氮化镓基低漏电流悬臂梁开关场效应晶体管混频器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明提出了氮化镓基低漏电流悬臂梁开关MESFET混频器，属于微电子机械系 统的技术领域。
【背景技术】
[0002] 随着无线通信技术的发展，全球袭来了移动终端设备快速更新的浪潮，各种先进 的技术先后被发明并应用到移动终端设备的制造当中去。与此同时作为此类设备不可缺 少的重要组成部分，射频集成电路的芯片也迅速发展，集成规模不断扩大，工作频率不断提 高，传统的硅基材料已经不能满足要求。基于氮化镓衬底的MESFET就是在这种背景下被提 出应用，由于氮化镓材料良好的特性使得由它制造的晶体管具有很高的电子迀移率，很强 的抗辐射能力，较大的工作温度范围。由于芯片中晶体管的数量越来越多，随之而来的就是 集成电路的功耗问题，而过高的功耗会使得芯片过热，晶体管的工作特性会受到温度的影 响而发生改变，所以过热的芯片温度不仅会使芯片寿命降低，而且会影响芯片的稳定性。
[0003] 模拟混频器电路是实现两个模拟量相乘的非线性电子器件，它以差分电路作为基 础，电路性能良好便于集成，模拟混频器是射频集成电路的重要组成部分，自然对降低其功 耗的研宄就显得十分有意义，MEMS技术的持续发展使制造具有可动悬臂梁开关结构的晶体 管成为现实，具有可动悬臂梁开关结构的晶体管在工作中具有较小的栅极漏电流，从而可 以降低混频器电路的功耗。
【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开关场效应晶体管 混频器，用三个具有MEMS悬臂梁开关结构的MESFET代替传统的MESFET，减小混频器中晶体 管的栅极漏电流，降低电路的功耗。本发明另一个创新在于位于差分对下方的悬臂梁开关 MESFET，只在其栅极上加直流电压，并使该MESFET导通，此时该MESFET可以被认为是一个 恒流源，此时该混频器也可以作为差分放大器使用，这样的设计能够使本发明利用同样数 量的晶体管实现两种不同的功能。
[0005] 技术方案：本发明的氮化镓基低漏电流悬臂梁开关场效应晶体管混频器制作在P 型氮化镓衬底上，由三个具有悬臂梁开关的MESFET即第一悬臂梁栅N型MESFET、第二悬臂 梁栅N型MESFET、第三悬臂梁栅N型MESFET组成，其中第三悬臂梁栅N型MESFET的栅极上 还制作了一层氮化硅，其余结构均与第一悬臂梁栅N型MESFET、第二悬臂梁栅N型MESFET 相同，第一悬臂梁栅N型MESFET、第二悬臂梁栅N型MESFET组成差分对，其源极连接在一 起，并共同与第三悬臂梁栅N型MESFET的漏极相接，第三悬臂梁栅N型MESFET的源极接 地，第一悬臂梁栅N型MESFET、第二悬臂梁栅N型MESFET的漏极分别与电阻相接，电阻作 为负载使用，两负载电阻共同与电源电压相连接，本振信号uLO在差分对第一悬臂梁栅N 型MESFET、第二悬臂梁栅N型MESFET的悬臂梁开关之间输入，射频信号uRF则加载到第 三悬臂梁栅N型MESFET的悬臂梁开关上，输出信号通过一个中频滤波器选频输出所需要的 信号UIF;MESFET由栅极、源极和漏极构成，其中源极和漏极由金属和重掺杂N区形成欧 姆接触构成，栅极由金属和沟道区形成肖特基接触构成，引线由A1制作，在MESFET栅极上 方悬浮着MEMS悬臂梁开关，该悬臂梁开关由钛/金/钛组成，锚区制作在P型氮化镓衬底 上，整个N型MESFET制作在N阱中，有源区包括源极和漏极，在悬臂梁开关与衬底之间存在 下拉电极，下拉电极由氮化硅材料覆盖。
