CN110676370A - 一种GaN基热敏器件及其制备方法 - Google Patents
一种GaN基热敏器件及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110676370A CN110676370A CN201910863126.4A CN201910863126A CN110676370A CN 110676370 A CN110676370 A CN 110676370A CN 201910863126 A CN201910863126 A CN 201910863126A CN 110676370 A CN110676370 A CN 110676370A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- gan
- layer
- depositing
- pyroelectric material
- pyroelectric
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 9
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 42
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims abstract description 26
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims abstract description 15
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 13
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims abstract description 6
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 14
- 229910052681 coesite Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 229910052906 cristobalite Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims description 9
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 229910052682 stishovite Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 229910052905 tridymite Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 8
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 4
- 229910003327 LiNbO3 Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910012463 LiTaO3 Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 claims description 2
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 claims description 2
- 239000011347 resin Substances 0.000 claims description 2
- 229920005989 resin Polymers 0.000 claims description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 abstract description 11
- 238000001514 detection method Methods 0.000 abstract description 6
- 238000005057 refrigeration Methods 0.000 abstract description 3
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 abstract 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 12
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 description 8
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 8
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N Phosphoric acid Chemical compound OP(O)(O)=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000009616 inductively coupled plasma Methods 0.000 description 6
- 238000001883 metal evaporation Methods 0.000 description 6
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 4
- 229910000147 aluminium phosphate Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000005234 chemical deposition Methods 0.000 description 3
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 3
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 3
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 3
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
- H10N10/01—Manufacture or treatment
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
- G01J5/10—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
