CN111044575A - GaN基集成器件及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开提供了一种GaN基集成器件及其制作方法，其GaN基集成器件自下而上顺次包括：衬底、缓冲层和感应层；感应层上顺次设置有GaN感应区、连接区和信号放大区，且电性相连；沟道底部延伸至感应层内，用于隔离GaN传感区、信号放大区和连接区；GaN传感区用于检测待测环境中感应信号的变化；信号放大区用于接收所述GaN传感区得到的感应信号，并进行放大设置；连接区用于连接所述GaN传感区和所述信号放大区。本发明公开实现了将氮化镓传感器和信号放大器的单片集成，具有高灵敏、高稳定性，同时能够对信号进行滤波、抗干扰，利于提高传感器的采样信噪比和传输质量。
Description
技术领域
本发明公开涉及半导体器件和传感器领域，尤其涉及一种GaN基集成器件及其制作方法。
背景技术
氮化镓材料具有宽禁带、高饱和电子速度、耐腐蚀等材料优势，适用于高温、高压以及恶劣的环境中。传感器作为一种检测装置，能感受到被测量的信息，并将感受的信号按一定的规律转变为电信号或者其它所需要的形式输出，处理，存储显示记录等等。
采用氮化镓材料制成的传感器，是目前比较有优势的一种传感器，当前常用的氮化镓传感器有NO2、NO气体传感器，重金属离子、pH值检测传感器，用于DNA测序，蛋白质以及其它生物监测等等，这些传感器件通过氮化镓传感器表面感受环境的变化来实现对待测环境的信息测量与感应。常规的分立传感器由于还需要配合芯片外部的放大电路才能获得准确的感知信号，这种电路结构因为外部连线以及放大电路匹配等问题，容易造成感知信号灵敏度不高、背景噪声较大，信噪比低等问题，且具有潜在的可靠性风险。
因此研发一种检测速度快，灵敏度高，并且与放大电路单片集成的传感芯片很重要。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种GaN基集成器件及其制作方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种GaN基集成器件，包括：
衬底；
缓冲层，形成于所述衬底上；所述缓冲层为氮化镓缓冲层；
感应层，形成于所述缓冲层上；
GaN传感区，形成于所述感应层上，在待测环境中用于感应信号的变化；
信号放大区，形成于所述感应层上，用于接收所述GaN传感区得到感应信号，并进行放大设置；
连接区，形成于所述感应层上，用于连接所述GaN传感区和所述信号放大区；
沟道，所述沟道底部延伸至所述感应层内，所述沟道用于隔离所述GaN传感区、所述信号放大区和所述连接区；
所述GaN传感区、所述连接区和所述信号放大区从左至右顺次分布于所述感应层上且电性相连。
在本公开的一些实施例中，所述GaN传感区包括：
第一电极，形成于所述感应层上；所述第一电极与电信号输入端相连；
第二电极，形成于所述感应层上；所述第二电极与所述连接区电性相连；
多个钝化层，形成于所述感应层上；且多个所述钝化层分别设置于与所述第一电极和所述第二电极相邻接的位置；
感应区域，位于相邻两个所述钝化层间的所述感应层上，且所述两个钝化层分别与第一电极和第二电极相邻；
所述感应区域检测待测环境中感应信号的变化，感应信号的变化使所述第一电极和第二电极间产生电流信号的变化，所述第二电极将电流信号传输至所述连接区。
在本公开的一些实施例中，所述信号放大区包括：
第三电极、第四电极和第五电极，形成于所述感应层上；所述第三电极接地线；所述第四电极与所述连接区相连；所述第五电极与电阻相连；
多个所述钝化层分别设置于与所述第三电极、所述第四电极和所述第五电极相邻的位置。
在本公开的一些实施例中，所述连接区自下而上顺次包括钝化层、第一金属层、介质层和第二金属层；所述第一金属层、所述介质层和所述第二金属层构成电容，所述连接区一端与所述GaN第二电极相连，所述连接区另一端与所述信号放大区相连。
在本公开的一些实施例中，所述钝化层的厚度为1nm-120nm；所述第一电极、第二电极、第三电极、第四电极或第五电极的厚度为250nm-270nm。
在本公开的一些实施例中，所述衬底材料为Si，SiC，蓝宝石，金刚石，AlN或者氮化镓晶片中的一种或多种；缓冲层材料为GaN；感应层的材料为GaN，AlInN或AlGaN三元合金和AlInGaN四元合金中一种或多种。
