基于柔性金属衬底制备GaN MEMS谐振器
2025-11-02 11:20:29 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
该工艺将III-N异质结构有效地从h-BN/蓝宝石生长晶圆转移至柔性金属应力层衬底。通过对金属应力层的局部蚀刻和前电极的沉积，可释放集成驱动的自支撑III-N层。利用光学轮廓仪和激光多普勒测振仪对所制备的III-N MEMS鼓形谐振器进行了分析，成功观测到静态挠度和多种振动模式。
近年来，柔性电子领域取得了显著进展，其特征在于材料和器件层面的制造成本持续优化、轻量化设计不断创新，以及对各种形状的适应性显著提升。氮化镓（GaN）因其独特性能而备受瞩目，成为极具应用潜力的材料。此外，在集成高增益电子器件与MEMS谐振器方面，GaN表现出超越其他压电材料的显著优势。近年来，研究者探索了多种在柔性衬底上制备自支撑MEMS谐振器的方法。
据麦姆斯咨询报道，近期，美国佐治亚理工学院与法国国家科学研究中心联合实验室（Georgia Tech-CNRS IRL）的研究团队提出了一种在柔性金属衬底上制备III族氮化物（III-N）MEMS谐振器的简单高效工艺（如图1）。该方法将III-N外延层的范德华外延技术与III-N层上方沉积厚金属应力层相结合。在热处理工艺中，将30 μm厚的金属应力层沉积于300 nm的AlGaN/500 nm的GaN层上（该层生长于3 nm二维六方氮化硼（2D h-BN）释放层上），可启动一步式“自剥离和转移（SLOT）”工艺。
该工艺将III-N异质结构有效地从h-BN/蓝宝石生长晶圆转移至柔性金属应力层衬底。通过对金属应力层的局部蚀刻和前电极的沉积，可释放集成驱动的自支撑III-N层。利用光学轮廓仪和激光多普勒测振仪对所制备的III-N MEMS鼓形谐振器进行了分析，成功观测到静态挠度和多种振动模式。这种简明工艺不仅为经济高效的III-N MEMS谐振器提供了实用的解决方案，还确保了柔性且无裂纹的结构。这项研究成果以“III-Nitride MEMS drum resonators on flexible metal substrates”为题，发表在Microsystems & Nanoengineering期刊上。
图1 在柔性金属衬底上制备自支撑III-N薄膜的SLOT工艺步骤
图2展示了MOVPE生长后（金属沉积前）、SLOT工艺后（芯片剥离后暴露的AlGaN）以及AlGaN干法蚀刻后（用于GaN MEMS），AlGaN/GaN异质结构在镍衬底（图2a）和铜衬底（图2b）上的高分辨率X射线衍射（HR-XRD）2θ-ω扫描图。图3展示了经SLOT转移和AlGaN蚀刻后的III-N薄膜表面形貌表征。
图2 III-N层转移前后的结构表征
图3 经SLOT转移和AlGaN蚀刻后的III-N薄膜表面形貌表征
两种衬底方案中，采用30 μm厚的应力金属层均能有效增强自剥离（Self-Lift-Off）工艺中的结构强度，同时保持器件柔性（如图4b），从而确保无裂纹柔性自支撑III-N MEMS器件的制备稳定性，图4展示了该工艺用于镍衬底上制备器件的效果。图4a展示了经镍蚀刻芯片分离的蓝宝石晶圆，图4b展示了采用SLOT工艺释放后的单个芯片。图4c、图4d展示了经前电极沉积并在金属衬底蚀刻腔体后的III-N MEMS器件。结果显示，尽管SLOT工艺最初采用铜应力层在大面积自支撑薄膜上制备垂直InGaN发光二极管（LED）和高密度微型LED阵列，但低应力镍衬底更适于机械结构的制备。
图4 SLOT工艺的可视化演示及最终器件架构
最后，研究人员对镍衬底上III-N型MEMS鼓形谐振器进行了静态和动态表征。图5展示了利用光学轮廓仪表征静态轮廓的结果。研究人员还采用集成驱动技术和激光多普勒测振仪对GaN及AlGaN/GaN谐振器进行动态表征，相关结果如图6和图7所示。
图5 释放后的III-N薄膜静态挠度轮廓随薄膜尺寸的变化曲线
图6 厚度340 nm、直径107 μm的GaN MEMS器件的典型谐振谱及其对应振动模式
图7 厚度300 nm/500 nm、镍腔直径223 µm的AlGaN/GaN谐振器的典型谐振谱及其对应振动模式
综上所述，通过利用与III-N有源MEMS外延层同步生长的h-BN释放层，这项研究证明了SLOT工艺制备柔性III-N MEMS谐振器的简便性。该工艺无需外力即可实现III-N层从蓝宝石生长衬底转移，为基于二维（2D）材料的机械剥离和转移（2DLT）技术体系增添了重要手段。在下一代MEMS器件中，通过多项工艺改进有望解决现有问题。这种转移工艺不仅有助于制备轻量化、柔性且无裂纹的结构，而且还为在多种金属衬底上制备柔性氮化镓（GaN）MEMS谐振器提供了应用潜力。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41378-025-00995-3
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