CN109326677B - 感测元件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种感测元件，其包含半导体结构、基板、第一电极、第二电极、以及加热器。感测区域位于半导体结构的上侧。基板位于半导体结构的底侧。第一电极和第二电极设置在半导体结构的上侧。加热器设置在半导体结构上并与感测区域分开一小于100μm的距离。

Description

感测元件
技术领域
本发明涉及一种感测元件及其制造方法，尤其是涉及一种具有嵌入式加热器的感测元件。
背景技术
蓬勃发展的物联网(IoT)市场需要开发能够获取精确信息且反应时间短的感测元件。特别是，高精度(低检测极限)、低电流消耗(良好功率效率)、低成本的感测元件应用于改善居住空间舒适性、改善恶劣工业环境、以及管理食品制造过程…等层面，仍持续在发展。
将感测元件粘合(bonding)到一额外的加热器用以加热感测元件，是一个广泛用以改善感测元件的检测极限和缩短反应时间的方法。因此，感测元件可在高温操作时，迅速而准确地测量待测物质的浓度。此外，感测元件上吸收的待测物质也可通过加热在高温下除去，使感测元件恢复原状。因此，感测元件的温度特性会直接影响感测元件的检测极限、反应时间、回复时间等。然而，提供有效加热的加热器会导致高电流消耗，不适用于某些应用。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种具有嵌入式加热器的感测元件，在低的操作电流下，改善感测元件的检测极限以及缩短反应和回复时间。
本发明提供的感测元件包含半导体结构、基板、第一电极、第二电极、以及加热器。感测区域位于半导体结构的上侧。基板位于半导体结构的底侧。第一电极和第二电极设置在半导体结构的上侧。加热器设置在半导体结构上并与感测区域的距离小于100μm。
让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合所附的附图，作详细说明如下。
附图说明
图1A为本发明一实施例的一感测元件的上视图；
图1B为图1A的感测元件的下视图；
图1C为图1A的感测元件沿着A-A'线的剖面示意图；
图1D为本发明一实施例的一感测元件的下视图；
图2A～图2E为本发明实施例的加热器的下视图；
图3为本发明另一实施例的一感测元件的剖面示意图；
图4为本发明另一实施例的一感测元件的剖面示意图；
图5A为本发明另一实施例的一感测元件的上视图；
图5B为图5A的感测元件沿着B-B'线的剖面示意图；
图6A～图6F为本发明一实施例的一感测元件的制作流程示意图；
图7A为本发明一实施例的一感测元件的上视图；
图7B为图7A的感测元件沿着C-C'线的剖面示意图；
图8A为本发明一实施例的一感测元件的上视图；
图8B为图8A的感测元件沿着D-D'线的剖面示意图；
图9为本发明另一实施例的一感测元件的剖面示意图；
图10为本发明另一实施例的一感测元件的剖面示意图；
图11为本发明另一实施例的一感测元件的上视图；
图12A～图12D为本发明一实施例的一感测元件的制作流程示意图。
符号说明
100、200、300、400、500、600、700、800、900、1000 感测元件
1 基板 10 沟槽
11 顶端 12 内表面
13 第一部分 14 第二部分
15、16 部分 2 异质接面结构
20 凹部 21 第一半导体层
22 第二半导体层 23 2DEG通道
221、222 部分 31、32 电极
311、321 第一部分 312、322 延伸部
313、323 内侧 33 走道
4 感测区域 41 第一部分
42 第二部分
5、5A、5B、5C、5D、5E 加热器
51、51A、51B 弯折部 51C 分段线
51D 间隙 51、52 端子
52A、52B、54 第一部分 52C 第一螺旋部分
52D 内圆圈 52E 圆盘
53 开口 53A、53B、55 第二部分
56、53 第三部分 53C 第二螺旋部分
53D、53E 外圆圈 54C、54D、54E、54 连接部
5001、6001、10001 一侧
5002、6002、10002 相对侧 5003、5004 最外侧
51 第一弯曲部 52 第二弯曲部
6 保护层 6003 左侧
6004 右侧 71、72 导电垫
8 绝缘层 9 官能化层
91 最顶表面 C1 第一虚拟圆
C2 第二虚拟圆 C3 第三虚拟圆
C4 第四虚拟圆 C5 中心区域
具体实施方式
以下配合附图说明本发明的实施例。附图或说明书中，相似或相同的元件使用相同的标号标示。
图1A
