CN108519174A - GaN电桥式绝压压力传感器及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种新型GaN电桥式绝压压力传感器及制作方法,涉及半导体压力传感器器件及其制作方法领域,包括SiC衬底材料部、Ga面材料外延部和N面材料外延部,Ga面材料外延部包括缓冲层和势垒层,缓冲层为GaN,势垒层为InxAlyGa1‑x‑yN化合物,N面材料外延部为Inx`Aly`Ga1‑x`‑y`N和GaN`,Ga面材料外延部和N面材料外延部设有衬底薄膜一,衬底薄膜一上为传感器压力敏感电路,传感器压力敏感电路为四个首尾相接的GaN无栅极HEMT器件组成的惠斯顿电桥,SiC衬底材料部背面设有衬底薄膜二,衬底薄膜一和衬底薄膜二键合在一起,形成绝压腔体。该传感器大大提高了压力传感器的灵敏度,实现了高温环境下压力信号的传感。
Description
技术领域
本发明涉及半导体压力传感器器件及其制作方法领域,特别涉及一种GaN电桥式绝压压力传感器及制作方法。
背景技术
目前半导体压力传感器主要是基于Si材料,而Si材料温度特性差,采用扩散工艺形成的电阻在较高温度下特性会发生变化,用来隔离电阻和衬底的PN结的隔离度也会出现衰退,通常Si基压力传感器只能工作于低于120℃的环境下。
GaN由于宽的禁带使其具有良好的高温特性,报道已证实GaN材料器件极限工作温度可达600℃,InAlN材料器件甚至可以工作在1000℃,这是硅基材料远无法企及的。同时GaN材料具有的高电子浓度,高电子迁移率,强抗辐照能力等诸多优点使其可以极端复杂的环境。GaN材料根据其极化方向不同可以分为Ga极性面和N极性面,对于Ga面材料势垒层外延在缓冲层之上,而N面则完全相反。GaN材料的压电效应来源于缓冲层和势垒层之间的晶格失配。对于同一极性面材料是平面内各向同性的,即随着压力的变化沟道电阻会同时增大或者减小。而对于不同极化方向的Ga面和N面则是完全相反的。GaN外延材料的极性面可以通过控制SiC衬底最表层原子来实现,C原子对应Ga面,Si原子则对应N面。
所以现有技术中的半导体压力传感器不能适用于超高温极端环境且灵敏度差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种GaN电桥式绝压压力传感器及制作方法,解决了现有技术中半导体压力传感器不能适用于超高温极端环境且灵敏度差的问题,大大提高了压力传感器的灵敏度,实现了高温环境下压力信号的传感。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案是:一种GaN电桥式绝压压力传感器,包括SiC衬底、设置于SiC衬底两侧的Ga面材料外延部和中间的N面材料外延部,所述Ga面材料外延部包括从下到上依次设置的GaN缓冲层和InxAlyGa1-x-yN势垒层,所述GaN缓冲层为GaN化合物,所述InxAlyGa1-x-yN势垒层为InxAlyGa1-x-yN化合物,所述N面材料外延部从下至上为Inx`Aly`Ga1-x`-y`N层、GaN`层,所述Ga面材料外延部和N面材料外延部分别设有第一衬底薄膜,所述第一衬底薄膜上设有传感器压力敏感电路,所述传感器压力敏感电路为四个相互串联的GaN无栅极高电子迁移率晶体管组成的惠斯顿电桥,其中一对GaN无栅极高电子迁移率晶体管分别置于两侧的Ga面材料外延部的第一衬底薄膜上,而另一对则置于N面材料外延部的第一衬底薄膜上,所述SiC衬底背面开设背面空腔并设置第二衬底薄膜,所述第二衬底薄膜和键合衬底通过晶圆键合技术结合在一起,使得SiC衬底背面腔体与键合衬底之间形成一个压力恒定的绝压空腔。
优选的,InxAlyGa1-x-yN势垒层为单层结构或多层结构。
优选的,InxAlyGa1-x-yN化合物包括不同组分浓度的InAlGaN四元化合物或不同组分浓度的InAlN、AlGaN、InGaN三元化合物或不同组分浓度的AlN、InN二元化合物。
优选的,高电子迁移率晶体管通过欧姆电极以及金属导线连接。
步骤S1,提供SiC衬底;
步骤S2,在SiC衬底上生长Ga面材料外延部;
步骤S3,在SiC衬底上二次外延N面材料外延部;
步骤S4,对GaN高电子迁移率晶体管无源区和有源区进行台面隔离;
