專利名稱：共振隧穿壓阻式微加速度計的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及微加速度計，特別涉及利用具有共振隧穿效應的納米超晶格量子阱薄膜高靈敏度的壓阻效應加工而成的共振隧穿壓阻式微加速度計。
背景技術：
現(xiàn)有的微加速度計為硅壓阻式加速度計，它是基于硅的壓阻效應原理。所謂壓阻效應，即固體在應力場作用下，引起電阻電阻率的變化，從而引起電阻阻值變化的現(xiàn)象。現(xiàn)有的硅壓阻式加速度計的壓敏電阻都是摻雜多晶硅，其靈敏度較低，溫度穩(wěn)定性較差，很難測量高g(重力加速度)值加速度，無法滿足現(xiàn)代測試技術的高精度要求。
具有共振隧穿效應的納米超晶格量子阱薄膜是利用分子束外延生長技術(MBE)進行薄膜生長而制備的一種具有量子效應的納米材料，其具有優(yōu)良的電學特性，其中電子的共振隧穿與微帶輸運特性顯示了良好的電子工程應用價值，在國內(nèi)外得到廣泛的應用，如共振隧穿二極管(RTD)。分子束外延是在超高真空(10-10Torr)中用一種或多種熱分子或原子束射到加熱襯底上生長超晶格薄膜的一種技術。生長之前先制備好(GaAs)襯底，再用分子束外延生長技術(MBE)在(GaAs)襯底上生長出一層很薄的超晶格薄膜。超晶格薄膜自下向上有集電極電極接觸層、集電區(qū)層、隔離層、勢壘層、勢阱層、勢壘層、隔離層、發(fā)射區(qū)層、發(fā)射極電極接觸層。根據(jù)使用領域的不同超晶格薄膜各層所用材料、厚度，摻雜濃度會有所區(qū)別。
在介觀物理領域，若電子的平均自由程大于樣品的特征幾何尺度，電子的波動性質就突顯出來了。電子的行為可以用像類似光學那樣的理論來描述，稱之為電子光學。這為研究復雜納結構中的電子波動行為提供了理論依據(jù)。超晶格的概念最初主要是為了尋找優(yōu)良微分負阻器件提出的。超晶格生長技術的成熟，為電子光學在納電子器件方面的應用奠定了技術基礎。但目前該技術領域的技術人員并沒有發(fā)現(xiàn)超晶格量子阱薄膜具有壓阻效應。
原理上講，在力學信號作用下，納米超晶格量子阱結構中的應力分布將發(fā)生變化；一定條件下應力變化可引起內(nèi)建電場的產(chǎn)生；內(nèi)建電場將導致納米帶結構中量子能級發(fā)生變化；量子能級變化會引起共振隧穿電流變化。簡言之，在共振隧穿電壓附近，通過上述四個物理過程，可將一個微弱的力學信號轉化為一個較強的電學信號。這一過程稱為介觀壓阻效應。即力學信號產(chǎn)生應變，應變產(chǎn)生內(nèi)建電場，內(nèi)建電場產(chǎn)生量子能級漂移，量子能級漂移產(chǎn)生共振隧穿電流變化。
當電壓一定的條件下，隧穿電流的變化也可表示為電阻的變化，也就是說力學信號可引起超晶格薄膜電阻較大的變化。
在實驗中，采用I-V曲線網(wǎng)絡分析儀測試GaAs/AlAs超晶格薄膜的I-V曲線，并給薄膜施加不同大小的微小壓力，每施加一次壓力便記錄下相應的I-V曲線，從而得到一組隨壓力變化的I-V曲線(圖1)。從該曲線很容易計算出在電壓一定的情況下電阻值隨壓力的變化情況，將這種變化趨勢繪成曲線便可得到超晶格薄膜的壓阻效應曲線(圖2)。
通過上述實驗證實了超晶格薄膜確實具有高靈敏度壓阻效應。由于超晶格壓阻效應的機理是其共振隧穿電流在壓力影響下發(fā)生變化，故將具有壓阻效應的超晶格薄膜稱為共振隧穿壓敏電阻。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決現(xiàn)有的硅壓阻式加速度計靈敏度較低，溫度穩(wěn)定性較差，很難測量高g(重力加速度)值加速度，無法滿足現(xiàn)代測試技術的高精度要求的問題，利用超晶格量子阱薄膜具有有高靈敏度壓阻效應的特性，提供一種高靈敏度的共振隧穿壓阻式微加速度計。
