CN109282924B - 一种压力传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种半导体压力传感器，半导体压力传感器呈顶栅型场效应晶体管结构，半导体压力传感器包括设置在第二衬底上表面的顶栅型场效应晶体管，顶栅型场效应晶体管包括设置在第二衬底上表面的源极/漏极、覆盖源极/漏极的半导体层、覆盖半导体层的栅极绝缘层，形成在栅极绝缘层上的栅极，栅极为压电层；正对顶栅型场效应晶体管设置在所述第二衬底下表面的凹槽，源极/漏极对称设置在所述凹槽的两侧，栅极的外侧端部边缘覆盖源极/漏极的内侧的端部边缘或者与源极/漏极的内侧的端部边缘相对齐。本发明的半导体压力传感器通过压电效应产生的压电电荷为晶体管的栅极提供偏置，无需外加栅压就能工作，具有低功耗、高灵敏度的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种压力传感器，尤其涉及一种具有低功耗、高灵敏度的半导体压力传感器。
背景技术
压力传感器作为传感器的一个重要类型，长期占据着传感器市场的主要份额，它在航空、航天、汽车、医学、环境监控、军事以及几乎人们所接触到的其他领域中都得到广泛应用。半导体压力传感器是压力传感器的一种重要类型，具有结构简单、制备成本低以及易于接口电路集成等优点。该类型传感器主要利用半导体材料的物理特性将压力信号转化为电信号，它主要包括有源和无源两种类型。相比于前者，有源传感器兼具信号转换和放大的功能并具有输出电学参数灵活多样的优点，因此是当前的研究热点。一个典型的半导体压力传感器呈场效应晶体管结构，在外界压力作用下，晶体管的载流子迁移率发生变化，进而引起晶体管的输出电流等电学特性发生改变，从而实现对环境压力的测量。对于现有的基于场效应晶体管的半导体压力传感器，需要在外加栅压的条件下才能工作，因此存在着传感器功耗偏高的问题。此外，该类型传感器的灵敏度也有待于进一步提升，以满足技术发展的需求。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种半导体压力传感器，所述半导体压力传感器呈顶栅型场效应晶体管结构，所述半导体压力传感器包括设置在第二衬底上表面的顶栅型场效应晶体管，所述顶栅型场效应晶体管包括设置在所述第二衬底上表面的源极/漏极、覆盖所述源极/漏极的半导体层、覆盖所述半导体层的栅极绝缘层，形成在所述栅极绝缘层上的栅极，所述栅极为压电层；正对所述顶栅型场效应晶体管设置在所述第二衬底下表面的凹槽，所述源极/漏极对称设置在所述凹槽的两侧，所述栅极的外侧端部边缘覆盖所述源极/漏极的内侧的端部边缘或者与所述源极/漏极的内侧的端部边缘相对齐。
优选地，还包括第一衬底，所述第一衬底密封所述凹槽。
优选地，所述栅极的外侧端部边缘与所述源极/漏极的内侧端部的边缘重叠区域的长度为5μm-50μm。
优选地，第一衬底和第二衬底为刚性的绝缘衬底；和/或所述半导体层为多晶硅、单晶硅、非晶硅、氧化锌、铟镓锌氧化物、酞菁铜或并五苯。
优选地，所述压电层为石英、锆钛酸铅、氧化锌、氮化铝或聚偏氟乙烯。
优选地，所述栅极绝缘层包括氮化硅。
本发明还提供了一种半导体压力传感器的制备方法，所述制备方法包括：
在第二衬底的上表面上制备顶栅型场效应晶体管；其中，所述顶栅型场效应晶体管包括设置在所述第二衬底上表面的源极/漏极、覆盖所述源极/漏极的半导体层、覆盖所述半导体层的栅极绝缘层，形成在所述栅极绝缘层上的栅极，所述栅极为压电层；
刻蚀所述第二衬底的下表面，以形成凹槽，所述凹槽正对所述顶栅型场效应晶体管；其中，所述源极/漏极对称设置在所述凹槽的两侧，所述栅极的外侧端部边缘覆盖所述源极/漏极的内侧的端部边缘或者与所述源极/漏极的内侧的端部边缘相对齐。
优选地，还包括采用第一衬底密封所述凹槽的步骤。
优选地，所述栅极的外侧端部边缘与所述源极/漏极的内侧端部的边缘重叠区域的长度为5μm-50μm。
优选地，所述压电层为石英、锆钛酸铅、氧化锌、氮化铝或聚偏氟乙烯。
有益效果：
本发明提供的半导体压力传感器，具有以下优点：
1、本发明通过压电效应产生的压电电荷为晶体管的栅极提供偏置，无需外加栅压就能工作，由此具有低功耗的优点；
