HEMT器件力電耦合傳感特性測試*

胡宇光，劉 俊，王 勇

(1.中北大學電子測試技術國家重點實驗室，山西 太原030051;2.中國電子科技集團公司第十三研究所，河北石家莊050051)

0 引言

當前以GaN基為代表的第三代高溫、高頻、大功率微波電子器件成為各國研究的熱點，同時GaN基器件以其寬禁帶、高擊穿、強耐壓等特點被廣泛應用在航空航天、固態激光器、微波通信等領域［1～3］。由于 AIGaN/GaN自發極化和壓電極化的作用，異質界面中二維電子氣(2DEG)的濃度對應力、應變狀態極端敏感，由應力和應變導致HEMT器件輸出變化的相關研究工作還比較少，主要原因是如何將應力和應變引入HEMT器件中，使之對HEMT器件中的2DEG產生調制作用。制備μm級別的HEMT器件和傳感結構的集成就成為本文研究的關鍵所在，并將該微結構置于高低溫箱，通過拉曼激光光譜儀監控不同溫度下HEMT器件位置處GaN材料中的應力變化，測試HEMT器件輸出電流的變化，從而得到應力變化與HEMT器件輸出之間的關系，得到了Vgs=－1 V狀態下HEMT器件對應力的靈敏度與線性度，對于下一步研究GaN基HEMT高靈敏度高溫壓力傳感器奠定了基礎。

1 傳感器結構設計

圖1所示為微結構與HEMT器件集成的剖面圖。Si基質量塊—懸臂梁結構采用了傳統的體硅微加工工藝，經過濕法與干法刻蝕，形成懸臂梁與質量塊結構，并且在懸臂梁的根部利用半導體器件工藝結成了GaN基HEMT器件。

圖1 微懸臂梁與HEMT器件集成結構圖Fig 1 Structure diagram of the Si micro-cantilever integrated with HEMT devices

圖2所示為GaN基HEMT器件的模型圖，在AIGaN/GaN異質界面的量子阱中聚集了大量的電子，被稱之為2DEG，經過測試發現其 2DEG 濃度高達 1013/cm2［4～6］。

圖2 GaN基HEMT結構示意圖Fig 2 The sketch map of HEMT structure based on GaN

2 實驗結果

2.1 HEMT器件的I-V特性

圖3(a)所示為GaN基HEMT微加速度計SEM圖，HEMT器件與Si四懸臂梁質量塊微結構集成，HEMT器件如圖(b)所示，器件溝道垂直于懸臂梁且柵源漏3個極制作在結構框架上，這樣可以減小慣性對于電極的影響［7，8］。HEMT器件常溫下的I-V輸出特性如圖4所示，設定柵壓為步進式－2.5～0 V，漏源電壓為掃描式0～5 V，測試結果為HEMT器件最大飽和電流為33.8mA，器件輸出曲線平滑，IV特性良好。

圖3 GaN基HEMT微加速度計和HEMT器件SEM圖Fig 3 SEM image of micro-accelerometer and HEMT device

圖4 HEMT器件I-V基本輸出特性Fig 4 I-V basic output characteristics of HEMT device

2.2 HEMT器件力電耦合特性測試

實驗采用高低溫箱、拉曼光譜儀與安捷倫4156C組成的測試平臺，將HEMT微結構置于能夠精確控制溫度變化的高低溫箱中，將拉曼激光聚焦在HEMT器件處，利用安捷倫4156C的電纜線連接HEMT器件柵源漏極，并且精確控制溫度從－50～50℃變化，變化間隔為10℃。由于制備出的HEMT器件溝道方向與懸臂梁垂直，因此，懸臂梁彎曲可以最大程度地引起溝道形變，產生最大的應力效果。應力會影響AlGaN/GaN異質結截面處的壓電極化強度，從而導致HEMT器件2DEG濃度發生變化，造成HEMT器件輸出電流的改變。然而熱過程中，微結構會因為溫度地改變而發生形變，質量塊與懸臂梁的形變可以導致懸臂梁地彎曲，造成懸臂梁根部的應力變化，這樣通過監測GaN材料中拉曼峰的變化就可以計算應力的變化值。利用拉曼光譜監控GaN材料中拉曼峰隨溫度變化而發生的頻移，通過GaN拉曼峰與應力之間的關系計算出不同溫度GaN受到的張應力值。并且根據材料結構與HEMT器件材料層，HEMT器件受到的張應力隨著溫度的升高而降低，拉曼的監測結果也驗證了GaN材料中應力隨溫度升高而降低。

通過監測結果還發現在微結構的邊框位置由于襯底面積大，熱過程對HEMT器件中GaN的拉曼峰影響非常小。可以肯定置于梁根部的HEMT器件在熱過程中不僅受到溫度對器件輸出特性的影響，而且還受到微結構因形變而產生的應力對于器件輸出特性的調制。由于器件都是在同樣的工藝條件下制備而成了，而且溫度對于HEMT器件的輸出都有同樣的變化趨勢，因此，隨著溫度的變化，梁上器件與邊框器件的輸出值之差便是由于梁上應力變化造成的。利用這個方法來測試HEMT器件的力電耦合特性。而不同溫度下，GaN材料中張應力值包括GaN材料在Si襯底上沉積過程中由于晶格失配和熱膨脹系數失配帶來的殘余應力值與微結構自身由于質量塊的作用拉伸HEMT器件而產生的張應力。計算張應力的變化情況需要排除掉共性的殘余應力，然后將應力值與對電流的變化值相對應，便可以得到張應力與HEMT輸出變化之間的關系。如圖5所示，圖中選取了柵壓為－1.5 V時HEMT器件隨張應力的變化而導致輸出電流的變化情況。

圖5 應力與漏源電流I ds的關系Fig 5 Relationship between tensile stress and I ds

結果顯示:在－1.5 V柵壓下，HEMT器件對應力的靈敏度為123.96 MPa/mA，而線性度為6.95%。

3 結論

本文通過設計集成HEMT器件與微結構制備出具備力電耦合特性的MEMS微懸臂梁質量塊結構，通過實驗測試發現HEMT器件具備很強的力電耦合特性，測試結果說明在－1.5 V柵壓下，HEMT器件對應力的靈敏度為123.96MPa/mA，而線性度為6.95%，這個靈敏度高于硅阻結構的靈敏度。研究HEMT器件高靈敏度的力電耦合特性對于開發高靈敏度的高溫壓力傳感器指明了方向。

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