一种电泵加速度传感器及其制备方法
阅读说明：本技术 一种电泵加速度传感器及其制备方法 (Electric pump acceleration sensor and preparation method thereof ) 是由 朱刚毅 杨颖� 秦飞飞 叶鹏 于 2021-07-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种电泵加速度传感器及其制备方法,所述加速度传感器包括质量块和悬空波导结构,质量块设置在悬空波导结构的中间位置；悬空波导结构包括从下到上依次设置的硅衬底层、u型氮化镓层、n型氮化镓层、量子阱层、p型氮化镓层、p型电极和n型电极,其中,量子阱层设置在n型氮化镓层上表面的一侧,硅衬底层支撑u型氮化镓层下方的两端。所述制备方法在硅衬底氮化物外延片上,利用光刻、ICP干法刻蚀、硅湿法刻蚀工艺制备悬空波导结构的氮化物微腔。本发明将光源与传感器件聚焦在一个氮化镓的悬空波导光学谐振腔上,制备的加速度传感器可以进行高密度的光电集成,具有更高的分辨率和灵敏度。(The invention discloses an electric pump acceleration sensor and a preparation method thereof, wherein the acceleration sensor comprises a mass block and a suspended waveguide structure, and the mass block is arranged in the middle of the suspended waveguide structure; the suspended waveguide structure comprises a silicon substrate layer, a u-type gallium nitride layer, an n-type gallium nitride layer, a quantum well layer, a p-type gallium nitride layer, a p-type electrode and an n-type electrode which are sequentially arranged from bottom to top, wherein the quantum well layer is arranged on one side of the upper surface of the n-type gallium nitride layer, and the silicon substrate layer supports two ends below the u-type gallium nitride layer. According to the preparation method, the nitride microcavity with the suspended waveguide structure is prepared on the silicon substrate nitride epitaxial wafer by utilizing photoetching, ICP dry etching and silicon wet etching processes. The light source and the sensing device are focused on a suspended waveguide optical resonant cavity of gallium nitride, and the prepared acceleration sensor can be subjected to high-density photoelectric integration and has higher resolution and sensitivity.)
