HEMT嵌入式微加速度计的优化设计与测试

发布时间：2020-05-23 02:15

【摘要】：基于新原理、新效应、新结构的微纳器件与系统的设计与开发已成为当前微纳机电系统(M/NEMS)技术领域的研究热点。高电子迁移率晶体管(HEMT)是一种利用表面浅结工艺技术制造的微/纳跨尺度M/NEMS器件,具有多个工作参数和工作区域,通过优化选择不同的工作区域和参数,可以实现不同域或场中的高灵敏传感与探测。本论文基于力电转换效应,提出了一种HEMT嵌入式的微纳传感结构,对HEMT嵌入式微加速度计结构的优化设计、加工和测试等方面进行了研究。首先修改了敏感单元HEMT的结构版图,优化了微加速度计结构,利用表面微电子加工工艺和MEMS体加工工艺相结合的方法,成功制备出GaAs基HEMT嵌入式微加速度计结构。研究了敏感单元HEMT的基本输出特性、栅槽刻蚀深度对器件电学参数的影响以及漏极电流温漂系数的偏压调制效应。研究结果表明单栅HEMT的性能较好;栅槽刻蚀深度对HEMT的饱和电流和阈值电压存在一定的影响;漏极电流的温漂系数受栅极电压和漏极电压的影响。同时,从静态特性和动态特性两方面研究了微加速度计的力电检测效应,给出了微加速度计的量程、灵敏度、频响特性以及压阻系数和灵敏度的偏压调制效应。研究结果表明该批加速度计的量程比前一批大,灵敏度与前一批相近;当频率小于500Hz时,加速度计的频响特性较为理想;微加速度计的压阻系数和灵敏度的大小强烈的依赖于所选择的栅极电压和漏极电压。该HEMT嵌入式微加速度计为微重力、微位移、压强等参数的测试提供了一种新的方法,为高灵敏度微传感结构的设计制造奠定了一定的基础。
【图文】：

微机械结构,敏感单元,嵌入式

形弯曲产生应变作用，在压电效应的作用下，引起场效应晶体管内部沟道机制发生变化，通过检测电流的变化来表征悬臂梁的形变。其具体的敏感单元结构以及嵌入式的微机械结构如图1.2所示[6]。图1.2敏感单元结构及嵌入式的微机械结构

SEM图,微悬臂梁,生物分子,场效应管

MOSFET的微悬臂梁结构的生化传感器。该生化传感器主要是用于测量纳米量级的微位移形变。场效应管嵌入式微悬臂梁结构的检测原理如图1.3所示。当生物分子吸附于微悬臂梁表面时，根据相关的分子作用模型，引起表面结构产生张应力或拉应力，致使微悬臂梁出现约几十纳米的弯曲变形，嵌入到悬臂梁上的MOSFET的沟道区域会产生应变。由于半导体材料的压阻效应，沟道的电子迁移率将发生改变，最后引起沟道电流的变化。对于给定栅极、源极和漏极之间偏压的三极管来说，沟道输运机制的任何变化将导致漏极电流的改变。因此提高传感器灵敏度的关键方法之一是提高半导体材料的压阻系数。图1.4是生化传感器中悬臂梁的SEM图，图1.5为两悬臂梁上应变前后MOSFET的输出特性对比[7]。图1.3.场效应管嵌入式微悬臂梁生物分子传感器原理图图1.4生化传感器中的悬臂梁的SEM图图1.5两悬臂梁上MOSFET的输出特性对比2007年，中国科学研究院的X.H. Wang等人研究了基于AlGaN/AlN/GaN HEMT的氢传感器，氢传感器主要是用于检测室温下的氢气浓度。AlGaN/AlN/GaN异质结不需要在势垒层进行掺杂
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TP368.12

【引证文献】