摩擦納米發電機作為一種環境機械能收集技術，在材料選擇、結構設計及表面工程等方面持續優化。表面改性通過調控粗糙度與表面電荷，已成為提升摩擦電輸出的重要手段。目前，激光輻照、等離子體刻蝕等方法已在聚合物材料中取得成效，但在金屬-半導體體系，尤其是半導體表面圖案化方面的研究仍較有限。

GaN作為第三代寬禁帶半導體，具備優異的化學穩定性與高電子遷移率，適用于摩擦電層。感應耦合等離子體刻蝕技術具有高精度、參數可控等優勢，適用于GaN表面微納結構的制備。本文基于前期對D-GaN HEMT摩擦特性與能帶結構的研究，采用ICP刻蝕技術對其表面進行圖案化處理，以探究表面形貌與電荷分布對輸出性能的影響。

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臺階儀原理

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臺階儀是一種用于測量物體表面形貌的精密儀器，廣泛應用于科學研究、工業生產和質量控制等領域。其工作原理主要基于接觸式測量，探針以納米級接觸壓力劃過試樣表面時，微觀形貌的梯度變化引發探針產生縱向位移響應。這一過程中，集成于探針組件的高靈敏度傳感系統（包含壓電傳感模塊與光電轉換單元）實時捕獲位移信號，通過多級信號放大與數字濾波處理，最終構建出亞微米級分辨率的三維形貌圖譜。

本文采用的是Flexfilm探針式臺階儀，這種探針式表面輪廓儀通過觸針沿著樣品表面起伏上下運動。傳感器捕捉到的信號經過放大、濾波等處理后，生成與觸針位移成正比的信號，從而實現對表面形貌的精確測量。本文用于測量樣品氮化物半導體材料表面的刻蝕深度。

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圖案化D-GaN HEMT的制備與表征

表面圖案化D-GaN HEMT的制造工藝流程圖（a）超聲波清洗（b）旋涂（c）干燥（d）激光直寫（e）顯影（f）電感耦合等離子體刻蝕（g）去光刻膠（h）刻蝕D-GaN HEMT模型

光刻圖案設計

使用MOCVD生長的2英寸D-GaN HEMT晶圓，經超聲清洗后旋涂光刻膠，采用激光直寫光刻技術定義相切圓陣列圖案，顯影后形成掩模。

ICP刻蝕工藝

以BCl?/Ar為刻蝕氣體，在優化的ICP功率、射頻功率與溫度條件下進行刻蝕，形成表面菱形凸起結構，隨后去除光刻膠，完成表面圖案化。

器件組裝與測試

（a）刻蝕切圓的半徑（b）“TENG”微圖形設計示意圖

以銅箔為上摩擦層，圖案化D-GaN HEMT為下摩擦層，制備歐姆接觸電極。通過線性電機控制滑動摩擦，實時監測開路電壓與短路電流。結合XPS、AFM、KPFM、臺階儀等多尺度表征手段，系統分析表面化學、形貌、電勢及刻蝕均勻性。

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實驗結果與分析

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工作原理分析

（a）電感耦合等離子體刻蝕工藝的機理示意圖（b）刻蝕D-GaN HEMT的AFM三維圖像（c）Cu/刻蝕 D-GaN HEMT TENG 測試示意圖

刻蝕過程中等離子體轟擊導致表面氮空位增加，相當于n型摻雜，提升載流子濃度。表面粗糙化增大了有效接觸面積，配合異質結構中的二維電子氣輸運，共同促進界面電荷轉移，增強摩擦伏特效應。

刻蝕深度的影響

臺階儀測試的五個采樣區域和掃描路徑圖

通過調控刻蝕時間實現深度漸變（約1 nm/s）。實驗表明輸出性能隨深度先增后減，在約29 nm處達到最優（ISC=36 μA，UOC=28 V）。過深刻蝕將增加串聯電阻并限制接觸面積進一步擴展，導致輸出飽和甚至下降。

圖案密度的影響

（a）5個測試采樣區域不同刻蝕時間的刻蝕深度（b-f）在區域iii中使用ICP刻蝕不同時間下表面圖案化D-GaN HEMT的表面輪廓圖像

設計不同半徑（90?μm–5?μm）的相切圓圖案以調節密度。隨著圖案密度提高，表面粗糙度增加，短路電流顯著上升（最高達50?μA），開路電壓基本保持穩定。高密度圖案提供了更多電子傳輸通道，降低接觸電阻。

輸出功率與應用驗證

在最優圖案參數下（半徑5?μm，刻蝕40?s），器件在匹配負載3?MΩ時實現最大功率密度4.05?W/m2，為未圖案化器件的2.8倍。電容充放電實驗表明其可驅動LED與UVC光源，具備應用于自供電傳感與紫外消毒的潛力。長期穩定性測試顯示，經過一年及2200次循環后，輸出性能未發生明顯衰減，表面結構保持完整。

本文通過ICP刻蝕技術在D-GaN HEMT表面構建可控微結構，系統研究了刻蝕深度與圖案密度對摩擦電輸出的影響。表面圖案化顯著提升了短路電流與功率密度，最優條件下功率密度達4.05?W/m2，且器件表現出良好的電學穩定性與實用性。該研究為半導體表面工程在摩擦納米發電機性能優化中的應用提供了有效途徑，拓展了其在低功耗電子、環境監測與智能傳感等領域的應用前景。

Flexfilm探針式臺階儀

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在半導體、光伏、LED、MEMS器件、材料等領域，表面臺階高度、膜厚的準確測量具有十分重要的價值，尤其是臺階高度是一個重要的參數，對各種薄膜臺階參數的精確、快速測定和控制，是保證材料質量、提高生產效率的重要手段。

• 配備500W像素高分辨率彩色攝像機
• 亞埃級分辨率，臺階高度重復性1nm
• 360°旋轉θ平臺結合Z軸升降平臺
• 超微力恒力傳感器保證無接觸損傷精準測量

費曼儀器作為國內領先的薄膜厚度測量技術解決方案提供商，Flexfilm探針式臺階儀可以對薄膜表面臺階高度、膜厚進行準確測量，保證材料質量、提高生產效率。

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原文參考：《基于氮化物半導體摩擦納米發電機的設計與特性研究》

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