CN103344375B - 一种提高压力传感器检测灵敏度装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高压力传感器检测灵敏度装置，本发明的弹道偏转晶体管的右栅极、左漏极、右漏极分别与第一、第二、第三电源的正极连接，第一、第二、第三电源的负极接地，弹道偏转晶体管的左栅极分别与第一电阻的一端和第一压力传感器的漏极连接，第一电阻的另一端与第四电源的正极连接，第四电源的负极接地，第一压力传感器的栅极与第五电源的正极连接，第一压力传感器的源极接地，弹道偏转晶体管的右漏极与第二电阻的一端、第二压力传感器的漏极连接，第二电阻的另一端与第六电源的正极连接，第二压力传感器的栅极与第七电源的正极连接，第五、第六、第七电源的负极接地，第二压力传感器的源极接地。本发明提高了对压力传感器的测量灵敏度。

Description

一种提高压力传感器检测灵敏度装置

技术领域

本发明属于微电子技术领域，涉及一种提高压力传感器检测灵敏度装置。

背景技术

当集成电路和计算机技术迅速发展时，人们才逐步认识到信息摄取装置——传感器没有跟上信息技术的发展。正因为如此，技术先进发达的国家对开发传感器技术都十分重视。美、日、英、法、德和独联体等国家都把传感器技术列为国家重点开发关键技术之一。我国也十分重视研究和开发传感器技术。国家科委于1987年4月制定的《传感器发展政策》白皮书中确定了“必须大力发展传感器技术，特别是要把新型传感器技术作为信息技术中优先领域予以发展”传感器技术已经成为新技术革命和信息社会的重要技术基础，是现代科技发展水平的重要标志，是信息技术的三大支柱之一。在众多的传感器中，压力传感器所占的比重最大，在传感器市场中约占50%市场分额，广泛应用于水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。近年来，随着对宽禁带半导体的研究深入，发现宽禁带半导体氮化镓（GaN）（禁带宽度3.4eV）制成的氮铝镓/氮化镓高电子迁移率晶体管（AlGaN/GaN HEMT）传感器可以不用冷却在高温下探测化学、气体、生物、辐射、压力等特性。AlGaN/GaN HEMT应用于压力传感器工作原理是通过外力作用于AlGaN/GaN HEMT器件的外延层敏感膜AlGaN/GaN，改变外延层材料的极化效应，从而改变AlGaN/GaN HEMT二维电子气中面电子密度，使得器件的电流响应发生变化。但是，器件电流响应随外部压力变化不高，降低了对信号检测的灵敏度。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种提高压力传感器检测灵敏度装置。

一种提高压力传感器检测灵敏度装置，包括七个电源、弹道偏转晶体管、两个压力传感器，两个电阻；

弹道偏转晶体管的右栅极、左漏极、右漏极分别与第一电源V_TD、第二电源V_LD、第三电源V_RD的正极连接，第一电源V_TD、第二电源V_LD、第三电源V_RD的负极接地，弹道偏转晶体管的左栅极分别与第一电阻R_D1的一端和第一压力传感器FET1的漏极连接，第一电阻R_D1的另一端与第四电源V_DD1的正极连接，第四电源V_DD1的负极接地，第一压力传感器FET1的栅极与第五电源V_g1的正极连接，第五电源V_g1的负极接地，第一压力传感器FET1的源极接地，弹道偏转晶体管的右漏极与第二电阻R_D2的一端、第二压力传感器FET2的漏极连接，第二电阻R_D2的另一端与第六电源V_DD2的正极连接，第六电源V_DD2的负极接地，第二压力传感器FET2的栅极与第七电源V_g2的正极连接，第七电源V_g2的负极接地，第二压力传感器FET2的源极接地。

所述的第一压力传感器FET1的结构为漏极、栅极、源极组成的电极层，依次往下为Al_0.27Ga_0.73N帽层、Al_0.27Ga_0.73N势垒层、AlN隔离层、Al_0.04Ga_0.96N插入层、GaN缓冲层，硅衬底。

所述的GaN缓冲层厚度为2.5μm；

所述的Al_0.04Ga_0.96N插入层厚度为8nm；

所述的AlN隔离层厚度为1nm；

所述的Al_0.27Ga_0.73N势垒层厚度为20nm；

所述的Al_0.27Ga_0.73N帽层厚度为2nm；

所述的栅极金属为镍或者金，源极和漏极金属分别为钛、铝、镍、金中的一种，选择器件的栅长为1μm，栅宽为100μm，栅极与源极、栅极与漏极之间距离都为1μm。

所述的第二压力传感器结构和第一压力传感器相同，唯一的不同在于第一压力传感器的敏感膜下方的硅衬底上被挖除一长、宽各为100um的孔，而第二压力传感器的硅衬底没有被挖除。

所述的弹道偏转晶体管有六个电极，分别为顶部漏极、左漏极、右漏极、左栅极、右栅极、源极，电极依次往下是GaN盖层、AlGaN势垒层、GaN缓冲层、AlN成核层，硅衬底。