- G01J5/34—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using capacitors, e.g. pyroelectric capacitors
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
- H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
Abstract
本发明公开了一种GaN基热敏器件及其制备方法，包括：1)衬底上依次沉积GaN缓冲层和GaN高阻层；2)GaN高阻层上沉积n型掺杂GaN层；3)n型掺杂GaN层沉积SiO2介质层；4)刻蚀n型GaN层端部形成源极和漏极孔并沉积源电极和漏电极；5)SiO2介质层上沉积热释电材料；6)刻蚀热释电材料，沉积形成栅电极。本发明的GaN器件具有高电子迁移率、高导热率、高结温、高耐压等特点，具有很强的温度稳定性，适宜于电力环境应用；其次，热释电敏感材料本身无辐射，故无需制冷系统，可以工作在室温及其以上温度，器件功耗低；此外，该器件还具有探测光谱宽、工作频率广、灵敏度高且与波长无关、探测角度大等优点。
Description
技术领域
本发明涉及热敏器件领域，具体为一种GaN基热敏器件及其制备方法。
背景技术
传统的热释电温度传感器结构如图1所示，其基本工作原理是热释电材料 吸收外界红外辐射后，温度发生变化，产生热释电电流，然后该电流通过后端 的放大电路放大形成信号电压输出，从而可以得到外界辐射源的温度和辐射强 度等信息。由于其后端集成的放大电路多数是Si基MOS管，因此很容易受到 工作环境的影响，比如温度、电磁辐射和压力环境的影响，使得该传感器会增 加制冷系统和电磁屏蔽等结构，其结果会使得系统结构复杂化、体积和功耗增 大。但是随着需求的发展，对传感器的集成度、功耗、工作环境要求越来越高， 因此需要一些高集成度、高灵敏度、耐高压、耐高温、良好抗电磁辐射的温度 传感器。
发明内容
基于上述提到的传统热释电温度传感器存在的问题以及发展需求，本发明 创新性的提出了一种GaN基热敏器件制备方法，不仅能够满足高灵敏的温度传 感，而且能够降低传感器件的功耗，提高集成度，此外，能够使得温度传感器 工作在高温、高压、高等级电磁辐射等电力复杂环境中。
具体方法包括
1)衬底上依次沉积GaN缓冲层和GaN高阻层；
2)GaN高阻层上沉积n型掺杂GaN层；
3)n型掺杂GaN层沉积SiO2介质层；
4)刻蚀n型GaN层端部形成源极和漏极孔并沉积源极和漏极；
5)SiO2介质层上沉积热释电材料；
6)刻蚀热释电材料，沉积形成栅极。
优选地，所述1)中的GaN缓冲层厚度为0.2μm～4μm；所述GaN高阻层 为半绝缘的GaN，厚度为0.5μm～2μm；
优选地，所述2)中的n型掺杂GaN层厚度为10nm～30nm，掺杂浓度为 1×1019cm-3～5×1018，所述掺杂元素为硅。
优选地，所述3)中的SiO2介质层的厚度为10nm～150nm。
优选地，所述5)中的热释电材料为TGS单晶、LiTaO3单晶、LiNbO3单晶、 Sr1- xBaxNb6O15单晶、PbZr1-xTixO3陶瓷、PbLiO3陶瓷、聚偏氟乙烯树脂；所述热 释电材料厚度为0.1μm～50μm；
所述5)中热释电材料厚度为5～60μm。
优选地，由上述方法制得的GaN基热敏器件。
热释电材料具有良好热释电效应的功能材料，即会因为温度变化而发生电 荷极化改变。当其吸收外界的红外辐射之后，自身温度的变化会导致极化强度 发生改变。热释电材料作为GaN MOS器件的栅极接触材料，当其因为吸收红外 辐射而产生栅极电压信号输出时，就会引起n型GaN层(作为MOS器件的沟 道)中电流的变化，即源漏电流的变化。因此，我们能够通过固有的GaN MOS 器件的源漏电流与栅压关系，获得热释电材料的因为吸收辐射而输出的电压或 电流信号，然后利用热释电材料具有的固有极化特性计算得到吸收的辐射量、 辐射源温度等，从而进行温度传感。
本发明的优点在于：
(1)本发明提供的热敏器件为GaN基MOS器件，克服了传统Si基MOS 器件受周围温度和压力影响大的缺点，具有耐温、耐压以及抗辐射等优点，实 现了在高温、高压等复杂电力环境工作。
(2)本发明使用了具有良好热释电效应的功能材料作为温度敏感材料，使 得器件具有非制冷、波长无关的高灵敏度温度探测、宽光谱响应、探测角度大、 功耗小等优点。
(3)本发明使用了GaN材料，GaN基MOS器件具有的高迁移率、高开关 速度等，使得该新型传感器具有较快的响应速度。
(4)本发明利用MOSFET器件固有的信号放大特性，能够进一步提高该 新型传感器的温度探测灵敏度。
(5)本发明制备的热敏器件具有高集成度，有利于温度传感系统小型化。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附 图进行说明：
图1为传统的热释电温度传感器示意图。
图2为本发明实施例1的二维剖面结构示意图。
图3为本发明实施例1的制备工艺流程图。
图4为本发明实施例2的制备工艺流程图。
图5为本发明实施例3的制备工艺流程图。
蓝宝石衬底1，GaN缓冲层2，高阻GaN层3，n型掺杂GaN层4，SiO2介质层5，热释电材料6，源极7；漏极8；栅极9。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描 述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实 施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实 施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例提供一种GaN基热敏器件及其制备方法，器件的剖面如图2所示， 它由蓝宝石衬底1、GaN缓冲层2、高阻GaN层3、n型重掺杂的GaN层4、SiO2介质层5、热释电材料6、源极金属接触电极7、漏极金属接触电极8和栅极金 属接触电极9组成。
具体制备工艺流程如图3所示，包括：
1)取样蓝宝石衬底，并用浓磷酸溶液对其表面进行预处理。
2)在蓝宝石衬底之上依次外延生长2μm GaN缓冲层2、1μm高阻GaN层 3和10nm n型掺杂为5×1018cm-3的GaN层4。
3)利用感应耦合等离子化学沉积技术(ICPCVD)，在洁净的外延片上淀积 90nm厚的SiO2介质层5。
4)通过光刻制备出源漏电极孔图案，并利用感应耦合等离子体刻蚀技术 (ICP)在SiO2介质层5上刻蚀出源漏电极孔，然后利用光刻、金属蒸镀技术， 淀积源极金属电极7和漏极金属电极8。
5)在SiO2介质层5上淀积10μm的热释电材料6，并通过光刻、刻蚀工艺 选择性去除热释电材料6，仅保留栅区部分的热释电材料6。
6)利用光刻、金属蒸镀技术，在热释电材料6上淀积栅极金属接触电极9。
实施例2
本实施例提供一种GaN基热敏器件制备方法，其工艺流程如图4所示，包 括
1)取样蓝宝石衬底，并用浓磷酸溶液对其表面进行预处理。
