CN110335939A - 氟化异质结势垒层的半导体磁场传感器 - Google Patents

Abstract

本分案申请公开了一种氟化异质结势垒层的半导体磁场传感器，属于半导体传感器领域。技术要点是：在半导体衬底上依次生长缓冲层、外延层和势垒层，主电极C₁和C₂关于C₀中心对称，所述电极C₀和C₁之间、电极C₀和C₂之间分别设有关于主电极C₀中心对称的负离子注入区，在两个负离子注入区表面分别制作感测电极S₁和S₂，感测电极S₁和S₂关于主电极C₀中心对称。本发明利用半导体异质结沟道中具有高电子迁移率的特点来提高传感器探测灵敏度，另一方面又采用五端电极结构，在传感器势垒层引入负离子来减弱沟道中束缚电子的纵向电场，从而可以独立探测与器件表面平行的磁场，并且进一步提高芯片敏感度。本发明芯片结构简洁有效，工艺成本更低而性能可控性更高。

Description

氟化异质结势垒层的半导体磁场传感器

本申请是申请号为201810471997.7，申请日为2018年5月17日，发明创造名称为二维电子气沟道半耗尽型霍尔传感器及其制作方法的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明属于半导体传感器领域，尤其涉及一种氟化异质结势垒层的半导体磁场传感器。

背景技术

磁场传感器也称为磁敏传感器，是将磁场转换成相应的电物理量，感知探测环境磁场的器件，可以用于测转速、位移、流量等，在民用和军用领域都有十分广泛的应用。磁敏传感器有多个种类，基于霍尔效应原理的半导体霍尔磁敏传感器，简称为霍尔传感器。由于其具有体积小、功耗低、使用寿命长和易于集成等优点，在传感器实际应用中占有重要地位，是未来传感器的发展趋势。氮化镓(GaN)基III-V族异质结构半导体为重要代表的下一代宽带隙半导体材料具有大的临界击穿电场、高的饱和电子漂移速率和良好的化学稳定性等特点，是未来制作霍尔传感器的重要选择。霍尔传感器中评估器件性能的重要指标之一是电压或电流敏感度，而该指标主要受材料载流子迁移率的制约，迁移率越高，器件敏感度也越高。GaN基材料在霍尔传感器应用中优势明显，其异质结(典型如AlGaN/GaN)界面存在高密度的界面极化电荷，极化电荷诱导电场吸引材料内部或者表面的离化电子，在异质结界面势阱处汇聚形成二维电子气(2DEG)(密度大于10¹³cm^-2)。由于二维电子气输运沟道无故意元素掺杂以及电子运动方向受限，这种结构的二维电子气将具有明显高出体材料的电子迁移率(＞2000cm²V^-1s^-1)，特别适合用于制作霍尔传感器。因此，GaN基异质结材料霍尔传感器，具有潜在的工作温度范围广、感测灵敏度高等优势，具有十分广阔的应用前景。

然而，该类型半导体霍尔传感器也存在一些问题，其主要问题之一是二维电子气沟道的存在虽然能明显提高电子迁移率，但由于其异质结界面处存在过高的垂直于沟道方向的电场(纵向电场)，电子被完全束缚在界面沟道中，霍尔效应中洛伦兹力驱离载流子偏移原输运轨道的能力减弱，从而导致感测的电压或电流数值减小，电压或电流敏感度指标提升受限制。因此，本发明申请提出一种新型的氟化异质结势垒层的半导体磁场传感器结构，既能利用二维电子气沟道的高迁移率优势，又能保证在弱磁场信号下运动中的载流子能发生有效的纵向偏移，从而提高器件探测敏感度。

