CN105140227B - 氮化镓基低漏电流悬臂梁的与非门 - Google Patents
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Abstract
本发明的氮化镓基低漏电流悬臂梁的与非门制作在半绝缘型GaN衬底(1)上，由两个N型沟道MESFET(11)和电阻R顺序串联所构成，该N型沟道MESFET(11)包括源极、漏极、栅极和沟道，这两个N沟道MESFET(11)具有悬浮的悬臂梁(4)，该悬臂梁(4)的一端固定在锚区(2)上，另一端横跨在栅极(10)上方且与栅极(10)之间有一间隙，偏置信号连接到悬臂梁(4)上，悬臂梁(4)由Au材料制作的，在悬臂梁(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)，这种结构可以大大减小栅极泄漏电流，从而降低器件的功耗。
Description
技术领域
本发明提出了氮化镓基低漏电流悬臂梁的与非门，属于微电子机械系统的技术领域。
背景技术
当今世界是一个飞速发展的世界，随着数字集成电路的飞速发展，人们对数字电路和器件也提出了越来越高的要求，传统的硅基器件在一定程度上已无法满足人们日益增长的需求。GaN场效应晶体管(MESFET)以其电子迁移率高、载流子漂移速度快,禁带宽度大、抗辐射能力强、工作温度范围宽等优点，很快被广泛地应用到各种通信系统中，用GaN场效应晶体管制作的器件也层出不穷，在数字电路系统中，利用GaN基MESFET制作的与非门器件是人们广泛应用的一种逻辑器件，然而随着电路集成度的不断提高，传统的MESFET器件的功耗问题也日益突出，功耗过大可能会引起整个系统的损坏，因此如何降低MESFET器件的功耗是人们目前急需研究的课题。
与非门器件中最主要的就是开关的性能，而利用MESFET器件制作的开关由于其栅极存在着漏电流，这种漏电流导致MESFET开关的直流功耗大大的增加，从而增大了整个与非门器件的直流功耗，因此减少栅极漏电流是我们的目标，本发明就是在半绝缘GaN衬底上设计了一种具有极小的栅极漏电流的悬臂梁的与非门。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供了一种氮化镓基低漏电流悬臂梁的与非门，由于传统MESFET器件的栅极是与沟道直接接触的，所以不可避免的会存在栅极泄漏电流，因此减小栅极漏电流是关键，通过控制MESFET开关的悬臂梁与栅极是否接触来实现开关的导通与关断，这种方法可以极大的减小MESFET器件栅极漏电流，从而降低与非门的功耗。
技术方案：本发明的氮化镓基低漏电流悬臂梁的与非门制作在半绝缘型GaN衬底上，由两个N型沟道MESFET和电阻R顺序串联所构成，该N型沟道MESFET包括源极、漏极、栅极和沟道，这两个N沟道MESFET具有悬浮的悬臂梁，该悬臂梁的一端固定在锚区上，另一端横跨在栅极上方且与栅极之间有一间隙，偏置信号连接到悬臂梁上，悬臂梁由Au材料制作的，在悬臂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，这种结构可以大大减小栅极泄漏电流，从而降低器件的功耗。
两个N型沟道MESFET的阈值电压设计为相等，而悬臂梁的下拉电压设计为与N型沟道MESFET的阈值电压相等；只有当N型沟道MESFET的悬臂梁与下拉电极之间的电压大于阈值电压时，悬浮的悬臂梁才会下拉贴至栅极上使得N型沟道MESFET导通，否则N型沟道MESFET就截止。
所述的两个N型沟道MESFET的悬臂梁上都存在高电平时，N型沟道MESFET的悬臂梁就会下拉并使其导通，此时输出低电平；当两个N型沟道MESFET的悬臂梁上分别出现一高电平和一低电平时，只有一个N型沟道MESFET的悬臂梁会下拉，电路无法形成回路，此时输出高电平；当两个N型沟道MESFET的悬臂梁上都存在低电平时，N型沟道MESFET的悬臂梁还是处于悬浮状态，没有导通，因此输出高电平。