2)在蓝宝石衬底之上依次外延生长3μm GaN缓冲层2、1.5μm高阻GaN 层3和20nm n型掺杂为7.5×1018cm-3的GaN层4，
3)利用感应耦合等离子化学沉积技术(ICPCVD)，在洁净的外延片上淀积 120nm厚的SiO2介质层5。
4)通过光刻制备出源漏电极孔图案，并利用感应耦合等离子体刻蚀技术 (ICP)在SiO2介质层5上刻蚀出源漏电极孔，然后利用光刻、金属蒸镀技术， 淀积源极金属电极7和漏极金属电极8。
5)在SiO2介质层5上淀积30μm的热释电材料6，并通过光刻、刻蚀工艺 选择性去除热释电材料6，仅保留栅区部分的热释电材料6。
6)利用光刻、金属蒸镀技术，在热释电材料6上淀积栅极金属接触电极9。
实施例3
本实施例提供一种GaN基热敏器件制备方法，其工艺流程如图5所示，包 括
1)取样蓝宝石衬底，并用浓磷酸溶液对其表面进行预处理。
2)在蓝宝石衬底之上依次外延生长4μm GaN缓冲层2、2μm高阻GaN层 3和30nm n型掺杂为1×1019cm-3的GaN层4，
3)利用感应耦合等离子化学沉积技术(ICPCVD)，在洁净的外延片上淀积 150nm厚的SiO2介质层5。
4)通过光刻制备出源漏电极孔图案，并利用感应耦合等离子体刻蚀技术 (ICP)在SiO2介质层5上刻蚀出源漏电极孔，然后利用光刻、金属蒸镀技术， 淀积源极金属电极7和漏极金属电极8。
5)在SiO2介质层5上淀积50μm的热释电材料6，并通过光刻、刻蚀工艺 选择性去除热释电材料6，仅保留栅区部分的热释电材料6。
6)利用光刻、金属蒸镀技术，在热释电材料6上淀积栅极金属接触电极9。
GaN基MOSFET器件具有开关速度快、体积小、高结温、高耐压的特点。 因此将热释电材料集成在GaN MOS器件结构之上，能够制备出新型高性能温度 传感器，既能够满足高灵敏度探测，又能够适用于高温、高压和辐射等复杂环 境，此外能够保证系统的小型化、低功耗等。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制， 尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员 应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明 权利要求书所限定的范围。
Claims (7)
1.一种GaN基热敏器件及其制备方法，其特征在于：包括
1)衬底上依次沉积GaN缓冲层和GaN高阻层；
2)GaN高阻层上沉积n型掺杂GaN层；
3)n型GaN层沉积SiO2介质层；
4)刻蚀n型GaN层端部形成源极和漏极孔并沉积源极和漏极；
5)SiO2介质层上沉积热释电材料；
6)刻蚀热释电材料，沉积形成栅极。
2.根据权利要求1所述的GaN基热敏器件及其制备方法，其特征在于：所述1)中的GaN缓冲层厚度为0.2μm～4μm；所述GaN高阻层为半绝缘的GaN，厚度为0.5μm～2μm。
3.根据权利要求1所述的GaN基热敏器件及其制备方法，其特征在于：所述2)中的n型掺杂GaN层厚度为10nm～30nm，掺杂浓度为1×1019cm-3～5×1018cm-3；所述掺杂元素为硅。
4.根据权利要求1所述的GaN基热敏器件及其制备方法，其特征在于：所述3)中的SiO2介质层的厚度为10nm～150nm。
5.根据权利要求1所述的GaN基热敏器件及其制备方法，其特征在于：所述5)中的热释电材料为TGS单晶、LiTaO3单晶、LiNbO3单晶、Sr1-xBaxNb6O15单晶、PbZr1-xTixO3陶瓷、PbLiO3陶瓷、聚偏氟乙烯树脂；所述热释电材料厚度为0.1μm～50μm。
6.根据权利要求1所述的GaN基热敏器件及其制备方法，其特征在于：所述5)中热释电材料厚度为5～60μm。
7.根据权利要求1-6所述方法制得的GaN基热敏器件。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910863126.4A CN110676370B (zh) | 2019-09-12 | 2019-09-12 | 一种GaN基热敏器件及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910863126.4A CN110676370B (zh) | 2019-09-12 | 2019-09-12 | 一种GaN基热敏器件及其制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN110676370A true CN110676370A (zh) | 2020-01-10 |
| CN110676370B CN110676370B (zh) | 2022-12-09 |
Family
ID=69077860
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910863126.4A Active CN110676370B (zh) | 2019-09-12 | 2019-09-12 | 一种GaN基热敏器件及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN110676370B (zh) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6365474B1 (en) * | 2000-06-22 | 2002-04-02 | Motorola, Inc. | Method of fabricating an integrated circuit |
| JP2006156816A (ja) * | 2004-11-30 | 2006-06-15 | Sharp Corp | 半導体装置 |
| CN106768389A (zh) * | 2017-01-16 | 2017-05-31 | 北立传感器技术（武汉）有限公司 | 一种基于电流式弛豫铁电单晶热释电探测器及其制备方法 |
| US20180175185A1 (en) * | 2016-12-15 | 2018-06-21 | National Chiao Tung University | Semiconductor device and method of manufacturing the same |
| CN108700471A (zh) * | 2015-11-30 | 2018-10-23 | 法国伊第米亚身份与安全公司 | 热图案传感器 |
-
2019
- 2019-09-12 CN CN201910863126.4A patent/CN110676370B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6365474B1 (en) * | 2000-06-22 | 2002-04-02 | Motorola, Inc. | Method of fabricating an integrated circuit |