在本公开的一些实施例中，所述钝化层的材料为SiN，SiO2，Al2O3或SiON中的一种或多种；第一金属层和第二金属层的材料为Ti、Al、Ni或Au中的一种或多种。
在本公开的一些实施例中，所述介质层的材料为SiN，SiO2，Al2O3或SiON中的一种或多种；介质层厚度为1nm-120nm。
根据本公开的另一个方面，提供了一种GaN基集成器件的制作方法，其中，包括：
步骤A：在衬底上外延生长缓冲层；在缓冲层上外延生长感应层；在感应层上生长一层钝化层；
步骤B：在钝化层上刻蚀至感应层表面，并在该刻蚀部位分别形成第一电极、第二电极、第三电极、第四电极和第五电极；
步骤C：在钝化层上刻蚀至沟道的底部且延伸至感应层内，用于隔离GaN传感区、信号放大区和连接区；
步骤D：在钝化层上制备第一金属层、介质层和第二金属层，第一金属层、介质层和第二金属层共同构成连接区的电容；
步骤E：在GaN传感区、信号放大区和连接区布置导线，进行集成；
步骤F：刻蚀钝化层至感应层的界面形成感应区域。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开GaN基集成器件及其制作方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)本公开中GaN传感区和信号放大区的设置，实现了将氮化镓传感器和信号放大器的单片集成，具有高灵敏、高稳定性，同时能够对信号进行滤波、抗干扰，利于提高信号的传输质量。
(2)本公开中通过连接区将GaN传感区和所述信号放大区进行集成，无需焊接外围电子器件，降低了外围电子元器件对信号的干扰，提高了器件的检测灵敏度和信噪比。
(3)本公开中信号放大区的设置能够对检测信号进行倍数上的放大设置，使测量结果更为明确，有效提高传感器件的灵敏度。
附图说明
图1为本公开实施例GaN基集成器件的示意图。
图2为本公开实施例GaN基集成器件的制作方法的流程图。
【附图中本公开实施例主要元件符号说明】
1-衬底；
2-缓冲层；
3-感应层；
4-钝化层；
5a-第一电极；5b-第二电极；
5c-第三电极；5d-第四电极；
5e-第五电极；
6-感应区域；
7a-第一金属层；
4a-介质层；
7b-第二金属层；
8-沟道；
9-导线。
具体实施方式
本公开提供了一种GaN基集成器件及其制作方法，其GaN基集成器件自下而上顺次包括：衬底、缓冲层和感应层；感应层上顺次设置有GaN传感区、连接区和信号放大区，且电性相连；沟道底部延伸至感应层内，用于隔离GaN传感区、信号放大区和连接区；GaN传感区用于检测待测环境中信号的变化；信号放大区用于接收所述GaN传感区得到的感应信号，并进行放大设置；连接区用于连接所述GaN传感区和所述信号放大区。本公开实现了将氮化镓传感器和信号放大器的集成，具有高灵敏、高稳定性，同时能够对信号进行滤波、抗干扰，利于提高信号的传输质量。
在描述问题的解决方案之前，先定义一些特定词汇是有帮助的。
本文所述的「衬底(substrate)」，可包括任何底层材质，其上可形成装置，电路，外延层或半导体。一般来说，衬底可用来定义位于半导体装置底下的层，或者是形成半导体装置的基层。衬底可包括硅、掺杂硅(doped silicon)、锗、硅锗(silicon germanium)、半导体复合物(semiconductor compound)，或其他半导体材质的一或任何组合。
本文所述的「缓冲层(buffer layer)」，包括氮化镓材料，其上可以形成装置，电路，或者半导体，一般来说可以定义为位于外延片中间的层。
本文所述的「感应层(sensing layer)」，感应层上可以形成电路，一般来说感应层的材料为GaN，AlInN或AlGaN三元合金，或AlInGaN四元合金。
本文所述的「钝化层(passivation layer)」，主要作用是保护电路，防止其传输路线短路，钝化层的材料为SiN，SiO2，Al2O3或SiON。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。
