本发明属于半导体技术领域，尤其涉及一种电桥式gan压力传感器制备方法及器件。
背景技术：
目前，半导体压力传感器主要是基于si材料，通过硅扩散电阻的压阻效应实现。然而，扩散工艺温度稳定性很差，并且高温下扩散电阻和衬底的隔离pn结会出现衰退，甚至发生穿通，进而彻底损坏失效。由于si材料的特性，基于si材料的压力传感器只能工作于低于120℃的环境下。
gan材料禁带宽度为3.4ev，为si材料的3倍，宽的禁带决定了材料具有良好的高温特性，已有报道证实gan材料器件极限工作温度可达600℃，inaln材料器件甚至可以在1000℃环境下工作，这是硅基材料远无法企及的。另外，gan具有的高电子浓度，高电子迁移率，强抗辐照能力等诸多优点，使其可以工作于极端复杂的环境。当gan器件表面受到外部压力时，晶格形变会改变缓冲层和势垒层之间的应力，由极化产生的沟道二维电子气浓度，以及迁移率都会发生相应改变，进而表现为器件两端电阻发生变化。然而，不同于si材料器件的压阻特性，gan材料器件的压电特性是平面内各向同性的，即随着压力的变化，沟道电阻会同时增大或者减小，沟道电阻变化的速率及大小则取决于gan材料器件所受到的外部应力。
器件的电阻特性不便于直接测量，一般需要转化为电压特性，而惠斯顿电桥就是可以实现电阻特性转换为电压特性的电路。惠斯顿电桥由四个首尾相接形成闭环结构的电阻构成。惠斯顿电桥工作时，对角电极作为输入端，另一对电极作为输出端。初始状态下，四个电极阻值相等，电桥处于平衡状态，输出电压为0；当外界条件使得电阻值发生改变，电桥失去平衡，输出电压发生改变，即实现了外界信号向电压信号的转化。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明实施例提供了一种电桥式gan压力传感器制备方法及器件，以提高现有技术中gan压力传感器灵敏度。
本发明实施例的第一方面提供了一种电桥式gan压力传感器制备方法，包括：
在第一衬底的第一表面形成gan外延层；其中，所述gan外延层包括gan缓冲层和势垒层；
在所述gan外延层上形成压力敏感单元；其中，所述压力敏感单元为四个首尾相连的ganhemt器件组成的惠斯顿电桥电路；
在所述第一衬底的第二表面形成凹槽；其中，所述凹槽在所述gan外延层上对应区域覆盖所述ganhemt器件；
将形成所述凹槽后的第一衬底与第二衬底贴合形成密封腔体；
其中，所述第一表面和第二表面为相对的两个表面。
可选的，所述在第一衬底上形成gan外延层，包括：
通过金属有机物化学气相外延或分子束外延工艺在所述第一衬底的第一表面形成gan缓冲层；
通过金属有机物化学气相外延或分子束外延工艺在所述gan缓冲层上表面形成势垒层。
可选的，所述gan缓冲层厚度为2μm，所述势垒层厚度为10～20nm；其中，所述势垒层包括inalgan层、algan层、ingan层、inaln层、aln层和inn层中的一种或两种以上的组合。
可选的，所述在所述gan外延层上形成压力敏感单元，包括：
通过光刻和刻蚀工艺在所述缓冲层和势垒层上形成ganhemt器件区域；
通过刻蚀或离子注入工艺对所述ganhemt器件区域进行有源区隔离；其中，所述有源区包括源漏电极区和介于源漏电极区之间的栅电极区；
通过光刻、金属蒸发和退火工艺在所述源漏电极区形成源漏电极；
通过光刻和金属蒸发工艺在所述栅电极区形成栅电极；
通过光刻和金属蒸发工艺形成金属导线；所述金属导线将所述ganhemt器件首尾相连形成所述惠斯顿电桥电路。
可选的，所述源漏电极为包括ti/al/ni/au、si/ti/al/ni/au或ti/al/pt/au的金属叠层结构；所述栅电极为包括ti/pt/au、ni/pt/au、ni/au或pt/au的金属叠层结构。