本發(fā)明是采用如下技術方案實現(xiàn)的共振隧穿壓阻式微加速度計，它是用如下方法制得的用分子束外延(MBE)技術在半導體襯底上生長出所需的超晶格薄膜，利用微機電器件(MEMS)加工技術進行如下加工(1)利用刻蝕工藝去掉襯底上的除呈“十”字分布的四塊薄膜外的所有薄膜；(2)再采用刻蝕工藝，將留下的每塊薄膜除一條形面積外的其余部分腐蝕到集電極的電極接觸層，使每塊薄膜上形成一個凸條；(3)用沉積法在薄膜表面沉積歐姆接觸層，再用剝離法在集電極的電極接觸層和凸條表面制作出集電極和發(fā)射極(即將集電極和發(fā)射極以外的歐姆接觸層剝離掉)；(4)用PECVD法在薄膜表面淀積二氧化硅絕緣層；(5)用開引線孔版在發(fā)射極和集電極上部的二氧化硅絕緣層上刻蝕出引線孔；(6)蒸發(fā)CrAu，在薄膜表面蒸鍍CrAu層；(7)用外引線版光刻CrAu層，形成引線孔上部的引出電極；(8)控制溫度在430℃時短時間快速合金，以便形成引出電極與集電極和發(fā)射極之間良好的歐姆接觸；利用正面刻蝕工藝將襯底中部刻蝕空，將襯底刻蝕成外圍基座、與基座相連的四個懸臂梁以及與懸臂梁相連的質量塊的結構，并使四塊共振隧穿壓敏電阻位于懸臂梁與基座的連接處。
所述的超晶格薄膜各層采用如下的材料、摻雜濃度、層厚度，以提高微加速度計的靈敏度等性能

在超晶格薄膜中，發(fā)射極和集電極電極接觸層的主要作用是形成歐姆接觸減少器件的串聯(lián)電阻。發(fā)射區(qū)層和集電區(qū)層實行重摻雜使費米能級位于導帶之上，具體摻雜濃度影響峰值電壓和開啟電壓值，此外摻雜從發(fā)射區(qū)或集電區(qū)到勢壘區(qū)的摻雜濃度逐漸降低，這樣做主要目的是為了防止雜質滲透到勢壘區(qū)，影響器件特性。隔離層的主要作用是隔離摻雜發(fā)射區(qū)中的雜質在高溫下向勢壘和勢阱區(qū)擴散，調(diào)整隔離層的厚度也可以調(diào)整峰值電壓和開啟電壓值；勢壘層勢壘層是雙壘單勢阱系統(tǒng)中的關鍵部分，該層應選擇禁帶寬度大的材料制作，一般不摻雜，該層厚度減小有利于提高峰值電流密度；勢阱層勢阱層也是關鍵層之一，一般不摻雜，阱區(qū)厚度增大，阱中分立能級降低，有利于減小峰值電壓、提高電流峰谷比。然而阱區(qū)厚度大時，峰值電流也變小，故采用子阱結構(GaAs/In0.1Ga0.9As/GaAs)。由于子阱中的分立能級更低，就可以做到阱的總厚度不很大，即可得到低峰值電壓，又能保持較高的峰值電流密度。此后，各層的順序與上述順序是完全對稱的，直到襯底。在發(fā)射區(qū)和勢壘區(qū)隔離層中各增加一層In0.1Ga0.9As，其目的是在發(fā)射區(qū)和勢壘之間形成一個壘前阱，該阱中也產(chǎn)生了分立能級，這樣就使原本由發(fā)射區(qū)電子與阱中分立能級間的共振隧穿轉變?yōu)閴厩摆逯蟹至⒛芗壟c阱中分立能級之間的二維對二維的共振隧穿。由于受隧穿前后能量和橫向動量守恒的限制，會在IV曲線上形成一個十分尖銳的共振電流峰，其結果是降低峰值電壓、提高峰谷比；同時盡量縮小發(fā)射極面積，以減小其本征電容。
