CN109682510B - GaN高温压力传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种GaN高温压力传感器，包括硅衬底和硅基座，硅衬底上设有GaN外延层，GaN外延层上设有压阻器件和引脚，硅衬底的下表面且对应压阻器件正下方设有减薄凹槽，减薄凹槽对应的区域为压力检测区，压阻器件位于压力检测区，引脚在压力检测区之外；硅基座下表面设有第一刻蚀凹槽，第一刻蚀凹槽的槽底设有第二刻蚀凹槽和通孔；硅基座与硅衬底通过玻璃浆料烧结密封连接，压阻器件位于第二刻蚀凹槽内，引脚位于第二刻蚀凹槽之外，通孔内填充用于将引脚引出的金属。本发明提供的GaN高温压力传感器，具有较强的压电极化效应，具备在高温、辐照环境下工作的能力，在硅衬底上外延GaN，可以制备较大的晶圆，且加工工艺比碳化硅材料容易。

Description

GaN高温压力传感器
技术领域
本发明属于压力传感器技术领域，更具体地说，是涉及一种GaN高温压力传感器。
背景技术
半导体材料压力传感器具有体积小、一致性高、响应度大等优势，然而常规的Si基压力传感器一般只能工作到125℃。高温下压阻元件间的PN结隔离失去作用，导致压力传感器失效。更高温度应用领域迫切需要高性能的压力传感器。SOI结构的压力传感器、SiC材料的压力传感器结合耐高温的封装、保护工艺是目前高温压力传感器的主要技术方案。目前，利用SiC的耐高温特性，压力传感器工作温度可以提高到600℃，最高可以达到1000℃。
然而，Si是一种窄禁带的半导体材料，其耐高温性能不如宽禁带半导体材料；宽禁带SiC压力传感器发展则受限于刻蚀、掺杂等工艺，难度较大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种GaN高温压力传感器，以解决现有技术中存在的制作难度大的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种GaN高温压力传感器，包括：硅衬底，其上表面设有凸台，所述凸台上设有GaN外延层，所述GaN外延层上设有压阻器件和引脚，所述压阻器件位于所述GaN外延层的中间，所述引脚位于所述GaN外延层的边缘，所述硅衬底的下表面且对应所述压阻器件正下方设有减薄凹槽，所述减薄凹槽对应的区域为压力检测区，所述压阻器件位于所述压力检测区，所述引脚在所述压力检测区之外，所述凸台四周的平面为第一连接面；
硅基座，下表面设有第一刻蚀凹槽，所述第一刻蚀凹槽的槽底设有用于密封所述压阻器件的第二刻蚀凹槽和用于引出所述引脚的贯穿所述硅基座的通孔，所述第一刻蚀凹槽四周的平面为第二连接面；
所述硅基座的所述第二连接面与所述硅衬底的所述第一连接面通过玻璃浆料烧结实现密封连接，所述凸台位于所述第一刻蚀凹槽内，所述压阻器件位于所述第二刻蚀凹槽内，所述引脚位于所述第二刻蚀凹槽之外，所述第一刻蚀凹槽的槽底与所述GaN外延层相贴，所述通孔内填充用于将所述引脚引出的金属。
进一步地，所述金属引出并外延到所述硅基座的上表面。
进一步地，所述金属为Cu、Al、Au、Ti、Pt或Ni中的任一种。
进一步地，所述GaN外延层异质结为AlGaN/GaN、或InAlN/GaN、或AlN/GaN。
进一步地，所述GaN外延层上设有至少一个压阻器件和至少两个引脚，两个所述引脚对称分设于所述压阻器件的两侧。
进一步地，所述压阻器件为电阻、电容、二极管或三极管。
本发明提供的GaN高温压力传感器的有益效果在于：与现有技术相比，GaN是一种宽禁带半导体材料，且具有较强的压电极化效应，具备在高温、辐照环境下工作的能力，在硅衬底上外延GaN，可以制备较大的晶圆，且加工工艺比碳化硅材料容易。本发明提供的压力传感器通过硅硅连接形成传感器的密闭腔体，能够减小连接部位在高温下膨胀系数的失配，同时，隔离压阻器件与外部环境的接触，能够避免环境中的腐蚀性物质或粉尘等对压阻器件的破坏，提高传感器的性能。
本发明还提供一种GaN高温压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
