CN109891748A - 用于材料和结构感测的表面声波rfid传感器 - Google Patents

用于材料和结构感测的表面声波rfid传感器 Download PDF

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Abstract

本申请描述了基于表面声波(SAW)换能器和二维电子气(2DEG)或二维空穴气(2DHG)导电结构的组合的零功率射频识别(RFID)传感器芯片的实施方案，及其作为用于材料和结构感测的超灵敏麦克风的用途。所述SAW RFID传感器包含在其上沉积多层异质结结构的压电衬底。所述异质结结构包括至少两层即缓冲层和阻挡层，其中两层均由III‑V单晶或多晶半导体材料诸如Ga N/Al Ga N生长。转换SAW的叉指换能器(IDT)安装在所述阻挡层的顶部。在两层构型情况下包括二维电子气(2DEG)或者在三层构型情况下包括二维空穴气(2DHG)的导电沟道形成在所述缓冲层与阻挡层之间的界面处，并且在连接到所形成的沟道的非欧姆(电容耦合)源极与漏极接触之间的系统中提供电子或空穴电流。

Description

用于材料和结构感测的表面声波RFID传感器
技术领域
一般来讲，本申请涉及基于表面声波(SAW)换能器的电子传感器领域。具体地讲，本申请涉及GaN/AlGaN SAW RFID传感器及其在材料和结构感测中的用途。
背景技术
表面声波(SAW)传感器在材料感测的许多领域和工业应用中发挥着重要作用。一般来讲，表面声波是沿着某种(压电)材料的表面传播的声波。其由叉指换能器(IDT)电极(或“指状物”)生成，叉指换能器电极是沉积在压电材料上的特殊周期性金属棒。当施加周期等于IDT电极的周期的任何正弦波时，在IDT电极下方发生机械振动，从而生成声波，该声波垂直于IDT棒的几何形状。该声波在压电材料的表面上沿两个方向远离IDT电极传播。
IDT生成的声波局限在表面区中，并且只穿透块体压电材料到达波长深度区。这就是SAW在表面具有非常高的能量密度的原因，也就有了“表面声波”的名称。SAW在压电材料中的传播速度比常规电磁波慢约105倍。因此，压电材料中的SAW波长比电磁波的波长小105倍，使得基于SAW的传感器是非常紧凑的装置。
SAW传感器的制造需要在压电材料上沉积或蚀刻金属IDT，并且其使用允许大规模制造的CMOS工艺技术。可影响压电材料表面状况的因素包括压力、温度、湿度和质量负载。因此，SAW传感器可以用作压力、温度、湿度传感器，以及能够检测表面质量变化或电场改变的传感器。MEMS-CMOS技术有助于SAW传感器及其数据处理电路的集成。专门设计的SAW传感器也可以在无源模式下使用，而不需要电池。可以将RFID天线添加到输入IDT电极，然后由天线接收的信号可以激励用于感测的SAW，如前所述。这些实际上是使用RFID标签的SAW传感器。超高灵敏度、紧凑的特性、易于制造和无线操作使得这些传感器对于材料感测非常有吸引力。
发明内容
本申请描述了基于二维电子气(2DEG)或二维空穴气(2DHG)导电结构和表面声波(SAW)换能器的组合的微电子传感器的实施方案。在一些实施方案中，该传感器可以包含可在其上沉积多层异质结结构的压电衬底。该异质结结构可包括至少两层即缓冲层和阻挡层，其中两层均由III-V单晶或多晶半导体材料生长。转换表面声波的叉指换能器(IDT)可以安装在阻挡层的顶部。
包括二维电子气(2DEG)或二维空穴气(2DHG)的导电沟道形成在缓冲层和阻挡层之间的界面处，并且可以在源极和漏极之间的系统中提供电子或空穴电流。在特定实施方案中，该异质结结构可以是三层结构，其由两个缓冲层和像夹层一样挤压在所述缓冲层之间的一个阻挡层组成。这可能导致在阻挡层上方的顶部缓冲层中形成二维空穴气(2DHG)，这导致结构的极性反转。任选的电介质层可以沉积在异质结结构的顶部上。由于顶层凹陷或生长到特定厚度，因此在源极和漏极区域之间形成2DEG/2DHG的开放栅极区域。
IDT可以由GaN/AlGaN半导体材料以及由将IDT转变成2DEG/2DHG导电结构的金属制成。在特定实施方案中，压电衬底可任选地置于GaN/AlGaN自支撑薄膜上，从而产生SAW-FBAR(薄膜体声波谐振器)构型，以实现超灵敏度。在另一个实施方案中，该传感器可以基于与被测试的结构材料牢固连接的常规硅压电衬底。在这种结构材料发生任何应力或机械变形的情况下，压电GaN/AlGaN叠堆也会受到应力或变形，从而改变SAW传播参数。这是因为SAW结构内的压电极化效应导致IDT接收器上的S21传递参数的变化。
源极和漏极非欧姆(即电容耦合)接触被连接到2DEG/2DHG沟道和电金属化层，后者置于传感器的顶部并将其连接到传感器的电路。由于源极和漏极接触是非欧姆的，因此不能执行DC读出。为了与下面的2DEG/2DHG沟道(在金属化层以下大约5至20nm处)电接触，必须使用AC频率模式。换句话讲，应该在这种特定情况下执行流过2DEG/2DHG沟道的电流的AC读出或阻抗测量。非欧姆金属接触与2DEG/2DHG沟道的电容耦合通常在高于30kHz的频率下感应。
在一些实施方案中，本申请的多层异质结衬底可以由任何可用的III-V单晶或多晶半导体材料生长，例如GaN/AlGaN、GaN/AlN、GaN/InN、GaN/InAlN、InN/InAlN、GaN/InAlGaN、GaAs/AlGaAs和LaAlO3/SrTiO3。在由GaN/AlGaN生长的衬底的特定情况下，通过实验并且令人惊讶地发现，当源极和漏极接触之间的开放栅极区域中的顶部凹陷层(GaN缓冲层或AlGaN阻挡层)的厚度为5至9nm，优选6至7nm，更优选6.2至6.4nm时，传感器达到最高灵敏度。该凹陷层厚度对应于2DEG/2DHG导电沟道的常开和常闭操作模式之间的伪导电电流范围。另外，源极和漏极接触之间的开放栅极区域内的顶部凹陷层的表面粗糙度为约0.2nm或更小的粗糙度，优选0.1nm或更小，更优选0.05nm。
此外，在一些实施方案中，本申请提供了基于GaN/AlGaN异质结构的零功率SAWRFID传感器，及其在材料和结构感测中的用途。在另一个实施方案中，传感器是零功率传感器，其通过RF能量远程供电并且经由正交频率编码(OFC)方法进行RFID编码。
各种实施方案可实现各种有益效果，并且可以与各种应用结合使用。在附图和以下描述中阐述了一个或多个实施方案的细节。所描述的技术的其他特征、目标和优点从具体实施方式和附图以及权利要求中将是显而易见的。
附图说明
通过以下结合附图的详细描述，将更全面地理解和认识所公开的实施方案。这里包括和描述的附图是示意性的，而不限制本公开的范围。还需注意，在附图中，一些元件的尺寸可能被夸大，并因此出于说明的目的，没有按比例绘制。尺寸和相对尺寸不一定对应于实施本公开的实际缩小尺寸。
图1示意性地示出了三种不同偏置条件下的量子阱：
图1a：正栅极电位(+VG)远高于阈值电压(VT)，
图1b：0V栅极电位，以及
图1c：负栅极电位(-VG)低于阈值电压(VT)。
图2示意性地示出了在GaN/AlGaN HEMT的2DEG沟道内部感应的源极-漏极电流(电荷载流子密度)对在开放栅极区域中凹陷的AlGaN阻挡层的厚度的依赖性。
图3示出了在导带中断处形成2DEG(电荷中性结合最低能级)背后的理论。
图4a示出了正常生长然后凹陷到6至7nm的22-nm AlGaN阻挡层的随时间变化的电阻曲线。
图4b示出了生长到6至7nm然后向下凹陷到5至6nm的超薄AlGaN阻挡层的随时间变化的电阻曲线。
图5a示意性地示出了Ga面三层AlGaN/GaN PC-HEMT结构中2DEG和2DHG导电沟道的形成。
图5b示意性地示出了N面三层AlGaN/GaN PC-HEMT结构中2DEG和2DHG导电沟道的形成。
图6示意性地示出了具有超薄Al(GaN)N层的N面三层AlGaN/GaN PC-HEMT结构中的2DEG导电沟道的形成，用于改善的限制。
图7a示意性地示出了基于输入叉指换能器(IDT)的SAW装置。
图7b示意性地示出了IDT及其特性参数：长度(L)、宽度(W)和声波波长(λ)。
图7c示出了作为IDT的数量和频率(f)的函数的SAW的带宽(B)，其中f0是中心频率。
图8示意性地示出了在GaN/AlGaN异质结构上具有2DEG IDT的实施方案的SAW RFID传感器。
