一种InAs QD嵌入式HEMT的力敏传感结构

技术领域

本发明涉及力敏传感器技术领域，具体为一种InAs量子点（QD）嵌入式高电子迁移率晶体管（HEMT）的力敏传感结构。

背景技术

力敏传感器是汽车工业、生物医学、航空航天、工业自动化等领域不可或缺的重要器件。汽车工业普遍采用各种压力传感器来测量发动机机油压力、燃油压力、进气管道压力、安全气囊压力及轮胎压力。在生物医学领域，力敏传感器可用于医疗诊断系统和颅内压力检测等。在航空航天领域，宇宙飞船和航天飞行器的姿态控制、高速飞行器、喷气发动机、火箭、卫星等耐热腔体和表面各部分压力的测量都离不开力敏传感器。

MEMS力敏传感器由于具有体积小、重量轻、响应快、功耗低、易于微型化与集成化等优点，而被广泛的应用于航空航天、空间通信、卫星、军事以及核领域等。随着这些领域对精度需求越来越高，开发由新型材料制作的 MEMS力敏传感器产品成为提高MEMS力敏传感器精度和灵敏度主要发展的主要方向之一。目前新型力敏材料采用两片聚二甲基硅氧（PDMS）之间覆盖超薄金纳米线的三明治结构来提高柔性压力传感器的灵敏度，使传感器灵敏度高于1.14KPa

本发明利用QD-HEM力敏单元晶格散射效应，提出了一种基于InAs QD嵌入式HEMT的力敏传感结构。

发明内容

本发明针对量子点嵌入式HEMT力敏结构具有高电子迁移率、高灵敏度、高带宽、优异的电学特性等优点，提出了一种基于InAs QD嵌入HEMT的力敏传感结构。

本发明的设计原理为：采用QD-HEMT作为MEMS传感器的力敏单元，当对传感器施加应力作用时，QD-HEM力敏单元由于受到力作用而使能带结构及内部晶格发生变化。其中沟道层产生变形会造成自由电子迁移率的变化；内部晶格变化引起晶格膨胀，导致散射效应增强，进一步影响自由电子迁移率；能带结构的改变会影响价带到导带的电子转移，并改变自由电子浓度，造成导电性、迁移率的改变。这些改变的因素都会对QD-HEMT结构中的二维电子气产生影响，导致输出电流发生变化，宏观上就表现为QD-HEMT输出电流（IDS）的变化。通过这一物理过程，实现力学信号到电学信号的转化。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种InAs QD嵌入式HEMT的力敏传感结构，包括半绝缘GaAs衬底，所述半绝缘GaAs衬底上生长GaAs缓冲层，所述GaAs缓冲层上生长GaAs/AlGaAs超晶格层，所述GaAs/AlGaAs超晶格层上生长GaAs沟道层，所述GaAs沟道层上生长InAs量子点层，所述InAs量子点层上生长AlGaAs隔离层，所述AlGaAs隔离层上生长Si平面掺杂隔离层，所述Si平面掺杂隔离层生长n-AlGaAs势垒层，所述n-AlGaAs势垒层上生长GaAs隔离层，所述GaAs隔离层上生长GaAs欧姆接触层；所述GaAs欧姆接触层上加工源极、漏极欧姆接触。

进一步优选的，所述GaAs缓冲层厚度为200nm。

进一步优选的，所述GaAs沟道层厚度为50nm。

进一步优选的，所述AlGaAs隔离层厚度为12nm。

进一步优选的，所述n-AlGaAs势垒层厚度为16nm。

进一步优选的，所述GaAs隔离层厚度为4nm。

进一步优选的，所述GaAs欧姆接触层厚度为45nm。

进一步优选的，该力敏传感结构的栅长为0.5μm、栅宽为176μm。

本发明设计的InAs QD嵌入式高电子迁移率晶体管（HEMT）力敏结构，通过S-K生长模式进行InAs量子点加工，利用分子束外延技术进行力敏结构的加工。并对加工后的力敏结构进行了电学特性与力敏特性测试。电学特性测试表明QD-HEMT结构设计合理，应力作用下QD-HEMT结构的输出特性曲线发生变化，表明QD-HEMT具有较强的力电耦合特性。力敏特性测试结果表明，在0-100KPa应力范围内，传感器的灵敏度为1.09mV/KPa。

加速度测量方法如下：压电式MEMS加速度计运用的是压电效应，在其内部有一个刚体支撑的质量块，有运动的情况下质量块会产生压力，刚体产生应变。采用QD-HEMT作为MEMS传感器的力敏单元，当对传感器施加应力作用时，QD-HEM力敏单元由于受到力作用而使能带结构及内部晶格发生变化。其中沟道层产生变形会造成自由电子迁移率的变化；内部晶格变化引起晶格膨胀，导致散射效应增强，进一步影响自由电子迁移率；能带结构的改变会影响价带到导带的电子转移，并改变自由电子浓度，造成导电性、迁移率的改变。这些改变的因素都会对QD-HEMT结构中的二维电子气产生影响，导致输出电流发生变化，宏观上就表现为QD-HEMT输出电流（IDS）的变化。通过这一物理过程，实现力学信号到电学信号的转化。

本发明设计合理，通过对力敏结构进行电学特性测试，表明了设计的结构合理，进一步进行力学特性测试表明结构具有较强的力电耦合特性，QD-HEMT结构的敏感度高实现了对力学信号的高灵敏检测，从而实现了对加速度的高灵敏检测。