在硅衬底的上表面制备GaN外延层；
在所述GaN外延层上表面制备压阻器件和引脚；
刻蚀移除所述GaN外延层边缘区域，并向下刻蚀移除部分硅衬底，所述压阻器件和所述引脚位于未刻蚀区域；
在所述硅衬底的下表面刻蚀减薄凹槽，所述减薄凹槽的槽底对应的区域为压力检测区，所述压阻器件位于所述压力检测区，所述引脚位于所述压力检测区之外；
在硅基座的下表面刻蚀第一刻蚀凹槽，并使所述第一刻蚀凹槽的边缘包绕所述未刻蚀区域；
在所述第一刻蚀凹槽的槽底刻蚀第二刻蚀凹槽，并使所述压阻器件位于所述第二刻蚀凹槽围成的区域内，所述引脚位于所述第二刻蚀凹槽围成的区域外；
所述硅基座上刻蚀与所述引脚对应的通孔；
所述硅基座与所述硅衬底连接：所述硅基座的下表面，且所述第一刻蚀凹槽的外围区域与所述硅衬底的刻蚀移除区域通过玻璃烧结的方式密封连接；
所述第一刻蚀凹槽的槽底与所述GaN外延层面面贴合；
所述通孔内填满金属，并使所述金属外延到所述硅基座的上表面，引出所述引脚。
进一步地，所述向下刻蚀移除区硅衬底的刻蚀深度大于等于10微米。
进一步地，所述通孔内采用蒸发或电镀的方式填满金属。
进一步地，所述通孔采用干法刻蚀或湿法刻蚀制备。
本发明提供的GaN高温压力传感器的制备方法的有益效果在于：由于GaN是一种宽禁带半导体材料，且具有较强的压电极化效应，具备在高温、辐照环境下工作的能力；硅上GaN外延片可以制备较大的晶圆，且加工工艺比碳化硅材料容易。因此，本发明提供的制备方法，制作工艺简单，且能够制备较大的晶圆，制备的传感器具有较强的压电极化效应，具备在高温、辐照环境下工作的能力。
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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的制备方法中硅衬底上生长GaN外延层的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的制备方法中在GaN外延层上制备压阻器件和引脚的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的制备方法中移除部分GaN外延层的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的制备方法中制备减薄凹槽的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的制备方法中硅基座的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的制备方法中在硅基座上制备第一刻蚀槽后的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的制备方法中在硅基座上制备第二刻蚀槽后的结构示意图；
图8为本发明实施例提供的制备方法中在硅基座上制备通孔后的结构示意图；
图9为本发明实施例提供的制备方法中硅基座和硅衬底密封连接后的结构示意图；
图10为本发明实施例提供的制备方法中引脚引出后的结构示意图。
其中，图中各附图标记：
1-硅衬底；2-GaN外延层；3-压阻器件；4-引脚；5-凸台；6-减薄凹槽；7-硅基座；8-第一刻蚀凹槽；9-第二刻蚀凹槽；10-通孔；11-玻璃浆料；12-金属；13-移除部分GaN外延层边缘区域；14-第一连接面；15-第二连接面。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图10，现对本发明提供的GaN高温压力传感器进行说明。所述GaN高温压力传感器，包括硅衬底1和硅基座7，硅衬底1上表面设有凸台5，凸台5上设有GaN外延层2，GaN外延层2上设有压阻器件3和引脚4，压阻器件3位于GaN外延层2的中间，引脚4位于所述GaN外延层2的边缘，硅衬底1的下表面且对应压阻器件3正下方设有减薄凹槽6，减薄凹槽6对应的区域为压力检测区，压阻器件3位于压力检测区，引脚4在压力检测区之外，凸台5四周的平面为第一连接面14；硅基座7下表面设有第一刻蚀凹槽8，第一刻蚀凹槽8的槽底设有用于密封压阻器件3的第二刻蚀凹槽9和用于引出引脚4的贯穿硅基座7的通孔10，第一刻蚀凹槽8四周的平面为第二连接面15；硅基座7的第二连接面15与硅衬底1的第一连接面14通过玻璃浆料11烧结实现密封连接，凸台5位于第一刻蚀凹槽8内，压阻器件3位于第二刻蚀凹槽9内，引脚4位于第二刻蚀凹槽9之外，第一刻蚀凹槽8的槽底与GaN外延层2相贴，通孔10内填充用于将引脚4引出的金属12。