现有的半导体霍尔传感器的材料基本结构主要有两种，一种是基于均匀的单一体材料，另一种是基于半导体异质结(如AlGaN/GaN，AlGaN层带隙较宽，为势垒层)。前者采用单一的半导体材料，结构简单，但是电流输运特性容易受材料表面态影响，并且由于载流子运动方向没有限定，这种单一体材料的载流子迁移率相对较低。而后者异质结结构采用两个以上的半导体，其异质结界面存在高密度的自发极化或者压电极化电荷，其极化电荷诱导电场将吸引半导体内部或者表面的离化电子，在异质结界面势阱处汇聚形成二维电子气(2DEG)。由于二维电子气输运沟道无故意元素掺杂以及电子运动方向受限，这种结构的二维电子气将具有明显高出体材料的电子迁移率。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提出一种氟化异质结势垒层的半导体磁场传感器及其制作方法，该传感器保留完整的势垒层，并且负离子停留在势垒层不进入沟道，因此异质结界面完好，其二维电子气沟道同样具有高的电子迁移率，从而保证器件电压或电流敏感度不下降；负离子注入并停留在半导体势垒层所形成电场，与异质结界面处极化电荷诱导电场方向相反，因此可以明显降低该区域二维电子气沟道的纵向电场，增强载流子纵向偏移原输运轨道的能力，从而提高电极感测信号，有利于提高器件敏感度。

技术方案如下：

一种氟化异质结势垒层的半导体磁场传感器，在半导体衬底上依次生长缓冲层、外延层和势垒层，所述势垒层表面设有3个主电极C₀、C₁和C₂，所述主电极C₁和C₂关于C₀中心对称，所述电极C₀和C₁之间、电极C₀和C₂之间分别设有负离子注入区，负离子注入区的宽度小于主电极C₀和C₁或者C₀和C₂之间电极的间距，两个负离子注入区关于主电极C₀中心对称，在两个负离子注入区表面分别制作感测电极S₁和S₂，感测电极S₁和S₂关于主电极C₀中心对称。

进一步的，所述衬底为Si、InAs、GaAs、SiC、GaN、ZnO、氧化镓、氮化硼、金刚石、蓝宝石、或石英中的任意一种。

进一步的，所述外延层和势垒层为可产生二维电子气的任意异质结材料组合。

进一步的，所述外延层采用GaAs，所述势垒层采用AlGaAs；或者所述外延层采用GaN，所述势垒层采用AlGaN或InAlN；或者所述外延层采用SiC，所述势垒层采用AlN。

进一步的，所述外延层和势垒层的背景载流子浓度范围为1.0～1.0×10¹⁸cm^-3。

进一步的，外延层厚度为0.1～100μm，势垒层厚度为5～100nm。

进一步的，所述主电极C₀、C₁和C₂的形状是矩形或圆形；所述感测电极S₁和S₂完全覆盖负离子注入区或者部分覆盖负离子注入区。

本发明还包括一种氟化异质结势垒层的半导体磁场传感器制作方法，步骤如下：

S1、准备器件基底材料，包括衬底、缓冲层、外延层和势垒层，器件基底材料依次经过丙酮、乙醇、去离子水清洗，所述清洗均为超声清洗，用氮气吹干、再用烘箱进行烘烤；

S2、利用光刻方法定义器件台面，经过涂胶、匀胶、光刻、显影形成刻蚀窗口，然后采用湿法刻蚀方法或干法刻蚀方法刻蚀势垒层和外延层，总的刻蚀深度为100～1000nm；

S3、利用光刻方法定义器件势垒层，经过涂胶、匀胶、光刻、显影形成离子注入窗口，然后采用ICP、RIE或者离子注入机进行负离子注入或者表面布植；

S4、采用热处理方法激活注入的负离子，然后采用PECVD、ALD或者LPCVD方法在势垒层表面沉积介质层进行表面钝化，介质层材料采用SiO₂、Si₃N₄、AlN、Ga₂O₃、Al₂O₃、TiO₂任意一种或者它们的任意组合；

S5、利用光刻方法定义主电极和感测电极区域，经过涂胶、匀胶、光刻、显影步骤形成电极沉积窗口，采用电子束蒸发、磁控溅射、或者热蒸发方法生长单层或复合金属薄膜，形成接触电极，然后经过金属剥离、清洗、退火，形成金属/半导体欧姆接触。

