CN105141289B - 氮化镓基低漏电流四悬臂梁开关的rs触发器 - Google Patents
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Abstract
本发明的氮化镓基低漏电流四悬臂梁开关的RS触发器的四悬臂梁开关N型MESFET由栅极、源极和漏极组成，形成漏极‑源极‑漏极的结构，在源极和两个漏极之间分别有栅极存在，在每个栅极的上方有两个用钛/金/钛制作而成的对称设计的悬臂梁开关,两个悬臂梁开关的位置关于该MESFET漏极‑源极‑漏极方向对称，同样地，源极右侧的两个悬臂梁开关也是如此；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，把悬臂梁开关的下拉电压设计得与MESFET的阈值电压相等，在该RS触发器工作时，当NMESFET处于关断时其悬臂梁开关就处于悬浮态，降低了栅极漏电流，从而降低了该RS触发器的功耗。
Description
技术领域
本发明提出了GaN基低漏电流四悬臂梁开关MESFET的RS触发器，属于微电子机械系统的技术领域。
背景技术
随着无线通信技术的发展，射频集成电路的芯片也迅速发展，集成规模不断扩大，工作频率不断提高，传统的硅基材料已经不能满足要求。基于氮化镓衬底的MESFET就是在这种背景下被提出应用，由于氮化镓材料良好的特性使得由它制造的晶体管具有很高的电子迁移率，很强的抗辐射能力，较大的工作温度范围。由于芯片中晶体管的数量越来越多，随之而来的就是集成电路的功耗问题。随着集成电路的发展，芯片的规模变得很大，人们对于芯片的功耗越来越重视。太高的功耗会对芯片的散热材料提出更高的要求，还会使芯片的性能受到影响。所以，对于器件的低功耗的设计在集成电路的设计中显得越来越重要。
RS触发器电路作为数字电路的重要组成部分，它是各种具有复杂功能的触发器电路的基本构成部分，有着巨大的应用，常规MESFET组成的RS触发器，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，本文提出的具有可动悬臂梁开关结构的MESFET可以有效降低栅极漏电流，进而降低该RS触发器电路的功耗。
发明内容
技术问题:本发明的目的是提供一种GaN基低漏电流四悬臂梁开关MESFET的RS触发器，将传统的采用由常规MESFET组成的RS触发器电路换为一个具有四悬臂梁开关结构的MESFET的RS触发器电路，在该RS触发器处于工作状态时，可以有效地降低晶体管的栅极漏电流，从而降低该RS触发器的功耗。
技术方案：本发明的氮化镓基低漏电流四悬臂梁开关的RS触发器由具有四悬臂梁开关N型MESFET、电阻和电源组成,该四悬臂梁开关N型MESFET制作在半绝缘GaN衬底上，该四悬臂梁开关N型MESFET由栅极、源极和漏极组成，形成漏极-源极-漏极的结构，在源极和两个漏极之间分别有栅极存在，在每个栅极的上方有两个用钛/金/钛制作而成的对称设计的悬臂梁开关,源极左侧的两个悬臂梁开关的悬浮端之间留有一缝隙以保证两个悬臂梁开关下拉时互不干扰,两个悬臂梁开关的位置关于该MESFET漏极-源极-漏极方向对称，同样地，源极右侧的两个悬臂梁开关也是如此,该四悬臂梁开关N型MESFET的源极和漏极由金属和重掺杂N区形成欧姆接触构成，栅极由钛/铂/金合金和N型有源层形成肖特基接触构成，悬臂梁开关的锚区制作在半绝缘GaN衬底上，在悬臂梁开关与衬底之间存在下拉电极，下拉电极由氮化硅材料覆盖，下拉电极接地，该四悬臂梁开关N型MESFET的源极接地，漏极通过电阻与电源VCC相连，源极和漏极分别与用金制作的引线连接，在该四悬臂梁开关N型MESFET源极左侧和右侧各有一个悬臂梁开关作为该RS触发器的输入端S和R，源极左侧的另外的一个悬臂梁开关通过引线与源极右侧的漏极相连，同样地，四悬臂梁开关N型MESFET的源极右侧的另一个悬臂梁开关通过引线与四悬臂梁开关N型MESFET的源极左侧的漏极相连，形成对称的结构，输出端Q在源极右侧的漏极和电阻之间输出，输出端在源极左侧的漏极和电阻之间输出，为了保证当四悬臂梁开关N型MESFET导通时由电阻分压得出输出为低电平，电阻的阻值远大于四悬臂梁开关N型MESFET导通的阻抗。