步骤S5,对GaN高电子迁移率晶体管进行器件欧姆电极制作;
步骤S6,金属导线制作和连接;
步骤S7,制作SiC衬底背面腔体;
步骤S8,将SiC衬底背面腔体与键合衬底进行晶圆键合形成绝压空腔。
优选的,所述步骤S2中,先在SiC衬底上生长一定厚度的介质层,经光刻刻蚀处理,作为N面材料区域掩膜,采用金属有机物化学气相外延的方法进行Ga面材料生长,其中包括GaN缓冲层,势垒层InxAlyGa1-x-yN。
优选的,所述步骤S3中,进行N面材料外延,先生长一定厚度的介质,经光刻刻蚀处理暴露出N面材料区域,采用金属有机物化学气相外延的方法进行N面材料生长,其中包括Inx`Aly`Ga1-x`-y`N层,GaN`层,完成之后去除掉介质。
优选的,所述步骤S4中,对GaN高电子迁移率晶体管无源区和有源区进行台面隔离,方法为物理或化学刻蚀。
优选的,所述步骤S5中,进行器件欧姆电极的制作,包括金属蒸发与快速退火,金属为一定厚度单层或者多层金属叠层,利用快速退火设备,在特定气氛和温度下进行快速高温退火,得到良好的欧姆电极。
优选的,所述步骤S6中,进行金属导线制作,金属导线为单层或者多层的低电阻率、高温稳定的金属,连接GaN高电子迁移率晶体管形成惠斯顿电桥电路。
优选的,所述步骤S7中,在SiC衬底背面采用物理或者化学刻蚀方法对背面腔体进行刻蚀,根据不同的设计要求确定不同的刻蚀深度,最终得到第二衬底薄膜,所述步骤S8中,将第二衬底薄膜与键合衬底通过晶圆键合技术结合在一起,使得背面腔体与SiC衬底之间形成一个压力恒定的绝压空腔。
综上所述,本发明基于惠斯顿电桥原理以及GaN HEMT器件工作原理,提出了一种新型的GaN薄膜绝压压力传感器,该结构可以提高压力传感器的灵敏度,实现高温环境下压力信号的传感。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提出的GaN压力传感器材料结构示意图;
图2为发明提出的GaN压力传感器截面图;
图3为发明提出的GaN压力传感器的俯视结构示意图;
图4本发明具体实施步骤流程图;
图5为Ga面GaN材料外延的SiC衬底示意图;
图6为步骤S2所对应的示意图;
图7为步骤S3所对应的示意图;
图8为步骤S4所对应的示意图;
图9为步骤S5所对应的示意图;
图10为步骤S6所对应的示意图;
图11为步骤S7所对应的示意图;
图12为步骤S8所对应的示意图。
其中,图中各附图标记:100、SiC衬底,101、介质层,102、GaN缓冲层,103、InxAlyGa1-x-yN势垒层,104、介质,105、Inx`Aly`Ga1-x`-y`N层,106、GaN`层,107、欧姆电极,108、金属导线,109、键合衬底,110、绝压空腔,111、第一衬底薄膜,112、第二衬底薄膜。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
需要说明的是,当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件,它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件,它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
需要理解的是,术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中,“多个”、“若干个”的含义是两个或两个以上,除非另有明确具体的限定。
请参阅图1-12,先提供本发明的具体实施例1,该实施例中的一种GaN电桥式绝压压力传感器,包括SiC衬底100、设置于SiC衬底100两侧的Ga面材料外延部和中间的N面材料外延部,所述Ga面材料外延部包括从下到上依次设置的GaN缓冲层102和InxAlyGa1-x-yN势垒层103,所述GaN缓冲层102为GaN化合物,所述InxAlyGa1-x-yN势垒层103为InxAlyGa1-x-yN化合物,所述N面材料外延部从下至上为Inx`Aly`Ga1-x`-y`N层(105)、GaN`层106,所述Ga面材料外延部和N面材料外延部分别设有第一衬底薄膜,所述第一衬底薄膜上设有传感器压力敏感电路,所述传感器压力敏感电路为四个相互串联的GaN无栅极高电子迁移率晶体管组成的惠斯顿电桥,其中一对GaN无栅极高电子迁移率晶体管分别置于两侧的Ga面材料外延部的第一衬底薄膜111上,而另一对则置于N面材料外延部的第一衬底薄膜111上,所述SiC衬底100背面开设背面空腔并设置第二衬底薄膜112,所述第二衬底薄膜112和键合衬底109通过晶圆键合技术结合在一起,使得SiC衬底100背面腔体与键合衬底109之间形成一个压力恒定的绝压空腔110。
