氮化镓基低漏电流悬臂梁场效应晶体管倒相器及制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明提出了基GaN基低漏电流悬臂梁MESFET倒相器，属于微电子机械系统的技 术领域。
【背景技术】
[0002] 随着现代新型通信技术的迅猛发展，射频和微波器件发展迅速。为了满足现代 无线通信系统对电子元器件提出的高要求，传统的Si基器件已经无法满足要求。目前金 属-半导体场效应晶体管（MESFET)具有电子迀移率高、载流子漂移速度快，禁带宽度大、 抗辐射能力强、工作温度范围宽等优点，被广泛地应用到光纤通信、移动通信、超高速计算 机、高速测量仪器、航空航天等领域。同时，随着器件特征尺寸的不断缩小，芯片的规模不断 增大，内部集成的晶体管数目急剧增加，时钟频率越来越高。众多金属-半导体场效应晶 体管（MESFET)在很高的频率下工作，芯片的功耗问题也变得日益突出。过高的功耗使得芯 片温度过高，这样不仅降低了芯片的性能也缩短了芯片的使用寿命。而且，过高的功耗还会 使得各种移动设备面临在电源续航和散热性能上的巨大难题。因此，对于设计者来说，低 功耗设计在超大规模集成电路设计过程中越来越重要。
[0003] 常见的MESFET器件的功耗主要包括两方面，一方面是指MESFET工作时交流信号 产生的动态功耗；而另一方面是漏电流造成的损耗。而对于漏电流主要有两种，一种是栅极 电压带来的栅极漏电流，另一种时截止时源漏之间的漏电流。而目前对于MESFET器件的研 究多集中在对MESFET动态功耗的降低。对漏电流的降低的研究很少。本发明即是基于GaN 工艺设计了一种具有极低的栅极漏电流的悬臂梁可动栅MESFET倒相器。
【发明内容】
[0004] 技术问题：本发明的目的是提供一种氮化镓基低漏电流悬臂梁场效应晶体管倒 相器及制备方法；在MESFET倒相器工作时，通常希望其在栅极的电流是为0。传统MESFET 的栅与有源区是肖特基接触，所以不可避免的会有一定的直流漏电流。在大规模集成电路 中，这种漏电流的存在会增加倒相器在工作的中的功耗。而这种漏电流在本发明中得到有 效的降低。
[0005] 技术方案：本发明的氮化镓基低漏电流悬臂梁场效应晶体管倒相器由悬臂梁N型 MESFET和悬臂梁P型MESFET构成，该倒相器中的MESFET基于半绝缘GaN衬底，其输入引线 利用金制作，悬臂梁N型MESFET的源极接地，悬臂梁P型MESFET的源极接电源，悬臂梁N型 MESFET的漏极与悬臂梁P型MESFET的漏极短接；悬臂梁N型MESFET和悬臂梁P型MESFET 的栅极与有源层形成肖特基接触，在两个栅极上方分别设计了两个悬臂梁，两个MESFET的 悬臂梁短接，每个悬臂梁的锚区制作在半绝缘GaN衬底上，在每个悬臂梁下方设计了两个 电极板，电极板的上方覆盖有氮化硅层，每个MESFET的电极板与该MESFET的源极短接。
[0006] 根据权利要求1所述的GaN基低漏电流悬臂梁MESFET倒相器，其特征在于悬臂梁 N型MESFET的阈值电压设计为正值，悬臂梁P型MESFET的阈值电压设计为负值，且悬臂梁 N型MESFET和悬臂梁P型MESFET的阈值电压的绝对值设计为相等，悬臂梁的下拉电压设计 为与MESFET的阈值电压的绝对值相等，当输入高电平时，悬臂梁N型MESFET的悬臂梁与电 极板间的电压大于阈值电压的绝对值，所以悬臂梁被下拉到栅极上，悬臂梁与栅极短接，同 时栅极与悬臂梁N型MESFET的源极间的电压也大于阈值电压，所以悬臂梁N型MESFET导 通，而悬臂梁P型MESFET的悬臂梁与电极板间的电压小于阈值电压的绝对值，所以悬臂梁 是悬浮的，栅极处于断路，栅极与悬臂梁P型MESFET的源极间的电压接近0,所以悬臂梁P 型MESFET截止，从而输出低电平，而当输入低电平时，情况恰好相反，悬臂梁N型MESFET的 