基于图形化SOI衬底的氮化镓微驱动器的研究

发布时间：2017-10-08 16:03

  本文关键词：基于图形化SOI衬底的氮化镓微驱动器的研究

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【摘要】：光微机电系统(MOEMS)由于其微型化、可集成化、可批量生产等优点成为21世纪研究的热点,广泛应用于光通信系统、光学显示、光电子器件等领域,推动了通信、医疗、军事、航空航天等事业的快速发展。作为MOMES的驱动单元,静电梳齿结构微驱动器的研究具有巨大的现实意义。另外,第三代宽半导体材料氮化镓具有宽直接禁带、发光性能优异,在高温、高频、大功率工作条件下性能优越等优点,成为MOEMS的理想材料。氮化镓的生长基片主要是蓝宝石、碳化硅、硅/SOI基片。由于SOI基片上可以生长出较大面积的氮化镓薄膜,且与硅的微加工技术兼容,SOI基氮化物的新型集成器件可能成为一个有发展前途的研究方向。因此,本文对基于图形化SOI衬底的氮化镓静电梳状微驱动器进行了研究。本文利用COMSOL有限元软件对硅基GaN静电驱动器进行了建模仿真,分析了结构参数对静电梳状微驱动器性能的影响。对硅基GaN静电驱动器的前六阶模态的本征频率与振型进行了分析,得到一阶模态和三阶模态。在硅基GaN静电驱动器研究的基础上,设计了基于SOI衬底的氮化镓可动微光栅,该光栅利用静电梳状驱动器,在水平和垂直方向实现正交运动。利用导模共振理论对光栅进行了仿真,得到共振峰在25.742μm的光栅设计。从理论上对水平与垂直位移进行了公式推导,然后用COMSOL软件仿真优化,并对氮化镓可动微光栅进行了模态分析。器件设计完成后,在图形化SOI衬底上采用分子束外延生长氮化镓从而完成该器件的制备。最后,通过实验测试了微光栅在驱动器带动下产生的位移。水平位移的理论值与实际值之间存在偏差,而垂直位移与电压的平方呈线性关系。为了研究在图形化SOI衬底上采用氮化镓分子束外延得到的多量子阱的光学性能,用激光拉曼光谱仪测试了氮化镓膜的光致发光光谱,并对光谱进行了分析。
【关键词】：微机电系统 梳状静电微驱动器 图形化SOI衬底 氮化镓 光栅
【学位授予单位】：南京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH-39;TN304.2
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 专用术语注释表9-10
• 第一章 绪论10-23
• 1.1 引言10-16
• 1.1.1 MEMS的发展历史10-12
• 1.1.2 MEMS国内外研究状况12-15
• 1.1.3 MEMS的加工工艺15-16
• 1.2 GaN材料性能以及在MEMS中的应用16-18
• 1.3 课题研究的背景和意义18-21
• 1.3.1 课题研究的背景18-20
• 1.3.2 课题研究的意义20-21
• 1.4 课题研究的主要内容21-23
• 第二章 MEMS驱动器及静电梳齿驱动器工作原理23-32
• 2.1 引言23
• 2.2 微驱动器的分类23-25
• 2.3 静电微驱动器工作原理25-31
• 2.3.1 平行平板驱动器工作原理25-28
• 2.3.2 静电梳状驱动器工作原理28-31
• 2.4 静电微驱动器的优缺点31
• 2.5 本章小结31-32
• 第三章 硅基氮化镓静电梳状微驱动器的仿真分析32-41
• 3.1 前言32
• 3.2 有限元分析和COMSOL Multiphysics32-34
• 3.3 硅基氮化镓静电微驱动器的仿真分析34-40
• 3.3.1 模型建立34-36
• 3.3.2 模拟仿真分析36-38
• 3.3.3 静电微驱动器模态分析38-40
• 3.4 本章小结40-41
• 第四章 基于图形化SOI衬底的氮化镓可动光栅的设计和加工41-58
• 4.1 前言41
• 4.2 MOMES以及微光栅的应用41-42
• 4.3 基本结构42-43
• 4.4 光栅设计43-45
• 4.4.1 亚波长光栅和导模共振原理43-44
• 4.4.2 光栅模拟仿真分析44-45
• 4.5 可动光栅微镜的梳状静电驱动设计45-54
• 4.5.1 正交驱动原理45-48
• 4.5.2 模型建立48-49
• 4.5.3 模拟仿真结果分析及优化49-53
• 4.5.4 模态分析53-54
• 4.6 基于图形化SOI衬底的氮化镓可动光栅的微加工54-57
• 4.7 本章小结57-58
• 第五章 基于图形化SOI衬底的氮化镓可动光栅的实验与特性测试58-66
• 5.1 前言58
• 5.2 测试仪器58-59
• 5.3 基于图形化SOI衬底的氮化镓可动光栅微镜59-62
• 5.3.1 基于图形化SOI衬底的氮化镓可动光栅微镜的FE-SEM图59-61
• 5.3.2 基于图形化SOI衬底的氮化镓可动光栅的位移61-62
• 5.4 InGaN/GaN多量子阱薄膜光致发光光谱特性研究62-65
• 5.4.1 光致发光光谱（PL）62-63
• 5.4.2 InGaN/GaN多量子阱薄膜的光学特性63-65
• 5.5 本章小结65-66
• 第六章 总结与展望66-68
• 6.1 本论文工作总结66-67
• 6.2 未来进一步工作展望67-68
• 参考文献68-71
• 附录1 攻读硕士学位期间撰写的论文71-72
• 附录2 攻读硕士学位期间参加的科研项目72-73
• 致谢73

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本文编号：994945