CN105044454A - 基于硅基低漏电流双悬臂梁可动栅的频率检测器 - Google Patents
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Abstract
本发明的基于硅基低漏电流双悬臂梁可动栅的频率检测器，原理和结构简单，该结构同时可以实现频率检测和信号放大两种功能，节约了芯片的面积。由于悬臂梁结构在非工作状态时的漏电流极低，有效地降低了功耗。频率检测时，施加直流偏置电压使两个悬臂梁处于下拉状态，待测微波信号经过λ/4延迟线和λ/100延迟线后，产生两路频率相等但存在一定相位差的信号，输入到悬臂梁栅极，检测源漏极饱和电流，由相位差得到待测微波信号的频率。信号放大时，施加偏置电压使连接λ/100延迟线的悬臂梁被下拉，λ/4延迟线末端被短路，始端相当于开路，信号完全经过λ/100延迟线输入到MOSFET栅极并被放大，由于存在一个悬浮的悬臂梁，下面对应的区域为高阻区，有利于提高反向击穿电压。
Description
技术领域
本发明提出了基于硅基双悬臂梁MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)的频率检测器，属于微电子机械系统(MEMS)的技术领域。
背景技术
频率作为微波信号的基本参数，其检测在微波通信和雷达监测等领域都有着重要的作用。现有的微波频率检测方法可以分为计数法、光子法、谐振法和矢量合成法。其中矢量合成法属于无源法，与其他方法相比具有频带宽、结构简单、易通过MEMS技术实现等优点。
随着微电子与微波通信技术的发展，人们对微波集成电路的性能、功耗以及占有的芯片面积都提出了更高的要求。近年来由于MEMS技术的快速发展，对梁结构有了比较深入的研究，使基于硅基COMS(互补金属氧化物半导体)工艺设计的低漏电流双悬臂梁可动栅MOSFET成为可能，实现了低漏电流、多功能的频率检测器。
发明内容
技术问题:本发明的目的是提供一种基于硅基低漏电流双悬臂梁可动栅MOSFET的频率检测器，双悬臂梁作为MOSFET的可动栅，通过施加直流偏置电压实现对悬臂梁状态的控制，通过改变梁的状态和λ/4延迟线的设计，电路可以实现频率检测和信号放大两种功能，节约了芯片的面积，降低了成本；在MOSFET处于非工作状态时，由于悬臂梁处于悬浮态，栅极漏电流极小，降低了静态功耗。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种基于硅基低漏电流双悬臂梁可动栅的频率检测器中：N型MOSFET制作在P型硅衬底上，沟道栅氧化层设置在P型硅衬底上，在沟道栅氧化层的上方设有两个悬臂梁，材料为Au，作为MOSFET的可动栅，其下拉电压设置为MOSFET的阈值电压，悬臂梁横跨在锚区上，锚区与输入引线相连，作为微波信号和直流偏置信号的输入端，其中，微波信号由微波信号输入端口输入，通过隔直电容后分为两路，分别经λ/100延迟线和λ/4延迟线输入到两个悬臂梁上，直流偏置信号由第一偏置端口和第二偏置端口输入，通过高频扼流圈分别输入到两个悬臂梁上，锚区和输入引线的制备材料为多晶硅，悬臂梁的下面各分布着一个下拉电极，下拉电极接地，下拉电极上覆盖一层绝缘的氮化硅介质层；MOSFET源区，MOSFET漏区分别设置在P型硅衬底上，源漏引线分别通过有源区引线孔与MOSFET源区，MOSFET漏区连接。
该频率检测器通过施加直流偏置电压和控制λ/4延迟线是否接地实现频率检测和信号放大两种功能；频率检测时施加直流偏置电压使两个悬臂梁都处于下拉状态，待测微波信号经过λ/4延迟线和λ/100延迟线后产生两路频率相等和存在一定相位差的信号，输入到MOSFET的悬臂梁可动栅上，经MOSFET实现信号混频，输出的源漏极饱和电流包含了相位信息的电流分量，通过低通滤波器(14)滤去源漏极饱和电流中的高频分量，由相位检测输出端口输出，从而得到两路信号的相位差，最后通过相位差反推出待测微波信号的频率；电路处于信号放大状态时，施加直流偏置电压使λ/100延迟线连接的悬臂梁处于下拉状态，λ/4延迟线的末端接地，延迟线始端相当于开路，信号完全经过λ/100延迟线输入到对应的悬臂梁栅极上，源漏极输出放大后的电流信号，由信号放大输出端口输出，由于存在一个悬浮的悬臂梁，下面对应的区域为高阻区，有利于提高反向击穿电压。
