基于高遷移率晶體管的氮化鎵微機(jī)械諧振器

郭興龍，朱友華，葛 梅，李 毅，鄧洪海

（南通大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南通 226019）

20 世紀(jì)以來(lái)，集成電路（integrated circuit，IC）由于受到低品質(zhì)因數(shù)無(wú)源元器件（如集成電感器、電容器和濾波器）的限制，這使得工程師只能以有限性能的IC 器件為基礎(chǔ)或采用分立器件為單元開(kāi)展電路設(shè)計(jì)。IC 技術(shù)通常需要根據(jù)數(shù)字或傳統(tǒng)的模擬設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整，所以器件的質(zhì)量、成本和體積對(duì)片上系統(tǒng)（system on chip，SoC）有重大影響。因此，微機(jī)電系統(tǒng)（micro electro mechanical system，MEMS）[1-4]為傳統(tǒng)非芯片實(shí)現(xiàn)射頻（radio frequency，RF）子組件集成在芯片上創(chuàng)造了機(jī)會(huì)，并且為微機(jī)電設(shè)計(jì)師提供了新的設(shè)計(jì)工具，可以設(shè)計(jì)體積更輕、成本更低和更輕便的無(wú)線系統(tǒng)，進(jìn)行更高水平的系統(tǒng)集成[5-13]。

諧振器是構(gòu)建振蕩器的最基本組件，而機(jī)械式MEMS 諧振器具有較高的頻率選擇性，其體積小、可靠性高、性能穩(wěn)定，并且能夠兼容標(biāo)準(zhǔn)制造工藝而顯示出取代石英晶體諧振器的巨大潛力，所以對(duì)眾多RF 收發(fā)機(jī)子組件，MEMS 諧振器是用于濾波或生成信號(hào)的裝置。MEMS 諧振器組件可以通過(guò)提高品質(zhì)因數(shù)和降低啟動(dòng)功率獲得更高的性能，能夠提供靈活的片上再重構(gòu)的濾波性，還可以與電子裝置集成[11-12]。

MEMS 諧振器沿靜電制動(dòng)諧振器和壓電薄膜、體聲波諧振器兩個(gè)不同方向發(fā)展?？梢岳脡弘姳∧ど审w聲波（BAW），并已成功制造出相關(guān)的高頻率基準(zhǔn)振蕩器和濾波器[14-18]。然而，這種諧振器的諧振頻率在很大程度上依賴薄膜厚度，在集成電路和系統(tǒng)中被認(rèn)為是一個(gè)很難控制的參數(shù)。因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)層上鍍制出的膜層厚度通常是固定的。

氮化鎵（GaN）具有優(yōu)異的力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)和光學(xué)特性，是繼半導(dǎo)體材料硅之后的光電、射頻設(shè)備和直流電源轉(zhuǎn)換器常用的材料[19-20]。GaN 具有的壓電材料高聲速的特性可做為諧振器與高電子遷移晶體管（high electron mobility transition，HEMT）的共集成放大器[21-22]。GaN 能夠在AlGaN/GaN 界面上由于自發(fā)極化和壓電極化而形成具有較大電荷密度（1013cm-2）和較高的電子遷移率（1 000 cm2/（v·s））的二維電子氣（two-dimensional electron gas，2DEG）層，其壓電系數(shù)為e31=-0.33 C/m2，e33=0.65 C/m2，是制備HEMT 的理想材料，這些特性使GaN 成為MEMS諧振器的一種合適的材料[23]。GaN 屬于寬禁帶半導(dǎo)體材料，由此做成的傳感器能夠承受高電場(chǎng)和高溫，是一種能夠在惡劣環(huán)境中工作的器件[24-25]。在射頻功率電子學(xué)中、氮化鎵異質(zhì)結(jié)構(gòu)中具有的高電子遷移率的二維電子氣體可以用于制造高頻諧振傳感器的壓電器件[26]。此外，氮化鎵具有壓電效應(yīng)的輸運(yùn)機(jī)制作用[27-29]能夠?qū)⑿⌒盘?hào)放大后耦合到諧振器[30]，可以利用氮化鎵內(nèi)部壓阻效應(yīng)制作有源器件晶體管。

