一種具有pn結(jié)的mems電容開關(guān)的制作方法
【專利摘要】一種具有PN結(jié)的MEMS電容開關(guān)，屬于電子【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明在MEMS電容開關(guān)的上下驅(qū)動(dòng)電極之間增加一個(gè)縱向PN結(jié)結(jié)構(gòu)，開關(guān)在Up態(tài)時(shí)，上下驅(qū)動(dòng)電極之間不施加驅(qū)動(dòng)電壓，電接觸點(diǎn)與信號(hào)線不相接觸；開關(guān)在Down態(tài)時(shí)，上驅(qū)動(dòng)電極在驅(qū)動(dòng)電壓作用下下拉，電接觸點(diǎn)與信號(hào)線接觸，同時(shí)縱向半導(dǎo)體PN結(jié)處于反偏狀態(tài)。本發(fā)明提供的具有PN結(jié)的MEMS電容開關(guān)，Down態(tài)工作時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生電荷注入和積累現(xiàn)象，避免了上下驅(qū)動(dòng)電極的粘結(jié)失效問(wèn)題，又能使MEMS電容開關(guān)能夠在足夠的驅(qū)動(dòng)電壓下工作，從而能夠保證電接觸點(diǎn)與信號(hào)線的緊密接觸，最終能夠提高M(jìn)EMS電容開關(guān)的可靠性和穩(wěn)定性。
【專利說(shuō)明】—種具有PN結(jié)的MEMS電容開關(guān)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電子科學(xué)【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)與半導(dǎo)體技術(shù)，具體是指一種具有PN結(jié)的MEMS電容開關(guān)。
技術(shù)背景
[0002]開關(guān)是射頻(RF)和微波通信系統(tǒng)中的基本部件，射頻微機(jī)電(RF MEMS)開關(guān)在射頻和微波組件級(jí)和系統(tǒng)級(jí)都有很大的應(yīng)用空間。在組件級(jí)可以用射頻微機(jī)電(RF MEMS)開關(guān)構(gòu)造壓控振蕩器、濾波器(電容開關(guān)，電感)和移相器等，是現(xiàn)代雷達(dá)和通信系統(tǒng)不可或缺的元件。射頻微機(jī)電(RF MEMS)開關(guān)相比于傳統(tǒng)的FET和PIN 二極管開關(guān)具有直流功耗小、插入損耗低、隔離度高、互調(diào)失真小、工作頻帶寬及低成本，易于集成等特點(diǎn)。
[0003]現(xiàn)有的MEMS電容開關(guān)，其MEMS電容的驅(qū)動(dòng)電極結(jié)構(gòu)主要包括接觸式下拉結(jié)構(gòu)(如圖1所示)和非接觸式下拉(如圖2所示)兩種。圖1所示的接觸式下拉驅(qū)動(dòng)電極結(jié)構(gòu)中，在上下驅(qū)動(dòng)電極之間沉積一層絕緣介質(zhì)層4(可沉積于任一驅(qū)動(dòng)電極表面)，直流偏置驅(qū)動(dòng)電壓施加于上下驅(qū)動(dòng)電極之間后，上下驅(qū)動(dòng)電極產(chǎn)生靜電力，靜電力將上驅(qū)動(dòng)電極3 (即下拉驅(qū)動(dòng)電極)拉下，使得懸臂梁上的電接觸點(diǎn)2與信號(hào)線7接觸產(chǎn)生射頻開關(guān)特性，同時(shí)層絕緣介質(zhì)層4能夠防止上下驅(qū)動(dòng)電極直接接觸而導(dǎo)致的直流短路，上驅(qū)動(dòng)電極3被靜電力拉下后與下驅(qū)動(dòng)電極5以及絕緣介質(zhì)層4構(gòu)成電容。接觸式下拉結(jié)構(gòu)的MEMS電容開關(guān)在長(zhǎng)時(shí)間施加直流偏置驅(qū)動(dòng)電壓后會(huì)導(dǎo)致絕緣介質(zhì)層4中產(chǎn)生電荷注入和累積效應(yīng)，最終絕緣介質(zhì)層4由于累積過(guò)多電荷導(dǎo)致開關(guān)無(wú)法釋放即粘結(jié)性失效。