图9a至图9c示意性地示出了具有自支撑薄膜的实施方案的传感器的基本拓扑，其中蓝线表示金属IDT结构，深绿色区域表示类PC-HEMT结构，并且黄色区域表示GaN/AlGaN层状衬底。
图10a至图10b示意性地示出了在衬底顶部上具有薄的谐振膜(示为橙色)的实施方案的2DEG-FBAR-SAW传感器构型的基本拓扑。
图11示出了使用具有两个对称IDT结构(指状物)的标准构型的基于2DEG的SAW谐振器的光刻布局掩模。
图12示出了经由剥离和/或离子铣削图案化技术制造的SAW谐振器的若干种不同IDT布局的SEM图像。
图13示出了图11至图12的所制造的SAW谐振器在具有未结构化2DEG(具有去除DIRE的Si衬底)的自支撑GaN/AlGaN薄膜上的显微镜图像。
图14示意性地示出了用实施方案的超灵敏麦克风无损检测管道内容物和监测结构管道材料健康的方法。
图15a示出了实施方案的超灵敏麦克风的显微镜图像。
图15b示意性地示出了包括SAW谐振器芯片和在芯片表面上生成SAW的曲折天线的实施方案的传感器。
图16示出了如图11中的SAW谐振器的显微镜图像，并且进一步突出显示了传感器的FBAR-SAW构型中的自支撑FBAR薄膜。
图17示意性地示出了具有远程读出的用于材料和结构感测的实施方案的零功率SAWRFID传感器。
图18示意性地示出了具有远程读出的用于材料和结构感测的实施方案的光电传感器。
图19示出了用实施方案的超灵敏麦克风测量的实验S21传递参数。
具体实施方式
在以下说明中，将描述本申请的各个方面。出于解释的目的，阐述了具体构型和细节，以便提供对本申请的充分理解。然而，对于本领域的技术人员来说显而易见的是，可以在没有本文提出的具体细节的情况下实践本申请。此外，可以省略或简化公知的特征，以免混淆本申请。
在权利要求中使用的术语“包括”是“开放式的”并且表示所列举的元件，或者它们在结构或功能上的等同物，以及未列举的任何其他元件。不应将其解释为限于随后所列的装置；不排除其他元件或步骤。应该被解释为如所涉及的那样指定所述特征、整体、步骤或部件的存在，但并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整体、步骤或部件，或者它们的组。因此，表述“包括x和z的装置”的范围不应限于仅由部件x和z组成的装置。另外，表述“包括步骤x和z的方法”的范围不应限于仅由这些步骤组成的方法。
除非特别说明，否则如本文所用，术语“约”应理解为在本领域的正常公差范围内，例如在平均值的两个标准偏差内。在一个实施方案中，术语“约”是指在使用该术语的数字的所报告数值的10％以内，优选在所报告数值的5％以内。例如，术语“约”可以立即理解为在所述值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％以内。在其他实施方案中，术语“约”可以表示更高的变异公差，具体取决于例如所用的实验技术。指定值的所述变异是本领域技术人员可理解的并且在本发明的范围内。作为例示，“约1至约5”的数值范围应被解释为不仅包括明确列举的约1至约5的值，而且还包括该指定范围内的各个值和子范围。因此，该数值范围包括各个值，诸如2、3和4；以及子范围，例如1-3、2-4和3-5；以及单独的1、2、3、4、5或6。同样的原理还适用于仅将一个数值列举为最小值或最大值的范围。除非从上下文另有说明，否则本文提供的所有数值均由术语“约”修饰。其他类似的术语诸如“基本上”、“大致”、“高达”等等应被视为对术语或值进行修饰，使其不是绝对的。此类术语将由环境和它们所修饰的术语来定义，因为本领域技术人员理解这些术语。这至少包括用于测量某个值的给定实验、技术或仪器的预期实验误差、技术误差和仪器误差的程度。
如本文所用，术语“和/或”包括一个或多个相关联的所列项目的任意和所有组合。除非另外定义，否则本文所用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。应当进一步理解，诸如在常用词典中定义的那些术语应被解释为具有与其在说明书的上下文和相关领域中的含义一致的含义，并且除非本文明确定义，否则不应以理想化或过于正式的含义解释。为简洁和/或清楚起见，可能未详细描述众所周知的功能或构造。
应当理解，当一个元件被称为“在...之上”、“附接到”、“连接到”、“耦合到”、“接触”等另一个元件时，它可以直接处于另一元件之上，附接到、连接到、耦合到或接触该另一元件，或者也可存在中间元件。相反，当一个元件被称为例如“直接在...上”、“直接附接到”、“直接连接到”、“直接耦合到”或“直接接触”另一个元件时，不存在中间元件。本领域的技术人员还应当理解，对与另一特征“相邻”设置的结构或特征的引用可具有与相邻特征重叠或位于相邻特征之下的部分。
极化掺杂的高电子迁移率晶体管(HEMT)是场效应晶体管(FET)，其中两层不同的带隙和极化场在彼此之上生长，从而形成异质结结构。在一个方面，本申请的传感器包含压电衬底，该压电衬底包括类HEMT多层异质结结构。该结构基本上基于至少两层III-V半导体材料诸如氮化镓(GaN)和氮化铝镓(AlGaN)。由于极化场的中断，在异质结结构的层之间的界面处产生表面电荷。如果感应的表面电荷为正，则电子将倾向于补偿导致沟道形成的感应电荷。由于沟道电子被限制在层间界面处的无限窄空间区域中的量子阱中，因此这些电子被称为二维电子气(2DEG)。量子阱中沟道电子的这种特殊限制实际上赋予了它们二维特征，这大大提高了它们的迁移率，超过了电子在其中流动的材料的块体迁移率。
图1a至图1c示意性地示出了在三种不同偏置条件下的量子阱，这些条件从比阈值电压(VT)高得多的正栅极电位(VG)开始，下降到0V栅极电位，并且进一步下降到低于阈值电压的负值。VT定义为在GaN层和AlGaN层之间的界面处填充电子所需的电压，从而产生2DEG沟道的导电性。由于2DEG沟道电子占据低于费米能级的能级，因此当VG>>VT时(图1a)，量子阱中的费米能级位于若干个能级之上。这使得沟道电子的数量很大，从而实现高导电率。在这种情况下，2DEG沟道导通。然而，当VG降低到0V时(图1b)，费米能级也相对于量子阱下降。因此，填充少得多的电子能级，并且2DEG沟道电子的量显著减少。当VG远小于VT时(图1c)，所有电子能级均高于费米能级，并且栅极下方没有2DEG电子。这种情况称为“沟道耗尽”，并且沟道关断。
许多基于III-V半导体材料层的可商购获得的HEMT具有负VT值，导致在0V栅极电位下的“常开”操作模式。它们被称为“耗尽型”半导体晶体管，并且当必须在栅极上施加负电压以阻断电流时，将其用于各种功率开关应用中。然而，要在高电压或高功率密度下安全操作，为了降低电路复杂性并消除待机功耗，优选具有“常闭”特性的晶体管。高电压和高开关速度允许制造更小、更高效的装置诸如家用电器、通信器材和汽车。为了控制2DEG沟道中电子的密度并接通和断开HEMT，通常调节晶体管栅极处的电压。
已经报道了几种制造常闭半导体结构的技术。Burnham等人(2010)提出了凹陷栅极型的常闭结构。在该结构中，蚀刻AlGaN阻挡层并使栅极更靠近AlGaN阻挡层和GaN缓冲层之间的界面。当栅极接近层之间的界面时，VT增加。因此，一旦耗尽区到达界面并且在零栅极电压下耗尽2DEG沟道，就实现2DEG导电沟道的常闭操作。这些结构的主要优点是相对较低的功耗、较低的噪声和较简单的驱动电路。它们目前用于例如微波和毫米波通信、成像和雷达。
Chang等人(2009)提出使用非常薄的AlGaN阻挡层代替蚀刻相对厚的阻挡层以接近AlGaN/GaN界面。该结构还通过朝向AlGaN/GaN界面接近栅极实现2DEG沟道的常闭操作。Chen等人(2010)提出使用氟基等离子体处理方法。尽管许多公布采用了各种方法来实现对漏极电流影响最小的常闭装置，但不幸的是，它们牺牲了装置的导通性能。
图2示出了源极-漏极电流(电荷载流子密度)对凹陷阻挡层厚度的依赖性。从图中可以看出，具有大于9nm的阻挡层厚度的结构形成常开2DEG沟道。在此类结构中，由于III-V材料中存在固有的极化效应，在阻挡层界面的顶部和底部感应电荷薄片。因此，在阻挡层中感应出高电场，并且顶部界面处的表面施主态开始贡献电子以在异质结界面附近形成2DEG沟道而不施加栅极偏置。因此，这些结构构成常开装置。另一方面，具有低于约5nm的阻挡层厚度的结构构成常闭装置。