本发明提供的GaN高温压力传感器，与现有技术相比，GaN是一种宽禁带半导体材料，且具有较强的压电极化效应，具备在高温、辐照环境下工作的能力，在硅衬底1上外延GaN，可以制备较大的晶圆，且加工工艺比碳化硅材料容易。本发明提供的压力传感器通过硅硅连接形成传感器的密闭腔体，能够减小连接部位在高温下膨胀系数的失配，同时，隔离压阻器件3与外部环境的接触，能够避免环境中的腐蚀性物质或粉尘等对压阻器件3的破坏，提高传感器的性能。
请参阅图10，作为本发明提供的GaN高温压力传感器的一种具体实施方式，金属12引出并外延到硅基座7的上表面，将引脚4引出。
其中，作为本发明提供的GaN高温压力传感器的一种具体实施方式，金属12为Cu、Al、Au、Ti、Pt或Ni中的任一种。
其中，作为本发明提供的GaN高温压力传感器的一种具体实施方式，GaN外延层2异质结为AlGaN/GaN、或InAlN/GaN、或AlN/GaN。
请参阅图10，作为本发明提供的GaN高温压力传感器的一种具体实施方式，GaN外延层2上设有至少一个压阻器件3和至少两个引脚4，两个所述引脚4对称分设于所述压阻器件3的两侧。其中，制作至少一个压力检测区域，压力检测区域对应的硅衬底1被减薄，形成薄膜结构，压力检测区域上至少包含一个压阻器件3构成基本的测试电路结构。
请参阅图5，作为本发明提供的GaN高温压力传感器的一种具体实施方式，所述压阻器件3为电阻、电容、二极管或三极管等端口特性会随薄膜应变发生变化的元件。
本发明还提供一种GaN高温压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
在硅衬底1的上表面制备GaN外延层2，参见图1；
在GaN外延层2上表面制备压阻器件3和引脚4，参见图2；
刻蚀移除GaN外延层边缘区域13，并向下刻蚀移除部分硅衬底1，压阻器件3和引脚4位于未刻蚀区域，参见图3；GaN外延层2可以采用干法刻蚀移除。移除GaN外延层2，使硅衬底1层与硅基座7硅硅直接连接，有利于减小高温下外延片与基座之间的热失配，提高腔体的密闭性；
在所述硅衬底1的下表面刻蚀减薄凹槽6，减薄凹槽6的槽底对应的区域为压力检测区，压阻器件3位于所述压力检测区，引脚4位于压力检测区之外，参见图4；采用干法或湿法工艺在硅衬底1背面刻蚀凹槽，压力检测区的硅衬底1被减薄处理，形成薄膜结构，在压力作用下，压力检测区的薄膜结构发生形变，从而引起压阻器件3的变化，进而起到压力测试的目的；
在硅基座7的下表面刻蚀第一刻蚀凹槽8，并使第一刻蚀凹槽8的边缘包绕未刻蚀区域，参见图5、图6，凹槽采用干法或湿法刻蚀实现；
在第一刻蚀凹槽8的槽底刻蚀第二刻蚀凹槽9，并使压阻器件3位于第二刻蚀凹槽9围成的区域内，引脚4位于所述第二刻蚀凹槽9围成的区域外，参见图7，采用干法或者湿法在衬底上刻蚀实现；第二刻蚀凹槽9将压力检测区域包含在内，使硅基座7不会对薄膜结构在受压状态下发生形变造成影响，也即硅基座7不会妨碍到压力形变；
硅基座7上刻蚀与引脚4对应的通孔10，参见图8，通孔10采用干法刻蚀或湿法刻蚀实现，通孔10与引脚4正对，引脚4位于通孔10内；
硅基座7与硅衬底1连接：硅基座7的下表面，且第一刻蚀凹槽8的外围区域与硅衬底1的刻蚀移除区域通过玻璃烧结的方式密封连接，参见图9；第一刻蚀凹槽8的槽底与GaN外延层2面面贴合，参见图9；第二刻蚀凹槽9对压阻器件3实现密封；
通孔10内填满金属12，并使金属12外延到硅基座7的上表面，引出引脚4，参见图10。
请参阅图3，作为本发明提供的GaN高温压力传感器的一种具体实施方式，向下刻蚀移除区硅衬底1的刻蚀深度大于等于10微米。
