0 引言

　　互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)的出現(xiàn)為半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展提供了強大的動力，在制作微型化、快速、低成本的電子產(chǎn)品方面取得了巨大的成功[1]。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，CMOS晶體管的特征尺寸進入納米級別，CMOS正面臨巨大的發(fā)展瓶頸，柵極泄漏、短溝道效應(yīng)、結(jié)漏等[2-3]極大地阻礙了微電子技術(shù)的發(fā)展，微納機電開關(guān)的出現(xiàn)在很大程度上彌補了半導(dǎo)體開關(guān)的不足。微納機電開關(guān)是在微機電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的特征尺寸在微米或納米量級內(nèi)的機械開關(guān)，包括微機電（MEMS）開關(guān)和納機電（NEMS）開關(guān)。微納機電開關(guān)具有體積小、速度快、功耗低等特點，由于物理氣隙的存在，其斷路時的泄漏電流幾乎為0，而且具有延遲效應(yīng)。隨著科技的進步，航空航天、通信、計算機等高端前沿領(lǐng)域?qū)Φ凸奈⑿推骷男枨笞兊糜葹槠惹?，在傳統(tǒng)的半導(dǎo)體開關(guān)已不能滿足這種需求的同時，微納機電關(guān)極可能擔(dān)當(dāng)起這一重要使命。

1 微納機電開關(guān)應(yīng)用

　　微納機電開關(guān)的研究受到了各國學(xué)者的重視，目前，部分微納機電開關(guān)已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，特別是在MEMS開關(guān)與射頻器件的結(jié)合方面。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，小體積、低功耗、高性能、多功能的射頻設(shè)備成為無線電領(lǐng)域的發(fā)展趨勢，射頻器件朝著微型化和集成化的方向發(fā)展，對電感、電容、濾波器等的Q值、阻抗匹配、隔離度提出了更高的要求。MEMS開關(guān)在射頻器件上的應(yīng)用為解決上述問題提供了突破口，RF MEMS開關(guān)具有寬帶、低損耗、線性等優(yōu)點。經(jīng)過20余年的發(fā)展，RF MEMS開關(guān)已經(jīng)成為射頻器件中不可或缺的一員，其應(yīng)用領(lǐng)域也擴展到防御應(yīng)用的雷達系統(tǒng)、衛(wèi)星通信系統(tǒng)、無線電通信系統(tǒng)、儀器系統(tǒng)等。MEMS開關(guān)在射頻領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用已經(jīng)趨于成熟，性能也得到了大幅度的提升。Babak Yousefi Darani等人在2011年研制的微機電射頻開關(guān)通過增加驅(qū)動電極的面積使驅(qū)動電壓降到了1.3 V，且電學(xué)性能良好，能夠通過共面波導(dǎo)傳輸線應(yīng)用在2 GHz～6 GHz頻段中，插入損耗僅為-0.16 dB，而斷開時的隔離度則高達-35 dB[4]。RF MEMS開關(guān)在不停的循環(huán)工作中容易誘發(fā)疲勞失效，因此對穩(wěn)定性有較高的要求。2013年David等人制作了一種RuO2-Au接觸開關(guān)，接觸電阻小于4 Ω，在10 GHz的工作頻段下插入損耗為0.4 dB，隔離度28 dB[5]，能夠連續(xù)工作100億次，極大地提高了使用壽命。國內(nèi)的學(xué)者在RF MEMS開關(guān)的研究中也做出了突出貢獻，東南大學(xué)的研究者將射頻微機電開關(guān)的應(yīng)用頻率提高到了40 GHz，同時工作電壓降到了0.3～0.55 V之間，插入損耗小于-0.5 dB，隔離度大于-30 dB，這種開關(guān)能夠應(yīng)用在甚寬帶通信設(shè)備中[6]。隨著研究的進一步深入，相信MEMS開關(guān)在射頻器件中的應(yīng)用會得到更寬的擴展。

