納米硅-單晶硅異質(zhì)結(jié)MOSFETs壓-磁多功能傳感器研究.pdf

1、隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，在航空航天、環(huán)境監(jiān)測(cè)、工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)學(xué)、軍事等領(lǐng)域，經(jīng)常需要對(duì)壓力、溫度、磁場(chǎng)、濕度、加速度和流速等多個(gè)參數(shù)進(jìn)行同時(shí)測(cè)量。在不同應(yīng)用領(lǐng)域，針對(duì)環(huán)境適應(yīng)性、體積、成本和功能的限定，對(duì)傳感器的小型化、多功能化、集成化和一體化要求受到了廣泛關(guān)注。本課題采用CMOS工藝和MEMS技術(shù)設(shè)計(jì)、制作以納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)為源極(S)和漏極(D)的MOSFETs壓/磁多功能傳感器，本文主要進(jìn)行以下五個(gè)方面的研究工作： 1.

2、納米硅薄膜制備及特性研究 采用LPCVD在襯底溫度620℃時(shí)實(shí)現(xiàn)單晶納米硅和多晶納米硅薄膜制備，通過拉曼光譜(Raman spectroscopy)、X射線衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)和原子力顯微鏡(AFM)對(duì)納米硅薄膜微結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征研究。表征結(jié)果給出，在薄膜厚度為30.7nm時(shí)，晶粒大小5～8m，取向?yàn)?111>晶向，隨薄膜厚度增加，取向顯著且多晶特征明顯，沉積薄膜多晶取向?yàn)?111>、<220>和<311>晶向，

3、擇優(yōu)取向?yàn)?111>晶向。對(duì)于同一厚度的納米硅薄膜，隨退火溫度升高，X射線衍射峰強(qiáng)度增強(qiáng)。本文采用薄膜厚度為30.7nm的納米硅薄膜制作以納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)為源極和漏極的MOSFETs壓/磁多功能傳感器。 2.MOSFETs壓/磁多功能傳感器基本理論分析 本文在溫殿忠教授提出的JFET壓/磁電效應(yīng)基本理論基礎(chǔ)上，給出MOSFETs壓/磁多功能傳感器在外加壓力P=0、外加磁場(chǎng)B=0；外加壓力P≠O、外加磁場(chǎng)B=O；外加壓

4、力P=O、外加磁場(chǎng)B≠0：外加壓力P≠0、外加磁場(chǎng)B≠O等四種情況下的基本理論分析。 3.納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)MOSFETs壓/磁多功能傳感器壓/磁敏感結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用n型<100>晶向高阻雙面拋光單晶硅片，基于CMOS工藝和MEMS技術(shù)在6mmx6mm方形硅膜的不同位置上設(shè)計(jì)由四個(gè)納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)·p-MOSFET溝道電阻構(gòu)成的惠斯通電橋結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)MOSFETs壓/磁多功 能傳感器壓敏結(jié)構(gòu)，能夠完成

5、對(duì)外加壓力P的測(cè)量。采用惠斯通電橋結(jié)構(gòu)中一個(gè)納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)p-MOSFET，在溝道兩側(cè)距源端為0.7倍溝道長(zhǎng)度處制作兩個(gè)歐姆接觸電極作為霍爾輸出端，構(gòu)成納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)p-MOSFET Hall磁傳感器，能夠完成對(duì)外加磁場(chǎng)B的測(cè)量。為提高磁傳感器靈敏度特性，設(shè)計(jì)采用惠斯通電橋中兩個(gè)納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)p-MOSFET霍爾輸出端構(gòu)成串聯(lián)輸出方式。4.納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)MOSFETs壓/磁多功能傳感器基本結(jié)構(gòu)及制作工藝

