CN102856369A - 基于硅衬底氮化物的悬空hemt器件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于硅衬底氮化物的悬空HEMT器件，实现载体为硅衬底氮化物晶片，所述硅衬底氮化物晶片包括硅衬底层和位于其上部的氮化物器件层；本发明还设计了一种基于硅衬底氮化物的悬空HEMT器件的制备方法。本发明所设计的基于硅衬底氮化物的悬空HEMT器件及其制备方法能够利用器件的空间自由度，提升器件对环境的感知能力。

Description

基于硅衬底氮化物的悬空HEMT器件及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种基于硅衬底氮化物的HEMT器件及其制备方法，属于信息材料与器件技术领域。
背景技术
III族氮化物的高电子迁移率、大击穿电压特性和压电性能，能够满足研制高速、大功率晶体管高电子迁移率晶体管(High Electron Mobility Transistor, HEMT)及压电器件的要求。AlGaN/GaN异质结构导带偏移较大，在异质结界面附近产生很强的自发极化和压电极化，感生出很强的界面电荷和电场，积聚起高浓度的二维电子气。A1GaN/GaN异质结界面的二维电子气强烈依赖于周围环境，环境变化引起的栅极区表面电荷浓度变化，调控二维电子气浓度，引起源漏电流的变化，实现环境的感知。
高质量的硅衬底氮化物晶片日益成熟，逐步走向市场，该材料体系可以和硅工艺结合起来，进行硅衬底剥离，制备悬空AlGaN/GaN HEMT器件。悬空AlGaN/GaN HEMT的二维电子气和压电效应集成结构能够增强传感器的可靠性和灵敏度，利用器件的空间自由度，增强环境变化对二维电子气的影响。利用其化学稳定性好、耐辐射和耐高温的特性，发展具有环境感知的AlGaN/GaN HEMT功能器件，实现与无线通讯器件的集成，在苛刻工作环境下有巨大的应用前景。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能够利用器件的空间自由度，提升器件对环境的感知能力的基于硅衬底氮化物的悬空HEMT器件及其制备方法。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案；本发明设计了一种基于硅衬底氮化物的悬空HEMT器件，实现载体为硅衬底氮化物晶片，所述硅衬底氮化物晶片包括硅衬底层和位于其上部的氮化物器件层，其中：
所述硅衬底层包括一个由底部贯穿至氮化物器件层下表面的空腔；
所述氮化物器件层的上表面具有AlGaN/GaN HEMT器件结构，包括源极区域、漏极区域和栅极区域，所述源极区域内设置有源极电极，漏极区域内设置有漏极电极，栅极区域内设置有栅极电极。
作为本发明的一种优化结构：所述源极电极和漏极电极的材质为Ti/Al/Ni/Au多层金属薄膜。
作为本发明的一种优化结构：所述栅极电极的材质为Ni/Au金属薄膜。
本发明还设计了一种基于硅衬底氮化物的悬空HEMT器件的制备方法，实现载体为硅衬底氮化物晶片，其中：所述硅衬底氮化物晶片包括硅衬底层和位于其上部的氮化物器件层，包括如下步骤：
步骤（1）：在所述硅衬底氮化物晶片的顶层氮化物器件层旋涂一层光刻胶层，依次采用光刻技术和氮化物反应离子束刻蚀技术，在所述顶层氮化物器件层形成器件隔离区； 
步骤（2）：采用光刻技术在所述光刻胶层形成AlGaN/GaN HEMT器件源极区域与漏极区域结构，并将所述光刻胶层贯穿刻蚀至所述顶层氮化物器件层；
步骤（3）：采用薄膜沉积技术，在所述顶层氮化物器件层上的源极区域与漏极区域内沉积Ti/Al/Ni/Au多层金属薄膜，所述Ti/Al/Ni/Au多层金属薄膜分别作为AlGaN/GaN HEMT器件的源极电极和漏极电极；
步骤（4）：去除光刻胶层，采用薄膜沉积技术，在所述顶层氮化物器件层的栅极区域内沉积Ni/Au金属薄膜，所述Ni/Au金属薄膜作为AlGaN/GaN HEMT器件的栅极电极，从而在顶层氮化物器件层实现AlGaN/GaN HEMT器件结构；
步骤（5）：采用厚胶进行保护，引入背后深硅刻蚀技术，去除硅衬底层，形成基于硅衬底氮化物的悬空AlGaN/GaN HEMT器件。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1.本发明所设计的基于硅衬底氮化物的悬空HEMT器件及其制备方法，提高了器件的空间自由度，并可以发展为环境感知器件，在光、气体和压力传感领域，应用前景广阔；
2. 本发明所设计的基于硅衬底氮化物的悬空HEMT器件及其制备方法，其中该器件结构可以集成氮化物微机电系统，实现新型压力传感器、流体传感器和角度传感器。
附图说明
图1是基于硅衬底氮化物的悬空HEMT器件的结构示意图；
图2是基于硅衬底氮化物的悬空HEMT器件的制备工艺流程；
图3是基于硅衬底氮化物的悬空HEMT器件的压力传感器件示意图；
图4是基于硅衬底氮化物的悬空HEMT器件的力学角度传感器件示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
如图1所示，本发明设计了一种基于硅衬底氮化物的悬空HEMT器件，实现载体为硅衬底氮化物晶片，所述硅衬底氮化物晶片包括硅衬底层和位于其上部的氮化物器件层，其中：
所述硅衬底层包括一个由底部贯穿至氮化物器件层下表面的空腔；
所述氮化物器件层的上表面具有HEMT器件结构，包括源极区域、漏极区域和栅极区域，所述源极区域内设置有源极电极，漏极区域内设置有漏极电极，栅极区域内设置有栅极电极。
作为本发明的一种优化结构：所述源极电极和漏极电极的材质为Ti/Al/Ni/Au多层金属薄膜。
作为本发明的一种优化结构：所述栅极电极的材质为Ni/Au金属薄膜。
如图2所示，本发明还设计了一种基于硅衬底氮化物的悬空HEMT器件的制备方法，实现载体为硅衬底氮化物晶片，所述硅衬底氮化物晶片包括硅衬底层和位于其上部的氮化物器件层，其特征在于，包括如下步骤：
步骤（1）：在所述硅衬底氮化物晶片的顶层氮化物器件层旋涂一层光刻胶层，依次采用光刻技术和氮化物反应离子束刻蚀技术，在所述顶层氮化物器件层形成器件隔离区； 
步骤（2）：采用光刻技术在所述光刻胶层形成AlGaN/GaN HEMT器件源极区域与漏极区域结构，并将所述光刻胶层贯穿刻蚀至所述顶层氮化物器件层；
步骤（3）：采用薄膜沉积技术，在所述顶层氮化物器件层上的源极区域与漏极区域内沉积Ti/Al/Ni/Au多层金属薄膜，所述Ti/Al/Ni/Au多层金属薄膜分别作为AlGaN/GaN HEMT器件的源极电极和漏极电极，在具体实施例中，将电极在600oC下快速退火，提高电极的导电性；
步骤（4）：去除光刻胶层，采用薄膜沉积技术，在所述顶层氮化物器件层的栅极区域内沉积Ni/Au金属薄膜，所述Ni/Au金属薄膜作为AlGaN/GaN HEMT器件的栅极电极，从而在顶层氮化物器件层实现AlGaN/GaN HEMT器件结构；
步骤（5）：采用厚胶进行保护，引入背后深硅刻蚀技术，去除硅衬底层，形成基于硅衬底氮化物的悬空HEMT器件。
在具体实施例中，能够利用悬空AlGaN/GaN HEMT器件的结构特性，发展背部辐照感光，调控器件的二维电子气，改变器件的源漏电流，实现对光环境的感知。
在具体实施例中，利用AlGaN/GaN HEMT器件栅极与环境气体的相互作用，进而影响栅极区域半导体表面的极化束缚正电荷，造成沟道二维电子气浓度的改变，引起源漏电流的变化，实现对化学环境的感知。
如图4所示，进一步的，利用悬空AlGaN/GaN HEMT器件的结构特性，悬空薄膜对力学应变更加敏感，影响到A1GaN/GaN异质结构界面的二维电子气的浓度，实现高灵敏度的力学角度传感器。
如图3所示，该器件结构及其制备技术可以结合微机电驱动技术，实现悬空AlGaN/GaN HEMT与氮化物微机电系统的集成，制备新型压力传感器、流体传感器和角度传感器。

