[发明专利]基于e指数半导体器件的嵌入式高灵敏度微陀螺仪

说明书

技术领域

本发明涉及微陀螺仪，具体为一种基于e指数半导体器件的嵌入式高灵敏度微陀螺仪。

背景技术

微陀螺仪是上个世纪九十年代发展起来的高新技术产品，它是惯性导航系统的核心组成部分，是航天航空飞行器的主要检测仪表，在军民飞行器上应用非常广泛，微陀螺仪的性能一直受到航空航天领域的高度重视。传统的微陀螺仪一般多采用静电驱动、压阻式和电容式检测输出，静电驱动已经成为一种相对成熟的驱动方式；但检测方式却受到噪声、外界环境的干扰，压阻式检测最大的问题就是受温度影响和灵敏度差，电容式检测则寄生电容大、检测电路复杂，大大影响着微陀螺仪的灵敏度和可实用性，随着微机电技术的发展和惯性导航系统的不断升级，微陀螺仪的检测输出的升级至关重要，直接决定着惯性导航系统的精确度和稳定性，决定着我国国防实力，军民生活对微陀螺仪的应用提出了更高的要求，所以我们不得不另辟新径。

e指数半导体器件是上世纪80年代初发展起来的基于重调制掺杂结构而建立起来的一种新型的半导体器件。e指数半导体器件的I-V特性呈e指数关系，这种特性关系对能引起载流子输运性质(如迁移率)改变的各种外界参量，如光学、热学、力学量的变化的响应极其灵敏，因此能够在适当的工作点上实现对外参量的高灵敏探测。如果将e指数半导体器件嵌入到微纳机械结构中，则应能实现对力学量及其变化的高灵敏探测，这不论是在相关传统传感器还是新生传感器方面，都将具有重要应用。近年来，该方面的研究引起了国际上广泛的关注，在国外基于e指数半导体器件的微纳机械传感器的研究有了相关报道，已经表现出了其高灵敏特性。e指数半导体器件采用重调制掺杂结构，在宽带隙半导体一侧掺杂施主杂质，在异质结窄带隙一侧不掺杂，这样施主杂质电离产生电子和带正电荷的施主杂质中心。e指数半导体器件通常使用n型掺杂的宽带隙半导体和窄带隙半导体材料制作，其优点在于异质结两侧半导体材料的费米能级位置不同，可使电子从费米能级较高的宽带隙材料一侧转移到较低的窄带隙材料一侧，使沟道中的施主电离杂质与电子空间分离，以形成二维电子气。同时通过外加电场使沟道内形成量子阱，由于电子的德布罗意波波长与量子阱的宽度可比，因此在垂直于异质结界面的方向上能量发生量子化，二维电子气在该方向上的运动失去自由度。二维电子气的电子迁移率远高于半导体材料的电子迁移率，通过在沟道层与掺杂层之间生长非掺杂隔离层，可进一步提高其电子迁移率。低温环境下，二维电子气的电子输运特性更加优越。由于e指数半导体器件利用了量子尺寸效应，其在一维方向上利用异质结的带边能量差对电子运动进行了有效地限制，使电子在其纵向运动方向上的能量量子化，形成了高浓度的二维电子气。当沟道部分材料收到应力作用时，半导体材料的的能带结构发生相应的变化，进而导致对电子限制作用的变化，影响到了沟道层内二维电子气浓度，进而使应变势发生了变化。利用此原理目前已经研制出了与HEMT相结合的高灵敏度微陀螺仪，其HEMT的压阻系数是传统硅压阻式的3个数量级，但是随着测量要求的提高，现有HEMT微陀螺仪已经无法满足要求。

发明内容

本发明为了解决因现有微陀螺仪灵敏度低而无法满足测量要求的问题，提供了一种基于e指数半导体器件的嵌入式高灵敏度微陀螺仪。

本发明是采用如下技术方案实现的的：基于e指数半导体器件的嵌入式高灵敏度微陀螺仪，包括Si基外延2umGaAs衬底、e指数半导体器件、质量块、检测梁、以及梳齿结构；其是由包括如下步骤的制造方法制得的：

(一)、e指数半导体器件的制备：

步骤1：检验Si基外延2umGaAs衬底的表面粗糙度并测量其电阻率、迁移率电学参数；在超真空环境下，采用分子束外延技术在Si基外延2um GaAs衬底上依次生长如下表1所示参数的HEMT薄膜材料和RTD薄膜材料，形成RTT薄膜材料；

表1

步骤2、将RTT薄膜材料的表面清洗干净后测量其电阻率、迁移率电学参数使之与上一步中Si基外延2umGaAs衬底的电阻率、迁移率电学参数测量结果的比值小于一个数量级(一个数量级为10倍)；得到基片；

步骤3、在基片上涂一层光刻胶，刻蚀RTT薄膜材料，形成RTT台面结构；

步骤4、在RTT台面上涂一层光刻胶，刻蚀RTD薄膜材料，形成RTD台面和HEMT台面结构；

步骤5、在RTD台面的n-GaAs帽层和HEMT一侧台面的n-GaAs帽层上蒸发淀积一层厚度为的以任意比例混合的金属组合Au-Ge-Ni；继续覆盖一层厚度为的金属Au；在460℃-560℃温度下，经过30s合金化后形成欧姆接触层；