6、本文在兼顧納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)MOSFETs壓/磁多功能傳感器中壓力傳感器特性和磁傳感器特性基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)給出納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)MOSFETs壓/磁多功能傳感器基本結(jié)構(gòu)。采用CMOS工藝和MEMS技術(shù)實(shí)現(xiàn)納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)MOSFETs壓/磁多功能傳感器芯片的集成一體化制作與封裝。 5.納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)MOSFETs壓/磁多功能傳感器特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果 主要從以下四個(gè)方面給出納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)MOSFETs壓/磁多功能

7、傳感器基本特性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果： (1)當(dāng)外加壓力P=O、外加磁場(chǎng)B=O時(shí) 本文采用CMOS 工藝實(shí)現(xiàn)以納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)為源極和漏極的p-MOSFET器件制作，在VDS和VGs恒定時(shí)，納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)p-MOSFET溝道電流IDS與溝道長(zhǎng)寬比(L：W)成反比。 (2)當(dāng)外加壓力P≠O、外加磁場(chǎng)B=O時(shí) 在方形硅膜厚度和傳感工作電壓VDD恒定時(shí)，納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)MOSFETs壓力傳感器滿量程(160k

8、Pa)輸出與溝道長(zhǎng)寬比成正比。當(dāng)方形硅膜厚度為75μm、工作電壓VDD=-1.5V時(shí)，長(zhǎng)寬比為6：1的6SD MOSFETs壓力傳感器滿量程輸出21.04mV，靈敏度為0.132mV/kPa，線性度0.589％ES，重復(fù)性0.571％ES，遲滯0.412％ES，精度0.82％ES，靈敏度溫度系數(shù)為-1550ppm/℃。 (3)當(dāng)外加壓力P=0、外加磁場(chǎng)B≠O時(shí) 本文提出采用柵極外加偏置電壓VGs調(diào)整納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)p

9、-MOSFET Hall器件導(dǎo)電溝道等效電阻，使不等位電勢(shì)VHo接近零位輸出，在相同工作條件下，與不等位電勢(shì)補(bǔ)償電路調(diào)零方法相比較，采用柵極外加偏置電壓VGs對(duì)不等 位電勢(shì)調(diào)零可提高磁靈敏度。在不等位電勢(shì)調(diào)零方式和工作電壓VDs恒定時(shí)，納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)p-MOSFET Hall磁傳感器靈敏度與溝道寬長(zhǎng)比(W：L)成正比。采用補(bǔ)償電路對(duì)不等位電勢(shì)調(diào)零后，在VDS=-7.0V時(shí)，長(zhǎng)寬比為2：1的納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)p-MOSFE

10、T Hall磁傳感器絕對(duì)磁靈敏度為21.26mV/T，線性度為0.1 56％ES，重復(fù)性為1.719％F．S，遲滯為0.247％ES，精度為1.834％ES：長(zhǎng)寬比為4：1的納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)p-MOSFET Hall磁傳感器，磁靈敏度為13.88mV/T，當(dāng)采用柵極偏置電壓Vcs對(duì)不等位電勢(shì)調(diào)零時(shí)，磁靈敏度為16.48mV/T：當(dāng)兩個(gè)長(zhǎng)寬比4：1的納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)p-MOSFET Hall器件輸出端構(gòu)成串聯(lián)輸出方式，霍爾輸出端串

11、聯(lián)輸出磁傳感器磁靈敏度為22.74mV/T，比單個(gè)納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)p-MOSFET Hall磁傳感器靈敏度提高約64％。 (4)當(dāng)外加壓力P≠0、外加磁場(chǎng)B≠0時(shí) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)MOSFETs壓/磁多功能傳感器輸入--輸出特性實(shí)驗(yàn)曲線隨外加壓力和磁場(chǎng)而發(fā)生變化。 本文設(shè)計(jì)、制作的納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)MOSFETs壓/磁多功能傳感器能夠完成壓力和磁場(chǎng)的檢測(cè)，具有良好的壓敏特性和磁敏特性，實(shí)現(xiàn)