nc-Si:H 薄膜晶体管压/磁传感器模型与集成化研究

本项目通过研究纳米硅薄膜微结构，建立纳米硅薄膜结构模型，进一步分析揭示纳米硅薄膜厚度和杂质掺杂浓度等因素对薄膜载流子迁移率、薄膜压阻系数和光学禁带宽度的影响问题。在此基础上，建立nc-Si:H 薄膜晶体管压/磁传感器理论模型，并采用PECVD方法和CMOS工艺在<100>晶向高阻单晶硅片表面上制作具有霍尔输出端的纳米硅薄膜晶体管（nc-Si:H TFT），四个纳米硅薄膜晶体管沟道电阻构成惠斯通电桥结构，采用MEMS技术将纳米硅薄膜晶体管背面单晶硅衬底制作成C型硅杯结构，使制作的具有霍尔输出端的纳米硅薄膜晶体管实现对外加磁场检测的同时又能检测外加压力,实现纳米硅薄膜晶体管压/磁传感器集成化和一体化。该压/磁传感器采用纳米硅薄膜，传感器具有高灵敏度、温度稳定性好等优点，传感器在自动化技术、汽车工业、航空航天等领域具有重要应用。为纳米硅薄膜在传感器领域进一步应用奠定基础。

本项目通过nc-Si:H 薄膜制备和特性研究，建立nc-Si:H 薄膜晶体管压/磁传感器基本结构模型，四个具有霍尔输出端（VH1 和VH2）纳米硅薄膜晶体管（nc-Si:H TFT）设计在方形硅膜上，其沟道电阻构成惠斯通电桥结构，基于压阻效应实现外加压力(P)检测，单个具有霍尔输出端纳米硅薄膜晶体管以纳米硅薄膜和纳米硅/单晶硅异质结界面作为磁敏感层，实现外加磁场（B）测量。通过模拟仿真和理论计算，基于MEMS技术和CMOS工艺在<100>晶向高阻单晶硅片表面上实现传感器芯片设计、制作与封装，实验结果给出：当外加压力B=0T,p型导电沟道纳米硅薄膜晶体管具有较好压敏特性，当薄膜厚度为61nm，硅膜厚度35 μm,沟道长宽比为160μm/80μm时，在5.0V工作电压下，满量程（100kPa）输出电压和灵敏度分别为267mV和2.58mV/kPa; 当外加压力P=0kPa, 薄膜厚度为82nm，工作电压VDS=5.0V时，沟道长宽比为160μm/80μm 和320μm/80μm n型沟道纳米硅薄膜晶体管压/磁传感器磁敏结构灵敏度为25.64mV/T 和15.81mV/T，在相同工艺条件下，当薄膜厚度为120nm，具有霍尔输出端n型导电沟道纳米硅薄膜晶体管磁敏器件具有较高磁敏度，沟道长宽比为320μm/80μm时，在5.0V工作电压下，最大磁灵敏度可达264mV/T, 实验结果表明，纳米硅薄膜厚度、杂质浓度、导电类型和沟道尺寸等因素影响磁敏特性。当外加P≠0kPa，外加B≠0T，纳米硅薄膜厚度为82nm，薄膜晶体管沟道长宽比为320μm/80μm，当工作电压为3.0V，外加磁场B分别为-0.5T、0T和0.5T时，压/磁传感器的压力灵敏度分别为0.211mV/kPa、0.213mV/kPa和0.213mV/kPa，实验结果表明外加磁场对压/磁传感器的压敏特性影响比较微弱。本项目实现传感器芯片对外加压力和磁场的同时检测，传感器具有较高灵敏度和温度稳定性，为纳米硅薄膜在传感器领域进一步应用奠定基础。