氮化鎵基低漏電流懸臂梁開關(guān)交叉耦合振蕩器及制備方法
【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明提出了GaN基低漏電流懸臂梁開關(guān)MESFET交叉耦合振蕩器，屬于微電子機 械系統(tǒng)的技術(shù)領域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著現(xiàn)代通信的飛速發(fā)展，高穩(wěn)定高性能的振蕩器已經(jīng)成為決定系統(tǒng)性能優(yōu)劣的 關(guān)鍵部件之一。振蕩器的應用很廣，微處理機，蜂窩電話，測試儀器設備等都要用到振蕩器， 特別是在軍事偵察，雷達，通信領域中，需要采用信號源作為日益復雜的基帶信息的載波， 對振蕩器的穩(wěn)定性提出更高的要求。振蕩器在很高頻率下工作，會導致芯片功耗問題變的 日益明顯，太高的功耗會對芯片的散熱提出更高的要求，還會使芯片的性能受到影響。對于 振蕩器的低功耗的設計在超大規(guī)模集成電路的設計中顯得越來越重要。
[0003] 交叉耦合振蕩器因為其優(yōu)越的相位噪聲性能，使得基于無源諧振元件的交叉耦合 振蕩器得以廣泛應用。常規(guī)的交叉耦合振蕩器在大規(guī)模集成電路中，功耗問題日益明顯，集 成電路過高的功耗對設備的散熱性能及穩(wěn)定性提出了更高的要求。傳統(tǒng)MESFET在工作態(tài) 時開關(guān)極與襯底之間具有較大的開關(guān)極漏電流，本發(fā)明即是基于GaN工藝設計了一種具有 極低的漏電流的GaN基懸臂梁開關(guān)MESFET交叉耦合振蕩器，可以有效地降低交叉耦合振蕩 器中晶體管的開關(guān)極漏電流，降低交叉耦合振蕩器的功耗。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 技術(shù)問題：本發(fā)明的目的是提供一種氮化鎵基低漏電流懸臂梁開關(guān)交叉耦合振 蕩器及制備方法，使用GaN基懸臂梁開關(guān)MESFET替代傳統(tǒng)的MESFET。交叉耦合振蕩器穩(wěn)定 振蕩后兩個MESFET交替導通與關(guān)斷。傳統(tǒng)MESFET的開關(guān)與有源區(qū)是肖特基接觸，所以不 可避免的會有一定的直流漏電流。在大規(guī)模集成電路中，這種漏電流的存在會增加交叉耦 合振蕩器在工作的中的功耗。本發(fā)明中可以有效的降低這種漏電流。
[0005] 技術(shù)方案：本發(fā)明的氮化鎵基低漏電流懸臂梁開關(guān)交叉耦合振蕩器，包括第一懸 臂梁N型MESFET、第二懸臂梁N型MESFET、LC諧振回路和恒流源組成，該交叉耦合振蕩器中 的第一懸臂梁N型MESFET和第二懸臂梁N型MESFET都是制作在半絕緣GaN襯底上，其輸 入引線是利用金制作，N型MESFET柵極與有源層形成肖特基接觸，在柵極上方設計了懸臂 梁，該懸臂梁由鈦/金/鈦制作，懸臂梁下方的錨區(qū)制作在半絕緣GaN襯底上，在每個懸臂 梁下方設計了兩個電極板，電極板的上表面覆蓋有氮化硅層，電極板接地，第一懸臂梁N型 MESFET和第二懸臂梁N型MESFET的源極連在一起并與恒流源相連，恒流源另一端接地，第 一懸臂梁N型MESFET的漏極通過引線，錨區(qū)與第二懸臂梁N型MESFET的懸臂梁相連，第二 懸臂梁N型MESFET的漏極通過引線，錨區(qū)與第一懸臂梁N型MESFET的懸臂梁相連形成交 叉耦合結(jié)構(gòu)，LC諧振回路接在第一懸臂梁N型MESFET的漏極和第二懸臂梁N型MESFET的 漏極之間。