本發(fā)明所述的分子束外延(MBE)技術是公知的制備超晶格薄膜的成熟技術。本發(fā)明所涉及的刻蝕(光刻和腐蝕)工藝、歐姆層沉積法工藝、剝離法工藝、PECVD法淀積二氧化硅層工藝、用開引線孔版刻出引線孔工藝、在薄膜表面形成CrAu層工藝、用外引線版光刻CrAu層形成引出電極工藝以及快速合金工藝都是公知、成熟且商業(yè)化使用的MEMS器件加工工藝。其中，分子束處延技術中在楊樹人等編著、科學出版社出版的《半導體材料》一書的第七章(半導體的外延生長)中有詳細介紹；本發(fā)明所涉及的各種加工工藝在[美]格雷戈里T.A.科瓦奇著、張文棟等譯的《微傳感器與微執(zhí)行器全書》的第二章(微機械加工技術)中有詳細介紹。
本發(fā)明發(fā)現(xiàn)并利用了超晶格薄膜的壓阻效應，合理設計了超晶格薄膜的結構并利用薄膜生長技術和MEMS加工工藝，給出了一種共振隧穿壓阻式微加速度計。該微加速度計克服了硅壓阻式加速度計存在的問題，不但靈敏度提高了一個數(shù)量級，受溫度影響較小(摻雜多晶硅壓敏電阻受溫度影響較大，主要原因部分是由于摻雜載流子的影響，而超晶格的阱區(qū)和壘區(qū)都沒有摻雜，所以共振隧穿壓敏電阻受溫度影響較小)，測量g值較高，而且體積較小，功耗低，易數(shù)字化，便于集成等很多令人矚目的優(yōu)點。
共振隧穿壓阻式微加速度計是全部采用MEMS工藝加工制作的量子器件。因具有量子效應、表面效應和尺寸效應，而表現(xiàn)出高靈敏度，低功耗、微體積、低功耗和易數(shù)字化等特點。因此，在汽車業(yè)和航空業(yè)有著很廣闊的應用前景。


圖1為超晶格薄膜隨壓力變化的I-V曲線；圖2為超晶格薄膜的壓阻效應曲線；圖3為超晶格薄膜的結構示意圖；其中1-襯底，2-超晶格薄膜。
圖4為共振隧穿壓阻式微加速度計加工工序示意圖；圖中以a-b-c-d-e-f-g為順序。
圖5為襯底加工后形成的微加速度計的結構示意圖；圖6為懸臂梁進一步加工后形成的微加速度計的結構示意圖；圖7為質量塊進一步加工后形成的微加速度計的結構示意圖；圖8為微加速度計放大后的實物結構圖；
具體實施例方式
共振隧穿壓阻式微加速度計，它是用如下方法制得的用分子束外延(MBE)技術在半導體襯底1上生長出所需的超晶格薄膜2，利用微機電器件(MEMS)加工技術進行如下加工(1)利用刻蝕工藝去掉襯底1上的除呈“十”字分布的四塊薄膜外的所有薄膜(如圖4a所示)；(2)再采用刻蝕工藝，將留下的每塊薄膜(圖4b)除一條形面積外的其余部分腐蝕到集電極的電極接觸層3，使每塊薄膜上形成一個凸條(圖4c)；(3)用沉積法在薄膜表面沉積歐姆接觸層，再用剝離法在集電極的電極接觸層和凸條表面制作出集電極4和發(fā)射極7(圖4d)(發(fā)射極不用剝離)；即將集電極和發(fā)射極以外的歐姆接觸層剝離掉；歐姆接觸層采用AuGeNi材料；(4)用PECVD法在薄膜表面淀積二氧化硅層絕緣5(圖4e)；(5)用開引線孔版在發(fā)射極和集電極上部的二氧化硅絕緣層上刻出引線孔(圖4f)；(6)蒸發(fā)CrAu，在薄膜表面形成CrAu層；(7)用外引線版光刻CrAu層，形成引線孔上部的引出電極6(圖4g)；(8)控制溫度在430℃時短時間快速合金，以便形成引出電極與集電極和發(fā)射極之間良好的歐姆接觸；利用正面刻蝕工藝將襯底中部刻蝕空，將底襯刻蝕成外圍基座8、與基座相連的“十”字形懸臂梁9和四周與懸臂梁相連的質量塊10的結構，并使四塊共振隧穿壓敏電阻位于懸臂梁與基座的連接處(圖5)。
利用背面刻蝕工藝將懸臂梁9刻蝕成薄且具有彈性的懸臂梁(圖6)
利用背面刻蝕工藝將質量塊10刻蝕薄，并在質量塊下方形成空腔，使質量塊有足夠的位移空間(圖7)。
