GaAs基HEMT嵌入式微加速度傳感器力電耦合系數(shù)研究*

田學(xué)東，薛晨陽(yáng)，王永存，劉 俊，唐 軍

(中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室電子測(cè)試技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原030051)

0 引言

隨著頻率、功率容量以及低噪聲容限需求的增加，GaAs金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MESFET)已經(jīng)達(dá)到了其設(shè)計(jì)上的極限。這些需求意味著需要具有更短溝道長(zhǎng)度、更大飽和電流和更大跨導(dǎo)的短溝道場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)。隨著分子束外延(MBE)技術(shù)的迅速發(fā)展，人們可以生長(zhǎng)出界面光滑、厚度和摻雜可控的半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)材料，且晶格匹配使生長(zhǎng)的外延薄膜具有的殘余應(yīng)力很小［1］。在眾多異質(zhì)結(jié)材料中，GaAs/AlxGa1-xAs半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)以其實(shí)用性受到人們的關(guān)注［2］。以GaAs/AlxGa1-xAs異質(zhì)結(jié)為基礎(chǔ)，利用調(diào)制摻雜技術(shù)，形成了調(diào)制摻雜場(chǎng)效應(yīng)晶體管，即高電子遷移率晶體管(HEMT)［3，4］。GaAs HEMT 中高遷移率的電子是通過(guò)高摻雜寬禁帶的n型電子供給層(n-AlGaAs)和不摻雜窄禁帶的溝道層(i-GaAs)相互作用產(chǎn)生的，器件結(jié)構(gòu)是在半絕緣GaAs襯底上生長(zhǎng)n型摻雜的AlGaAs及n+頂層，源、漏電極制作在 n+GaAs頂層上，肖特基柵制作在n-AlGaAs上。以HEMT為敏感單元的微納機(jī)械傳感器在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)引起廣泛的關(guān)注，并且在氣體、液體、生化以及射頻功率等傳感器上取得良好的效果［5～7］，而將HEMT作為敏感單元的力學(xué)傳感器的研究才剛剛起步。

本文設(shè)計(jì)了一種GaAs基HEMT嵌入式微加速度傳感器。以外延薄膜生長(zhǎng)技術(shù)與腐蝕、刻蝕MEMS結(jié)構(gòu)加工技術(shù)相結(jié)合的制造方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)GaAs基HEMT嵌入式微納傳感器結(jié)構(gòu)的制作，然后利用軟件仿真與實(shí)驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合的研究方法，在驗(yàn)證微納結(jié)構(gòu)中GaAs HEMT力電耦合效應(yīng)的同時(shí)，為新型微納機(jī)電力敏器件提供理論支撐和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 器件設(shè)計(jì)與加工

本文所設(shè)計(jì)的GaAs HEMT材料結(jié)構(gòu)如圖1所示。利用分子束外延技術(shù)在半絕緣的 GaAs襯底上先后生長(zhǎng)200 nm的高純度GaAs緩沖層、200 nm的GaAs/AlGaAs超晶格緩沖層、16 nm高純度的 GaAs溝道層、3 nm高純度的AlGaAs隔離層、摻雜濃度為5×1012cm-2的Si平面摻雜層、20 nm摻雜濃度為3×1017cm-2的AlGaAs勢(shì)壘層、50 nm摻雜濃度為5×1018cm-2的帽層。其中，GaAs/AlGaAs超晶格緩沖層主要用來(lái)避免來(lái)自襯底的各種缺陷和雜質(zhì)延伸到溝道層，影響載流子的輸運(yùn)機(jī)制［8］;隔離層位于HEMT器件溝道層與勢(shì)壘層之間，主要是將溝道層與提供電子的勢(shì)壘層在空間上分開(kāi)，從而減小溝道中的電離雜質(zhì)散射作用，增加載流子的遷移率;勢(shì)壘層主要有2個(gè)作用，一是為二維電子氣(2DEG)提供電子，二是實(shí)現(xiàn)柵極的肖特基接觸。

圖1 設(shè)計(jì)的GaAs HEMT結(jié)構(gòu)圖Fig 1 Structure diagram of designed GaAs HEMT

本文所設(shè)計(jì)的GaAs基HEMT嵌入式微加速度傳感器是基于高力敏HEMT的“力電轉(zhuǎn)換原理”來(lái)實(shí)現(xiàn)力學(xué)傳感。加速度計(jì)采用十字梁結(jié)構(gòu)，并將HEMT放于懸臂梁的根部附近(應(yīng)力最大處)，微結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。當(dāng)傳感器感受加速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊發(fā)生偏移，帶動(dòng)支撐梁產(chǎn)生扭曲或彎曲等形變，懸臂梁的形變將引起其根部HEMT的溝道產(chǎn)生應(yīng)力變化，半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)隨之發(fā)生相應(yīng)變化，從而導(dǎo)致二維電子氣限制作用變化，并影響到溝道電子的濃度，最終反映到HEMT的I-V特性變化，利用適當(dāng)?shù)耐鈬娐穼⑦@種變化轉(zhuǎn)換為可測(cè)量信號(hào)，如電流、電壓等形式輸出，經(jīng)過(guò)標(biāo)定就可建立輸出信號(hào)與被測(cè)加速度之間的關(guān)系，從而測(cè)量外界加速度。

