[发明专利]氮化镓基低漏电流悬臂梁的环形振荡器及制备方法

说明书

技术领域

本发明提出了氮化镓基低漏电流悬臂梁的环形振荡器，属于微电子机械系统的技术领域。

背景技术

在集成电路领域中，倒相器是一种最基本的器件，它以独特的优势被广泛应用于各种各样的电路中，其中环形振荡器就是最常见的一种应用，由奇数个倒相器构成的环形振荡器因其线路简单、起振容易、体积小、便于集成化等优点，取代了传统的石英振荡器而成为了集成电路中的主流。目前，由于GaN金属—半导体场效应晶体管(MESFET)的电子迁移率高、工作温度范围广、载流子速度快、抗干扰能力强，因而利用GaN场效应晶体管(MESFET)制作的环形振荡器就有着独特的优势，但是同时，随着器件尺寸的不断减小，集成电路的规模越来越大，时钟频率也变得越来越高，在这种大趋势下，传统MESFET制造的环形振荡器就有着功耗过高的问题，这对环形振荡器的稳定性能是一个巨大的挑战。

对于MESFET器件制作的环形振荡器而言，其功耗很大一部分原因是因为漏电流的存在。漏电流有两种情况，一种是MESFET器件处于截止状态时的关态沟道泄漏电流，这种漏源之间的电流泄漏会导致系统的静态功耗增大；另一种漏电流是栅极泄漏电流，这种漏电流会带来器件的发热增加，功耗变大。而目前，对于降低漏电流的研究还相对较少，本发明就是在GaN衬底上设计了一种具有很小的栅极泄漏电流的悬臂梁式的环形振荡器。

发明内容

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的环形振荡器及制备方法，环形振荡器是将奇数个倒相器首尾相连的接成环形电路，当环形振荡器产生自激振荡时，在理想情况下，这奇数个倒相器的栅极上是没有电流的，但是在实际情况下，由于MESFET的栅极是被容性耦合到器件的沟道上，与衬底形成了肖特基势垒，即金—半接触，因而不可避免的会产生栅极漏电流，正是由于这种栅极漏电流，环形振荡器的性能才会下降，而本发明就极为有效的降低了环形振荡器中的栅极漏电流，从而也可以一定程度上降低环形振荡器的功耗。

技术方案：本发明的氮化镓基低漏电流悬臂梁的环形振荡器由三个倒相器构成的，它们首尾相接构成环状，整个环形振荡器是基于半绝缘型GaN衬底制作的，三个倒相器通过引线实现互连，每个倒相器由悬臂梁N型MESFET和悬臂梁P型MESFET组成，该N型MESFET和P型MESFET的悬臂梁悬在栅极上，悬臂梁的锚区淀积在半绝缘型GaN衬底上，在悬臂梁下方有一个下拉电极，分布在栅极与锚区之间，其中N型MESFET悬臂梁下方的下拉电极是接地的，而P型MESFET悬臂梁下方的下拉电极是接电源的，下拉电极上覆盖有氮化硅介质层。

构成环形振荡器的MESFET的悬臂梁是由Au材料制作，它是悬浮在栅极上方，构成了悬臂梁结构，电压信号是加载到悬臂梁上的，而不是加到栅极上的，N型MESFET的阈值电压设计为正值，P型MESFET的阈值电压设计为负值，且N型MESFET和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MESFET悬臂梁与下拉电极之间的电压小于阈值电压绝对值的时候，悬浮的悬臂梁不会吸附下来，从而导致MESFET不能够导通，这样栅极漏电流就得到了很好的抑制；当MESFET的悬臂梁与下拉电极间的电压大于阈值电压绝对值的时候，悬浮的悬臂梁就会吸附至沟道上，MESFET就此导通。

当其中某一个MESFET倒相器的悬臂梁上有高电平时，则N型MESFET的悬臂梁就会下拉贴至栅极上，N型MESFET就此导通，而P型MESFET还是处于截止状态，此时该MESFET倒相器输出低电平，相反的，当该MESFET倒相器的悬臂梁上有低电平时，则N型MESFET截止、P型MESFET导通，倒相器输出高电平；由于三个倒相器循环相接，前一倒相器的输出就是后一倒相器的输入，因此便产生了自激振荡，从而构成环形振荡器。

这三个倒相器的输出端和输入端首尾相连构成环状，组成环形振荡器，环形振荡器起振时，假设倒相器悬臂梁上得到一个高电平电压的激励，由于N型MESFET悬臂梁下方的下拉电极接的是低电位，所以N型MESFET的悬臂梁就会下拉并贴至栅极上，N型MESFET开始正常导通工作，而此时P型MESFET还是处于悬浮状态；相反的，当悬臂梁上的电压为低电平时，P型MESFET的悬臂梁才会下拉贴至栅极上，P型MESFET就此导通，而N型MESFET截止，三个倒相器共同工作时，产生自激振荡，从而形成环形振荡器，此处的高电平电压是大于MESFET的阈值电压绝对值的电源电压，而低电平电压即是地。

本发明的氮化镓基低漏电流悬臂梁的环形振荡器的制备方法如下：