[0006] 用具有懸臂梁開關(guān)的MESFET代替?zhèn)鹘y(tǒng)的MESFET，懸臂梁開關(guān)MESFET基于GaN襯 底，設計懸臂梁開關(guān)MESFET和懸臂梁開關(guān)MESFET的閾值電壓相等，同時設計第一懸臂梁N型MESFET和第二懸臂梁N型MESFET的閾值電壓與它的懸臂梁下拉電壓相等，當懸臂梁 開關(guān)MESFET的懸臂梁與下拉電極板間的電壓大于閾值電壓的絕對值，所以懸臂梁被下拉 到柵極上，懸臂梁與柵極短接，同時柵極與源極間的電壓也大于閾值電壓，所以MESFET導 通，當懸臂梁開關(guān)MESFET的懸臂梁和下拉電極板之間的電壓小于閾值電壓，懸臂梁是懸浮 在柵極上方，處于截止，該GaN基低漏電流懸臂梁開關(guān)MESFET的交叉耦合振蕩器在穩(wěn)定振 蕩時，第一懸臂梁N型MESFET1和第二懸臂梁N型MESFET2交替導通與關(guān)斷，當懸臂梁 開關(guān)MESFET關(guān)斷，懸臂梁處于懸浮狀態(tài)，懸臂梁與柵極間有一層空氣層，所以該懸臂梁開 關(guān)MESFET柵極漏電流大大減小，從而降低該交叉耦合振蕩器工作時的功耗，并且GaN基的 MESFET具有高電子迀移率，能夠滿足射頻信號下電路正常工作的需要。
[0007] 該GaN基低漏電流懸臂梁開關(guān)MESFET的交叉耦合振蕩器使用的具有懸臂梁開 關(guān)MESFET代替?zhèn)鹘y(tǒng)的MESFET，設計兩個懸臂梁開關(guān)MESFET的閾值電壓相等，懸臂梁開關(guān) MESFET的閾值電壓和它的懸臂梁下拉電壓相等，當懸臂梁與下拉電極板間的電壓大于閾值 電壓的絕對值，所以懸臂梁開關(guān)被下拉到柵極上，懸臂梁開關(guān)與柵極緊貼，同時柵極與源極 間的電壓也大于閾值電壓，所以MESFET導通。當MESFET的懸臂梁開關(guān)和下拉電極板之間 的電壓小于閾值電壓，懸臂梁開關(guān)是懸浮在柵極上方，處于截止。該GaN基低漏電流懸臂梁 開關(guān)MESFET的交叉耦合振蕩器產(chǎn)生穩(wěn)定振蕩，此時第一懸臂梁N型MESFET1和第二懸臂 梁N型MESFET2交替導通與關(guān)斷，當懸臂梁開關(guān)MESFET關(guān)斷，懸臂梁開關(guān)處于懸浮狀態(tài)， 懸臂梁開關(guān)與柵極間有一層空氣層，所以該懸臂梁開關(guān)MESFET柵極漏電流大大減小，從而 降低該交叉耦合振蕩器工作時的功耗，并且GaN基的MESFET具有高電子迀移率，能夠滿足 射頻信號下電路正常工作的需要。
[0008]GaN基懸臂梁開關(guān)MESFET交叉耦合振蕩器的制備方法包括以下幾個步驟：
[0009]1)準備半絕緣GaN襯底；
[0010]2)淀積氮化硅，用等離子體增強型化學氣相淀積法工藝（PECVD)生長一層氮化 硅，然后光刻和刻蝕氮化硅，去除N型MESFET有源區(qū)的氮化硅；
[0011] 3)N型MESFET有源區(qū)離子注入：注入磷后，在氮氣環(huán)境下退火；退火完成后，在高 溫下進行N+雜質(zhì)再分布，形成N型MESFET有源區(qū)的N型有源層；
[0012] 4)去除氮化硅層：采用干法刻蝕技術(shù)將氮化硅全部去除；
[0013] 5)光刻開關(guān)區(qū)，去除開關(guān)區(qū)的光刻膠；
[0014] 6)電子束蒸發(fā)鈦/鉑/金；
[0015] 7)去除光刻膠以及光刻膠上的鈦/鉑/金；
[0016] 8)加熱，使鈦/鉑/金合金與N型GaN有源層形成肖特基接觸；
[0017] 9)涂覆光刻膠，光刻并刻蝕N型MESFET源極和漏極區(qū)域的光刻膠；
[0018] 10)注入重摻雜N型雜質(zhì)，在N型MESFET源極和漏極區(qū)域形成的N型重摻雜區(qū)，注 入后進行快速退火處理；
[0019] 11)光刻源極和漏極，去除引線、源極和漏極的光刻膠；
[0020] 12)真空蒸發(fā)金鍺鎳/金；
[0021] 13)去除光刻膠以及光刻膠上的金鍺鎳/金；
[0022] 14)合金化形成歐姆接觸，形成引線、源極和漏極；
[0023] 15)涂覆光刻膠，去除輸入引線、電極板和懸臂梁的錨區(qū)位置的光刻膠；
[0024] 16)蒸發(fā)第一層金，其厚度約為0. 3 y m ;
[0025] 17)去除光刻膠以及光刻膠上的金，初步形成輸入引線、電極板和懸臂梁的錨區(qū)；
