压致势垒变化式氮化镓压力传感器及其制备方法

1.本发明涉及半导体技术领域，具体而言，本发明涉及压致势垒变化式氮化镓压力传感器及其制备方法。


背景技术：

2.压力传感器是一种将压力信号转换成直接获取电信号的换能器，广泛应用于工业、航空航天、新能源、轨道交通、汽车电子等众多领域。传统的硅基压阻式压力传感器采用扩散工艺形成压敏电阻，压敏电阻的阻值随着外界压力变化而改变，但是硅基压阻式压力传感器的温度漂移严重，通常只能工作于温度低于120℃的环境中。
3.gan材料的禁带宽度为3.4ev，且是一种良好的耐高温材料，gan材料的压力传感器可应用于600℃的工作环境中。gan材料本身是压电材料，利用其压电特性，如果在压力材料上下表面制作金属电极，虽然其上下电极输出信号会随着压力变化而变化，但是其厚度一般较大，不能兼容微电子工艺。另外，algan/gan异质结构在gan沟道层的表面上形成高浓度、高电子迁移率的二维电子气(2deg)。采用algan/gan异质结构作为压力传感器，通常是需要在外接驱动电压作用下利用二维电子气浓度随着压力的变化而变化，需要消耗能量。然而，很多应用场景需要极低功耗甚至与零功耗的压力传感器。


技术实现要素：

4.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出压致势垒变化式氮化镓压力传感器及其制备方法。该压致势垒变化式氮化镓压力传感器可以在无外接驱动电压的情况下，直接根据上电极、下电极间电势差测量得到外部压力的变化，即在无外接驱动电压下实现对外部压力变化的零功耗检测。同时，该压致势垒变化式氮化镓压力传感器还具有耐高温等优势。
5.在本发明的一个方面，本发明提出了一种压致势垒变化式氮化镓压力传感器。根据本发明的实施例，该压致势垒变化式氮化镓压力传感器包括：第一衬底和外延结构，所述外延结构包括依次形成在所述第一衬底上的gan缓冲层、gan沟道层、aln插入层、algan势垒层、gan帽层；其中，所述algan势垒层具有第一凹槽，所述第一凹槽内形成有欧姆接触层，所述欧姆接触层与所述aln插入层和所述gan沟道层界面处的二维电子气连通形成下电极；所述gan帽层的至少部分上表面形成有上电极；以及钝化层，所述钝化层覆盖所述外延结构的至少部分上表面。
6.根据本发明上述实施例的压致势垒变化式氮化镓压力传感器中，由于压电极化和自极化效应在aln插入层和gan沟道层界面处形成高浓度、高电子迁移率的二维电子气(2deg)，二维电子气可作为压力传感器的下电极，algan势垒层上表面的肖特基接触金属层作为上电极，通过上下电极的电势差来反映外部压力的变化。一方面，利用algan材料的压电特性，通过外界压力改变algan势垒层上下表面的极化电荷；另一方面，外部压力也使得量子阱中的能级发生弯曲，导致下电极二维电子气量子阱中的电荷密度发生变化，从而改
变algan势垒层上下表面的电势能，产生压致势垒变化效应。进而，通过测量上下电极的电动势差，将压力信号转化成电压或者电势输出，即可实现对压力的传感和探测。该压力传感器中，采用aln插入层与gan沟道层界面处的二维电子气作为下电极，避免了常规使用金属电极作为下电极在工艺上的难题；另外，外部压力改变二维电子气量子阱中的能级，从而调节了二维电子气的运输，改变了下电极的电荷密度、形成上下电极电势差，不需要消耗能量，从而可以实现对外部压力变化的零功耗检测。
7.另外，根据本发明上述实施例的压致势垒变化式氮化镓压力传感器还可以具有如下附加的技术特征：
8.在本发明的一些实施例中，所述第一衬底的材质为si、sic、gan或蓝宝石。
9.在本发明的一些实施例中，所述gan缓冲层的厚度为0.5～10μm。
10.在本发明的一些实施例中，所述gan沟道层的厚度为0.2～10μm。
11.在本发明的一些实施例中，所述aln插入层的厚度为0.5～3nm。
12.在本发明的一些实施例中，所述algan势垒层的厚度为10～1000nm，所述第一凹槽的深度为10～1000nm。
13.在本发明的一些实施例中，所述gan帽层的厚度为0～10nm。
14.在本发明的一些实施例中，所述上电极的材质选自ti、cr、ni、pt、au中的至少之一。
15.在本发明的一些实施例中，所述钝化层的材质为无机材料。
16.在本发明的一些实施例中，所述无机材料选自氧化硅、氮化硅、氧化铝中的至少之一。
17.在本发明的一些实施例中，所述钝化层的厚度为50～600nm。
18.在本发明的一些实施例中，所述钝化层的材质为低应力材料，所述低应力材料的应力范围为0～300mpa。
19.在本发明的一些实施例中，所述钝化层上具有电极孔和外联电极，所述外联电极通过所述电极孔分别连接所述上电极和所述下电极。
