CN104733522A - AlGaN/GaN HEMT压力传感器工艺实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种AlGaN/GaN HEMT压力传感器工艺实现方法，采用MOCVD或MBE方法在蓝宝石衬底上外延生长出单晶h-BN移除层；然后在h-BN移除层上外延常规的AlGaN/GaN HEMT结构层；在帽层上形成AlGaN/GaN HEMT的栅极、源极和漏极；把AlGaN/GaN HEMT器件的正面朝下粘贴在陶瓷载体上；施以外力克服h-BN的范德瓦耳斯力将蓝宝石衬底剥离掉；把AlGaN/GaN HEMT器件的反面朝下粘贴在开有孔洞的金属铜衬底上。本发明通过h-BN移除层可以转移器件的衬底，避免腐蚀工艺，使得器件可以生长在除外延材料质量硬度高的蓝宝石衬底上。

Description

AlGaN/GaN HEMT压力传感器工艺实现方法
技术领域
本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种AlGaN/GaN HEMT压力传感器工艺实现方法。
背景技术
传感器技术是现代科学技术发展水平的重要标志，其中压力传感器是应用最为广泛的一类。随着对宽禁带半导体的研究深入，发现宽禁带半导体GaN（禁带宽度3.4eV）传感器可以不用冷却在高温下探测化学、气体、生物、辐射以及发送信号给中央控制器。AlGaN/GaN HEMT已经被证明具有高频、耐高压、耐高温和抗辐射特性，是高功率及电力电子器件最具潜力的器件，也是可以工作在恶劣条件下最具潜力的压力传感器。目前AlGaN/GaN HEMT中最先进的生长技术是MOCVE和MBE，蓝宝石，碳化硅和硅衬底作为外延生长的衬底，但是却无法在多晶体或非晶衬底上。目前碳化硅散热性好，大多作为AlGaN/GaN HEMT功率器件的衬底，但价格太高，且晶体质量难以达到Al2O3和Si那么好，机械加工性能比较差；硅价格最低廉，而且校对容易腐蚀，但硅衬底与GaN外延层之间巨大的晶格失配和热失配，这使Si衬底上的GaN材料产生大量的位错及裂纹，成为Si衬底上生长GaN材料的障碍；蓝宝石衬底上生长AlGaN/GaN HEMT结构质量较好，大多采用，但其硬度非常高，在自然材料中其硬度仅次于金刚石，不容易对其进行刻蚀，因此在刻蚀过程中需要较好的设备，这将会增加生产成本。综上所述，由于AlGaN/GaN HEMT压力传感器需要对衬底腐蚀而留出敏感膜，一般采用硅衬底，而以牺牲外延材料质量为代价。如果不需要腐蚀衬底就可以形成敏感膜，就可以采用蓝宝石衬底，不仅外延材料质量得到保证，而且由于不需要通过腐蚀衬底形成敏感膜，敏感膜的厚度也能够精确的保证。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出了一种AlGaN/GaN HEMT压力传感器工艺实现方法。
本发明利用与蓝宝石衬底容易剥离的单晶h-BN插入蓝宝石衬底和AlGaN/GaN HEMT的外延结构层之间，简化GaN HEMT压力传感器工艺难度，实现衬底的转移。
一种AlGaN/GaN HEMT压力传感器工艺实现方法，具体包括以下步骤：
步骤一：采用MOCVD或MBE方法在蓝宝石衬底上外延生长出单晶h-BN移除层；
步骤二：在h-BN移除层上外延常规的AlGaN/GaN HEMT结构层；
步骤三：在帽层上形成AlGaN/GaN HEMT的栅极、源极和漏极；
步骤四：把AlGaN/GaN HEMT器件的正面朝下粘贴在陶瓷载体上；
步骤五：施以外力克服h-BN的范德瓦耳斯力将蓝宝石衬底剥离掉；
步骤六：把AlGaN/GaN HEMT器件的反面朝下粘贴在开有孔洞的金属铜衬底上。
所述的常规的AlGaN/GaN HEMT结构层包括生长AlN缓冲层；接着在AlN缓冲层上面外延生长GaN沟道层；之后在沟道层GaN上外延生长隔离层AlN，接着在隔离层AlN上外延生长非掺杂Al0.3Ga0.7N势垒层和帽层GaN；
所述的h-BN移除层厚度为3nm；
所述的AlN缓冲层厚度为100nm；
所述的GaN沟道层厚度为1.9μm；
所述的AlN隔离层厚度为1nm；
所述的Al0.3Ga0.7N势垒层厚度为20nm；
所述的GaN帽层厚度为2nm；
所述的栅极金属为Ni或者Au，源极和漏极金属为钛、铝、镍、金中的一种，所述的源极为一个圆形结构，直径50μm；栅极与源极为同心的开口圆环，内径和外径分别为150和200μm；漏极与源极为同心的开口圆环，内径和外径分别为250和300μm；
本发明方法中外延生长采用金属有机物化学气相淀积（MOCVD）手段，本发明的发明点在于利用单晶h-BN移除层对器件与衬底剥离，实现衬底转移。
有益效果：本发明通过h-BN移除层可以转移器件的衬底，避免腐蚀工艺，使得器件可以生长在除外延材料质量硬度高的蓝宝石衬底上。
附图说明
图1为采用MOCVD或MBE方法在蓝宝石衬底上外延生长出单晶h-BN移除层的AlGaN/GaN HEMT器件；
图2为AlGaN/GaN HEMT器件的正面朝下粘贴在陶瓷载体上； 图3为施以外力克服h-BN的范德瓦耳斯力将蓝宝石衬底剥离掉的开始；
