CN111129287A - 一种GaN基磁感应器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种GaN基磁感应器及制备方法，包括第一电极、第二电极、第三电极、第四电极、第五电极、第六电极，其中第一电极和第四电极接地，所述第一电极、第二电极、第三电极和第四电极形成霍尔效应四电极；本发明创新性地利用了GaN/AlGaN异质界面上的二维电子气和霍尔效应，将磁场强度信号转化为电压信号，并通过MOSFET的栅压调制作用将信号电压放大输出，能够实现快速、准确、高灵敏度的磁场探测。
Description
技术领域
本发明涉及磁探测领域，具体为一种具有高灵敏度的GaN磁感应器及其制备方法。
背景技术
GaN是第三代宽禁带半导体材料之一，其具有击穿电场高、电子饱和速度快、可在高温工作等优势，在电力电子器件方面显示出良好的应用前景，而在GaN基器件中，AlGaN/GaN异质结因自身具有很强的自发极化效应和压电极化效应，会在异质界面形成高达1013cm-3的二维电子气(two dimensional electron gas,2DEG)而得到了广泛的关注。当前，人们已经利用高密度的AlGaN/GaN异质结二维电子气研发设计出了各种应用需求的电力电子器件。由于GaN材料能够工作在高温、高压和磁场环境中特点，因此将GaN\AlGaN异质结应用到磁场环境以进行磁场监控将会有一个很好的应用和发展前景。目前传统的磁性感应器，采用的是霍尔结构，该结构只是简单利用电流的磁偏转效应而产生感应电压，但是该结构灵敏度较低，无法测量低磁场情况。
发明内容
基于上述提到的GaN基器件应用开发需求，本发明创新性的提出了一种具有高灵敏度的GaN基磁感应器及其制备方法，不仅能够通过霍尔效应和AlGaN/GaN异质界面处的二维电子气的作用，将磁场强度信号转化成电压信号，并通过磁感应器的栅压调控作用将电信号放大输出，满足快速、高灵敏的磁场探测。
本发明的GaN基磁感应器包括：
第一电极、第二电极、第三电极、第四电极、第五电极、第六电极，其中第一电极和第四电极接地，所述第一电极、第二电极、第三电极和第四电极形成霍尔效应四电极；
所述磁感应器的结构从下到上依次包括衬底、高阻GaN缓冲层、非掺杂GaN层、AlGaN层、GaN外延层；位于所述非掺杂GaN层和AlGaN层上的绝缘层，所述绝缘层部分覆盖所述GaN外延层；
第一电极、第三电极和第四电极位于所述GaN外延层上；第二电极部分覆盖所述GaN外延层、绝缘层和AlGaN层，所述第五电极和第六电极位于AlGaN层上；所述第二电极、第五电极和第六电极分别为所述磁感应器的栅极、源极和漏极；所述第二电极将电压信号输入GaN基磁感应器，所述源极和漏极将放大的电压信号输出；
所述栅极与AlGaN层形成肖特基接触，所述源极和所述漏极与AlGaN层形成欧姆接触，所述第一电极、第三电极和第四电极与所述GaN外延层形成欧姆接触。
优选的，所述非掺杂GaN层和AlGaN层接触面形成1×1010cm-2～1×1015cm-2的二维电子气。
优选的，所述高阻GaN缓冲层厚度为0.2μm～4μm。
优选的，所述非掺杂GaN层厚度为0.1μm～2μm。
优选的，所述AlGaN层厚度为0.1μm～1μm，掺杂浓度为1×1015cm-3～1×1016cm-3，掺杂元素为硅。
优选的，所述GaN外延层厚度为0.1μm～1μm，掺杂浓度为1×1015cm-3～1×1016cm-3，掺杂元素为硅。
优选的，所述绝缘层为Al2O3层厚度为20nm～200nm。
基于相同的发明构思，本发明还提供一中GaN基磁感应器制备方法，包括如下步骤：
8.1Si衬底上生长高阻GaN缓冲层；
8.2高阻GaN缓冲层上生长非掺杂GaN层；
8.3在非掺杂GaN层上生长AlGaN层；
8.4在AlGaN层上生长GaN外延层；