该传感器基于N面材料二次外延技术,将一对对角GaN无栅极高电子迁移率晶体管置于Ga面材料薄膜上即第一衬底薄膜,而另一对则置于N面材料薄膜上即第一衬底薄膜。当受到外部压力,两对电阻将会向相反的方向变化,这样即可以大大提高GaN压力传感器的灵敏度。结合GaN优良的材料特性,该种压力传感器可工作于超高温极端环境。
实施例1的有益效果在于,由于Ga面和N面材料相反的极化特性,实现了差分放大,可大大提高传感器对压力信号的灵敏度。基于GaN材料优良的特性,该种压力传感器可以工作于超高温等恶劣环境下。
InxAlyGa1-x-yN势垒层103为单层结构或多层结构。
InxAlyGa1-x-yN化合物包括不同组分浓度的InAlGaN四元化合物或不同组分浓度的InAlN、AlGaN、InGaN三元化合物或不同组分浓度的AlN、InN二元化合物。
高电子迁移率晶体管通过欧姆电极以及金属导线连接。
步骤S1,提供SiC衬底100;
步骤S2,在SiC衬底100上生长Ga面材料外延部;先在SiC衬底100上生长一定厚度的介质层101,经光刻刻蚀处理,作为N面材料区域掩膜,采用金属有机物化学气相外延的方法进行Ga面材料生长,其中包括GaN缓冲层102,势垒层InxAlyGa1-x-yN103。
步骤S3,在SiC衬底100上二次外延N面材料外延部;进行N面材料外延,先生长一定厚度的介质104,经光刻刻蚀处理暴露出N面材料区域,采用金属有机物化学气相外延的方法进行N面材料生长,其中包括Inx`Aly`Ga1-x`-y`N层105,GaN`层106,完成之后去除掉介质104。
步骤S4,对GaN高电子迁移率晶体管无源区和有源区进行台面隔离;对GaN高电子迁移率晶体管无源区和有源区进行台面隔离,方法为物理或化学刻蚀
步骤S5,对GaN高电子迁移率晶体管进行器件欧姆电极制作;进行器件欧姆电极107的制作,包括金属蒸发与快速退火,金属为一定厚度单层或者多层金属叠层,利用快速退火设备,在特定气氛和温度下进行快速高温退火,得到良好的欧姆电极107。
步骤S6,金属导线制作和连接;进行金属导线108制作,金属导线108为单层或者多层的低电阻率、高温稳定的金属,连接GaN高电子迁移率晶体管形成惠斯顿电桥电路
步骤S7,制作SiC衬底100背面腔体;在SiC衬底100背面采用物理或者化学刻蚀方法对背面腔体进行刻蚀,根据不同的设计要求确定不同的刻蚀深度,最终得到第二衬底薄膜,所述步骤S8中,将第二衬底薄膜与键合衬底109通过晶圆键合技术结合在一起,使得背面腔体与SiC衬底100之间形成一个压力恒定的绝压空腔。
经过以上步骤,即完成了本发明提出的GaN薄膜压力传感器的制作。在进行压力信号测试时,将GaN薄膜作为压力感知端,以对角两电极分别作为输入输出端,测量不同压力条件下输出端的电压值即可实现压力信号的传感。
该GaN压力传感器基于惠斯顿电桥基本工作原理,选取如图3中的①、③(或②、④)电极作为电压输出端,②、④(或①、③)电极作为信号输出端。当传感器表面受到外部压力,HEMT器件特性发生变化,导致输出端电压发生改变,监测此变化,即可实现压力信号的传感。