圖2所示的非接觸式下拉驅(qū)動(dòng)電極結(jié)構(gòu)中，直流偏置驅(qū)動(dòng)電壓施加于上下驅(qū)動(dòng)電極之間后，上下驅(qū)動(dòng)電極產(chǎn)生靜電力，靜電力將上驅(qū)動(dòng)電極3(即下拉驅(qū)動(dòng)電極)拉下，使得懸臂梁上的電接觸點(diǎn)2與信號(hào)線7接觸產(chǎn)生射頻開關(guān)特性，但電接觸點(diǎn)2與信號(hào)線7接觸時(shí)，上下驅(qū)動(dòng)電極之間仍保持一定的間隙4’而不直接接觸，達(dá)到避免介質(zhì)層電荷注入的效果，但由于必須避免過(guò)大的下拉靜電力使得上下電極直接接觸導(dǎo)致直流短路，因此無(wú)法施加較大靜電力，從而會(huì)導(dǎo)致電接觸點(diǎn)2與信號(hào)線7接觸不夠緊密，導(dǎo)致開關(guān)的射頻性能下降(如插損較大、引入的串聯(lián)阻抗過(guò)聞等)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了避免MEMS電容開關(guān)長(zhǎng)時(shí)間工作在Down態(tài)而產(chǎn)生的電荷注入和累積效應(yīng)導(dǎo)致的粘結(jié)性失效，同時(shí)為了讓MEMS電容開關(guān)能夠在足夠的驅(qū)動(dòng)電壓下工作并保證MEMS電容開關(guān)的射頻性能，本發(fā)明提供一種具有PN結(jié)的MEMS電容開關(guān)。該MEMS電容開關(guān)的上下驅(qū)動(dòng)電極之間存在一個(gè)半導(dǎo)體PN結(jié)，且在電極下拉過(guò)程中，該P(yáng)N結(jié)工作在反偏狀態(tài)形成反偏二極管類似效應(yīng)，既能夠避免電荷注入又能使MEMS電容開關(guān)能夠在足夠的驅(qū)動(dòng)電壓下工作，從而能夠保證電接觸點(diǎn)與信號(hào)線的緊密接觸，最終能夠提高M(jìn)EMS電容開關(guān)的可靠性和穩(wěn)定性。
[0005]本發(fā)明技術(shù)方案如下:[0006]一種具有PN結(jié)的MEMS電容開關(guān)，包括懸臂梁I和設(shè)置于襯底基片8表面的信號(hào)線7，懸臂梁I的一端通過(guò)錨點(diǎn)6固定于襯底基片8上，懸臂梁I的另一端設(shè)置有能夠?qū)啥涡盘?hào)線7連接起來(lái)的電接觸點(diǎn)2 ;在信號(hào)線7與錨點(diǎn)6之間的襯底基片8表面區(qū)域設(shè)置有下驅(qū)動(dòng)電極5，對(duì)應(yīng)的在懸臂梁I的錨點(diǎn)6與電接觸點(diǎn)2之間的區(qū)域設(shè)置有上驅(qū)動(dòng)電極3，在上下驅(qū)動(dòng)電極之間存在一個(gè)由P型半導(dǎo)體4-1和N型半導(dǎo)體4-2構(gòu)成的縱向半導(dǎo)體PN結(jié)，所述縱向半導(dǎo)體PN結(jié)沉積于上驅(qū)動(dòng)電極3表面或沉積于下驅(qū)動(dòng)電極5表面但面積小于上驅(qū)動(dòng)電極3或下驅(qū)動(dòng)電極5的面積。
[0007]在MEMS電容開關(guān)的Up態(tài)，在上下驅(qū)動(dòng)電極之間不施加直流偏置驅(qū)動(dòng)電壓，上驅(qū)動(dòng)電極不產(chǎn)生下拉過(guò)程，電接觸點(diǎn)2與信號(hào)線7不相接觸；在MEMS電容開關(guān)的Down態(tài)，由于上下驅(qū)動(dòng)電極之間施加有直流偏置驅(qū)動(dòng)電壓，上驅(qū)動(dòng)電極3在靜電力作用下被拉下使得電接觸點(diǎn)2與信號(hào)線7緊密接觸并將兩段信號(hào)線7連接起來(lái)，同時(shí)縱向半導(dǎo)體PN結(jié)處于反偏狀態(tài)，即縱向半導(dǎo)體PN結(jié)中P型半導(dǎo)體4-1與低電壓驅(qū)動(dòng)電極相接觸，而N型半導(dǎo)體4-2與高電壓驅(qū)動(dòng)電極相接觸。
[0008]—種具有PN結(jié)的MEMS電容開關(guān),包括固支梁9和設(shè)置于襯底基片8表面的信號(hào)線7，固支梁9的兩端分別通過(guò)一個(gè)錨點(diǎn)6固定于襯底基片8上，固支梁9中間位置設(shè)置有能夠與信號(hào)線7接觸的電接觸點(diǎn)2 ;在信號(hào)線7與兩個(gè)錨點(diǎn)6之間的襯底基片8兩個(gè)表面區(qū)域分別設(shè)置有一個(gè)下驅(qū)動(dòng)電極5，對(duì)應(yīng)的在固支梁9的兩個(gè)錨點(diǎn)6與電接觸點(diǎn)2之間的兩個(gè)區(qū)域分別設(shè)置有一個(gè)上驅(qū)動(dòng)電極3，在兩對(duì)上下驅(qū)動(dòng)電極之間分別存在一個(gè)由P型半導(dǎo)體4-1和N型半導(dǎo)體4-2構(gòu)成的縱向半導(dǎo)體PN結(jié)，所述縱向半導(dǎo)體PN結(jié)沉積于上驅(qū)動(dòng)電極3表面或沉積于下驅(qū)動(dòng)電極5表面但面積小于上驅(qū)動(dòng)電極3或下驅(qū)動(dòng)電極5的面積。