该频率检测器在非工作状态时，两个悬臂梁都处于悬浮态，与栅氧化层没有接触，减小了栅极漏电流，功耗被有效地降低。
有益效果：本发明相对于现有的频率检测器具有以下优点：
1.本发明的频率检测器的电路能够实现频率检测和信号放大两种功能，有效的节约了芯片的面积，降低了成本；
2.本发明的频率检测器原理、结构简单，易于利用MEMS工艺实现，输出电流包含两个栅电压的乘积分量，起到了频率检测的作用；
3.信号放大状态时，由于存在高阻区，增大了MOSFET的反向击穿电压值；
4.本发明由于采用悬臂梁结构，使频率检测器在非工作状态时栅极的漏电流大大减小，从而有效地降低了功耗。
附图说明
图1为本发明硅基低漏电流双悬臂梁可动栅MOSFET的俯视图。
图2为本发明硅基低漏电流双悬臂梁可动栅MOSFET的P-P’向的剖面图。
图3为本发明硅基低漏电流双悬臂梁可动栅MOSFET的A-A’向的剖面图。
图4为硅基低漏电流双悬臂梁可动栅MOSFET在两个悬臂梁处于下拉状态时的沟道示意图。
图5为硅基低漏电流双悬臂梁可动栅MOSFET在一个悬臂梁处于下拉状态时的沟道示意图。
图中包括：P型Si衬底1，栅氧化层2，氮化硅介质层3，下拉电极4，输入引线5，悬臂梁锚区6，MOSFET源区7，MOSFET漏区8，悬臂梁9，有源区引线孔10，源漏引线11，第一四偏置端口12，第二偏置端口13，低通滤波器14，频率检测输出端口15，信号放大输出端口16。
具体实施方式
本发明提供一种基于硅基低漏电流双悬臂梁可动栅MOSFET的频率检测器。该频率检测器由隔直电容、λ/100延迟线，λ/4延迟线、高频扼流线圈、开关、低通滤波器、双悬臂梁可动栅结构的N型MOSFET构成；N型MOSFET制作在硅衬底上，沟道栅氧化层的上方有两个悬臂梁，材料为Au，作为MOSFET的可动栅，其下拉电压设置为MOSFET的阈值电压，悬臂梁横跨在锚区上，锚区与输入引线相连，作为微波信号和直流偏置信号的输入端，其中，微波信号通过隔直电容和延迟线输入到悬臂梁上，直流偏置信号通过高频扼流圈输入到悬臂梁上，锚区和输入引线的制备材料为多晶硅，悬臂梁的下面各分布着一个下拉电极，下拉电极上覆盖一层绝缘的氮化硅介质层。
当施加一定的直流偏置电压使连接λ/100延迟线的悬臂梁处于下拉状态，控制λ/4延迟线末端是否接地的开关处于闭合状态时，电路可以实现信号放大功能。由于λ/4延迟线末端接地，其始端相当于开路，没有信号经过，输入的微波信号完全通过λ/100延迟线输入到对应的悬臂梁上。MOSFET对输入信号进行放大，通过隔直电容后输出。由于只有一个悬臂梁处于下拉状态，MOSFET在信号放大状态时悬浮的悬臂梁下方存在着高阻区域，提高了MOSFET的反向击穿电压。
当两个悬臂梁都没有加偏置电压而处于悬浮态时，硅基MOSFET处于非工作状态，此时由于悬臂梁处于悬浮态，减小了栅极漏电流，功耗被有效地降低。
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
参见图1-3，本发明提出了一种基于硅基低漏电流双悬臂梁可动栅MOSFET的频率检测器。该频率检测器主要包括：隔直电容、λ/100延迟线，λ/4延迟线、高频扼流线圈、开关、低通滤波器14、双悬臂梁可动栅结构的N型MOSFET。其中，隔直电容，用来隔离微波信号和直流信号；λ/100延迟线，使微波信号信号产生一定的相位延迟；λ/4延迟线，频率检测时使微波信号产生90度的相移，信号放大时末端被短路，等效于始端开路，使微波信号从另一路延迟线输入；高频扼流线圈，用于隔离微波信号，避免微波信号对直流信号源的影响；低通滤波器14，滤去输出信号的高频成分，得到与频率相关的电流信号。