Figure BDA0001745925660000031
图1C显示依据本发明一实施例的一感测元件100。图1A显示感测元件100的上视图。图1B显示感测元件100的下视图。图1C显示图1A中的感测元件100沿着A-A'线的剖视图。感测元件100为场效晶体管(FET)，包含两个电极31、32(例如，一个是源电极(sourceelectrode)，另一个是漏电极(drain electrode))、官能化层(functionalization layer)9、以及感测区域4(未显示于图1A～图1D中，位于官能化层9的下方)位于两个电极31、32之间。如果感测元件100暴露于一包含待检测物质(目标物质)的环境(例如，空气、废气)中，则目标物质可以与感测区域4发生反应。详言之，目标物质会聚集在感测区域4上，感测区域4上的净表面电荷数量、以及感测区域4与电极31、32之间的电场会因而改变。因此，感测元件100以场效晶体管(FET)模式操作，并且电极31、32之间的电流(源－漏电流)随着目标物质的浓度而变化。感测元件100的场效晶体管(FET)可以自MOSFET、MESFET、以及HEMT中选择。
目标物质可以是H2、NH3、CO、SOX、NO、NO2、CO2、CH4、丙酮、乙醇、甲醛、苯，如：甲苯等。目标物质可以气体或液体的形式存在。
在一个实施例中，感测元件100是HEMT。HEMT结构的二维电子气(2DEG)具有高迁移率和饱和速度，可用于微波功率放大器以及气体或液体感测元件。如图1C所示，感测元件100包含基板1、异质接面结构2形成在基板1上、源电极31和漏电极32位于异质接面结构2的上侧、感测区域4位于异质接面结构2的上侧、以及加热器5位于异质接面结构2的背侧。异质接面结构2包括第一半导体层21、第二半导体层22、以及2DEG通道23。第一半导体层21和第二半导体层22由压电材料(piezoelectric material)制成，并具有不同的带隙(bandgap)。因为在第一半导体层21和第二半导体层22的界面产生压电(piezoelectric)和自发极化(spontaneous polarization)效应，2DEG通道23形成在第一半导体层21和第二半导体层22的界面处/附近。当感测元件100用以检测目标物质时，源电极和漏电极以欧姆接触的形式连接到2DEG通道，感测区域4以萧特基接触的形式连接2DEG通道。如果感测区域4被目标物质影响，则目标物质可以改变感测区域4上的电荷。感测区域4上的净表面电荷变化量可以改变2DEG通道中的电子密度。由感测区域4引起的检测信号可以通过漏源电流来放大。漏极－源极电流随2DEG通道中电子密度的变化而变化。换句话说，漏源电流会随着目标物质的浓度而变化。因此，感测元件对目标物质非常灵敏，且检测信号容易量化、记录和传送。
异质接面结构2可以由能够产生2DEG层的材料制成。第一半导体层21具有至少一种材料不同于第二半导体层22，第一半导体层21和第二半导体层22之间具有一宽带隙。适合形成具有2DEG的异质接面结构的任何材料，例如III-V族材料，可用于制作第一半导体层21和第二半导体层22。为了改变异质接面结构的2DEG特性，第一半导体层21和第二半导体层22可以被掺杂(例如用硅)或未掺杂。第一半导体层21和第二半导体层22可以由GaN、AlN、AlGaN、AlyInzGa(1-z)N(0<y<1,0<z<1)等制成。在一个实施例中，第一半导体层21包含GaN，第二半导体层22包含AlxGa(1-x)N
Figure BDA0001745925660000051
在另一实施例中，异质接面结构2可以包含AlGaN/InGaN/GaN、AlN/GaN、AlN/InGaN/GaN、AlGaAs/GaAs、AlGaAs/InGaAs、InAlAs/InGaAs、或InGaP/GaAs。第一半导体层21具有一介于150～300nm的厚度，例如200nm。第二半导体层22具有一介于
Figure BDA0001745925660000052
的厚度，例如
Figure BDA0001745925660000053
参考图1A和图1C，感测区域4通过绝缘层8与电极31、32分开。电极31或32具有
Figure BDA0001745925660000054
的厚度，例如3μm。电极31或32由一种或多种金属材料制成，例如Au、Cu、Ti、Ni、Al、Pt、其合金、或其组合。绝缘层8由一种或多种介电材料制成，例如SiO2或SiNX。绝缘层8具有
Figure BDA0001745925660000055
的厚度，例如