所述的悬臂梁开关是依靠锚区的支撑悬浮在栅极上方，栅极与衬底之间形成了肖特基接触。两个悬臂梁开关的下拉电压设计的与该N型MESFET的阈值电压相等，只有当N型MESFET的悬臂梁开关上所加的电压大于N型MESFET的阈值电压时，其悬臂梁开关才能下拉并接触栅极从而使四悬臂梁开关N型MESFET导通；当所加电压小于N型MESFET的阈值电压时悬臂梁开关就不能下拉，MESFET关断，在的RS触发器工作时，当NMESFET处于关断时其悬臂梁开关就处于悬浮态，降低了栅极漏电流，从而降低了电路的功耗。
当该RS触发器处于工作态时，定义Q＝1，为触发器的1状态，定义Q＝0，为触发器的0状态，S称为置位端，R称为复位端。当S＝1、R＝0时，由于输入端S接高电平，输入端S对应的悬臂梁开关下拉并使四悬臂梁开关N型MESFET左侧的漏-源导通从而输出为低电平，即Q＝1，在S＝1信号消失以后，由于有Q端的高电平接回到该四悬臂梁开关N型MESFET的源极左侧的另一个悬臂梁开关上并使其下拉从而使输出维持在低电平，因而电路的1状态得以保持；当S＝0、R＝1时，由于输入端R接高电平，输入端R对应的悬臂梁开关下拉并使四悬臂梁开关N型MESFET右侧的漏-源导通从而输出Q为低电平，即Q＝0，在R＝1信号消失以后，电路的0状态保持不变；当S＝R＝0时，电路维持原来的状态不变；当S＝R＝1时，这种状态是不允许出现的，是RS触发器的约束条件。该触发器中的N型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处于悬浮状态，降低了栅极漏电流，从而降低了该RS触发器的功耗。由于RS触发器的次态Qn+1不仅与输入状态有关，而且也与RS触发器原来的状态Q(也称为初态)有关，得到的RS触发器的真值表如下：
| S | R | Q | Qn+1 |
| 0 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 0 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 0 | 1 |
| 1 | 0 | 1 | 1 |
| 0 | 1 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 1 | 0 |
当该RS触发器处于工作态时，定义Q＝1，为触发器的1状态，定义Q＝0，为触发器的0状态，S称为置位端，R称为复位端。当S＝1、R＝0时，由于输入端S接高电平，输入端S对应的悬臂梁开关下拉并使四悬臂梁开关MESFET左侧的漏-源导通从而输出为低电平，即Q＝1，在S＝1信号消失以后，由于有Q端的高电平接回到该四悬臂梁开关MESFET的源极左侧的另一个悬臂梁开关并使其下拉从而使输出维持在低电平，因而电路的1状态得以保持；当S＝0、R＝1时，由于输入端R接高电平，输入端R对应的悬臂梁开关下拉并使四悬臂梁开关MESFET右侧的漏-源导通从而输出Q为低电平，即Q＝0，在R＝1信号消失以后，电路的0状态保持不变；当S＝R＝0时，电路维持原来的状态不变；当S＝R＝1时，这种状态是不允许出现的，是RS触发器的约束条件。该触发器中的NMESFET随着输入信号的变化其状态也在导通与关断之间变化，当NMESFET处于关断态时其悬臂梁开关处于悬浮状态，降低了栅极漏电流，从而降低了该RS触发器的功耗。
本发明中的RS触发器所使用的四悬臂梁开关N型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，悬臂梁开关不能下拉，N型MESFET关断，此时悬臂梁开关处于悬浮态，降低了栅极漏电流从而降低了该RS触发器的功耗。
有益效果：本发明的GaN基低漏电流四悬臂梁开关MESFET的RS触发器中的四悬臂梁开关MESFET的的悬臂梁开关下拉与N型MESFET栅极相接触时，N型MESFET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，悬臂梁开关不能下拉，N型MESFET关断，此时悬臂梁开关处于悬浮态，降低了栅极漏电流,从而降低了该RS触发器的功耗。
附图说明
图1为本发明GaN基低漏电流四悬臂梁开关MESFET的RS触发器的俯视图，