在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种GaN基集成器件。图1为本公开实施例GaN基集成器件的示意图。如图1所示，本公开GaN基集成器件包括：衬底1、缓冲层2、感应层3、GaN传感区、信号放大区、连接区和沟道8；自上而下顺次设置衬底1、缓冲层2和感应层3，缓冲层2为氮化镓缓冲层，感应层3上从左至右顺次设置GaN传感区、连接区和信号放大区且GaN传感区、连接区和信号放大区电性相连，沟道8底部延伸至感应层3内，沟道8用于隔离GaN传感区、信号放大区和连接区。本公开中通过连接区将GaN传感区和所述信号放大区进行集成，无需焊接外围电子器件，降低了外围电子元器件对信号的干扰，提高了器件的检测灵敏度。本公开的灵敏度相较于传统氮化镓传感器的灵敏度放大了数十倍以上，具有非常好的应用前景。
以下分别对本实施例GaN基集成器件的组成部分进行详细描述。
衬底1的材料为Si，SiC，蓝宝石，金刚石，AlN或者氮化镓晶片中的一种或多种。缓冲层2的材料为GaN。感应层3的材料为GaN，AlInN或AlGaN三元合金和AlInGaN四元合金中一种或多种。
GaN传感区，用于检测待测环境中信号的变化。GaN传感区包括：第一电极5a、第二电极5b、多个钝化层4和感应区域6，多个钝化层4分别设置于与第一电极5a和第二电极5b相邻接的位置。感应区域6位于相邻两个钝化层4间的感应层3上，且前述两个钝化层4分别与第一电极5a和第二电极5b相邻。感应区域6的尺寸范围为长10um-2mm，宽50um-2mm，感应区域6的尺寸范围的选择与感应灵敏度相关，尺寸越大接触面积越多，感应到的电信号越多，导致输出的结果越明显。第一电极5a、第二电极5b、第三电极5c、第四电极5d或第五电极5e的厚度为250nm-270nm。
连接区，用于连接GaN传感区和信号放大区。连接区自下而上顺次包括钝化层4、第一金属层7a、介质层4a和第二金属层7b(第一金属层7a、介质层4a和第二金属层7b构成电容)。介质层4a的材料为SiN，SiO2，Al2O3或SiON中的一种或多种。第一金属层7a和第二金属层7b的材料为Ti、Al、Ni或Au中的一种或多种。钝化层4的厚度为1nm-120nm。介质层4a厚度为1nm-120nm。
信号放大区，用于接收所述GaN传感区得到的感应信号，并能够对检测信号进行倍数上的放大设置，使测量结果更为明确，有效提高传感器件的灵敏度和稳定性，同时能够对信号进行滤波、抗干扰，利于提高信号的传输质量。具体的，信号放大区包括第三电极5c、第四电极5d、第五电极5e和多个钝化层4，多个钝化层4分别设置于与第三电极5c、第四电极5d和第五电极5e相邻接的位置。第三电极5c、第四电极5d和第五电极5e均形成于感应层3上，第四电极5d与连接区相连；所述第五电极5e与电阻相连。这里需要说明的是第一电极5a、第二电极5b、第三电极5c、第四电极5d或第五电极5e的材料选择为Ti、Al、Ni或Au。第一电极5a、第二电极5b、第三电极5c、第四电极5d或第五电极5e的尺寸范围为100um-2mm，尺寸范围与各个电极和感应层3的接触电阻相关。
请参照图1所示，GaN传感区、连接区和信号放大区间通过导线9相连，感应区域6检测待测环境中信号的变化，感应信号的变化引起第一电极5a和第二电极5b之间的电流信号发生变化，GaN传感区的第二电极5b与连接区中由第一金属层7a、介质层4a和第二金属层7b构成的电容一侧相连，将电流信号输出至连接区，连接区中由第一金属层7a、介质层4a和第二金属层7b构成的电容的另一侧与信号放大区的第四电极相连，将电流信号传输至信号放大区，使信号放大区的第三电极5c和第五电极间的电流信号发生变化，第五电极与固定电阻相连进行分压，使第五电极输出的信号产生变化。
在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种GaN基集成器件的制作方法。图2为本公开实施例GaN基集成器件的制作方法的流程图。如图2所示，GaN基集成器件的制作方法包括下述步骤：
步骤A：在衬底上外延生长缓冲层；在缓冲层上外延生长感应层；在感应层上生长一层钝化层。
步骤B：在钝化层上刻蚀至感应层表面，并在该刻蚀部位分别形成第一电极、第二电极、第三电极、第四电极和第五电极。
步骤C：在钝化层上刻蚀至沟道的底部且延伸至感应层内，用于隔离GaN传感区、信号放大区和连接区。
步骤D：在钝化层上制备第一金属层、介质层和第二金属层，第一金属层、介质层和第二金属层构成连接区的电容。