本申请描述了基于二维电子气(2DEG)或二维空穴气(2DHG)结构和表面声波(SAW)换能器的组合的微电子传感器或传感器芯片的实施方案。在一些实施方案中，传感器可包含可在其上沉积多层异质结结构的压电衬底。该异质结结构可包括至少两层即缓冲层和阻挡层，其中两层均由上述III-V单晶或多晶半导体材料生长。转换表面声波的叉指换能器(IDT)可以安装在阻挡层的顶部。在一些实施方案中，本申请的多层异质结结构可以由任何可用的III-V单晶或多晶半导体材料生长，诸如GaN/AlGaN、GaN/AlN、GaN/InN、GaN/InAlN、InN/InAlN、GaN/InAlGaN、GaAs/AlGaAs和LaAlO3/SrTiO3。在由GaN/AlGaN生长的衬底的特定情况下，通过实验发现，当源极和漏极接触之间的开放栅极区域中的顶部凹陷层(GaN缓冲层或AlGaN阻挡层)的厚度为5至9nm，优选6至7nm，更优选6.2至6.4nm时，传感器达到最高灵敏度。另外，还发现当顶部凹陷层的表面粗糙度为约0.2nm或更小，优选0.1nm或更小，更优选0.05nm时，传感器表现出最高灵敏度。
因此，必须优化在开放栅极区域中凹陷或生长到5至9nm的顶层，以显著增强传感器的灵敏度。令人惊讶地发现，阻挡层的该特定厚度对应于2DEG沟道的常开和常闭操作模式之间的“伪导电”电流范围，并且需要进一步说明。
2DEG沟道的“伪接触”(区别于常通)电流范围被定义为沟道在其常开和常闭操作模式之间的操作范围。“陷阱状态”是半导体的带隙中的状态，其陷阱载流子直到其重新结合。“表面状态”是由于由一些晶体缺陷、位错或杂质的存在引起的表面张力而由局部晶体的表面重建引起的状态。这种表面重建通常产生对应于表面复合速度的“表面陷阱状态”。表面陷阱状态的分类取决于其能级在带隙内部的相对位置。具有高于费米能级的能量的表面陷阱状态是类受主的，在被占用时获得负电荷。然而，具有低于费米能级的能量的表面陷阱状态是类施主的，当为空时带正电并且当被占用时不带电荷。这些类施主的表面陷阱状态被认为是形成2DEG沟道的电子源。它们可能在带隙内具有广泛的电离能量分布，并且是由表面层中的氧化还原反应、悬空键和空位引起的。在2DEG沟道密度和电离表面施主的数量之间总是存在平衡，其由电荷中性和界面处电场的连续性控制。
因此，阻挡层表面上的类施主的表面陷阱是沟道中2DEG的最重要来源之一。然而，这仅适用于特定的阻挡层厚度。在相对薄的阻挡层中，表面陷阱状态低于费米能级。然而，随着阻挡层厚度增加，表面陷阱状态的能量接近费米能量，直到与其重合。对应于这种情况的阻挡层的厚度被定义为“临界”厚度。此时，填充表面陷阱状态的电子被势垒中发现的强极化感应电场拉向沟道，立即形成2DEG。
如果表面陷阱状态完全耗尽，则阻挡层厚度的进一步增加将不会增加2DEG密度。实际上，如果2DEG沟道层不能拉伸阻挡层，则后者将简单地松弛。在阻挡层松弛时，在缓冲层和阻挡层之间的界面处产生许多晶体缺陷，并且压电极化立即消失，导致2DEG密度的劣化。
为了说明伪导电电流的上述现象，现在参考图2和图3。如上所述，图2示出了源极-漏极电流(电荷载流子密度)对凹陷AlGaN阻挡层厚度的依赖性。施主表面陷阱状态和AlGaN隧道势垒之间的能量平衡导致导带中断处的2DEG形成(电荷中性结合最低能级)。如上所述，阻挡层厚度的减小导致能量势垒的增加。因此，负责电子从表面隧穿到2DEG的可电离类施主表面陷阱状态漂移到费米能级以下，从而最小化向2DEG沟道的电子供给。这种理论情况在图3中进一步示出。因此，AlGaN层从9nm到5nm的凹陷导致二维电子气的电导率大幅下降6个数量级。
因此，基于使阻挡层凹陷的2DEG耗尽机制强烈地依赖于类施主表面陷阱状态(或总表面电荷)。随着阻挡层的厚度减小，需要较少的额外外部电荷施加到阻挡层表面以耗尽2DEG沟道。当2DEG沟道大部分耗尽但由于能量势垒和施主表面陷阱状态能量的结合仍具有高导电性时，存在临界(最小)势垒厚度。在该临界厚度，即使是表面上经由任何外部影响(例如沿表面传播的声波)的最小能量偏移，也会立即导致非常强的2DEG耗尽。因此，在该临界厚度处的阻挡层表面对周围环境的电场的任何最小变化极其敏感。
因此，阻挡层从9nm到5nm的凹陷显著降低了2DEG密度，使传感器达到“接近阈值”操作并导致高度增加的表面电荷灵敏度。导致2DEG沟道伪导电行为的阻挡层的特定5至9nm厚度赋予传感器极佳的灵敏度。
另外，具有22nm生长的AlGaN层、经受短等离子体活化(60s)并且凹陷到6至7nm的异质结结构与具有凹陷到5至6nm并用等离子体蚀刻450s的AlGaN阻挡层的超薄生长的6至7nm异质结结构进行比较。在第一种情况下，AlGaN阻挡层最初没有凹陷，而是2到3nm SiN层(称为“GaN盖层”)破裂并且表面状态电离。第二种情况的AlGaN阻挡层向下凹陷至6.3nm并用等离子体蚀刻450s。如图4a和图4b所示，发现两种结构之间的灵敏度差异几乎是103倍，有利于凹陷结构。
除了凹陷或生长的顶部阻挡层厚度之外，阻挡层表面的粗糙度是另一个之前未公开的非常重要的参数。已经令人惊讶地发现，低于0.2nm的AlGaN阻挡层表面粗糙度防止类施主表面陷阱状态的分散。因此，这两个特征的结合：AlGaN阻挡层的5至9nm厚度及其表面粗糙度的显著降低使得传感器非常敏感。
在另外的方面，异质结结构可以是三层结构，其由两个缓冲层和像夹层一样挤压在所述缓冲层之间的一个阻挡层组成，其中顶层是缓冲层。这可能导致在阻挡层上方的顶部缓冲层中形成二维空穴气(2DHG)，与上面讨论的两层结构相比，这导致晶体管的极性反转。
一般来讲，III-V族氮化物半导体材料的极性强烈地影响基于这些半导体的晶体管的性能。纤锌矿GaN材料的质量可以根据其极性而变化，因为杂质的掺入和缺陷的形成两者都与生长机制有关，而生长机制又取决于表面极性。2DEG/2DHG的出现和氮化物基材料的异质结结构的光学性质受到由自发和压电极化引起的内部场效应的影响。所有III-V族氮化物材料中的装置都在极性{0001}表面上制造。因此，它们的特性取决于GaN层呈现Ga面正极性还是N面负极性。换句话讲，由于纤锌矿GaN材料极性，任何GaN层具有两个具有不同极性的表面，Ga极性表面和N极性表面。Ga极性表面在本文中定义为终止于Ga原子层的表面，每个Ga原子层具有垂直于该表面的一个未占据的键。每个表面Ga原子在远离表面的方向上与三个N原子键合。相反，N极性表面定义为终止于N原子层的表面，每个N原子层具有垂直于该表面的一个未占据的键。每个表面N原子在远离表面的方向上与三个Ga原子键合。因此，N面极性结构具有与Ga面极性结构相反的极性。
如上所述，对于两层异质结结构，阻挡层总是位于缓冲层的顶部。因此凹陷的层是阻挡层，具体地讲是AlGaN层。因此，由于2DEG用作导电沟道并且该导电沟道位于阻挡层的稍下方(在GaN缓冲层的较厚区域中)，因此异质结结构沿{0001}方向生长，或者换句话讲，具有Ga面极性。然而，如上所述，导致形成2DEG的物理机制是AlGaN/GaN界面处的极化中断，这由极化诱导的固定界面电荷的形成所反映，该电荷吸引自由载流子以形成二维载流子气。正是AlGaN/GaN界面处的正极化电荷吸引电子以在该界面稍下方的GaN层中形成2DEG。
如上所述，界面电荷的极性取决于异质结结构的晶格取向，即Ga面对N面极性，以及异质结结构中相应AlGaN/GaN界面的位置(界面上方或下方)。因此，在实施方案的异质结结构中可以存在不同类型的累积载流子。
在三层异质结结构的情况下，存在四种可能的构型：
Ga面极性
1)Ga面极性的特征在于在AlGaN阻挡层下方的GaN层中形成2DEG。这实际上是与上述相同的两层构型，但添加了顶部GaN层。在该构型中，AlGaN阻挡层和两个GaN缓冲层必须是名义上未掺杂或n型掺杂的。
2)在图5a所示的另一种Ga面构型中，为了在该构型中的AlGaN阻挡层上方的顶部GaN层中形成包括二维空穴气(2DHG)的导电沟道，AlGaN阻挡层应该是p型掺杂的(例如，以Mg或Be作为受主)，并且GaN缓冲层也应该是掺杂有Mg、Be的p型掺杂的或本征的。
N面极性
3)N面极性的特征在于在AlGaN阻挡层上方的顶部GaN层中形成2DEG，如图5b所示。在这种情况下，AlGaN阻挡层和两个GaN缓冲层必须是名义上未掺杂或n型掺杂的。