所述的AlN成核层厚度为10nm；

所述的GaN缓冲层厚度为2.5μm；

所述的AlGaN势垒层厚度为20nm；

所述的GaN盖层厚度为2nm；

所述的栅极金属为镍或者金，源极和漏极金属分别为钛、铝、镍、金中的一种，

在外延层上进行光刻腐蚀，刻蚀深度在70nm，制作出弹道偏转晶体管；顶漏极开口宽度30nm，三角沟道的宽度50nm，源极沟道宽度70nm，左右漏极与三角沟道的间距50nm，三角沟道距顶部漏极开口处距离10nm，三角沟道的高度60nm，沟道边缘与三角沟道的间距40nm，左、右漏极的开口宽度70nm。

所述的电阻R_D1和R_D2采用50欧姆的Ni/Cr电阻。

有益效果：本发明通过提高弹道偏转晶体管中载流子的输运速度以及弹道偏转晶体管的放大作用，来提高传感器对微弱信号的检测精度，从而提高了对压力传感器的测量灵敏度。

附图说明

图1为本发明弹道偏转晶体管的结构示意图；

图2为本发明第一压力传感器的结构示意图；

图3为本方法的电路图。

具体实施方式

如图3所示，一种提高压力传感器检测灵敏度装置，包括七个电源、弹道偏转晶体管、两个压力传感器，两个电阻；

弹道偏转晶体管的右栅极、左漏极、右漏极分别与第一电源V_TD、第二电源V_LD、第三电源V_RD的正极连接，第一电源V_TD、第二电源V_LD、第三电源V_RD的负极接地，弹道偏转晶体管的左栅极分别与第一电阻R_D1的一端和第一压力传感器FET1的漏极连接，第一电阻R_D1的另一端与第四电源V_DD1的正极连接，第四电源V_DD1的负极接地，第一压力传感器FET1的栅极与第五电源V_g1的正极连接，第五电源V_g1的负极接地，第一压力传感器FET1的源极接地，弹道偏转晶体管的右漏极与第二电阻R_D2的一端、第二压力传感器FET2的漏极连接，第二电阻R_D2的另一端与第六电源V_DD2的正极连接，第六电源V_DD2的负极接地，第二压力传感器FET2的栅极与第七电源V_g2的正极连接，第七电源V_g2的负极接地，第二压力传感器FET2的源极接地。

如图2所示，所述的第一压力传感器FET1的结构为漏极、栅极、源极组成的电极层，依次往下为Al_0.27Ga_0.73N帽层、Al_0.27Ga_0.73N势垒层、AlN隔离层、Al_0.04Ga_0.96N插入层、GaN缓冲层，硅衬底。

所述的GaN缓冲层厚度为2.5μm；

所述的Al_0.04Ga_0.96N插入层厚度为8nm；

所述的AlN隔离层厚度为1nm；

所述的Al_0.27Ga_0.73N势垒层厚度为20nm；

所述的Al_0.27Ga_0.73N帽层厚度为2nm；

所述的栅极金属为镍或者金，源极和漏极金属分别为钛、铝、镍、金中的一种，选择器件的栅长为1μm，栅宽为100μm，栅极与源极、栅极与漏极之间距离都为1μm。

所述的第二压力传感器结构和第一压力传感器相同，唯一的不同在于第一压力传感器的敏感膜下方的硅衬底上被挖除一长、宽各为100um的孔，而第二压力传感器的硅衬底没有被挖除。

如图1所示，所述的弹道偏转晶体管有六个电极，分别为顶部漏极、左漏极、右漏极、左栅极、右栅极、源极，电极依次往下是GaN盖层、AlGaN势垒层、GaN缓冲层、AlN成核层，硅衬底。

所述的AlN成核层厚度为10nm；

所述的GaN缓冲层厚度为2.5μm；

所述的AlGaN势垒层厚度为20nm；

所述的GaN盖层厚度为2nm；

所述的栅极金属为镍或者金，源极和漏极金属分别为钛、铝、镍、金中的一种，

在外延层上进行光刻腐蚀，刻蚀深度在70nm，制作出弹道偏转晶体管；顶漏极开口宽度30nm，三角沟道的宽度50nm，源极沟道宽度70nm，左右漏极与三角沟道的间距50nm，三角沟道距顶部漏极开口处距离10nm，三角沟道的高度60nm，沟道边缘与三角沟道的间距40nm，左、右漏极的开口宽度70nm。