Figure BDA0001745925660000056
选择性地，感测元件100包含一官能化层9覆盖感测区域4。官能化层9用于增加目标物质的催化解离。具体而言，官能化层9可以分解环境介质中的一种或多种目标物质，并且有助于目标物质快速扩散到感测区域4。因此，官能化层9可用于改善感测元件的检测极限和/或选择性。官能化层9由一种或多种适用于目标物质的材料组成，例如：铂适用于H2检测。官能化层9的其他材料可以是铂、钯、金、镍、铱、或金属氧化物，如SnO2等。官能化层9的厚度为
Figure BDA0001745925660000057
例如
Figure BDA0001745925660000058
如图1C所示，基板1在与异质接面结构2所在的相对侧的底侧处具有沟槽10。在剖面视图中，沟槽10具有一最小宽度比感测区域4的最大宽度大。更具体地说，最小宽度是沟槽10的顶端11的宽度。感测区域4位于沟槽10的正上方并与沟槽10完全重叠。在上视图或下视图中(如图1A或图1B所示)，沟槽10大约位于感测元件100中心。沟槽10和感测区域4在上视图或下视图中大体上具有相似的形状(例如：矩形、正方形)。
如图1C所示，沟槽10贯穿基板1。因此，沟槽10的深度与基板1的厚度大体上相同。参考图1C，基板1具有一内表面12围绕沟槽10并且倾斜于异质接面结构2的底表面。因此，沟槽10底端的宽度(面积)大于沟槽10顶端11的宽度。在剖面视图中，沟槽10的宽度(面积)从顶端11到底端逐渐增加。在另一实施例中，内表面12垂直于异质接面结构2的底表面。感测元件100的中心部分I的厚度小于外部部分II的厚度。位于沟槽10上方的异质接面结构2不直接由基板1支撑。基板1可以是适合外延成长的任何材料，例如：蓝宝石(Al2O3)、碳化硅(SiC)、硅(Si)。在一个实施例中，基板1可以由硅(Si)制成。基板1的厚度为
Figure BDA0001745925660000061
例如300μm。
在另一个实施例中，如图1D所示，沟槽10在下视图中具有一圆形的形状，并且感测区域4在上视图或下视图中与沟槽10完全重叠。在下视图中，沟槽10的形状不限于矩形或圆形，可以具有与感测区域4相同或不相同的其他形状，并且感测区域4在下视图或上视图中与沟槽10完全重叠。
如图1A～图1C所示，加热器5位于沟槽10中，并且设置在与电极和感测区域4相对侧的异质接面结构2的背侧上。更详细地说，加热器5形成在沟槽10的顶端11上。如图1A和图1B所示，加热器5的两端直接连接到导电垫71、72。导电垫71、72从感测元件100的底侧经由两个导电通孔(未示出)延伸到感测元件100的上侧。一对导电垫71、72可以电连接至外部电源(未示出)。在上视图中，导电垫71、72靠近不具有电极31、32的上侧与下侧，下侧与感测元件100的上侧相对。导电垫71、72的位置不限于感测元件100的上侧与下侧，可以搭配适当的导线布局而设置在感测元件100的任何位置。导电垫71、72的形状包括但不限于圆形、方形、或矩形。
如图1A和图1B所示，加热器5具有一弯折线的形状，并且两端设置在相对的两侧。在上视图中，加热器5的具有多个弯折部51靠近位于电极31、32所在的左侧和右侧。多个弯折部51在折弯处为直角。在另一个实施例(未显示)中，加热器5的多个弯折部51靠近上侧和下侧。多个弯折部51的数量可以根据加热器5的宽度、材料、厚度、或其它电参数而变化。在另一个实施例中，加热器5的弯折部51的一部分靠近左/右侧，而另外一部分靠近上/下侧。在操作期间，电流通过一对导电垫71、72通过加热器5，加热器5产生热加热异质接面结构2并且热耦合至感测区域4。越多的热由加热器产生，则需要越多的操作电流来驱动加热器。
加热器5内嵌入感测元件100中，加热器与感测元件100之间没有粘合(bonding)材料或额外的粘结(adhesive)材料。此外，基板1在加热器5的位置开孔，由加热器5产生的热能够传递到感测区域4上而不容易逸散至基板1。感测区域4的温度因此可以接近加热器5的温度。换句话说，由于较少的热逸散到基板1，加热器5不需要高的操作电流，感测区域4即可以达到预设的温度。因此，加热器5的消耗功率可以降低。加热器5与感测区域4之间的最短距离小于500nm，例如350nm、300nm。由于具有较低操作电流的加热器5，感测元件整体即具有较低的操作电流。根据本发明的感测元件的操作电流可低于350mA，例如：低于200mA、150mA、或100mA。加热器5是由高热导率(thermal conductivity)、高电阻系数(electricalresistivity)、和低热膨胀系数(coefficient of thermal expansion)的材料制成，例如：钼(Mo)、多晶硅(Polysilicon)、碳化硅(silicon carbide)、钛(Ti)、镍(Ni)，铂(Pt)、金(Au)、铝(Al)、钨(W)，氧化锡(SnO2)、其合金、或其组合。加热器5的电阻系数(Resistivity)取决于材料、宽度，长度，形状和厚度。加热器5的电阻系数介于
