CN107421994B - 基于二维电子气的低功耗氢气传感器及其制造方法 - Google Patents

基于二维电子气的低功耗氢气传感器及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于二维电子气的低功耗氢气传感器的制造方法，所述氢气传感器包含一个二维电子气膜用于检测H2，加热器保持二维电子气膜的加热温度，当传感器暴露于H2气氛中时，二维电子气膜的导电率增加，通过检测前后电流的变化即可获得气氛中H2的浓度，本发明传感器的灵敏度可以通过二维电子气膜的温度（200~400℃）进行强化。本发明仅仅通过几个引出梁支撑二维电子气膜，使其悬浮在空气中，加热器的热量基本都用于维持二维电子气膜的温度，其只能通过引出梁传递至硅衬底中，使得硅衬底温度不会有太大的提高，大大提高了热量的利用率，实现器件的低功耗工作。

Description

基于二维电子气的低功耗氢气传感器及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种氢气传感器及其制造方法，特别是涉及一种基于二维电子气的低功耗氢气传感器及其制造方法。
背景技术
氢气是目前已知最轻的气体，无色、无味、无毒但易燃发生爆炸，化学式为H2。由于其燃烧热值高，产物无污染的特点，因而与太阳能、核能一起被称为三大新能源。作为一种新能源，氢气在航空、动力等领域得到广泛的应用；同时，氢气作为一种还原性气体和载气，在化工、电子、医疗、金属冶炼，特别在军事国防领域有着极为重要的应用价值。但氢气分子很小，在生产、储存、运输和使用的过程中易泄漏，由于氢气不利于呼吸，无色无味，不能被人鼻所发觉，且着火点仅为585℃，空气中含量在4％～97％体积范围内时，遇明火即发生爆炸，故在氢气的使用中必须利用氢气传感器对环境中氢气的含量进行检测并对其泄漏进行监测，以确保安全。
氢气传感器是一种对氢气非常敏感且具有很好的选择性的探测设备，可以作为检测环境中氢气浓度的传感器，出于生产生活中对安全的要求，快速、灵敏的氢气传感器是十分必要的，能够及时避免爆炸的可能性。
在半导体制造领域中，硅外延工艺需要消耗大量氢气气体。考虑到空气中氢气的爆炸极限是4％～97体积％的范围内，气体分配箱(VMB)附近的气氛应该采用氢气探测器进行检测以防止氢气的泄漏。
同时，硅外延工艺的尾气通常包括TCS、H2、以及HCl，这些尾气最终会进入到湿式洗涤器中进行处理。然而，只有TCS和HCl可以用湿式洗涤器处理，而氢气通常，直接排放到大气中，被空气稀释。因此，在湿式洗涤器附近的气氛也同样需要进行监测。
考虑到大量的氢气探测器应用于半导体晶圆厂中，氢气传感器应该具有更低的功耗和更高的灵敏度。
微电子研究中心(IMEC)提供了一种微结构的氢气传感器，这种氢气传感器的主要原理是通过AlGaN/GaN界面形成二维电子气高导电通道来完成探测。首先，这个二维电子气通道原始的电流为I0，在高温下，H2会发生电离，形成带正电的H离子以及电子，其反应过程如下所示：
当气氛中的H2浓度增加，二维电子气通道中的电子就会增加，从而，原来检测到的电流I0会增加为IH2，通过检测电流的变化值就可以换算出气氛中H2的浓度。
微电子研究中心(IMEC)提供的氢气探测器结构如图1所示，该氢气传感器采用一加热器对AlGaN/GaN层进行加热，其中，AlGaN/GaN层下方由一层薄膜支撑，对于这种结构来说，加热器所产生的热量会通过该层薄膜传递至硅衬底中，从而造成热量的浪费以及硅衬底稳定性降低，导致氢气传感器的功耗的提高。
基于以上所述，提供一种既能保证氢气传感器的灵敏度又能有效降低损耗的氢气传感器及其制造方法实属必要。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于二维电子气的低功耗氢气传感器及其制造方法，用于解决现有技术中氢气传感器灵敏度低或功耗过高的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于二维电子气的低功耗氢气传感器的制造方法，所述制造方法包括步骤：步骤1)，提供一硅衬底，于所述硅衬底表面依次形成GaN层以及AlGaN层，所述GaN层以及AlGaN层之间形成二维电子气界面；步骤2)，于所述AlGaN层表面形成感应电极以及分别位于感应电极两侧的加热器；步骤3)，于AlGaN层、感应电极及加热器表面形成保护阻挡层，去除两个感应电极之间的保护阻挡层，露出AlGaN/GaN层作为基于二维电子气的感应区域；步骤4)，去除感应电极及加热器外围的保护阻挡层形成窗口，各窗口之间保留有感应电极的引出梁以及加热器的引出梁，去除窗口内的AlGaN层及GaN层，露出硅衬底；步骤5)，基于所述窗口对所述硅衬底进行湿法腐蚀，形成藉由感应电极的引出梁以及加热器的引出梁悬挂的传感器结构。