有益效果：本发明的氮化镓基低漏电流悬臂梁的与非门具有悬浮的悬臂梁结构，极大的减小了栅极的直流漏电流，使得与非门的功耗大大降低，整个系统因而更加稳定。
附图说明
图1为本发明的氮化镓基低漏电流悬臂梁的与非门的示意图，
图2为本发明的氮化镓基低漏电流悬臂梁的与非门的内部原理图，
图3为本发明的氮化镓基低漏电流悬臂梁的与非门的俯视图，
图4为图3氮化镓基低漏电流悬臂梁的与非门的P-P’向的剖面图，
图5为图3氮化镓基低漏电流悬臂梁的与非门的A-A’向的剖面图。
图中包括：N型MESFET 1，半绝缘型GaN衬底2，引线3，栅极4，N型MESFET沟道5，锚区6，悬臂梁7，下拉电极8，氮化硅介质层9，N型MESFET的源极10，N型MESFET的漏极11，电阻R。
具体实施方式
本发明的氮化镓基低漏电流悬臂梁的与非门是基于半绝缘型GaN衬底2制作的，其中N型MESFET由源极10、漏极11、锚区6、悬臂梁7、下拉电极8和氮化硅介质9所组成，它拥有独特的MEMS悬臂梁结构，该悬臂梁7是横跨在栅极4上方的，该悬臂梁由Au材料制作，在悬臂梁下方有一个下拉电极，该下拉电极是接地的，下拉电极上覆盖有氮化硅介质层9，控制信号是附加在该悬臂梁上的，而并不是直接加载在栅极上，电阻R的作用是将电源电压进行分压得到输出Vout。
本发明的氮化镓基低漏电流悬臂梁的与非门主要是由两个N型MESFET和一个电阻R串联相接构成的，该N型MESFET由源极、漏极、栅极和沟道组成，MESFET的栅极是由金和沟道形成的肖特基接触区构成，源极和漏极由金和N型重掺杂区形成的欧姆接触区构成。
整个与非门结构是基于半绝缘型GaN衬底制作的，其中N型MESFET拥有独特的MEMS悬臂梁结构，控制信号是附加在该悬臂梁上的，而并不是如传统MESFET器件一样直接加载在栅极上，该悬臂梁由Au材料制作，在悬臂梁下方有一个下拉电极，分布在锚区与栅极之间，该下拉电极是接地的，下拉电极上覆盖有氮化硅介质层。
与非门工作时，当两个N型MESFET的悬臂梁上都加载有高电平‘1’时，由于下拉电极接地，从而使得N型MESFET的悬浮悬臂梁被下拉电极吸附并贴至N型沟道上方的栅极上，此时两个N型MESFET均导通，于是整个电路形成通路，由于电阻R的分压作用使得输出端为低电平‘0’；当其中一个N型MESFET的悬臂梁上加载高电平‘1’、而另一个N型MESFET的悬臂梁上加载低电平‘0’时，使得一个N型MESFET导通，另一个N型MESFET截止，整个电路没有形成通路，所以输出端为高电平‘1’；当两个N型MESFET的悬臂梁上都加载有低电平‘0’时，两个N型MESFET的悬浮悬臂梁都不会被下拉，使得两个N型MESFET均是截止状态，整个电路并没有形成通路，所以输出端为高电平‘1’。此处的高电平‘1’是大于N型MESFET阈值电压的电源电压，可根据需要设置为相应的值，而低电平‘0’即是地。
在本发明中，构成与非门器件的两个开关都是用具有MEMS悬臂梁结构的N型MESFET制作的，这两个N型MESFET的阈值电压设计为相等，而悬臂梁的下拉电压设计为与N型MESFET的阈值电压相等。N型MESFET的悬浮悬臂梁是通过锚区悬浮在栅氧化层上方的，而不是贴附在栅极上，开关控制信号是在悬臂梁上传输的，并不在栅极上传输，由于下拉电极接地，只有当悬臂梁与下拉电极间的电压大于阈值电压时，悬臂梁才会吸附下来并贴至栅极上，从而使得N型MESFET导通，否则N型MESFET就截止，正是由于该N型MESFET的悬臂梁结构，使得与非门器件的栅极漏电流减小了，从而降低了与非门的功耗。
本发明的氮化镓基低漏电流悬臂梁的与非门的制备方法为：
1)准备半绝缘型GaN衬底2；
2)淀积一层氮化硅，光刻并刻蚀氮化硅，去除N型MESFET沟道区5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5；
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4，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5形成肖特基接触；
