论文摘要
随着分子束外延（Molecular Beam Epitaxy,MBE）和金属有机化学汽相沉积（MatelOrganic Chemical Vapor Depositiontor,MOCVD）技术以及半导体纳机电器件加工技术的飞速发展,超晶格量子阱器件的设计和制造已具备越来越成熟的条件并成为现实。当这些器件的特征尺寸达到纳米量级时,就会体现出各种明显的效应（包括量子效应）。例如,纳机电结构中存在的力电耦合效应即介观压阻效应更加显著,并出现新的力学特征和性能。本论文基于纳米超晶格薄膜在应力作用下所具有的显著的力电耦合特性,研究了一种基于AlAs/InGaAs双势垒共振隧穿薄膜微结构（Resonant Tunneling membraneStructure,RTS）介观压阻效应的新型纳机电（Nano Electronical Mechanical System,NEMS）加速度传感器。首先,论文详细阐述了对基于共振隧穿效应的超晶格薄膜的力电耦合特性即介观压阻效应理论的研究成果,以及与该效应相关的诸多物理因素及相互关系的研究成果。在理论研究分析的基础上设计出AlAs/InGaAs双势垒共振隧穿纳米薄膜,利用MBE基于GaAs（001）方向上生长纳米级共振隧穿薄膜,加工出共振隧穿微结构。同时设计并搭建了共振隧穿微结构介观压阻特性的试验验证系统,通过具体加压实验验证了共振隧穿微结构显著的力电耦合特性。实验结果表明:共振隧穿微结构I-V曲线的共振峰在（110）方向单轴应力作用下向正偏压方向漂移,在（1（?）0）方向单轴应力作用下向负偏压方向偏移。该结果为研究NEMS加速度计提供了理论基础和实验依据。其次,论文详细论述了基于RTS介观压阻效应的加速度传感器的结构设计,并分别对RTS的设计以及GaAs基加速度传感器微结构的特性进行了深入分析研究。同时,利用Ansys有限元分析软件对GaAs基加速度计基础结构的力学特性和频率特性进行了分析、仿真和计算。最终确定了AlAs/InGaAs基RTS的结构尺寸以及基于RTS的GaAs基加速度传感器的结构尺寸。然后,根据所设计的结构,采用分子束外延生长技术（MBE）和微电子加工工艺相结合的办法并结合次实验的总结,不断改进工艺,设计出理想的加速度传感器的制作工艺流程,并运用双空气桥工艺降低RTS的隧穿电流和寄生电容,采用控制孔工艺加工加速度传感器的四梁结构,最终实现了RTS与M/NEMS结构的工艺集成。最后,论文阐述了对加速度计的测试方法和测试过程,并给出了测试结果。根据测试需求以及加速度计的输出特性,设计了多种测试方案及其测试电路。分别设计了振荡频率测试电路、电桥测试电路和峰值谷值测试电路,为加速度计的测试提供了必要的硬件环境。然后分别在探针台和振动台上完成加速度计的静态特性测试和动态特性测试,其测试结果表明:GaAs基加速度传感器的最大灵敏度为:560mV/g,共振频率为2.3KHZ,取得了较好的初步测试结果,定量的分析了压力对输出电学信号的影响,灵敏度的线性度及线性范围以及验证了共振隧穿微结构的压阻灵敏度比硅的灵敏度高出一个数量级。本论文的研究成果将为进一步研究基于共振隧穿结构介观压阻效应的纳机电加速度计及应用,以及其他新型高灵敏度纳机电传感器件的研制奠定了一定的理论和实验基础并具有重要的意义。