CN110729394A - 一种负阻式GaN压力传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种负阻式GaN压力传感器及其制备方法，包括：1)Si衬底上依次生长GaN缓冲层和n型GaN层；2)n型GaN层上生长双势垒AlGaN/GaN/AlGaN量子阱；3)双势垒AlGaN/GaN/AlGaN量子阱上生长n型GaN层；4)选择性刻蚀外延层材料形成刻蚀台面和台阶；5)在台面和台阶上淀积钝化层；6)刻蚀钝化层形成电极孔，并淀积金属电极；7)选择性刻蚀Si衬底形成刻蚀凹槽。首先，本发明利用共振隧穿效应调控量子阱内载流子输运过程以及负阻效应；其次，本发明利用了AlGaN/GaN异质结具有的压电极化效应，通过外部压力改变极化电场，从而使得量子阱内的能级发生改变，达到控制量子阱中载流子的隧穿效率，使得输出电流快速下降，即在外界压力情况下出现负阻效应，从而表现出极高的响应灵敏度。

Description

一种负阻式GaN压力传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及压力传感器领域，具体为一种负阻式GaN压力传感器及其制备方法。
背景技术
压力传感器是目前工业应用领域中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业控制环境，涉及铁路交通、航空航天、军工、水利水电、智能建筑、电力、机床、船舶等众多行业。
传统的半导体压力传感器是通过压力改变载流子浓度，迁移率或者电容来实现电信号的输出，从而实现压力传感。然而这些方法中由于浓度、迁移率以及电容的压电变化系数小，限制了所最小施加压力，以及存在压力的非线性和滞后效应，导致压力反应慢，失真等缺点。
发明内容
基于上述提到的应用前景和需求，本发明创新性的提出了一种负阻式GaN压力传感器及其制备方法，能够满足快速、高灵敏的压力传感。本发明利用共振隧穿二极管来实现压力传感，一种负阻式GaN压力传感器及其制备方法，包括以下制备过程：
1)Si衬底上依次生长GaN缓冲层和n型GaN层；
2)n型GaN层上生长双势垒AlGaN/GaN/AlGaN量子阱；
3)双势垒AlGaN/GaN/AlGaN量子阱上生长n型GaN层，形成共振隧穿二极管；
4)选择性刻蚀外延层材料形成刻蚀台面和台阶；
5)在台面和台阶上淀积钝化层；
6)刻蚀钝化层形成电极孔，并淀积金属电极；
7)选择性刻蚀Si衬底形成刻蚀凹槽。
优选地，所述1)中的GaN缓冲层厚度为0.2μm～4μm；所述n型GaN层厚度为0.1μm～0.5μm，掺杂浓度为1×1018cm-3～5×1018cm-3，掺杂元素为硅。
在双势垒AlGaN/GaN/AlGaN量子阱结构中，量子限域效应在量子阱中形成分立能级。通过外加偏压可以改变分立能级位置，并使其低于发射极费米能级同时高于发射极导带底能级，电子有极大概率通过共振隧穿效应穿过双势垒结构。
双势垒AlGaN/GaN/AlGaN量子阱中各层均为纳米级厚度的材料，与量子阱接触的n型GaN层分别为发射极和集电极。调节偏压，使得势阱内量子化能级与发射极导带底对齐时，此时输出电流接近峰值；然后保持偏压不变，在有外部压力存在的情况下，极化电场改变阱内量子能级的位置，使得量子化能级低于发射极导带底时，此时共振隧穿效应的条件不满足，共振隧穿截止，电流值会极速下降。因此，压力就会与负阻呈现一个量化关系，而且表现出快速、高灵敏的特性。
优选地，所述2)中的双势垒AlGaN/GaN/AlGaN量子阱为一个周期，其中AlGaN层的厚度为2.5nm～10nm，GaN层的厚度为2.5nm～10nm。
用AlGaN/GaN异质结具有的压电极化效应，将外部压力转变成极化电场变量，并改变量子阱内的能级，从而调节量子阱内外载流子的输运，输出电流快速变化，并呈现出极高的响应灵敏度。
优选地，所述3)中的n型GaN层厚度为0.1μm～0.5μm，掺杂浓度为1×1018cm-3～5×1018cm-3，掺杂元素为硅。
优选地，所述5)中的钝化层厚度为20nm～200nm，材料为无机材料。
优选地，所述无机材料为氧化铝，氮化硅，氧化硅。
优选地，所述7)中Si衬底上的刻蚀凹槽，其位于刻蚀台面的正下方，凹槽宽度小于台阶宽度，深度50μm～250μm。
优选地，由上述方法制得的负阻式GaN压力传感器。
