CN104950172B - 双固支梁开关砷化镓基低漏电流微波相位检测器 - Google Patents
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Abstract
本发明的双固支梁开关砷化镓基低漏电流HEMT微波相位检测器，由双固支梁开关HEMT管和低通滤波器构成。HEMT管为增强型，衬底为GaAs。栅极的上方，设计固支梁，两个锚区制作在N+AlGaAs层上，下拉电极制作在固支梁的正下方，下拉电极上方是一层绝缘层。固支梁的下拉偏置电压设计为与HEMT管的阈值电压相等。从而使得同一电路可以在信号放大与相位检测两种不同模式下切换。相比于传统的HEMT管，固支梁开关引入使得HEMT管具有更好的信号可控性，为电路实现多种模式之间切换提供了可能，同时降低了栅极漏电流。
Description
技术领域
本发明提出了双固支梁开关GaAs(砷化镓)基低漏电流HEMT(高电子迁移率晶体管)微波相位检测器，属于微电子机械系统的技术领域。
背景技术
在微波技术领域中，微波相位是表征微波信号的一个重要参数。随着相控阵雷达、锁相环、天线、测相仪等系统的发展，微波相位检测系统的应用也变得越来越广泛。所以，在这些领域中微波相位检测器有着重要的作用和意义。此外，同传统的MOSFET器件相比，高速电子迁移率晶体管HEMT低噪声、高功率增益、低功耗、高载流子速度和较大的击穿电场等优点被广泛地应用于微波电路中。而应用MEMS技术与传统的HEMT器件相结合，实现了同一电路不同模式切换，可控等功能。本发明即是基于GaAs MMIC工艺设计的一种双固支梁开关GaAs基低漏电流HEMT微波相位检测器。
发明内容
技术问题:本发明的目的是实现一种双固支梁开关GaAs基低漏电流HEMT微波相位检测器。实现一个电路多种功能、低功耗、低成本。而且，当只有一个固支梁被下拉，其对应下方形成二维电子气沟道；另外一个固支梁处于悬浮状态，对应下方为高阻区；有利于增大器件的反向击穿电压。
技术方案：与传统HEMT管的栅极不同，本发明中两个固支梁设计在栅极上方起开关的作用，用以控制HEMT管的信号传输。偏置电压经高频扼流圈输入固支梁上，下拉电极接地，待测信号与参考信号分别通过双固支梁输入。双固支梁被下拉到与栅极接触，下方沟道处形成二维电子气(2DEG)，HEMT管导通，信号经HEMT管传输。基于此工作原理本发明将信号放大模块与相位检测模块集成到一起，应用双固支梁开关选通不同的输入信号，使得同一电路可以在信号放大与相位检测两种不同模式下切换，实现了一个电路多种功能、低功耗、低成本。而且，当只有一个固支梁被下拉，其对应下方形成二维电子气沟道；另外一个固支梁处于悬浮状态，对应下方为高阻区；有利于增大器件的反向击穿电压。
本发明的双固支梁开关GaAs基低漏电流HEMT微波相位检测器是由双固支梁开关HEMT管和低通滤波器组成。该双固支梁开关HEMT管为增强型，基于GaAs衬底，与传统工艺不同，本发明在传统HEMT栅极的上方的外加Au制固支梁，并与下方的下拉电极，以及绝缘层构成固支梁开关结构。
本发明的一种双固支梁开关砷化镓基低漏电流微波相位检测器由双固支梁开关HEMT管与低通滤波器级联构成，双固支梁开关HEMT管为增强型，基于半绝缘GaAs衬底制作，引线和输入引线都是Au制作；在GaAs衬底上设有本征GaAs层，本征GaAs层上设有本征AlGaAs隔离层，本征AlGaAs隔离层上设有N+AlGaAs层，栅极位于N+AlGaAs层上，栅极的上方设有固支梁，两个锚区制作在N+AlGaAs层上，下拉电极制作在固支梁正下方的栅级的两侧，下拉电极上方是一层绝缘层；固支梁的下拉偏置电压设计与HEMT管的阈值电压相等；当固支梁上偏置电压达到或大于阈值电压时，固支梁被下拉到贴在栅极上，栅极下方形成二维电子气沟道，从而使HEMT管导通；栅极通过N+AlGaAs层控制供给沟道的载流子的数量，载流子被限制在本征GaAs层中的势阱内，形成一个二维电子气2DEG，本征AlGaAs隔离层把N+AlGaAs层中的离化施主与2DEG中的自由电子分隔开，确保了沟道中的高迁移率。