[0006] 在第一悬臂梁栅N型MESFET、第二悬臂梁栅N型MESFET、第三悬臂梁栅N型MESFET 中，悬臂梁开关是依靠锚区的支撑悬浮在MESFET的栅极上，把第一悬臂梁栅N型MESFET、 第二悬臂梁栅N型MESFET的悬臂梁开关的下拉电压设计的与其阈值电压相等，只有当悬 臂梁开关与下拉电极之间所加的电压大于其的阈值电压时，才能使悬臂梁开关下拉并接触 MESFET的栅极，第一悬臂梁栅N型MESFET、第二悬臂梁栅N型MESFET才能够导通，否则该 悬臂梁开关就一直处于悬浮状态，第一悬臂梁栅N型MESFET、第二悬臂梁栅N型MESFET也 处于关断的状态，悬臂梁开关的存在使得栅极漏电流大大减小，从而降低了该混频器电路 的功耗；对于第三悬臂梁栅N型MESFET，栅极上还制作了一层氮化硅，只有当在悬臂梁开 关与下拉电极之间所加的直流电压V2大于悬臂梁开关的下拉电压时，才能使悬臂梁开关 下拉并接触MESFET的栅极上的氮化硅层，否则该悬臂梁开关就一直处于悬浮状态，要使悬 臂梁开关第三悬臂梁栅N型MESFET导通则需要在其栅极上另外加载直流电压VI。
[0007] 所述的下拉电极都通过高频扼流圈接地，以防止交流信号通过地流失，在差分对 中的第一悬臂梁栅N型MESFET、第二悬臂梁栅N型MESFET的悬臂梁开关之间加上本振信 号uLO,本振信号uLO是混频器中输入的两种交流信号中的一种，本振信号uLO足够 高，当本振信号处于正半周期时使差分对中第一悬臂梁栅N型MESFET的悬臂梁开关下拉 与MESFET的栅极紧贴，使MESFET的耗尽区宽度减小导电能力提升并导通，第二悬臂梁栅N 型MESFET处于关断状态，当本振信号处于负半周时则相反；因此差分对中的第一悬臂梁栅 N型MESFET、第二悬臂梁栅N型MESFET在本振信号uLO的作用下处于一通一断交替的状 态，也就是使两个MESFET的悬臂梁开关处于下拉或者悬浮交替的状态，当悬臂梁开关处于 悬浮态时，第一悬臂梁栅N型MESFET、第二悬臂梁栅N型MESFET中就不存在的栅极漏电流 了；在第三悬臂梁栅N型MESFET的栅极上通过高频扼流圈加上足够大的直流电压VI，该直 流电压VI可以使第三悬臂梁栅N型MESFET导通，在第三悬臂梁栅N型MESFET的悬臂梁开 关上通过高频扼流圈接入另一个直流电压V2,该直流电压V2大于悬臂梁开关的下拉电压， 使第三悬臂梁栅N型MESFET的悬臂梁开关下拉贴紧第三悬臂梁栅N型MESFET的栅极上的 氮化硅层，此氮化硅层起到了隔直流电容的作用，能够阻止直流电压V2加载到该MESFET的 栅极上，并且仍然能够使悬臂梁开关上输入的交流信号加载到该MESFET的栅极上，而高频 扼流圈可以防止输入交流信号对第三悬臂梁栅N型MESFET上所加的直流电压产生影响，在 此基础上将射频信号uRF经由悬臂梁开关加载到该第三悬臂梁栅N型MESFET的栅极上， 此射频信号uRF是混频器中输入的两种交流信号中的另外一种；当两路交流信号都输入 到该混频器电路以后，即实现交流信号的混频，混频后的输出通过一个中频滤波器选出所 需要的信号频率uIF。
[0008] 该混频器的第二种工作方式，如果在位于差分对下方的第三悬臂梁栅N型MESFET 的栅极只加载直流电压VI并且使该第三悬臂梁栅N型MESFET处于导通的状态，该第三悬 臂梁栅N型MESFET可以被认为是一个恒流源，此时该混频器也可以作为差分放大器使用， 这样的设计能够使本发明利用同样数量的晶体管实现两种不同的功能。
[0009] 有益效果：本发明的氮化镓基低漏电流悬臂梁开关MESFET混频器体积小，易于 集成，应用了具有高电子迀移率的氮化镓材料，可实现很高的开关频率，混频器中所用到的 悬臂梁开关MESFET，在工作中有效的减小了栅极漏电流，从而使得本发明中的悬臂梁开关 MESFET混频器的功耗得到有效的降低。