本文結(jié)合氮化鎵具有的半導(dǎo)體及壓電性能把其諧振器集合到MMIC 工藝中，主要是使用AlGaN/GaN 界面和異質(zhì)結(jié)構(gòu)的壓電特性能夠?qū)K體中產(chǎn)生的壓電極化轉(zhuǎn)換為放大電流這一特性，設(shè)計(jì)制作了一款GaN 微機(jī)械諧振器，此器件便于與微波電路集成，能夠抑制器件自身產(chǎn)生的寄生干擾。此外，這可以用來(lái)減少輸入電子器件的電容。具有較高的品質(zhì)因數(shù)的氮化鎵諧振器可以用于窄頻帶調(diào)制振蕩器、固定頻率的振蕩器和一些無(wú)線傳感器、聲表面濾波器，并且能夠和現(xiàn)有的IC 良好地兼容，因此，將來(lái)有望取代現(xiàn)有的石英晶體諧振器，并且能夠顯示出比石英晶體諧振器更高的可靠性。國(guó)內(nèi)鮮有此類研究報(bào)道，國(guó)外一些研究單位對(duì)GaN MEMS 諧振器做了一定的研究[31-36]，這些研究具有一定的借鑒意義?；谝陨戏治觯疚难芯吭O(shè)計(jì)和制作一種使用氮化鎵的二維電子氣的壓電極化特性的諧振器，其工作頻率為26.3 MHz。文章對(duì)器件的流片過(guò)程作了一定的說(shuō)明，通過(guò)對(duì)器件進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明HEMT的柵極電壓引起的溝道的2DEG 對(duì)諧振器的機(jī)電轉(zhuǎn)換特性具有一定的影響，提高了其性能。

1 器件原理和設(shè)計(jì)

常用的ZnO、AlGaAs、AlN 和PbZrTiO3等壓電材料主要用硅作為結(jié)構(gòu)層，這些應(yīng)用的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是有效的機(jī)電轉(zhuǎn)換，尤其是在追求更高的共振頻率和更高的靈敏度時(shí)，共振機(jī)械運(yùn)動(dòng)的電驅(qū)動(dòng)和傳感方案（包括靜電、磁動(dòng)和壓電能量的轉(zhuǎn)換）技術(shù)要求比較高。然而，隨著器件尺寸和驅(qū)動(dòng)面積的減小，靜電和磁力耦合的效率降低，對(duì)小間隙尺寸的需求需要額外的技術(shù)努力，并且在非常高磁場(chǎng)強(qiáng)度的地方，器件需要復(fù)雜的工作裝置。作為替代方案，可以通過(guò)使用壓電耦合諧振器來(lái)增強(qiáng)微型器件中的耦合強(qiáng)度。

壓電GaN 微機(jī)械諧振器通常由一個(gè)可釋放的結(jié)構(gòu)底層組成，該底層控制著器件的彈性特性。由一個(gè)薄的壓電頂層提供驅(qū)動(dòng)，壓電頂層封閉在兩個(gè)金屬層之間，用作頂部和背面電極。AlGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)構(gòu)由于結(jié)合了Ⅲ族氮化物的熱釋電和壓電特性[37]，因此該材料的結(jié)構(gòu)品質(zhì)和固有特性適合在小尺寸、以低固有損耗下實(shí)現(xiàn)高頻諧振[38]，而且2DEG具有良好的導(dǎo)電性為形成壓電換能器奠定了基礎(chǔ)，2DEG 對(duì)機(jī)械應(yīng)力具有明確的敏感性，這為HEMT器件的設(shè)計(jì)形成奠定了基礎(chǔ)。

本文設(shè)計(jì)的GaN 諧振器如圖1 所示，器件制作在厚度為625 μm、晶向<111>高阻硅襯底上，其上為1.2 μm 的緩沖層，再上層為GaN，最上層為Al0.22Ga0.78N，厚度分別為0.8 μm 和20 nm，最后設(shè)計(jì)優(yōu)化尺寸為70 μm×100 μm 的矩形板結(jié)構(gòu)。HEMT 結(jié)構(gòu)為柵極（G）、源極（S）和漏極（D）三端電極控制器件，肖特基接觸構(gòu)成柵極，歐姆接觸構(gòu)成源極和漏極。通過(guò)調(diào)節(jié)相對(duì)于源極的柵極電壓，從而調(diào)控溝道中的二維電子氣（2DEG）密度，實(shí)現(xiàn)了柵極電壓和漏極電壓對(duì)漏極電流（輸出電流）的控制，并且柵極、源極和漏極3 個(gè)電極均制作在器件的同一側(cè)表面，二維電子氣所形成的電流在溝道中做水平流動(dòng)。AlGaN/GaN HEMT 器件中的2DEG的密度可通過(guò)求解有外加?xùn)艠O電壓時(shí)的薛定愕方程和泊松方程得到。器件在近似耗盡情況下，即是在柵極下的肖特基結(jié)的耗盡區(qū)和AlGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)的耗盡區(qū)交疊時(shí)，AlGaN 區(qū)的耗盡層電荷分布通過(guò)求解泊松方程即可得到。當(dāng)AlGaN 區(qū)的耗盡電荷等于阱中電荷時(shí)，溝道中的2DEG 面密度與柵極電壓的關(guān)系可以用式（1）表達(dá)，