8.5刻蚀GaN外延层和AlGaN层，暴露出部分AlGaN层上表面和部分非掺杂GaN层上表面；
8.6在部分所述AlGaN层上表面、部分所述非掺杂GaN层上表面沉积绝缘层；
8.7在所述GaN外延层上形成第一电极、第三电极和第四电极，在所述GaN外延层、所述绝缘层和所述AlGaN层上形成连续的第二电极，在AlGaN层上沉积第五电极和第六电极；
优选的，所述8.5中刻蚀方法为电感耦合等离子体。
优选的，所述8.6中沉积绝缘层方式为原子层沉积。
优选的，所述8.7中形成所述电极方式为图案化刻蚀和蒸镀。
本发明的第一电极、第二电极、第三电极和第四电极构成了霍尔效应测试所需的四电极，其中第一电极和第四电极接地，磁场方向垂直于电极从上到下。由于AlGaN/GaN异质结具有很强的自发极化效应和压电极化效应，因此在异质界面会形成高达1×1015cm-2的二维电子气，当第三电极和第四电极之间有恒定电流通过时，在霍尔效应的作用下，电子就会快速在第一电极或第二电极端富集，从而快速形成霍尔电压信号。第二电极、第五电极和第六电极形成器件的栅、源和漏极金属电极，其中通过第二电极将霍尔电压信号输入进入器件，利用栅极的调控作和MOS输出放大作用将信号电压稳定地放大输出，提高磁感应器件的灵敏度、响应度等性能。此外，宽禁带的GaN材料本身又具有很高的热稳定性、抗击穿特性等特点，因此本发明能够工作在复杂的环境。将电压信号放大，并通过源漏电极输出。本发明具有快速、准确、高灵敏、高响应度的特性，并且能够在高温和高压等较复杂的环境工作。
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为本发明实施例1提供的GaN基磁感应系统沿入射磁场方向的俯视示意图。
图2为本发明实施例1提供的GaN基磁感应器沿AA`线的二维垂直剖面结构示意图。
图3为本发明实施例1提供的GaN基磁感应器沿CC`线的二维垂直剖面结构示意图。
图4为本发明实施例1的GaN基磁感应器制备工艺流程图。
图5为本发明实施例2的GaN基磁感应器制备工艺流程图。
图6为本发明实施例3的GaN基磁感应器制备工艺流程图。
第一电极1，第二电极2，第三电极3，第四电极4，第五电极5，第六电极6，Si衬底7，高阻GaN缓冲层8，非掺杂GaN层9，AlGaN层10，GaN外延层11，Al2O3绝缘层12。
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MOSFET磁感应器，如图1所示，包括：
第一电极1、第二电极2、第三电极3、第四电极4、第五电极5、第六电极6，其中第一电极1和第四电极4接地，第一电极1和第二电极2在同一水平轴线，第三电极3和第四电极4在同一竖直轴线，并且第一电极1、第三电极3，第二电极2，第四电极4按顺时针方向排列，节省和优化器件面积。
所述第一电极1、第二电极2、第三电极3和第四电极4形成霍尔效应四电极，所述第二电极2、第五电极5和第六电极6分别为GaN基MOSFET器件的栅极、源极和漏极；所述第二电极2将电压信号输入GaN基MOSFET器件，所述源极和漏极将放大的电压信号输出。
如图2和3所示，本发明的GaN基磁感应器结构从下到上依次包括衬底7、厚度为1μm的高阻GaN缓冲层8、非掺杂GaN层9、厚度为0.5μm，掺杂硅元素浓度为5×1015cm-3的AlGaN层10、厚度为0.8μm，掺杂硅元素浓度为8×1015cm-3的GaN外延层11；位于所述非掺杂GaN层和AlGaN层上的厚度为100nm的Al2O3绝缘层12，位于所述GaN外延11层上的第一电极1、第三电极3和第四电极4；部分覆盖所述GaN外延层11、Al2O3绝缘层12和AlGaN层10的第二电极2、位于AlGaN层10上的第五电极5和第六电极6；所述Al2O3绝缘层12覆盖非掺杂GaN层9，部分覆盖GaN外延层11、部分覆盖AlGaN层10；所述第二电极2、第五电极5和第六电极6分别为所述磁感应器件的栅极、源极和漏极。所述栅极与AlGaN层10形成肖特基接触，所述源极和所述漏极与AlGaN层10形成欧姆接触，第一电极1、第三电极3和第四电极4与GaN外延层11形成欧姆接触；所述非掺杂GaN层9和AlGaN层10接触面形成1×1013cm-2的二维电子气。