进一步的，步骤S3中负离子采用氟离子、氧离子、氮离子、硫离子、磷离子的任意一种。

进一步的，步骤S3中加工过程采用10～100W低功率离子注入工艺。

本发明的有益效果是：

本发明所述的氟化异质结势垒层的半导体磁场传感器及其制作方法具有以下有益效果：

1)保留完整的势垒层，并且负离子停留在势垒层不进入沟道，因此异质结界面完好，其二维电子气沟道同样具有高的电子迁移率，从而保证器件电压或电流敏感度不下降；

2)负离子注入并停留在半导体势垒层所形成电场，与异质结界面处极化电荷诱导电场方向相反，因此可以明显降低该区域二维电子气沟道的纵向电场，增强载流子纵向偏移原输运轨道的能力，从而提高电极感测信号，有利于提高器件敏感度；

通过保留完好的异质结界面从而保证二维电子气沟道中电子迁移率不下降，另外通过减弱沟道中束缚电子的纵向电场，使其在磁场下纵向偏移能力增强，从而提高电极感测信号，提高器件敏感度。

一方面相对于单一体材料半导体，利用了半导体异质结材料沟道中具有的高电子迁移率特点，另一方面又对异质结构进行技术改进，通过在势垒层引入负离子来减弱沟道中束缚电子的纵向电场，从而提高器件性能。本技术方案制作的霍尔传感器能广泛应用于各种民用和军用领域，具有潜在的工作温度范围更广、感测灵敏度更高等优势。

附图说明

图1是本发明提出的氟化异质结势垒层的半导体磁场传感器截面结构示意图；

图2是本发明提出的氟化异质结势垒层的半导体磁场传感器平面俯视图；

图3是本发明提出的氟化异质结势垒层的半导体磁场传感器制作方法步骤示意图；

图4是本发明提出的氟化异质结势垒层的半导体磁场传感器电压(或电流)敏感度与势垒层中注入氟离子密度之间关系的实验验证结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图1-4对氟化异质结势垒层的半导体磁场传感器及其制作方法做进一步说明。

实施例1

本实施例结构示意图如图1和图2所示，图1和图2分别是器件的界面结构示意图和俯视结构示意图。在一半导体衬底上分别生长缓冲层、外延层和势垒层，衬底可以是Si、InAs、GaAs、SiC、GaN、ZnO、氧化镓、氮化硼、金刚石、蓝宝石、或石英中的任意一种，不做特殊限定；外延层可以是GaAs、GaN或SiC，不做特殊限定；势垒层可以是与外延层相对应的AlGaAs、AlGaN(或InAlN)、或AlN，不做特殊限定，势垒层中的材料组分不做特殊限定，半导体异质结结构能产生二维电子气的所有材料组合和参数选择都在本专利限定范围。

外延层和势垒层的背景载流子浓度范围为1.0～1.0×10¹⁸cm^-3，外延层厚度为0.1～100μm，势垒层厚度为5～100nm。器件表面包含3个主电极分别为C₀、C₁和C₂，电极C₁和C₂关于C₀中心对称，而电极C₀、C₁和C₂形状可为矩形或圆形，不作特殊限定。在电极C₀和C₁以及电极C₀和C₂之间的势垒层进行负离子注入(例如氟离子注入)，两边离子注入区域关于C₀中心对称，注入区域宽度小于C₀和C₁或者C₀和C₂之间电极间距，不做特殊限定。在离子注入区域表面制作感测电极S₁和S₂，两边感测电极关于C₀中心对称，3个主电极和2个感测电极与下面半导体之间形成良好的欧姆接触。

本发明提案可以将电极C₁和C₂作为公共端接地，在电极C₀通以电流或者电压，在电极S₁和S₂之间测量电势差；也可以将电极C₀接地，在电极C₁和C₂通以电流或电压，在电极S₁和S₂之间测量电势差。电极C₀、C₁之间的电流和C₀、C₂之间的电流大小相同且方向相反。

