0 引言

　　互補金屬氧化物半導體(CMOS)的出現為半導體行業的發展提供了強大的動力，在制作微型化、快速、低成本的電子產品方面取得了巨大的成功[1]。隨著大規模集成電路的發展，CMOS晶體管的特征尺寸進入納米級別，CMOS正面臨巨大的發展瓶頸，柵極泄漏、短溝道效應、結漏等[2-3]極大地阻礙了微電子技術的發展，微納機電開關的出現在很大程度上彌補了半導體開關的不足。微納機電開關是在微機電系統的基礎上發展起來的特征尺寸在微米或納米量級內的機械開關，包括微機電（MEMS）開關和納機電（NEMS）開關。微納機電開關具有體積小、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。隨著科技的進步，航空航天、通信、計算機等高端前沿領域對低功耗微型器件的需求變得尤為迫切，在傳統的半導體開關已不能滿足這種需求的同時，微納機電關極可能擔當起這一重要使命。

1 微納機電開關應用

　　微納機電開關的研究受到了各國學者的重視，目前，部分微納機電開關已經實現商業化應用，特別是在MEMS開關與射頻器件的結合方面。隨著通信技術的發展，小體積、低功耗、高性能、多功能的射頻設備成為無線電領域的發展趨勢，射頻器件朝著微型化和集成化的方向發展，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開關在射頻器件上的應用為解決上述問題提供了突破口，RF MEMS開關具有寬帶、低損耗、線性等優點。經過20余年的發展，RF MEMS開關已經成為射頻器件中不可或缺的一員，其應用領域也擴展到防御應用的雷達系統、衛星通信系統、無線電通信系統、儀器系統等。MEMS開關在射頻領域內的應用已經趨于成熟，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通過增加驅動電極的面積使驅動電壓降到了1.3 V，且電學性能良好，能夠通過共面波導傳輸線應用在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開關在不停的循環工作中容易誘發疲勞失效，因此對穩定性有較高的要求。2013年David等人制作了一種RuO2-Au接觸開關，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]，能夠連續工作100億次，極大地提高了使用壽命。國內的學者在RF MEMS開關的研究中也做出了突出貢獻，東南大學的研究者將射頻微機電開關的應用頻率提高到了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，這種開關能夠應用在甚寬帶通信設備中[6]。隨著研究的進一步深入，相信MEMS開關在射頻器件中的應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量已經從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]，而且電子元器件經常性充放電所造成的泄漏功耗也將降低系統的使用壽命。作為一種機械開關，NEMS開關不存在CMOS晶體管在納米量級內所面臨的問題。與MEMS開關相比，NEMS開關的體積更小、速度更快。目前，NEMS開關的應用主要集中在數字邏輯電路和非易失存儲器上。雖然NEMS開關還處在實驗研究階段，但是已有相關學者在該領域取得了重大突破。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[9]可以克服泄漏電流對場效晶體管的限制，應用在非易失存儲器中。測試結果表明，該微型開關具有良好的開/關特性，亞閾值擺幅接近于零（約為4 mV/decade），開關的閉合時間達到了3 μs。2013年國外的Daesung Lee用一種NEMS開關成功組合成了一個2-1邏輯轉換門電路[10]，并可以根據二元決策圖實現任何邏輯功能，Daesung Lee的研究工作展示了NEMS開關在邏輯電路中的巨大潛能。

2 微納機電開關分類

　　微納機電開關根據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）開關和納機電（NEMS）開關，微機電開關的特征尺寸在微米量級，而納機電開關的特征尺寸在納米量級。根據驅動方式的不同則可以分為熱驅動型、壓電型、電磁型和靜電型[11]。相比其他類型的微型開關，靜電驅動型微機械開關結構簡單、控制方便，而且功耗小、響應頻率高、便于集成，這類開關的研究起始早，原理成熟，是目前微納機電開關的研究熱點。

　　微納機電開關根據驅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也有各自的優缺點。最初的研究多集中在縱向型，縱向結構更符合微細加工自上而下的工藝方式，可以方便地優化彈性梁結構，驅動電極面積、氣隙大小等結構參數，驅動電壓能降到很低，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，由此產生的套準誤差將影響開關的性能。近年來對于微型開關的研究越來越趨向于橫向驅動型。與縱向型微型開關相比，橫向驅動納機電靜電開關有很大的優勢[12]：（1）大多數的橫向微型開關僅需要一次光刻，工藝簡單，不存在多次光刻產生的對準誤差；（2）尺寸和形狀選擇性大；（3）容易封裝；（4）便于集成。但是橫向開關只能制作一些簡單結構，對異形梁等復雜結構則無能為力，且其氣隙是由光刻精度決定的，因此橫向驅動的微納機電開關受工藝限制較大。圖1和圖2分別為兩種不同類型的微納機電開關。