Figure BDA0001745925660000071
例如
Figure BDA0001745925660000072
60欧姆、或74欧姆。加热器5的厚度、宽度、和长度取决于加热器材料的电阻系数。在一个实施例中，加热器的厚度介于
Figure BDA0001745925660000073
例如
Figure BDA0001745925660000074
或3μm。
保护层6位于加热器5下方且覆盖加热器5。保护层6可以驱使加热器5产生的热经由异质接面结构2向上传递至感测区域4。换句话说，保护层6可以减少热向下传递到感测元件的底部。如图1C所示，沟槽10的顶端11具有未被加热器5覆盖的第一部分13和被加热器5覆盖的第二部分14。保护层6完全覆盖沟槽10(包括第一部分13和第二部分14)。换言之，保护层6在下视图或上视图中与沟槽10完全重叠。在一个实施例中，保护层6具有与加热器5大体上相似的轮廓。因此，第一部分13未被保护层6完全覆盖。在另一个实施例中，保护层6覆盖加热器5和部分的第一部分13。因此，部分的第一部分13被暴露，并且另一部分的第一部分13在下视图中被保护层6覆盖。保护层6覆盖的区域可以随着从加热器5产生并向上移动到感测区域4的热而变化。保护层6可以由介电材料，如：SiO2、或SiNX制成。换句话说，由于加热器5与异质接面结构2之间未被基板隔开，加热器5与感测区域4之间的距离因此缩小。此外，保护层6可驱使热向上传递至感测区域，浪费在基板上的热将会减少，因此加热器5的功耗可以降低。因此，感测元件的整体功耗也可以降低。
加热器5的形状不限于弯折线，可以具有其他几何形状用以增加传递到感测区域4的热并使感测区域4的温度较均匀。
图2A
Figure BDA0001745925660000075
图2E显示具有不同形状的加热器的其他实施例。图2A显示加热器5A为一弯折线形状，且两端位于同一侧。加热器5A具有直线形状的第一部分52A和“锯齿”弯折线形状的第二部分53A。第二部分53A具有多个弯折部51A。弯折部51A在折弯处为直角(弯曲角度大致为90度)。图2B显示依据另一个实施例的加热器5B，加热器5B具有类似于加热器5A的弯折线形状。加热器5B具有直线形状的第一部分52B和“锯齿”弯折线形状的第二部分53B。第二部分53B具有多个弯折部51B。弯折部51B在折弯处为弧形形状，避免电流累积于折弯处而产生断裂以及可靠性问题。图2C显示具有双螺旋形状的加热器5C。加热器5C包含第一螺旋部分52C和第二螺旋部分53C。第一螺旋部分52C经由连接部54C连接到第二螺旋部分53C。第一螺旋部分52C或第二螺旋部分53C具有多个分段线51C。相邻两条分段线51C的交叉点面向几何中心的方向具有一角度θ。角度θ为钝角以避免电流累积于交叉点。在另一个实施例中，相邻两条分段线51C的交叉点具有类似于图2B的弧形。
图2D显示出具有圆形外型的加热器5D。加热器5D具有彼此同心的内圆圈52D和外圆圈53D。内圆圈52D和外圆圈53D共同形成一个环。一间隙51D位于连接内圆圈52D和外圆圈53D的连接部54D之间。圆圈的数量不限于此例示的数量，也可以包含连接部之间具有间隙的一个或两个以上的圆圈。且多个圆圈彼此同心。图2E显示具有另一种形状的加热器5E。加热器5E具有一外圆圈53E和一圆盘52E，圆盘52E被外圆圈53E围绕并且大致上位于加热器5E的几何中心。两个连接部54E连接外圆圈53E和圆盘52E。加热器的形状不限于上述的实施例，可以是上述形状的组合。加热器5由高电阻系数(electrical resistivity)和低导热率(thermal conductivity)的材料，如：金(Au)、铝(Al)、多晶硅(Polysilicon)、铂(Pt)、镍(Ni)、NiCr、钼(Mo)、钨(W)、钛(Ti)、碳化硅(silicon carbide)、石墨、或其合金，制成。导电垫71、72可以由一种或多种金属材料制成。金属材料包括但不限于Al、Cu、Au、Ag、Sn、Ti、Ni、及其合金。