　　在過去的幾十年中，最先進的微處理芯片上晶體管數(shù)量已經(jīng)從4.2×108增加到了3×1010[7]。隨著CMOS晶體管的尺寸進入納米量級，功耗逐漸成為CMOS晶體管不可忽視的問題[8]，而且電子元器件經(jīng)常性充放電所造成的泄漏功耗也將降低系統(tǒng)的使用壽命。作為一種機械開關(guān)，NEMS開關(guān)不存在CMOS晶體管在納米量級內(nèi)所面臨的問題。與MEMS開關(guān)相比，NEMS開關(guān)的體積更小、速度更快。目前，NEMS開關(guān)的應(yīng)用主要集中在數(shù)字邏輯電路和非易失存儲器上。雖然NEMS開關(guān)還處在實驗研究階段，但是已有相關(guān)學(xué)者在該領(lǐng)域取得了重大突破。Weon Wi Jang等人在2007年研制的一種適用于記憶芯片的NEMS靜電開關(guān)[9]可以克服泄漏電流對場效晶體管的限制，應(yīng)用在非易失存儲器中。測試結(jié)果表明，該微型開關(guān)具有良好的開/關(guān)特性，亞閾值擺幅接近于零（約為4 mV/decade），開關(guān)的閉合時間達到了3 μs。2013年國外的Daesung Lee用一種NEMS開關(guān)成功組合成了一個2-1邏輯轉(zhuǎn)換門電路[10]，并可以根據(jù)二元決策圖實現(xiàn)任何邏輯功能，Daesung Lee的研究工作展示了NEMS開關(guān)在邏輯電路中的巨大潛能。

2 微納機電開關(guān)分類

　　微納機電開關(guān)根據(jù)不同的形式可以分為很多類。按照尺寸的大小可以分為微機電（MEMS）開關(guān)和納機電（NEMS）開關(guān)，微機電開關(guān)的特征尺寸在微米量級，而納機電開關(guān)的特征尺寸在納米量級。根據(jù)驅(qū)動方式的不同則可以分為熱驅(qū)動型、壓電型、電磁型和靜電型[11]。相比其他類型的微型開關(guān)，靜電驅(qū)動型微機械開關(guān)結(jié)構(gòu)簡單、控制方便，而且功耗小、響應(yīng)頻率高、便于集成，這類開關(guān)的研究起始早，原理成熟，是目前微納機電開關(guān)的研究熱點。

　　微納機電開關(guān)根據(jù)驅(qū)動方向的不同又可以分為橫向型和縱向型，這兩種類型的微納開關(guān)也有各自的優(yōu)缺點。最初的研究多集中在縱向型，縱向結(jié)構(gòu)更符合微細加工自上而下的工藝方式，可以方便地優(yōu)化彈性梁結(jié)構(gòu)，驅(qū)動電極面積、氣隙大小等結(jié)構(gòu)參數(shù)，驅(qū)動電壓能降到很低，但同時也會增加器件尺寸、加大制作難度。其制作工藝往往需要多次光刻，由此產(chǎn)生的套準誤差將影響開關(guān)的性能。近年來對于微型開關(guān)的研究越來越趨向于橫向驅(qū)動型。與縱向型微型開關(guān)相比，橫向驅(qū)動納機電靜電開關(guān)有很大的優(yōu)勢[12]：（1）大多數(shù)的橫向微型開關(guān)僅需要一次光刻，工藝簡單，不存在多次光刻產(chǎn)生的對準誤差；（2）尺寸和形狀選擇性大；（3）容易封裝；（4）便于集成。但是橫向開關(guān)只能制作一些簡單結(jié)構(gòu)，對異形梁等復(fù)雜結(jié)構(gòu)則無能為力，且其氣隙是由光刻精度決定的，因此橫向驅(qū)動的微納機電開關(guān)受工藝限制較大。圖1和圖2分別為兩種不同類型的微納機電開關(guān)。

　　根據(jù)端口數(shù)量，微納機電開關(guān)可以分為兩端口型、三端口型和四端口型[15]。兩端口微納機電開關(guān)僅由彈性梁和一個電極組成，該電極同時作為驅(qū)動電極和接觸電極，這種類型的開關(guān)結(jié)構(gòu)簡單，但是驅(qū)動電壓偏大，且在閉合時控制電路會與工作電路產(chǎn)生干涉，因此實用性不強；三端口微納機電開關(guān)在兩端口類型的基礎(chǔ)上增加了一個電極，實現(xiàn)了驅(qū)動電極和接觸電極的分離，無論斷開還是閉合，驅(qū)動電極都不參與開關(guān)的工作電路，但是彈性梁在閉合后仍然兼具電極的功能；四端口微納機電開關(guān)在接觸電極和彈性梁之間加了一層絕緣介質(zhì)，彈性梁和驅(qū)動電極只起控制作用，控制電路和工作電路是完全隔離的，主要劣勢是制作工藝復(fù)雜。目前微納機電開關(guān)的研究主要集中在三端口類型。

