納米硅-單晶硅異質結MOSFETs壓-磁多功能傳感器研究.pdf

1、隨著科學技術的飛速發(fā)展，在航空航天、環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)生產、醫(yī)學、軍事等領域，經常需要對壓力、溫度、磁場、濕度、加速度和流速等多個參數(shù)進行同時測量。在不同應用領域，針對環(huán)境適應性、體積、成本和功能的限定，對傳感器的小型化、多功能化、集成化和一體化要求受到了廣泛關注。本課題采用CMOS工藝和MEMS技術設計、制作以納米硅/單晶硅異質結為源極(S)和漏極(D)的MOSFETs壓/磁多功能傳感器，本文主要進行以下五個方面的研究工作： 1.

2、納米硅薄膜制備及特性研究 采用LPCVD在襯底溫度620℃時實現(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)對納米硅薄膜微結構進行表征研究。表征結果給出，在薄膜厚度為30.7nm時，晶粒大小5～8m，取向為<111>晶向，隨薄膜厚度增加，取向顯著且多晶特征明顯，沉積薄膜多晶取向為<111>、<220>和<311>晶向，

3、擇優(yōu)取向為<111>晶向。對于同一厚度的納米硅薄膜，隨退火溫度升高，X射線衍射峰強度增強。本文采用薄膜厚度為30.7nm的納米硅薄膜制作以納米硅/單晶硅異質結為源極和漏極的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/磁電效應基本理論基礎上，給出MOSFETs壓/磁多功能傳感器在外加壓力P=0、外加磁場B=0；外加壓力P≠O、外加磁場B=O；外加壓

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

5、對外加壓力P的測量。采用惠斯通電橋結構中一個納米硅/單晶硅異質結p-MOSFET，在溝道兩側距源端為0.7倍溝道長度處制作兩個歐姆接觸電極作為霍爾輸出端，構成納米硅/單晶硅異質結p-MOSFET Hall磁傳感器，能夠完成對外加磁場B的測量。為提高磁傳感器靈敏度特性，設計采用惠斯通電橋中兩個納米硅/單晶硅異質結p-MOSFET霍爾輸出端構成串聯(lián)輸出方式。4.納米硅/單晶硅異質結MOSFETs壓/磁多功能傳感器基本結構及制作工藝

6、本文在兼顧納米硅/單晶硅異質結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上，設計給出納米硅/單晶硅異質結MOSFETs壓/磁多功能傳感器基本結構。采用CMOS工藝和MEMS技術實現(xiàn)納米硅/單晶硅異質結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/單晶硅異質結MOSFETs壓/磁多功能傳感器特性實驗結果 主要從以下四個方面給出納米硅/單晶硅異質結MOSFETs壓/磁多功能

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

8、Pa)輸出與溝道長寬比成正比。當方形硅膜厚度為75μm、工作電壓VDD=-1.5V時，長寬比為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)當外加壓力P=0、外加磁場B≠O時 本文提出采用柵極外加偏置電壓VGs調整納米硅/單晶硅異質結p

9、-MOSFET Hall器件導電溝道等效電阻，使不等位電勢VHo接近零位輸出，在相同工作條件下，與不等位電勢補償電路調零方法相比較，采用柵極外加偏置電壓VGs對不等 位電勢調零可提高磁靈敏度。在不等位電勢調零方式和工作電壓VDs恒定時，納米硅/單晶硅異質結p-MOSFET Hall磁傳感器靈敏度與溝道寬長比(W：L)成正比。采用補償電路對不等位電勢調零后，在VDS=-7.0V時，長寬比為2：1的納米硅/單晶硅異質結p-MOSFE

10、T Hall磁傳感器絕對磁靈敏度為21.26mV/T，線性度為0.1 56％ES，重復性為1.719％F．S，遲滯為0.247％ES，精度為1.834％ES：長寬比為4：1的納米硅/單晶硅異質結p-MOSFET Hall磁傳感器，磁靈敏度為13.88mV/T，當采用柵極偏置電壓Vcs對不等位電勢調零時，磁靈敏度為16.48mV/T：當兩個長寬比4：1的納米硅/單晶硅異質結p-MOSFET Hall器件輸出端構成串聯(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，比單個納米硅/單晶硅異質結p-MOSFET Hall磁傳感器靈敏度提高約64％。 (4)當外加壓力P≠0、外加磁場B≠0時 實驗結果表明，納米硅/單晶硅異質結MOSFETs壓/磁多功能傳感器輸入--輸出特性實驗曲線隨外加壓力和磁場而發(fā)生變化。 本文設計、制作的納米硅/單晶硅異質結MOSFETs壓/磁多功能傳感器能夠完成壓力和磁場的檢測，具有良好的壓敏特性和磁敏特性，實現(xiàn)