悬臂梁悬浮，处于截止，而悬臂梁P型MESFET的悬臂梁被下拉，处于导通，从而倒相器输出 高电平，所以当悬臂梁与电极板间的电压小于阈值电压的绝对值时，悬臂梁是悬浮在栅极 的上方，此时栅极处是断路的，MESFET工作在截止状态，而只有在悬臂梁与电极板间的电压 达到或大于阈值电压的绝对值时悬臂梁才会下拉到贴在栅极上，悬臂梁与栅极短接，从而 使MESFET工作在导通状态，相比于传统的型MESFET，本发明中的MESFET的悬臂梁在悬浮 时，栅极与悬臂梁间有一层空气层，栅极处是断路的，所以直流漏电流大大减小，有效地降 低了功耗。
[0007] 本发明的GaN基低漏电流悬臂梁MESFET倒相器的制备方法如下：
[0008] 1)准备半绝缘GaN衬底；
[0009] 2)淀积氮化硅，用等离子体增强型化学气相淀积法工艺（PECVD)生长一层氮化 硅，然后光刻和刻蚀氮化硅，去除悬臂梁P型MESFET有源区的氮化硅；
[0010] 3)悬臂梁P型MESFET有源区离子注入：注入硼后，在氮气环境下退火；退火完成 后，在高温下进行P +杂质再分布，形成悬臂梁P型MESFET有源区的P型有源层；
[0011] 4)去除氮化硅层：采用干法刻蚀技术将氮化硅全部去除；
[0012] 5)淀积氮化硅，用等离子体增强型化学气相淀积法工艺（PECVD)生长一层氮化 硅，然后光刻和刻蚀氮化硅，去除悬臂梁N型MESFET有源区的氮化硅；
[0013] 6)悬臂梁N型MESFET有源区离子注入：注入磷后，在氮气环境下退火；退火完成 后，在高温下进行N +杂质再分布，形成悬臂梁N型MESFET有源区的N型有源层；
[0014] 7)去除氮化硅层：采用干法刻蚀技术将氮化硅全部去除；
[0015] 8)光刻栅区，去除栅区的光刻胶；
[0016]9)电子束蒸发钛/铂/金；
[0017]10)去除光刻胶以及光刻胶上的钛/铂/金；
[0018] 11)加热，使钛/铂/金合金与P型GaN有源层以及N型GaN有源层形成肖特基接 触；
[0019] 12)涂覆光刻胶，光刻并刻蚀悬臂梁N型MESFET源极和漏极区域的光刻胶；
[0020] 13)注入重掺杂N型杂质，在悬臂梁N型MESFET源极和漏极区域形成的N型重掺 杂区，注入后进行快速退火处理；
[0021] 14)涂覆光刻胶，光刻并刻蚀悬臂梁P型MESFET源极和漏极区域的光刻胶；
[0022] 15)注入重掺杂P型杂质，在悬臂梁P型MESFET源极和漏极区域形成的P型重掺 杂区，注入后进行快速退火处理；
[0023] 16)光刻源极和漏极，去除引线、源极和漏极的光刻胶；
[0024] 17)真空蒸发金锗镍/金；
[0025] 18)去除光刻胶以及光刻胶上的金锗镍/金；
[0026] 19)合金化形成欧姆接触，形成引线、源极和漏极；
[0027] 20)涂覆光刻胶，去除输入引线、电极板和悬臂梁的锚区位置的光刻胶；
[0028] 21)蒸发第一层金，其厚度约为0? 3 y m ;
[0029] 22)去除光刻胶以及光刻胶上的金，初步形成输入引线、电极板和悬臂梁的锚区； [0030] 23)淀积氮化硅：用等离子体增强型化学气相淀积法工艺（PECVD)生长1000A厚 的氮化娃介质层；
[0031] 24)光刻并刻蚀氮化硅介质层，保留在电极板上的氮化硅；
[0032] 25)淀积并光刻聚酰亚胺牺牲层：在砷化镓衬底上涂覆I. 6 y m厚的聚酰亚胺牺牲 层，要求填满凹坑；光刻聚酰亚胺牺牲层，仅保留悬臂梁下方的牺牲层；
[0033] 1)蒸发钛/金/钛，其厚度为500/1500/300A:蒸发用于电镀的底金；
[0034] 2)光刻：去除要电镀地方的光刻胶；
[0035] 3)电镀金，其厚度为2 y m ;
[0036] 4)去除光刻胶：去除不需要电镀地方的光刻胶；
[0037] 5)反刻钛/金/钛，腐蚀底金，形成悬臂梁；