CN106206930A - 压力传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种压力传感器及其制备方法，涉及测量压力的装置技术领域。所述压力传感器包括GaN层，所述GaN层的上表面设有势垒层，所述势垒层以外的漏源区域分别设有漏电极和源电极，所述势垒层的上表面设有介质层，部分所述介质层的上表面设有压电材料层。所述传感器通过采用GaN作为衬底，不需要进行衬底腔体刻蚀，以及后续的晶圆键合工艺，可以大大简化加工工艺，降低成本，并可以通过选取不同压电特性的压电材料作为栅电极，制作不同灵敏度、不同测量量程的传感器器件，扩大其应用范围。

Description

压力传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及测量压力的装置技术领域，尤其涉及一种压力传感器及其制备方法。
背景技术
压力传感器是一种可以把压力信转换成可以直观获取的电信号的换能器，被广泛应用于生活的方方面面。目前半导体压力传感器主要是基于Si材料，而Si材料自身特性决定了其很难工作于高温、强辐照等复杂恶劣环境。
GaN是一种宽禁带半导体材料，具有电子浓度高，电子迁移率高，耐高温，抗辐照能力强等诸多优点。因此，GaN基压力传感器可以工作于极端复杂的环境。GaN材料体系的自发极化以及压电极化效应会在材料界面处形成高浓度的二维电子气(2DEG)，其浓度及迁移率对于外部因素，尤其栅电极偏压的改变反应灵敏，直接影响器件的输出特性。
目前，国际上关于GaN基压力传感器的研究主要是采用薄膜结构，即通过衬底背面刻蚀使器件的有源区形成薄膜，薄膜形变会改变极化效应，进而改变输出特性，实现压力信号传感。然而衬底材料（如蓝宝石、SiC等）刻蚀工艺难度大，加工成本高，目前来讲很难获得广泛运用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种压力传感器及其制备方法，所述传感器通过采用GaN作为衬底，不需要进行衬底腔体刻蚀，以及后续的晶圆键合工艺，可以大大简化加工工艺，降低成本。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种压力传感器，其特征在于：包括GaN层，所述GaN层的上表面设有势垒层，所述势垒层以外的漏源区域分别设有漏电极和源电极，所述势垒层的上表面设有介质层，部分所述介质层的上表面设有压电材料层。
优选的，所述势垒层的制作材料为InxAlyGa1-x-yN，其中0≦x≦1，0≦y≦1。
优选的，所述漏电极和源电极包括Ti层、Al层、Ni层、Pt层和/或Au层。
优选的，所述介质层的制作材料为SiN、Al2O3、SiO2或HfO2。
优选的，所述压电材料层为压电陶瓷、压电晶体或有机压电材料。
相应的，本发明还公开了一种压力传感器制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
在GaN层的上表面形成势垒层；
对所述势垒层进行处理，使其与所述GaN层形成凸台结构；
在所述凸台结构的上表面第一次涂光刻胶，对器件的源极区域和漏极区域的光刻胶进行曝光处理，根据光刻胶选取显影液进行显影，显影后无光刻胶区域即为源极区域和漏极区域，源极区域和漏极区域以外剩下未曝光的光刻胶；
在上述器件的上表面形成金属层，采用与未曝光的光刻胶相应的有机溶剂对相应位置的金属层进行剥离，并根据光刻胶特性选择是否进行加热，未曝光区域的光刻胶溶解后，即剩下源漏曝光区域覆盖金属；
根据金属层的不同结构，选取不同的退火温度及退火时间，利用快速退火设备，对上述器件进行快速高温退火，退火后在漏极区域和源极区域形成漏电极和源电极；
在上述器件的上表面沉积一层介质，在介质层的上表面第二次涂光刻胶，对漏源区域进行光刻、显影，并对介质层进行刻蚀，使源漏电极被暴露出来；
在漏源电极之间的介质层上表面形成一层压电材料，作为器件的栅电极，完成压力传感器的制备。
优选的，所述的第一次涂抹的光刻胶根据需要为单层或两层以上，采用接触式曝光机，或者电子束曝光机对器件源漏区域进行曝光。
优选的，通过等离子增强化学气相沉积、低压化学气相沉积或原子层沉积法形成所述介质层。
优选的，根据不同介质层，选择反应离子刻蚀、感应耦合等离子刻蚀或湿法腐蚀对介质层进行刻蚀。