| JP2006156816A (ja) * | 2004-11-30 | 2006-06-15 | Sharp Corp | 半導体装置 |
| CN108700471A (zh) * | 2015-11-30 | 2018-10-23 | 法国伊第米亚身份与安全公司 | 热图案传感器 |
| US20180175185A1 (en) * | 2016-12-15 | 2018-06-21 | National Chiao Tung University | Semiconductor device and method of manufacturing the same |
| CN106768389A (zh) * | 2017-01-16 | 2017-05-31 | 北立传感器技术（武汉）有限公司 | 一种基于电流式弛豫铁电单晶热释电探测器及其制备方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| VALERIODI LECCEA等: "Experimental and simulated dc degradation of GaN HEMTs by means of gate-drain and gate-source reverse bias stress", 《MICROELECTRONICS RELIABILITY》, vol. 50, no. 9, 11 August 2010 (2010-08-11) * |
| 彭浩: "SrTiO3缓冲层对Bi3.15Nd0.85Ti3O12无铅铁电薄膜的改性研究", 《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(硕士) 工程科技Ⅰ辑(月刊)》, no. 01, 15 January 2014 (2014-01-15) * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110676370B (zh) | 2022-12-09 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR100971579B1 (ko) | 반도체 장치의 제조 방법 | |
| Lee et al. | P-channel tin monoxide thin film transistor fabricated by vacuum thermal evaporation | |
| Chaganti et al. | Demonstration of a depletion-mode SrSnO 3 n-channel MESFET | |
| JP2004511913A (ja) | 単一集積ｅ／ｄモードｈｅｍｔおよびその製造方法 | |
| US10671351B2 (en) | Low-power random number generator | |
| CN105405893A (zh) | 一种平面分离双栅薄膜晶体管及其制备方法 | |
| CN109282924B (zh) | 一种压力传感器及其制备方法 | |
| CN110010710B (zh) | 一种用于光检测应用的a-IGZO薄膜传感器及其制作方法 | |
| CN110676370B (zh) | 一种GaN基热敏器件及其制备方法 | |
| Rodriguez-Davila et al. | Performance and reliability comparison of ZnO and IGZO thin-film transistors and inverters fabricated at a maximum process temperature of 115° C | |
| CN106876421B (zh) | 一种基于动态耦合效应的半导体光电传感器及其制备方法 | |
| CN112071939A (zh) | 一种基于铁电半导体和薄层二维材料的光电探测器 | |
| CN111755576A (zh) | 非晶氧化镓刻蚀方法及在三端器件和阵列成像系统的应用 | |
| TWI394276B (zh) | 一種具有載子捕獲層之雙極性接面電晶體 | |
| CN101661944B (zh) | 一种紫外图像传感器的像素单元结构及其制备方法 | |
| CN111262531A (zh) | 一种探测电路、其制作方法及探测面板 | |
| CN105514156A (zh) | 具有异质结结构的GaN基p型场效应管及制备方法 | |
| CN109613065B (zh) | 一种半导体湿度传感器及其制备方法 | |
| CN109786498B (zh) | 一种基于二维半导体材料的红外探测元件及其制备方法 | |
| Yang et al. | Light-to-dark current ratio enhancement on MIS tunnel diode ambient light sensor by oxide local thinning mechanism and near power-free neighboring gate | |
| CN110896115B (zh) | 光电晶体管、红外探测器和光电晶体管的制作方法 | |
| CN110137203A (zh) | 像素传感结构、传感装置及像素传感结构的形成方法 | |
| KR102254200B1 (ko) | 박막 트랜지스터 및 그 제조 방법 | |
| Caputo et al. | Analytical model of the drain current in amorphous silicon junction field effect transistors | |
| CN111129287A (zh) | 一种GaN基磁感应器及制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20230413 Address after: No. 1088, Xueyuan Avenue, Taoyuan Street, Nanshan District, Shenzhen City, Guangdong Province Patentee after: SOUTH University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY OF CHINA Address before: Taizhou building, No. 1088, Xueyuan Avenue, Xili University Town, Nanshan District, Shenzhen City, Guangdong Province Patentee before: SHENZHEN THIRD GENERATION SEMICONDUCTOR Research Institute |
|
| TR01 | Transfer of patent right |