技术领域
本发明涉及一种电泵加速度传感器及其制备方法，属于加速度传感器设计与制造技术领域。
背景技术
加速度计能感受加速度产生的惯性力并转化为易于测量分析的输出信号，常见的加速度计按照工作原理可以分为：压电式、压阻式、电容式和伺服式等。近年来，随着集成制造工艺和微机械加工技术的不断进步，微加速度传感器向着小型化、高精度化、集成化、智能化的方向发展，被广泛应用于航空航天、地震监测、汽车工业等领域。尤其在航空航天领域，越来越多的卫星导航系统加入惯性模块，当卫星导航不可用时，惯性导航作为主要的导航方式，受到各界广泛重视，而加速度传感器作为惯性器件，对惯性
技术领域
的发展具有极大的推动意义。目前有研究者提出了光机械加速度计，改善了传感器的温度耐受性，由于光机械加速度计具有光学检测原理，所以光机械加速度计在位移灵敏度、分辨率、抗电磁干扰方面具有独特的优势。但是现有的集成光学的加速度传感器需要整合额外的激光光源，故很难与微加工工艺兼容且器件无法小型化，难以实现高密度的光电集成。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种电泵加速度传感器及其制备方法，在现有光泵加速度传感器的基础上，利用先进的微纳加工技术设计并制备了电驱动氮化物悬空波导微腔，并基于氮化物悬空波导结构获得电泵加速度传感器，将光源与传感器结合在一起，不需要额外的泵浦光源，能够实现高密度的光电集成。
为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术手段：
第一方面，本发明提出了一种电泵加速度传感器，包括质量块和悬空波导结构，所述质量块设置在悬空波导结构的中间位置；所述悬空波导结构包括硅衬底层、u型氮化镓层、n型氮化镓层、量子阱层、p型氮化镓层、p型电极和n型电极，其中，所述n型氮化镓层设置在u型氮化镓层上，所述量子阱层设置在n型氮化镓层上表面的一侧，所述p型氮化镓层设置在量子阱层上，所述p型电极设置在p型氮化镓层的上表面，所述p型电极设置在p型氮化镓层上表面远离n型氮化镓层的一侧，所述硅衬底层支撑u型氮化镓层下方的两端。
结合第一方面，进一步的，n型氮化镓层和u型氮化镓层的横截面一致，量子阱层与p型氮化镓层的横截面一致。
结合第一方面，进一步的，所述质量块采用正方形敏感质量块。
结合第一方面，进一步的，n型氮化镓层（3）横截面的两端为圆盘，n型氮化镓层（3）横截面的中间为分别连接两端圆盘的长条形波导。
结合第一方面，进一步的，p型氮化镓层（5）横截面为圆盘和与圆盘一端连接的长条形波导。
结合第一方面，进一步的，硅衬底层（1）上设有2个锥形硅柱，2个锥形硅柱分别支撑在u型氮化镓层（2）两端圆盘的下方。
第二方面，本发明提出了一种电泵加速度传感器的制备方法，所述电泵加速度传感器采用本发明第一方面所述的电泵加速度传感器，所述制备方法包括如下步骤：
S1、获取硅基氮化物外延片，所述硅基氮化物外延片包括依次设置的硅衬底层、u型氮化镓层、n型氮化镓层、量子阱层和p型氮化镓层；
S2、在硅基氮化物外延片的P型氮化镓（5）的上表面旋涂光刻胶，并利用光学光刻技术在光刻胶层上定义由圆盘和与圆盘一端连接的长条形波导组成的微腔结构；
S3、利用电子束蒸镀技术在步骤S2定义的微腔结构上蒸镀金属镍，并去除残余的光刻胶；
S4、基于金属镍，利用ICP刻蚀技术向下刻蚀硅基氮化物外延片，直至n型氮化镓层（3）的上表面，并利用稀硝酸去除金属镍；
S5、在刻蚀后的硅基氮化物外延片的上表面旋涂光刻胶，并利用光学光刻技术在光刻胶层上定义由两个圆盘和分别与两个圆盘连接的长条形波导组成的微腔结构；
S6、利用电子束蒸镀技术在步骤S5定义的微腔结构上蒸镀金属镍，并去除残余的光刻胶；
S7、基于金属镍，利用ICP刻蚀技术向下刻蚀硅基氮化物外延片，直至硅衬底层的上表面，并利用稀硝酸去除金属镍；