　　根據端口數量，微納機電開關可以分為兩端口型、三端口型和四端口型[15]。兩端口微納機電開關僅由彈性梁和一個電極組成，該電極同時作為驅動電極和接觸電極，這種類型的開關結構簡單，但是驅動電壓偏大，且在閉合時控制電路會與工作電路產生干涉，因此實用性不強；三端口微納機電開關在兩端口類型的基礎上增加了一個電極，實現了驅動電極和接觸電極的分離，無論斷開還是閉合，驅動電極都不參與開關的工作電路，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在接觸電極和彈性梁之間加了一層絕緣介質，彈性梁和驅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雜。目前微納機電開關的研究主要集中在三端口類型。

3 微納機電開關研究進展

　　微納機電開關作為一個極具潛力的領域經過近30年的發展，在尺寸、速度、閾值電壓、穩定性等方面取得了巨大突破。隨著電子設備朝著微型化、集成化、高精度化的方向發展，小尺寸逐漸成為評定微納機電開關性能的標準之一。微細加工工藝的發展促進了微納機電開關的小型化，目前，微納機電開關的特征尺寸已經從上世紀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）技術成功將微型開關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量、更小的占用面積，而且能在很大程度上縮小驅動電壓。2010年FENG X L制作出了一種NEMS開關，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的出現，微納機電開關的尺寸和閾值電壓將會進一步減小。

　　除了尺寸和閾值電壓，穩定性和速度也是反應微納機電開關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，微納機電開關的穩定性很差，不停的閉合工作往往導致疲勞失效，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的穩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]，微納機電開關的壽命正以指數形式增長，在穩定性方面已經能滿足實際應用需求。微納機電開關在工作過程中存在機械延遲，這種特性能被應用到非易失存儲器中，但同時也增加了器件的響應時間，而且由于受實際加工工藝的影響，氣隙、彈性梁等尺寸參數不可能無限減小，多方面的因素使得響應時間成為微納機電開關的發展障礙。目前，場效晶體管的響應時間在10 ns之內，而微米級別的機電開關仍然停留在微秒甚至毫秒級別，雖然可以通過增加驅動電壓縮短響應時間，但是工作電壓的增加勢必會影響微納機電開關與CMOS器件的集成。理論分析表明，微納機電開關的速度與器件的尺寸是成反比關系的，隨著微型開關的特征尺寸進入納米量級，其響應時間也縮短到了納秒級別。在Rhesa Nathanael[15]設計的微納機電開關中，當驅動電壓為7.6 V時，開關的響應時間為100 ns左右。而根據KAM H[20]等人的研究，如果微納機電開關的尺寸能減小到90 nm，那么其響應時間將能縮減至10 ns，已與晶體管處于同一水平內。

　　金屬良好的導電性和易得性使其成為研究微納機電開關的主要材料，隨著研究的深入，微納機電開關的材料選擇正朝著多元化的方向發展，已由最初的金屬擴展到了半導體和陶瓷等材料。2004年出現了以碳納米管為結構材料的NEMS開關[21]，該開關的初始氣隙為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用前景。碳納米管具有良好的物理和化學性質，它的重量輕、強度高、耐腐蝕，是制作微納機電開關的理想材料，但是碳納米管在制作過程中數量和位置的不確定性阻礙了其在微納機電開關上的應用。2008年，Weon Wi Jang[22]將目光投向了高熔點、高硬度、耐磨損、導電性良好的TiN金屬陶瓷材料，并將其成功應用到微納機電開關中，研制成功了包括彈性梁式固支梁式的TiN開關，如圖4所示。其中，彈性梁式開關泄漏電流為零，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結合以及實現更好的集成度，多晶硅也正被越來越多的應用到微納機電開關中，但是鑒于多晶硅的導電性并不是十分理想，往往需要在其表面生長一層高導電性物質。圖1便是用多晶硅制作的微納機電開關，為了防止開關在閉合的過程中產生“微焊接”并增加導電性，在鍺硅上淀積了一層金屬鎢，其最小氣隙為50 nm，驅動電壓能夠降到2 V左右，整個開關的占用面積僅為4 μm2，而且具有很高的穩定性[13]。材料等相關領域的發展會繼續擴展微納機電開關的材料選擇，越來越多的新物質將會被應用進來。

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

4 結語

　　雖然微納機電開關在近幾年取得了重要進展，但是仍有很長的路要走。目前，阻礙微納機電開關發展的因素主要有兩種：一是現有加工技術的限制，雖然MEMS加工技術和CMOS技術已經非常成熟，但是能夠制作特征尺寸在納米量級內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時引起的物理、化學等性質的變化，如毛細力、范德華力等，解決這一障礙牽涉到機械、物理、化學、數學等多門學科，需要研究者具有扎實的理論知識。將來對微納機電開關的研究工作應集中在減小開關尺寸、降低閾值電壓、增加響應速度、消除粘附力等方面。而在加工工藝方面，為了實現與CMOS器件的集成，CMOS技術在微納機電開關上的應用將是未來的發展趨勢。

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