CN105049038A - 砷化镓基低漏电流双固支梁开关双栅分频器 - Google Patents

Abstract

本发明的砷化镓基低漏电流双固支梁开关双栅HEMT分频器，由GaAs衬底，增强型HEMT，以及外接的低通滤波器，压控振荡器，乘法器、高频扼流圈构成。固支梁开关的下拉电压设置为HEMT的阈值电压，通过直流偏置控制HEMT的导通和信号的传输。当两个固支梁均悬浮断开时，栅电压为0，HEMT截止,有利于减小栅极漏电流。当两个固支梁均通过直流偏置下拉闭合时，此偏置改变肖特基势垒宽度，二维电子气沟道浓度增大，HEMT导通，参考信号和反馈信号通过HEMT相乘。漏极输出信号经低通滤波器和压控振荡器、乘法器循环反馈后，得到参考信号频率的分频信号。当只有一个固支梁开关闭合时，可实现对单个信号的放大，电路有多功能。

Description

砷化镓基低漏电流双固支梁开关双栅分频器

技术领域

本发明提出了GaAs基低漏电流双固支梁开关双栅HEMT分频器，属于微电子机械系统的技术领域。

背景技术

分频器是将一参考信号经过功能电路的作用,产生所需的参考信号频率N整除的频率信号。目前，频率乘法器广泛应用于通信、信号处理等领域。利用锁相环和乘法器可构成分频器。与传统电路中的MOSFET结构相比，高电子迁移率晶体管HEMT有更高的电子迁移率，速度更快，效率更高也能够降低功耗等。当前，MEMS技术也推动电路向结构简单，体积变小的方向发展。

本发明正式要结合HEMT与MEMS技术，提出一种GaAs基低漏电流双固支梁开关双栅HEMT分频器。

发明内容

技术问题:本发明的目的是提供一种GaAs基低漏电流双固支梁开关双栅HEMT分频器。两个固支梁开关下方各自对应一个栅极，固支梁开关通过直流偏置的作用，在电路中控制HEMT的导通以及信号的传输。

技术方案：本发明的一种砷化镓基低漏电流双固支梁开关双栅分频器的HEMT为生长在GaAs衬底上的增强型HEMT，包括本征GaAs层，本征AlGaAs层，N+AlGaAs层，源极，漏极，栅极，锚区，固支梁开关，下拉极板，绝缘层，通孔，引线；在GaAs衬底上设有本征GaAs层，在本征GaAs层上设有本征AlGaAs层，在本征AlGaAs层上设有N+AlGaAs层，源极、漏极分别位于栅极的两侧，源极接地，两个栅极并列设置在N+AlGaAs层上，与两个固支梁开关一一对应，固支梁开关的两端固定在锚区上，固支梁开关的中部悬浮在栅极之上，下拉极板设置在栅极与锚区之间，下拉极板接地，绝缘层覆盖在下拉极板之上，直流偏置通过高频扼流圈和锚区作用在固支梁开关上，固支梁开关的下拉电压设计为HEMT的阈值电压；

HEMT的漏极输出信号有两种工作方式，一种是选择第一端口输入至低通滤波器，低通滤波器输出接入压控振荡器，压控振荡器输出通过第三端口接入乘法器，乘法器输出信号作为反馈信号通过锚区加载到一个固支梁开关上，构成反馈回路，参考信号通过锚区加载到另一个固支梁开关上，HEMT的漏极输出信号的另一种工作方式是选择第二端口直接输出放大信号。

所述的固支梁开关的闭合或断开通过直流偏置控制，当两个固支梁开关均在达到或大于下拉电压的直流偏置下实现下拉，与栅极接触，开关闭合时，在栅电压的作用下，形成二维电子气沟道，HEMT导通，参考信号和反馈信号通过HEMT实现相乘，漏极输出包含两信号的相位差信息，选择第一端口输入低通滤波器，滤除高频部分，输出包含相位差信息的直流电压，直流电压作为控制电压输入压控振荡器，调节压控振荡器的输出频率，调节频率后的信号经第三端口传输至乘法器，乘法器输出信号作为反馈信号加载到固支梁开关上，环路循环反馈的结果是反馈信号与参考信号的频率相等，压控振荡器第四端口输出频率f_o为参考信号频率的1/N：f_ref/N,实现参考信号的分频；