20.在本发明的一些实施例中，所述第一衬底远离所述外延结构的一侧表面上具有第二凹槽，所述压致势垒变化式氮化镓压力传感器进一步包括：键合层，第二衬底和参考压力腔；所述键合层形成在所述第一衬底远离所述外延结构的一侧表面，所述第二衬底通过所述键合层与所述第一衬底键合，并与所述第二凹槽形成所述参考压力腔。
21.在本发明的一些实施例中，所述第二凹槽的深度为50～400μm。
22.在本发明的一些实施例中，所述第二凹槽在所述第一衬底上的投影面积，大于或者小于所述上电极在所述第一衬底上的投影面积。
23.在本发明的另一方面，本发明提出了一种制备上述实施例的压致势垒变化式氮化镓压力传感器的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：(1)在第一衬底上形成外延结构，所述外延结构包括依次形成在所述第一衬底上的gan缓冲层、gan沟道层、aln插入层、algan势垒层、gan帽层；(2)选择性刻蚀所述外延结构，形成外延台面；(3)选择性刻蚀所述algan势垒层，形成所述第一凹槽，并在所述第一凹槽内制备与二维电子气连通的欧姆接触层，形成下电极；(4)在所述gan帽层的至少部分上表面形成上电极；(5)在所述外延结构的至少部分上表面形成钝化层，得到所述压致势垒变化式氮化镓压力传感器。该方法制备得到的压
致势垒变化式氮化镓压力传感器可以在无外接驱动电压的情况下，直接根据上电极、下电极间电势差测量得到外部压力的变化，即在无外接驱动电压下实现对外部压力变化的零功耗检测。
24.另外，根据本发明上述实施例的制备压致势垒变化式氮化镓压力传感器的方法还可以具有如下附加的技术特征：
25.在本发明的一些实施例中，所述方法进一步包括：在所述钝化层上形成电极孔，并通过所述电极孔形成分别连接上电极和下电极的外联电极。
26.在本发明的一些实施例中，所述方法进一步包括：选择性刻蚀所述第一衬底远离所述外延结构一侧的至少部分表面，形成第二凹槽；在所述第一衬底远离所述外延结构一侧表面键合第二衬底，使所述第二衬底与所述第二凹槽形成参考压力腔。
27.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
28.本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
29.图1是压致势垒变化式氮化镓压力传感器的能带示意图；
30.图2是根据本发明一个实施例的压致势垒变化式氮化镓压力传感器的结构示意图，其中，a为顶面结构示意图，b为a中a
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a’面的剖面结构示意图；
31.图3是根据本发明一个实施例的压致势垒变化式氮化镓压力传感器的结构示意图，其中，a为顶面结构示意图，b为a中a
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a’面的剖面结构示意图；
32.图4是根据本发明一个实施例的压致势垒变化式氮化镓压力传感器的结构示意图，其中，a为顶面结构示意图，b为a中a
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a’面的剖面结构示意图；
33.图5是根据本发明一个实施例的压致势垒变化式氮化镓压力传感器的结构示意图，其中，a为顶面结构示意图，b为a中a
‑
a’面的剖面结构示意图。
34.附图标记：
35.1：上电极，2：下电极，3：algan势垒层，4：aln插入层，5：钝化层，6：gan沟道层，7：gan缓冲层，8：第一衬底，9：键合层，10：第二衬底，11：参考压力腔，12：gan帽层。
具体实施方式
36.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
37.实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
38.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描
述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
39.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
40.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
41.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
42.在本发明的一个方面，本发明提出了一种压致势垒变化式氮化镓压力传感器。下面进一步对根据本发明实施例的压致势垒变化式氮化镓压力传感器进行详细描述。
