HEMT高灵敏度微加速度计的设计与测试

　　0 引言

　　AlGaN / GaN 异质结构材料体系是发展GaN 基高温、高频、大功率微波电子器件最基本也是最重要的结构材料，深受国际上的关注[1 -3]。AlGaN/GaN 异质结构材料体系具有很大的带阶差，很强的极化效应，即使不用任何掺杂，仅通过极化应力就可以在 ALGaN/GaN 异质界面的量子阱中产生高达1013/ cm2的二维电子气( 2DEG) 密度[4 -6]。Si 基底不仅价格低廉，易于解理，可制成低阻材料用作电极等，而且具有优异的微机电结构可加工性，适合于制作 MEMS 器件[7]。HEMT 器件的栅压对其温度效应具有一定的调制作用，通过选择适当的栅压，微加速度计可以不受外部环境的影响，因此，利用它作为微加速度计结构的敏感单元，在获得更高灵敏度的同时，可以有效解决温度的漂移问题，把自动化、智能化和可靠性提高到一个新的水平。

　　通过采用Si 基微悬臂梁结构将宏观作用力引入AlGaN/GaN -HEMT 器件的沟道层，可以对2DEG 的浓度进行调制，以此为基础制作力-电耦合的传感器件，并且封装制作成微加速度计芯片用于惯性测试。GaN 基HEMT 与微结构的集成将具有很好的力-电耦合特性，适于制备高灵敏度、高可靠性的力- 电耦合传感器件。和普通的压阻式以及FET 式力-电转换器件相比，其优势主要在于: 由于GaN 基HEMT 本身沟道导电性能受压电极化的影响，因而应当具有很高的力-电转换灵敏度; 由于GaN 材料的宽禁带特性，可以使以之为基础的器件在更宽的温度范围内稳定的工作; 同时由于GaN 材料本身很好的机械和化学稳定性，因而可期待该类器件具有极高的可靠性。因而对GaN/AlGaN 基HEMT-Microcantilever 结构的力电耦合机理以及结构制造工艺的研究有着重要的理论价值和现实意义以及广阔的应用前景。文中主要研究Si 微加工与GaN 基HEMT 器件工艺的兼容性以及集成后的器件对于惯性的灵敏度、线性度等，这些工作今后对于开发其 MEMS 产品有着重要指导价值。

　　1 微加速度计结构结构与工艺设计

　　GaN 材料的杨氏模量为8. 55 × 1010N / m²，泊松比取0. 25，密度为5 320 kg/m³.考虑GaN / AlGaN - HEMT 微加速度计的性能要求，设计量程较小，灵敏度较高的结构有利于研究 HEMT器件对惯性的敏感特性，同时充分考虑加工单位工艺线的稳定性和优良率等综合因素，最终确定如表1 所示的结构参数进行仿真分析。

　　较长较细的梁在质量块惯性作用时容易发生弯曲，因此这样的结构对惯性的敏感度很高。利用ANSYS 有限元分析软件对实物模型进行静力学仿真分析可知，在质量块的中心沿Z 方向给加速度计施加1 g 的加速度，悬臂梁在质量块的作用下发生变形弯曲，图1( a) 为加载1 g 的加速度时，悬臂梁的应力分布图。图1( b) 为选取对称梁作为路径的应力分布曲线。为通过仿真图可知，应力的最大值发生在梁和边框根部，且其应力分布关于悬臂梁的中心位置近似对称相等，其应力峰值位置即为敏感单元的位置。