AlGaN/GaN异质结自身具有很强的压电极化效应，在外部压力的作用下，其内部的极化电场会发生变化，而极化电场的变化会导致量子阱内的分立能级位置发生改变，从而使得电流可以由原来的共振模式转变成非共振模式，而产生压力负阻现象，从而来实现高灵敏度的压力探测。利用双势垒量子阱的微分负阻效应和AlGaN/GaN异质结的压电极化效应可以制备新型的压力传感器，将外压力转化成负阻信号输出，从而实现对压力的传感和探测。
本发明的优点在于：
1.本发明利用共振隧穿效应来调控载流子的输运，因此具有极快的响应速度。
2.本发明利用AlGaN/GaN异质结具有的压电极化效应，将外部压力转变成极化电场变量，并改变量子阱内的能级，从而调节量子阱内外载流子的输运，输出电流快速变化，并呈现出极高的响应灵敏度。
3.该发明具有低电压、低功耗和工作频率高的优点。
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1a为双势垒量子井结构的能带示意图；
图1b为电流电压曲线；
图2为本发明的二维剖面结构示意图；
图3、4、5为本发明的制备工艺流程图；
图2中，Si衬底1，GaN缓冲层2，n型GaN层3，AlGaN层4，GaN层5，AlGaN层6，n型GaN层7，氧化铝钝化层8，上金属电极9，下金属电极10。
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。
本实施例提供一种新型栅控PIN结构GaN紫外探测器及其制备方法，器件的剖面如图1所示，它由Si衬底1、GaN缓冲层2、n型GaN层3、AlGaN层4、GaN层5、AlGaN层6、n型GaN层7、氧化铝钝化层8、上金属电极9和下金属电极10组成。
如图1a所示，在双势垒AlGaN/GaN/AlGaN量子阱结构中，量子限域效应在量子阱中形成分立能级。通过外加偏压可以改变分立能级位置，并使其低于发射极费米能级同时高于发射极导带底能级，电子有极大概率通过共振隧穿效应穿过双势垒结构。如图1b所示，随着偏压的增加，费米能级与分立能级之间差值增大，隧穿概率增大，隧穿电流上升。当分立能级与发射极导带底对齐时，隧穿电流达到峰值；当偏压进一步加大，分立能级低于发射极导带底时，共振隧穿效应的条件不满足，共振隧穿截止，电流值就会快速下降，出现微分负阻效应。此外，由于AlGaN/GaN异质结自身具有很强的压电极化效应，在外部压力的作用下，其内部的极化电场会发生变化，而极化电场的变化会导致量子阱内的分立能级位置发生改变，从而使得电流可以由原来的共振模式转变成非共振模式，而产生压力负阻现象，从而来实现高灵敏度的压力探测。因此，我们能够利用双势垒量子阱的微分负阻效应和AlGaN/GaN异质结的压电极化效应可以制备新型的压力传感器，将外压力转化成负阻信号输出，从而实现对压力的传感和探测。
本发明的结构示意图如图2所示，其中双势垒AlGaN/GaN/AlGaN量子阱中各层均为纳米级厚度的材料，与量子阱接触的n型GaN层分别为发射极和集电极。调节偏压，使得势阱内量子化能级与发射极导带底对齐时，此时输出电流接近峰值；然后保持偏压不变，在有外部压力存在的情况下，极化电场改变阱内量子能级的位置，使得量子化能级低于发射极导带底时，此时共振隧穿效应的条件不满足，共振隧穿截止，电流值会极速下降。因此，压力就会与负阻呈现一个量化关系，而且表现出快速、高灵敏的特性。
具体制备工艺流程如图3所示，包括：
1)取样Si衬底，并用合适的溶液对其表面进行预处理。
2)在衬底之上依次外延生长2μm GaN缓冲层2、0.1μm掺杂浓度为1×1018cm-3的n型GaN层3、2.5nmAlGaN 4、2.5nm GaN 5、2.5nmAlGaN 6、0.1μm掺杂浓度为1×1018cm-3的n型GaN层7；
3)使用感应耦合等离子体(ICP)刻蚀设备，结合刻蚀掩膜，选择性刻蚀外延材料，形成刻蚀台面和台阶，其中台阶刻蚀深度至n型掺杂GaN层3；
4)利用原子层沉积(ALD)设备，在洁净的刻蚀台阶和台面上淀积20nm厚的氧化铝(Al2O3)层8；
5)通过光刻和选择性刻蚀工艺，在氧化铝介质层8刻蚀出上电极孔和下电极孔，其中上电极孔位于n型GaN材料7上方，下电极孔位于刻蚀槽内n型GaN3上方；
6)利用光刻、金属蒸镀技术，淀积金属电极9、10，通过适当的退火工艺和金属材料选择确保上、下金属电极与外延材料之间形成良好的欧姆接触；
7)通过刻蚀工艺，选择性刻蚀Si衬底形成刻蚀凹槽，保证刻蚀凹槽位于刻蚀台面的正下方，凹槽宽度小于台阶宽度，深度为50μm。