作为本发明的基于二维电子气的低功耗氢气传感器的制造方法的一种优选方案，步骤1)在生长GaN层之前还包括于所述硅衬底表面生长AlN缓冲层的步骤，所述AlN缓冲层的厚度范围为50～100nm。
作为本发明的基于二维电子气的低功耗氢气传感器的制造方法的一种优选方案，所述GaN层的厚度范围为100～300nm，所述AlGaN层的厚度范围为10～20nm。
作为本发明的基于二维电子气的低功耗氢气传感器的制造方法的一种优选方案，步骤2)包括：步骤2-1)，于所述AlGaN层表面形成金属层；步骤2-2)，于所述金属层表面制作光刻图形；步骤2-3)，基于所述光刻图形刻蚀所述金属层，形成感应电极以及分别位于感应电极两侧的加热器。
作为本发明的基于二维电子气的低功耗氢气传感器的制造方法的一种优选方案，所述感应电极及加热器的材料选自于Au、Pt及W中的一种，厚度范围为50～100nm。
作为本发明的基于二维电子气的低功耗氢气传感器的制造方法的一种优选方案，步骤3)中所述保护阻挡层选用为采用低压化学气相沉积法制备的低应力SiN层，所述低应力SiN层的厚度范围为200～1000nm。
作为本发明的基于二维电子气的低功耗氢气传感器的制造方法的一种优选方案，所述硅衬底选用为(100)晶向的硅衬底，步骤5)湿法腐蚀的腐蚀液选用为TMAH溶液，通过湿法腐蚀后的硅衬底中形成倒金字塔状的空腔结构。
作为本发明的基于二维电子气的低功耗氢气传感器的制造方法的一种优选方案，所述传感器结构藉由6根引出梁悬挂，包括第一感应电极的第一引出梁、第二感应电极的第二引出梁、第一加热器两端的第三引出梁及第四引出梁以及第二加热器两端的第五引出梁及第六引出梁。
进一步地，各引出梁末端设置有焊盘结构。
本发明还提供一种基于二维电子气的低功耗氢气传感器，包括：硅衬底及传感器结构，所述硅衬底中形成有空腔结构，所述传感器结构藉由多根引出梁悬挂于所述硅衬底上；所述传感器结构包括：GaN层及AlGaN层，所述GaN层以及AlGaN层之间形成二维电子气界面；感应电极，形成于所述AlGaN层之上；加热器，形成于所述AlGaN层之上，且位于所述感应电极的两侧；保护阻挡层，覆盖于所述AlGaN层、感应电极及加热器表面，且于两个感应电极之间露出有AlGaN/GaN层作为基于二维电子气的感应区域。
作为本发明的基于二维电子气的低功耗氢气传感器的一种优选方案，所述GaN层下方还形成有AlN缓冲层，所述AlN缓冲层的厚度范围为50～100nm。
作为本发明的基于二维电子气的低功耗氢气传感器的一种优选方案，所述GaN层的厚度范围为100～300nm，所述AlGaN层的厚度范围为10～20nm。
作为本发明的基于二维电子气的低功耗氢气传感器的一种优选方案，所述感应电极及加热器的材料选自于Au、Pt及W中的一种，厚度范围为50～100nm。
作为本发明的基于二维电子气的低功耗氢气传感器的一种优选方案，所述保护阻挡层选用为低应力SiN层，所述低应力SiN层的厚度范围为200～1000nm。
作为本发明的基于二维电子气的低功耗氢气传感器的一种优选方案，所述硅衬底选用为(100)晶向的硅衬底，所述硅衬底中形成的空腔结构为倒金字塔状的空腔结构。
作为本发明的基于二维电子气的低功耗氢气传感器的一种优选方案，所述传感器结构藉由6根引出梁悬挂，包括第一感应电极的第一引出梁、第二感应电极的第二引出梁、第一加热器两端的第三引出梁及第四引出梁以及第二加热器两端的第五引出梁及第六引出梁。
进一步地，各引出梁末端设置有焊盘结构。