4)最后的构型假设2DHG导电沟道形成在AlGaN阻挡层下方的缓冲GaN层中。在这种情况下，顶部GaN层可以存在(三层结构)或不存在(两层结构)。AlGaN阻挡层必须是p型掺杂的(例如，Mg或Be作为受主)，并且底部GaN层也应该是掺杂有Mg、Be的p型掺杂的或本征的。
因此，基于以上构型，在实施方案的晶体管中实现了四个异质结三层结构：
A.Ga面GaN/AlGaN/GaN异质结构，其中在AlGaN阻挡层下方的GaN缓冲层中形成2DEG。在这种情况下，可以省略顶部GaN层以获得两层结构。对于三层结构，顶部GaN层必须在开放栅极区域中凹陷至1至9nm厚度或者以这种低厚度生长，粗糙度低于0.2nm，并且可以在生成期间适当地调节AlGaN势垒的厚度。
B.Ga面GaN/AlGaN/GaN异质结构，其中在AlGaN阻挡层上方的顶部GaN层中形成2DHG导电沟道。顶部GaN层必须在开放栅极区域中凹陷至5至9nm厚度，粗糙度低于0.2nm，并且可以适当地调节AlGaN阻挡层的厚度。必须调节GaN层和AlGaN势垒的P型掺杂浓度；必须接触2DHG(在理想情况下通过欧姆接触)。
C.N面GaN/AlGaN/GaN异质结构，其中在AlGaN阻挡层上方的顶部GaN层中具有2DEG。顶部GaN层必须在开放栅极区域中凹陷至5至9nm厚度，粗糙度低于0.2nm。可以在生长期间调节AlGaN势垒的厚度。必须调节GaN缓冲层和AlGaN阻挡层的N型掺杂水平；必须接触2DEG(在理想情况下通过欧姆接触)。
D.N面GaN/AlGaN/GaN异质结构，其中在AlGaN阻挡层下方的GaN缓冲层中具有2DHG。在这种情况下，可以省略顶部GaN层以获得两层结构。在两层和三层构型两者中，顶部GaN层必须在开放栅极区域中凹陷至1至9nm厚度，粗糙度低于0.2nm，并且可以适当地调节AlGaN势垒的厚度。
在所有上述结构中，在顶部沉积电介质层对于获得更好的限制可能是有益的或者甚至是必要的(如在N面结构的情况下)。如图6所示，对于上述“C”结构，在2DEG沟道顶部包括具有高Al含量的超薄(约1nm)AlN或AlGaN阻挡层以改善限制甚至更有利。
实施方案的优选结构是结构“B”和“C”。在结构“B”中，2DHG导电沟道形成在顶部GaN层中，该层具有比AlGaN层更高的化学稳定性(特别是朝向表面氧化)。关于结构“C”，2DEG导电沟道可能更接近表面。因此，电子迁移率可能低于具有Ga面极性的2DEG结构。一般来讲，可以通过选择衬底(例如，C面SiC)或生长条件调节异质结构的极性。
本申请的传感器的另一个重要特征是异质结结构与2DEG或2DHG沟道的电连接是通过肖特基势垒接触经由与电金属化层的电容耦合实现的。“电容耦合”被定义为通过由电路/节点之间的现有电场感应的位移电流在同一电路内或不同电路之间的能量传递。一般来讲，欧姆接触是遵循欧姆定律的接触，表示流经它们的电流与电压成正比。然而，非欧姆接触不遵循欧姆定律的相同线性关系。换句话讲，通过非欧姆接触的电流与电压不成线性比例。相反，其给出了具有增加梯度的陡峭曲线，因为在这种情况下，电阻随着电流的增加而增加，从而导致非欧姆接触两端的电压增加。这是因为电子携带更多能量，当它们与导电沟道中的原子碰撞时，它们传递更多能量，从而产生新的高能振动状态，从而增加电阻和温度。
当电金属化层置于单晶或多晶半导体材料上时，发生金属与半导体之间的“肖特基接触”或“肖特基势垒接触”。肖特基-莫特定律涵盖了这种接触的能量，该定律预测金属和半导体之间的能量势垒与金属-真空功函数和半导体-真空电子亲和势之差成正比。然而，这是一种理想的理论行为，而实际上金属和半导体之间的大多数界面只在一定程度上遵循这一定律。由金属突然打断的半导体晶体的边界在其带隙内产生新的电子态。这些由金属诱导的新电子态及其占据将带隙的中心推向费米能级。由于金属-半导体接触而将带隙中心移动到费米能级的这种现象被定义为“费米能级钉扎”，这在不同半导体之间是不同的。如果费米能级在能量上远离能带边缘，则优选形成肖特基接触。然而，如果费米能级接近能带边缘，则优选形成欧姆接触。肖特基势垒接触是整流非欧姆接触，其实际上几乎与半导体或金属功函数无关。
因此，非欧姆接触允许电流仅在一个方向上流动，具有看起来像二极管的非线性电流-电压曲线。相反，欧姆接触允许电流在正常装置操作范围内沿两个方向大致相等地流动，具有接近电阻器的几乎线性的电流-电压关系(因此称为“欧姆”)。
由于源极和漏极接触是非欧姆的(即电容耦合的)，因此不能执行DC读出。为与下面的2DEG/2DHG沟道(在金属化层以下大约5至20nm处)电接触，必须使用AC频率模式。换句话讲，应该在这种特定情况下执行流过2DEG/2DHG沟道的电流的AC读出或阻抗测量。只有当高于30kHz的足够高的AC频率施加到金属化层时，非欧姆金属接触与2DEG/2DHG沟道的电容耦合才变得可能。综上所述，电容耦合到2DEG/2DHG沟道的电金属化层利用了通过位移电流进行能量传递的已知现象。如上所述，这些位移电流是由电金属化层和以AC频率模式操作的2DEG/2DHG导电沟道之间的现有电场通过肖特基接触感应的。
表面声波(SAW)谐振器是基于表面声波调制的一类MEMS。SAW谐振器的检测机制利用了由于传播路径特性的变化而引起的沿衬底传播的SAW的振幅、速度或相位的变化。一般来讲，SAW的能量通常集中在厚度小于其波长的1.5倍的表面区域。因此，SAW谐振器对其环境极其敏感。
基于叉指换能器(IDT)的SAW传感器的原理如图7a至图7c所示。其依赖于两个IDT——一个用于发射，另一个用于检测从压电衬底的一端传播到另一端的波。在GaN/AlGaN衬底上制造的一对IDT用作信号的输入和输出端口。SAW传感器的制造包括材料选择、图案化、切割、表面功能化和最终封装。SAW传感器由压电材料制成，通常为石英。每个IDT由多对光刻图案化限定的指状物构成，其中每个指状物只有几微米宽。
SAW对微小的质量变化非常敏感，并且能够检测少至100pg/cm2的分析物，这对应于小于0.01单层碳的灵敏度。声波的速度和衰减是由SAW装置中表面质量的变化引起的。同时测量这两个性质有助于确定传感器响应的性质和原因。一般来讲，SAW传感器是通过选择所需的操作频率和带宽设计的。
SAW可以表示为复值γ＝α+iβ，其中给定或计算的衰减常数α和传播常数β＝2π/λ是SAW传感器的重要设计参数(λ是声波长)。另一个重要的设计参数是机电耦合系数K2，其是将所施加的微波信号转换成机械能的效率的量度。这些参数将确定观察到的SAW相速度变化的幅度和SAW强度的衰减。
如图7b至图7c所示，可以通过适当选择叉指指状物间隔d选择SAW传感器的操作频率f0，使得f0＝v/d，其中v是特定衬底中的波传播速度。因此，设计的SAW传感器的尺寸取决于所选择的操作频率，该尺寸可以从1至10GHz的微米变化到kHz至MHz操作的毫米。在GHz范围操作的SAW传感器可以很容易地设计，并且可以与RF、各种MMIC以及微带电路轻松集成，用于低功率无线遥感。声波的带宽由B＝v/2Nd给出，其中N是叉指指状物的数量，如图7b中所示。
上述基于GaN/AlGaN的衬底几乎是SAW传感器的理想材料，因为它们具有约4000m/s的高SAW传播速度、高机电耦合系数及其与RF电子集成的兼容性。这些材料还表现出优异的耐湿性和耐化学蚀刻性。上述GaN/AlGaN异质结构表现出很强的压电效应，并且利用质量累积对SAW传播的影响，已用于制造超灵敏SAW微量天平。GaN/AlGaN衬底的高机电耦合系数(K2 eff＝0.001-0.002)结合低声学损耗和SAW高速，使其能够用于高频和各种低损耗RF应用。因此，可以设计在高至10GHz范围操作的基于GaN/AlGaN的SAW谐振器并将其集成到任何无线遥感应用中。
因此，使用GaN/AlGaN异质结构作为SAW传感器的压电衬底将导致检测极限的显著提高和高选择性。如上所述，这是2DEG/2DHG对任何近侧表面电荷的灵敏度和高质量灵敏度的结果。因此，GaN/AlGaN异质结构和肖特基二极管可以与SAW传感器集成，以创建具有低声学损耗、低损耗RF性能和高频率的相当独特的谐振SAW调谐装置。GaN/AlGaN结构中和SAW传播路径中的2DEG/2DHG与横向电场相互作用，导致欧姆损耗，这衰减和减慢SAW。该机制可用于调节SAW传播速度。