图3显示依据本发明一实施例的感测元件300。感测元件300与图1C所示的感测元件100类似，包含基板1、形成于基板1上的异质接面结构2、位于异质接面结构2上侧的电极31、32、以及位于异质接面结构2上侧的感测区域4。异质接面结构2包括第一半导体层21、第二半导体层22、以及2DEG通道23形成在第一半导体层21和第二半导体层22之间。基板1具有一沟槽10。沟槽10和异质接面结构2位于基板1的相对侧上。加热器5形成在沟槽10的顶端11上。保护层6覆盖加热器5。沟槽10、加热器5、和保护层6的详细宽度说明可参考前述第1图的相关描述。基板1可以部分地去除或减薄，使沟槽10不贯穿基板1。如图3所示的基板1，包含较厚的部分15和较薄的部分16，较薄的部分16被较厚的部分15围绕。加热器5位于沟槽10中并形成在较薄的部分16上。例如，较薄的部分16具有一厚度介于
Figure BDA0001745925660000091
较厚部分15具有一厚度介于
Figure BDA0001745925660000092
在一个实施例中，较薄的部分16具有一厚度介于
Figure BDA0001745925660000093
较厚的部分15具有一厚度介于
Figure BDA0001745925660000094
加热器5正上方的基板1的厚度较薄，因此加热器5产生的热通过较短的通道传递到感测区域4。加热器5与感测区域4之间的距离小于100μm，例如：80μm、70μm、或57μm。因此，由于较少的热传递到基板上，因此加热器可以不需要高的操作电流，感测区域4即可以达到预设的温度。因此，加热器5的消耗功率可以降低。由于具有较低操作电流的加热器5，感测元件整体即具有较低的操作电流。根据本发明的感测元件300的操作电流可低于350mA，例如：低于200mA、150mA、或100mA。选择性地，感测元件300包含一官能化层9覆盖感测区域4，用于改善感测元件的检测极限和/或选择性。官能化层9通过绝缘层8与电极31、32分离。在此描述的元件的其他细节可以参照前述图1C的相关段落。
图4显示依据本发明一实施例的感测元件400。感测元件400与图3所示的感测元件300类似，包含基板1、形成于基板1上的异质接面结构2、以及位于异质接面结构2上侧的感测区域4。异质接面结构2包括第一半导体层21、第二半导体层22、以及2DEG通道23形成在第一半导体层21和第二半导体层22之间。基板1具有一沟槽10。沟槽10和异质接面结构2位于基板1的相对侧上。加热器5形成在沟槽10的顶端11上。保护层6覆盖加热器5。沟槽10、加热器5、和保护层6的详细宽度说明可参考前述图1C的相关描述。图4所示的第二半导体层22在感测区域4的位置具有一凹部20。第二半导体层22可以被减薄以形成凹部20和感测区域4。详言之，第二半导体层22具有较厚的部分221和被较厚的部分221围绕的较薄的部分222。感测区域4位于较薄的部分222上，且高度低于第二半导体层22的最顶表面。较薄的部分222具有一厚度介于
Figure BDA0001745925660000095
较厚的部分221具有一厚度介于
Figure BDA0001745925660000096
在一个实施例中，较薄的部分222的厚度介于
Figure BDA0001745925660000098
Figure BDA0001745925660000097
较厚的部分221的厚度介于
Figure BDA0001745925660000099
由于第二半导体层22的减薄，感测区域4与2DEG通道23之间的距离因而变小。因此即使浓度较低的目标物质也可以导致感测区域4与电极31、32之间的电场产生变化；例如，浓度小于10ppm。随着电场可以被改变的临界值降低，感测区域4即变得对于周遭环境(气体)非常敏感。因此，感测元件可以具有较低的检测极限。选择性地，感测元件400包含一官能化层9覆盖感测区域4，用于改善感测元件的检测极限和/或选择性。至少一部分的官能化层9被第二半导体层22围绕。在一个实施例中，官能化层9的最顶表面91低于第二半导体层22的较厚的部分221的最顶表面。在另一实施例中，官能化层9的最顶表面91高于或大体上共平面于第二半导体层22的较厚的部分221的最顶表面。