所述的固支梁，其偏置电压经高频扼流圈输入固支梁上，下拉电极接地，待测信号与参考信号分别通过双固支梁输入；当两个固支梁都被下拉而导通时，输入信号通过双固支梁开关HEMT管实现信号相乘，经低通滤波器后滤除高频分量，得到与相位差相关的分量完成相位检测，输出相位检测信号；当双固支梁开关HEMT管的仅其中一个固支梁被下拉而导通，对应下方为二维电子气沟道，另外一个固支梁处于悬浮状态，对应下方为高阻区，形成一个被二维电子气沟道与高阻区串联具有高击穿电压的放大器，选通的信号输入双固支梁开关HEMT管实现信号放大，输出放大信号，使得同一电路可以在信号放大与相位检测两种不同模式下切换。
所述的双固支梁开关GaAs基低漏电流HEMT微波相位检测器在工作中，固支梁开关的引入使得HEMT管具有更好的信号可控性，为电路实现多种模式之间切换提供了可能，同时降低了栅极漏电流。
本发明中，在传统HEMT管的栅极上方设计固支梁，并与HEMT管栅氧化层两侧的下拉电极和绝缘层共同构成一个固支梁开关结构。该固支梁开关的下拉偏置电压设计与HEMT管的阈值电压相等。当固支梁上的偏置电压达到或大于阈值电压时，固支梁才会下拉到贴在栅极上，从而使HEMT管导通。固支梁开关的引入使得HEMT管具有更好的信号可控性，为电路实现多种模式之间切换提供了可能。对于传统的集成电路而言，其信号放大模块与相位检测模块是独立分开的，分开的电路模块不仅提高了成本，而且无形中增加了功率消耗；而本发明将信号放大模块与相位检测模块集成到一起，应用双固支梁开关选通不同的输入信号，使得同一电路可以在信号放大与相位检测两种不同模式下切换，实现了一个电路多种功能、低功耗、低成本。而且，当只有一个固支梁被下拉，其对应下方形成二维电子气沟道；另外一个固支梁处于悬浮状态，对应下方为高阻区；有利于增大器件的反向击穿电压。
有益效果：本发明的双固支梁开关GaAs基低漏电流HEMT微波相位检测器通过引入固支梁开关结构，使得器件具有更好的信号控制性，同时降低了栅极漏电流，降低了漏电流功耗。本发明将信号放大模块与相位检测模块集成到一起，通过双固支梁开关选通不同的输入信号，就可以在同一电路下实现信号放大与相位检测两种不同模式下切换，实现了一个电路多种功能、低功耗、低成本。而且，当只有一个固支梁被下拉，其对应下方形成二维电子气沟道；另外一个固支梁处于悬浮状态，对应下方为高阻区；有利于增大器件反向击穿电压。
附图说明
图1为本发明双固支梁开关GaAs基低漏电流HEMT微波相位检测器的俯视图。
图2为图1双固支梁开关GaAs基低漏电流HEMT微波相位检测器P-P’向的剖面图。
图3为图1双固支梁开关GaAs基低漏电流HEMT微波相位检测器A-A’向的剖面图。
图4为图1双固支梁开关HEMT管的两个固支梁均下拉时的沟道示意图。
图5为图1双固支梁开关HEMT管的单个固支梁下拉时的沟道示意图。
图中包括：N+AlGaAs层1，本征AlGaAs隔离层2，本征GaAs层3，GaAs衬底4，N+GaAs有源区5，固支梁6，栅极7，下拉电极8，绝缘层9，锚区10，通孔11，引线12，输入引线13，双固支梁开关HEMT管14，低通滤波器15，高频扼流圈16，相位检测输出17，信号放大输出18。
具体实施方式
