本發明涉及半導體器件,特別是涉及一種氮化鎵傳感器及其制備方法。
背景技術:
1、目前基于氮化鎵(gan)材料的傳感傳感器已有許多研究進展,其優異的抗輻射能力、化學和溫度穩定性使其在苛刻和惡劣環境條件下部署具有巨大的應用優勢。gan傳感傳感器作為感知檢測裝置,將環境中待測物的信號變化轉化電信號輸出,從而實現傳感功能。
2、隨著物聯網技術的不斷發展,傳感技術在我們的日常生活中越來越重要,人們對實時、可靠、高靈敏度、低檢測極限的傳感器需求日益增長。例如氣體傳感器可用于監測工業設施中有毒和易燃氣體泄露,檢測環境空氣質量,識別汽車尾氣排放,進行呼吸分析用于早期疾病診斷等。
3、但現有的基于半導體材料的傳感傳感器主要以硅基材料為主,其存在幾個不足之處:1.響應靈敏度低,不適用于醫療檢測及低濃度有毒/易燃氣體泄漏等領域;2.選擇性較低,在多種傳感信號串擾的情況下無法實現特定信號感知;3.輸出電流信號低,需要額外的信號放大器用于后續的信號的傳輸和處理;4.化學和溫度穩定性低,傳感器無法在200℃及以上的環境下工作,且其化學穩定性弱,在高濕、高壓和腐蝕性強的環境中易失效,可靠性較低。不適用于部署在苛刻及惡劣環境下;5.面積開銷大,由于其傳感機理需要大面積的感應區滿足傳感性能需求,不易實現集成應用,且能耗較高。
4、而目前基于gan材料的傳感傳感器,在提升傳感器的響應靈敏度、檢測范圍和選擇性,以及探索多傳感集成技術方面,仍存在較多缺陷。同時目前gan傳感器,如gan氣體傳感器的最佳工作溫度較高(>200℃),需要外熱源,增加了能耗,且模組不易集成,無法實現便攜式微縮傳感器及模組。
5、綜上所述,亟需研發一種新的技術方案,以解決現有技術中存在的問題,滿足當前市場的需求。
技術實現思路
1、基于現有技術中存在的缺陷和不足,本發明提供了一種氮化鎵傳感器及其制備方法,采用多柵或級聯結構實現多種傳感功能,實現了高靈敏度氣體檢測和寬溫度檢測范圍,還能集成片上微型加熱器和散熱空腔,在有效實現高靈敏度、寬檢測范圍的基礎上降低器件和模組的生產成本、面積開銷和功耗。本發明提供了一種高性能、高可靠性、多功能的便攜式氮化鎵傳感器系統,且易大規模集成和生產,對實現高性能、高可靠性、多功能的便攜式氮化鎵傳感器系統具有重要意義。
2、本發明的一個目的在于,提供一種氮化鎵傳感器,所述氮化鎵傳感器包括外延結構,所述外延結構從上至下依次包括:勢壘層(1)、溝道層(2)、緩沖層(3)和襯底(4);
3、其中,
4、所述勢壘層的上表面設置有源極(5)和漏級(6);
5、所述源極和漏級之間設置有若干個柵極(7);
6、所述源極、漏級和柵極彼此平行且間隔排布,共同形成齒狀結構;
7、所述勢壘層的上表面還設置有鈍化層(9);
8、所述源極、漏級和柵極均被所述鈍化層覆蓋;
9、所述柵極的數量≥2。
10、圖1示出了外延結構示意圖。
11、附圖說明:1-勢壘層;2-溝道層;3-緩沖層;4-襯底。
12、進一步地,每兩個相鄰的所述柵極之間還設置有共用電極。
13、本發明的氮化鎵傳感器中,相鄰柵極之間不含有共用電極時,構成多柵結構;相鄰柵極之間設有共用電極時,構成級聯結構。采用兩種柵極結構排布均能實現本發明的相應功能,二者區別在于:采用多柵結構可以減小器件面積開銷,但是其輸出感應電流同時受到三種不同柵極材料的影響,需要后續的數據信號處理加以區分;采用級聯結構可以單獨對某一柵極材料的感應電流輸出單獨采集,但器件面積開銷較大。