將四塊薄膜壓敏電阻橋式連接。
微加速度計的工作原理是當攜帶著加速度計的物體作加速度運動時，加速度計中的質量塊因慣性而產(chǎn)生位移，并帶動懸臂梁產(chǎn)生形變，從而在基座與懸臂梁間的支撐點處引起較大應力，因而支撐點處共振隧穿壓敏電阻的阻值將隨著應力的變化而等比例變化，測量電橋的輸出電壓也隨之變化，所以共振隧穿壓敏電阻阻值的變化值反映了物體加速度的大小，從而實現(xiàn)了加速度的測量。
權利要求
1.一種共振隧穿壓阻式微加速度計，其特征為它是用如下方法制得的用分子束外延技術在半導體襯底(1)上生長出所需的超晶格薄膜(2)，利用微機電器件加工技術進行如下加工(1)利用刻蝕工藝去掉襯底(1)上的除呈“十”字分布的四塊薄膜外的所有薄膜；(2)再采用刻蝕工藝，將留下的每塊薄膜除一條形面積外的其余部分腐蝕到集電極的電極接觸層(3)，使每塊薄膜上形成一個凸條；(3)用沉積法在薄膜表面沉積歐姆接觸層，再用剝離法在集電極的電極接觸層和凸條表面制作出集電極(4)和發(fā)射極(7)；(4)用PECVD法在薄膜表面淀積二氧化硅絕緣層(5)；(5)用開引線孔版在發(fā)射極和集電極上部的二氧化硅絕緣層上刻出引線孔；(6)蒸發(fā)CrAu，在薄膜表面形成結晶的CrAu層；(7)用外引線版光刻CrAu層，形成引線孔上部的引出電極(6)；(8)控制溫度在430℃時短時間快速合金，以便形成引出電極與集電極和發(fā)射極之間良好的歐姆接觸；利用正面刻蝕工藝將襯底中部刻蝕空，將底襯刻蝕成外圍基座(8)、與基座相連的“十”字形懸臂梁(9)和四周與懸臂梁相連的質量塊(10)的結構，并使四塊薄膜位于懸臂梁與基座的連接處。
2.如權利要求1所述的共振隧穿壓阻式微加速度計，其特征為超晶格薄膜各層采用如下的材料、摻雜濃度、層厚度
3.如權利要求1或2所述的共振隧穿壓阻式微加速度計，其特征為利用背面刻蝕工藝將懸臂梁(9)刻蝕成薄且具有彈性的懸臂梁。
4.如權利要求1或2所述的共振隧穿壓阻式微加速度計，其特征為利用背面刻蝕工藝將質量塊(10)刻蝕薄，并在質量塊下方形成空腔。
5.如權利要求3所述的共振隧穿壓阻式微加速度計，其特征為利用背面刻蝕工藝將質量塊(10)刻蝕薄，并在質量塊下方形成空腔。
6.如權利要求1或2所述的共振隧穿壓阻式微加速度計，其特征為將四塊薄膜壓敏電阻橋式連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及微加速度計，具體為一種共振隧穿壓阻式微加速度計。本發(fā)明解決現(xiàn)有的硅壓阻式加速度計靈敏度較低，溫度穩(wěn)定性較差，很難測量高g(重力加速度)值加速度，無法滿足現(xiàn)代測試技術的高精度要求的問題，利用了超晶格量子阱薄膜具有壓阻效應的特性。本發(fā)明在超晶格薄膜上加工出共振隧穿壓敏電阻，將超晶格薄膜的襯底加工成外圍基座、與基座相連的“十”字形懸臂梁和四周與懸臂梁相連的質量塊的傳力結構，并使四塊共振隧穿壓敏電阻位于懸臂梁與基座的連接處。共振隧穿壓阻式微加速度計是全部采用MEMS工藝加工制作的量子器件。因具有量子效應、表面效應和尺寸效應，而表現(xiàn)出高靈敏度，低功耗、微體積、低功耗和易數(shù)字化等特點。
文檔編號G01P15/08GK1752757SQ20051001281
公開日2006年3月29日 申請日期2005年9月12日 優(yōu)先權日2005年9月12日
發(fā)明者張文棟, 劉俊, 熊繼軍, 薛晨陽, 張斌珍, 謝斌, 桑勝波, 王建, 陳建軍 申請人:中北大學