[0009]在MEMS電容開關(guān)的Up態(tài)，在上下驅(qū)動(dòng)電極之間不施加直流偏置驅(qū)動(dòng)電壓，上驅(qū)動(dòng)電極不產(chǎn)生下拉過(guò)程 ，電接觸點(diǎn)2與信號(hào)線7不相接觸；在MEMS電容開關(guān)的Down態(tài)，由于上下驅(qū)動(dòng)電極之間施加有直流偏置驅(qū)動(dòng)電壓，兩個(gè)上驅(qū)動(dòng)電極3在靜電力作用下被拉下使得電接觸點(diǎn)2與信號(hào)線7緊密接觸，同時(shí)縱向半導(dǎo)體PN結(jié)處于反偏狀態(tài)，即縱向半導(dǎo)體PN結(jié)中P型半導(dǎo)體4-1與低電壓驅(qū)動(dòng)電極相接觸，而N型半導(dǎo)體4-2與高電壓驅(qū)動(dòng)電極相接觸。
[0010]本發(fā)明的工作原理是(以具有懸臂梁的MEMS電容開關(guān)為例):
[0011]本發(fā)明提供的具有PN結(jié)的MEMS電容開關(guān)在Up態(tài)(開關(guān)斷開狀態(tài))時(shí)，上下驅(qū)動(dòng)電極之間不施加直流偏置驅(qū)動(dòng)電壓，上驅(qū)動(dòng)電極與下驅(qū)動(dòng)電極之間保持一定的距離，電接觸點(diǎn)2與信號(hào)線7之間不接觸，此時(shí)一段信號(hào)線上的射頻信號(hào)不能傳輸?shù)搅硪欢涡盘?hào)線上。當(dāng)在上下驅(qū)動(dòng)電極之間施加直流偏置驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，由于上下驅(qū)動(dòng)電極之間的電場(chǎng)作用產(chǎn)生一個(gè)靜電引力，使得上驅(qū)動(dòng)電極在靜電引力的作用下被拉下來(lái)，此時(shí)MEMS電容開關(guān)處于Down態(tài)(開關(guān)閉合狀態(tài))，電接觸點(diǎn)2與信號(hào)線7之間緊密接觸并將兩段信號(hào)線連接起來(lái)，最終導(dǎo)致一段信號(hào)線上的射頻信號(hào)傳輸?shù)搅硪欢涡盘?hào)線上。
[0012]施加在上下驅(qū)動(dòng)電極之間的直流偏置驅(qū)動(dòng)電壓應(yīng)當(dāng)滿足:
τ/ I 8 人,；
[。。13] Vp=i^-Ak
[0014]其中k為驅(qū)動(dòng)極板和支撐梁組成結(jié)構(gòu)的彈性系數(shù)，ε ^為真空介電常數(shù)，A為上下極板面積，h為兩個(gè)電極之間的初始距離。
[0015]上驅(qū)動(dòng)電極受到的靜電引力(電場(chǎng)力)為:
【權(quán)利要求】
1.一種具有PN結(jié)的MEMS電容開關(guān)，包括懸臂梁⑴和設(shè)置于襯底基片⑶表面的兩段信號(hào)線(7)，懸臂梁(I)的一端通過(guò)錨點(diǎn)(6)固定于襯底基片(8)上，懸臂梁(I)的另一端設(shè)置有能夠?qū)啥涡盘?hào)線(7)連接起來(lái)的電接觸點(diǎn)(2);在信號(hào)線(7)與錨點(diǎn)(6)之間的襯底基片(8)表面區(qū)域設(shè)置有下驅(qū)動(dòng)電極(5)，對(duì)應(yīng)的在懸臂梁(I)的錨點(diǎn)(6)與電接觸點(diǎn)(2)之間的區(qū)域設(shè)置有上驅(qū)動(dòng)電極(3)，在上下驅(qū)動(dòng)電極之間存在一個(gè)由P型半導(dǎo)體(4-1)和N型半導(dǎo)體(4-2)構(gòu)成的縱向半導(dǎo)體PN結(jié)； 