所述的电阻R_D1和R_D2采用50欧姆的Ni/Cr电阻。

由于GaN高迁移率和宽禁带，理论推得，在室温下，氮化镓的平均自由程在20nm以上，可以成功制作基于弹道效应的AlGaN/GaN HEMT弹道偏转晶体管。GaN弹道偏转晶体管由源极、（左、右）栅极、（左、右、顶部）漏极组成。通过改变左、右栅极的电压，来控制从左、右漏极到源极的电流。弹道偏转晶体管的左、右栅极电压的改变引起左、右漏极的电流的改变，通过测量左右漏极电流的改变就可以得出所测信号的大小，而且由于载流子在弹道偏转晶体管中的输运几乎不受晶体散射的影响，载流子的速度比一般的器件高一个数量级左右，对信号的响应速度随之加快，所以该器件具备较好的即时性。压力传感器是由AlGaN/GaN HEMT高电子迁移率晶体管实现，去除栅电极下衬底后形成压力敏感膜，利用AlGaN极化效应随压力的变化，控制源漏电流大小。温度补偿器的结构与压力传感器结构相同，但是，栅电极下的硅衬底不被去除，不会形成压力敏感膜。实际工作时，将弹道偏转晶体管栅极连接到传感器的漏极。为了消除温度对电流的影响，把弹道偏转晶体管的左右栅极分别连接到压力传感器和温度补偿器的漏极。传感器的电压V_DD串联一个电阻R_D加在传感器的漏极和弹道偏转晶体管的栅极上。左边压力传感器作为待测传感器，右边温度补偿器起消除温漂作用，使测量结果更加精确。假设左右传感器的输出电流分别为I _CL ,I _CR （这个电流较小），通过R_D压降加在弹道偏转晶体管左右栅极上，设左栅极电压V _gL ，右栅极电压为V _gR ，左右栅极电压差 △V _g 为V _gL -V _gR 为（I _CL -I _CR ）R _D 为△I _C R _D ，由于栅极电压产生的电场作用，导致流过左漏极电流I _DL 和右漏极的电流I _DR 不同，由于栅极电压产生的电场作用，导致流过左漏极电流I _DL 和右漏极的电流I _DR 不同，所以电流差△I _DS 为I _DL -I _DR 为 ，K1,K2,K ₃ 为与器件材料，尺寸以及连接方式有关的参数，即△I _DS 为 ，即△I _C 被放大了倍，这样就把微小的信号的检测精度提高了。这样可以实现提高压力传感器检测灵敏度的效果。

Claims (2)

1.一种提高压力传感器检测灵敏度装置，包括七个电源、弹道偏转晶体管、两个压力传感器，两个电阻；

其特征在于：所述的弹道偏转晶体管的右栅极、左漏极、右漏极分别与第一电源V_TD、第二电源V_LD、第三电源V_RD的正极连接，第一电源V_TD、第二电源V_LD、第三电源V_RD的负极接地，弹道偏转晶体管的左栅极分别与第一电阻R_D1的一端和第一压力传感器FET1的漏极连接，第一电阻R_D1的另一端与第四电源V_DD1的正极连接，第四电源V_DD1的负极接地，第一压力传感器FET1的栅极与第五电源V_g1的正极连接，第五电源V_g1的负极接地，第一压力传感器FET1的源极接地，弹道偏转晶体管的右漏极与第二电阻R_D2的一端、第二压力传感器FET2的漏极连接，第二电阻R_D2的另一端与第六电源V_DD2的正极连接，第六电源V_DD2的负极接地，第二压力传感器FET2的栅极与第七电源V_g2的正极连接，第七电源V_g2的负极接地，第二压力传感器FET2的源极接地；

所述的第一压力传感器FET1的结构为漏极、栅极、源极组成的电极层，依次往下为Al_0.27Ga_0.73N帽层、Al_0.27Ga_0.73N势垒层、AlN隔离层、Al_0.04Ga_0.96N插入层、GaN缓冲层，硅衬底；

GaN缓冲层厚度为2.5μm；

Al_0.04Ga_0.96N插入层厚度为8nm；

AlN隔离层厚度为1nm；

Al_0.27Ga_0.73N势垒层厚度为20nm；

Al_0.27Ga_0.73N帽层厚度为2nm；

所述的栅极金属为镍或金，源极和漏极金属分别为钛、铝、镍、金中的一种，选择器件的栅长为1μm，栅宽为100μm，栅极与源极、栅极与漏极之间距离都为1μm；

所述的于第一压力传感器的敏感膜下方的硅衬底上被挖除一长、宽各为100um的孔；

所述的第二压力传感器结构与第一压力传感器区别在于第二压力传感器的硅衬底没有被挖除；

所述的弹道偏转晶体管有六个电极，分别为顶部漏极、左漏极、右漏极、左栅极、右栅极、源极，电极依次往下是GaN盖层、AlGaN势垒层、GaN缓冲层、AlN成核层，硅衬底；

所述的AlN成核层厚度为10nm；

所述的GaN缓冲层厚度为2.5μm；

所述的AlGaN势垒层厚度为20nm；

所述的GaN盖层厚度为2nm；

所述的栅极金属为镍或金，源极和漏极金属分别为钛、铝、镍、金中的一种，

在外延层上进行光刻腐蚀，刻蚀深度在70nm，制作出弹道偏转晶体管；顶漏极开口宽度30nm，三角沟道的宽度50nm，源极沟道宽度70nm，左右漏极与三角沟道的间距50nm，三角沟道距顶部漏极开口处距离10nm，三角沟道的高度60nm，沟道边缘与三角沟道的间距40nm，左、右漏极的开口宽度70nm。

2.根据权利要求1所述的一种提高压力传感器检测灵敏度装置，其特征在于：所述的电阻R_D1和R_D2采用50欧姆的Ni/Cr电阻。