沟道角度对微加速度计性能的影响

　　0 引言

　　微机械加工技术的迅速发展，使得硅微机械技术广泛的应用于各种微电子机械系统( MEMS) 中，发展的目标在于微型化、自动化、智能化、集成化，探索基于新效应、新机理的高敏感结构，以满足应力作用下纳米级形变的检测。微加速计不但可以直接检测载体的加速度，并且可以通过对加速度积分，计算出载体位移和速度^{[1 -5]。}与硅相比，Ⅲ - Ⅴ族半导体化合物是直接带隙材料，具有电子饱和漂移速度高、耐高温、抗辐照等特点，这就使它在超高速、超高频、低功耗、低噪音器件和电路，特别在光电子器件和光电集成方面占有独特的优势，制作的各种各样的有源和无源光学器件使 GaAs 基材料的光学和机械特性能直接结合起来^{[6 -7]。}近年来，Ⅳ - Ⅴ族半导体化合物的压阻效应相关研究已经引起国际上研究人员的特别关注^{[8 -9]。}虽然当前的测量结果表明，由于较低的压阻系数，GaAs 作为压阻材料具有一定的局限性，但是 GaAs 材料在 MEMS 中已经得到了广泛的应用^{[10 -11]。}在对 MESFET 的研究过程中，人们已经研究了温度等对它的影响，而将 MESFET 作为敏感单元的四梁固支结构是新的研究方向。通过研究与悬臂梁方向呈不同角度的 MESFET 的沟道，来探索沟道方向对器件灵敏度的影响，进而为优化结构提供依据。

　　在半绝缘 GaAs 衬底上生长出 GaAs 同质结结构，利用表面微机械工艺和体微机械工艺技术制作了加速度计结构，将GaAs MESFET 作为加速度计的敏感单元，并通过振动台实验测试了悬臂梁上 GaAs MESFET 的输出特性，测得不同角度的MESFET 的灵敏度，实验结果表明沟道方向与悬臂梁平行的微结构的灵敏度最大。

　　1 GaAs MESFET 微悬臂梁 - 质量块结构的设计和加工

　　利用 GaAs MESFET 的力电耦合效应设计了嵌入式 GaAsMESFET 微悬臂梁 - 质量块结构的微加速度计。当微结构受加速度运动时，质量块受迫振动使悬臂梁弯曲，从而导致悬臂梁上的 MESFET 沟道产生应力变化。GaAs MESFET 中半导体材料的能带结构受应力影响将发生相应变化，从而导致二维电子气限制作用变化，并影响到沟道电子的浓度，最终反映到 MES-FET 的 I - V 特性变化。微结构采用十字梁结构，并将 MESFET放于悬臂梁根部附近( 应力最大处) 。

　　其具体的材料层结构及参数如表 1 所示。在半绝缘 GaAs衬底上先生长1 μm 的 GaAs 缓冲层，2 500  的掺杂浓度为2 ×1017cm- 3GaAs 势垒层，500  重掺杂 GaAs 帽层。

　　在设计 MESFET 结构时，为了改善源漏欧姆接触特性，常在有源层上加 1 个高浓度的帽层，而栅极则要做在较低浓度的有源层上，以得到较小的电容和较高的击穿电压。源极和漏极在重掺杂 GaAs 帽层，采用 Au/Ge/Ni 金属形成欧姆接触。栅极在 n - AlGaAs 势垒层采用 Ti/Pt/Au 金属形成肖特基接触。其中，栅槽采用双凹槽设计。GaAs MESFET 结构如图 1 所示。