当直流偏置小于下拉电压，两个固支梁开关均不与栅极接触，开关断开时，栅电压为0，HEMT截止，能够有效的减小栅极漏电流，降低功耗；

当只有一个固支梁开关闭合，另一个固支梁开关处于断开状态时，闭合的固支梁开关下方形成二维电子气沟道，断开的固支梁开关下方形成高阻区，沟道与高阻区串联的结构有利于提高HEMT的反向击穿电压，只有闭合的固支梁开关上的选通信号可以通过HEMT放大，放大信号经第二端口输出，当只有加载参考信号的固支梁开关闭合时，参考信号通过HEMT放大，第二端口输出参考信号频率f_ref的放大信号，当只有加载反馈信号的固支梁开关闭合时，反馈信号通过HEMT放大，反馈信号频率为压控振荡器输出频率f_o经乘法器后乘以N的结果：N×f_o，第二端口输出频率为N×f_o的放大信号，断开的固支梁开关有利于减小栅极漏电流，降低功耗。

有益效果：本发明的GaAs基低漏电流双固支梁开关双栅HEMT分频器具有以下显著的优点：

1、固支梁在电路中起到开关的作用，下拉电压设计为HEMT的阈值电压，方便控制HEMT的导通与信号的传输；

2、通过对固支梁开关的控制，不仅可以实现参考信号的分频，还可以实现对单个信号的放大，使电路多功能化，扩展应用范围；

3、HEMT与MEMS技术相结合，使得电路效率提升，功耗降低，结构简单化，体积小型化。

附图说明

图1为本发明的GaAs基低漏电流双固支梁开关双栅HEMT分频器的俯视图。

图2为图1GaAs基低漏电流双固支梁开关双栅HEMT分频器的A-A’向剖面图。

图3为图1GaAs基低漏电流双固支梁开关双栅HEMT分频器的B-B’向剖面图。

图4为图1GaAs基低漏电流双固支梁开关双栅HEMT两个固支梁开关均闭合时的沟道示意图。

图5为图1GaAs基低漏电流双固支梁开关双栅HEMT闭合一个固支梁开关时的沟道示意图。

具体实施方式

本发明的GaAs基低漏电流双固支梁开关双栅HEMT分频器。包括GaAs衬底、增强型HEMT，以及外接的低通滤波器、压控振荡器、乘法器、高频扼流圈；其中HEMT生长在GaAs衬底上，包括本征GaAs层，本征AlGaAs层，N+AlGaAs层；源极，漏极和两个栅极。栅极与N+AlGAs层形成肖特基接触，本征GaAs层与本征AlGaAs层形成异质结。锚区位于栅极两侧，固支梁开关通过锚区横跨于栅极之上。锚区和栅极之间设置下拉极板，下拉极板接地，绝缘层覆盖在下拉极板之上。

参考信号和反馈信号分别通过锚区加载到两个固支梁开关上。直流偏置通过高频扼流圈和锚区作用在固支梁开关上，高频扼流圈保证直流偏置与交流信号隔开。

固支梁开关的下拉电压设计为HEMT的阈值电压。当直流偏置小于下拉电压，两个固支梁开关均悬浮断开，不与栅极接触时，栅电压为0，不能形成二维电子气沟道，HEMT无法导通，能够减小栅极漏电流，降低功耗。