然而，为了将2DEG/2DHG与SAW相结合以获得最大传感效果，必须考虑一些物理方面。2DEG/2DHG与SAW的实际功能组合要求完全或部分去除、耗尽或适当图案化声波传播区域中量子阱沟道中的2DEG/2DHG。导电2DEG/2DHG沟道中的高电荷电导率可以屏蔽电场并且降低IDT中的声电转换。
金属IDT引入固有的质量负载效应和三次行程干扰(TTI)，降低了信噪比。在传统SAW传感器中，金属IDT下方的平均SAW传播速度将从自由表面值降低，并且由于金属IDT的信号反射，将导致其中心频率降低，并且带通上的振幅和相位波动增大。
可以通过使用基于类PC-HEMT结构的IDT指状物克服上述问题，同时还增加传感器灵敏度。在这种情况下，具有平面2DEG/2DHG IDT的SAW装置的RF特性几乎等于使用具有肖特基接触的金属IDT的那些。此外，当使用基于2DEG/2DHG的换能器而非金属IDT时，抑制了所得的质量负载效应和TTI。另外，SAW传感器或谐振器的检测区域可以恰好位于平面2DEG/2DHGIDT的顶部，而不是位于IDT之间的单独SAW传播区域中。图8示意性地示出了在GaN/AlGaN异质结构的顶部上具有这种2DEG/2DHG IDT的传感器。
一般来讲，当金属IDT置于半导体材料上时，如上所述(关于非欧姆接触)，在金属和半导体之间形成肖特基接触。考虑到基于2DEG/2DHG的SAW装置中的电荷灵敏度机制，可以添加在谐振中心频率或在其他谐振模式下操作的其他电荷敏感的2DEG/2DHG区域。这些附加的图案化2DEG/2DHG区域将通过其电荷选通进一步增强主SAW传感器中的谐振变化。通过研究不同谐振模式的不同信号形状，可以引入选择性感测。
除了电荷敏感的2DEG/2DHG IDT之外，其他基于2DEG/2DHG导电沟道的功能性元件诸如2DEG/2DHG肖特基二极管和2DEG/2DHG平面非对称二极管、纳米线和高电子迁移率晶体管可以置于以谐振滤波器模式操作的输入和输出IDT之间并与其相连，如图8所示。这种功能性元件的电特性由于声电转换而被调制，声电转换是时间相关的(与IDT同步)。这导致SAW谐振的最小电损耗和指定的信号形状。通过静电场选通例如通过在表面上发生的氧化还原过程，该谐振SAW滤波器模式容易受到影响(频率、振幅)。
因此，由于其压电性质，GaN/AlGaN异质结结构可用作自支撑GaN/AlGaN薄膜上的SAW传感器。众所周知，SAW传感器对发射器和接收器指状电极或IDT之间的SAW传播路径中的表面电荷非常敏感。另外，SAW传感器在谐振频率下具有非常高的Q因子。此外，SAW传感器可以容易地由具有对应频率的RF场供电，该RF场具有基于曲折结构的天线。SAW传感器通过使用正交频率编码提供固有RFID集成。另一方面，基于2DEG/2DHG的传感器通过2DEG/2DHG密度电荷响应性增加短暂近场声电效应，然后急剧增加对近侧电荷的灵敏度。
图9a和图9b示意性地示出了一个实施方案的传感器的功能基本拓扑。2DEG/2DHG-SAW传感器拓扑的目的是在不牺牲传感器稳定性的情况下实现SAW换能器S21传递参数的最大可能效果。图9a和图9b中的蓝线(100)被分配给金属IDT结构，深绿色带(102)代表类PC-HEMT结构，其实际上是凹陷至5至9nm厚度以实现伪导电效果的2DEG/2DG结构，并且黄色区域(103)示出了任选地在自支撑薄膜(101)上生长的GaN/AlGaN压电衬底。
因此，在一个方面，本申请的SAW RFID传感器芯片包括：
任选地在自支撑薄膜(101)上生长的压电衬底(103)，所述衬底包括压电层以及多层异质结结构，所述结构由III-V单晶或多晶半导体材料制成，沉积在所述压电层上并且包括至少一个缓冲层和至少一个阻挡层，所述层交替堆叠；
至少一对安装在所述压电衬底(103)上的金属叉指换能器(IDT)(100)，用于接收射频(RF)输入信号，将所述输入信号转换成表面声波(SAW)，沿着所述压电衬底(103)的表面传播所述表面声波并将所述传播的表面声波转换成输出RF信号；
沉积在所述压电衬底(103)上的至少一个类PC-HEMT状结构(102)，用于在所述缓冲层和所述阻挡层之间的界面处的所述异质结结构中形成伪导电2DEG或2DHG沟道；以及
电容耦合到所述IDT(100)并且耦合到所述类PC-HEMT结构(102)的电金属化层(图中未示出)，用于感应位移电流，从而产生非欧姆源极和漏极接触，用于将所述传感器芯片连接到电路。
将这种构型与自支撑薄膜一起使用使得有可能通过增加机械应力(质量负载效应)作为传感器的附加参数从而增加传感器的选择性。在传感器的所有构型中，非常柔性的类自支撑衬底柱薄膜(101)可由与压电衬底层(103)相同的材料制成。在特定实施方案中，自支撑薄膜(101)例如由蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓或氮化铝优选氮化镓(GaN)生长，具有0.5至2μm的厚度。例如，自支撑衬底薄膜对多层异质结结构表面上的任何拉伸/压缩/机械应力变化表现出高灵敏度。这导致质量负载效应，这将在下面讨论。
一般来讲，与压力传感器非常相似，机械传感器基于异质结构中外部引起的应变的测量。第III族氮化物诸如氮化镓(GaN)的热电性质允许两种应变转换机制：压电式和压阻式。直接压电效应用于动态压力感测。对于静压的测量，由于在恒定条件下的一些电荷泄漏，此类传感器不合适。对于静态操作，更优选压阻式转换。
使用宽带隙材料的压阻式传感器先前已经使用六方碳化硅块体材料用于高温操作。GaN和AlGaN结构的压阻率与碳化硅相当。然而，压阻率可以通过任何HEMT结构进一步放大，如Eickhoff等人(2001)在“Piezoresistivity of AlxGa1-xN layers and AlxGa1-xN/GaN heterostructures”(AlxGa1-xN层和AlxGa1-xN/GaN异质结构的压阻率)，Journal ofApplied Physics(应用物理学杂志)，2001，90(7)，3383-3386中教导的那样。对于在相对较低的压力(或压力差)下的压阻式应变感测，应使用隔膜或薄膜，其中外部压力转移到由弯曲引起的变化的内部应变中，如图9c所示。由此产生的极化变化改变了测量的2DEG/2DHG沟道电流。
Eickhoff等人(2001)对其中2DEG沟道限制在上部GaN和AlGaN阻挡层之间的AlGaN/GaN异质结构进行了首次实验，并且证明了2DEG沟道电阻率与所施加的应变的线性相关性。此外，与立方SiC和单个AlGaN层的直接比较清楚地证明了后者的优越的压阻性质。从这些结果可以清楚地看出，压电和压阻性质的相互作用通过使用由2DEG沟道限制的GaN/AlGaN异质结构改善了压力传感器的灵敏度。
图9a和图9b中示意性地示出的传感器构型包括压电耦合的、电荷和质量敏感的自支撑GaN薄膜，其例如根据美国专利No.8,313,968制备，并且提供了一种同时实现缩减和集成全电低功率感测致动的简洁和有效的解决方案。如上所述，GaN表现出可在功能上组合的压电和热电性质两者。由于压电性能够实现集成耦合机制，2DEG/2DHG另外提供对机械应力和电荷的显著灵敏度，这允许传感器使用热电效应。2DEG/2DHG电导率的动态变化也是由压电极化的变化引起的。
图10a和图10b示出了另一种构型，其非常类似于上面讨论的图9a至图9b所示的构型。然而，这里谐振压电超薄膜(104)被引入到衬底(103)的顶部上。通过将压电超薄膜(104)置于两个电极之间并施加高频信号来生成在压电超薄膜内部传播的体波。根据超薄膜的厚度，波在特定频率下谐振。这种谐振器被称为薄膜体声波谐振器(FBAR)，并且其在实施方案的传感器中与类PC-HEMT结构(102)组合以实现最大灵敏度。FBAR传统上使用氮化铝(AlN)作为其压电材料，然而其他III族氮化物也是可能的替代材料。
一般来讲，通过以下方式制造FBAR的结构：从衬底背侧用称为“深RIE”的干蚀刻机形成空腔；或者使用牺牲层，在下电极、压电薄膜和上电极下方形成牺牲层，然后去除该层以在下电极下形成空间。