如图1所示，当平行于器件表面方向，即z方向存在磁场时，由于电极C₀→C₁之间的电流以及C₀→C₂之间的电流与磁场相互垂直，因此载流子在运动过程中会受到垂直于电流方向和磁场方向的洛伦兹力的作用，在y方向发生纵向输运偏移，在两边S₁和S₂感测电极位置处，两边载流子纵向偏移方向相反，从而可以在感测电极S₁和S₂之间产生霍尔电势差而达到测量磁场大小的目的。

本发明提案中二维电子气沟道势垒层进行负离子注入，负离子停留在势垒层不进入沟道，因此二维电子气沟道同样具有高的电子迁移率。另外，负离子注入势垒层区域异质结界面处的纵向电场减弱，载流子纵向偏移输运能力明显增强，感测电极S₁和S₂之间霍尔电势差增大，器件的探测敏感度相对于单一体材料或者常规异质结结构(无负离子注入)的霍尔传感器，将得到明显提高。

器件制作工艺流程

图3展示了本发明提案霍尔传感器制作基本流程:

第一步：具有异质结结构的器件芯片材料准备：

器件基底材料包括衬底、缓冲层、外延层和势垒层。器件材料分别经过丙酮、乙醇、去离子水超声清洗，然后用氮气吹干、烘箱下烘烤以备用。

第二步：器件台面刻蚀隔离：

利用光刻技术定义器件台面，经过涂胶、匀胶、光刻、显影等步骤形成良好的刻蚀窗口，然后采用湿法或干法刻蚀技术刻蚀材料势垒层和外延层，总的刻蚀深度一般为100～1000nm。

第三步：势垒层负离子注入形成半耗尽型二维电子气：

利用光刻技术定义器件势垒层区域，经过涂胶、匀胶、光刻、显影等步骤形成离子注入窗口，然后采用ICP、RIE或者离子注入机等设备进行负离子注入或者表面布植，负离子可以采用氟、氧、氮、硫、磷离子等，加工过程注意采用低功率离子注入优化工艺，避免负离子进入异质结界面破坏二维电子气沟道。

第四步：热处理和表面钝化：

采用优化的热处理工艺激活注入的负离子，后采用PECVD、ALD、LPCVD等技术在势垒层表面沉积介质层进行表面钝化，介质层材料可以是SiO₂、Si₃N₄、AlN、Ga₂O₃、Al₂O₃、TiO₂或它们的组合等，表面钝化可以降低器件漏电流并隔离外界污染。

第五步：电极制作：

利用光刻技术定义主电极和感测电极区域，经过涂胶、匀胶、光刻、显影等步骤形成良好的电极沉积窗口，采用电子束蒸发、磁控溅射、或者热蒸发等沉积技术生长单层或复合金属薄膜形成接触电极，然后经过金属剥离、清洗、退火，形成良好的金属/半导体欧姆接触。

实施例2

1.器件结构参数

采用AlGaN/GaN异质结材料，外延层为非故意掺杂GaN，厚度为10μm，背景电子浓度小于5×10¹⁶cm^-3，势垒层为AlGaN，厚度为20nm，Al组分为0.25。芯片的三个主电极C₀、C₁和C₂宽度为10μm，两个感测电极S₁和S₂宽度均为3μm，其中电极C₀与电极C₁、C₂间距均为10μm，电极C₀与电极S₁、S₂间距均为3.5μm，电极长度均为100μm。

2.器件制作流程

第一步：具有异质结结构的器件芯片材料准备：

器件材料分别经过丙酮、乙醇、去离子水超声清洗，每一步超声时间10min，然后用氮气吹干、烘箱110℃下烘烤10min以备用。

第二步：器件台面刻蚀隔离：

利用光刻技术定义器件台面，经过涂胶、匀胶、光刻、显影等步骤形成良好的刻蚀窗口，采用感应耦合等离子体刻蚀(ICP)技术刻蚀材料势垒层和外延层，刻蚀功率200W，气体流量150sccm，刻蚀时间250s，总的刻蚀深度约为400nm。

第三步：势垒层负离子注入形成半耗尽型二维电子气：

利用光刻技术定义氟离子注入区域，注入区域宽度为5μm，经过涂胶、匀胶、光刻、显影等步骤形成离子注入窗口，然后采用反应离子刻蚀(RIE)设备进行势垒层表面氟离子注入，等离子功率为25W，离子注入时间分别为30、60、90、120、150s。

