CN104935295B - 氮化镓基低漏电流固支梁的rs触发器 - Google Patents

Abstract

本发明的氮化镓基低漏电流固支梁的RS触发器制作在半绝缘型GaN衬底(1)上，由四个N型MESFET开关(11)和两个电阻R所构成，其中两个开关串联连接组成第一与非门(①)，另两个开关串联连接组成第二与非门(②)，其中第一与非门的输出端通过导线与第二与非门的一个输入端相接，同样第二与非门的输出端也通过导线与第一与非门的一个输入端相连接，形成完全对称的结构；RS触发器有两个外接信号输入端分别是第一输入端R和第二输入端S，以及两个输出端分别是第一输出端Q和第二输出端N型MESFET开关(11)具有悬浮的固支梁(4)，该固支梁(4)的两端固定在锚区(2)上，中间部分横跨在栅极(10)上方。

Description

氮化镓基低漏电流固支梁的RS触发器

技术领域

本发明提出了氮化镓基低漏电流固支梁的RS触发器，属于微电子机械系统的技术领域。

背景技术

在当今世界，集成电路正处于蓬勃发展的时期，数字集成电路作为其重要的一部分也在进行着不断的改革与完善，在集成电路发展早期，人们大多都是用MOS器件来制作各种各样的电路结构，然而经过长久的发展，人们发现GaN金属—半导体场效应晶体管(MESFET)有着电子迁移率高、载流子漂移速度快、禁带宽度大、抗辐射能力强、工作温度范围宽等诸多优点，比传统的MOS器件有着明显的优势，因此GaN金属—半导体场效应晶体管(MESFET)被人们广泛的应用在如今的大规模集成电路中。但是随着集成电路尺寸的逐渐缩小、集成度的不断提高，传统结构的MESFET器件也陆续表露出各种各样的问题，其中最主要的问题就是功耗，典型的例子就是RS触发器，在RS触发器中有四个MESFET型开关，传统的MESFET开关由于其栅极存在不可忽略的漏电流，导致了MESFET开关的直流功耗较大，从而使得整个RS触发器的功耗也过大，若将这种直流功耗较大的RS触发器应用于集成度高的系统中，会引起难以想象的后果，因此如何降低RS触发器的功耗成了一大难题。

随着MEMS技术的不断发展，一种具有MEMS固支梁结构的MESFET开关可以有效的解决栅极漏电流的问题，因此本发明在半绝缘型GaN衬底上设计了一种具有很小的栅极泄漏电流的固支梁式的RS触发器。

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固支梁的RS触发器及制备方法，由于传统MESFET器件的栅极是与沟道接触而产生肖特基势垒，所以不可避免地会产生栅极泄漏电流，从而导致了整个RS触发器的直流功耗较大，而本发明就极为有效的降低了RS触发器中的栅极漏电流，从而可以降低RS触发器的直流功耗。

技术方案：本发明的氮化镓基低漏电流固支梁的RS触发器制作在半绝缘型GaN衬底上，由四个N型MESFET开关和两个电阻R所构成，该N型MESFET开关包括源极、漏极、栅极和沟道组成，其中两个N型MESFET开关串联连接组成第一与非门，另两个N型MESFET开关串联连接组成第二与非门，其中第一与非门的输出端通过导线与第二与非门的一个输入端相接，同样第二与非门的输出端也通过导线与第一与非门的一个输入端相连接，形成完全对称的结构；RS触发器有两个外接信号输入端分别是第一输入端R和第二输入端S，以及两个输出端分别是第一输出端Q和第二输出端N型MESFET开关具有悬浮的固支梁，该固支梁的两端固定在锚区上，中间部分横跨在栅极上方，与栅极之间有一间隙，固支梁由Au材料制作的，在固支梁下方还设有两个下拉电极，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。

所述四个N型MESFET开关的阈值电压设计为相等，而固支梁的下拉电压设计为与N型MESFET的阈值电压相等；只有当固支梁与下拉电极之间的电压大于阈值电压时，悬浮的固支梁才会下拉贴至栅极上使得N沟道MESFET导通，偏置信号由固支梁连接到栅极上，否则N沟道MESFET就截止。