图10b所示的下侧和上侧电极被设计成具有约4000m/s声波速度的所谓“漏波”。“漏波”可以定义为传播波，其将大部分能量集中在靠近衬底表面的位置，但是在传播时有一些体波辐射到衬底中。用于形成漏波的压电衬底通常由具有X、Y和Z轴和切割平面的LiTaO3单晶制成。晶体的X轴在SAW传播的方向上取向，而晶体的切割平面围绕X轴以相对于Y轴朝向Z轴的特定旋转角度旋转。该角度通常在40°和42°之间。这就是衬底在商业上被命名为“42°Y-X LiTaO3”的原因。IDT(100)形成在衬底上并且在SAW传播方向上对齐成行，如图10a所示。
每个IDT具有一对彼此相对的初级电极指状物(在图10和图11中示出为蓝色)和次级电极指状物(在图9中示出为青色)，并且包括至少一个前换能器、一个中间换能器和一个后换能器，它们在SAW传播方向上对齐成行，如图10a所示(蓝线对)。
图11示出了使用具有两个对称IDT结构(指状物)的标准构型的基于2DEG的SAW谐振器的光刻布局掩模。IDT指状物优选地由Cr10/60Au金属合金制成，并且具有200、300、400、500或700nm的优选宽度。它们在一个电子束步骤中制造，作为剥离双层抗蚀剂系统叠堆或负性抗蚀剂和离子铣削。在这种情况下不对2DEG/2DHG进行结构化并且其与周围介质相互作用。中间的较暗(蓝色)区域表示自支撑区域(601)上的初级IDT指状物，其中将通过深反应离子蚀刻(DRIE)工艺去除(硅)衬底，如上所述。
图12示出了图9至图11所示实施方案的SAW谐振器的SEM图像。该SAW谐振器经由剥离/或离子铣削图案化技术制造。图13示出了这些SAW谐振器在自支撑GaN/AlGaN薄膜上的显微镜图像，该薄膜具有经由DIRE工艺去除硅衬底的未结构化的2DEG/2DHG区域。这里示出的SAW IDT具有范围从200nm到700nm的不同IDT周期，并因此反射光的方式不同。一般来讲，漏波由于其相对较大的机电耦合系数而经常用于这些类型的衬底中，这使得它们能够形成发射和接收移动装置信号所需的相对较宽的通带。例如，在具有2GHz工作频率的本SAW谐振器中，波长λ由λ×2×109＝4000m/s计算得出，得到λ＝2μm。该计算波长应等于用于激励的电极间距的两倍，并且假设电极之间的间隔与电极宽度相同，电极宽度估计为0.5μm。如图12所示，电极之间的实际间隔约为0.7μm。
因此，IDT结构(100)接收约0.5至2.5GHz的RF信号，并且表现出压电效应，从而在谐振器的表面上产生声波。这些表面声波沿着衬底传播，具有来自输入和输出IDT两者的相长干涉。如图9至图10中所示，类PC-HEMT结构(深橙色区域)(102)被放置在SAW双向传播路径中并且还以这样的方式图案化，使得电短接运行SAW产生的正负电荷，从而显著改变或最小化经由直接压电效应在两个IDT上接收的信号振幅。SAW本身由连接到两个IDT(100)的零功率曲折天线(这里未示出)生成。
在如图9至图10所示的实施方案的上述传感器构型中，压电衬底(103)包括用于形成阻挡层的合适材料，并且例如由蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓或氮化铝构成。由GaN/AlGaN制成的异质结结构例如通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)的方法沉积在该压电衬底层上。类PC-HEMT结构(102)紧邻GaN缓冲层和AlGaN阻挡层之间的界面形成。可以通过在可控工艺中以每1至2分钟1nm的蚀刻速率干蚀刻层(即开放栅极区域中的凹陷层)的半导体材料，或者通过用超薄AlGaN半导体材料层涂覆AlGaN缓冲层，从而实现AlGaN阻挡层的5至9nm特定厚度。为了增加传感器的电荷灵敏度，凹陷的超薄AlGaN层的表面用等离子体(氯化物)外延蚀刻工艺进行后处理。因此，通过等离子体蚀刻激活自然钝化的表面，以产生未补偿的(即电离的)表面能键或状态，其在MOCVD生长后被中和。
然后，阻挡层可以凹陷或生长为薄层，以获得伪导电2DEG/2DHG沟道，其形成在缓冲GaN层和阻挡AlGaN层之间的界面处，如上面详细描述的。凹陷的GaN/AlGaN结构实际上是类PC-HEMT结构(由于其特定的厚度)，从而导致2DEG/2DHG沟道中的伪导电电流。如上所述，在缓冲GaN层和阻挡AlGaN层之间的界面处形成的该沟道用作传感器对表面电荷和电势起反应的主要敏感元件。所形成的2DEG/2DHG沟道被构造成与表面或近侧电荷的非常小的改变或电场变化相互作用，其中所述变化是由于传播的表面声波产生压电效应造成的，并且因此与AlGaN阻挡层的类施主表面陷阱状态相互作用。
图14示意性地示出了使用实施方案的超灵敏麦克风(200)或麦克风阵列无损检测管道内容物(例如，石油、天然气或沙子)和监测结构管道材料健康的方法。麦克风(200)实际上是实施方案的2DEG-FBAR-SAW传感器(在布局上放大)。该方法包括以下步骤：
1)将超声发射器致动器(201)直接放置在管道上；
2)将麦克风(200)放置在超声发射器致动器(201)周围的圆圈中或沿管道横向移位(如图14中所示)；并且
3)利用单个麦克风(200)或利用麦克风阵列检测或监测反射的超声波前沿(202)(如图14中)。
麦克风阵列创建了无源相控阵构型，允许对管道中的化学成分进行更加精确和选择性的检测。图15a示出了由本发明人构建的本申请的超灵敏麦克风的显微镜图像显示。其实际上是如上所述的SAW谐振器芯片，结合了类PC-HEMT结构以增加传感器的灵敏度。SAW本身是由图15b中所示的零功率曲折天线生成的。具有曲折天线的传感器具有5至30mm(长度)×1至5mm(宽度)的尺寸，而SAW谐振器芯片为约2mm2。SAW谐振器芯片与待感测的材料诸如管道的外壁直接机械接触。管道内容物(通常为水、石油、沙子或天然气)的检测和监测基于在壁和内容物之间的界面处从金属壁或管道内容物反射的超声波前沿。
由于非常高的初始超声波耦合和多次次级超声波反射损耗，所反射的超声信号的振幅非常低。一般来讲，在管壁和管道内容物之间的界面处反射的超声波前沿的振幅、形状、相位和多普勒频移主要取决于管道内的内容物流的密度、压力、组成和速度。本申请的单个麦克风对与高热电GaN/AlGaN异质结相互作用的超声波能量极其敏感。只有在该麦克风的谐振频率下才能达到麦克风的最高灵敏度。谐振频率越高，检测限越低并且灵敏度越高。为了实现谐振频率，本发明人提出在自支撑GaN/AlGaN薄膜上使用混合FBAR-SAW，该自支撑薄膜如上所述转换SAW波并且与非自支撑结构相比具有高振幅的第一谐波谐振频率。发明人设计和构建的图13的这些新的原型FBAR-SAW谐振器在图16中示出，同时示出了基于放置成与被感测管道接触的自支撑薄膜的FBAR-SAW谐振器的示意图。
图14所示的每个超灵敏麦克风(200)可以是RFID编码的，具有零功率NFC能力，并且还配备有双向接收器-发射器天线结构。还可以将所有麦克风耦合到单个曲折天线，并且通过算法从各个麦克风中分离出通过正交频率编码(OFC)的混合RFID图案化信号，这将在其他地方公开。这将允许在没有电池和电缆连接的情况下构建零功率SAW传感器阵列，从而大大降低传感器成本。每个SAW麦克风可以进一步进行相位控制，并且可以检测SAW的最小相位变化。通过以相控阵构型操作传感器，可以测量例如流量、液体层流和气体分数。
图17示意性地示出了具有远程读出的用于材料和结构感测的实施方案的超灵敏麦克风，其包括以下部件：
经由触点(123)连接到电路(122)的本申请的SAW传感器芯片(120)；
一个或两个输出-输入SAW-RFID零功率分形天线(130)，每个经由电路(122)连接到所述触点(123)，用于接收或发射信号；
延迟线SAW换能器(118)产生的输出-输入分离；
集成电路(112)，用于存储和处理所述信号，并且用于调制和解调射频(RF)信号，所述电路包括：
a)电压源(114)，其向所述SAW传感器芯片(120)和所述一个或两个天线(130)供应电流；
b)集成或CMOS电流放大器(115)，用于放大从所述SAW传感器芯片(120)获得的电流；
c)模数转换器(ADC)，其具有连接到所述电流放大器(115)的无线输入/输出模块(116)，用于将转换的信号无线输出到用户接口或外部存储器；
d)微控制器单元(MCU)(113)，用于处理接收的信号并将其转换为可在所述用户接口或外部存储器中读取的数据；以及
