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纳米硅/单晶硅异质结MOSFETs压/磁多功能传感器研究

赵晓锋  
【摘要】: 随着科学技术的飞速发展,在航空航天、环境监测、工业生产、医学、军事等领域,经常需要对压力、温度、磁场、湿度、加速度和流速等多个参数进行同时测量。在不同应用领域,针对环境适应性、体积、成本和功能的限定,对传感器的小型化、多功能化、集成化和一体化要求受到了广泛关注。本课题采用CMOS工艺和MEMS技术设计、制作以纳米硅/单晶硅异质结为源极(S)和漏极(D)的MOSFETs压/磁多功能传感器,本文主要进行以下五个方面的研究工作: 1.纳米硅薄膜制备及特性研究 采用LPCVD在衬底温度620℃时实现单晶纳米硅和多晶纳米硅薄膜制备,通过拉曼光谱(Raman spectroscopy)、X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)对纳米硅薄膜微结构进行表征研究。表征结果给出,在薄膜厚度为30.7nm时,晶粒大小5~8nm,取向为111晶向,随薄膜厚度增加,取向显著且多晶特征明显,沉积薄膜多晶取向为111、220和311晶向,择优取向为111晶向。对于同一厚度的纳米硅薄膜,随退火温度升高,X射线衍射峰强度增强。本文采用薄膜厚度为30.7nm的纳米硅薄膜制作以纳米硅/单晶硅异质结为源极和漏极的MOSFETs压/磁多功能传感器。 2.MOSFETs压/磁多功能传感器基本理论分析 本文在温殿忠教授提出的JFET压/磁电效应基本理论基础上,给出MOSFETs压/磁多功能传感器在外加压力P=0、外加磁场B=0;外加压力P≠0、外加磁场B=0;外加压力P=0、外加磁场B≠0;外加压力P≠0、外加磁场B≠0等四种情况下的基本理论分析。 3.纳米硅/单晶硅异质结MOSFETs压/磁多功能传感器压/磁敏感结构设计 采用n型100晶向高阻双面抛光单晶硅片,基于CMOS工艺和MEMS技术在6mm×6mm方形硅膜的不同位置上设计由四个纳米硅/单晶硅异质结p-MOSFET沟道电阻构成的惠斯通电桥结构,实现纳米硅/单晶硅异质结MOSFETs压/磁多功能传感器压敏结构,能够完成对外加压力P的测量。采用惠斯通电桥结构中一个纳米硅/单晶硅异质结p-MOSFET,在沟道两侧距源端为0.7倍沟道长度处制作两个欧姆接触电极作为霍尔输出端,构成纳米硅/单晶硅异质结p-MOSFET Hall磁传感器,能够完成对外加磁场B的测量。为提高磁传感器灵敏度特性,设计采用惠斯通电桥中两个纳米硅/单晶硅异质结p-MOSFET霍尔输出端构成串联输出方式。 4.纳米硅/单晶硅异质结MOSFETs压/磁多功能传感器基本结构及制作工艺 本文在兼顾纳米硅/单晶硅异质结MOSFETs压/磁多功能传感器中压力传感器特性和磁传感器特性基础上,设计给出纳米硅/单晶硅异质结MOSFETs压/磁多功能传感器基本结构。采用CMOS工艺和MEMS技术实现纳米硅/单晶硅异质结MOSFETs压/磁多功能传感器芯片的集成一体化制作与封装。 5.纳米硅/单晶硅异质结MOSFETs压/磁多功能传感器特性实验结果 主要从以下四个方面给出纳米硅/单晶硅异质结MOSFETs压/磁多功能传感器基本特性的实验结果: (1)当外加压力P=0、外加磁场B=0时 本文采用CMOS工艺实现以纳米硅/单晶硅异质结为源极和漏极的p-MOSFET器件制作,在V_(DS)和V_(GS)恒定时,纳米硅/单晶硅异质结p-MOSFET沟道电流I_(DS)与沟道长宽比(L:W)成反比。 (2)当外加压力P≠0、外加磁场B=0时 在方形硅膜厚度和传感器工作电压V_(DD)恒定时,纳米硅/单晶硅异质结MOSFETs压力传感器满量程(160kPa)输出与沟道长宽比成正比。当方形硅膜厚度为75μm、工作电压V_(DD)=-1.5V时,长宽比为6:1的6SD MOSFETs压力传感器满量程输出21.04mV,灵敏度为0.132mV/kPa,线性度0.589%F.S,重复性0.571%F.S,迟滞0.412%F.S,精度0.82%F.S,灵敏度温度系数为-1550ppm/℃。 (3)当外加压力P=0、外加磁场B≠0时 本文提出采用栅极外加偏置电压V_(GS)调整纳米硅/单晶硅异质结p-MOSFETHall器件导电沟道等效电阻,使不等位电势V_(HO)接近零位输出,在相同工作条件下,与不等位电势补偿电路调零方法相比较,采用栅极外加偏置电压V_(GS)对不等位电势调零可提高磁灵敏度。在不等位电势调零方式和工作电压V_(DS)恒定时,纳米硅/单晶硅异质结p-MOSFET Hall磁传感器灵敏度与沟道宽长比(W:L)成正比。采用补偿电路对不等位电势调零后,在V_(DS)=-7.0V时,长宽比为2:1的纳米硅/单晶硅异质结p-MOSFET Hall磁传感器绝对磁灵敏度为21.26mV/T,线性度为0.156%F.S,重复性为1.719%F.S,迟滞为0.247%F.S,精度为1.834%F.S;长宽比为4:1的纳米硅/单晶硅异质结p-MOSFET Hall磁传感器,磁灵敏度为13.88mV/T,当采用栅极偏置电压V_(GS)对不等位电势调零时,磁灵敏度为16.48mV/T;当两个长宽比4:1的纳米硅/单晶硅异质结p-MOSFET Hall器件输出端构成串联输出方式,霍尔输出端串联输出磁传感器磁灵敏度为22.74mV/T,比单个纳米硅/单晶硅异质结p-MOSFET Hall磁传感器灵敏度提高约64%。 (4)当外加压力P≠0、外加磁场B≠0时 实验结果表明,纳米硅/单晶硅异质结MOSFETs压/磁多功能传感器输入—输出特性实验曲线随外加压力和磁场而发生变化。 本文设计、制作的纳米硅/单晶硅异质结MOSFETs压/磁多功能传感器能够完成压力和磁场的检测,具有良好的压敏特性和磁敏特性,实现压/磁检测的集成化和一体化。


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