CN109613065A - 一种半导体湿度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湿度传感器，所述半导体湿度传感器包括：第一衬底，设置在所述第一衬底上的源极和漏极；设置在所述第一衬底上方并覆盖所述源极和所述漏极的半导体层；设置在所述半导体层上的栅氧化层；设置在所述栅氧化层上的栅极结构，所述栅极结构为压电层；设置在所述栅极结构上的绝缘层；设置在所述绝缘层上的吸湿层。另外，本发明还提供了一种制备半导体湿度传感器的方法，通过上述方法制备的半导体湿度传感器具有功耗低、可靠性高、灵敏度高等优点。

Description

一种半导体湿度传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及湿度传感器，尤其涉及一种具有低功耗、高可靠性、高灵敏度的半导体湿度传感器。
背景技术
湿度传感器用于对环境湿度进行测量，在气象监测、工农业生产以及医疗诊断等国计民生领域应用广泛。半导体湿度传感器是湿度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。该类传感器主要利用半导体材料的物理特性将环境湿度转化为电信号，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。一个典型的半导体湿度传感器呈底栅型场效应晶体管结构，其中，晶体管的半导体层与环境相接触，它主要利用半导体层在吸湿后载流子迁移率发生变化来实现环境湿度到电信号的转换。对于现有的基于场效应晶体管的半导体湿度传感器，它需要外加栅极偏置下才能工作，因此，存在着传感器功耗偏高的问题。此外，半导体层作为影响晶体管性能的关键功能层，长期暴露在外界环境中会导致该层性质发生退化，进而影响到晶体管的可靠性能。此外，现有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
为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种半导体湿度传感器，所述半导体湿度传感器包括：
第一衬底，
设置在所述第一衬底上的源极和漏极；
设置在所述第一衬底上方并覆盖所述源极和所述漏极的半导体层；
设置在所述半导体层上的栅氧化层；
设置在所述栅氧化层上的栅极结构，所述栅极结构为压电层；
设置在所述栅极结构上的绝缘层；
设置在所述绝缘层上的吸湿层。
优选地，所述第一衬底的下表面设有凹槽，所述凹槽设置在所述压电层的正下方。
优选地，所述压电层的左右两侧的外侧端部边缘与所述源极和/或漏极的内侧端部边缘对齐或部分交叠。
优选地，所述压电层的左右两侧的外侧端部边缘与所述源极或所述漏极的内侧端部边缘的交叠区域长度为5μm-50μm。
优选地，所述吸湿层包括聚酰亚胺或氧化石墨烯。
优选地，所述吸湿层的左右两外侧端部边缘与所述压电层的左右两外侧端部边缘对齐。
优选地，所述半导体层为单晶硅、多晶硅、非晶硅、氧化锌、铟镓锌氧化物、酞菁铜或并五苯。
优选地，所述压电层包括石英、锆钛酸铅、氧化锌、氮化铝或聚偏氟乙烯。
本发明还提供了一种半导体湿度传感器的制备方法，其包括以下步骤：选择第一衬底，并在所述第一衬底的上表面制备源极和漏极；沉积半导体层，所述半导体层覆盖所述源极和所述漏极区域；沉积栅氧化层，所述栅氧化层覆盖所述半导体层；沉积并图形化形成栅极结构，所述栅极结构为压电层；沉积绝缘层，所述绝缘层覆盖所述栅极结构；旋涂并图形化形成吸湿层，所述吸湿层与所述栅极结构层的位置相对应。
优选地，还包括在所述第一衬底的下表面刻蚀形成凹槽的步骤。
有益效果：
本发明提供的半导体湿度传感器，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，无需外加栅极偏置就能工作，因此具有低功耗的优点；
2、本发明通过吸湿层而非半导体层来感应环境湿度，避免了半导体层与外界环境直接接触及其引起的可靠性问题；
3、本发明的传感器在环境湿度的作用下，晶体管的载流子数目和载流子的迁移率均发生改变，这导致晶体管在湿度作用下的电学特性变化更加明显，因此具有高灵敏度的优点；