2、本发明的传感器在环境压力作用下，晶体管的载流子数目和载流子的迁移率均发生改变，这导致晶体管在压力作用下的电学特性变化更加明显，由此具有高灵敏度的优点；
3、本发明传感器的敏感单元与现有晶体管的结构完全相同，因此，完全可以采用现有晶体管(或电路)。
附图说明
图1为本发明的半导体压力传感器的剖面结构示意图；
图2为本发明的半导体压力传感器的制备方法的流程示意图；其中，11、第一衬底，12、密封腔，13、第二衬底，14、源极，15、漏极，16、半导体层，17、栅极绝缘层，18、压电层。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明，以便能够更好地理解本发明的方案以及其各方面的优点。在以下的实施例中，将纸面的左右方向称为水平方向，而将纸面的与水平方向垂直的方向、即纸面的上下方向称为竖直方向。
实施例1
如图1所示，本发明提供一种半导体压力传感器，该半导体压力传感器呈顶栅型场效应晶体管结构，半导体压力传感器包括设置在第二衬底13上表面的顶栅型场效应晶体管，该顶栅型场效应晶体管包括设置在第二衬底13上表面的源极14/漏极15、覆盖源极14/漏极15的半导体层16、覆盖半导体层16的栅极绝缘层17，形成在栅极绝缘层17上的栅极，该栅极为压电层18；正对顶栅型场效应晶体管设置在第二衬底13下表面的凹槽，源极14/漏极15对称设置在凹槽的两侧、其内侧端部边缘与凹槽的边缘不重叠，栅极的外侧端部边缘覆盖源极14/漏极15的内侧的端部边缘或者与源极14/漏极15的内侧的端部边缘相对齐；半导体压力传感器还包括位于第二衬底13下方的第一衬底11，第一衬底11密封上述凹槽。
具体地，第二衬底13下方设有凹槽，第二衬底13的凹槽与第一衬底11围成的区域为密封腔12；源极14、漏极15、半导体层16、栅极绝缘层17、压电层18构成一顶栅型场效应晶体管结构；源极14、漏极15位于第二衬底13的左右两侧；栅极绝缘层17设在半导体层16上方，栅极绝缘层17包括氮化硅；压电层18设置密封腔12的正上方；压电层18的两外侧端部边缘与源极14的内侧端部边缘和/或漏极15的内侧端部边缘对齐，或者压电层18的两外侧端部边缘与源极14的内侧端部和/或漏极15的内侧端部边缘部分重叠，重叠区域长度为5μm-50μm，这样可以使得外加压力作用下薄膜产生形变时，压电层18与源极14、漏极15之间不出现间隙，以确保在弯曲状态下晶体管在源、漏之间形成连续的导电沟道，但如果交叉区域太大，会导致压电层与源极、漏极之间形成大的寄生电容，使器件的性能劣化。
进一步地，第一衬底11和第二衬底13为刚性的绝缘衬底，例如包括玻璃、带绝缘层的硅片；半导体层16可采用无机物半导体或有机物半导体，例如包括多晶硅、单晶硅、非晶硅、氧化锌、铟镓锌氧化物、酞菁铜或并五苯等；压电层18为具有压电效应的材料，优选为石英、PZT(lead zirconate titanate，锆钛酸铅)、ZnO、AlN或聚偏氟乙烯(PVDF)，厚度在200nm-2000nm，对于某些需要预极化才具有压电效应的材料，在压电层18上下表面还设置有金属电极，以便对材料进行预极化。
本发明的半导体压力传感器的工作原理如下：
在环境压力作用下，位于密封腔12上方的薄膜发生形变，根据压电效应，压电层18由于形变引起的应变会在它上下两个相对表面产生正负相反的压电电荷，靠近半导体层16一侧的压电电荷类似于施加在栅极的外加偏压，可以调控半导体层16表面的载流子浓度，进而引起晶体管输出电流等电学特性的变化；此外，半导体层由于形变引起的应变导致半导体层载流子的运动速度以及迁移率发生变化，进而引起晶体管的输出电流等电学特性发生变化。上述两个方面对晶体管电学特性影响的趋势一致，因此，这两个方面协同作用显著提高传感器的灵敏度。
实施例2
参照图1和图2，本发明还提供了一种半导体压力传感器的制备方法，该制备方法包括：
使用N型(100)Si作为第一衬底11；
选用覆盖有500nm厚SiO2的N型(100)Si作为第二衬底13，在第二衬底13的上表面上制备顶栅型场效应晶体管；
使用电子束蒸发在第二衬底13上表面形成50nm Au并光刻形成源极14、漏极15；
使用磁控溅射的方法沉积100nm铟镓锌氧化物作为半导体层16；