GaAs基HEMT嵌入式微加速度傳感器制作工藝主要由兩部分組成:敏感單元HEMT的制作工藝和傳感器微結(jié)構(gòu)的制作工藝。本設(shè)計(jì)以外延薄膜生長(zhǎng)技術(shù)與腐蝕、深刻蝕結(jié)構(gòu)加工技術(shù)相結(jié)合的工藝制造方法，實(shí)現(xiàn)MEMS工藝與微電子工藝結(jié)合。首先在GaAs襯底上制作HEMT結(jié)構(gòu)，再利用淀積鈍化層的方法對(duì)正面加以保護(hù)，通過(guò)背面合理的掩模布局，用濕法腐蝕和干法深刻蝕相結(jié)合的辦法從背面成型并釋放質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)，最終得到GaAs基HEMT嵌入式微加速度傳感器結(jié)構(gòu)。利用上述工藝步驟加工出的GaAs HEMT和微結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 微結(jié)構(gòu)示意圖Fig 2 Schematic diagram of microstructure

圖3 GaAs HEMT(左)和懸臂梁—質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)(右)的SEM圖Fig 3 SEM image of GaAs HEMT(left)and cantilever mass structure(right)

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

為測(cè)量GaAs基HEMT微加速度傳感器敏感單元HEMT的力電耦合系數(shù)，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了基于半導(dǎo)體特性分析儀Agilent 4156C，Polytec微系統(tǒng)分析儀、離心機(jī)以及ANSYS仿真軟件的力電耦合測(cè)試系統(tǒng)。其中，半導(dǎo)體特性分析儀Agilent 4156C用于測(cè)量加速度傳感器在Z方向不同加速度下敏感單元HEMT的源漏電流輸出;Polytec微系統(tǒng)分析儀用于測(cè)量加工出的加速度計(jì)微結(jié)構(gòu)(懸臂梁和質(zhì)量塊)實(shí)際尺寸;離心機(jī)用于產(chǎn)生Z方向上不同的加速度;再利用ANSYS有限元分析軟件對(duì)基于Polytec微系統(tǒng)分析儀所測(cè)數(shù)據(jù)的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力仿真，算出微結(jié)構(gòu)在不同加速度下懸臂梁的最大應(yīng)力。通過(guò)上述方法測(cè)試/計(jì)算出GaAs基HEMT微加速度傳感器力電耦合系數(shù)。

2.2 實(shí)驗(yàn)分析

首先將傳感器平放在水平臺(tái)上(此時(shí)加速度大小為1gn)，利用Agilent 4156C測(cè)量敏感單元HEMT的I-V特性;將傳感器固定在離心機(jī)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上，將HEMT的3個(gè)測(cè)試電極(柵極、源極、漏極)通過(guò)離心機(jī)的數(shù)據(jù)采集線連接到Agilent 4156C上。通過(guò)離心機(jī)對(duì)微加速度計(jì)施加不同的加速度值(3～15gn，間隔2gn)，在每個(gè)加速度值下待離心機(jī)旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定后，利用Agilent 4156C測(cè)量敏感單元HEMT的I-V特性曲線如圖4所示。其中，HEMT柵電壓VGS=0.7 V，漏電壓VDS為0～3 V，源極接地。

圖4 不同加速度下HEMT的I-V特性Fig 4 I-V characteristics of HEMT with different acceleration

圖5 懸臂梁—質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)應(yīng)力仿真(1g n)Fig 5 Stress simulation of cantilevers-mass(1g n)

由圖5可以看出:最大應(yīng)力在懸臂梁梁根部10μm附近，且通過(guò)仿真數(shù)據(jù)(表1)可以看出最大應(yīng)力與加速度呈正比。

通過(guò)上述步驟得到GaAs HEMT的力電耦合系數(shù)［9］

其中，δI為電流變化率，Δσ為應(yīng)力變化量。所以，得到GaAs基HEMT微加速度傳感器在不同加速度下的力電耦合系數(shù)如表1所示。

表1 不同加速度下HEMT的電流變化率、懸臂梁最大應(yīng)力及HEMT力電耦合系數(shù)Tab 1 Current change rate，biggest stress of cantilevers and electro-mechanical coupling coefficient of HEMT with differrent accelerations

由于Agilent 4156C所測(cè)HEMT輸出電流共有3位有效數(shù)字，當(dāng)柵電壓VGS=0.7 V時(shí)，HEMT的輸出電流均大于10 mA，其電流誤差小于0.1 mA，所以，誤差電流的相對(duì)變化率為

當(dāng)加速度為1gn時(shí)HEMT飽和區(qū)的輸出電流I0為25.1 mA，此時(shí)誤差電流相對(duì)變化率為0.398%，當(dāng)加速度為15gn時(shí)懸臂梁根部的最大應(yīng)力為2295673Pa，由式(1)得到系統(tǒng)誤差為0.186×10-8Pa-1。可見(jiàn)，在低量程范圍內(nèi)(1～17gn)，GaAs基HEMT微加速度傳感器敏感單元HEMT的力電耦合系數(shù)最大為(2.604±0.186)×10-8Pa-1，最小為(2.592±0.118 6)×10-8Pa-1，比常規(guī) Si力電耦合系數(shù)10-10高出2個(gè)數(shù)量級(jí)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種以GaAs HEMT作為敏感單元的微加速度傳感器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與加工，通過(guò)對(duì)所加工的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行離心機(jī)實(shí)驗(yàn)，研究了GaAs HEMT敏感方向(Z方向)不同加速度作用下的力電耦合特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:GaAs基HEMT微加速度計(jì)在其低量程范圍內(nèi)(0～15gn)HEMT力電耦合特性較穩(wěn)定，且其力電耦合系數(shù)在10-8數(shù)量級(jí)，比常規(guī)Si力電耦合系數(shù)10-10高出2個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，HEMT作為力學(xué)傳感器敏感單元其高力電耦合系數(shù)可以提高傳感器的靈敏度，為高靈敏微納傳感器的研究提供理論支撐。

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