可选的，所述在所述第一衬底的第二表面形成凹槽，包括：
通过光刻工艺在所述第一衬底与非凹槽区对应的部分的第二表面覆盖光刻胶层；其中，所述非凹槽区为所述第一衬底中除凹槽区以外的区域；
通过刻蚀工艺刻蚀所述第一衬底与所述凹槽区对应的部分，形成凹槽；
去除所述光刻胶层。
可选的，所述将形成所述凹槽后的第一衬底与第二衬底贴合形成密封腔体，包括：
对形成所述凹槽后的第一衬底的第二表面和第二衬底的第一表面进行抛光处理；
在经过抛光处理后的所述第一衬底的第二表面和第二衬底的第一表面均匀覆盖键合介质；
将经过键合介质覆盖后的所述第一衬底的第二表面和第二衬底的第一表面键合在一起，形成密封腔体。
可选的，所述键合工艺的压强为0.1kpa，键合温度为200℃-400℃，键合时间为1小时-4小时。
本发明实施例的第二方面提供了一种电桥式gan压力传感器，包括密封腔体，所述密封腔体上表面由下向上依次设有gan缓冲层和势垒层；所述势垒层上设有压力敏感单元；所述压力敏感单元为四个首尾相连的ganhemt器件组成的惠斯顿电桥电路；所述密封腔体包括带有凹槽的第一衬底和第二衬底。
可选的，所述ganhemt器件设置在所述凹槽对应的区域内；相邻的两个所述ganhemt器件的栅电极相互连接，另两个相邻的ganhemt器件的栅电极相互连接。
本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：本发明实施例通过在密封腔体凹槽对应区域内制备由四个首尾相连的ganhemt器件组成的惠斯顿电桥电路作为压力敏感单元，控制ganhemt器件栅电极电压，使ganhemt器件在灵敏度最高的亚阈值区工作，从而提高压力传感器灵敏度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例一提供的电桥式gan压力传感器的制备方法的实现流程示意图；
图2是本发明实施例一提供的电桥式gan压力传感器的制备方法的流程结构剖视图；
图3是本发明实施例二提供的电桥式gan压力传感器的结构剖视图；
图4是本发明实施例二提供的电桥式gan压力传感器的结构俯视图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
实施例一
请参考图1，电桥式gan压力传感器的制备方法，包括：
步骤s101，在第一衬底的第一表面形成gan外延层；其中，所述gan外延层包括gan缓冲层和势垒层。
在本发明实施例中，请参考图2(1)，在第一衬底201的第一表面制备gan外延层，gan外延层包括gan缓冲层202和势垒层203，gan缓冲层202厚度为2μm，势垒层203厚度为10～20nm，势垒层203包括但不限于不同组分浓度的inalgan层、algan层、ingan层、inaln层、aln层和inn层中的一种或两种以上的组合。gan缓冲层202能够缓冲势垒层203和第一衬底201由于晶格失配导致的应力。第一衬底201为半导体领域中常见的衬底，包括但不限于sic衬底、si衬底、gan衬底和蓝宝石衬底。
可选的，步骤s101的具体实现方法为：通过金属有机物化学气相外延或分子束外延工艺在所述第一衬底的第一表面形成gan缓冲层；通过金属有机物化学气相外延或分子束外延工艺在所述gan缓冲层上表面形成势垒层。
在本发明实施例中，在第一衬底201的第一表面通过金属有机物化学气相外延工艺或者分子束外延工艺形成gan缓冲层202，然后在gan缓冲层202上表面通过金属有机物化学气相外延工艺或者分子束外延工艺形成势垒层203，gan缓冲层202能够缓冲势垒层203和第一衬底201由于晶格失配导致的应力。
步骤s102，在所述gan外延层上形成压力敏感单元；其中，所述压力敏感单元为四个首尾相连的ganhemt器件组成的惠斯顿电桥电路。