如上所述，本发明的基于二维电子气的低功耗氢气传感器及其制造方法，具有以下有益效果：本发明提供了一种微结构的氢气传感器，其包含一个二维电子气膜用于检测H2，加热器保持二维电子气膜的加热温度，当传感器暴露于H2气氛中时，二维电子气膜的导电率增加，通过检测前后电流的变化即可获得气氛中H2的浓度，本发明传感器的灵敏度可以通过二维电子气膜的温度(200～400℃)进行强化。本发明仅仅通过几个引出梁支撑二维电子气膜，使其悬浮在空气中，加热器的热量基本都用于维持二维电子气膜的温度，其只能通过引出梁传递至硅衬底中，使得硅衬底温度不会有太大的提高，大大提高了热量的利用率，实现器件的低功耗工作。
附图说明
图1显示为现有技术中的一种氢气传感器的结构示意图。
图2～图9显示为本发明的基于二维电子气的低功耗氢气传感器的制造方法各步骤所呈现的结构示意图，其中，图9显示为图8结构对应的俯视结构示意图。
元件标号说明
101 硅衬底
102 AlN缓冲层
103 GaN层
104 AlGaN层
105 感应电极
106 加热器
107 保护阻挡层
108 感应区域
109 窗口
110 空腔结构
111 焊盘
112 第一引出梁
113 第二引出梁
114 第三引出梁
115 第四引出梁
116 第五引出梁
117 第六引出梁
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图2～图9。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图2～图9所示，本实施例提供一种基于二维电子气的低功耗氢气传感器的制造方法，所述制造方法包括步骤：
如图2～图4所示，首先进行步骤1)，提供一硅衬底101，于所述硅衬底101表面依次形成GaN层103以及AlGaN层104，所述GaN层103以及AlGaN层104之间形成二维电子气界面。
作为示例，所属硅衬底101选用为(100)晶向的硅衬底101，具体地，步骤1)包括以下步骤：
步骤1-1)，采用化学气相沉积法于所述硅衬底101表面在生长AlN缓冲层102，所述AlN缓冲层102的厚度范围为50～100nm，所述AlN缓冲层102可以降低后续生长GaN层103的晶格失配，提高后续生长GaN层103的质量。
步骤1-2)，采用化学气相沉积法于所述AlN缓冲层102表面生长GaN层103，所述GaN层103的厚度范围为100～300nm，在本实施例中，所述GaN层103的厚度为100nm。
步骤1-3)，采用化学气相沉积法于所述GaN层103表面形成AlGaN层104，所述AlGaN层104的厚度范围为10～20nm，所述GaN层103以及AlGaN层104之间形成二维电子气界面，在本实施例中，所述AlGaN层104的厚度为10nm。
如图5所示，然后进行步骤2)，于所述AlGaN层104表面形成感应电极105以及分别位于感应电极105两侧的加热器106。
具体地，步骤2)包括：
步骤2-1)，于所述AlGaN层104表面形成金属层，例如，采用磁控溅射等方法于所述AlGaN层104表面形成金属层，所述金属层的材料可以选自于Au、Pt及W中的一种，厚度范围为50～100nm，在本实施例中，所述金属层的材料为Au，其厚度为80nm。
步骤2-2)，于所述金属层表面制作光刻图形。具体地，首先于所述金属层表面旋涂光刻胶，然后通过光刻的方法制备出光刻图形，所述光刻图形遮挡感应电极105及加热器106的对应区域，所述加热器106呈多个弯曲状，以提高其发热的效率，所述感应电极105呈直线状，分别从不同方向的两侧引出。
步骤2-3)，基于所述光刻图形刻蚀所述金属层，形成感应电极105以及分别位于感应电极105两侧的加热器106。
如图6～图7所示，接着进行步骤3)，于AlGaN层104、感应电极105及加热器106表面形成保护阻挡层107，去除两个感应电极105之间的保护阻挡层107，露出AlGaN/GaN层作为基于二维电子气的感应区域108；
作为示例所述保护阻挡层107选用为采用低压化学气相沉积法制备的低应力SiN层，所述低应力SiN层的厚度范围为200～1000nm，在本实施例中，所述低应力SiN层的厚度为300nm。
作为示例，采用光刻-刻蚀工艺去除两个感应电极105之间的保护阻挡层107，露出AlGaN/GaN层作为基于二维电子气的感应区域108。
如图7所示，然后进行步骤4)，去除感应电极105及加热器106外围的保护阻挡层107形成窗口109，各窗口109之间保留有感应电极105的引出梁以及加热器106的引出梁，去除窗口109内的AlGaN层104及GaN层103，露出硅衬底101。