图2为图1GaN基低漏电流四悬臂梁开关MESFET的RS触发器的P-P’向的剖面图，
图3为图1GaN基低漏电流四悬臂梁开关MESFET的RS触发器的A-A’向的剖面图。
图中包括：四悬臂梁开关N型MESFET1，电阻2，半绝缘GaN衬底3，引线4，栅极5，悬臂梁开关6，锚区7，下拉电极板8，氮化硅层9，源极10，N型有源层11，漏极12。
具体实施方式
本发明的GaN基低漏电流四悬臂梁开关MESFET的RS触发器由一个四悬臂梁开关N型MESFET1和电阻组成.四悬臂梁开关N型MESFET由栅极5、源极10和漏极12组成，形成漏极-源极-漏极的结构，在源极和两个漏极之间分别有栅极5存在，在每个栅极的上方有两个用钛/金/钛制作而成的对称设计的悬臂梁开关6,源极左侧的两个悬臂梁开关6的悬浮端留有一定缝隙以保证两个悬臂梁开关下拉时互不干扰,两个悬臂梁开关6的位置关于该MESFET漏-源-漏方向对称，同样地，源极右侧的两个悬臂梁开关6也是如此。该MESFET的源极10和漏极12由金属和重掺杂N区形成欧姆接触构成，栅极5由钛/铂/金合金和N型有源层10形成肖特基接触构成，悬臂梁开关6的锚区7制作在半绝缘GaN衬底3上，在悬臂梁开关6与衬底之间存在下拉电极8，下拉电极8由氮化硅材料9覆盖，下拉电极8接地。在该RS触发器的四悬臂梁开关MESFET1的源极左侧和右侧各有一个悬臂梁开关6作为该RS触发器的输入端S和R，输出端Q在四悬臂梁开关MESFET1源极右侧的漏极和电阻之间输出，输出端在四悬臂梁开关MESFET1源极左侧的漏极和电阻之间输出，源极左侧另外的一个悬臂梁开关6通过引线与右侧的漏极Q相连，同样地，源极右侧另外一个悬臂梁开关6通过引线与左侧的漏极相连，形成对称的结构，为了保证当该MESFET导通时由电阻分压得出输出为低电平，电阻的阻值远大于该MESFET导通的阻抗。
当该RS触发器处于工作态时，定义Q＝1，为触发器的1状态，定义Q＝0，为触发器的0状态，S称为置位端，R称为复位端。当S＝1、R＝0时，由于输入端S接高电平，输入端S对应的悬臂梁开关下拉并使四悬臂梁开关MESFET左侧的漏-源导通从而输出为低电平，即Q＝1，在S＝1信号消失以后，由于有Q端的高电平接回该四悬臂梁开关MESFET的源极左侧的另一个悬臂梁开关并使其下拉从而使输出维持在低电平，因而电路的1状态得以保持；当S＝0、R＝1时，由于输入端R接高电平，输入端R对应的悬臂梁开关下拉并使四悬臂梁开关MESFET右侧的漏-源导通从而输出Q为低电平，即Q＝0，在R＝1信号消失以后，电路的0状态保持不变；当S＝R＝0时，电路维持原来的状态不变；当S＝R＝1时，这种状态是不允许出现的，是RS触发器的约束条件。该触发器中的N型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处于悬浮状态，降低了栅极漏电流，从而降低了该RS触发器的功耗。
GaN基低漏电流四悬臂梁开关MESFET的RS触发器的制备方法包括以下几个步骤：
1)准备半绝缘GaN衬底；
2)淀积氮化硅，用等离子体增强型化学气相淀积法工艺(PECVD)生长一层氮化硅，然后光刻和刻蚀氮化硅，去除N型MESFET有源区的氮化硅；
3)N型MESFET有源区离子注入：注入磷后，在氮气环境下退火；退火完成后，在高温下进行N+杂质再分布，形成N型MESFET有源区的N型有源层；
4)去除氮化硅层：采用干法刻蚀技术将氮化硅全部去除；
5)光刻开关区，去除开关区的光刻胶；
6)电子束蒸发钛/铂/金；
7)去除光刻胶以及光刻胶上的钛/铂/金；
8)加热，使钛/铂/金合金与N型GaN有源层形成肖特基接触；
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)注入重掺杂N型杂质，在N型MESFET源极和漏极区域形成的N型重掺杂区，注入后进行快速退火处理；
11)光刻源极和漏极，去除引线、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，形成引线、源极和漏极；
15)涂覆光刻胶，去除输入引线、电极板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，初步形成输入引线、电极板和固支梁的锚区；