请参考图2(2)至图2(5)及图4，在gan缓冲层202和势垒层203上形成压力敏感单元，压力敏感单元为四个首尾相连的ganhemt器件组成的惠斯顿电桥电路。ganhemt器件包括gan缓冲层202、势垒层203、源漏电极204和栅电极205。ganhemt器件通过金属导线206连接形成惠斯顿电桥电路。
可选的，步骤s203的具体实现方式为：通过光刻和刻蚀工艺在所述缓冲层和势垒层上形成ganhemt器件区域；通过刻蚀或离子注入工艺对所述ganhemt器件区域进行有源区隔离；其中，所述有源区包括源漏电极区和介于源漏电极区之间的栅电极区；通过光刻、金属蒸发和退火工艺在所述源漏电极区形成源漏电极；通过光刻和金属蒸发工艺在所述栅电极区形成栅电极；通过光刻和金属蒸发工艺形成金属导线；所述金属导线将所述ganhemt器件首尾相连形成所述惠斯顿电桥电路。
在本发明实施例中，首先，通过光刻和刻蚀工艺在缓冲层202和势垒层203上形成四个ganhemt器件区域，用于制备ganhemt器件；然后，通过刻蚀或离子注入工艺对ganhemt器件区域进行有源区隔离，有源区包括源漏电极区和介于源漏电极区之间的栅电极区；其次，在源漏电极区通过光刻、金属蒸发和退火工艺形成源漏电极，根据不同源漏电极金属叠层选择不同的退火温度和退火时间，退火工艺选择在氮气气氛保护下进行，以获得与势垒层203形成良好的欧姆接触；再次，在栅电极区通过光刻和金属蒸发工艺形成与势垒层203良好肖特基接触的栅电极；最后，通过光刻和金属蒸发工艺形成将四个ganhemt器件首尾相连的金属导线，金属导线为单层或多层低电阻率、高温稳定性强的金属材质，金属导线将ganhemt器件连接形成惠斯顿电桥电路。相邻的两个ganhemt器件的栅电极相互连接，另两个相邻的ganhemt器件的栅电极相互连接，通过控制栅电极电压使ganhemt器件在灵敏度最高的亚阈值区工作，从而提高压力传感器灵敏度。
可选的，所述源漏电极为包括ti/al/ni/au、si/ti/al/ni/au或ti/al/pt/au的金属叠层结构；所述栅电极为包括ti/pt/au、ni/pt/au、ni/au或pt/au的金属叠层结构。
在本发明实施例中，源漏电极的金属叠层选取包括并不仅限于ti/al/ni/au、si/ti/al/ni/au或ti/al/pt/au，源漏电极与势垒层形成良好的欧姆接触，栅电极的金属叠层选取包括并不仅限于ti/pt/au、ni/pt/au、ni/au或pt/au，栅电极与势垒层形成良好的肖特基接触。
步骤s103，在所述第一衬底的第二表面形成凹槽；其中，所述凹槽在所述gan外延层上对应区域覆盖所述ganhemt器件。
在本发明实施例中，请参考图2(6)及图4，在第一衬底201的第二表面形成凹槽207，并且凹槽207在gan外延层上对应区域覆盖四个ganhemt器件。
可选的，步骤s103的具体实现方式为：通过光刻工艺在所述第一衬底与非凹槽区对应的部分的第二表面覆盖光刻胶层；其中，所述非凹槽区为所述第一衬底中除凹槽区以外的区域；通过硅刻蚀工艺刻蚀所述第一衬底与所述凹槽区对应的部分，形成凹槽；去除所述光刻胶层。
在本发明实施例中，第一衬底201分为凹槽区和非凹槽区，凹槽区为凹槽207所在的区域，非凹槽区为除凹槽区以外的区域。通过光刻和刻蚀工艺制备凹槽207。首先，通过光刻工艺在第一衬底201的第二表面涂覆光刻胶层，然后经过曝光、显影、坚膜工艺去除光刻胶层与凹槽区对应的部分，露出待刻蚀图形，最后通过刻蚀工艺进行刻蚀，第一衬底201与非凹槽区对应的部分由于有光刻胶层保护不会被刻蚀掉，而第一衬底201与凹槽区对应的部分将会被部分刻蚀掉，形成凹槽207。凹槽207的形状包括但不限于圆形、矩形、c型、e型。