本发明是由双固支梁开关HEMT管14与低通滤波器15级联构成，该双固支梁开关HEMT管14为增强型，基于半绝缘GaAs衬底4制作，其引线12和输入引线13都是Au制作的。双固支梁开关HEMT管14的栅极7通过N+AlGaAs层1控制供给沟道的载流子的数量。载流子被限制在本征GaAs层3中的势阱内，形成二维电子气(2DEG)。本征AlGaAs隔离层2把N+AlGaAs层1中的离化施主与2DEG中的自由电子分隔开，确保了沟道中的高迁移率。本发明中的双固支梁开关HEMT管14的两个栅极7的上方，设计两个固支梁6；固支梁6的两个锚区10制作在N+AlGaAs层1上，固支梁6的下拉电极8制作在固支梁6的正下方，双固支梁开关HEMT管14的N+GaAs有源区5的两侧，下拉电极8上方是一层绝缘层9。偏置电压经高频扼流圈16输入固支梁6上，下拉电极8接地。
本发明中，双固支梁开关HEMT管14为增强型，固支梁的下拉偏置电压设计为与HEMT管的阈值电压相等。待测信号与参考信号分别通过双固支梁6输入，当下拉电极8上的电压达到或大于阈值电压时，固支梁6才会下拉到贴在栅极7上，下方形成二维电子气沟道，从而使双固支梁开关HEMT管14导通；通过控制固支梁6的下拉导通选通不同的输入信号，从而使得同一电路可以在信号放大与相位检测两种不同模式下切换，实现了一个电路多种功能、低功耗、低成本。其两种模式工作原理可以解释如下：
相位检测模式：当双固支梁开关HEMT管14的两个固支梁6都被下拉而导通时，如图4所示双固支梁NMOS管1下方形成沟道，输入信号通过双固支梁开关HEMT管14实现信号相乘，经低通滤波器15后完成相位检测，输出相位检测信号17。具体地，参考信号urs接到电位接近于地的输入栅极，有较灵敏的控制作用；而待测信号uts接在较高的栅极端；直流偏置应使NMOS工作在放大区。此时漏级电流为：
iD＝gm1vg1+gm2vg2 (1)
其中a0、a1、a2、b0、b1、b2分别为由管子参数、直流偏置决定的常数；gm1和gm2分别为两个栅极的跨导。将(2)代入式(1)中，可以得:
而对于参考信号和待测信号分别为：
将(4)代入(3)中得：
通过低通滤波器15最终得到与参考信号和待测信号之间相位差Δφ＝φts-φrs相关的分量，从而实现了对相位的检测。
放大模式：如图5所示，当双固支梁NMOS管14的仅其中一个固支梁6被下拉，对应下方反型层沟道；另外一个固支梁6处于悬浮状态，对应下方为高阻区；从而形成一个二维电子气沟道与高阻区串联的高击穿电压放大器，被选通的信号输入双固支梁HEMT管14实现信号放大，输出放大信号18。输入与放大后的信号关系如式(6)
相比于传统的HEMT管，固支梁开关的引入使得双固支梁开关HEMT管14具有更好的信号可控性，为电路实现多种模式之间切换提供了可能，同时降低了栅极漏电流，降低了漏电流功耗。
双固支梁开关GaAs基低漏电流HEMT微波相位检测器的制备方法包括以下几个步骤：
1)在GaAs衬底4；
2)外延生长本征GaAs层3约500nm；
3)外延生长本征AlGaAs隔离层2约50nm；
4)生长N+AlGaAs层1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,形成N+GaAs有源区5；
6)台面腐蚀隔离有源区；
7)生长氮化硅；
8)光刻氮化硅层，刻出有源区注入孔，进行N+离子注入，形成N+GaAs有源区5，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，合金化形成有源区欧姆接触电极；
12)涂覆光刻胶，光刻去除栅极位置的光刻胶；
13)生长厚度为0.5μm Ti/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7；
15)涂覆光刻胶，光刻出引线12，下拉电极8和固支梁6锚区10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12、下拉电极8、固支梁6的锚区10；
18)沉积绝缘层，应用外延工艺生长0.1μm的SixN1-x的绝缘层9；
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6，锚区10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6及以及连接线；