Claims (4)

1.一种基于硅衬底氮化物的悬空HEMT器件，实现载体为硅衬底氮化物晶片，其特征在于：所述硅衬底氮化物晶片包括硅衬底层和位于其上部的氮化物器件层；
所述硅衬底层包括一个由底部贯穿至氮化物器件层下表面的空腔；
所述氮化物器件层的上表面具有AlGaN/GaN HEMT器件结构，包括源极区域、漏极区域和栅极区域，所述源极区域内设置有源极电极，漏极区域内设置有漏极电极，栅极区域内设置有栅极电极。
2.根据权利要求1所述基于硅衬底氮化物的悬空HEMT器件，其特征在于：所述源极电极和漏极电极的材质为Ti/Al/Ni/Au多层金属薄膜。
3.根据权利要求1所述的基于硅衬底氮化物的悬空HEMT器件，其特征在于：所述栅极电极的材质为Ni/Au金属薄膜。
4.一种基于硅衬底氮化物的悬空HEMT器件的制备方法，实现载体为硅衬底氮化物晶片，其特征在于，所述硅衬底氮化物晶片包括硅衬底层和位于其上部的氮化物器件层，该方法包括如下步骤：
步骤（1）：在所述硅衬底氮化物晶片的顶层氮化物器件层旋涂一层光刻胶层，依次采用光刻技术和氮化物反应离子束刻蚀技术，在所述顶层氮化物器件层形成器件隔离区；
步骤（2）：采用光刻技术在所述光刻胶层形成AlGaN/GaN HEMT器件源极区域与漏极区域结构，并将所述光刻胶层贯穿刻蚀至所述顶层氮化物器件层；
步骤（3）：采用薄膜沉积技术，在所述顶层氮化物器件层上的源极区域与漏极区域内沉积Ti/Al/Ni/Au多层金属薄膜，所述Ti/Al/Ni/Au多层金属薄膜分别作为AlGaN/GaN HEMT器件的源极电极和漏极电极；
步骤（4）：去除光刻胶层，采用薄膜沉积技术，在所述顶层氮化物器件层的栅极区域内沉积Ni/Au金属薄膜，所述Ni/Au金属薄膜作为AlGaN/GaN HEMT器件的栅极电极，从而在顶层氮化物器件层实现AlGaN/GaN HEMT器件结构；
步骤（5）：采用厚胶进行保护，引入背后深硅刻蚀技术，去除硅衬底层，形成基于硅衬底氮化物的悬空HEMT器件。
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