在MEMS電容開關(guān)的Up態(tài)，在上下驅(qū)動(dòng)電極之間不施加直流偏置驅(qū)動(dòng)電壓，上驅(qū)動(dòng)電極不產(chǎn)生下拉過(guò)程，電接觸點(diǎn)⑵與兩段信號(hào)線(7)不相接觸電容開關(guān)的Down態(tài)，由于上下驅(qū)動(dòng)電極之間施加有直流偏置驅(qū)動(dòng)電壓，上驅(qū)動(dòng)電極(3)在靜電力作用下被拉下使得電接觸點(diǎn)(2)與信號(hào)線(7)緊密接觸并將兩段信號(hào)線(7)連接起來(lái)，同時(shí)縱向半導(dǎo)體PN結(jié)處于反偏狀態(tài)，即縱向半導(dǎo)體PN結(jié)中P型半導(dǎo)體(4-1)與低電壓驅(qū)動(dòng)電極相接觸，而N型半導(dǎo)體(4-2)與高電壓驅(qū)動(dòng)電極相接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有PN結(jié)的MEMS電容開關(guān)，其特征在于，所述縱向半導(dǎo)體PN結(jié)沉積于上驅(qū)動(dòng)電極(3)表面但面積小于上驅(qū)動(dòng)電極(3)的面積。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有PN結(jié)的MEMS電容開關(guān)，其特征在于，所述縱向半導(dǎo)體PN結(jié)沉積于下驅(qū)動(dòng)電極(5)表面但面積小于下驅(qū)動(dòng)電極(5)的面積。
4.一種具有PN結(jié)的MEMS電容開關(guān)，包括固支梁(9)和設(shè)置于襯底基片⑶表面的信號(hào)線(7)，固支梁(9)的兩端分別通過(guò)一個(gè)錨點(diǎn)(6)固定于襯底基片⑶上，固支梁(9)中間位置設(shè)置有能夠與信號(hào)線(7)接觸的電接觸點(diǎn)(2);在信號(hào)線(7)與兩個(gè)錨點(diǎn)(6)之間的襯底基片(8)兩個(gè)表面區(qū)域分別設(shè)置有一個(gè)下驅(qū)動(dòng)電極(5)，對(duì)應(yīng)的在固支梁(9)的兩個(gè)錨點(diǎn)(6)與電接觸點(diǎn)(2)之間的兩個(gè)區(qū)域分別設(shè)置有一個(gè)上驅(qū)動(dòng)電極(3)，在兩對(duì)上下驅(qū)動(dòng)電極之間分別存在一個(gè)由P型半導(dǎo)體(4 -1)和N型半導(dǎo)體(4-2)構(gòu)成的縱向半導(dǎo)體PN結(jié)； 在MEMS電容開關(guān)的Up態(tài)，在上下驅(qū)動(dòng)電極之間不施加直流偏置驅(qū)動(dòng)電壓，上驅(qū)動(dòng)電極不產(chǎn)生下拉過(guò)程，電接觸點(diǎn)(2)與信號(hào)線(7)不相接觸；在MEMS電容開關(guān)的Down態(tài)，由于上下驅(qū)動(dòng)電極之間施加有直流偏置驅(qū)動(dòng)電壓，兩個(gè)上驅(qū)動(dòng)電極(3)在靜電力作用下被拉下使得電接觸點(diǎn)(2)與信號(hào)線(7)緊密接觸，同時(shí)縱向半導(dǎo)體PN結(jié)處于反偏狀態(tài)，即縱向半導(dǎo)體PN結(jié)中P型半導(dǎo)體(4-1)與低電壓驅(qū)動(dòng)電極相接觸，而N型半導(dǎo)體(4-2)與高電壓驅(qū)動(dòng)電極相接觸。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的具有PN結(jié)的MEMS電容開關(guān)，其特征在于，所述縱向半導(dǎo)體PN結(jié)沉積于上驅(qū)動(dòng)電極(3)表面但面積小于上驅(qū)動(dòng)電極(3)的面積。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的具有PN結(jié)的MEMS電容開關(guān)，其特征在于，所述縱向半導(dǎo)體PN結(jié)沉積于下驅(qū)動(dòng)電極(5)表面但面積小于下驅(qū)動(dòng)電極(5)的面積。
【文檔編號(hào)】H01L29/06GK103985608SQ201410234153
【公開日】2014年8月13日 申請(qǐng)日期:2014年5月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月29日
【發(fā)明者】鮑景富, 李昕熠, 黃裕霖, 李立圓, 黃洪云 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)