使用等离子化学气相沉积方法沉积200nm Si3N4作为栅绝缘层17；
使用磁控溅射的方法，分别沉积50nm Pt、500nm AlN以及50nm Pt，光刻并进行预极化形成压电层18，该压电层18作为顶栅型晶体管的栅极；
刻蚀覆盖在第二衬底下表面的SiO2，以SiO2做掩膜对第二衬底下表面进行刻蚀形成凹槽，该凹槽正对上述顶栅型场效应晶体管；源极14/漏极15对称设置在上述凹槽的两侧，优选地，其内侧端部边缘与上述凹槽的边缘不重叠，栅极的外侧端部边缘覆盖源极14/漏极15的内侧的端部边缘或者与源极14/漏极15的内侧的端部边缘相对齐；栅极的外侧端部边缘与源极14/漏极15的内侧端部的边缘重叠区域的长度为5μm-50μm。
上述制备方法还包括第一衬底11的上表面和第二衬底13的下表面利用键合的方式组装在一起，形成密封腔12，因此，形成半导体压力传感器。
与现有技术相比，本发明通过压电效应产生的压电电荷为晶体管的栅极提供偏置，无需外加栅压就能工作，由此具有低功耗的优点；在环境压力作用下，晶体管的载流子数目和载流子的迁移率均发生改变，这导致晶体管在压力作用下的电学特性变化更加明显，由此具有高灵敏度的优点。
以上所述，仅为本发明专利较佳的具体实施方式，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明专利的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种半导体压力传感器，其特征在于，所述半导体压力传感器呈顶栅型场效应晶体管结构，所述半导体压力传感器包括设置在第二衬底上表面的顶栅型场效应晶体管，所述顶栅型场效应晶体管包括设置在所述第二衬底上表面的源极/漏极、覆盖所述源极/漏极的半导体层、覆盖所述半导体层的栅极绝缘层，形成在所述栅极绝缘层上的栅极，所述栅极为压电层；正对所述顶栅型场效应晶体管设置在所述第二衬底下表面的凹槽，所述源极/漏极对称设置在所述凹槽的两侧，所述栅极的外侧端部边缘覆盖所述源极/漏极的内侧的端部边缘或者与所述源极/漏极的内侧的端部边缘相对齐。
2.根据权利要求1所述的半导体压力传感器，其特征在于，还包括第一衬底，所述第一衬底密封所述凹槽。
3.根据权利要求1所述的半导体压力传感器，其特征在于，所述栅极的外侧端部边缘与所述源极/漏极的内侧端部的边缘重叠区域的长度为5μm-50μm。
4.根据权利要求1所述的半导体压力传感器，其特征在于，第一衬底和第二衬底为刚性的绝缘衬底；和/或所述半导体层为多晶硅、单晶硅、非晶硅、氧化锌、铟镓锌氧化物、酞菁铜或并五苯。
5.根据权利要求1所述的半导体压力传感器，其特征在于，所述压电层为石英、锆钛酸铅、氧化锌、氮化铝或聚偏氟乙烯。
6.根据权利要求1所述的半导体压力传感器，其特征在于，所述栅极绝缘层包括氮化硅。
7.一种半导体压力传感器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
在第二衬底的上表面上制备顶栅型场效应晶体管；其中，所述顶栅型场效应晶体管包括设置在所述第二衬底上表面的源极/漏极、覆盖所述源极/漏极的半导体层、覆盖所述半导体层的栅极绝缘层，形成在所述栅极绝缘层上的栅极，所述栅极为压电层；
刻蚀所述第二衬底的下表面，以形成凹槽，所述凹槽正对所述顶栅型场效应晶体管；其中，所述源极/漏极对称设置在所述凹槽的两侧，所述栅极的外侧端部边缘覆盖所述源极/漏极的内侧的端部边缘或者与所述源极/漏极的内侧的端部边缘相对齐。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，还包括采用第一衬底密封所述凹槽的步骤。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述栅极的外侧端部边缘与所述源极/漏极的内侧端部的边缘重叠区域的长度为5μm-50μm。
10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述压电层为石英、锆钛酸铅、氧化锌、氮化铝或聚偏氟乙烯。
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