3 微納機電開關(guān)研究進展

　　微納機電開關(guān)作為一個極具潛力的領(lǐng)域經(jīng)過近30年的發(fā)展，在尺寸、速度、閾值電壓、穩(wěn)定性等方面取得了巨大突破。隨著電子設(shè)備朝著微型化、集成化、高精度化的方向發(fā)展，小尺寸逐漸成為評定微納機電開關(guān)性能的標準之一。微細加工工藝的發(fā)展促進了微納機電開關(guān)的小型化，目前，微納機電開關(guān)的特征尺寸已經(jīng)從上世紀90年代的亞毫米級、微米級進入了納米量級，其中彈性梁尺寸和氣隙能達到20 nm左右。Davidson等人便通過原子層沉積（ALD）技術(shù)成功將微型開關(guān)的運動氣隙縮小到了20 nm[16]。更小的尺寸不僅意味著更輕的質(zhì)量、更小的占用面積，而且能在很大程度上縮小驅(qū)動電壓。2010年FENG X L制作出了一種NEMS開關(guān)，通過將彈性梁的寬度和氣隙減小到25 nm，使得閾值電壓僅為1.5 V[17]，如圖3所示。隨著電子束光刻等超精細加工技術(shù)的出現(xiàn)，微納機電開關(guān)的尺寸和閾值電壓將會進一步減小。

　　除了尺寸和閾值電壓，穩(wěn)定性和速度也是反應(yīng)微納機電開關(guān)性能好壞的重要指標。在最初的研究中，受限于材料和工藝條件，微納機電開關(guān)的穩(wěn)定性很差，不停的閉合工作往往導(dǎo)致疲勞失效，器件僅能正常工作幾百次甚至幾十次。近年來微納機電開關(guān)的穩(wěn)定性得到了大幅提高，從2010年的1 000次[18]到2011年的5 000 000次[19]，再到2012年的109次[15]，微納機電開關(guān)的壽命正以指數(shù)形式增長，在穩(wěn)定性方面已經(jīng)能滿足實際應(yīng)用需求。微納機電開關(guān)在工作過程中存在機械延遲，這種特性能被應(yīng)用到非易失存儲器中，但同時也增加了器件的響應(yīng)時間，而且由于受實際加工工藝的影響，氣隙、彈性梁等尺寸參數(shù)不可能無限減小，多方面的因素使得響應(yīng)時間成為微納機電開關(guān)的發(fā)展障礙。目前，場效晶體管的響應(yīng)時間在10 ns之內(nèi)，而微米級別的機電開關(guān)仍然停留在微秒甚至毫秒級別，雖然可以通過增加驅(qū)動電壓縮短響應(yīng)時間，但是工作電壓的增加勢必會影響微納機電開關(guān)與CMOS器件的集成。理論分析表明，微納機電開關(guān)的速度與器件的尺寸是成反比關(guān)系的，隨著微型開關(guān)的特征尺寸進入納米量級，其響應(yīng)時間也縮短到了納秒級別。在Rhesa Nathanael[15]設(shè)計的微納機電開關(guān)中，當(dāng)驅(qū)動電壓為7.6 V時，開關(guān)的響應(yīng)時間為100 ns左右。而根據(jù)KAM H[20]等人的研究，如果微納機電開關(guān)的尺寸能減小到90 nm，那么其響應(yīng)時間將能縮減至10 ns，已與晶體管處于同一水平內(nèi)。

