CN109269687A - GaN微压压力传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明适用于压力传感器技术领域，提供了一种GaN微压压力传感器，包括：Si衬底；AlN形核层，位于Si衬底的上表面；GaN缓冲层，位于AlN形核层的上表面；和压力敏感单元，位于GaN缓冲层的上表面；其中，Si衬底上与压力敏感单元对应的位置设有腔体，腔体贯穿Si衬底的上表面和下表面。AlN形核层不与Si衬底腐蚀液或刻蚀气体反应，可以作为刻蚀终止层，以控制Si衬底刻蚀的均匀性，GaN材料具有优良的机械性能，因此在同样条件下更容易获得高线性的输出。通过此种方式解决传统扩散硅压力传感器在厚度降至微米级时出现严重非线性的问题，实现微小压力量程下，压力信号高灵敏、度高线性度的输出。

Description

GaN微压压力传感器及其制备方法
技术领域
本发明属于压力传感器技术领域，尤其涉及一种GaN微压压力传感器及其制备方法。
背景技术
目前，半导体压力传感器主要是基于Si材料，通过硅扩散电阻的压阻效应实现。然而对于百帕级微小压力的传感，Si材料由于自身机械性能的不足，很难实现良好的线性输出。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种GaN微压压力传感器及其制备方法，以解决现有技术中在微小压力量程下压力传感器线性度输出差的问题。
为解决上述技术问题，本发明实施例的第一方面提供了一种GaN微压压力传感器，包括：
Si衬底；
AlN形核层，位于所述Si衬底的上表面；
GaN缓冲层，位于所述AlN形核层的上表面；和
压力敏感单元，位于所述GaN缓冲层的上表面；
其中，所述Si衬底中与所述压力敏感单元对应的位置设有腔体，所述腔体贯穿所述Si衬底。
进一步地，所述GaN缓冲层厚度为2微米至10微米。
进一步地，所述AlN形核层厚度为2纳米至5纳米。
进一步地，所述Si衬底中的腔体通过干法物理刻蚀或湿法化学腐蚀形成。
本发明实施例的第二方面提供了一种基于上述所述的GaN微压压力传感器的制备方法，包括：
在Si衬底的上表面生长AlN形核层；
在所述AlN形核层的上表面生长GaN缓冲层；
在所述GaN缓冲层的上表面生长势垒层；
在所述势垒层的上表面制作压力敏感单元；
在所述Si衬底与所述压力敏感单元对应的位置制备腔体，其中，所述腔体刻蚀至所述刻蚀终止层的下表面。
进一步地，所述势垒层包括InAlGaN四元化合物、InAlN、AlGaN、InGaN三元化合物和AlN、InN二元化合物中的一种或多种。
进一步地，所述势垒层厚度为10纳米至20纳米。
进一步地，所述势垒层包括InAlGaN四元化合物、InAlN、AlGaN、InGaN三元化合物和AlN、InN二元化合物中的一种或多种。
进一步地，所述势垒层厚度为10纳米至20纳米。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明设计一种GaN微压压力传感器，AlN形核层不与Si衬底腐蚀液或刻蚀气体反应，可以作为刻蚀终止层，以控制Si衬底刻蚀的均匀性，GaN材料具有优良的机械性能，因此在同样条件下更容易获得高线性的输出。通过此种方式解决传统扩散硅压力传感器在厚度降至微米级时出现严重非线性的问题，实现微小压力量程下，压力信号高灵敏、度高线性度的输出。
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是本发明实施例提供的GaN微压压力传感器结构示意图；
图2是本发明实施例提供的GaN微压压力传感器的制备方法流程图；
图3是本发明实施例提供的生长势垒层后的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的制作压力敏感单元后的结构示意图。
图中：1、Si衬底；2、AlN形核层；3、GaN缓冲层；4、压力敏感单元；5、腔体；6、势垒层。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
如图1所示，GaN微压压力传感器包括：Si衬底1；AlN形核层2位于Si衬底1的上表面；GaN缓冲层3位于AlN形核层2的上表面；压力敏感单元4位于GaN缓冲层3的上表面；其中，Si衬底1中与压力敏感单元4对应的位置设有腔体5，腔体5贯穿Si衬底1。