图5A至图5B显示依据本发明一实施例的感测元件500。图5A显示感测元件500的上视图。图5B显示沿着图5A中线段B-B'部分剖视图。感测元件500与图3所示的感测元件300类似，包含基板1、形成于基板1上的异质接面结构2、以及位于异质接面结构2上侧的感测区域4。异质接面结构2包括第一半导体层21、第二半导体层22、以及2DEG通道23形成在第一半导体层21和第二半导体层22之间。基板1具有一沟槽10。沟槽10和异质接面结构2位于基板1的相对侧上。加热器5形成在沟槽10的顶端11上。保护层6覆盖加热器5。沟槽10、加热器5、和保护层6的详细说明可参考前述图1C、图3、或图4的相关描述。在上视图中，电极31、32称为指叉型(interdigitated)电极(IDE；Interdigitated Electrode)，彼此交叉排列用以增加电流扩散。如图5A所示，电极31具有靠近感测元件500一侧5001的第一部分311以及多个延伸部312。电极32具有靠近感测装置500的相对侧5002的第一部分321和多个延伸部322。电极31的多个延伸部312从第一部分311朝向但不接触电极32的第一部分321。多个延伸部312各自具有一端连接到第一部分311。电极32的多个延伸部322从第一部分321朝向但不接触电极31的第一部分311。多个延伸部322各自具有一端连接到第一部分321。延伸部312、322具有一直线形状且大体上分别与第一部分311、321垂直，但形状不限于此例示实施例。参考图5B，在剖视图中，从最外侧5003至相对的另一最外侧5004的方向，延伸部312与至少部分的延伸部322重叠。在一实施例中，延伸部312、322具有弯曲形状。延伸部312的宽度与第一部分311的宽度可以不同或是相同。在一实施例中，延伸部312的宽度小于第一部分311。
电极31与电极32以不等于零的距离分开。更具体地说，在电极31、32之间具有一走道33，走道33为一弯折的形状。感测区域4分布在走道33中并且通过绝缘层8与电极31、32分离。选择性地，感测元件500包含一官能化层9位于走道33中并覆盖感测区域4。如图5B所示，电极31、32的最顶表面高于官能化层9的最顶表面。在另一个实施例中，第二半导体层22具有凹部并且包含较薄的部分和较厚的部分，类似于如图4所示的感测元件400。因此，感测区域4与2DEG通道23之间的距离可以缩小以改善检测极限。
图6A～图6F显示依据本发明一实施例的制造感测元件的步骤。如图6A所示，提供一基板1。包含第一半导体层21和第二半导体层22的异质接面结构2通过沉积方法，如金属有机化学沉积(MOCVD)或分子束外延(MBE)外延成长在基板1上。如图6B所示，电极31、32形成在异质接面结构2上。接着，如图6C所示，绝缘层8形成在电极31、32、以及异质接面结构2上。绝缘层8暴露部分的电极31、32的上表面用以电连接到驱动电源，以及暴露部分的异质接面结构2的上表面用以定义感测区域4。选择性地，异质接面结构2的第二半导体层22可以通过蚀刻减薄以形成凹部。选择性地，接着将官能化层9沉积在感测区域4上。随后，如图6D所示，翻转图6C所示的结构，通过蚀刻的方式移除或是减薄基板1以形成沟槽10。接下来，参考图6E，在沟槽10的顶端11上形成图案化的加热器5。然后，参考图6F，形成保护层6覆盖加热器5。最后，翻转图6F的结构完成一感测元件。
图7A～图7B显示依据本发明一实施例的感测元件600。图7A显示感测元件600的上视图。图7B显示沿着图7A中线段C-C'部分剖视图。感测元件600包含基板1、形成于基板1上的异质接面结构2、位于异质接面结构2上侧的电极31、32、以及位于异质接面结构2上侧的感测区域4。异质接面结构2包括第一半导体层21、第二半导体层22、以及2DEG通道23形成在第一半导体层21和第二半导体层22之间。加热器5和感测区域4位于异质接面结构2的上侧。加热器5和电极31、32通过绝缘层8彼此分开和绝缘。加热器5具有两个端子51、52连接到位于异质接面结构2上侧的导电垫71、72。保护层6位于加热器5和异质接面结构2之间，将加热器5与异质接面结构2电性绝缘。参考图7A，加热器5、感测区域4、电极31、32、和导电垫71、72在异质接面结构2的同一侧且位于异质接面结构2的上侧。
电极31、32形状类似于图5A的感测元件500所示的形状。电极31包含第一部份311靠近感测元件600的一侧6001，以及多个延伸部312。电极32包含第一部份321靠近感测元件600的相对侧6002，以及多个延伸部322。电极31的多个延伸部312从第一部分311朝向电极32的第一部分321延伸但不接触电极32的第一部分321。每一个延伸部312中的一端连接至第一部分311。电极32的多个延伸部322从第一部分321朝向电极31的第一部分311延伸但不接触电极31的第一部分311。每一个延伸部322中的一端连接至第一部分321。换句话说，电极31、32在上视图中彼此交叉。在上视图中，多个延伸部312中的一个和多个延伸322中的一个，在一直线上对齐并且以大于零的距离分开。在上视图中，从左侧6003到右侧6004的方向上，多个延伸部312不与多个延伸部322重叠。电极31和电极32彼此镜像对称。延伸部312具有垂直于第一部分311的直线。延伸部322具有垂直于第一部分321的直线。在另一个实施例中，延伸部312(322)不垂直于第一部分311(321)。