【附图说明】
[0010] 图1为本发明的氮化镓基低漏电流悬臂梁开关MESFET混频器的俯视图，
[0011] 图2为氮化镓基低漏电流悬臂梁开关MESFET混频器的A-A'向的剖面图，
[0012] 图3为氮化镓基低漏电流悬臂梁开关MESFET混频器的B-B'向的剖面图， 图4为氮化镓基低漏电流悬臂梁开关MESFET混频器的C-C'向的剖面图，
[0013] 图5为氮化镓基低漏电流悬臂梁开关MESFET混频器的D-D'向的剖面图，
[0014] 图6为图1氮化镓基低漏电流悬臂梁开关MESFET混频器的原理图。
[0015] 图中包括：P型氮化镓衬底1，第一悬臂梁栅N型MESFET2、第二悬臂梁栅N型 MESFET3、第三悬臂梁栅N型MESFET4,引线5,悬臂梁开关6,栅极7,锚区8,N阱9,有源 区10,下拉电极11，氮化硅层12。
【具体实施方式】
[0016] 本发明的氮化镓基低漏电流悬臂梁开关MESFET混频器，制作在氮化镓衬底1上， 由三个具有悬臂梁开关的N型MESFET即第一悬臂梁栅N型MESFET2、第二悬臂梁栅N型 MESFET3、第三悬臂梁栅N型MESFET4组成，第三悬臂梁栅N型MESFET4的栅极上制作了 一层氮化硅12，MESFET由栅极7、源极和漏极构成，其中源极和漏极由金属和重掺杂N区形 成欧姆接触构成，栅极由金属和沟道区形成肖特基接触构成，引线5由A1制作，在MESFET 栅极7上方悬浮着MEMS悬臂梁开关6,该悬臂梁开关6由钛/金/钛组成，锚区8制作在氮 化镓衬底1上，整个N型MESFET制作在N阱9中，有源区10包括源极和漏极，在悬臂梁与 衬底之间存在下拉电极11，下拉电极11由氮化硅材料覆盖。
[0017] 该混频器的三个N型MESFET的下拉电极11都通过高频扼流圈接地，在差分对中 的第一悬臂梁栅N型MESFET2、第二悬臂梁栅N型MESFET3的悬臂梁开关之间加上本 振信号，本振信号是混频器中输入的两种交流信号中的一种，本振信号足够高，当本振信号 处于正半周期时可以使差分对中左侧第一悬臂梁栅N型MESFET2的悬臂梁开关6下拉与 MESFET的栅极7紧贴，使MESFET沟道内的耗尽区宽度减小导电能力提升，右侧第二悬臂梁 栅N型MESFET3处于关断状态，当本振信号处于负半周时则相反。因此差分对中的两个 MESFET在本振信号的作用下处于一通一断交替的状态，也就是使两个MESFET的悬臂梁开 关6处于下拉或者悬浮交替的状态，当悬臂梁开关6处于悬浮态时，MESFET中就不存在的 栅极漏电流了；在悬臂梁开关第三悬臂梁栅N型MESFET4的栅极上通过高频扼流圈加上足 够大的直流电压VI，高频扼流圈可以防止输入交流信号对MESFET4上所加的直流电压产生 影响，该直流电压VI可以使第三悬臂梁栅N型MESFET4导通，在第三悬臂梁栅N型MESFET 4的悬臂梁开关6上通过高频扼流圈接入另一个直流电压V2,该直流电压V2可以使第三悬 臂梁栅N型MESFET4的悬臂梁开关6下拉贴紧该第三悬臂梁栅N型MESFET4的栅极7上 的氮化硅层12,此氮化硅层12起到了隔直流°~容的作用，能够阻止直流电压V2加载到该MESFET的栅极7上，并且仍然能够使交流信号加载到该MESFET的栅极7上，在此基础上将 射频信号uRF经由悬臂梁开关6加载到该第三悬臂梁栅N型MESFET4的栅极7上，此射 频信号uRF是混频器中输入的两种交流信号中的另外一种；当两路交流信号都输入到该 混频器电路以后，即可实现交流信号的混频，混频后的输出通过一个中频滤波器选出所需 要的信号频率uIF，
[0018] 氮化镓基低漏电流悬臂梁开关