当R端和S端都为高电平时，与这两端相连的N型MESFET的固支梁4会下拉使其导通，但两输入信号对输出Q和并没有影响，由Q和所控制的N型MESFET还是处于原来的状态，所以触发器状态保持不变；当R端为高电平、S端为低电平时，与R端相连的N型MESFET导通、与S端相连的N型MESFET截止，因此为高电平，与端相连的N型MESFET导通，于是Q输出低电平，此时触发器状态稳定为低电平；当R端为低电平、S端为高电平时，与R端相连的N型MESFET截止、与S端相连的N型MESFET导通，因此Q为高电平，与Q端相连的N型MESFET导通，于是输出低电平，此时触发器状态稳定为高电平；当R端和S端都为低电平时，与这两端相连的N型MESFET都截止，因此Q与都是高电平，这时RS触发器处于既非1又非0的不确定状态，因此若要使RS触发器正常工作，输入信号必须遵守R+S＝1的约束条件，即不允许R＝S＝0。

有益效果：本发明的氮化镓基低漏电流固支梁的RS触发器具有悬浮的固支梁结构，与栅极之间有一层空隙，因此可以极大的减小栅极漏电流，从而降低了整个RS触发器的直流功耗，提高了系统的稳定性。

附图说明

图1为本发明的氮化镓基低漏电流固支梁的RS触发器示意图，

图2为本发明的氮化镓基低漏电流固支梁的RS触发器的内部原理图，

图3为本发明的氮化镓基低漏电流固支梁的RS触发器的俯视图，

图4为图3氮化镓基低漏电流固支梁的RS触发器的P-P’向的剖面图，

图5为图3氮化镓基低漏电流固支梁的RS触发器的A-A’向的剖面图。

图中包括：半绝缘型GaN衬底1，锚区2，N型MESFET沟道3，固支梁4，下拉电极5，氮化硅介质层6，源极7，漏极8，引线9，栅极10，N型MESFET开关11，电阻R。

具体实施方式

本发明的氮化镓基低漏电流固支梁的RS触发器是基于半绝缘型GaN衬底1制作的，其中N型MESFET开关11由源极7、漏极8、锚区2、固支梁4、下拉电极5和氮化硅介质6所组成，它拥有独特的MEMS固支梁结构，该固支梁4是横跨在栅极10上方的，该固支梁由Au材料制作，在固支梁下方有两个下拉电极，该下拉电极是接地的，下拉电极上覆盖有氮化硅介质层，控制信号是附加在该固支梁上的，而并不是直接加载在栅极上。

本发明的氮化镓基低漏电流固支梁的RS触发器主要是由两个与非门构成的，其中第一与非门①的输出端Q和第二与非门②的一个输入端相连，而第二与非门②的输出端和第一与非门①的一个输入端相连，第一与非门①的另一个输入端为R端(清零端)，而第二与非门②的另一个输入端为S端(置位端)。这两个与非门的内部结构是一模一样的，都是由两个N型MESFET和一个上拉电阻R串联相接所构成的，并在N型MESFET与电阻之间取一点作为输出端，所以整个RS触发器一共拥有四个N型MESFET开关。

整个RS触发器是基于半绝缘型GaN衬底制作的，其中最为关键的就是四个N型MESFET开关的结构，它们由源极、漏极、栅极和沟道组成，MESFET的源极和漏极由金和N型重掺杂区形成的欧姆接触区构成，栅极是由金和沟道形成的肖特基接触区构成，更为重要的是该N型MESFET拥有独特的MEMS固支梁结构，通过锚区横跨在栅极上，与栅极之间存在一层空隙，控制信号是附加在该固支梁上的，而并不是如传统MESFET器件一样直接加载在栅极上，该固支梁由Au材料制作，在固支梁下方有两个下拉电极，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。