式中：ε（x）為AlGaN 的介電常數(shù)；d 為摻雜AlGaN的厚度和為非摻雜AlGaN 隔離層的厚度之和；Vgs為外加?xùn)艠O電壓；Vth是二維電子氣完全耗盡時(shí)的柵極電壓-閾值電壓。AlGaN/GaN HEMT 器件能通過(guò)外加?xùn)艍嚎刂茰系赖?DEG 面密度，在異質(zhì)結(jié)界面束縛了大量的電子，從而形成高濃度的2DEG，實(shí)現(xiàn)輸出漏極電流隨外加?xùn)艍汉吐O電壓的變化而變化。施加偏壓的HEMT 器件能夠加強(qiáng)壓電材料極化強(qiáng)度，進(jìn)而增強(qiáng)了壓電薄膜和電極組成的微機(jī)械諧振器的剪切振動(dòng)模式。

在圖1 中，為了降低肖特基柵極的漏電流并便于形成電流調(diào)制作用的勢(shì)壘，AlGaN/GaN HEMT 的柵極采用肖特基接觸；源電極和漏電極均要求是歐姆接觸電極，便于通態(tài)電阻通過(guò)良好的歐姆接觸得以降低，從而能夠產(chǎn)生較大輸出電流，使得器件工作在良好的穩(wěn)定性狀態(tài)。因此，采用Ni/Au 黏附性較好的接觸制做肖特基接觸金屬。為了降低源極和漏極之間的接觸電阻，金屬與半導(dǎo)體接觸時(shí)可以形成非整流接觸，采用多層金屬歐姆接觸Ti/Al/Ni/Au 制作了歐姆接觸。

器件的諧振頻率可由圖2 中RLC 簡(jiǎn)單等效電路描述，電極與壓電材料構(gòu)成的靜電容由式中C1表示，諧振器的頻率響應(yīng)由L 和C0決定，器件的損耗為R。由圖2 能夠得到串、并聯(lián)兩個(gè)諧振頻率，RLC支路發(fā)生串聯(lián)諧振，這個(gè)是極化向量與電場(chǎng)同相位時(shí)得到的，串聯(lián)諧振頻率為

圖2 諧振器等效電路圖Fig.2 Equivalent circuit diagram of resonator

電場(chǎng)與極化向量反相位，與C1產(chǎn)生并聯(lián)諧振，諧振諧頻率聲波損耗最小，諧振頻率為

器件的有效機(jī)電耦合系數(shù)為

HEMT 結(jié)構(gòu)中壓電薄膜的材料性能對(duì)有效機(jī)電耦合系數(shù)K 有一定的影響。壓電薄膜的表面形貌會(huì)導(dǎo)致散射、電極損耗，從而影響器件品質(zhì)因數(shù)。為了避免對(duì)器件品質(zhì)因數(shù)產(chǎn)生影響，在器件制作過(guò)程中采用了無(wú)需加載功率的XeF2氣體對(duì)硅基底進(jìn)行各向同性刻蝕，可以避免對(duì)器件結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附件損傷，降低了器件的殘余應(yīng)力及粗糙度，避免雜質(zhì)和缺陷造成的散射。

