CN104935296B - 氮化镓基低漏电流悬臂梁的rs触发器 - Google Patents
氮化镓基低漏电流悬臂梁的rs触发器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明的氮化镓基低漏电流悬臂梁的RS触发器制作在半绝缘型GaN衬底(2)上，由四个N型MESFET开关(1)和两个电阻R所构成，其中两个N型MESFET开关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开关具有悬浮的悬臂梁(7)，该悬臂梁的一端固定在锚区(6)上，中间部分和另一端横跨在栅极(4)上方。
Description
技术领域
本发明提出了氮化镓基低漏电流悬臂梁的RS触发器，属于微电子机械***的技术领域。
背景技术
随着数字集成电路的不断发展，人们对数字集成电路的要求也越来越高，人们希望器件的速度可以越来越快、功耗能够越来越低、成本也能越来越低，但是传统的MOS器件因其诸多的局限性而不能满足人们的要求，而GaN金属—半导体场效应晶体管(MESFET)的出现解决了人们的燃眉之急，这种MESFET器件以电子迁移率高、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被广泛应用于各种数字集成电路中，其中利用该GaN型MESFET开关而制作而成的RS触发器就深受人们喜爱。不过数字集成电路的更新换代非常之快，在如今集成电路规模不断增大、尺寸不断缩小的趋势下，人们发现传统RS触发器的功耗一直以来都是一个问题，尤其是随着电路的集成度不断提高，这种功耗居高不下的问题一直困扰着人们。
随着MEMS技术的深入发展，一种具有MEMS悬臂梁结构的MESFET开关可以有效的解决栅极漏电流的问题，并可以降低整个RS触发器的功耗，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悬臂梁的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悬臂梁的RS触发器，传统MESFET器件的栅极是由金属和沟道区域形成肖特基接触而构成的，由于控制信号直接加载在栅极上，这就不可避免地会产生漏电流，从而导致了整个RS触发器的直流功耗偏大，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悬臂梁的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开关具有悬浮的悬臂梁，该悬臂梁的一端固定在锚区上，中间部分和另一端横跨在栅极上方，与栅极之间有一间隙，悬臂梁由Au材料制作的，在悬臂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，而悬臂梁的下拉电压设计为与N型MESFET的阈值电压相等；只有当悬臂梁与下拉电极之间的电压大于阈值电压时，悬浮的悬臂梁才会下拉贴至栅极上使得N沟道MESFET导通，偏置信号由悬臂梁连接到栅极上，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的悬臂梁7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悬臂梁的RS触发器具有悬浮的悬臂梁结构，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***的稳定性。
附图说明
图1为本发明的氮化镓基低漏电流悬臂梁的RS触发器的示意图，
图2为本发明的氮化镓基低漏电流悬臂梁的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悬臂梁的RS触发器的俯视图，
图4为图3氮化镓基低漏电流悬臂梁的RS触发器的P-P’向的剖面图，
图5为图3氮化镓基低漏电流悬臂梁的RS触发器的A-A’向的剖面图。
图中包括：N型MESFET开关1，半绝缘型GaN衬底2，引线3，栅极4，N型MESFET沟道5，锚区6，悬臂梁7，下拉电极8，氮化硅介质层9，N型MESFET的源极10，N型MESFET的漏极11，电阻R，第一与非门①，第二与非门②。
具体实施方式
本发明的氮化镓基低漏电流悬臂梁的RS触发器是基于半绝缘型GaN衬底2制作的，其中N型MESFET开关1由源极10、漏极11、锚区6、悬臂梁7、下拉电极8和氮化硅介质层9所组成，它拥有独特的MEMS悬臂梁结构，该悬臂梁7是横跨在栅极4上方的，该悬臂梁由Au材料制作，在悬臂梁下方有一个下拉电极8，该下拉电极8是接地的，下拉电极8上覆盖有氮化硅介质层9，控制信号是附加在该悬臂梁7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悬臂梁的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)。这两个与非门都是由两个相同的N型MESFET开关和一个上拉电阻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Q和所以整个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悬臂梁结构，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悬臂梁上的，而并不是如传统MESFET器件一样直接加载在栅极上，该悬臂梁由Au材料制作，在悬臂梁下方有一个下拉电极，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的悬臂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的悬浮悬臂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的悬臂梁上加载高电平‘1’、而另一个N型MESFET的悬臂梁上加载低电平‘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的悬臂梁上都加载有低电平‘0’时，两个N型MESFET的悬浮悬臂梁都不会被下拉，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悬臂梁的RS触发器的制备方法为：
1)准备半绝缘型GaN衬底2；
2)淀积一层氮化硅，光刻并刻蚀氮化硅，去除N型MESFET沟道区5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的沟道区5；
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4，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5形成肖特基接触；
9)涂覆光刻胶，光刻并刻蚀N型MESFET源极10和漏极11区域的光刻胶；
10)对该区域进行N型重掺杂，在N型MESFET源极10和漏极11区域形成的N型重掺杂区，进行快速退火处理；
11)光刻源极10和漏极11，去除源极10和漏极11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10和漏极11；
15)涂覆光刻胶，去除引线3、下拉电极8和悬臂梁的锚区6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3、下拉电极8和悬臂梁的锚区6；
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9；
20)淀积并光刻聚酰亚胺牺牲层：在GaN衬底2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，仅保留悬臂梁7下方的牺牲层；
21)蒸发钛/金/钛，其厚度为500/1500/
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悬臂梁7；
26)释放聚酰亚胺牺牲层：显影液浸泡，去除悬臂梁7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悬臂梁结构的N型MESFET构成，该悬臂梁通过锚区横跨在栅极上方，与栅极之间有一层空隙，在悬臂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，而悬臂梁的下拉电压设计为与N型MESFET的阈值电压相等。当悬臂梁与下拉电极之间的电压大于阈值电压时，悬臂梁下拉贴至栅极上，从而使得N型MESFET导通，否则N型MESFET截止，由于N型MESFET的悬臂梁的存在，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悬臂梁的RS触发器。
图1中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悬臂梁的RS触发器，其特征在于该RS触发器制作在半绝缘型GaN衬底(2)上，由四个N型MESFET开关(1)和两个电阻R所构成，该N型MESFET开关(1)包括源极、漏极、栅极和沟道组成，其中两个N型MESFET开关(1)串联连接组成第一与非门(①)，另两个N型MESFET开关(1)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(1)具有悬浮的悬臂梁(7)，该悬臂梁(7)的一端固定在锚区(6)上，中间部分和另一端横跨在栅极(4)上方，与栅极(4)之间有一间隙，悬臂梁(7)由Au材料制作的，在悬臂梁(7)下方还设有两个下拉电极(8)，下拉电极(8)是接地的，其上还覆盖有氮化硅介质层(9)，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悬臂梁的RS触发器，其特征在于所述四个N型MESFET开关(1)的阈值电压设计为相等，而悬臂梁(7)的下拉电压设计为与N型MESFET的阈值电压相等；只有当悬臂梁(7)与下拉电极(8)之间的电压大于阈值电压时，悬浮的悬臂梁(7)才会下拉贴至栅极(4)上使得N沟道MESFET导通，偏置信号由悬臂梁(7)连接到栅极(4)上，否则N沟道MESFET就截止。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20170630 |