具体制备工艺流程如图4所示，包括：
1)取样Si衬底，并用合适的溶液对其表面进行预处理；
2)在衬底之上依次外延生长3μm GaN缓冲层2、0.2μm掺杂浓度为2×1018cm-3的n型GaN层3、5nmAlGaN 4、5nm GaN 5、5nmAlGaN 6、0.2μm掺杂浓度为2×1018cm-3的n型GaN层7；
3)使用感应耦合等离子体(ICP)刻蚀设备，结合刻蚀掩膜，选择性刻蚀外延材料，形成刻蚀台面和台阶，其中台阶刻蚀深度至n型掺杂GaN层3；
4)利用原子层沉积(ALD)设备，在洁净的刻蚀台阶和台面上淀积80nm厚的氧化铝(Al2O3)层8；
5)通过光刻和选择性刻蚀工艺，在氧化铝介质层8刻蚀出上电极孔和下电极孔，其中上电极孔位于n型GaN材料7上方，下电极孔位于刻蚀槽内n型GaN3上方；
6)利用光刻、金属蒸镀技术，淀积金属电极9、10，通过适当的退火工艺和金属材料选择确保上、下金属电极与外延材料之间形成良好的欧姆接触；
7)通过刻蚀工艺，选择性刻蚀Si衬底形成刻蚀凹槽，保证刻蚀凹槽位于刻蚀台面的正下方，凹槽宽度小于台阶宽度，深度为150μm。
具体制备工艺流程如图5所示，包括：
1)取样Si衬底，并用合适的溶液对其表面进行预处理。
2)在衬底之上依次外延生长4μm GaN缓冲层2、0.5μm掺杂浓度为5×1018cm-3的n型GaN层3、10nmAlGaN 4、10nm GaN 5、10nmAlGaN 6、0.5μm掺杂浓度为5×1018cm-3的n型GaN层7；
3)使用感应耦合等离子体(ICP)刻蚀设备，结合刻蚀掩膜，选择性刻蚀外延材料，形成刻蚀台面和台阶，其中台阶刻蚀深度至n型掺杂GaN层3；
4)利用原子层沉积(ALD)设备，在洁净的刻蚀台阶和台面上淀积200nm厚的氧化铝(Al2O3)层8；
5)通过光刻和选择性刻蚀工艺，在氧化铝介质层8刻蚀出上电极孔和下电极孔，其中上电极孔位于n型GaN材料7上方，下电极孔位于刻蚀槽内n型GaN3上方；
6)利用光刻、金属蒸镀技术，淀积金属电极9、10，通过适当的退火工艺和金属材料选择确保上、下金属电极与外延材料之间形成良好的欧姆接触；
7)通过刻蚀工艺，选择性刻蚀Si衬底形成刻蚀凹槽，保证刻蚀凹槽位于刻蚀台面的正下方，凹槽宽度小于台阶宽度，深度为250μm。
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 (8)

1.一种负阻式GaN压力传感器及其制备方法，其特征在于：包括
1)Si衬底上依次生长GaN缓冲层和n型GaN层；
2)n型GaN层上生长双势垒AlGaN/GaN/AlGaN量子阱；
3)双势垒AlGaN/GaN/AlGaN量子阱上生长n型GaN层，形成共振隧穿二极管；
4)选择性刻蚀外延层材料形成刻蚀台面和台阶；
5)在台面和台阶上淀积钝化层；
6)刻蚀钝化层形成电极孔，并淀积金属电极；
7)选择性刻蚀Si衬底形成刻蚀凹槽。
2.根据权利要求1所述的负阻式GaN压力传感器及其制备方法，其特征在于：所述1)中的GaN缓冲层厚度为0.2μm～4μm；所述n型GaN层厚度为0.1μm～0.5μm，掺杂浓度为1×1018cm-3～5×1018cm-3，掺杂元素为硅。
3.根据权利要求1所述的负阻式GaN压力传感器及其制备方法，其特征在于：所述2)中的双势垒AlGaN/GaN/AlGaN量子阱为一个周期，其中AlGaN层的厚度为2.5nm～10nm，GaN层的厚度为2.5nm～10nm。
4.根据权利要求1所述的负阻式GaN压力传感器及其制备方法，其特征在于：所述3)中的n型GaN层厚度为0.1μm～0.5μm，掺杂浓度为1×1018cm-3～5×1018cm-3，掺杂元素为硅。
5.根据权利要求1所述的负阻式GaN压力传感器及其制备方法，其特征在于：所述5)中的钝化层厚度为20nm～200nm，材料为无机材料。
6.根据权利要求5所述的负阻式GaN压力传感器及其制备方法，所述无机材料为氧化铝，氮化硅，氧化硅。
7.根据权利要求1所述的负阻式GaN压力传感器及其制备方法，其特征在于：所述7)中Si衬底上的刻蚀凹槽，其位于刻蚀台面的正下方，凹槽宽度小于台阶宽度，深度50μm～250μm。
8.根据权利要求1-7所述方法制得的负阻式GaN压力传感器。
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