET的二维电子气沟道处于导通态，漏极14输出为低电平。基于GaAs基低漏电流双悬臂梁开关HEMT实现的或非电路对应真值表如下：
当悬臂梁的输入为低电平而处于悬浮态时，由于没有栅极漏电流，使得电路中的功耗被有效地降低。
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金属层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与栅极金属层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的或非门，在HEMT栅极的上方，对称设计有两个悬臂梁，其下拉电压的大小设置为HEMT的阈值电压，悬臂梁横跨在锚区上，锚区与输入引线相连，作为信号的输入端。在悬臂梁下方各有一个下拉电极，下拉电极上覆盖着一层绝缘的氮化硅介质层。GaAs基低漏电流双悬臂梁开关HEMT，漏极接上拉电阻，源极接地，当HMET两个输入为低电平时，悬臂梁都处于悬浮状态，此时HEMT的沟道被耗尽层阻断，漏极输出为高电平；当至少一个输入端为高电平时，高电平对应的悬臂梁被下拉，此时HEMT的沟道处于导通状态，漏极输出为低电平。
满足以上条件的结构即视为本发明的基于GaAs基低漏电流悬臂梁开关HEMT的或非门。
Claims (2)
1.一种基于砷化镓基低漏电流双悬臂梁开关的或非门，其特征是：该或非门以半绝缘GaAs衬底(1)为基底，在半绝缘GaAs衬底(1)上设有本征GaAs层(2)、本征AlGaAs层(3)、N+AlGaAs层(4)、源极(13)、漏极(14)、栅极金属层(5)和悬臂梁(12)；悬臂梁(12)材料为Au，其一端固定在锚区(8)上，锚区(8)和输入引线(9)相连，作为信号的输入端；在悬臂梁(12)的下方各有一个栅极金属层(5)和下拉电极(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)，源极(13)、漏极(14)分别位于栅极金属层(5)的两侧，所述的漏极(14)与上拉电阻(17)相连，源极(13)接地，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，悬臂梁处于悬浮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所述的基于砷化镓基低漏电流双悬臂梁开关或非门，其特征是；两个悬臂梁(12)的输入引线(9)都输入低电平时，悬臂梁(12)处于悬浮态，由于二维电子气沟道被耗尽层阻断，漏极(14)输出为高电平；当至少一个悬臂梁(12)的输入引线(9)上输入高电平时，输入高电平的悬臂梁(12)被下拉，HMET的二维电子气沟道处于导通态，漏极(14)输出为低电平，由于没有栅极漏电流，使得电路中的功耗被有效地降低。
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