e)无线连接模块(117)，用于将所述传感器无线连接到所述用户接口或外部存储器。
电压源(114)可以是任何合适且可商购获得的锂离子型电池、具有AC-DC或DC-DC转换器的任何能量采集器、或光伏元件。ADC卡(116)是任何合适的模数转换器数据记录卡，其可以例如从National 或购买。电流放大器(115)串联连接并且可以是任何可商购获得的毫微微安放大器，例如 SR570、DLPVA-100-F-S、电流放大器DDPCA-300或Texas INA826EVM。任选地，电流放大器可以直接操作，电流经由2DEG/2DHG结构的2DEG/2DHG沟道流入放大器，增益高于104时具有1MΩ的小输入电阻，增益低于200时仅为1Ω。这种设置可以直接放大源自外部体电荷的2DEG/2DHG沟道中的电流调制。所有读出部件均由电池供电，以避免接地回路寄生电流。
在特定实施方案中，无线连接模块(117)可以是短程或NFC，其在可穿戴设备或小配件与智能电话之间提供最远20米的无线通信。如果该模块是Wi-Fi，则可以与远至200nm的网络建立连接，而GSM允许到云的全球通信。外部存储器可以是移动装置(诸如智能电话)、台式计算机、服务器、远程存储装置、互联网存储装置或材料诊断云。
如本申请中所示，实施方案的传感器用于材料和结构感测的超灵敏便携式麦克风。实施方案的便携式传感器应具有非常小的功耗，从而节省电池寿命以延长使用时间。在这种情况下，将传感器电容连接到电路的非欧姆高电阻接触是优选的。实际上，非欧姆接触能够通过具有比2DEG/2DHG沟道的电阻高3至4倍的电阻限制流过2DEG/2DHG导电沟道的电流，从而在不牺牲传感器灵敏度和功能的情况下降低电功耗。因此，在实施方案的传感器中使用非欧姆接触是允许最小化装置的功耗的硬件解决方案。在另一个实施方案中，可以使用管理传感器必要记录时间和电池节能模式的软件算法最小化装置的功耗，该软件算法限制背景数据并且仅在需要时切换无线连接。
如上所述，本申请的传感器可以以两种构型实现：具有和不具有自支撑薄膜。在第一种构型中，压电衬底任选地放置在GaN/AlGaN自支撑薄膜上，从而产生FBAR-SAW构型，以实现超灵敏度。在另一种构型中，传感器基于与被测试的结构材料诸如金属管道牢固连接的常规硅压电衬底。在这种结构材料发生任何应力或机械变形的情况下，压电GaN/AlGaN叠堆也会受到应力或变形，从而改变SAW传播参数。这是因为SAW结构内的压电极化效应导致IDT接收器上的S21传递参数的变化。
替代性地，实施方案的传感器可以基于与类PC-HEMT结构(凹陷的基于2DEG/2DHG的结构)结合的压电电光晶体换能器(EOC)。与所有其他种类的衬底相比，基于EOC压电衬底的传感器在电能和机械能之间表现出最高耦合。另外，这种衬底还具有高速度移位系数和非常高机电耦合系数K2的优点，与任何其他压电衬底上的相同常规SAW装置相比，其产生更大的质量灵敏度。EOC可以是与用户身体上的单个点物理接触的任何合适的电光晶体材料诸如LiNbO3。然后用偏振光照射EOC。
在LiNbO3晶体材料的情况下，偏振光的波长为约400至600nm。来自光源的调制光照射EOC，然后落在基于2DEG/2DHG的结构上。基于2DEG/2DHG的结构对入射光超灵敏，从而在AlGaN阻挡层中产生p-n对，因此强烈影响2DEG/2DHG沟道导电性。一般来讲，用光照射基于2DEG/2DHG的结构将2DEG/2DHG沟道从常闭切换到伪导电或常开状态。因此，通过与身体接触，EOC能够改变其强烈影响2DEG/2DHG沟道中的电流流动的吸光度，从而分辨来自EOC换能器的任何最小光强度变化。取决于激发光波长，可以改变传感器相对于入射光束的位置。例如，在IR光(700至1500nm)的情况下，传感器应垂直于光束放置，以实现最高灵敏度。EOC的寄生充电经由附接到晶体的电极进行补偿。另外，可以利用传感器前面的各种滤光器。
在又一个实施方案中，图18示意性地示出了具有远程读出的用于材料和结构感测的实施方案的光电感测装置，该光电感测装置包括以下部件：
连接到电路的本申请的SAW传感器芯片(120)；
调制光源(125)，诸如表面安装器件发光二极管(SMD LED)或UV-VIS-IR激光二极管，用于照射传感器芯片上的伪导电2DEG/2DHG结构的AlGaN阻挡层表面(126)；
光耦合器开关(124)，用于将所述调制光源(125)与传感器芯片上的所述伪导电2DEG/2DHG结构(126)耦合；
电压源(104)，其连接到所述电路用于向所述SAW传感器芯片(120)供应电流；
锁定放大器(119)，其连接到所述电压源(104)，用于通过从所述SAW传感器芯片获得的已知载波放大信号并且增加信噪比；
以及
模数转换器(ADC)，其具有连接到所述锁定放大器(119)的内置数字输入/输出卡(106)，用于将转换的信号输出到用户接口或外部存储器。
因此，SAW-EOC构型的使用使得可以显著增加传感器对电荷的灵敏度，经由沿晶体表面的基于SAW的电荷传输对EOC进行放电，有效调制来自光源的偏振光，并且用相速度信号控制SAW延迟线效应。光耦合器开关(124)将基于2DEG/2DHG的结构(126)与SAW-EOC耦合，使得IDT发射器(左)电极处的初始SAW致动信号与调制光源(125)同步，并且与基于伪导电2DEG/2DHG的结构处的VDS同步。IDT接收器(右)电极处的信号经由光耦合器(124)耦合回VDS，该信号与初始信号并且与光源(125)调制产生谐振。由于SAW-EOC通过空间图案化电极与身体单点物理电连接，EOC改变其光吸收和调制性质。这强烈影响五个初始信号源(VDS、发射器IDT、光源、接收器IDT和SAW调制光源)的谐振模式。因此，由于基于光源的相互作用，谐振系统变得非常稳定并且还对外部电荷非常敏感。
图19示出了用实施方案的超灵敏麦克风测量的实验S21传递参数。在一些实施方案中，用于材料和结构感测的方法包括以下步骤：
1)将实施方案的感测装置应用于待感测的材料或结构；
2)用所述装置记录从材料或结构接收的信号，其形式为随时间变化的装置的S21传递参数动态(定义为S21传递动态)；
3)将记录的信号从所述装置传输到外部存储器以进行进一步处理；并且
4)将传输的信号转换为数字信号并且处理外部存储器中的数字信号，将所述S21传递动态与存储在外部存储器中的预校准材料或结构波形相关联，并且以可读数据形式从所述波形中提取材料或结构信息。
虽然本文已经说明和描述了本申请的某些特征，但是对于本领域的普通技术人员来说，许多修改、替换、改变和等同物将是显而易见的。因此，应当理解，所附权利要求旨在覆盖落入本申请的真正实质内的所有这些修改和变化。

Claims (32)

1.一种表面声波(SAW)射频识别(RFID)传感器芯片，其包括：
压电衬底，所述衬底包括压电层和多层异质结结构，所述结构由III-V单晶或多晶半导体层制成、沉积在所述压电层上并且包括至少一个缓冲层和至少一个阻挡层，所述层交替堆叠；至少一对安装在所述压电衬底上的金属叉指换能器(IDT)，用于接收射频(RF)输入信号、将所述输入信号转换成表面声波(SAW)、沿着所述压电衬底的表面传播所述表面声波并将所述传播的表面声波转换成输出RF信号；
沉积在所述压电衬底上的至少一个伪导电二维电子气(2DEG)或二维空穴气(2DHG)结构，用于在所述缓冲层和所述阻挡层之间的所述界面处的所述异质结结构中形成伪导电2DEG或2DHG沟道；以及
电容耦合到所述IDT并且耦合到所述伪导电2DEG或2DHG结构的电金属化层，用于感应位移电流，从而产生非欧姆源极和漏极接触，用于将所述传感器芯片连接到电路。
2.根据权利要求1所述的SAW RFID传感器芯片，其中所述压电衬底置于自支撑薄膜上。
3.根据权利要求2所述的SAW RFID传感器芯片，其中所述自支撑薄膜由蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓或氮化铝制成。
