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氮化镓(Gallium Nitride,GaN)材料,在光电器件以及高频、高功率微波器件领域已经取得了令人瞩目的科研成果,并被称为继硅和砷化镓之后的“第三代半导体材料”。氮化镓材料稳定的性质使其制成的器件适合于工作在高温、高酸碱度等恶劣环境。氮化镓作为一种宽禁带(3.4 eV)半导体材料,具有优异的材料特性,例如,大的杨氏模量(约300 Gpa),优良的压阻特性(GF约等于130)和压电特性、良好的化学稳定性和生物兼容性等;这使得氮化镓成为一种极具应用前景的微机械系统(MEMS)材料。利用氮化镓材料制成的器件将特别适合于航天、航空、军事、勘探等领域的应用,这些领域要求器件在恶劣环境或者特殊环境下保持正常的工作状态。
然而,在氮化镓真正作为MEMS器件制造材料之前,其加工工艺技术仍有很多问题需要解决,尤其是针对集成氮化镓MEMS工艺。以往国内、外报道的氮化镓MEMS工艺研究以湿法腐蚀、释放,背面穿通释放等技术为主,存在易衬底粘附、工艺复杂度高、效率低等问题。而在集成氮化镓MEMS方面,有关实现基于氮化镓的信号处理、分析电路同MEMS可动结构的集成,在本论文撰写阶段尚无公开发表的论文报道。
基于正面干法刻蚀、释放的工艺技术可以克服以往的工艺问题,具有工艺成品率高、工艺步骤简化、工艺可控度高等特点;而基于硅衬底的氮化镓材料系统(GaN-on-Silicon)沿袭了硅基工艺的特点,具有易于加工、沿用已有工艺经验等优势,适合于作为MEMS器件平台。因此,本文以硅衬底上的氮化镓材料作为MEMS工艺研究重点,创新性的提出了一种基于全干法正面释放技术的集成氮化镓MEMS工艺;并利用该工艺方法成功地实现了多种氮化镓MEMS器件。
本文针对集成氮化镓MEMS工艺开展了重点的研究。提出并验证了铝镓氮/氮化镓(AlGaN/GaN)异质结压敏电阻器件以及氮化镓HEMT电子器件作为传感单元与MEMS可动结构相结合的集成氮化镓MEMS工艺技术。利用该集成工艺技术,本文首次实现了集成大尺寸氮化镓MEMS可动结构的氮化镓加速度计结构,属于创新性研究成果。在此基础之上,本文首次提出了一种将集成增强型/耗尽型HEMT的信号分析、处理电路同氮化镓MEMS可动结构相结合的工艺技术。该集成工艺与增强型/耗尽型氮化镓HEMT工艺相兼容,具有加工步骤简化、制造成品率高、可以实现复杂MEMS器件等优点。
本文以研究工艺原理及工艺步骤为主,以实际器件、结构加工为研究重点。在提出的创新性工艺方法的基础上,加工实现了多种氮化镓MEMS结构、以及集成氮化镓MEMS器件,例如,氮化镓MEMS残余应力指针结构、集成氮化镓MEMS加速度计结构等。并对加工结果进行了包括电子显微镜检测、光学轮廓仪检测、微拉曼光谱分析检测、MEMS可动结构的微翘曲/微位移实验等测试工作。对器件、结构加工结果和性能分别进行了定性、定量的分析讨论;对氮化镓材料实际应用于微机械系统的可行性进行了实践上的检验。