14、進一步地,所述襯底設置有若干個散熱空腔(4-1),多個散熱空腔共同形成齒狀結構。
15、進一步地,所述勢壘層的上表面還設置有環形熱電極(8),所述源極和漏級設置于所述環形熱電極的內部。
16、現有氮化鎵傳感器,如氣體傳感器需要在合適的溫度下工作才能展現出較優異的性能,滿足該條件需要外部增加熱源,大大增加了系統復雜度和能耗,且不利于尺寸微縮。本發明創新性提出可集成微型加熱器結構,通過施加熱電極上施加電壓的不同調節器件局部的工作溫度,可以有效降低能耗。
17、本發明還設計了襯底背孔空腔,形成有效散熱結構,降低非傳感工作區結溫,不會影響傳感功能區以外的工作溫度,有效提升了器件和模組的可靠性和壽命。
18、進一步地,所述源極和漏級底部通過勢壘層刻蝕凹槽與溝道層相連,
19、和/或
20、所述柵極底部通過勢壘層刻蝕凹槽嵌入勢壘層。
21、進一步地,所述鈍化層的材料選自aln、sio2、sin、sion、al2o3、hfo2、hfalox、zro2、hfzrox中的一種或多種。
22、進一步地,所述勢壘層的材料選自algan、ingan、inaln、aln、inalgan、inn、alscn中的一種或多種。
23、進一步地,所述勢壘層的材料采用algan時,al的組分為0.05-0.35,algan的厚度為10-30nm;采用ingan時,in的組分為0.10-0.30,ga的組分為0.70-0.90,ingan的厚度為10-30nm;采用inaln時,in的組分為0.10-0.20,al的組分為0.80-0.90,inaln的厚度為5-20nm。
24、進一步地,所述源極、漏級和共用電極的材料選自ti/al/ni/au、ti/al/ti/au、ta/al/ta/au、ti/au、ni/au、ta/au、ti/al/ni/tin、ti/al/ni/w、ti/al/ni/pt、ti/al/ti/tin、ti/al/ti/w、ti/al/ti/pt、ta/al/ta/tin、ta/al/ta/w、ta/al/ta/pt、ti/w、ti/tin、ti/pt、ni/w、ni/tin、ni/pt、ta/w、ta/tin、ta/pt中的一種或多種。
25、進一步地,所述柵極的材料選自金屬薄膜、氧化物、二維材料、納米材料、生物有機物材料中的一種或多種。
26、進一步地,柵極材料作為傳感感應材料,是決定氣體傳感器功能和性能的關鍵,柵極材料可以為:
27、(1)金屬薄膜材料(包括但不限于pt、pd、ir、ru、rh、ni、au及其兩元或三元合金,例如irpt,irpd);
28、(2)氧化物材料(包括但不限于zno、cuo、cu2o、ingazno、inzno、sno2、tio2、wo3、la2o3、vo2、moo3、gaox、algaox、sc2o3、nio、iro2、nio、hfo2、sio2、ta2o3);
29、(3)二維材料(包括但不限于石墨烯、碳納米管、二維過渡金屬二硫化物,如mos2、ws2、石墨、黑磷、氮化硼);
30、(4)納米材料(半導體納米柱或納米線、金屬或氧化物納米顆粒);
31、(5)生物有機物材料,如特定檢測抗體、酶、核酸、細胞、基團所需的材料。
32、進一步地,所述襯底的材料選自硅、碳化硅、氮化鎵、藍寶石、氮化鋁、磷酸鋰、qst、金剛石、氧化鎵中的一種。
33、進一步地,所述溝道層和緩沖層的材料為gan。