GaN材料具有优良的机械性能，杨氏模量高达350GPa，远大于硅材料的185GPa，因此在同样条件下更容易获得高线性的输出。同时，当GaN器件表面受到外部压力时，晶格形变会改变缓冲层和势垒层6之间的应力，由极化产生的沟道二维电子气浓度以及迁移率都会发生相应改变，进而导致器件电学特性变化，如电阻、电流、电容等。二维电子气这种对于外部应力的响应非常灵敏，因此GaN可以用于压力信号的高灵敏度传感。另外GaN材料还具高温性质稳定、化学性质稳定、抗辐照能力强等诸多优点，因此，基于GaN材料的压力传感器可以工作于极端复杂的环境。
本结构中，AlN形核层2不与Si衬底1的腐蚀液或刻蚀气体反应，可以直接作为刻蚀终止层，以控制Si衬底1刻蚀的均匀性。
通过此种方式解决传统扩散硅压力传感器在厚度降至微米级时出现严重非线性的问题，实现微小压力量程下，压力信号高灵敏、度高线性度的输出。
本发明的一个实施例中，压力敏感单元4为单个高电子迁移率晶体管器件、惠斯顿电桥电路或肖特基环形电容。
压力敏感单元4根据实际的需要可以选取单个元器件或多个多种元器件组合而成的电路，其制作工艺与通用的GaN制备工艺相同。工作时，压力传感器接受外部压力，GaN缓冲层3发生形变，压力敏感单元4识别形变并将形变转换成为电学信号输出，实现压力信号的传感。
本发明的一个实施例中，GaN缓冲层3厚度为2微米至10微米。
本发明的一个实施例中，AlN形核层2厚度为2纳米至5纳米。
本发明的一个实施例中，Si衬底1上的腔体5通过干法物理刻蚀或湿法化学腐蚀形成。
如图2所示，本发明公开了一种GaN微压压力传感器的制备方法，包括：
步骤S201，在Si衬底1的上表面生长AlN形核层2。
步骤S202，在AlN形核层2的上表面生长GaN缓冲层3。
步骤S203，如图3所示，在GaN缓冲层3的上表面生长势垒层6。
步骤S204，如图4所示，在势垒层6的上表面制作压力敏感单元4。
步骤S205，在Si衬底1与压力敏感单元4对应的位置中制备腔体5，其中，腔体5刻蚀至刻蚀终止层的下表面。
AlN形核层2不与Si衬底1腐蚀液或刻蚀气体反应，可以作为刻蚀终止层，以控制Si衬底1刻蚀的均匀性，GaN材料具有优良的机械性能，因此在同样条件下更容易获得高线性的输出。通过此种方式解决传统扩散硅压力传感器在厚度降至微米级时出现严重非线性的问题，实现微小压力量程下，压力信号高灵敏、度高线性度的输出。
本发明的一个实施例中，势垒层6为单层或多层的一定厚度及组分浓度的，获得AlN形核层2、GaN缓冲层3和势垒层6的方法可以为金属有机物化学气相外延或者分子束外延方法，GaN缓冲层3厚度根据设计要求可以为2微米到10微米，势垒层6厚度典型值为10纳米至20纳米。
本发明的一个实施例中，势垒层6包括InAlGaN四元化合物、InAlN、AlGaN、InGaN三元化合物和AlN、InN二元化合物中的一种或多种。
本发明的一个实施例中，Si衬底1进行选择性刻蚀时，首先进行刻蚀图形光刻，掩膜选取抗刻蚀的光刻胶，如AZ4620、SU-8等，Si衬底1刻蚀包括并不仅限于干法物理刻蚀以及湿法化学腐蚀；由于AlN形核层2通常不会与硅材料刻蚀气体或腐蚀液体发生反应，可以将其作为终止层，完全去除掉背面的Si衬底1，仅留下厚度为几微米的GaN异质结材料。薄膜形状可以为圆形、矩形、E型或C型，尺寸由灵敏度、压力量程等指标设计确定。
本发明的一个实施例中，势垒层6厚度为10nm-20nm。
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种GaN微压压力传感器，其特征在于，包括：
Si衬底；
AlN形核层，位于所述Si衬底的上表面；
GaN缓冲层，位于所述AlN形核层的上表面；和
压力敏感单元，位于所述GaN缓冲层的上表面；
其中，所述Si衬底中与所述压力敏感单元对应的位置设有腔体，所述腔体贯穿所述Si衬底。
2.根据权利要求1所述的GaN微压压力传感器，其特征在于，所述GaN缓冲层厚度为2微米至10微米。
3.根据权利要求1所述的GaN微压压力传感器，其特征在于，所述AlN形核层厚度为2纳米至5纳米。