4、本发明传感器的基本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)的工艺流程制备，生产成本低，体积小，并易与接口电路集成。
附图说明
图1为本发明的半导体湿度传感器的剖面结构示意图；
图2为本发明的半导体湿度传感器的制备方法的流程图；其中，11、第一衬底，12、凹槽，13、源极，14、漏极，15、半导体层，16、栅氧化层，17、压电层，18、绝缘层，19、吸湿层。
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。提供以下具体实施方式的目的是便于对本发明公开内容更清楚透彻的理解，其中上、下、左、右等指示方位的字词仅是针对所示结构在对应附图中位置而言。
实施例1
如1所示，本发明提供了一种半导体湿度传感器，该半导体湿度传感器包括形成有凹槽12的第一衬底11、位于第一衬底11的两相对侧的源极13和漏极14、设置在第一衬底11上方并覆盖源极13和漏极14的半导体层15、设置在半导体层15上的栅氧化层16、设置在栅氧化层16上方且在凹槽12的正上方的栅极结构、位于栅极结构上方的绝缘层18、设置在绝缘层18上的吸湿层19，其中，栅极结构包括压电层17。
具体地，源极13、漏极14、半导体层15、栅氧化层16、栅极结构构成一顶栅型场效应晶体管结构；源极13、漏极14位于第一衬底11的相对两侧；半导体层15设置第一衬底11上方并覆盖源极13、漏极14；栅氧化层16设在半导体层15上方；压电层17设置凹槽12的正上方；压电层17的左右两外侧端部边缘与源极13和漏极14的左右两内侧端部边缘至少对齐或部分交叠，优选为部分交叠，交叠区域长度为5μm-50μm，这样可以使得环境湿度作用下薄膜产生形变时，压电层17与源极13、漏极14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，但是如果交叠区域过大，会使得压电层17与源极13、漏极14之间产生大的寄生电容并严重恶化器件性能；绝缘层18设在栅氧化层16上方并覆盖压电层17；吸湿层19设在绝缘层18上并正对压电层17，吸湿层19的左右两外侧端部边缘与压电层17的左右两外侧端部边缘对齐。
进一步地，第一衬底11为刚性的绝缘衬底，例如包括玻璃、塑料、带绝缘层的硅片；半导体层15可采用无机物半导体或有机物半导体，例如包括单晶硅、多晶硅、非晶硅、氧化锌、铟镓锌氧化物、酞菁铜或并五苯等；压电层17包括具有压电效应的材料，优选为石英、PZT(lead zirconatetitanate，锆钛酸铅)、ZnO、AlN或聚偏氟乙烯(PVDF)，压电层17的厚度在200nm-2000nm，对于某些需要预极化才具有压电效应的材料、例如压电陶瓷类，压电层17还包括在上下表面设置有金属电极，以便对材料进行预极化操作；对于压电单晶类压电层17，则不必设置金属电极进行极化操作。
另外，绝缘层18为SiO2、Si3N4、Al2O3中的至少一种，绝缘层18用于实现吸湿层19与压电层17的电隔离，并防止环境湿气扩散进入器件体内，以提高传感器的可靠性；吸湿层19为具有强吸湿能力的介质层，优选为聚酰亚胺或氧化石墨烯。
本发明的半导体湿度传感器的工作原理如下：
在环境湿度作用下，吸湿层19在吸湿后体积膨胀会使得吸湿层19下方的各层薄膜发生形变，根据压电效应，压电层17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15一侧的压电电荷类似于施加在栅极的偏压，可以调控半导体层15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15由于形变引起的应变导致半导体层15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可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湿度传感器的制备方法，该制备方法包括如下步骤：
选用覆盖有500nm厚SiO2的N型Si作为第一衬底11，使用电子束蒸发在第一衬底11上表面形成50nmAu并光刻形成源极13、漏极14；