附图说明

图1表示InAs QD-HEMT结构示意图。

图2表示InAs QD-HEMT的SEM图，其中，嵌入HEMT结构中的InAs QD的尺寸大约为30nm。

图2a表示QD-HEMT截面图。

图3a表示InAs QD-HEMT电学特性测试的输出特性曲线（IDS-VDS）。

图3b表示InAs QD-HEMT电学特性测试的转移特性曲线。

图4表示QD-HEMT能级图。

图5表示5Kpa、10Kpa应力作用下QD-HEMT输出特性曲线。

图6表示InAs QD-HEMT力敏特性测试结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。

一种InAs QD嵌入式HEMT的力敏传感结构，采用微纳工艺完成制备。首先在半绝缘GaAs衬底上通过分子式外延法（MBE）以此生长200nm的高纯度GaAs缓冲层，生长缓冲层能够避免有源层受到衬底缺陷、有害杂质和热转换的影响，没有缓冲层时有源层向衬底方向的迁移率呈下降趋势，另一方面，缓冲层也可以平滑表面，减小表面的起伏。然后继续通过MBE生长与过渡区一体的高浓度GaAs/AlGaAs超晶格层，再继续通过MBE生长高纯度的GaAs沟道层，GaAs沟道层厚度为50nm，这样可以同时兼顾跨导特性和击穿特性，接着使用S-K（Stranski-Krastanow）模式生长InAs量子点层。然后继续采用MBE生长12nm的高纯AlGaAs作为隔离层，上面是Si平面掺杂隔离层，这样可以克服肖特基势垒击穿低的缺点，然后继续通过MBE生长16nm的n-AlGaAs势垒层，这一层是电子供给层，栅极的肖特基接触在这一层，兼顾欧姆接触和肖特基接触。上面是4nm的高纯度GaAs隔离层，最后是45nm的高掺杂GaAs欧姆接触层；用来通过光刻工艺、刻蚀工艺进行源极、漏极欧姆接触的加工。设计的InAs QD-HEMT力敏结构的栅长为0.5μm、栅宽为176μm。

InAs QD-HEMT结构如图1所示，在半绝缘GaAs衬底上依次生长高纯度的GaAs缓冲层、高浓度的GaAs/AlGaAs超晶格层、高纯度的GaAs沟道层、InAs量子点层、高纯度的AlGaAs隔离层、Si平面掺杂隔离层、n-AlGaAs势垒层、高纯度的GaAs隔离层、高掺杂GaAs欧姆接触层；然后在高掺杂GaAs欧姆接触层上加工源极、漏极欧姆接触。

具体实验测试如下：

（1）电学特性测试

室温条件下利用Keithley 4200半导体特性分析仪对InAs QD-HEMT敏感单元的基本电学性能进行测试，结果如图3所示。图3a为Vds在0-10V范围内，Vgs= -3V、-2V、-1V、0V、1V作用下输出特性曲线测试结果，图3b为Vds=5V时测得的转移特性曲线。从图中可以看出，InAs QD-HEMT 的输出特性曲线和转移特性曲线比较光滑，表明InAs QD-HEMT 力敏结构设计合理。

（2）力敏特性测试

为了研究InAs QD-HEMT敏感单元的力学特性，使用JT-1500温度压力复合控制测试平台（成都江泰有限公司），进行常温环境下0-100KPa压力作用下结构的力敏特性测试，复合试验台主要由控制系统、密封高温压力罐和氩气罐组成。在该平台中，分别利用参考温度和压力传感器反馈高温压力罐内的温度和压力值，使控制系统能够独立、精确地控制温度和压力。

QD-HEMT能级如图4所示。采用QD-HEMT作为MEMS传感器的力敏单元，当对传感器施加应力作用时，QD-HEM力敏单元由于受到力作用而使能带结构及内部晶格发生变化。其中沟道层产生变形会造成自由电子迁移率的变化；内部晶格变化引起晶格膨胀，导致散射效应增强，进一步影响自由电子迁移率；能带结构的改变会影响价带到导带的电子转移，并改变自由电子浓度，造成导电性、迁移率的改变。这些改变的因素都会对QD-HEMT结构中的二维电子气产生影响，导致输出电流发生变化，宏观上就表现为QD-HEMT输出电流（I

在5Kpa、10Kpa应力作用下，对QD-HEMT的输出特性进行测试，结果如图5所示。与未受力作用相比，在1Kpa、5Kpa的应力作用下，QD-HEMT的输出电流存在明显的变化，说明敏感单元的内部输运机制发生了变化，即在应力作用下，由于能级结构的变化，影响载流子的漂移，从而改变空间电荷区的大小，使载流子的沟道宽度发生变化，最终在宏观上表现出输出电流的变化，实现了力学信号到电学信号的力电转换，表明QD-HEMT具有较强的力电耦合特性。

在0-100KPa应力范围内，对InAs QD-HEMT结构的灵敏度进行了测试。栅压为V

本发明实施例设计的基于InAs量子点嵌入式HEMT的力敏传感结构，通过对力敏结构进行电学特性测试，表明了设计的结构合理，进一步进行力学特性测试表明结构具有较强的力电耦合特性，在0-100KPa应力范围内，QD-HEMT结构的敏感度为1.09mV/KPa，实现了对力学信号的高灵敏检测。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明的技术方案的精神和范围，其均应涵盖本发明的权利要求保护范围中。