图4为施以外力克服h-BN的范德瓦耳斯力将蓝宝石衬底剥离掉时；
图5为施以外力克服h-BN的范德瓦耳斯力将蓝宝石衬底剥离掉后； 图6为AlGaN/GaN HEMT器件的反面朝下粘贴在开有孔洞的金属铜衬底上；
图7为铜衬底的AlGaN/GaN HEMT器件的剖面结构图；
图8为铜衬底的AlGaN/GaN HEMT器件的源极、漏极、栅极俯视图。
具体实施方式
一种AlGaN/GaN HEMT压力传感器工艺实现方法，具体包括以下步骤：
步骤一：如图1所示，采用MOCVD或MBE方法在蓝宝石衬底上外延生长出单晶h-BN移除层；
步骤二：在h-BN移除层上外延常规的AlGaN/GaN HEMT结构层；
步骤三：在帽层上形成AlGaN/GaN HEMT的栅极、源极和漏极；
步骤四：如图2所示，把AlGaN/GaN HEMT器件的正面朝下粘贴在陶瓷载体上；
步骤五：如图3、图4、图5所示，施以外力克服h-BN的范德瓦耳斯力将蓝宝石衬底剥离掉；
步骤六：如图6所示，把AlGaN/GaN HEMT器件的反面朝下粘贴在开有孔洞的金属铜衬底上。
所述的常规的AlGaN/GaN HEMT结构层包括生长AlN缓冲层；接着在AlN缓冲层上面外延生长GaN沟道层；之后在沟道层GaN上外延生长隔离层AlN，接着在隔离层AlN上外延生长非掺杂Al0.3Ga0.7N势垒层和帽层GaN；
所述的h-BN移除层厚度为3nm；
所述的AlN缓冲层厚度为100nm；
所述的GaN沟道层厚度为1.9μm；
所述的AlN隔离层厚度为1nm；
所述的Al0.3Ga0.7N势垒层厚度为20nm；
所述的GaN帽层厚度为2nm；
如图7所示，得到以铜为衬底的AlGaN/GaN HEMT压力传感器；
如图8所示，所述的栅极金属为Ni或者Au，源极和漏极金属为钛、铝、镍、金中的一种，所述的源极为一个圆形结构，直径50μm；栅极与源极为同心的开口圆环，内径和外径分别为150和200μm；漏极与源极为同心的开口圆环，内径和外径分别为250和300μm；
本发明首先通过MOCVD工艺技术，在蓝宝石衬底上生长（0001）h-BN层。h-BN具有润滑、质轻、松散，化学性质稳定等特性。而且在蓝宝石上生长的h-BN层又因为B和N所形成的sp2杂化平行于蓝宝石的表面，即h-BN和蓝宝石的方向是（0001）h-BN||（0001）蓝宝石，这样便于蓝宝石和h-BN移除层的剥离。然后生长常规的AlGaN/GaN HEMT外延层（依次在h-BN移除层上生长100nm厚的AlN缓冲层，1900nm厚的GaN沟道层，1nm厚的AlN插入层，20nm 厚度的Al0.3Ga0.7N势垒层和20nm的GaN帽层）；
在帽层上制备三个电极（源极、栅极和漏极）；
把器件正面朝下粘贴在金属载体上；
从侧面对BN层施以外力，将蓝宝石衬底剥离；
把器件剥离面朝下粘贴在有孔洞的金属铜衬底上，在金属铜上开出小孔正对着AlGaN/GaN HEMT器件的有源区，使得气或液体的压力能够通过小孔作用在敏感膜上。即通过本发明：在蓝宝石衬底与AlGaN/GaN HEMT外延层之间插入一层单晶h-BN实现器件与衬底的剥离和转移，简化了AlGaN/GaN HEMT压力传感器的工艺，提高了压力传感器的性能。因为h-BN与石墨一样,其层内存在着强共价键和某种偶极矩的作用,而层间存在着非常弱的键结合,所以这样可以比较容易的施以外力克服h-BN的范德瓦耳斯力从蓝宝石衬底剥离掉，解决掉了高质量的单晶体N化物只能在蓝宝石，碳化硅和硅衬底上生长，不能在多晶体或非晶衬底上定形其他衬底上生长的问题。剥离掉蓝宝石衬底后即可以用多晶体金属，石墨烯，玻璃和透明塑料作衬底，本发明选择铜作为衬底。从而研制出一种新的工艺技术实现新型AlGaN/GaN HEMT压力传感器在不同衬底上的新型工艺。
本发明方法中外延生长采用金属有机物化学气相淀积（MOCVD）方法实现。
因为蓝宝石衬底和AlN缓冲层有着强烈的sp3杂化，难以腐蚀，工艺比较复杂。AlN分子从真空中被A12O3 (0001)表面吸附后，AIN分子化学键与最近邻的表面Al-O键有30°的偏转角度,Al在表面较稳定的化学吸附位置S5、57正好偏离表面O六角对称约30°,并减小甚至消除了吸附前表面Al-O层的驰豫。AlN在A12O3(0001)表面吸附后,Al的最外层部分电子明显地转移到了基片表面,(Al)N-Al化学键表现出离子键特征,同时Al-O(基片)化学键也有明显的离子键成分。另外,通过吸附前后原子布居分析和局域态密度分析,从吸附能量和吸附位置来看,有利于A1的3s轨道与表面相邻的3个O原子2P轨道产生sp3杂化,形成四面体配位，从而使得AlN/ A12O3（0001）材料异质结构相当稳定,难以剥离。因而我们使用h-BN移除层生长单晶体（0001）h-BN超薄膜层在（0001）的蓝宝石衬底上，衬底和h-BN的方向关系是(0001) h-BN ||(0001) 蓝宝石，此刻B面和N结合的sp2杂化是平行于衬底表面的，这样可以施以外力克服h-BN的范德瓦耳斯力从蓝宝石衬底剥离掉，简化了AlGaN/GaN HEMT压力传感器的工艺，提高了压力传感器的性能。