从单个与非门来看，当两个N型MESFET的固支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的悬浮固支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的固支梁上加载高电平‘1’、而另一个N型MESFET的固支梁上加载低电平‘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的固支梁上都加载有低电平‘0’时，两个N型MESFET的悬浮固支梁都不会被下拉，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’，这是单个与非门的工作原理。再从整个RS触发器来看，当R端和S端都为高电平‘1’时，两输入信号对输出Q和没有影响，所以触发器状态保持不变；当R端为高电平‘1’，S端为低电平‘0’时，输出端Q为低电平‘0’、为高电平‘1’，此时触发器状态为低电平‘0’；当R端为低电平‘0’，S端为高电平‘1’时，输出端Q为高电平‘1’、为低电平‘0’，此时触发器状态为高电平‘1’；当R端和S端都为低电平‘0’时，得到Q端和端输出都是高电平‘1’，这时触发器处于既非1又非0的不确定状态，因此若要使触发器正常工作，输入信号必须遵守R+S＝1的约束条件，即不允许R＝S＝0。

本发明的氮化镓基低漏电流固支梁的RS触发器的制备方法为：

1)准备半绝缘型GaN衬底1；

2)淀积一层氮化硅，光刻并刻蚀氮化硅，去除N型MESFET沟道区3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3；

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10，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3形成肖特基接触；

9)涂覆光刻胶，光刻并刻蚀N型MESFET源极7和漏极8区域的光刻胶；

10)对该区域进行N型重掺杂，在N型MESFET源极7和漏极8区域形成的N型重掺杂区，进行快速退火处理；

11)光刻源极7和漏极8，去除源极7和漏极8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7和漏极8；

15)涂覆光刻胶，去除引线9、下拉电极5和固支梁的锚区2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9、下拉电极5和固支梁的锚区2；

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6；

20)淀积并光刻聚酰亚胺牺牲层：在GaN衬底1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4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固支梁4；

26)释放聚酰亚胺牺牲层：显影液浸泡，去除固支梁4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：

构成RS触发器的四个开关是由具有固支梁结构的N型MESFET构成，该固支梁通过锚区横跨在栅极上方，与栅极之间有一层空隙，在固支梁下方设有两个下拉电极，该下拉电极是接地的，两个N型MESFET的阈值电压设计为相等，而固支梁的下拉电压设计为与N型MESFET的阈值电压相等。当固支梁与下拉电极之间的电压大于阈值电压时，固支梁下拉贴至栅极上，从而使得N型MESFET导通，否则N型MESFET截止，由于N型MESFET的固支梁的存在，使得栅极漏电流大大降低，直流功耗也进一步减小。

满足以上条件的结构即视为本发明的氮化镓基低漏电流固支梁的RS触发器。

图1中的RS触发器的符号和真值表如下：

Claims (2)

1.一种氮化镓基低漏电流固支梁的RS触发器，其特征在于该RS触发器制作在半绝缘型GaN衬底（1）上，由四个N型MESFET 开关（11）和两个电阻R所构成，该N型MESFET 开关（11）包括源极、漏极、栅极和沟道组成，其中两个N型MESFET 开关（11）串联连接组成第一与非门（①），另两个N型MESFET 开关（11）串联连接组成第二与非门（②），其中第一与非门（①）的输出端通过导线与第二与非门（②）的一个输入端相接，同样第二与非门（②）的输出端也通过导线与第一与非门（①）的一个输入端相连接，形成完全对称的结构；RS触发器有两个外接信号输入端分别是第一输入端R和第二输入端S，以及两个输出端分别是第一输出端Q和第二输出端 ；N型MESFET开关（11）具有悬浮的固支梁（4），该固支梁（4）的两端固定在锚区（2）上，中间部分横跨在栅极（10）上方，与栅极（10）之间有一间隙，固支梁（4）由Au材料制作的，在固支梁（4）下方还设有两个下拉电极（5），下拉电极（5）是接地的，下拉电极（5）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. 根据权利要求1所述的氮化镓基低漏电流固支梁的RS触发器，其特征在于所述四个N型MESFET 开关（11）的阈值电压设计为相等，而固支梁（4）的下拉电压设计为与N型MESFET开关（11）的阈值电压相等；只有当固支梁（4）与下拉电极（5）之间的电压大于阈值电压时，悬浮的固支梁（4）才会下拉贴至栅极（10）上使得N型MESFET 开关（11）导通，偏置信号由固支梁（4）连接到栅极（10）上，否则N型MESFET 开关（11）就截止。