当直流偏置达到或大于下拉电压，两个固支梁开关均在直流偏置作用下下拉闭合，与栅极接触时，栅电压即为直流偏置，肖特基势垒宽度在栅电压作用下变窄，异质结表面形成二维电子气沟道，HEMT导通，参考信号和反馈信号通过HEMT相乘。漏极输出信号包含了两信号之间的相位差信息，经过低通滤波器后，高频分量被滤除，并向压控振荡器输送一个直流电压，调节压控振荡器的输出频率。压控振荡器输出信号经过乘法器之后，在频率上对应发生N倍的改变，并作为反馈信号，重新输入HEMT，经过环路的作用，反馈信号和参考信号频率相等。所以，最终压控振荡器输出的信号频率为参考信号频率的1/N，实现参考信号的分频。

当只有一个固支梁开关闭合与栅极接触时，此固支梁开关下方形成二维电子气沟道，另一个断开的固支梁开关下方为高阻区，沟道与高阻区串联的结构有利于提高HEMT的反向击穿电压。只有下拉固支梁上的选通信号可以通过HEMT放大输出，从而通过对一个固支梁开关的单独控制，实现对单个信号的放大，电路具有多功能。

下面结合附图对本发明的GaAs基低漏电流双固支梁开关双栅HEMT分频器做进一步解释。

如图1所示，本发明的GaAs基低漏电流双固支梁开关双栅HEMT分频器包括GaAs衬底1，设置在GaAs衬底上的增强型HEMT，外接的低通滤波器，压控振荡器，乘法器、高频扼流圈。

HEMT包括本征GaAs层2，本征AlGaAs层3，N+AlGaAs层4，源极5，漏极6，栅极7，锚区8，固支梁开关9，下拉极板10，绝缘层11，通孔12，引线13。其中，源极5接地，锚区8设置在栅极7两侧，下拉极板10设置栅极7与锚区8之间，固支梁开关9通过锚区横跨在栅极7上方。在HEMT结构中，栅极7与N+AlGaAs层4形成肖特基接触，本征AlGaAs层3与本征GaAs层2形成异质结。对于增强型HEMT，栅电压为0时，肖特基接触势垒耗尽了异质结界面的二维电子气，没有导通沟道。

HEMT漏极6输出可以选择两种不同工作方式，一种通过第一端口14连接低通滤波器，低通滤波器输出接入压控振荡器，压控振荡器输出通过第三端口16接入乘法器，乘法器的输出作为反馈信号通过锚区8加载到一个固支梁开关9上，构成反馈回路，参考信号通过锚区8加载到另一个固支梁开关9上。直流偏置通过高频扼流圈和锚区8作用在固支梁开关9上。HEMT漏极6输出的另一种工作方式是选择第二端口15直接输出放大信号。

固支梁开关9的下拉电压设计为HEMT的阈值电压。当直流偏置小于下拉电压，固支梁开关9处于悬浮断开状态，不与栅极7接触时，栅电压为0，没有二维电子气沟道，HEMT截止。

当直流偏置达到或大于下拉电压，两个固支梁开关9均下拉与栅极7接触，开关闭合时，在栅电压的作用下，二维电子气在异质结界面聚集，形成沟道，如图4所示，HEMT导通。参考信号和反馈信号通过HEMT相乘。漏极6输出信号包含了两信号之间的相位差信息，选择第一端口14输入低通滤波器，滤除高频部分，并向压控振荡器输送一个直流电压，直流电压可以表示为：

$U_L=Kco(\frac{\left(f_{ref}-f_{back}\right)}{2\mathrm{\π}}t+\mathrm{\φ})---\left(1\right)$

其中K为HEMT增益系数，f_ref为参考信号频率，f_back为反馈信号频率，φ为固有相位差。压控振荡器在直流电压的控制下，调节输出频率的大小。压控振荡器输出频率可以通过以下微分表示式表达：

$\frac{1}{2\mathrm{\π}}\frac{{\mathrm{df}}_o}{dt}=K_v{U}_L=K_{v}Kcos(\frac{\left(f_{ref}-f_{back}\right)}{2\mathrm{\π}}t+\mathrm{\φ})---\left(2\right)$

其中，f_o为压控振荡器输出频率，K_v为压控振荡器灵敏度。经过乘法器后，频率变为原来的N倍，并作为反馈信号，重新输入HEMT。也就是：

f_back＝f_o×N(3)