双悬臂梁可动栅结构的N型MOSFET，用于实现两路微波信号的运算，输出和频率有关的电流信号。选择P型Si作为衬底1，通过COMS工艺和MEMS表面微机械加工实现双悬臂梁可动栅结构的N型MOSFET，MOSFET为增强型。悬臂梁9作为MOSFET的可动栅，制作在MOSFET的栅氧化层2上方，材料为Au，悬臂梁9的锚区6与输入引线5相连，材料为多晶硅，下拉电压设置为MOSFET的阈值电压。悬臂梁9下方各有一个下拉电极4，下拉电极4接地，下拉电极4上覆盖有绝缘介质氮化硅3。
悬臂梁9的输入引线5作为MOSFET微波信号和直流偏置信号的输入端口。隔直电容与λ/100延迟线、λ/4延迟线的始端相连，延迟线的末端与悬臂梁9输入引线5相连，作为微波信号的传输通道，其中，λ/4延迟线的末端存在一个控制其是否接地的开关；高频扼流圈与悬臂梁9输入引线5相连，作为直流偏置信号的输入通道；MOSFET的源极7和下拉电极4接地，通过在偏置端口12和偏置端口13施加直流偏置电压到悬臂梁9栅极上，可以使悬臂梁9处于下拉状态，同时在栅氧化层2下方出现反型层，MOSFET处于导通态。MOSFET的漏极8作为源漏极饱和电流的输出端口，频率检测时通过低通滤波器14后输出和待测信号频率有关的电流信号，与频率检测输出端口15对应；信号放大时从源漏极饱和电流中提取放大后的微波信号，与信号放大输出端口16对应。
当两个偏置端12和13加上一定的直流偏置电压，使两个悬臂梁9都处于下拉状态，MOSFET导通，控制λ/4延迟线末端是否接地的开关处于断开状态时，此时电路处于频率检测状态，MOSFET沟道如图4所示。输入的待测微波信号，经过λ/4和λ/100延迟线后产生存在一定相位差的两路信号，分别记为：
相位差与待测微波信号的频率的关系可以表示为：
两路信号分别输入到MOSFET两个悬臂梁9上，经过MOSFET的混频，源极7和漏极8之间的饱和电流包含了两路信号的乘积分量，可以表示为：
通过低通滤波器14滤去其输出信号的高频成分，得到与相位差有关的直流分量，从而得出两路信号的相位差，再根据相位差和待测微波信号频率的关系，最终得出待测微波信号的频率。
为使电路处于信号放大状态，偏置端口12施加一定的直流偏置电压使连接λ/100延迟线的悬臂梁9处于下拉状态，对应的栅极下方出现反型层电子沟道，如图5所示，控制λ/4延迟线末端是否接地的开关处于闭合状态。由于λ/4延迟线末端接地，其始端相当于开路，没有信号经过，输入的微波信号完全通过λ/100延迟线输入到对应的悬臂梁9栅极上。此时输入和输出信号的关系可以表示为
u1′＝Avu1(4)
MOSFET对输入信号进行放大后通过信号放大输出端口16输出。由于只有一个悬臂梁9处于下拉状态，另一个悬臂梁9处于悬浮状态，MOSFET在信号放大状态时在悬浮的悬臂梁9下方存在着高阻区域，提高了MOSFET的反向击穿电压。
当两个悬臂梁9都没有加偏置电压而处于悬浮态时，硅基MOSFET处于非工作状态，此时由于悬臂梁9处于悬浮态，减小了栅极漏电流，功耗被有效地降低。
本发明的硅基双悬臂梁可动栅结构的N型MOSFET制备方法如下：
1)准备P型Si衬底1；
2)底氧生长；
3)沉淀氮化硅和有源区光刻；
4)场氧化；
5)去除氮化硅和底氧层；
6)进行栅氧化，形成栅氧层2，调整阈值电压，使N型MOSFET为增强型；
7)沉淀多晶硅并光刻、刻蚀多晶硅图形，形成悬臂梁锚区6和输入引线5。
8)蒸发生长Al；
9)涂覆光刻胶，保留下拉电极4上方的光刻胶；
10)反刻Al，形成下拉电极4；
11)外延生长一层0.1μm的SixN1-x绝缘层；
12)涂覆光刻胶，保留下拉电极4上的光刻胶；
13)利用反应离子刻蚀，形成下拉电极4上的氮化硅介质层3；
14)通过旋涂方式形成PMGI牺牲层，然后光刻牺牲层，仅保留MOSFET沟道上的光刻胶；
15)蒸发生长Al；
16)涂覆光刻胶，保留悬臂梁9位置的光刻胶；
17)反刻Al，形成悬臂梁9栅；
18)磷(P)离子注入形成N+源区7和漏区8；
19)制作源漏区通孔10和引线11：涂覆光刻胶，去除源漏电极接触区的光刻胶，真空蒸发金锗镍/金，剥离，合金化形成欧姆接触；