18)淀积氮化硅：用等离子体增强型化学气相淀积法工艺(PECVD)生长厚的氮化硅介质层；
19)光刻并刻蚀氮化硅介质层，保留在电极板上的氮化硅；
20)淀积并光刻聚酰亚胺牺牲层：在砷化镓衬底上涂覆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/蒸发用于电镀的底金；
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。
本发明与现有技术的区别在于：
本发明中的RS触发器所使用的四悬臂梁开关MESFET的四个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，悬臂梁开关不能下拉，其MESFET关断，此时悬臂梁开关处于悬浮态，降低了栅极漏电流从而降低了该RS触发器的功耗。
满足以上条件的结构即视为本发明的GaN基低漏电流四悬臂梁开关MESFET的RS触发器。
Claims (2)
1.一种氮化镓基低漏电流四悬臂梁开关的RS触发器，其特征是该RS触发器由具有四悬臂梁开关N型MESFET(1)、电阻(2)和电源组成,该四悬臂梁开关N型MESFET(1)制作在半绝缘GaN衬底(3)上，该四悬臂梁开关N型MESFET(1)由栅极(5)、源极(10)和漏极(12)组成，形成漏极-源极-漏极的结构，在源极(10)和两个漏极(12)之间分别有栅极(5)存在，在每个栅极(5)的上方有两个用钛/金/钛制作而成的对称设计的悬臂梁开关(6),源极(10)左侧的两个悬臂梁开关(6)的悬浮端之间留有一缝隙以保证两个悬臂梁开关(6)下拉时互不干扰,两个悬臂梁开关(6)的位置关于四悬臂梁开关N型MESFET(1)漏极-源极-漏极方向对称，同样地，源极右侧的两个悬臂梁开关(6)也是如此,该四悬臂梁开关N型MESFET(1)的源极(10)和漏极(12)由金属和重掺杂N区形成欧姆接触构成，栅极(5)由钛/铂/金合金和N型有源层(11)形成肖特基接触构成，悬臂梁开关(6)的锚区(7)制作在半绝缘GaN衬底(3)上，在悬臂梁开关(6)与衬底之间存在下拉电极(8)，下拉电极(8)由氮化硅材料(9)覆盖，下拉电极(8)接地，该四悬臂梁开关N型MESFET(1)的源极(10)接地，漏极(12)通过电阻(2)与电源VCC相连，源极(10)和漏极(12)分别与用金制作的引线(4)连接，在该四悬臂梁开关N型MESFET(1)源极左侧和右侧各有一个悬臂梁开关(6)作为该RS触发器的输入端S和R，源极左侧的另外的一个悬臂梁开关(6)通过引线与源极(10)右侧的漏极(12)相连，同样地，四悬臂梁开关N型MESFET(1)的源极(10)右侧的另一个悬臂梁开关(6)通过引线与四悬臂梁开关N型MESFET(1)的源极(10)左侧的漏极(12)相连，形成对称的结构，输出端Q在源极(10)右侧的漏极(12)和电阻(2)之间输出，输出端Q在源极(10)左侧的漏极(12)和电阻(2)之间输出，为了保证当四悬臂梁开关N型MESFET(1)导通时由电阻分压得出输出为低电平，电阻(2)的阻值远大于四悬臂梁开关N型MESFET(1)导通的阻抗。
2.根据权利要求1所述的氮化镓基低漏电流四悬臂梁开关的RS触发器，其特征在于所述的悬臂梁开关(6)是依靠锚区(7)的支撑悬浮在栅极(5)上方，栅极(5)与衬底(3)之间形成了肖特基接触；两个悬臂梁开关(6)的下拉电压设计的与四悬臂梁开关N型MESFET(1)的阈值电压相等，只有当四悬臂梁开关N型MESFET(1)的悬臂梁开关(6)上所加的电压大于四悬臂梁开关N型MESFET(1)的阈值电压时，其悬臂梁开关(6)才能下拉并接触栅极(5)从而使四悬臂梁开关N型MESFET(1)导通；当所加电压小于四悬臂梁开关N型MESFET(1)的阈值电压时悬臂梁开关(6)就不能下拉，四悬臂梁开关N型MESFET(1)关断，在的RS触发器工作时，当四悬臂梁开关N型MESFET(1)处于关断时其悬臂梁开关(6)就处于悬浮态，降低了栅极漏电流，从而降低了电路的功耗。
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