使用磁控溅射的方法沉积100nm铟镓锌氧化物作为半导体层15，半导体层15覆盖源极13和漏极14区域；
使用等离子化学气相沉积方法沉积200nm Si3N4作为栅氧化层16，栅氧化层16覆盖半导体层15；
使用磁控溅射的方法，分别沉积50nm Pt、500nmAlN以及50nm Pt，光刻并进行预极化形成压电层17作为栅极结构，该栅极结构为三层结构(即Pt/AlN/Pt)的压电结构。
使用等离子增强型化学气相沉积方法沉积100nm SiO2以及100nm Si3N4作为绝缘层18，绝缘层18覆盖上述栅极结构；
使用旋涂方法在绝缘层18上形成1000nm聚酰亚胺，光刻并亚胺化，形成吸湿层19，吸湿层19与上述栅极结构层的位置相对应；
上述制备方法还包括刻蚀覆盖在第一衬底11下表面的SiO2，以SiO2做掩膜对第一衬底下表面进行刻蚀形成凹槽12。
通过上述制备方法制备形成具有吸湿层的半导体湿度传感器，该半导体湿度传感器通过吸湿层而非半导体层来感应环境湿度，避免了半导体层与外界环境直接接触及其引起的可靠性问题。
与现有技术相比，本发明的半导体湿度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，无需外加栅极偏置就能工作，因此具有低功耗的优点；通过吸湿层而非半导体层来感应环境湿度，避免了半导体层与外界环境直接接触及其引起的可靠性问题，在环境湿度的作用下，晶体管的载流子数目和载流子的迁移率均发生改变，这导致晶体管在湿度作用下的电学特性变化更加明显，因此具有高灵敏度的优点。另外，本发明的半导体湿度传感器的基本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)的工艺流程制备，生产成本低，体积小，并易与接口电路集成。
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)

1.一种半导体湿度传感器，其特征在于，所述半导体湿度传感器包括：
第一衬底，
设置在所述第一衬底上的源极和漏极；
设置在所述第一衬底上方并覆盖所述源极和所述漏极的半导体层；
设置在所述半导体层上的栅氧化层；
设置在所述栅氧化层上的栅极结构，所述栅极结构为压电层；
设置在所述栅极结构上的绝缘层；
设置在所述绝缘层上的吸湿层。
2.根据权利要求1所述的半导体湿度传感器，其特征在于，所述第一衬底的下表面设有凹槽，所述凹槽设置在所述压电层的正下方。
3.根据权利要求1或2所述的半导体湿度传感器，其特征在于，所述压电层的左右两侧的外侧端部边缘与所述源极和/或漏极的内侧端部边缘对齐或部分交叠。
4.根据权利要求3所述的半导体湿度传感器，其特征在于，所述压电层的左右两侧的外侧端部边缘与所述源极或所述漏极的内侧端部边缘的交叠区域长度为5μm-50μm。
5.根据权利要求1所述的半导体湿度传感器，其特征在于，所述吸湿层包括聚酰亚胺或氧化石墨烯。
6.根据权利要求1所述的半导体湿度传感器，其特征在于，所述吸湿层的左右两外侧端部边缘与所述压电层的左右两外侧端部边缘对齐。
7.根据权利要求1所述的半导体湿度传感器，其特征在于，所述半导体层为单晶硅、多晶硅、非晶硅、氧化锌、铟镓锌氧化物、酞菁铜或并五苯。
8.根据权利要求1所述的半导体湿度传感器，其特征在于，所述压电层包括石英、锆钛酸铅、氧化锌、氮化铝或聚偏氟乙烯。
9.一种半导体湿度传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
选择第一衬底，并在所述第一衬底的上表面制备源极和漏极；
沉积半导体层，所述半导体层覆盖所述源极和所述漏极区域；
沉积栅氧化层，所述栅氧化层覆盖所述半导体层；
沉积并图形化形成栅极结构，所述栅极结构为压电层；
沉积绝缘层，所述绝缘层覆盖所述栅极结构；
旋涂并图形化形成吸湿层，所述吸湿层与所述栅极结构层的位置相对应。
10.根据权利要求9所述的半导体湿度传感器的制备方法，其特征在于，还包括在所述第一衬底的下表面刻蚀形成凹槽的步骤。
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