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基于图形化SOI衬底的氮化镓微驱动器的研究

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作者:
吕凡敏
导师:
胡芳仁
学科专业:
光学工程 
文献出处:
南京邮电大学 2016年
关键词:
微机电系统论文  梳状静电微驱动器论文  图形化衬底论文  氮化镓论文  光栅论文  

摘要:光微机电系统(MOEMS)由于其微型化、可集成化、可批量生产等优点成为21世纪研究的热点,广泛应用于光通信系统、光学显示、光电子器件等领域,推动了通信、医疗、军事、航空航天等事业的快速发展。作为MOMES的驱动单元,静电梳齿结构微驱动器的研究具有巨大的现实意义。另外,第三代宽半导体材料氮化镓具有宽直接禁带、发光性能优异,在高温、高频、大功率工作条件下性能优越等优点,成为MOEMS的理想材料。氮化镓的生长基片主要是蓝宝石、碳化硅、硅/SOI基片。由于SOI基片上可以生长出较大面积的氮化镓薄膜,且与硅的微加工技术兼容,SOI基氮化物的新型集成器件可能成为一个有发展前途的研究方向。因此,本文对基于图形化SOI衬底的氮化镓静电梳状微驱动器进行了研究。本文利用COMSOL有限元软件对硅基GaN静电驱动器进行了建模仿真,分析了结构参数对静电梳状微驱动器性能的影响。对硅基GaN静电驱动器的前六阶模态的本征频率与振型进行了分析,得到一阶模态和三阶模态。在硅基GaN静电驱动器研究的基础上,设计了基于SOI衬底的氮化镓可动微光栅,该光栅利用静电梳状驱动器,在水平和垂直方向实现正交运动。利用导模共振理论对光栅进行了仿真,得到共振峰在25.742μm的光栅设计。从理论上对水平与垂直位移进行了公式推导,然后用COMSOL软件仿真优化,并对氮化镓可动微光栅进行了模态分析。器件设计完成后,在图形化SOI衬底上采用分子束外延生长氮化镓从而完成该器件的制备。最后,通过实验测试了微光栅在驱动器带动下产生的位移。水平位移的理论值与实际值之间存在偏差,而垂直位移与电压的平方呈线性关系。为了研究在图形化SOI衬底上采用氮化镓分子束外延得到的多量子阱的光学性能,用激光拉曼光谱仪测试了氮化镓膜的光致发光光谱,并对光谱进行了分析。

摘要

Abstract

专用术语注释表

第一章 绪论

1.1 引言

1.1.1 MEMS的发展历史

1.1.2 MEMS国内外研究状况

1.1.3 MEMS的加工工艺

1.2 GaN材料性能以及在MEMS中的应用

1.3 课题研究的背景和意义

1.3.1 课题研究的背景

1.3.2 课题研究的意义

1.4 课题研究的主要内容

第二章 MEMS驱动器及静电梳齿驱动器工作原理

2.1 引言

2.2 微驱动器的分类

2.3 静电微驱动器工作原理

2.3.1 平行平板驱动器工作原理

2.3.2 静电梳状驱动器工作原理

2.4 静电微驱动器的优缺点

2.5 本章小结

第三章 硅基氮化镓静电梳状微驱动器的仿真分析

3.1 前言

3.2 有限元分析和COMSOL Multiphysics

3.3 硅基氮化镓静电微驱动器的仿真分析

3.3.1 模型建立

3.3.2 模拟仿真分析

3.3.3 静电微驱动器模态分析

3.4 本章小结

第四章 基于图形化SOI衬底的氮化镓可动光栅的设计和加工

4.1 前言

4.2 MOMES以及微光栅的应用

4.3 基本结构

4.4 光栅设计

4.4.1 亚波长光栅和导模共振原理

4.4.2 光栅模拟仿真分析

4.5 可动光栅微镜的梳状静电驱动设计

4.5.1 正交驱动原理

4.5.2 模型建立

4.5.3 模拟仿真结果分析及优化

4.5.4 模态分析

4.6 基于图形化SOI衬底的氮化镓可动光栅的微加工

4.7 本章小结

第五章 基于图形化SOI衬底的氮化镓可动光栅的实验与特性测试

5.1 前言

5.2 测试仪器

5.3 基于图形化SOI衬底的氮化镓可动光栅微镜

5.3.1 基于图形化SOI衬底的氮化镓可动光栅微镜的FE-SEM图

5.3.2 基于图形化SOI衬底的氮化镓可动光栅的位移

5.4 InGaN/GaN多量子阱薄膜光致发光光谱特性研究

5.4.1 光致发光光谱(PL)

5.4.2 InGaN/GaN多量子阱薄膜的光学特性

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 本论文工作总结

6.2 未来进一步工作展望

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间撰写的论文

附录2 攻读硕士学位期间参加的科研项目

致谢