经过反馈循环作用，反馈信号的频率最终和参考信号一致。即：

$\begin{array}{c}{f}_{back}=f_o\×N=f_{ref}\\ \⇒f_o=\frac{f_{ref}}{N}\end{array}---\left(4\right)$

所以，最终压控振荡器第四端口17输出的信号频率为参考信号频率的1/N,实现参考信号的分频。

只有一个固支梁开关9被下拉闭合，另一个固支梁开关9处于悬浮断开状态时，闭合的固支梁开关9下方形成二维电子气沟道，断开的固支梁开关9下方为高阻区，如图5所示，沟道与高阻区串联，有利于提高反向击穿电压。只有闭合的固支梁开关9上的选通信号可以通过HEMT放大，放大信号通过第二端口15输出。当只有加载参考信号的固支梁开关9闭合时，参考信号通过HEMT放大，第二端口15输出频率为f_ref的放大信号。当只有加载反馈信号的固支梁开关9闭合时，反馈信号频率为压控振荡器频率经过乘法器后的结果，即f_o×N，所以，第二端口15输出频率为f_o×N的放大信号。压控振荡器第四端口输出频率f_o为参考信号频率的1/N：f_ref/N,实现参考信号的分频；从而通过对一个固支梁开关9的单独控制，实现对单个信号的放大，扩大了电路的应用范围。此外，断开的固支梁开关有利于减小栅极漏电流，降低功耗。

本发明的GaAs基低漏电流双固支梁开关双栅HEMT分频器的制备方法如下：

1)在半绝缘P型GaAs衬底；

2)外延生长本征GaAs层约500nm；

3)外延生长本征AlGaAs隔离层约50nm；

4)生长N+型AlGaAs层约20nm，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N+型GaAs层厚约300nm，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，刻出源漏极域，进行N+离子注入，形成源极和漏极，去除氮化硅；

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，合金化形成源、漏欧姆接触电极；

12)涂覆光刻胶，光刻去除栅极位置的光刻胶；

13)生长厚度为0.5μmTi/Pt/Au；

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；

15)涂覆光刻胶，光刻出引线，下拉极板和固支梁锚区的窗口；

16)生长一层厚度为0.3μm的Au；

17)去除光刻胶，形成引线、下拉极板、固支梁的锚区；

18)沉积绝缘层，应用外延工艺生长0.1μm的Si_xN_1-x的绝缘层；

19)光刻去除多余的绝缘层，仅保留下拉极板上方的绝缘层；

20)通过旋涂方式形成PMGI牺牲层，然后光刻牺牲层，仅保留固支梁下方的牺牲层；

21)生长一层用于电镀的底金：蒸发Ti/Au/Ti，作为种子层厚度50/150/30nm；

22)涂覆光刻胶，光刻出固支梁，锚区和连接线的窗口；

23)电镀一层金，其厚度为2μm；

24)去除光刻胶，同时去除光刻胶上的金层；

25)反刻钛/金/钛，腐蚀种子层，形成固支梁及以及连接线；

26)去除聚酰亚胺牺牲层，释放MEMS固支梁；

27)将制备的HEMT与外部电路连接，构成分频器。

区分是否为该结构的标准如下：

本发明的GaAs基低漏电流双固支梁开关双栅HEMT分频器，参考信号和反馈信号分别加载在两个固支梁开关上，固支梁开关下拉电压设计为HEMT的阈值电压，固支梁开关通过直流偏置控制HEMT的导通与信号的传输。当两个固支梁开关均处于悬浮断开状态时，栅电压为0，HEMT截止。当两个固支梁开关均通过直流偏置下拉闭合状态，与栅极接触时，二维电子气沟道形成，HEMT导通。参考信号和反馈信号通过HEMT相乘，漏极输出包含两信号的相位信息，经过低通滤波器，压控振荡器、乘法器反馈循环后，得到参考信号1/N的分频信号。另外单独闭合一个固支梁开关，另一个断开的固支梁开关下形成高阻区，有利于提高HEMT的反向击穿电压，还实现对单个信号的放大，电路具有多功能性。

