CN108682734B - 一种集成外围电路的氮化镓基传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集成外围电路的氮化镓基传感器及其制备方法，为层叠式的阶梯结构，包括形成台面隔离的电路区和传感器区；所述的电路区和传感器区下部具有共同的衬底、缓冲层和高阻GaN层；所述的传感器区用于将外部压力转化为电信号，所述的电路区用于处理所述电信号。优点在于，通过在传感器区外围直接设计和制造用于信号采集处理的电路区，实现压电传感器的单片集成化，具有高性能、高可靠性、体积小和成本低的优点。此外，本发明所述的产品和方法与常规GaN HEMT的制备工艺高度兼容，实现方法简单可靠，从而保证低成本。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件领域，具体涉及一种集成信号处理电路的氮化镓基压电传感器结构及其制备方法。
背景技术
压电传感器是利用材料的压电特性实现的将压力信号转换为一种可以直观获取的电信号的换能器，是工业生产、突发事故预警、环境监测、国防建设等必不可少的基础和装备核心。目前的压电传感器主要是基于压电陶瓷类材料制备的，而外围信号采集处理电路通常是由分立电子元器件构建的，体积相对较大并且容易引入较高的寄生参数，其工作速率、能效和可靠性等均受到了极大的限制。
氮化镓(GaN)是第三代宽禁带半导体的代表，具有许多传统硅材料无可比拟的优势。首先，GaN材料在很宽的温度范围内都能保持优良的压电特性，这保证了GaN适用于制备压电传感器且在高温下工作不失效；其次，GaN材料具有化学性质稳定，抗辐照能力强，机械强度大等优点，特别适于检测和探测领域的应用；再次，基于GaN材料的晶体管，如高电子迁移率晶体管(HEMT)等，具有电流密度大，击穿电压高，开关频率快等许多卓越的电学性能，能够极好的满足高性能传感器系统对外围信号采集处理电路的需求。因此，在GaN基压电传感器器件外围直接设计和制造基于GaN晶体管的各种信号采集处理电路，实现传感器系统的单片集成化，具有高性能、高可靠性、体积小和成本低的优点。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明目的在于提供一种集成信号处理电路的氮化镓基传感器及其制备方法。
本发明所述的一种集成外围电路的氮化镓基传感器，为层叠式的阶梯结构，包括形成台面隔离的电路区和传感器区；所述的电路区和传感器区下部具有共同的衬底、缓冲层和高阻GaN层；所述的传感器区用于将外部压力转化为电信号，所述的电路区用于处理所述电信号。
优选地，所述的电路区为HEMT异质结结构，上方设置肖特基接触的栅极和欧姆接触的源极、漏极。
优选地，所述的集成外围电路的氮化镓基传感器由下至上依次层叠共同的衬底、缓冲层和高阻GaN层；所述的电路区在高阻GaN层上依次层叠GaN沟道层、AlN阻挡层和AlGaN势垒层；所述的AlGaN势垒层上设置与其欧姆接触的源极和漏极，还设置与其肖特基接触的栅极。
优选地，所述的传感器区在高阻GaN层上表面设置传感器电极。
优选地，所述的衬底在传感器区对应位置设有通槽，缓冲层下表面在所述通槽位置设有传感器电极。
本发明所述的一种集成外围电路的氮化镓基传感器的制备方法，包括以下步骤：
S1、在衬底上生长出包括高阻GaN层的HEMT异质结结构，制得晶圆片；
S2、在所述晶圆片中传感器区对应的位置进行刻蚀，暴露出所述的高阻GaN层；形成电路区的台面隔离；
S3、在电路区上表面分别沉积金属形成肖特基接触的栅极和欧姆接触的源极、漏极；
S4、在传感器区对应位置暴露出的高阻GaN层上表面沉积金属形成传感器电极；
其中所述的步骤S3和步骤S4顺序可变。
优选地，所述的步骤S1中，在衬底上依次生长出缓冲层、高阻GaN层、GaN沟道层、AlN阻挡层和AlGaN势垒层，形成HEMT异质结结构的晶圆片。
优选地，还包括步骤S5，衬底在传感器区对应的位置刻蚀出通槽以暴露出缓冲层，在缓冲层暴露位置的下表面沉积金属形成传感器电极。
本发明所述的一种集成外围电路的氮化镓基传感器及其制备方法，其优点在于，通过在传感器区外围直接设计和制造用于信号采集处理的电路区，实现压电传感器的单片集成化，具有高性能、高可靠性、体积小和成本低的优点。此外，本发明所述的产品和方法与常规GaN HEMT的制备工艺高度兼容，实现方法简单可靠，从而保证低成本。
附图说明
图1是本发明所述集成外围电路的氮化镓基传感器的结构示意图；
图2是本发明所述集成外围电路的氮化镓基传感器的另一结构示意图；
图3是本发明所述集成外围电路的氮化镓基传感器的制备方法流程示意图一；
图4是本发明所述集成外围电路的氮化镓基传感器的制备方法流程示意图二；
图5是本发明所述集成外围电路的氮化镓基传感器的制备方法流程示意图三；
图6是本发明所述集成外围电路的氮化镓基传感器的制备方法流程示意图四。
附图标记：101-衬底、102-缓冲层、103-高阻GaN层、104-GaN沟道层、105-AlN阻挡层、106-AlGaN势垒层、107-传感器电极、108-栅极、109-源极、110-漏极、111-传感器区、112-电路区。
具体实施方式