43.如图1所示，由于algan/gan异质结构中的algan势垒层和gan沟道层的自发极化和压电极化效应，在gan沟道层上表面上形成高浓度、高电子迁移率的二维电子气，该压力传感器采用二维电子气(2deg)作为下电极，通过algan层选择性凹槽刻蚀，将欧姆接触层连接至二维电子气(2deg)，因此避免了下电极需要使用金属工艺的难题，algan势垒层表面沉积金属层作为上电极。当外部压力施加到器件上时，由于algan材料的压电效应导致上下电极的极化电荷发生变化，另一方面，由于外部压力导致algan/gan异质结构界面处能级势垒变化，也导致二维电子气的电荷密度发生变化，从而改变了上下电极的电荷势垒差，这就是压致势垒变化效应。从而，通过测量上下电极的势垒差反映外部压力的变化，实现对压力的传感与探测。
44.参考图2和3，根据本发明的一些实施例，压致势垒变化式氮化镓压力传感器包括：第一衬底8和外延结构，所述外延结构包括依次形成在第一衬底8上的gan缓冲层7、gan沟道层6、aln插入层4、algan势垒层3、gan帽层12；其中，algan势垒层3具有第一凹槽，第一凹槽内形成有欧姆接触层，该欧姆接触层与aln插入层4与gan沟道层6界面处的二维电子气(2deg)连通形成下电极2；gan帽层12的至少部分上表面形成有上电极1；以及钝化层5，钝化层5覆盖外延结构的至少部分上表面。
45.第一衬底8的材质并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择。根据本发明的一些实施例，第一衬底8的材质可以为si、sic、gan或蓝宝石。
46.根据本发明的一些实施例，上述gan缓冲层7的厚度可以为0.5～10μm，例如0.5μm、1μm、2μm、3μm、5μm、8μm、9μm、10μm等。如果gan缓冲层7的厚度过小，则可能导致外延层位错密度较大；如果gan缓冲层7的厚度过大，则可能导致外延层应力均匀性不好。
47.根据本发明的一些实施例，上述gan沟道层6的厚度可以为0.2～10μm，例如0.2μm、
0.5μm、1μm、2μm、3μm、5μm、8μm、9μm、10μm等。如果gan沟道层6的厚度过大，则可能应力分布不均匀。
48.根据本发明的一些实施例，上述aln插入层4的厚度可以为0.5～3nm，例如0.5nm、0.8nm、1nm、1.5nm、2nm、2.5nm、3nm等。如果aln插入层4的厚度过大，则可能引入极大的应力，降低algan层的外延质量，导致迁移率降低。
49.根据本发明的一些实施例，上述algan势垒层3的厚度可以为10～1000nm，例如10nm、50nm、100nm、200nm、300nm、400nm、500nm、800nm、900nm、1000nm等；第一凹槽的深度为10～1000nm，例如10nm、50nm、100nm、200nm、300nm、400nm、500nm、800nm、900nm、1000nm等。可以理解的是，第一凹槽的深度可根据algan势垒层的厚度来确定，以便使形成在第一凹槽中的欧姆接触层与二维电子气连通形成下电极。如果algan势垒层3的厚度过小，则可能二维电子气密度较低；如果algan势垒层3的厚度过大，则可能载流子迁移率较低。
50.根据本发明的一些实施例，上述gan帽层12的厚度可以为0～10nm，例如可以为0、0.1nm、1nm、2nm、3nm、5nm、8nm、9nm、10nm等。如果gan帽层12的厚度过小，则可能降低载流子浓度；如果gan帽层12的厚度过大，则可能增加接触电阻，降低二维电子气迁移率。
51.根据本发明的一些实施例，上述上电极的材质可以选自ti、cr、ni、pt、au中的至少之一。
52.根据本发明的一些实施例，上述钝化层的材质可以为无机材料。
53.根据本发明的一些实施例，无机材料可以选自氧化硅、氮化硅、氧化铝中的至少之一。
54.根据本发明的一些实施例，上述钝化层5的厚度可以为50～600nm，例如50nm、100nm、200nm、300nm、400nm、500nm、600nm等。如果钝化层5的厚度过小，则可能无法保护器件；如果钝化层5的厚度过大，则可能影响二维电子气的运输。
55.根据本发明的一些实施例，上述钝化层的材质为低应力材料，低应力材料的应力范围可以为0～300mpa，例如0、50mpa、100mpa、150mpa、200mpa、250mpa、300mpa等。由此，可以提升器件的鲁棒性及性能。
56.根据本发明的一些实施例，钝化层上具有电极孔和外联电极，外联电极通过电极孔分别连接上电极和下电极。由此，通过两外联电极分别将压力传感器中的上电极和下电极连接至外部电势测量单元，即可获得上电极和下电极的电势差。其中，外联电极可以根据实际需要进行图形化。
57.参考图4和5，根据本发明的一些实施例，压致势垒变化式氮化镓压力传感器中，第一衬底8远离外延结构的一侧表面上具有第二凹槽，压致势垒变化式氮化镓压力传感器还可以进一步包括：键合层9，第二衬底10和参考压力腔11。键合层9形成在第一衬底8远离外延结构的一侧表面，第二衬底10通过键合层9与第一衬底8键合，并与第二凹槽形成参考压力腔11。由此，在测量外部压力时，参考压力腔11可作为压力参考，形成的压力传感器即为表压型压力传感器。第二衬底10与第一衬底8的键合方式例如可以为直接键合、阳极键合、金属中间层键合、高分子键合等。