2 工藝制作

因?yàn)槲C(jī)電系統(tǒng)沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的工藝庫(kù)，所以制作每種MEMS 器件都有著不同的工藝步驟和方法。本文使用的AlGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)樣品是通過(guò)MOCVD（金屬-有機(jī)-化學(xué)-氣相沉積）在<111>Si 襯底上生長(zhǎng)的。外延層由一個(gè)GaN 緩沖層和20 nm Al0.22Ga0.78N（見(jiàn)圖3（a））組成，器件的制造工藝流程如圖3 所示。首先，利用ICP-RIE 在667 Pa 氣壓下使用Ar/BCl3/Cl2等離子體刻蝕200 nm 深的2DEG 壓敏有源區(qū)（見(jiàn)圖3（b））。為了保證精確的刻蝕深度，使用200 W 的刻蝕射頻功率、50 W 平板功率。其次，通過(guò)對(duì)寬禁帶半導(dǎo)體GaN 實(shí)施高摻雜工藝獲得了較好的金屬-半導(dǎo)體的歐姆接觸，通過(guò)蒸發(fā)Ti/Al/Ni/Au（20/120/50/160 nm）4 層金屬工藝形成良好的歐姆接觸（見(jiàn)圖3（c）），使用Au 可以防止金屬氧化和降低柵電阻，同時(shí)，重新再結(jié)晶的Ni 和Pt 用于肖特基結(jié)構(gòu)，繼而在900 ℃持續(xù)30 s 快速熱退火。再次，通過(guò)光刻、電子束蒸發(fā)Ni/Au（50/100 nm）多層膜及隨后的剝離工藝技術(shù)形成肖特基接觸及HEMT。采用干法蝕刻工藝形成GaN 微機(jī)械結(jié)構(gòu)，諧振梁的形成是將通過(guò)PECVD 生長(zhǎng)的厚度為300 nm 的SiO2作為刻蝕的掩膜層（選擇刻蝕比大約為7∶1），通過(guò)光刻，采用較高的刻蝕功率（600 W）和極板功率（125 W）第二次ICP 干法快速刻蝕（約430 nm/min）光刻后的指定區(qū)域中的GaN 層（見(jiàn)圖3（d））。最后，刻蝕體硅以形成器件的諧振梁，這一工序相對(duì)比較重要。采用無(wú)需加載功率的XeF2氣體干法無(wú)損刻蝕<111>晶向的硅襯底。制作器件大部分的工藝與IC 工藝兼容，相對(duì)比較簡(jiǎn)單，無(wú)需再進(jìn)行其他工藝研究，但增加了無(wú)損XeF2氣體干法刻蝕工序，這樣做是為了器件保護(hù)采取的一項(xiàng)措施。最后形成的懸空諧振梁如圖3（e）所示，其物理尺寸為70 μm×100 μm，器件的光學(xué)照片實(shí)物圖如圖4 所示。

圖3 諧振器的工藝Fig.3 Fabrication process

圖4 諧振器的實(shí)物照片F(xiàn)ig.4 Physical photos of the resonator

3 器件的測(cè)試和分析

圖5給出了HEMT 的模擬（見(jiàn)圖5（a））和測(cè)試（見(jiàn)圖5（b））I-V 特性圖，從圖上可以看出器件有良好的線性區(qū)和飽和區(qū)輸出特性曲線，為防止肖特基接觸在直流下弱化，采取負(fù)直流偏置控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)。數(shù)據(jù)曲線結(jié)果表明HEMT 器件工作的飽和區(qū)相對(duì)于模擬數(shù)據(jù)具有一定的偏移，因?yàn)槟M時(shí)器件被視為理想的狀態(tài)，但是在測(cè)試時(shí)需加載探針及其偏壓線，器件受到寄生電容、器件表面缺陷等影響，其性能受到一定的影響。

圖5 HEMT 模擬和測(cè)試I-V 特性圖Fig.5 I-V characteristic of HEMT

采用COMSOL 多物理場(chǎng)環(huán)境場(chǎng)對(duì)諧振器進(jìn)行了有限元模擬仿真，仿真時(shí)設(shè)置諧振器的主體參數(shù)，賦予諧振體材料，對(duì)其進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，使用的網(wǎng)格類型為四面體，最大元件尺寸為λ/10，其中λ是特定諧振器長(zhǎng)度兩倍的波長(zhǎng)。采用負(fù)直流偏置控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)，另一個(gè)偏置電極加載在HEMT 的漏極，為了便于探針測(cè)試漏極觸點(diǎn)引出到旁側(cè)，使用網(wǎng)絡(luò)分析儀記錄傳輸參數(shù)。當(dāng)f=26.41 MHz 時(shí)模擬諧振頻率響應(yīng)與f=26.30 MHz 的測(cè)試諧振頻率響應(yīng)基本吻合，但是測(cè)試時(shí)受到探針、偏壓線、寄生電容等影響，響應(yīng)曲線會(huì)出現(xiàn)一定的偏差，如圖6 所示。基于HEMT 的諧振器的可調(diào)諧性來(lái)自頂部肖特基柵極上使用的直流偏置，該偏置控制HEMT 通道中的2DEG 密度和被視為應(yīng)變傳感器HEMT 的傳輸特性曲線。