20)释放聚酰亚胺牺牲层：显影液浸泡，去除MEMS悬臂梁9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。
区分是否为该结构的标准如下：
本发明的基于硅基低漏电流双悬臂梁可动栅MOSFET的频率检测器，具有两个可动的悬臂梁作为栅极，共同控制N型MOSFET的工作状态。悬臂梁下方各有一个下拉电极，下拉电极上覆盖一层绝缘的氮化硅介质层，通过施加直流偏置电压来控制悬臂梁的状态，其下拉电压的大小设置为MOSFET栅极工作电压。悬臂梁横跨在锚区上，锚区与输入引线相连，作为微波信号和直流偏置信号的输入端，其中，微波信号通过隔直电容和延迟线输入到悬臂梁栅极上，直流偏置信号通过高频扼流圈输入到悬臂梁栅极上。当两个悬臂梁处于下拉状态，待测信经过λ/100延迟线和λ/4延迟线后产生两路频率相等和存在一定相位差的信号，输入到悬臂梁栅极上，为频率检测状态；当λ/4延迟线末端接地，λ/100延迟线连接的悬臂梁处于下拉状态，另一悬臂梁处于悬浮态，为信号放大状态，此时信号完全由λ/100延迟线输入到对应的悬臂梁而不经过λ/4延迟线，由于悬浮的悬臂梁下方存在高阻区，有利于增大MOSFET的反向击穿电压。非工作状态时，两个悬臂梁都处于悬浮态，栅极漏电流极低，有效地降低了功耗。
满足以上条件的结构即视为本发明的硅基低漏电流双悬臂梁可动栅MOSFET的频率检测器。
Claims (3)
1.一种基于硅基低漏电流双悬臂梁可动栅的频率检测器，其特征是：N型MOSFET制作在P型硅衬底(1)上，沟道栅氧化层(2)设置在P型硅衬底(1)上，在沟道栅氧化层(2)的上方设有两个悬臂梁(9)，材料为Au，作为MOSFET的可动栅，其下拉电压设置为MOSFET的阈值电压，悬臂梁(9)横跨在锚区(6)上，锚区(6)与输入引线(5)相连，作为微波信号和直流偏置信号的输入端，其中，微波信号由微波信号输入端口输入，通过隔直电容后分为两路，分别经λ/100延迟线和λ/4延迟线输入到两个悬臂梁(9)上，直流偏置信号由第一偏置端口(12)和第二偏置端口(13)输入，通过高频扼流圈分别输入到两个悬臂梁(9)上，锚区(6)和输入引线(5)的制备材料为多晶硅，悬臂梁(9)的下面各分布着一个下拉电极(4)，下拉电极(4)接地，下拉电极上覆盖一层绝缘的氮化硅介质层(3)；MOSFET源区(7)，MOSFET漏区(8)分别设置在P型硅衬底(1)上，源漏引线(11)分别通过有源区引线孔(10)与MOSFET源区(7)，MOSFET漏区(8)连接。
2.根据权利要求1所述的基于硅基低漏电流双悬臂梁可动栅的频率检测器，其特征是该频率检测器通过施加直流偏置电压和控制λ/4延迟线是否接地实现频率检测和信号放大两种功能；频率检测时施加直流偏置电压使两个悬臂梁(9)都处于下拉状态，待测微波信号经过λ/4延迟线和λ/100延迟线后产生两路频率相等和存在一定相位差的信号，输入到MOSFET的悬臂梁(9)可动栅上，经MOSFET实现信号混频，输出的源漏极饱和电流包含了相位信息的电流分量，通过低通滤波器(14)滤去源漏极饱和电流中的高频分量，由相位检测输出端口(15)输出，从而得到两路信号的相位差，最后通过相位差反推出待测微波信号的频率；电路处于信号放大状态时，施加直流偏置电压使λ/100延迟线连接的悬臂梁(9)处于下拉状态，λ/4延迟线的末端接地，延迟线始端相当于开路，信号完全经过λ/100延迟线输入到对应的悬臂梁(9)栅极上，源漏极输出放大后的电流信号，由信号放大输出端口(16)输出，由于存在一个悬浮的悬臂梁(9)，下面对应的区域为高阻区，有利于提高反向击穿电压。
3.根据权利要求1或2所述的基于硅基低漏电流双悬臂梁可动栅的频率检测器，其特征是该频率检测器在非工作状态时，两个悬臂梁(9)都处于悬浮态，与栅氧化层(2)没有接触，减小了栅极漏电流，功耗被有效地降低。
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