如图7A所示，加热器5和感测区域4位于电极31和电极32之间的区域中。加热器5具有第一部分54、第二部分55、第三部分56、以及两个端子57、52。第三部分56连接第一部分54和第二部分55。端子51位于第一部分54相对于第三部分56的一终端。端子52位于第二部分55相对于第三部分56的一终端。加热器5经由端子57、52连接到导电垫71、72。电极31具有一面向电极32的内侧313，电极32具有一面向电极31的内侧323。加热器5的第一部分54和内侧313具有类似的轮廓，并且加热器5的第二部分55和内侧323具有类似的轮廓。更具体地说，加热器5形成一类似于一回圈的形状，两个端子57、52在回圈上的一端具有一小开口53。加热器5具有一沿着电极31、32内侧313、323形成的形状。位于加热器5形成的回圈区域内是感测区域4。感测区域4被加热器5围绕。图7A所示的上视图，加热器5与感测区域4相邻一段接近零距离。
选择性地，官能化层9形成在感测区域4上用以改善检测极限和选择性，如图8A～图8B所示的感测元件700。图8A
Figure BDA0001745925660000121
图8B显示依据本发明一实施例的感测元件700。图8A显示了感测元件700的上视图。图8B显示沿着图8A中的线D-D'部分剖视图。感测元件700与图7A～图7B所示的感测元件600类似，包含基板1、形成于基板1上的异质接面结构2、以及位于异质接面结构2上侧的电极31、32、以及位于异质接面结构2上侧的感测区域4。加热器5和感测区域4位于异质接面结构2的上侧。加热器5连接到导电垫71、72。加热器5和导电垫71、72位于异质接面结构2的上侧。保护层6位于加热器5和异质接面结构2之间，将加热器5与异质接面结构2电性绝缘。官能化层9形成在感测区域4上。官能化层9和加热器5(或保护层6)被绝缘层8隔开。加热器5与感测区域4之间的距离在上视图中小于80μm，例如70μm、50μm、或20μm。在上视图中，如图8A所示，被加热器5围绕的区域略大于官能化层9(或感测区域4)的面积。如图8B所示，官能化层9的厚度比保护层6的厚度厚。在另一个实施例中，官能化层9的厚度比保护层6的厚度薄。选择性地，没有绝缘层8位于官能化层9和加热器5(或保护层6)之间。因此，在上视图中，官能化层9与加热器5之间的距离接近于零。
感测元件600、700的基板1可以具有如图9所示的沟槽10。图9显示依据本发明一实施例的感测元件800的部分剖视图。电极31、32、加热器5、和异质接面结构2可以参考图7A～图7B和图8A～图8B相关段落的描述。感测元件800的基板1与感测元件100、200、300、400、或500的类似。基板1被减薄以形成位于感测区域4正下方的沟槽10。基板1具有较薄的部分16和较厚的部分15。较薄的部分16被较厚的部分15围绕。在另一实施例中，在感测区域4下移除部分的基板1以形成沟槽10。基板1因为部分移除而减薄，可以减少加热器5产生的热散布到基板1中。加热器5可以不需要高的操作电流，感测区域4即可以达到预设的温度。因此，由于具有较低操作电流的加热器，感测元件整体即具有较低的操作电流，例如小于350mA、200mA、或100mA。
为了改善检测极限，异质接面结构2的第二半导体层22可以减薄以形成凹槽，如图4所示。图10显示依据本发明一实施例的感测元件900的部分剖视图。电极31、32、加热器5、和基板1的详细说明可参考图7A～图7B、图8A～图8B或图9的相关段落描述。图10所示的第二半导体层22包含感测区域4所在的凹部。第二半导体层22具有较厚的部分221和被较厚的部分221围绕的较薄的部分222。感测区域4低于第二半导体层22的最顶表面并被第二半导体层22围绕。