Claims (2)

1.一种砷化镓基低漏电流双固支梁开关双栅分频器，其特征在于该分频器的HEMT为生长在GaAs衬底（1）上的增强型HEMT，包括本征GaAs层（2），本征AlGaAs层（3），N+AlGaAs层（4），源极（5），漏极（6），栅极（7），锚区（8），固支梁开关（9），下拉极板（10），绝缘层（11），通孔（12），引线（13）；在GaAs衬底（1）上设有本征GaAs层（2），在本征GaAs层（2）上设有本征AlGaAs层（3），在本征AlGaAs层（3）上设有N+AlGaAs层（4），

源极（5）、漏极（6）分别位于栅极（7）的两侧，源极（5）接地，两个栅极（7）并列设置在N+AlGaAs层（4）上，与两个固支梁开关（9）一一对应，固支梁开关（9）的两端固定在锚区（8）上，固支梁开关（9）的中部悬浮在栅极（7）之上，下拉极板（10）设置在栅极（7）与锚区（8）之间，下拉极板（10）接地，绝缘层（11）覆盖在下拉极板（10）之上，直流偏置通过高频扼流圈和锚区（8）作用在固支梁开关（9）上，固支梁开关（9）的下拉电压设计为HEMT的阈值电压；

HEMT的漏极（6）输出信号有两种工作方式，一种是选择第一端口（14）输入至低通滤波器，低通滤波器输出接入压控振荡器，压控振荡器输出通过第三端口（16）接入乘法器，乘法器输出信号作为反馈信号通过锚区（8）加载到一个固支梁开关（9）上，构成反馈回路，参考信号通过锚区（8）加载到另一个固支梁开关（9）上，HEMT的漏极（6）输出信号的另一种工作方式是选择第二端口（15）直接输出放大信号。

2.根据权利要求1所述的砷化镓基低漏电流双固支梁开关双栅分频器，其特征在于，所述的固支梁开关（9）的闭合或断开通过直流偏置控制，当两个固支梁开关（9）均在达到或大于下拉电压的直流偏置下实现下拉，与栅极（7）接触，开关闭合时，在栅电压的作用下，形成二维电子气沟道，HEMT导通，参考信号和反馈信号通过HEMT实现相乘，漏极（6）输出包含两信号的相位差信息，选择第一端口（14）输入低通滤波器，滤除高频部分，输出包含相位差信息的直流电压，直流电压作为控制电压输入压控振荡器，调节压控振荡器的输出频率，调节频率后的信号经第三端口（16）传输至乘法器，乘法器输出信号作为反馈信号加载到固支梁开关（9）上，环路循环反馈的结果是反馈信号与参考信号的频率相等，压控振荡器第四端口（17）输出频率f_o为参考信号频率的1/N：f_ref/N,实现参考信号的分频；

当直流偏置小于下拉电压，两个固支梁开关（9）均不与栅极（7）接触，开关断开时，栅电压为0，HEMT截止，能够有效的减小栅极漏电流，降低功耗；

当只有一个固支梁开关（9）闭合，另一个固支梁开关（9）处于断开状态时，闭合的固支梁开关（9）下方形成二维电子气沟道，断开的固支梁开关（9）下方形成高阻区，沟道与高阻区串联的结构有利于提高HEMT的反向击穿电压，只有闭合的固支梁开关（9）上的选通信号可以通过HEMT放大，放大信号经第二端口（15）输出，当只有加载参考信号的固支梁开关（9）闭合时，参考信号通过HEMT放大，第二端口（15）输出参考信号频率f_ref的放大信号，当只有加载反馈信号的固支梁开关（9）闭合时，反馈信号通过HEMT放大，反馈信号频率为压控振荡器输出频率f_o经乘法器后乘以N的结果：N×f_o，第二端口（15）输出频率为N×f_o的放大信号，断开的固支梁开关（9）有利于减小栅极漏电流，降低功耗。