4.根据权利要求1所述的GaN微压压力传感器，其特征在于，所述Si衬底中的腔体通过干法物理刻蚀或湿法化学腐蚀形成。
5.一种基于权利要求1-4中任意一项所述的GaN微压压力传感器的制备方法，其特征在于，包括：
在Si衬底的上表面生长AlN形核层；
在所述AlN形核层的上表面生长GaN缓冲层；
在所述GaN缓冲层的上表面生长势垒层；
在所述势垒层的上表面制作压力敏感单元；
在所述Si衬底与所述压力敏感单元对应的位置制备腔体，其中，所述腔体刻蚀至所述刻蚀终止层的下表面。
6.根据权利要求5所述的GaN微压压力传感器的制备方法，其特征在于，所述势垒层包括InAlGaN四元化合物、InAlN、AlGaN、InGaN三元化合物和AlN、InN二元化合物中的一种或多种。
7.根据权利要求5所述的GaN微压压力传感器的制备方法，其特征在于，所述势垒层厚度为10纳米至20纳米。
8.根据权利要求5所述的GaN微压压力传感器的制备方法，其特征在于，所述势垒层包括InAlGaN四元化合物、InAlN、AlGaN、InGaN三元化合物和AlN、InN二元化合物中的一种或多种。
9.根据权利要求5所述的GaN微压压力传感器的制备方法，其特征在于，所述势垒层厚度为10纳米至20纳米。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111933741A (zh) * 2020-07-22 2020-11-13 中国电子科技集团公司第十三研究所 基于硅衬底的背入射紫外探测器及其制备方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060054927A1 (en) * 2004-09-10 2006-03-16 National Central University Sensor using a GaN transistor
CN103344375A (zh) * 2013-07-15 2013-10-09 杭州电子科技大学 一种提高压力传感器检测灵敏度装置
CN105424234A (zh) * 2015-12-01 2016-03-23 成都嘉石科技有限公司 一种压力传感器集成器件及其制作方法
CN108414121A (zh) * 2018-02-28 2018-08-17 中国电子科技集团公司第十三研究所 一种GaN压力传感器制备方法及器件
CN108414120A (zh) * 2018-02-28 2018-08-17 中国电子科技集团公司第十三研究所 Si基GaN压力传感器的制备方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060054927A1 (en) * 2004-09-10 2006-03-16 National Central University Sensor using a GaN transistor
CN103344375A (zh) * 2013-07-15 2013-10-09 杭州电子科技大学 一种提高压力传感器检测灵敏度装置
CN105424234A (zh) * 2015-12-01 2016-03-23 成都嘉石科技有限公司 一种压力传感器集成器件及其制作方法
CN108414121A (zh) * 2018-02-28 2018-08-17 中国电子科技集团公司第十三研究所 一种GaN压力传感器制备方法及器件
CN108414120A (zh) * 2018-02-28 2018-08-17 中国电子科技集团公司第十三研究所 Si基GaN压力传感器的制备方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
张玉书: "《准分子激光微细加工技术》", 31 October 1990, 吉林大学出版社 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111933741A (zh) * 2020-07-22 2020-11-13 中国电子科技集团公司第十三研究所 基于硅衬底的背入射紫外探测器及其制备方法

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