步骤E：在GaN传感区、信号放大区和连接区布置导线，进行集成；
步骤F：刻蚀钝化层至感应层的界面形成感应区域。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开GaN基集成器件及其制作方法有了清楚的认识。
综上所述，本公开提供一种集成氮化镓传感器和信号放大器的GaN基集成器件及其制作方法，可应用于水质监测、重金属离子监测、PH值测试、气体传感、细胞等监测结果的放大。此外本公开利用氮化镓材料，可以在溶液中有优越的生物相容性和化学稳定性，可应用于高温、高压、高酸碱度的水质中进行高精确度的检测。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种GaN基集成器件，包括：
衬底；
缓冲层，形成于所述衬底上；所述缓冲层为氮化镓缓冲层；
感应层，形成于所述缓冲层上；
GaN传感区，形成于所述感应层上，在待测环境中用于感应信号的变化；
信号放大区，形成于所述感应层上，用于接收所述GaN传感区得到感应信号，并进行放大设置；
连接区，形成于所述感应层上，用于连接所述GaN传感区和所述信号放大区；
沟道，所述沟道底部延伸至所述感应层内，所述沟道用于隔离所述GaN传感区、所述信号放大区和所述连接区；
所述GaN传感区、所述连接区和所述信号放大区从左至右顺次分布于所述感应层上且电性相连。
2.根据权利要求1所述的GaN基集成器件，其中，所述GaN传感区包括：
第一电极，形成于所述感应层上；所述第一电极与电信号输入端相连；
第二电极，形成于所述感应层上；所述第二电极与所述连接区电性相连；
多个钝化层，形成于所述感应层上；且多个所述钝化层分别设置于与所述第一电极和所述第二电极相邻接的位置；
感应区域，位于相邻两个所述钝化层间的所述感应层上，且所述两个钝化层分别与第一电极和第二电极相邻；
所述感应区域在待测环境中感应信号的变化，感应信号的变化使所述第一电极和第二电极间产生电流信号的变化，所述第二电极将电流信号传输至所述连接区。
3.根据权利要求2所述的GaN基集成器件，其中，所述信号放大区包括：
第三电极、第四电极和第五电极，形成于所述感应层上；所述第三电极接地线；所述第四电极与所述连接区相连；所述第五电极与电阻相连；
多个所述钝化层分别设置于与所述第三电极、所述第四电极和所述第五电极相邻的位置。
4.根据权利要求2所述的GaN基集成器件，其中，所述连接区自下而上顺次包括钝化层、第一金属层、介质层和第二金属层；所述第一金属层、所述介质层和所述第二金属层构成电容，所述连接区一端与所述GaN第二电极相连，所述连接区另一端与所述信号放大区相连。
5.根据权利要求2-4中任一项所述的GaN基集成器件，其中，所述钝化层的厚度为1nm-120nm；所述第一电极、第二电极、第三电极、第四电极或第五电极的厚度为250nm-270nm。
6.根据权利要求1所述的GaN基集成器件，其中，所述衬底材料为Si，SiC，蓝宝石，金刚石，AlN或者氮化镓晶片中的一种或多种；缓冲层材料为GaN；感应层的材料为GaN，AlInN或AlGaN三元合金和AlInGaN四元合金中一种或多种。
7.根据权利要求4所述的GaN基集成器件，其中，所述钝化层的材料为SiN，SiO2，Al2O3或SiON中的一种或多种；第一金属层和第二金属层的材料为Ti、Al、Ni或Au中的一种或多种。
8.根据权利要求4所述的GaN基集成器件，其中，所述介质层的材料为SiN，SiO2，Al2O3或SiON中的一种或多种；介质层厚度为1nm-120nm。
9.一种GaN基集成器件的制作方法，其中，包括：
步骤A：在衬底上外延生长缓冲层；在缓冲层上外延生长感应层；在感应层上生长一层钝化层；
步骤B：在钝化层上刻蚀至感应层表面，并在该刻蚀部位分别形成第一电极、第二电极、第三电极、第四电极和第五电极；
步骤C：在钝化层上刻蚀至沟道的底部且延伸至感应层内，用于隔离GaN传感区、信号放大区和连接区；
步骤D：在钝化层上制备第一金属层、介质层和第二金属层，第一金属层、介质层和第二金属层构成连接区的电容；
步骤E：在GaN传感区、信号放大区和连接区布置导线，进行集成；
步骤F：刻蚀钝化层至感应层的界面形成感应区域。
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