优选的，第二次曝光采用接触式曝光对源漏电极区域进行光刻。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述传感器通过采用GaN作为衬底，不需要进行衬底腔体刻蚀，以及后续的晶圆键合工艺，可以大大简化加工工艺，降低成本，并可以通过选取不同压电特性的压电材料作为栅电极，制作不同灵敏度、不同测量量程的传感器器件，扩大其应用范围。
附图说明
图1是本发明实施例所述方法的流程图；
图2-9是本发明实施例所述传感器的过程器件结构示意图；
图10是本发明实施例所述传感器的结构示意图；
其中：100、势垒层101、GaN层102、光刻胶103、金属层104、漏电极105、介质层106、压电材料层107、源电极。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
如图10所示，本发明实施例公开了一种压力传感器，包括GaN层101，所述GaN层101的上表面设有势垒层100，所述势垒层100以外的漏源区域分别设有漏电极104和源电极107，所述势垒层100的上表面设有介质层105，部分所述介质层105的上表面设有压电材料层106。
所述传感器通过采用GaN作为衬底，不需要进行衬底腔体刻蚀，以及后续的晶圆键合工艺，可以大大简化加工工艺，降低成本。
需要指出的是，所述势垒层100的制作材料为InxAlyGa1-x-yN，其中0≦x≦1，0≦y≦1，因此，所述势垒层100的制作材料包括并不仅限于不同组分浓度的InAlGaN四元化合物，不同组分浓度的InAlN、AlGaN、InGaN三元化合物，以及AlN、InN等，可以根据器件的实际需要进行选择性使用。
优选的，所述漏电极104和源电极107为多层结构，可以包括Ti层、Al层、Ni层、Pt层和/或Au层，但不局限于上述金属层材料。
优选的，所述介质层105的制作材料可以为SiN、Al2O3、SiO2或HfO2，但不局限于上述材料，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择性使用。所述压电材料层106可以为压电陶瓷、压电晶体或有机压电材料等，通过选取不同压电特性的压电材料作为栅电极，制作不同灵敏度、不同测量量程的传感器器件，扩大其应用范围。
与上述压力传感器相对应的，如图1所示，本发明实施例还公开了一种压力传感器制备方法，所述方法包括如下步骤：
S1，提供InxAlyGa1-x-yN/GaN衬底材料；
S2，制作标记，进行台面隔离；
S3，器件源漏电极光刻；
S4，在衬底表面蒸发Ti/Al/Ni/Au金属叠层；
S5，用剥离液进行金属剥离，源漏区域覆盖金属；
S6，高温快速退火，实现源漏欧姆接触；
S7，在表面淀积介质；
S8，电极介质层光刻及刻蚀；
S9，在源漏中间粘附压电材料，完成器件制作。
具体步骤如下：
S1：提供InxAlyGa1-x-yN和GaN材料晶片，其中100为一定厚度及组分浓度的InxAlyGa1-x-yN势垒层，101为GaN层，如图2所示；
S2：对上述晶片进行有机、无机清洗，完成标记制作后，进行台面隔离，实现方式有离子注入及物理化学刻蚀，如图3所示；
S3：在上述晶片的上表面第一次均匀涂光刻胶，根据需求光刻胶可以选取单层或多层；采用接触式曝光机，或者电子束曝光机对器件源漏区域进行曝光；根据光刻胶选取显影液进行显影；图4中，102为显影后留下的未曝光光刻胶，无光刻胶区域即为源漏区域；
S4：采用电子束蒸发的方法，在上述晶片的上表面蒸发一定厚度的金属层；103为蒸发的金属层；金属层103可以选取并不仅限于Ti/Al/Ni/Au、Si/Ti/Al/Ni/Au、Ti/Al/Pt/Au等，如图5所示；
S5：采用与光刻胶102相应的有机溶剂进行金属剥离，根据光刻胶特性选择是否进行加热；适当晃动晶片，未曝光区域光刻胶溶解后，即剩下源漏曝光区域覆盖金属，如图6所示；
S6：利用快速退火设备，在N2气氛中对晶片进行快速高温退火，根据金属层103的不同结构，选取不同的退火温度及退火时间，如图7所示，其中，104为漏电极，107为源电极；