4.根据权利要求1所述的SAW RFID传感器芯片，其中所述压电层由氧化锌、蓝宝石、氮化铝、钽酸锂、铌酸锂、铌酸钾、硅酸镧镓、硅、碳化硅或石英制成。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的SAW RFID传感器芯片，其中所述多层异质结结构包含一个缓冲层和一个阻挡层，并且所述2DEG导电沟道形成在所述缓冲层和所述阻挡层之间的所述界面处。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的SAW RFID传感器芯片，其中所述多层异质结结构包含两个缓冲层和一个阻挡层，所述阻挡层置于所述缓冲层之间，并且所述2DEG导电沟道形成在所述阻挡层上方的顶部缓冲层中，靠近所述顶部缓冲层和所述阻挡层之间的界面，从而导致所述结构的N面极性。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的SAW RFID传感器芯片，其中所述多层异质结结构包含两个缓冲层和一个阻挡层，所述阻挡层置于所述缓冲层之间，并且所述2DHG导电沟道形成在所述阻挡层上方的顶部缓冲层中，靠近所述顶部缓冲层和所述阻挡层之间的所述界面，从而导致所述结构的Ga面极性。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的SAW RFID传感器芯片，其中所述III-V单晶或多晶半导体材料选自GaN/AlGaN、GaN/AlN、GaN/InN、GaN/InAlN、InN/InAlN、GaN/InAlGaN、GaAs/AlGaAs和LaAlO3/SrTiO3。
9.根据权利要求8所述的SAW RFID传感器芯片，其中所述III-V单晶或多晶半导体材料是GaN/AlGaN。
10.根据权利要求5所述的SAW RFID传感器芯片，其中所述多层异质结结构在底部包含一个GaN缓冲层，并且在顶部包含一个AlGaN阻挡层，所述AlGaN阻挡层具有(i)5至9纳米(nm)的厚度，对应于所形成的2DEG沟道的常开和常闭操作模式之间的伪导电电流范围，以及(ii)0.2nm或更小的表面粗糙度。
11.根据权利要求10所述的SAW RFID传感器芯片，其中所述AlGaN阻挡层的厚度为6至7nm，优选为6.2至6.4nm。
12.根据权利要求10或11所述的SAW RFID传感器芯片，其中所述AlGaN阻挡层具有约0.1nm或更小，优选约0.05nm或更小的表面粗糙度。
13.根据权利要求6所述的SAW RFID传感器芯片，其中所述多层异质结结构是夹层状的，在顶部包含一个GaN缓冲层，在底部包含一个GaN缓冲层，并且在其之间包含一个AlGaN阻挡层，所述2DEG导电沟道形成在所述AlGaN阻挡层上方的顶部GaN缓冲层中，靠近所述顶部GaN缓冲层和所述AlGaN阻挡层之间的界面，从而导致所述结构的所述N面极性，所述顶部GaN缓冲层具有(i)5至9纳米(nm)的厚度，对应于所形成的2DEG沟道的常开和常闭操作模式之间的伪导电电流范围，以及(ii)0.2nm或更小的表面粗糙度。
14.根据权利要求13所述的SAW RFID传感器芯片，其中所述顶部GaN缓冲层的厚度为6至7nm，优选为6.2至6.4nm。
15.根据权利要求13或14所述的SAW RFID传感器芯片，其中所述顶部GaN缓冲层具有约0.1nm或更小，优选约0.05nm或更小的表面粗糙度。
16.根据权利要求7所述的SAW RFID传感器芯片，其中所述多层异质结结构是夹层状的，在顶部包含一个GaN缓冲层，在底部包含一个GaN缓冲层，并且在其之间包含一个AlGaN阻挡层，所述2DHG导电沟道形成在所述AlGaN阻挡层上方的顶部GaN缓冲层中，靠近所述顶部GaN缓冲层和所述AlGaN阻挡层之间的界面，从而导致所述结构的所述Ga面极性，所述顶部GaN缓冲层具有(i)5至9纳米(nm)的厚度，其对应于所形成的2DHG沟道的常开和常闭操作模式之间的伪导电电流范围，以及(ii)0.2nm或更小的表面粗糙度。
17.根据权利要求16所述的SAW RFID传感器芯片，其中所述顶部GaN缓冲层的厚度为6至7nm，优选为6.2至6.4nm。
18.根据权利要求16或17所述的SAW RFID传感器芯片，其中所述顶部GaN缓冲层具有约0.1nm或更小，优选约0.05nm或更小的表面粗糙度。
19.根据权利要求1至18中任一项所述的SAW RFID传感器芯片，其还包括用于照射所述压电衬底的激发光源，从而在所述2DEG或2DHG结构中感应电流。
20.根据权利要求19所述的SAW RFID传感器芯片，其中所述激发光源是表面安装器件发光二极管(SMD LED)或UV-VIS-IR激光二极管。
21.根据权利要求1至20中任一项所述的SAW RFID传感器芯片，其中所述金属IDT能够接收约0.5至2.5GHz的RF信号，并且通过在所述压电衬底的所述表面上产生声波而表现出压电效应。
22.一种具有远程读出的用于材料和结构感测的感测装置，其包括：
根据权利要求1至21中任一项所述的SAW RFID传感器芯片，其插入感测装置框架中并连接到电路；
连接到所述电路的至少一个输出-输入SAW-RFID分形天线，用于接收或发射信号；
延迟线SAW换能器产生的输出-输入分离；以及
远程集成电路，用于存储和处理所述信号，并且用于调制和解调射频(RF)信号，所述远程集成电路包括：
a)电压源，其向所述SAW RFID传感器芯片和所述输出-输入SAW-RFID分形天线供应电流；
b)集成或CMOS电流放大器，用于放大从所述SAW RFID传感器芯片获得的电流；
c)模数转换器，其具有连接到所述电流放大器的无线输入/输出模块，用于将所转换的信号无线输出到用户接口或外部存储器；
d)微控制器单元(MCU)，用于处理所接收的信号并将其转换为可在所述用户接口或外部存储器中读取的数据；以及
e)无线连接模块，用于将所述感测装置无线连接到所述用户接口或外部存储器。
23.一种具有远程读出的用于材料和结构感测的感测装置，其包括：
根据权利要求1至21中任一项所述的SAW RFID传感器芯片，其插入感测装置框架中并连接到电路；
调制光源，用于照射所述SAW RFID传感器芯片的所述伪导电2DEG或2DHG结构的所述表面；
光耦合器开关，用于将所述调制光源与所述SAW RFID传感器芯片的所述伪导电2DEG或2DHG结构耦合；
电压源，其连接到所述电路，用于向所述SAW RFID传感器芯片供应电流；
锁定放大器，其连接到所述电压源，用于通过从所述SAWRFID传感器芯片获得的已知载波来放大信号并且用于增加信噪比；以及
模数转换器(ADC)，其具有连接到所述锁定放大器的内置数字输入/输出卡，用于将所转换的信号输出到用户接口或外部存储器。
24.根据权利要求22或23所述的感测装置，其中所述外部存储器是移动装置、台式计算机、服务器、远程存储装置、互联网存储装置或材料诊断云。
25.根据权利要求22或23所述的感测装置，其中所述电压源是锂离子型电池或具有AC-DC或DC-DC转换器的能量采集器。
26.根据权利要求22所述的感测装置，其中所述电流放大器为串联连接的。
27.根据权利要求22所述的感测装置，其中所述无线连接模块是短程或NFC模块，其在所述感测装置和所述用户接口、移动装置或台式计算机之间提供无线通信。
28.根据权利要求22所述的感测装置，其中所述无线连接模块是Wi-Fi模块，其在所述感测装置和所述用户接口、移动装置、台式计算机或服务器之间提供无线通信。
29.根据权利要求22所述的感测装置，其中所述无线连接模块是GSM模块，其在所述感测装置和服务器、远程存储装置、互联网存储装置或材料诊断云之间提供全球无线通信。
30.根据权利要求23所述的感测装置，其中所述调制光源是表面安装器件发光二极管(SMD LED)或UV-VIS-IR激光二极管。
31.一种用于材料和结构感测的方法，其包括：
1)将根据权利要求22至30所述的感测装置应用于待感测的材料或结构；
2)用所述装置记录从所述材料或结构接收的信号，其形式为随时间变化的所述装置的S21传递参数动态；
3)将所记录的信号从所述装置传输到外部存储器以进行进一步处理；并且
4)将所传输的信号转换为数字信号，处理所述外部存储器中的所述数字信号，将所述S21传递动态与存储在所述外部存储器中的预校准材料或结构波形相关联，并且以可读数据形式从所述波形中提取所述材料或结构信息。
32.根据权利要求22至30中任一项所述的感测装置，其中所述装置是超灵敏麦克风。
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