图11显示依据本发明一实施例的感测元件1000的部分剖视图。基板1和异质接面结构2可以参考感测元件600、700、800、或900的相关段落的描述。感测元件1000的电极31、32、加热器5、和感测区域4位于异质接面结构2的上侧并且在上视图中彼此同心。选择性地，官能化层9形成在感测区域4上用以改善选择性和检测极限。参考图11，电极31、32形成在一第一虚拟圆C1。加热器5形成在第二虚拟圆C2和第四虚拟圆C4上。感测区域4形成第三虚拟圆C3和中心区域C5。在上视图中，C1、C2、C3、C4、和C5从外部到内部依序排列并且彼此同心。电极31具有一弯曲部311靠近感测元件1000的一侧10001。电极32具有一弯曲部312靠近感测装置1000的相对侧10002。弯曲部311、312彼此分离并位于第一虚拟圆C1上。加热器5具有第一弯曲部511、第二弯曲部512，第三部513、以及一连接部514用以连接第一弯曲部511、第二弯曲部512、以及第三部分513。第一弯曲部511和第二弯曲部512彼此分开并位于第二虚拟圆C2上。第三部分513位于第四虚拟圆C4上。感测区域4包括第一部分41、以及与第一部分41分离的第二部分42。感测区域4被加热器5围绕。感测区域4的第一部分41位于第一弯曲部511、第二弯曲部512、和第三部分513之间，并位于第三虚拟圆C3上。感测区域4的第二部分42具有圆形形状位于中心区域C5上，并且被加热器5的第三部分53所在的第四虚拟圆C4围绕。电极31、32、加热器5、和感测区域4的排列可以缩小加热器5与感测区域4之间的距离。电极31、32、加热器5、和感测区域4的排列可以交错配置如例示，但不限于圆形。
图12A～图12C显示依据本发明一实施例的制造感测元件600的步骤。如图12A所示，提供一基板1，包含第一半导体层21和第二半导体层22的异质接面结构2通过沉积方法，如金属有机化学沉积(MOCVD)或分子束外延(MBE)外延成长在基板1上。如图12B所示，电极31、32形成在异质接面结构2上。接着，如图12C所示，绝缘层8形成在电极31、32、以及异质接面结构2上。接下来，保护层6和加热器5图案化的沉积在异质接面结构2上用以定义感测区域4。选择性地，在形成保护层6和加热器5之前，异质接面结构2的第二半导体层22可以通过蚀刻减薄以形成凹部。然后，选择性地，将官能化层9沉积在感测区域4上。随后，选择性地，如图12D所示，通过蚀刻的方式移除或是减薄基板1以形成沟槽10。
感测电阻(Rs)是两个电极之间的电阻，定义为Rs＝(VC×RL)/Vout-RL。VC是施加到两个电极的电压。RL是与输出端(其中之一的电极)串联连接的负载电阻。Vout是负载电阻RL两端的电压。感测元件的灵敏度β被定义为目标感测电阻与参考感测电阻的比例(感测电阻的变化率)。例如，感测元件的参考感测电阻Rs(30ppm)是将感测元件放置在具有30ppm浓度的目标物质的环境下测得的感测电阻值。感测元件的目标感测电阻Rs(100ppm)是将感测元件放置在具有100ppm浓度的目标物质的环境下测得的感测电阻值。因此，感测装置的灵敏度可以表示为β＝Rs(100ppm)/Rs(30ppm)。Vout根据感测元件的输出电流而变化；因此，灵敏度也可以以输出电流的变化来表示。当灵敏度β较高时，连接到感测元件的读取电路可以不需要复杂的放大电路就可以容易判读目标物质的浓度。检测极限定义为可以触发感测元件的目标物质的最小浓度。上述实施例的检测极限小于10ppm，例如小于7ppm、5ppm、1ppm、或0.5ppm。
需了解的是，本发明中上述的诸多实施例在适当的情况下，是可以彼此互相组合或替换，而非仅限于所描述的特定实施例。本发明所列举的各实施例仅用以说明本发明，并非用以限制本发明的范围。任何人对本发明所作的任何显而易见的修饰或变更接不脱离本发明的精神与范围。

Claims (9)

1.一种感测元件，其特征在于，包含：
半导体结构，包含上侧、相对于上侧的底侧、以及位于上侧的感测区域，该感测区域内具有裸露的半导体层；
基板，位于底侧；
第一电极以及第二电极，位于该上侧；
官能化层，位于该上侧及该感测区域内，并与裸露的该半导体层直接接触；
加热器，位于该上侧及该感测区域内，并与该官能化层交错配置。
2.如权利要求1所述的感测元件，其中，该基板具有沟槽，在上视图中，该沟槽覆盖该感测区域。
3.如权利要求2所述的感测元件，其中，该基板包含较薄的部分与较厚的部分围绕该较薄的部分。
4.如权利要求1所述的感测元件，还包含绝缘层，位于该加热器与该第一电极之间，且位于该加热器与该第二电极之间。
5.如权利要求1所述的感测元件，还包含保护层，位于该加热器与裸露的该半导体层之间。
6.如权利要求1所述的感测元件，其中，该加热器形成一回圈围绕该感测区域。
7.如权利要求1所述的感测元件，其中，该第一电极以及该第二电极在上视图中为指叉型排列。
8.如权利要求1所述的感测元件，其中，裸露的该半导体层在上侧具有凹部，该感测区域位于该凹部中。
9.如权利要求1所述的感测元件，其中，该加热器具有弯折线形状。
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