S8、在刻蚀后的硅基氮化物外延片的上表面旋涂光刻胶，并利用光学光刻技术在旋涂光刻胶层上定义p型区透明电极图形和n型区透明电极图形；
S9、利用电子束蒸镀技术在p型区透明电极图形上表面蒸镀正电极，在n型区透明电极图形上表面上蒸镀负电极，并去除残留的光刻胶，获得p型电极和n型电极；
S10、利用各向同性湿法刻蚀硅衬底层，令硅衬底层中形成支撑u型氮化镓层的硅柱，获得悬空波导结构的电泵加速度传感器。
结合第二方面，进一步的，所述正电极和负电极均蒸镀为Au/Ni。
结合第二方面，进一步的，所述光刻胶的厚度为1.5~2微米。
结合第二方面，进一步的，步骤S10中采用氢氟酸和稀硝酸配比为1:1的混合溶液刻蚀硅衬底层。
采用以上技术手段后可以获得以下优势：
本发明提出了一种电泵加速度传感器及其制备方法，在硅衬底层的支撑下，利用u型氮化镓层、n型氮化镓层、量子阱层、p型氮化镓层等氮化物形成悬空波导结构，并将质量块设置在悬空波导结构的中间位置，本发明不需要额外的泵浦光源，将光源与光机械传感部件合二为一，实现了器件小型化，降低了系统成本，能够实现高密度的光电集成。令本发明的悬空波导处于压力场中，当加速度增大时，波导更易产生形变，输出的光谱信号变化更加灵敏，可以获得较高的位移灵敏度，能够有效提高加速度传感器的分辨率。此外，氮化镓材料是一种良好的光电材料，光学微腔形变引起光谱的移动，可以直观的反映到氮化镓悬空波导结构发光颜色的变化。
本发明中的硅衬底层由HF和HNO3的混合溶液刻蚀过，由于各向同性，所以可以形成仅有硅柱支撑的波导结构，悬空波导结构令传感器垂直方向的光学损耗更小。本发明制备方法的工艺流程简单、模式体积小，制备出来的氮化物悬空波导结构的表面粗糙度低。
附图说明
图1为本发明一种电泵加速度传感器的侧视图；
图2为本发明一种电泵加速度传感器的俯视图；
图3为本发明一种电泵加速度传感器的制备方法的步骤流程图；
图4为本发明实施例中电泵加速度传感器的制备方法的工艺流程图；
图中，1是硅衬底层，2是u型氮化镓层，3是n型氮化镓层，4是量子阱层，5是p型氮化镓层，6是p型电极，7是n型电极，8是质量块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明：
本发明提出了一种电泵加速度传感器，如图1、2所示，电泵加速度传感器主要包括质量块8和悬空波导结构，其中，质量块8设置在悬空波导结构的中间位置，悬空波导结构包括硅衬底层1、u型氮化镓层2、n型氮化镓层3、量子阱层4、p型氮化镓层5、p型电极6和n型电极7。n型氮化镓层3设置在u型氮化镓层2上，且n型氮化镓层3和u型氮化镓层2的横截面一致，量子阱层4设置在n型氮化镓层3上表面的一侧，量子阱层4的横截面和量子阱层4与n型氮化镓层3接触部位的横截面一致，p型氮化镓层5设置在量子阱层4上，p型氮化镓层5与量子阱层4的横截面一致。n型电极7设置在n型氮化镓层3上表面远离p型氮化镓层5的一侧， p型电极6设置在p型氮化镓层5的上表面，硅衬底层1支撑u型氮化镓层2下方的两端。
在本发明实施例中，质量块8采用正方形敏感质量块。n型氮化镓层3横截面的两端为圆盘，n型氮化镓层3横截面的中间为分别连接两端圆盘的长条形波导；p型氮化镓层5横截面为圆盘和与圆盘一端连接的长条形波导。n型氮化镓层3和p型氮化镓层5横截面的具体形状如图2所示。因此，悬空波导结构可以看做是2个圆盘结构与一个长条形波导结构组成的立体结构，n型氮化镓平台与另一侧的p型氮化镓平台呈阶梯状，圆盘半径为75微米，长条形波导的长度为200微米，宽度为16微米，波导中间的敏感质量块是边长为30微米的正方形。
硅衬底层1上设有2个锥形硅柱，2个锥形硅柱分别支撑在u型氮化镓层2两端圆盘的下方。
在裸露的n型氮化镓层3上表面圆盘中心蒸镀有沉积金属材料为Au/Ni的n型电极7，在p型氮化镓层的长条形和圆盘上蒸镀有沉积金属材料为Au/Ni的p型区电极。