作为示例，去除感应电极105及加热器106外围的保护阻挡层107采用光刻-刻蚀工艺，其可与上述去除两个感应电极105之间的保护阻挡层107的步骤同时进行，以节省工艺步骤，降低成本。
如图8～图9所示，最后进行步骤5)，基于所述窗口109对所述硅衬底101进行湿法腐蚀，形成藉由感应电极105的引出梁以及加热器106的引出梁悬挂的传感器结构。
作为示例，所述湿法腐蚀的腐蚀液选用为TMAH溶液，通过湿法腐蚀后的硅衬底101中形成倒金字塔状的空腔结构110，如图8所示。
如图9所示，作为示例，所述传感器结构藉由6根引出梁悬挂，包括第一感应电极105的第一引出梁112、第二感应电极105的第二引出梁113、第一加热器106两端的第三引出梁114及第四引出梁115以及第二加热器106两端的第五引出梁116及第六引出梁117。进一步地，在本实施例中，各引出梁末端设置有焊盘111结构。本发明仅仅通过几个引出梁支撑二维电子气膜，使其悬浮在空气中，加热器106的热量基本都用于维持二维电子气膜的温度，其只能通过引出梁传递至硅衬底101中，使得硅衬底101温度不会有太大的提高，大大提高了热量的利用率，实现器件的低功耗工作。
图8～图9所示，本实施例还提供一种基于二维电子气的低功耗氢气传感器，包括：硅衬底101及传感器结构，所述硅衬底101中形成有空腔结构110，所述传感器结构藉由多根引出梁悬挂于所述硅衬底101上；所述传感器结构包括：GaN层103及AlGaN层104，所述GaN层103以及AlGaN层104之间形成二维电子气界面；感应电极105，形成于所述AlGaN层104之上；加热器106，形成于所述AlGaN层104之上，且位于所述感应电极105的两侧；保护阻挡层107，覆盖于所述AlGaN层104、感应电极105及加热器106表面，且于两个感应电极105之间露出有AlGaN/GaN层作为基于二维电子气的感应区域108。
作为示例，所述GaN层103下方还形成有AlN缓冲层102，所述AlN缓冲层102的厚度范围为50～100nm。
作为示例，所述GaN层103的厚度范围为100～300nm，所述AlGaN层104的厚度范围为10～20nm。
作为示例，所述感应电极105及加热器106的材料选自于Au、Pt及W中的一种，厚度范围为50～100nm。
作为示例，所述保护阻挡层107选用为低应力SiN层，所述低应力SiN层的厚度范围为200～1000nm。
作为示例，所述硅衬底101选用为(100)晶向的硅衬底101，所述硅衬底101中形成的空腔结构110为倒金字塔状的空腔结构110。
作为示例，所述传感器结构藉由6根引出梁悬挂，包括第一感应电极105的第一引出梁112、第二感应电极105的第二引出梁113、第一加热器106两端的第三引出梁114及第四引出梁115以及第二加热器106两端的第五引出梁116及第六引出梁117。进一步地，各引出梁末端设置有焊盘111结构。
如上所述，本发明的基于二维电子气的低功耗氢气传感器及其制造方法，具有以下有益效果：本发明提供了一种微结构的氢气传感器，其包含一个二维电子气膜用于检测H2，加热器106保持二维电子气膜的加热温度，当传感器暴露于H2气氛中时，二维电子气膜的导电率增加，通过检测前后电流的变化即可获得气氛中H2的浓度，本发明传感器的灵敏度可以通过二维电子气膜的温度(200～400℃)进行强化。本发明仅仅通过几个引出梁支撑二维电子气膜，使其悬浮在空气中，加热器106的热量基本都用于维持二维电子气膜的温度，其只能通过引出梁传递至硅衬底101中，使得硅衬底101温度不会有太大的提高，大大提高了热量的利用率，实现器件的低功耗工作。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (16)

1.一种基于二维电子气的低功耗氢气传感器的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括步骤：
步骤1)，提供一硅衬底，于所述硅衬底表面依次形成GaN层以及AlGaN层，所述GaN层以及AlGaN层之间形成二维电子气界面；
步骤2)，于所述AlGaN层表面形成感应电极以及分别位于感应电极两侧的加热器；