本发明所述的一种集成外围电路的氮化镓基传感器，包括用于探测外部压力等信号的传感器区111和电路区112，电路区112的作用是将传感器区111采集到的压电信号进行进一步的放大和处理。所述的传感器区111和电路区112具有共同的依次层叠的衬底101、缓冲层102和高阻GaN层103。高阻GaN层103上表面在传感器区111对应的位置设有传感器电极107，如图1所示，高阻GaN层103在电路区112对应的位置向上依次层叠设有GaN沟道层104、AlN阻挡层105和AlGaN势垒层106形成HEMT异质结结构。在AlGaN势垒层106上表面设有肖特基接触的栅极108和欧姆接触的源极109、漏极110。其中所述衬底101的组成材料可为蓝宝石、硅、碳化硅或者氮化镓等。
本发明所述的一种集成外围电路的氮化镓基传感器，还可以具有另一种具体结构，如图2所示。衬底101在传感器区111对应的位置设有通槽以露出缓冲层102，所述缓冲层102在露出的位置设有传感器电极107。只包含上表面传感器电极107的氮化镓基传感器，其工作原理是当外加压力或者其他作用时，GaN材料发生机械形变，产生横向的压电效应，由位于上表面的两组分立传感器电极107对压电信号进行收集，其优点是结构简单，制备工艺步骤少。带有上下传感器电极107的氮化镓基传感器，产生的是垂直方向的压电效应，其压电信号将由上下两个传感器电极107获取，具有压电效应强和灵敏度高的优点。
本发明还提供一种可用于制作所述集成外围电路的氮化镓基传感器的制作方法，在衬底101上依次生长缓冲层102、高阻GaN层103、GaN沟道层104、AlN阻挡层105和AlGaN势垒层106形成HEMT异质结结构的晶圆片，如图3所示。在所述晶圆片上分出传感器区111和电路区112，在传感器区111对应位置向下刻蚀，直至露出高阻GaN层103上表面；形成传感器区111和电路区112，实现器件有源区的台面隔离，如图4所示。分别在高阻GaN层103表面沉积金属形成传感器电极107、在AlGaN势垒层106表面沉积金属形成栅极108、源极109和漏极110。通过本领域惯用的技术手段，可以制得栅极108与AlGaN势垒层106为肖特基接触，源极109、漏极110与AlGaN势垒层106为欧姆接触，如图5、6所示。
可在图1所示的基础上，在传感器区111对应的位置将衬底101进行局部去除，露出缓冲层102下表面，然后在所述缓冲层102下表面进行金属沉积形成传感器电极107，即可得到如图2所示的成品结构。
对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种集成外围电路的氮化镓基传感器，其特征在于，为层叠式的阶梯结构，包括形成台面隔离的电路区(112)和传感器区(111)；所述的电路区(112)和传感器区(111)下部具有共同的衬底(101)、缓冲层(102)和高阻GaN层(103)；所述的传感器区(111)用于将外部压力转化为电信号，所述的电路区(112)用于处理所述电信号；所述的电路区(112)为HEMT异质结结构，上方设置肖特基接触的栅极(108)和欧姆接触的源极(109)、漏极(110)；所述的传感器区(111)在高阻GaN层(103)上表面设置传感器电极(107)。
2.根据权利要求1所述集成外围电路的氮化镓基传感器，其特征在于，由下至上依次层叠共同的衬底(101)、缓冲层(102)和高阻GaN层(103)；所述的电路区(112)在高阻GaN层(103)上依次层叠GaN沟道层(104)、AlN阻挡层(105)和AlGaN势垒层(106)；所述的AlGaN势垒层(106)上设置与其欧姆接触的源极(109)和漏极(110)，还设置与其肖特基接触的栅极(108)。
3.根据权利要求2所述集成外围电路的氮化镓基传感器，其特征在于，所述的衬底(101)在传感器区(111)对应位置设有通槽，缓冲层(102)下表面在所述通槽位置设有传感器电极(107)。
4.一种集成外围电路的氮化镓基传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在衬底(101)上生长出包括高阻GaN层(103)的HEMT异质结结构，制得晶圆片；
S2、在所述晶圆片中传感器区(111)对应的位置进行刻蚀，暴露出所述的高阻GaN层(103)；形成电路区(112)的台面隔离；
S3、在电路区(112)上表面分别沉积金属形成肖特基接触的栅极(108)和欧姆接触的源极(109)、漏极(110)；
S4、在传感器区(111)对应位置暴露出的高阻GaN层(103)上表面沉积金属形成传感器电极(107)；
其中所述的步骤S3和步骤S4顺序可变。
5.根据权利要求4所述集成外围电路的氮化镓基传感器的制备方法，其特征在于，所述的步骤S1中，在衬底(101)上依次生长出缓冲层(102)、高阻GaN层(103)、GaN沟道层(104)、AlN阻挡层(105)和AlGaN势垒层(106)，形成HEMT异质结结构的晶圆片。
6.根据权利要求5所述集成外围电路的氮化镓基传感器的制备方法，其特征在于，还包括步骤S5，衬底(101)在传感器区(111)对应的位置刻蚀出通槽以暴露出缓冲层(102)，在缓冲层(102)暴露位置的下表面沉积金属形成传感器电极(107)。
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