[0026] 18)淀積氮化硅：用等離子體增強型化學氣相淀積法工藝（PECVD)生長1000A厚 的氮化娃介質(zhì)層；
[0027] 19)光刻并刻蝕氮化硅介質(zhì)層，保留在電極板上的氮化硅；
[0028] 20)淀積并光刻聚酰亞胺犧牲層：在砷化鎵襯底上涂覆I.6ym厚的聚酰亞胺犧牲 層，要求填滿凹坑；光刻聚酰亞胺犧牲層，僅保留懸臂梁下方的犧牲層；
[0029] 21)蒸發(fā)鈦/金/鈦，其厚度為500/1500/300A:蒸發(fā)用于電鍍的底金；
[0030] 22)光刻：去除要電鍍地方的光刻膠；
[0031] 23)電鍍金，其厚度為2ym;
[0032] 24)去除光刻膠：去除不需要電鍍地方的光刻膠；
[0033] 25)反刻鈦/金/鈦，腐蝕底金，形成懸臂梁；
[0034] 26)釋放聚酰亞胺犧牲層：顯影液浸泡，去除懸臂梁下的聚酰亞胺犧牲層，去離子 水稍稍浸泡，無水乙醇脫水，常溫下?lián)]發(fā)，晾干。
[0035] 該交叉耦合振蕩器使用的具有懸臂梁開關(guān)MESFET的下拉電極接地，懸臂梁開關(guān) 是懸浮在其柵極之上的，N型MESFET的柵極與襯底之間形成了肖特基接觸，設計兩個懸臂 梁開關(guān)MESFET的閾值電壓相等，懸臂梁開關(guān)MESFET的閾值電壓和它的懸臂梁下拉電壓相 等，當懸臂梁與下拉電極板間的電壓大于閾值電壓的絕對值，所以懸臂梁開關(guān)被下拉到柵 極上，懸臂梁開關(guān)與柵極緊貼，同時柵極與源極間的電壓也大于閾值電壓，所以MESFET導 通。當MESFET的懸臂梁開關(guān)和下拉電極板之間的電壓小于閾值電壓，懸臂梁開關(guān)是懸浮在 柵極上方，處于截止。該GaN基低漏電流懸臂梁開關(guān)MESFET的交叉耦合振蕩器產(chǎn)生穩(wěn)定振 蕩，此時第一懸臂梁N型MESFET1和第二懸臂梁N型MESFET2交替導通與關(guān)斷，當懸臂梁 開關(guān)MESFET關(guān)斷，懸臂梁開關(guān)處于懸浮狀態(tài)，懸臂梁開關(guān)與柵極間有一層空氣層，所以該 懸臂梁開關(guān)MESFET柵極漏電流大大減小，從而降低該交叉耦合振蕩器工作時的功耗，并且 GaN基的MESFET具有高電子迀移率，能夠滿足射頻信號下電路正常工作的需要。
[0036] 有益效果：本發(fā)明的GaN基低漏電流懸臂梁開關(guān)MESFET交叉耦合振蕩器使用的具 有懸臂梁開關(guān)MESFET的懸臂梁開關(guān)是懸浮在柵極之上的，N型MESFET的柵極與襯底之間 形成了肖特基接觸，該GaN基低漏電流懸臂梁開關(guān)MESFET的交叉耦合振蕩器穩(wěn)定振蕩時， 第一懸臂梁開關(guān)MESFET和第二懸臂梁開關(guān)MESFET交替導通與關(guān)斷，當懸臂梁開關(guān)MESFET 關(guān)斷，懸臂梁開關(guān)處于懸浮狀態(tài)，懸臂梁開關(guān)與柵極間有一層空氣層，所以該懸臂梁開關(guān) MESFET柵極漏電流大大減小，從而降低該交叉耦合振蕩器工作時的功耗，并且GaN基的 MESFET具有高電子迀移率，能夠滿足射頻信號下電路正常工作的需要。
【附圖說明】
[0037] 圖1為本發(fā)明GaN基低漏電流懸臂梁開關(guān)MESFET交叉耦合振蕩器的俯視圖，
[0038] 圖2為圖IGaN基低漏電流懸臂梁開關(guān)MESFET交叉耦合振蕩器的P-P'向的剖面 圖，
[0039] 圖3為圖IGaN基低漏電流懸臂梁開關(guān)MESFET交叉耦合振蕩器的A-A'向的剖面 圖，
[0040] 圖4為GaN基低漏電流懸臂梁開關(guān)MESFET交叉耦合振蕩器原理圖。
[0041] 圖中包括：第一懸臂梁N型MESFET1，第二懸臂梁N型MESFET2,半絕緣GaN襯底3， 輸入引線4,柵極5,懸臂梁6,錨區(qū)7,電極板8,氮化硅層9,N型MESFET的漏極10,N型有 源層11，N型MESFET的源極12,通孔13,引線14,恒流源15。
【具體實施方式】
[0042] 本發(fā)明的懸臂梁開關(guān)MESFET交叉耦合振蕩器是