请参阅图10，作为本发明提供的GaN高温压力传感器的制备方法的一种具体实施方式，所述通孔10内采用蒸发或电镀的方式填满金属12。
其中，作为本发明提供的GaN高温压力传感器的制备方法的一种具体实施方式，通孔10采用干法刻蚀或湿法刻蚀制备。
本发明提供的GaN高温压力传感器的制备方法的有益效果在于：由于GaN是一种宽禁带半导体材料，且具有较强的压电极化效应，具备在高温、辐照环境下工作的能力；硅上GaN外延片可以制备较大的晶圆，且加工工艺比碳化硅材料容易。因此，本发明提供的制备方法，制作工艺简单，且能够制备较大的晶圆，制备的压力传感器具有较强的压电极化效应，具备在高温、辐照环境下工作的能力。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.GaN高温压力传感器，其特征在于，包括：
硅衬底，其上表面设有凸台，所述凸台上设有GaN外延层，所述GaN外延层上设有压阻器件和引脚，所述压阻器件位于所述GaN外延层的中间，所述引脚位于所述GaN外延层的边缘，所述硅衬底的下表面且对应所述压阻器件正下方设有减薄凹槽，所述减薄凹槽对应的区域为压力检测区，所述压阻器件位于所述压力检测区，所述引脚在所述压力检测区之外，所述凸台四周的平面为第一连接面；
硅基座，下表面设有第一刻蚀凹槽，所述第一刻蚀凹槽的槽底设有用于密封所述压阻器件的第二刻蚀凹槽和用于引出所述引脚的贯穿所述硅基座的通孔，所述第一刻蚀凹槽四周的平面为第二连接面；所述第一刻蚀槽的侧壁与所述凸台的侧面之间具有间隙，所述第一刻蚀槽的底面搭接在所述凸台上；
所述硅基座的所述第二连接面与所述硅衬底的所述第一连接面通过玻璃浆料烧结实现密封连接，所述凸台位于所述第一刻蚀凹槽内，所述压阻器件位于所述第二刻蚀凹槽内，所述引脚位于所述第二刻蚀凹槽之外，所述第一刻蚀凹槽的槽底与所述GaN外延层相贴，所述通孔内填充用于将所述引脚引出的金属；
所述的GaN高温压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
在硅衬底的上表面制备GaN外延层；所述GaN外延层异质结为InAlN/GaN、或AlN/GaN；
在所述GaN外延层上表面制备压阻器件和引脚；
刻蚀移除所述GaN外延层边缘区域，并向下刻蚀移除部分硅衬底，所述压阻器件和所述引脚位于未刻蚀区域；所述向下刻蚀移除部分硅衬底的刻蚀深度大于等于10微米；
在所述硅衬底的下表面刻蚀减薄凹槽，所述减薄凹槽的槽底对应的区域为压力检测区，所述压阻器件位于所述压力检测区，所述引脚位于所述压力检测区之外；
在硅基座的下表面刻蚀第一刻蚀凹槽，并使所述第一刻蚀凹槽的边缘包绕所述未刻蚀区域；
在所述第一刻蚀凹槽的槽底刻蚀第二刻蚀凹槽，并使所述压阻器件位于所述第二刻蚀凹槽围成的区域内，所述引脚位于所述第二刻蚀凹槽围成的区域外；
所述硅基座上刻蚀与所述引脚对应的通孔；
所述硅基座与所述硅衬底连接：所述硅基座的下表面，且所述第一刻蚀凹槽的外围区域与所述硅衬底的刻蚀移除区域通过玻璃烧结的方式密封连接；
所述第一刻蚀凹槽的槽底与所述GaN外延层面面贴合；
所述通孔内填满金属，并使所述金属外延到所述硅基座的上表面，引出所述引脚。
2.如权利要求1所述的GaN高温压力传感器，其特征在于，所述金属引出并外延到所述硅基座的上表面。
3.如权利要求1所述的GaN高温压力传感器，其特征在于，所述金属为Cu、Al、Au、Ti、Pt或Ni中的任一种。
4.如权利要求1所述的GaN高温压力传感器，其特征在于，所述GaN外延层上设有至少一个压阻器件和至少两个引脚，两个所述引脚对称分设于所述压阻器件的两侧。
5.如权利要求1所述的GaN高温压力传感器，其特征在于，所述压阻器件为电阻、电容、二极管或三极管。
6.如权利要求1所述的GaN高温压力传感器，其特征在于，所述通孔内采用蒸发或电镀的方式填满金属。
7.如权利要求1所述的GaN高温压力传感器，其特征在于，所述通孔采用干法刻蚀或湿法刻蚀制备。
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