硅基III-V族外延量子点RTD隧穿陀螺仪的基础效应研究

本项目研究目标是揭示硅基衬底上外延生长的III-V族量子点微纳机械结构中量子点共振隧穿二极管（QD-RTD）的介观压阻效应，及其对外部力学信号产生的机械应力或应变的敏感机理。建立QD-RTD介观压阻效应及其力电耦合的理论模型，开发硅基RTD嵌入式微陀螺结构加工工艺，研究基于片内集成QD-RTD敏感器件的嵌入式微纳机械结构力电特性测试方法，研制新型硅基QD-RTD高灵敏微机械MEMS陀螺仪，验证基于QD-RTD器件嵌入式微纳机械结构的高灵敏度特性和陀螺哥氏效应相结合的可行性，发展一类具有自主知识产权的高灵敏、高精度的新型力敏MEMS传感器件。

项目提出了一种量子隧穿效应的零维量子点结构来实现对力学信号的高灵敏度传感检测，同时针对量子点结构嵌入硅微机械结构需求，重点解决了量子点集成到硅材料，量子点嵌入微机械结构工艺技术难题，并通过开发相关驱动检测电路，初步探索了量子点RTD结构的高灵敏特性及陀螺振动效应，具体工作内容如下：.1、QD-RTD敏感单元电子输运及力敏机理研究：提出了基于量子尺寸效应的高灵敏度力敏传感模型，开展了零维量子点结构的电子隧穿模型及电子传输力学参数调控机理研究，建立了电子隧穿几率与力学参数定量敏感相关联模型，实现了采用量子点结构对力学信号的高灵敏度传感检测。.2、硅基QD-RTD制备及优化研究：采用多层超晶格纳米薄膜结构，释放了硅材料和Ⅲ-Ⅴ材料之间的超高晶格失配、热膨胀系数产生的缺陷和内应力，缺陷密度小于10-4，内应力小于232 MPa，开发了高质量的硅基砷化镓衬；设计了量子点埋层结构，采用S-K模式，制备了QD-RTD结构，实现了对QD-RTD结构异质生长在Si衬底上。.3、QD-RD结构嵌入式集成及力敏特性测试研究：提出了电流垂直运输、电极结构多平面层敏感单元结构的多层薄膜外延与MEMS微机械体结构加工工艺兼容工艺技术方法，并初步测试表征了QD-RTD结构I-V特性及力敏特性，压阻系数达到6.85×10-9 m2/N，相对传统的硅压阻条结构，提高了约两个数量级。.4、陀螺结构设计、加工及测试电路开发研究：提出了回折梁结构实现驱动与检测方向垂直耦合，分析计算了梁结构的尺寸以及阻尼系数，优化设计了陀螺结构的尺寸，并进行了加工，同时针对微机械陀螺仪结构的静电驱动、压阻检测方式，设计了开环检测电路，并进行了对该陀螺结构振动和敲击实验标定，初步探索了QD-RTD微机械陀螺结构的高灵敏检测性能，为今后的高灵敏微机械陀螺仪研究提供研究基础。.在该项目资助下，发表学术论文19篇，其中SCI/EI收录11篇，申请国家发明专利9项，参加国际/国内学术交流7次。