S7：在经过步骤S6处理后的器件的上表面淀积一定厚度的介质，105即为淀积的表面介质层，可以选取并不仅限于SiN、Al2O3、SiO2、HfO2等；不同的介质需要采用不同的淀积方法，如等离子增强化学气相沉积(PECVD)，低压化学气相沉积(LPCVD)，原子层沉积(ALD)等，如图8所示；
S8：结合图9，在经过步骤S7处理后的器件的上表面第二次均匀涂抹光刻胶，采用接触式曝光对源漏电极区域进行光刻；利用相应显影液进行显影；介质层刻蚀，根据不同介质可以选择反应离子刻蚀(RIE)，感应耦合等离子刻蚀(ICP)，湿法腐蚀等；完成后源漏电极被暴露出来；
S9：结合图10，将表面平整的压电材料粘附在源漏电极之间，作为器件的栅电极；106即为压电材料层，包括并不仅限于压电陶瓷、压电晶体、有机压电材料等。
所述方法不需要进行衬底腔体刻蚀，以及后续的晶圆键合工艺，可以大大简化加工工艺，降低成本，并可以通过选取不同压电特性的压电材料作为栅电极，制作不同灵敏度、不同测量量程的传感器器件，扩大其应用范围。

Claims (10)

1.一种压力传感器，其特征在于：包括GaN层（101），所述GaN层（101）的上表面设有势垒层（100），所述势垒层（100）以外的漏源区域分别设有漏电极（104）和源电极（107），所述势垒层（100）的上表面设有介质层（105），部分所述介质层（105）的上表面设有压电材料层（106）。
2.如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于：所述势垒层（100）的制作材料为InxAlyGa1-x-yN，其中0≦x≦1，0≦y≦1。
3.如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于：所述漏电极（104）和源电极（107）包括Ti层、Al层、Ni层、Pt层和/或Au层。
4.如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于：所述介质层（105）的制作材料为SiN、Al2O3、SiO2或HfO2。
5.如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于：所述压电材料层（106）为压电陶瓷、压电晶体或有机压电材料。
6.一种压力传感器制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
在GaN层（101）的上表面形成势垒层（100）；
对所述势垒层（100）进行处理，使其与所述GaN层（101）形成凸台结构；
在所述凸台结构的上表面第一次涂光刻胶（102），对器件的源极区域和漏极区域的光刻胶进行曝光处理，根据光刻胶选取显影液进行显影，显影后无光刻胶区域即为源极区域和漏极区域，源极区域和漏极区域以外剩下未曝光的光刻胶（102）；
在上述器件的上表面形成金属层（103），采用与未曝光的光刻胶相应的有机溶剂对相应位置的金属层进行剥离，并根据光刻胶特性选择是否进行加热，未曝光区域的光刻胶溶解后，即剩下源漏曝光区域覆盖金属；
根据金属层的不同结构，选取不同的退火温度及退火时间，利用快速退火设备，对上述器件进行快速高温退火，退火后在漏极区域和源极区域形成漏电极（104）和源电极（107）；
在上述器件的上表面沉积一层介质，在介质层（105）的上表面第二次涂光刻胶，对漏源区域进行光刻、显影，并对介质层（105）进行刻蚀，使源漏电极被暴露出来；
在漏源电极之间的介质层（105）上表面形成一层压电材料（106），作为器件的栅电极，完成压力传感器的制备。
7.如权利要求6所述的压力传感器制备方法，其特征在于：所述的第一次涂抹的光刻胶（102）根据需要为单层或两层以上，采用接触式曝光机，或者电子束曝光机对器件源漏区域进行曝光。
8.如权利要求6所述的压力传感器制备方法，其特征在于：通过等离子增强化学气相沉积、低压化学气相沉积或原子层沉积法形成所述介质层（105）。
9.如权利要求6所述的压力传感器制备方法，其特征在于：根据不同介质层，选择反应离子刻蚀、感应耦合等离子刻蚀或湿法腐蚀对介质层（105）进行刻蚀。
10.如权利要求6所述的压力传感器制备方法，其特征在于：第二次曝光采用接触式曝光对源漏电极区域进行光刻。
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