58.相应地，在不具有键合层9，第二衬底10和参考压力腔11等结构的压力传感器则为差压型压力传感器。
59.第二衬底10的材质并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选
择。根据本发明的一些实施例，第二衬底10的材质可以为硅、玻璃、蓝宝石等。
60.根据本发明的一些实施例，上述第二凹槽的深度可以为50～400μm，例如50μm、100μm、150μm、200μm、250μm、300μm、350μm、400μm等。可以理解的是，第二凹槽的深度即为键合第二衬底10后所形成参考压力腔11的深度，第二凹槽的深度可以根据压力传感器的所需的量程来确定。
61.另外，根据本发明的一些实施例，在不具有键合层9，第二衬底10和参考压力腔11等结构的压力传感器中，第一衬底8远离外延结构的一侧表面上也可以形成第二凹槽。
62.根据本发明的一些实施例，第二凹槽在第一衬底上的投影面积，可以大于上电极在第一衬底上的投影面积(如图2和4所示)，也可以小于上电极在第一衬底上的投影面积(如图3和5所示)。
63.根据本发明的一些实施例，正面电极结构的具体形状并不受特别限制，例如可以为圆形、方形或者其他图形，图2～5中示出的正面电极结构为圆形。
64.在本发明的另一方面，本发明提出了一种制备上述实施例的压致势垒变化式氮化镓压力传感器的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：(1)在第一衬底上形成外延结构，外延结构包括依次形成在第一衬底上的gan缓冲层、gan沟道层、aln插入层、algan势垒层、gan帽层；(2)选择性刻蚀外延结构，形成外延台面；(3)选择性刻蚀algan势垒层，形成第一凹槽，并在第一凹槽内制备与二维电子气连通的欧姆接触层，形成下电极；(4)在gan帽层的至少部分上表面形成上电极；(5)在外延结构的至少部分上表面形成钝化层，得到压致势垒变化式氮化镓压力传感器。该方法制备得到的压致势垒变化式氮化镓压力传感器可以在无外接驱动电压的情况下，直接根据上电极、下电极间电势差测量得到外部压力的变化，即在无外接驱动电压下实现对外部压力变化的零功耗检测。
65.根据本发明的一些实施例，上述方法还进一步包括：在钝化层上形成电极孔，并通过电极孔形成分别连接上电极和下电极的外联电极。由此，通过两外联电极分别将压力传感器中的上电极和下电极连接至外部电势测量单元，即可获得上电极和下电极的电势差。其中，外联电极可以根据实际需要进行图形化。
66.根据本发明的一些实施例，上述方法还进一步包括：选择性刻蚀第一衬底远离外延结构一侧的至少部分表面，形成第二凹槽；在第一衬底远离外延结构一侧表面键合第二衬底，使第二衬底与第二凹槽形成参考压力腔。由此，在测量外部压力时，参考压力腔可作为压力参考，形成的压力传感器即为表压型压力传感器。在第一衬底远离外延结构一侧表面键合第二衬底的具体方式例如可以为直接键合、阳极键合、金属中间层键合、高分子键合等。
67.另外，需要说明的是，前文针对压致势垒变化式氮化镓压力传感器所描述的全部特征和优点，同样适用于该制备压致势垒变化式氮化镓压力传感器的方法，在此不再一一赘述。
68.下面参考具体实施例，对本发明进行描述，需要说明的是，这些实施例仅仅是描述性的，而不以任何方式限制本发明。
69.实施例
70.(1)选取si衬底，对表面进行预处理，生长2μmgan缓冲层；
71.(2)在gan缓冲层上，生长2μmgan沟道层，2nm aln插入层，200nm algan势垒层和
3nm gan帽层；
72.(3)采用感应耦合等离子体(icp)刻蚀设备选择性刻蚀外延层外延结构形成刻蚀台面，刻蚀深度到达gan沟道层；
73.(4)采用icp刻蚀设备在台面上选择性刻蚀algan势垒层凹槽，刻蚀深度为180nm，并制备欧姆接触层与二维电子气(2deg)连通形成下电极；
74.(5)gan帽层沉积金属层(ni/au)形成上电极；
75.(6)沉积低应力钝化层氮化硅300nm，并刻蚀成出电极孔，然后沉积金属层(ti/au)并图形化，形成互联电极；
76.(7)通过深硅刻蚀工艺，选择性刻蚀si衬底形成刻蚀凹槽，刻蚀深度为350μm；
77.(8)选择合适的键合工艺将gan外延片键合至另一个衬底上，形成表压型压力传感器。
78.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
79.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。