第四步：热处理和表面钝化：

将样品置于快速热退火设备中，通氮气，进行300℃温度60s时间快速退火从而激活注入的负离子；利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)沉积100nm SiO₂、生长温度300℃，时间为130s。

第五步：电极制作：

利用光刻技术定义各个电极区域，经过涂胶、匀胶、光刻、显影等步骤形成电极沉积窗口，采用电子束蒸发法沉积Ti/Al/Ni/Au四层金属,每层金属对应厚度为20/120/45/55nm，利用高温退火炉，在850℃、N₂环境中退火30s，使之形成良好的欧姆接触，形成器件主电极和感测电极。

3.器件测试与评估

将主电极C₁和C₂作为公共端接地，而给予主电极C₀激励5V电压，同时在z轴负方向施加以0.5T的均匀磁场。经过测量霍尔感测电极S₁与S₂之间的电势差计算其电流敏感度和电压敏感度，其结果如图4所示。从实验结果可以看出，器件的敏感度与势垒层氟离子注入时间密切相关，随着注入时间增加，势垒层中氟离子浓度增加，其负电荷产生电场逐渐抵消其下方二维电子气沟道中的纵向电场，因此在磁场作用下，电子纵向偏移原输运轨道的能力增强，器件的电流或电压敏感度都得到明显提高。实验结果证实了本发明技术方案的正确性和可行性。

本发明技术方案对现有的异质结材料霍尔传感器产业是个重要的技术补充，本发明提出的霍尔传感器可应用于民用、航空航天、核电站、军工等众多领域。本发明所述的实施例，并非对本发明内容进行限定，其他具有二维电子气的异质结材料都适用于本发明提案涉及范围。任何半导体离子注入和表面布植技术，在基于形成势垒层负电荷的目的下，或者任何的修饰和改动，例如器件电极的尺寸、形状的改变、等同替换等，都应在本发明专利的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种氟化异质结势垒层的半导体磁场传感器，其特征在于，在半导体衬底上依次生长缓冲层、外延层和势垒层，所述势垒层表面设有3个主电极C₀、C₁和C₂，所述主电极C₁和C₂关于C₀中心对称，所述电极C₀和C₁之间、电极C₀和C₂之间分别设有负离子注入区，负离子注入区的宽度小于主电极C₀和C₁或者C₀和C₂之间电极的间距，两个负离子注入区关于主电极C₀中心对称，在两个负离子注入区表面分别制作感测电极S₁和S₂，感测电极S₁和S₂关于主电极C₀中心对称。

2.如权利要求1所述的氟化异质结势垒层的半导体磁场传感器，其特征在于，所述衬底为Si、InAs、GaAs、SiC、GaN、ZnO、氧化镓、氮化硼、金刚石、蓝宝石、或石英中的任意一种。

3.如权利要求1所述的氟化异质结势垒层的半导体磁场传感器，其特征在于，所述外延层和势垒层为可产生二维电子气的任意异质结材料组合。

4.如权利要求3所述的氟化异质结势垒层的半导体磁场传感器，其特征在于，所述外延层采用GaAs，所述势垒层采用AlGaAs；或者所述外延层采用GaN，所述势垒层采用AlGaN或InAlN；或者所述外延层采用SiC，所述势垒层采用AlN。

5.如权利要求1所述的氟化异质结势垒层的半导体磁场传感器，其特征在于，所述外延层和势垒层的背景载流子浓度范围为1.0～1.0×10¹⁸cm^-3。

6.如权利要求1所述的氟化异质结势垒层的半导体磁场传感器，其特征在于，外延层厚度为0.1～100μm，势垒层厚度为5～100nm。

7.如权利要求1-6任一项所述的氟化异质结势垒层的半导体磁场传感器，其特征在于，所述主电极C₀、C₁和C₂的形状是矩形或圆形；所述感测电极S₁和S₂完全覆盖负离子注入区或者部分覆盖负离子注入区。