步骤3)，于AlGaN层、感应电极及加热器表面形成保护阻挡层，去除两个感应电极之间的保护阻挡层，露出AlGaN/GaN层作为基于二维电子气的感应区域；
步骤4)，去除感应电极及加热器外围的保护阻挡层形成窗口，各窗口之间保留有感应电极的引出梁以及加热器的引出梁，去除窗口内的AlGaN层及GaN层，露出硅衬底；
步骤5)，基于所述窗口对所述硅衬底进行湿法腐蚀，形成藉由感应电极的引出梁以及加热器的引出梁悬挂的传感器结构。
2.根据权利要求1所述的基于二维电子气的低功耗氢气传感器的制造方法，其特征在于：步骤1)在生长GaN层之前还包括于所述硅衬底表面生长AlN缓冲层的步骤，所述AlN缓冲层的厚度范围为50～100nm。
3.根据权利要求1所述的基于二维电子气的低功耗氢气传感器的制造方法，其特征在于：所述GaN层的厚度范围为100～300nm，所述AlGaN层的厚度范围为10～20nm。
4.根据权利要求1所述的基于二维电子气的低功耗氢气传感器的制造方法，其特征在于：步骤2)包括：
步骤2-1)，于所述AlGaN层表面形成金属层；
步骤2-2)，于所述金属层表面制作光刻图形；
步骤2-3)，基于所述光刻图形刻蚀所述金属层，形成感应电极以及分别位于感应电极两侧的加热器。
5.根据权利要求1所述的基于二维电子气的低功耗氢气传感器的制造方法，其特征在于：所述感应电极及加热器的材料选自于Au、Pt及W中的一种，厚度范围为50～100nm。
6.根据权利要求1所述的基于二维电子气的低功耗氢气传感器的制造方法，其特征在于：步骤3)中所述保护阻挡层选用为采用低压化学气相沉积法制备的低应力SiN层，所述低应力SiN层的厚度范围为200～1000nm。
7.根据权利要求1所述的基于二维电子气的低功耗氢气传感器的制造方法，其特征在于：所述硅衬底选用为(100)晶向的硅衬底，步骤5)湿法腐蚀的腐蚀液选用为TMAH溶液，通过湿法腐蚀后的硅衬底中形成倒金字塔状的空腔结构。
8.根据权利要求1所述的基于二维电子气的低功耗氢气传感器的制造方法，其特征在于：所述传感器结构藉由6根引出梁悬挂，包括第一感应电极的第一引出梁、第二感应电极的第二引出梁、第一加热器两端的第三引出梁及第四引出梁以及第二加热器两端的第五引出梁及第六引出梁。
9.根据权利要求8所述的基于二维电子气的低功耗氢气传感器的制造方法，其特征在于：各引出梁末端设置有焊盘结构。
10.一种基于二维电子气的低功耗氢气传感器，其特征在于，包括：硅衬底及传感器结构，所述硅衬底中形成有空腔结构，所述传感器结构藉由多根引出梁悬挂于所述硅衬底上；
所述传感器结构包括：
GaN层及AlGaN层，所述GaN层以及AlGaN层之间形成二维电子气界面；
感应电极，形成于所述AlGaN层之上；
加热器，形成于所述AlGaN层之上，且位于所述感应电极的两侧；
保护阻挡层，覆盖于所述AlGaN层、感应电极及加热器表面，且于两个感应电极之间露出有AlGaN/GaN层作为基于二维电子气的感应区域；
所述传感器结构的引出梁包括第一感应电极的第一引出梁、第二感应电极的第二引出梁、第一加热器两端的第三引出梁及第四引出梁以及第二加热器两端的第五引出梁及第六引出梁。
11.根据权利要求10所述的基于二维电子气的低功耗氢气传感器，其特征在于：所述GaN层下方还形成有AlN缓冲层，所述AlN缓冲层的厚度范围为50～100nm。
12.根据权利要求10所述的基于二维电子气的低功耗氢气传感器，其特征在于：所述GaN层的厚度范围为100～300nm，所述AlGaN层的厚度范围为10～20nm。
13.根据权利要求10所述的基于二维电子气的低功耗氢气传感器，其特征在于：所述感应电极及加热器的材料选自于Au、Pt及W中的一种，厚度范围为50～100nm。
14.根据权利要求10所述的基于二维电子气的低功耗氢气传感器，其特征在于：所述保护阻挡层选用为低应力SiN层，所述低应力SiN层的厚度范围为200～1000nm。
15.根据权利要求10所述的基于二维电子气的低功耗氢气传感器，其特征在于：所述硅衬底选用为(100)晶向的硅衬底，所述硅衬底中形成的空腔结构为倒金字塔状的空腔结构。
16.根据权利要求10所述的基于二维电子气的低功耗氢气传感器，其特征在于：各引出梁末端设置有焊盘结构。
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