Claims (3)

1.AlGaN/GaN HEMT压力传感器工艺实现方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：
步骤一：采用MOCVD或MBE方法在蓝宝石衬底上外延生长出单晶h-BN移除层；
步骤二：在h-BN移除层上外延常规的AlGaN/GaN HEMT结构层；
步骤三：在帽层上形成AlGaN/GaN HEMT的栅极、源极和漏极；
步骤四：把AlGaN/GaN HEMT器件的正面朝下粘贴在陶瓷载体上；
步骤五：施以外力克服h-BN的范德瓦耳斯力将蓝宝石衬底剥离掉；
步骤六：把AlGaN/GaN HEMT器件的反面朝下粘贴在开有孔洞的金属铜衬底上；
所述的常规的AlGaN/GaN HEMT结构层包括生长AlN缓冲层；接着在AlN缓冲层上面外延生长GaN沟道层；之后在沟道层GaN上外延生长隔离层AlN，接着在隔离层AlN上外延生长非掺杂Al0.3Ga0.7N势垒层和帽层GaN；
所述的h-BN移除层厚度为3nm；
所述的AlN缓冲层厚度为100nm；
所述的GaN沟道层厚度为1.9μm；
所述的AlN隔离层厚度为1nm；
所述的Al0.3Ga0.7N势垒层厚度为20nm；
所述的GaN帽层厚度为2nm。
2.根据权利要求1所述的一种AlGaN/GaN HEMT压力传感器工艺实现方法，其特征在于：所述的栅极金属为Ni或者Au，源极和漏极金属为钛、铝、镍、金中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种AlGaN/GaN HEMT压力传感器工艺实现方法，其特征在于：所述的源极为一个圆形结构，直径50μm；栅极与源极为同心的开口圆环，内径和外径分别为150和200μm；漏极与源极为同心的开口圆环，内径和外径分别为250和300μm。
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Assignee: Simone Technology (Shanghai) Co., Ltd

Assignor: HANGZHOU DIANZI University

Contract record no.: X2020330000033

Denomination of invention: Process realization method of AlGaN / GaN HEMT pressure sensor

Granted publication date: 20180605

License type: Common License

Record date: 20200511

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