本实施例还提供一种GaN基磁感应器制备方法
具体制备工艺流程如图4所示，包括：
1)取样Si衬底7，并对其表面进行预处理。
2)在衬底之上依次外延生长1μm厚高阻GaN缓冲层8、0.25μm厚非掺杂GaN层9、0.2μm厚AlGaN层，掺杂浓度为1×1015cm-3，掺杂元素为硅10、0.2μm厚掺杂GaN层，掺杂浓度为1×1015cm-3，掺杂元素为硅11；
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。
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12。
5)通过光刻和刻蚀工艺，选择性刻蚀氧化铝(Al2O3)层12。
6)利用光刻、金属蒸镀技术，淀积电极1、2、3、4、5和6，通过适当的金属材料选择和退火工艺，使电极1、2、3、4、5和6与GaN材料形成良好的欧姆接触，同时使电极2与AlGaN材料形成肖特基结接触。
实施例2
具体制备工艺流程如图5所示，包括：
1)取样Si衬底7，并对其表面进行预处理。
2)在衬底之上依次外延生长2μm厚高阻GaN缓冲层8、0.5μm厚非掺杂GaN层9、0.5μm厚AlGaN层，掺杂浓度为5×1015cm-3，掺杂元素为硅10、0.5μm厚GaN层，掺杂浓度为5×1015cm-3，掺杂元素为硅11；
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。
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100nm厚的氧化铝(Al2O3)层12。
5)通过光刻和刻蚀工艺，选择性刻蚀氧化铝(Al2O3)层12。
6)利用光刻、金属蒸镀技术，淀积金属电极1、2、3、4、5和6，通过适当的金属材料选择和退火工艺，使电极1、2、3、4、5和6与GaN材料形成良好的欧姆接触，同时使电极2与AlGaN材料形成肖特基结接触。
实施例3
具体制备工艺流程如图6所示，包括：
1)取样Si衬底7，并对其表面进行预处理。
2)在衬底之上依次外延生长3μm厚高阻GaN缓冲层8、1.25μm厚非掺杂GaN层9、1.0μm厚掺杂AlGaN层掺杂浓度为1×1016cm-3，掺杂元素为硅10、1.0μm厚掺杂GaN层，掺杂浓度为1×1016cm-3，掺杂元素为硅11；
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。
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12。
5)通过光刻和刻蚀工艺，选择性刻蚀氧化铝(Al2O3)层12。
6)利用光刻、金属蒸镀技术，淀积金属电极1、2、3、4、5和6，通过适当的金属材料选择和退火工艺，使电极1、2、3、4、5和6与GaN材料形成良好的欧姆接触，同时使电极2与AlGaN材料形成肖特基结接触。
在外加的磁场作用下，电极1、2、3和4构成了霍尔效应测试所需的四电极，由于AlGaN/GaN异质结具有很强的自发极化效应和压电极化效应，因此在电极3和4之间通入电流时，在异质界面会形成高达1×1013cm-2的二维电子气，电子快速在1或2电极端富集，在电极1和2之间快速形成霍尔电压，利用栅压调控作用和MOS输出放大作用将信号电压稳定地放大输出，提高磁感应器件的灵敏度、响应度等性能。此外，宽禁带的GaN材料本身又具有很高的热稳定性、抗击穿特性等特点，因此本发明能够工作在复杂的环境。