圖6 諧振器的頻率響應(yīng)曲線Fig.6 Resonance frequency of resonator

諧振器電機(jī)械轉(zhuǎn)換特性測(cè)試使用共面探針臺(tái)（Janis Research ST-100）在1.3 Pa 真空條件下進(jìn)行的，網(wǎng)絡(luò)分析儀型號(hào)為Agilent E5061A。測(cè)量結(jié)果均使用終端阻抗50 Ω 獲得，在測(cè)量設(shè)備之前，儀器進(jìn)行了短、開(kāi)通（SOT）校準(zhǔn)。直流偏壓（Vb）加載于肖特基接觸柵極上，同時(shí)對(duì)諧振器施加射頻信號(hào)，加載的電壓至歐姆接觸探測(cè)2DEG 層。為防止肖特基接觸在直流下弱化，負(fù)直流偏置控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)，另一個(gè)偏置電極加載在HEMT 的漏極。器件的插入損耗、諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)等不同的參數(shù)性能均由測(cè)試獲得。測(cè)試時(shí)設(shè)定漏極電壓為5 V，柵極電壓分別為-1，-2，-3，-4 V，4 種不同偏壓情況下2DEG 對(duì)換能器的轉(zhuǎn)化的影響情況如圖7（a）、（b）、（c）和（d）所示，同時(shí)測(cè)試出了諧振頻點(diǎn)及S21，可以看出在施加偏壓時(shí)諧振器的諧振頻點(diǎn)在26.30 MHz 左右；振幅的變化顯示了S21隨著柵極電壓（Vb從0～-4 V）的變化而發(fā)生改變，變化范圍約為40 dB，觀察到Vp處HEMT 反應(yīng)減少，電子氣產(chǎn)生從AlGaN 層擴(kuò)散到非摻雜GaN 層，AlGaN 和GaN 之間的異質(zhì)結(jié)中2DEG的濃度是通過(guò)柵極下的肖特基勢(shì)壘來(lái)控制的，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的控制。遷移率較高的2DEG 會(huì)增加電極到電極的耦合，進(jìn)一步改進(jìn)了電流電極的布局，柵極電壓可以改變勢(shì)阱的深度和寬度，從而改變2DEG 的濃度增加諧振效果。并且隨著偏壓變化，2DEG 逐步耗盡，有助于諧振器輸出電極的電荷吸收。品質(zhì)因數(shù)由諧振頻率f0（26.30 MHz）除以-3 dB帶寬（10.039 kHz）得到，取幾個(gè)樣品測(cè)試品質(zhì)因數(shù)，取其平均值為2 620。

圖7 不同偏壓下的諧振器的S21 變化響應(yīng)Fig.7 Resonator S21 tunability of the at different bias voltages

4 結(jié)論

文章通過(guò)AlGaN/GaN 界面薄膜上二維電子氣（2DEG）能夠產(chǎn)生厚度剪切極化效應(yīng)振動(dòng)模式，從而實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)器件振蕩特性技術(shù)，設(shè)計(jì)制作了一種氮化鎵諧振器。因?yàn)镮II 族氮化物是由Ⅲ族面（Al-，Ga-，In-）和N 面兩個(gè)不同的物理和化學(xué)特性面組成的極化半導(dǎo)體，所以在AlGaN 和GaN 之間晶格結(jié)構(gòu)的極化效應(yīng)促進(jìn)了電子濃度或空穴濃度。對(duì)于具有HEMT 結(jié)構(gòu)的AlGaN/GaN 器件，2DEG 極化效應(yīng)加劇了AlGaN 和GaN 之間的二維電子氣密度。III 族氮化物有較大的壓電（PE）系數(shù)，PE 感應(yīng)的應(yīng)變和自發(fā)極化對(duì)HEMT 器件結(jié)構(gòu)有很大的影響。測(cè)試結(jié)果表明諧振頻率工作在26.30 MHz，品質(zhì)因數(shù)為2 620。文章給出了器件的平面和微機(jī)械工藝加工過(guò)程，最后得到了尺寸為70 μm×100 μm 諧振單元物理。文章的研究意義在于通過(guò)HEMT 結(jié)構(gòu)內(nèi)壓電材料薄膜內(nèi)正交應(yīng)力（σx和σy）產(chǎn)生厚度剪切振動(dòng)模式，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)器件振蕩特性，增加了諧振器機(jī)電共振效果。同時(shí)說(shuō)明使用柵極調(diào)節(jié)機(jī)制能夠提供以非機(jī)械頻率切換或調(diào)制諧振器輸出方法。