在本发明加速度传感器中，质量块设置在悬空波导微腔结构中间对称位置，使得悬空波导处于压力场中，当加速度增大时，波导更易产生形变，输出的光谱信号变化更加灵敏，提高加速度传感器的分辨率。此外，由于氮化镓材料是一种良好的光电材料，光学微腔形变引起光谱的移动，可以直观的反映到氮化镓悬空波导结构发光颜色的变化。
本发明还提出了一种电泵加速度传感器的制备方法，如图3、4所示，具体法包括如下步骤：
S1、获取商用的硅基氮化物外延片，硅基氮化物外延片包括依次设置的硅衬底层1、u型氮化镓层2、n型氮化镓层3、量子阱层4和p型氮化镓层5。将硅基氮化物外延片，经丙酮、无水乙醇和去离子水一次超声清洗后，用氮气枪吹干。
S2、利用匀胶机在硅基氮化物外延片的P型氮化镓5的上表面以4000转/分钟的转速旋涂光刻胶AZ5214，旋涂时间为40秒（光刻胶厚度为1.5微米）。利用光学光刻技术在光刻胶层上定义由圆盘和与圆盘一端连接的长条形波导组成的微腔结构。本发明中光刻机的型号为MA6。
S3、利用电子束蒸镀技术在步骤S2定义的微腔结构上蒸镀700nm金属镍，并用丙酮溶液去除残余的光刻胶。
S4、基于金属镍，利用ICP刻蚀技术向下刻蚀硅基氮化物外延片，具体的采用III-V族电感耦合等离子体刻蚀技术向下刻蚀，直至n型氮化镓层3的上表面，从而将步骤S2定义的圆盘及长条形波导的图形转移至硅基氮化物外延片的量子阱层4和p型氮化镓层5中，然后利用稀硝酸去除晶片上残留的金属镍。
S5、利用匀胶机在刻蚀后的硅基氮化物外延片的上表面以4000转/分钟的转速旋涂光刻胶AZ5214，旋涂时间为50秒（光刻胶厚度为2微米），并利用光学光刻技术在光刻胶层上定义由两个圆盘和分别与两个圆盘连接的长条形波导组成的微腔结构。
S6、利用电子束蒸镀技术在步骤S5定义的微腔结构上蒸镀700nm金属镍，并用丙酮溶液去除残余的光刻胶。
S7、基于金属镍，利用ICP刻蚀技术沿着步骤S5定义的微腔结构向下刻蚀硅基氮化物外延片，直至硅衬底层1的上表面，从而将完整的圆盘和波导图形向下转移至n型氮化镓层3和u型氮化镓层2，RANH 利用稀硝酸去除金属镍。步骤S2~S7完成了悬空波导结构主体形状和质量块的定义、刻蚀。
S8、利用匀胶机在刻蚀后的硅基氮化物外延片的上表面以4000转/分钟的转速旋涂光刻胶AZ5214，旋涂时间为50秒（光刻胶厚度为2微米），并利用光学光刻技术在旋涂光刻胶层的两侧分别定义p型区透明电极图形和n型区透明电极图形。
S9、利用电子束蒸镀技术在p型区透明电极图形上表面蒸镀正电极（Au/Ni），在n型区透明电极图形上表面上蒸镀负电极（Au/Ni），使得p型氮化镓层5和n型氮化镓层3上分别镀上p型电极6和n型电极7，并用丙酮溶液去除残留的光刻胶。
S10、采用氢氟酸和稀硝酸配比为1:1的混合溶液作为刻蚀溶液，利用各向同性湿法刻蚀硅衬底层1，令硅衬底层1中形成支撑u型氮化镓层2的硅柱，使波导结构悬空，并最终得到悬空波导结构的电泵加速度传感器。硅衬底层1支撑了整个波导结构，使其垂直方向的光学损耗更小。
现有的加速度计大多是基于MEMS硅微加工技术制作的，而本发明采用氮化镓材料制备加速度计，GaN作为III族氮化物宽禁带半导体的代表，与前两代半导体相比具有显著的性能优势，克服了硅材料带隙较窄、电子迁移率低、在高频高功率领域有较多限制的问题，拥有低维量子结构和优异的光电物理特性。此外，氮化镓材料是一种良好的光电材料，通过微纳加工工艺完全能够制备电泵的GaN光机械加速度传感器，此种结构设计避免了外在光源的引入，将光源与光机械传感部件合二为一，能够实现高密度光电集成。
将本发明电泵加速度传感器置于压力场中，当加速度增大时，悬空的波导更加敏感，更易产生形变，输出的光谱信号变化更加灵敏，可以获得较高的位移灵敏度，能够有效提高加速度传感器的分辨率，而且光学微腔形变能引起光谱的移动，可以直观的反映到氮化镓悬空波导结构发光颜色的变化。本发明制备方法的工艺流程简单、模式体积小，制备出来的氮化物悬空波导结构的表面粗糙度低。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。