9)涂覆光刻胶，光刻并刻蚀N型MESFET源极10和漏极11区域的光刻胶；
10)对该区域进行N型重掺杂，在N型MESFET源极10和漏极11区域形成的N型重掺杂区，进行快速退火处理；
11)光刻源极10和漏极11，去除源极10和漏极11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10和漏极11；
15)涂覆光刻胶，去除引线3、下拉电极8和悬臂梁的锚区6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3、下拉电极8和悬臂梁的锚区6；
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9；
20)淀积并光刻聚酰亚胺牺牲层：在GaN衬底2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7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MEMS悬臂梁7；
26)释放聚酰亚胺牺牲层：显影液浸泡，去除悬臂梁7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，构成与非门电路的开关是由两个具有悬臂梁结构的N型MESFET和一个电阻R串联相接构成，该悬臂梁通过锚区横跨在栅极上方，与栅极之间有一定距离，在悬臂梁下方设有一个下拉电极，该下拉电极是接地的，两个N型MESFET的阈值电压设计为相等，而悬臂梁的下拉电压设计为与N型MESFET的阈值电压相等。当悬臂梁与下拉电极之间的电压大于阈值电压时，悬臂梁下拉贴至栅极上，从而使得N型MESFET导通，否则N型MESFET截止，由于N型MESFET的悬臂梁的存在，该与非门器件的栅极漏电流大大减少了，从而在一定程度上降低了直流功耗。
满足以上条件的结构即视为本发明的氮化镓基低漏电流悬臂梁的与非门。
本发明图1中的氮化镓基低漏电流悬臂梁的与非门的符号和真值表：
Claims (3)
1.一种氮化镓基低漏电流悬臂梁的与非门，其特征在于该与非门制作在半绝缘型GaN衬底(1)上，由两个N型沟道MESFET(11)和电阻R顺序串联所构成，该N型沟道MESFET(11)包括源极、漏极、栅极和沟道，这两个N沟道MESFET(11)具有悬浮的悬臂梁(4)，该悬臂梁(4)的一端固定在锚区(2)上，另一端横跨在栅极(10)上方且与栅极(10)之间有一间隙，偏置信号连接到悬臂梁(4)上，悬臂梁(4)由Au材料制作的，在悬臂梁(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)，这种结构可以大大减小栅极泄漏电流，从而降低器件的功耗。
2.如权利要求1所述的氮化镓基低漏电流悬臂梁的与非门，其特征在于两个N型沟道MESFET(11)的阈值电压设计为相等，而悬臂梁的下拉电压设计为与N型沟道MESFET(11)的阈值电压相等；只有当N型沟道MESFET(11)的悬臂梁(4)与下拉电极之间的电压大于阈值电压时，悬浮的悬臂梁(4)才会下拉贴至栅极(10)上使得N型沟道MESFET(11)导通，否则N型沟道MESFET(11)就截止。
3.如权利要求2所述的氮化镓基低漏电流悬臂梁的与非门，其特征在于所述的两个N型沟道MESFET(11)的悬臂梁(4)上都存在高电平时，N型沟道MESFET(11)的悬臂梁(4)就会下拉并使其导通，此时输出低电平；当两个N型沟道MESFET(11)的悬臂梁(4)上分别出现一高电平和一低电平时，只有一个N型沟道MESFET(11)的悬臂梁(4)会下拉，电路无法形成回路，此时输出高电平；当两个N型沟道MESFET(11)的悬臂梁(4)上都存在低电平时，N型沟道MESFET(11)的悬臂梁(4)还是处于悬浮状态，没有导通，因此输出高电平。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20171205 |