　　金屬良好的導(dǎo)電性和易得性使其成為研究微納機電開關(guān)的主要材料，隨著研究的深入，微納機電開關(guān)的材料選擇正朝著多元化的方向發(fā)展，已由最初的金屬擴展到了半導(dǎo)體和陶瓷等材料。2004年出現(xiàn)了以碳納米管為結(jié)構(gòu)材料的NEMS開關(guān)[21]，該開關(guān)的初始氣隙為150 nm，閾值電壓在6 V左右，在邏輯電路、記憶單元、脈沖發(fā)射器、電流/電壓放大器等高頻率吉赫茲電子器件中有著廣闊的應(yīng)用前景。碳納米管具有良好的物理和化學(xué)性質(zhì)，它的重量輕、強度高、耐腐蝕，是制作微納機電開關(guān)的理想材料，但是碳納米管在制作過程中數(shù)量和位置的不確定性阻礙了其在微納機電開關(guān)上的應(yīng)用。2008年，Weon Wi Jang[22]將目光投向了高熔點、高硬度、耐磨損、導(dǎo)電性良好的TiN金屬陶瓷材料，并將其成功應(yīng)用到微納機電開關(guān)中，研制成功了包括彈性梁式固支梁式的TiN開關(guān)，如圖4所示。其中，彈性梁式開關(guān)泄漏電流為零，亞閾值擺幅小于3 mV/decade，遠小于CMOS器件在室溫下的理論極限值60 mV/decade。為了能與CMOS結(jié)合以及實現(xiàn)更好的集成度，多晶硅也正被越來越多的應(yīng)用到微納機電開關(guān)中，但是鑒于多晶硅的導(dǎo)電性并不是十分理想，往往需要在其表面生長一層高導(dǎo)電性物質(zhì)。圖1便是用多晶硅制作的微納機電開關(guān)，為了防止開關(guān)在閉合的過程中產(chǎn)生“微焊接”并增加導(dǎo)電性，在鍺硅上淀積了一層金屬鎢，其最小氣隙為50 nm，驅(qū)動電壓能夠降到2 V左右，整個開關(guān)的占用面積僅為4 μm2，而且具有很高的穩(wěn)定性[13]。材料等相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展會繼續(xù)擴展微納機電開關(guān)的材料選擇，越來越多的新物質(zhì)將會被應(yīng)用進來。

　　微納機電開關(guān)的高速發(fā)展得益于微加工技工技術(shù)的逐漸成熟。作為MEMS技術(shù)的一個重要分支，微納機電開關(guān)的制作工藝在初期的研究中多采用MEMS加工技術(shù)，如表面微加工技術(shù)、體硅微加工技術(shù)和紫外光刻技術(shù)等，隨著微加工技術(shù)的發(fā)展，目前微納機電開關(guān)的制作包含了氣相淀積（CVD）、紫外光刻技術(shù)（UV-LIGA）、磁控濺射、原子層淀積（ALD）、犧牲層釋放技術(shù)、離子注入、摻雜等多種工藝[23-24]。微納機電開關(guān)的制作正朝著CMOS技術(shù)的方向擴展，CMOS與MEMS器件相結(jié)合將是微納機電開關(guān)未來的發(fā)展趨勢。與傳統(tǒng)的MEMS工藝相比，CMOS與MEMS的結(jié)合具有以下優(yōu)點：（1）CMOS的標準化能大大降低設(shè)備和材料成本。（2）可集成化程度高，縮短了器件的研發(fā)周期。（3）CMOS工藝提高了MEMS/NEMS器件的性能和可靠性。

4 結(jié)語

　　雖然微納機電開關(guān)在近幾年取得了重要進展，但是仍有很長的路要走。目前，阻礙微納機電開關(guān)發(fā)展的因素主要有兩種：一是現(xiàn)有加工技術(shù)的限制，雖然MEMS加工技術(shù)和CMOS技術(shù)已經(jīng)非常成熟，但是能夠制作特征尺寸在納米量級內(nèi)器件的手段仍然非常有限，而且大都十分昂貴。另一因素則是器件縮小至納米量級內(nèi)時引起的物理、化學(xué)等性質(zhì)的變化，如毛細力、范德華力等，解決這一障礙牽涉到機械、物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)等多門學(xué)科，需要研究者具有扎實的理論知識。將來對微納機電開關(guān)的研究工作應(yīng)集中在減小開關(guān)尺寸、降低閾值電壓、增加響應(yīng)速度、消除粘附力等方面。而在加工工藝方面，為了實現(xiàn)與CMOS器件的集成，CMOS技術(shù)在微納機電開關(guān)上的應(yīng)用將是未來的發(fā)展趨勢。

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