HEMT器件力電耦合傳感特性測(cè)試*

胡宇光，劉 俊，王 勇

(1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原030051;2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北石家莊050051)

0 引言

當(dāng)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(guó)研究的熱點(diǎn)，同時(shí)GaN基器件以其寬禁帶、高擊穿、強(qiáng)耐壓等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在航空航天、固態(tài)激光器、微波通信等領(lǐng)域［1～3］。由于 AIGaN/GaN自發(fā)極化和壓電極化的作用，異質(zhì)界面中二維電子氣(2DEG)的濃度對(duì)應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)極端敏感，由應(yīng)力和應(yīng)變導(dǎo)致HEMT器件輸出變化的相關(guān)研究工作還比較少，主要原因是如何將應(yīng)力和應(yīng)變引入HEMT器件中，使之對(duì)HEMT器件中的2DEG產(chǎn)生調(diào)制作用。制備μm級(jí)別的HEMT器件和傳感結(jié)構(gòu)的集成就成為本文研究的關(guān)鍵所在，并將該微結(jié)構(gòu)置于高低溫箱，通過(guò)拉曼激光光譜儀監(jiān)控不同溫度下HEMT器件位置處GaN材料中的應(yīng)力變化，測(cè)試HEMT器件輸出電流的變化，從而得到應(yīng)力變化與HEMT器件輸出之間的關(guān)系，得到了Vgs=－1 V狀態(tài)下HEMT器件對(duì)應(yīng)力的靈敏度與線性度，對(duì)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(chǔ)。

1 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1所示為微結(jié)構(gòu)與HEMT器件集成的剖面圖。Si基質(zhì)量塊—懸臂梁結(jié)構(gòu)采用了傳統(tǒng)的體硅微加工工藝，經(jīng)過(guò)濕法與干法刻蝕，形成懸臂梁與質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)，并且在懸臂梁的根部利用半導(dǎo)體器件工藝結(jié)成了GaN基HEMT器件。

圖1 微懸臂梁與HEMT器件集成結(jié)構(gòu)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(zhì)界面的量子阱中聚集了大量的電子，被稱之為2DEG，經(jīng)過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)其 2DEG 濃度高達(dá) 1013/cm2［4～6］。

圖2 GaN基HEMT結(jié)構(gòu)示意圖Fig 2 The sketch map of HEMT structure based on GaN

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jì)SEM圖，HEMT器件與Si四懸臂梁質(zhì)量塊微結(jié)構(gòu)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(gè)極制作在結(jié)構(gòu)框架上，這樣可以減小慣性對(duì)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(shè)定柵壓為步進(jìn)式－2.5～0 V，漏源電壓為掃描式0～5 V，測(cè)試結(jié)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(jì)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(cè)試

實(shí)驗(yàn)采用高低溫箱、拉曼光譜儀與安捷倫4156C組成的測(cè)試平臺(tái)，將HEMT微結(jié)構(gòu)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(chǎn)生最大的應(yīng)力效果。應(yīng)力會(huì)影響AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)截面處的壓電極化強(qiáng)度，從而導(dǎo)致HEMT器件2DEG濃度發(fā)生變化，造成HEMT器件輸出電流的改變。然而熱過(guò)程中，微結(jié)構(gòu)會(huì)因?yàn)闇囟鹊馗淖兌l(fā)生形變，質(zhì)量塊與懸臂梁的形變可以導(dǎo)致懸臂梁地彎曲，造成懸臂梁根部的應(yīng)力變化，這樣通過(guò)監(jiān)測(cè)GaN材料中拉曼峰的變化就可以計(jì)算應(yīng)力的變化值。利用拉曼光譜監(jiān)控GaN材料中拉曼峰隨溫度變化而發(fā)生的頻移，通過(guò)GaN拉曼峰與應(yīng)力之間的關(guān)系計(jì)算出不同溫度GaN受到的張應(yīng)力值。并且根據(jù)材料結(jié)構(gòu)與HEMT器件材料層，HEMT器件受到的張應(yīng)力隨著溫度的升高而降低，拉曼的監(jiān)測(cè)結(jié)果也驗(yàn)證了GaN材料中應(yīng)力隨溫度升高而降低。

通過(guò)監(jiān)測(cè)結(jié)果還發(fā)現(xiàn)在微結(jié)構(gòu)的邊框位置由于襯底面積大，熱過(guò)程對(duì)HEMT器件中GaN的拉曼峰影響非常小?？梢钥隙ㄖ糜诹焊康腍EMT器件在熱過(guò)程中不僅受到溫度對(duì)器件輸出特性的影響，而且還受到微結(jié)構(gòu)因形變而產(chǎn)生的應(yīng)力對(duì)于器件輸出特性的調(diào)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(duì)于HEMT器件的輸出都有同樣的變化趨勢(shì)，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(yīng)力變化造成的。利用這個(gè)方法來(lái)測(cè)試HEMT器件的力電耦合特性。而不同溫度下，GaN材料中張應(yīng)力值包括GaN材料在Si襯底上沉積過(guò)程中由于晶格失配和熱膨脹系數(shù)失配帶來(lái)的殘余應(yīng)力值與微結(jié)構(gòu)自身由于質(zhì)量塊的作用拉伸HEMT器件而產(chǎn)生的張應(yīng)力。計(jì)算張應(yīng)力的變化情況需要排除掉共性的殘余應(yīng)力，然后將應(yīng)力值與對(duì)電流的變化值相對(duì)應(yīng)，便可以得到張應(yīng)力與HEMT輸出變化之間的關(guān)系。如圖5所示，圖中選取了柵壓為－1.5 V時(shí)HEMT器件隨張應(yīng)力的變化而導(dǎo)致輸出電流的變化情況。

圖5 應(yīng)力與漏源電流I ds的關(guān)系Fig 5 Relationship between tensile stress and I ds

結(jié)果顯示:在－1.5 V柵壓下，HEMT器件對(duì)應(yīng)力的靈敏度為123.96 MPa/mA，而線性度為6.95%。

3 結(jié)論

本文通過(guò)設(shè)計(jì)集成HEMT器件與微結(jié)構(gòu)制備出具備力電耦合特性的MEMS微懸臂梁質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)HEMT器件具備很強(qiáng)的力電耦合特性，測(cè)試結(jié)果說(shuō)明在－1.5 V柵壓下，HEMT器件對(duì)應(yīng)力的靈敏度為123.96MPa/mA，而線性度為6.95%，這個(gè)靈敏度高于硅阻結(jié)構(gòu)的靈敏度。研究HEMT器件高靈敏度的力電耦合特性對(duì)于開(kāi)發(fā)高靈敏度的高溫壓力傳感器指明了方向。

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