综上所述,本发明基于惠斯顿电桥原理以及GaN HEMT器件工作原理,提出了一种新型的GaN薄膜绝压压力传感器,该结构可以提高压力传感器的灵敏度,实现高温环境下压力信号的传感。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种GaN电桥式绝压压力传感器,其特征在于:包括SiC衬底(100)、设置于SiC衬底(100)两侧的Ga面材料外延部和中间的N面材料外延部,所述Ga面材料外延部包括从下到上依次设置的GaN缓冲层(102)和InxAlyGa1-x-yN势垒层(103),所述GaN缓冲层(102)为GaN化合物,所述InxAlyGa1-x-yN势垒层(103)为InxAlyGa1-x-yN化合物,所述N面材料外延部从下至上为Inx`Aly`Ga1-x`-y`N层(105)、GaN`层(106),所述Ga面材料外延部和N面材料外延部分别设有第一衬底薄膜(111),所述第一衬底薄膜(111)上设有传感器压力敏感电路,所述传感器压力敏感电路为四个相互串联的GaN无栅极高电子迁移率晶体管组成的惠斯顿电桥,其中一对GaN无栅极高电子迁移率晶体管分别置于两侧的Ga面材料外延部的第一衬底薄膜(111)上,而另一对则置于N面材料外延部的第一衬底薄膜(111)上,所述SiC衬底(100)背面开设背面空腔并设置第二衬底薄膜(112),所述第二衬底薄膜(112)和键合衬底(109)通过晶圆键合技术结合在一起,使得SiC衬底(100)背面腔体与键合衬底(109)之间形成一个压力恒定的绝压空腔(110)。
2.如权利要求1所述的GaN电桥式绝压压力传感器,其特征在于:所述InxAlyGa1-x-yN势垒层(103)为单层结构或多层结构。
3.如权利要求2所述的GaN电桥式绝压压力传感器,其特征在于:所述InxAlyGa1-x-yN化合物包括不同组分浓度的InAlGaN四元化合物或不同组分浓度的InAlN、AlGaN、InGaN三元化合物或不同组分浓度的AlN、InN二元化合物。
4.如权利要求2所述的GaN电桥式绝压压力传感器,其特征在于:所述高电子迁移率晶体管通过欧姆电极以及金属导线连接。
5.如权利要求3所述的GaN电桥式绝压压力传感器的制备方法,其特征在于:步骤S1,提供SiC衬底(100);
步骤S2,在SiC衬底(100)上生长Ga面材料外延部;
步骤S3,在SiC衬底(100)上二次外延N面材料外延部;
步骤S4,对GaN高电子迁移率晶体管无源区和有源区进行台面隔离;
步骤S5,对GaN高电子迁移率晶体管进行器件欧姆电极制作;
步骤S6,金属导线制作和连接;
步骤S7,制作SiC衬底(100)背面腔体;
步骤S8,将SiC衬底(100)背面腔体与键合衬底(109)进行晶圆键合形成绝压空腔(110)。
6.如权利要求4所述的GaN电桥式绝压压力传感器的制备方法,其特征在于:所述步骤S2中,先在SiC衬底(100)上生长一定厚度的介质层(101),经光刻刻蚀处理,作为N面材料区域掩膜,采用金属有机物化学气相外延的方法进行Ga面材料生长,其中包括GaN缓冲层(102),势垒层InxAlyGa1-x-yN(103)。
7.如权利要求4所述的GaN电桥式绝压压力传感器的制备方法,其特征在于:所述步骤S3中,进行N面材料外延,先生长一定厚度的介质(104),经光刻刻蚀处理暴露出N面材料区域,采用金属有机物化学气相外延的方法进行N面材料生长,其中包括Inx`Aly`Ga1-x`-y`N层(105),GaN`层(106),完成之后去除掉介质(104)。
8.如权利要求4所述的GaN电桥式绝压压力传感器的制备方法,其特征在于:所述步骤S4中,对GaN高电子迁移率晶体管无源区和有源区进行台面隔离,方法为物理或化学刻蚀。
9.如权利要求4所述的GaN电桥式绝压压力传感器的制备方法,其特征在于:所述步骤S5中,进行器件欧姆电极(107)的制作,包括金属蒸发与快速退火,金属为一定厚度单层或者多层金属叠层,利用快速退火设备,在特定气氛和温度下进行快速高温退火,得到良好的欧姆电极(107)。
10.如权利要求4所述的GaN电桥式绝压压力传感器的制备方法,其特征在于:所述步骤S6中,进行金属导线(108)制作,金属导线(108)为单层或者多层的低电阻率、高温稳定的金属,连接GaN高电子迁移率晶体管形成惠斯顿电桥电路,所述步骤S7中,在SiC衬底(100)背面采用物理或者化学刻蚀方法对背面腔体进行刻蚀,根据不同的设计要求确定不同的刻蚀深度,最终得到第二衬底薄膜(112),所述步骤S8中,将第二衬底薄膜(112)与键合衬底(109)通过晶圆键合技术结合在一起,使得背面腔体与SiC衬底(100)之间形成一个压力恒定的绝压空腔。
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