步骤s104，将形成所述凹槽后的第一衬底与第二衬底贴合形成密封腔体。
在本发明实施例中，请参考图2(7)，将形成凹槽207后的第一衬底201键合在第二衬底208的第一表面形成密封腔体。
可选的，步骤s104的具体实现方式为：对形成所述凹槽后的第一衬底的第二表面和第二衬底的第一表面进行抛光处理；在经过抛光处理后的所述第一衬底的第二表面和第二衬底的第一表面均匀覆盖键合介质；将经过键合介质覆盖后的所述第一衬底的第二表面和第二衬底的第一表面键合在一起，形成密封腔体。
在本发明实施例中，第一衬底201中凹槽207的尺寸不大于第二衬底208的尺寸，以保证第一衬底201和第二衬底208贴合能够形成密封腔体，并且，第一衬底201和第二衬底208均能够满足键合的条件。首先，将第一衬底201和第二衬底208进行抛光处理，得到洁净的表面，以满足键合工艺对表面洁净度的要求，然后，将第一衬底201的第二表面非凹槽区和第二衬底208的第一表面均匀覆盖键合介质209，最后，将第一衬底201和第二衬底208在压强为0.1kpa，键合温度为200℃-400℃，键合时间为1小时-4小时。条件下进行键合，使第一衬底201和第二衬底208的键合界面发生物理化学反应，形成强的化学共价键连接，增强键合强度使第一衬底201和第二衬底208紧密贴合，形成密封腔体。
本发明实施例通过在密封腔体凹槽对应区域内制备由四个首尾相连的ganhemt器件组成的惠斯顿电桥电路作为压力敏感单元，控制ganhemt器件栅电极电压，使ganhemt器件在灵敏度最高的亚阈值区工作，从而提高压力传感器灵敏度。
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
实施例二
请参考图3和图4，图3为电桥式gan压力传感器的结构剖视图，图4为电桥式gan压力传感器的结构俯视图。电桥式gan压力传感器包括密封腔体，所述密封腔体上表面由下向上依次设有gan缓冲层和势垒层；所述势垒层上设有压力敏感单元；所述压力敏感单元为四个首尾相连的ganhemt器件组成的惠斯顿电桥电路；所述密封腔体包括带有凹槽的第一衬底和第二衬底。
可选的，所述ganhemt器件设置在所述凹槽对应的区域内；相邻的两个所述ganhemt器件的栅电极相互连接，另两个相邻的ganhemt器件的栅电极相互连接。
在本发明实施例中，由带有凹槽207的第一衬底201和第二衬底208组成密封腔体，在密封腔体上表面由下向上依次为gan缓冲层202和势垒层203。在gan缓冲层202和势垒层203上制备的四个ganhemt器件首尾相连形成惠斯顿电桥电路作为压力敏感单元，并且，四个首尾相连的ganhemt器件形成惠斯顿电桥电路包含在凹槽207在gan缓冲层正投影对应的区域内，相邻的两个所述ganhemt器件的栅电极相互连接，另两个相邻的ganhemt器件的栅电极相互连接。例如：选取a、c电极作为电压输入端，b、d电极作为电压输出端，e、f电极可以根据ganhemt器件直流特性施加一个栅电极偏压，当传感器的表面受到压力时，ganhemt器件沟道二维电子气浓度以及迁移率发生变化，表现为ganhemt器件两端电阻发生改变，进而导致惠斯顿电桥输出电压发生改变，监测惠斯顿电桥输出电压变化，即可实现压力信号的传感。控制栅电极电压，使ganhemt器件处在灵敏度最高的亚阈值区工作，从而提高压力传感器灵敏度。
本发明实施例通过在密封腔体凹槽对应区域内制备由四个首尾相连的ganhemt器件组成的惠斯顿电桥电路作为压力敏感单元，控制ganhemt器件栅电极电压，使ganhemt器件在灵敏度最高的亚阈值区工作，从而提高压力传感器灵敏度。
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。