26)去除聚酰亚胺牺牲层，释放MEMS可动梁；
27)将已制备的双固支梁HEMT管14和低通滤波器15级联到一起构成相位检测系统。
本发明与现有技术的区别在于：
本发明的双固支梁开关HEMT的相位检测器是由双固支梁开关HEMT管和低通滤波器组成。双固支梁开关HEMT管与传统的HEMT管的最大的区别在于，在HEMT管的栅极上方，设计固支梁与HEMT管栅氧化层两侧的下拉电极和绝缘层共同构成一个固支梁开关结构。固支梁开关的设计使得HEMT管具有更好的信号可控性，为电路实现多种模式之间切换提供了可能，同时降低了栅极漏电流。固支梁的下拉偏置电压设计等于HEMT管的阈值电压。当偏置电压达到或大于阈值电压时，固支梁才会下拉到贴在栅极上，从而使HEMT管导通。此外，传统的集成电路中的信号放大模块与相位检测模块是独立分开的，分开的电路模块不仅提高了成本，而且无形中增加了功率消耗；而本发明将信号放大模块与相位检测模块集成到一起，应用固支梁开关选通不同的输入信号，使得同一电路可以在信号放大与相位检测两种不同模式下切换，实现了一个电路多种功能、低功耗、低成本。而且，当只有一个固支梁被下拉，其对应下方形成二维电子气沟道；另外一个固支梁处于悬浮状态，对应下方为高阻区；有利于增大器件的反向击穿电压。
满足以上条件的结构即视为本发明的双固支梁开关GaAs基低漏电流HEMT微波相位检测器。
Claims (2)
1.一种双固支梁开关砷化镓基低漏电流微波相位检测器，其特征在于该微波相位检测器由双固支梁开关HEMT管(14)与低通滤波器(15)级联构成，双固支梁开关HEMT管(14)为增强型，基于半绝缘GaAs衬底(4)制作，引线(12)和输入引线(13)都是Au制作；在GaAs衬底(4)上设有本征GaAs层(3)，本征GaAs层(3)上设有本征AlGaAs隔离层(2)，本征AlGaAs隔离层(2)上设有N+AlGaAs层(1)，栅极(7)位于N+AlGaAs层(1)上，栅极(7)的上方设有固支梁(6)，两个锚区(10)制作在N+AlGaAs层(1)上，下拉电极(8)制作在固支梁(6)正下方的栅级(7)的两侧，下拉电极(8)上方是一层绝缘层(9)；固支梁(6)的下拉偏置电压设计与双固支梁开关HEMT管(14)的阈值电压相等；当固支梁(6)上偏置电压达到或大于阈值电压时，固支梁(6)被下拉到贴在栅极(7)上，栅极(7)下方形成二维电子气沟道，从而使双固支梁开关HEMT管(14)导通；栅极(7)通过N+AlGaAs层(1)控制供给沟道的载流子的数量，载流子被限制在本征GaAs层(3)中的势阱内，形成一个二维电子气2DEG，本征AlGaAs隔离层(2)把N+AlGaAs层(1)中的离化施主与2DEG中的自由电子分隔开，确保了沟道中的高迁移率。
2.根据权利要求1所述的双固支梁开关砷化镓基低漏电流微波相位检测器，其特征在于所述的固支梁(6)，其偏置电压经高频扼流圈(16)输入固支梁(6)上，下拉电极(8)接地，待测信号与参考信号分别通过两个固支梁(6)输入；当两个固支梁(6)都被下拉而导通时，输入信号通过双固支梁开关HEMT管(14)实现信号相乘，经低通滤波器(15)后滤除高频分量，得到与相位差相关的分量完成相位检测，从相位检测输出(17)输出；当双固支梁开关HEMT管(14)的仅其中一个固支梁(6)被下拉而导通，对应下方为二维电子气沟道，另外一个固支梁(6)处于悬浮状态，对应下方为高阻区，形成一个被二维电子气沟道与高阻区串联具有高击穿电压的放大器，选通的信号输入双固支梁开关HEMT管(14)实现信号放大，从信号放大输出(18)输出，使得同一电路可以在信号放大与相位检测两种不同模式下切换。
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