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 (11)
1.一种GaN基磁感应器，其特征在于：包括
第一电极、第二电极、第三电极、第四电极、第五电极、第六电极，其中第一电极和第四电极接地，所述第一电极、第二电极、第三电极和第四电极形成霍尔效应四电极；
所述磁感应器的结构从下到上依次包括衬底、高阻GaN缓冲层、非掺杂GaN层、AlGaN层、GaN外延层；位于所述非掺杂GaN层和AlGaN层上的绝缘层，所述绝缘层部分覆盖所述GaN外延层；
第一电极、第三电极和第四电极位于所述GaN外延层上；第二电极部分覆盖所述GaN外延层、绝缘层和AlGaN层，所述第五电极和第六电极位于AlGaN层上；所述第二电极、第五电极和第六电极分别为所述磁感应器的栅极、源极和漏极；
所述栅极与AlGaN层形成肖特基接触，所述源极和所述漏极与AlGaN层形成欧姆接触，所述第一电极、第三电极和第四电极与所述GaN外延层形成欧姆接触。
2.根据权利要求1所述的磁感应器，其特征在于：所述非掺杂GaN层和AlGaN层接触面形成1×1010cm-2～1×1015cm-2的二维电子气。
3.根据权利要求1所述的磁感应器，其特征在于：所述高阻GaN缓冲层厚度为0.2μm～4μm。
4.根据权利要求1所述的磁感应器，其特征在于：所述非掺杂GaN层厚度为0.1μm～2μm。
5.根据权利要求1所述的磁感应器，其特征在于：所述AlGaN层厚度为0.1μm～1μm，掺杂浓度为1×1015cm-3～1×1016cm-3，掺杂元素为硅。
6.根据权利要求1所述的磁感应器，其特征在于：所述GaN外延层厚度为0.1μm～1μm，掺杂浓度为1×1015cm-3～1×1016cm-3，掺杂元素为硅。
7.根据权利要求1所述的磁感应器，其特征在于：所述绝缘层为Al2O3层厚度为20nm～200nm。
8.一种GaN基磁感应器制备方法，其特征在于：包括
8.1Si衬底上生长高阻GaN缓冲层；
8.2高阻GaN缓冲层上生长非掺杂GaN层；
8.3在所述非掺杂GaN层上生长AlGaN层；
8.4在所述AlGaN层上生长GaN外延层；
8.5刻蚀所述GaN外延层和所述AlGaN层，暴露出部分所述AlGaN层上表面和部分所述非掺杂GaN层上表面；
8.6在部分所述AlGaN层上表面、部分所述非掺杂GaN层上表面沉积绝缘层；
8.7在所述GaN外延层上形成第一电极、第三电极和第四电极，在所述GaN外延层、所述绝缘层和所述AlGaN层上形成连续的第二电极，在所述AlGaN层上沉积第五电极和第六电极；
所述第二电极、第五电极和第六电极分别为所述磁感应器件的栅极、源极和漏极。所述栅极与AlGaN层形成肖特基接触，所述源极和所述漏极与AlGaN层形成欧姆接触，第一电极、第三电极和第四电极于GaN外延层形成欧姆接触；所述非掺杂GaN层和AlGaN层接触面形成1×1010cm-2～1×1015cm-2的二维电子气。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：所述8.5中刻蚀方法为电感耦合等离子体。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：所述8.6中沉积绝缘层方式为原子层沉积。
11.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：所述8.7中形成所述电极方式为图案化刻蚀和蒸镀。
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2019
- 2019-11-28 CN CN201911195091.8A patent/CN111129287A/zh active Pending
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