34、本發明的另一個目的在于,提供上述氮化鎵傳感器的制備方法,所述氮化鎵傳感器的制備方法包括如下步驟:
35、s1、在襯底表面生長制備外延結構,所述外延結構從上至下依次包括勢壘層、溝道層、緩沖層和襯底;
36、s2、對所述勢壘層定義源漏歐姆區域,然后沉積源極、漏級;
37、s3、對所述勢壘層定義柵極區域,沉積柵極;
38、s4、沉積鈍化層,然后刻蝕開孔,沉積測試及打線電極;
39、s5、刻蝕襯底得到散熱空腔。
40、進一步地,步驟s2中,還包括退火處理。
41、進一步地,步驟s3中,還包括:對所述勢壘層定義熱電極區域,沉積熱電極。
42、進一步地,所述氮化鎵傳感器的制備方法包括如下步驟:
43、s1、通過mocvd或mbe生長外延結構,然后依次經過丙酮超聲清洗5min,異丙醇超聲清洗10min,去離子水沖洗10min,氮氣吹干,去除樣品表面雜質及有機物,保持樣品表面清潔。
44、s2、將步驟s1處理好的樣品通過光刻工藝定義源漏歐姆區域,并使用電子束蒸鍍(ebe)或物理氣相沉積(pvd)或其他金屬設備沉積源漏歐姆接觸電極,電極選擇如前所述,金屬沉積并剝離后,通過快速熱退火的方式形成良好的歐姆接觸。
45、上述s2為無凹槽工藝進行歐姆接觸,還可選擇有凹槽工藝進行歐姆接觸:
46、通過光刻工藝定義源漏歐姆區域,利用干法或濕法工藝部分或全部去除源漏區域下勢壘層結構,再沉積金屬,剝離和快速熱退火形成歐姆接觸。
47、可選的,此處形成歐姆接觸的方式也可以是:1.離子注入形成高濃度參雜勢壘層再沉積歐姆電極,無須退火工藝;2.形成有凹槽結構后再生長高濃度參雜半導體層,再沉積歐姆電極,無須退火工藝。
48、圖2示出了源漏歐姆接觸示意圖;
49、其中,
50、圖2(a)為無源漏凹槽示意圖;
51、圖2(b)為有源漏凹槽示意圖。
52、附圖說明:1-勢壘層;2-溝道層;3-緩沖層;4-襯底;5-源極;6-漏級。
53、s3、將樣品依次進行勻膠、前烘、光刻、顯影、后烘等步驟,依次定義柵極結構,其中多柵結構和級聯結構的柵極數量≥2以上,可根據具體需要設定。
54、步驟s3也可選有無柵極凹槽工藝,無凹槽工藝的優勢為工藝簡單,有凹槽工藝可以通過部分去除柵下勢壘層結構來降低器件待機能耗,增強傳感特性等。實現有凹槽結構方法與前述歐姆凹槽工藝類似,利用干法或濕法工藝部分去除柵極下勢壘層結構,再依次沉積不同感應材料。
55、圖3示出了柵極沉積示意圖;
56、其中,
57、圖3(a)為無柵凹槽示意圖;
58、圖3(b)為有柵凹槽示意圖。
59、附圖說明:1-勢壘層;2-溝道層;3-緩沖層;4-襯底;5-源極;6-漏級;7-柵極。
60、可選的,步驟s3還包括:將樣品通過光刻工藝定義熱電極區域,并沉積熱電極材料,形成微型加熱器結構,通過電極上施加電壓提供自熱源,且溫度可通過施加電壓的大小調控,可以有效為傳感器提供合適的工作溫度,從而無需外加熱源,進一步減小器件面積開銷和能耗。
61、s4、沉積鈍化層結構,并通過干法或濕法開孔,再沉積測試及打線金屬用于后續性能測試、封裝等用途。
62、s5、對襯底進行背孔刻蝕,形成散熱空腔,從而有效防止非感應工作區域的結溫過高。
63、圖4為襯底背孔刻蝕散熱空腔示意圖。
64、附圖說明:1-勢壘層;2-溝道層;3-緩沖層;4-襯底;4-1散熱空腔;5-源極;6-漏級;7-柵極;8-熱電極;9-鈍化層。
65、圖5為多柵結構的氮化鎵傳感器結構示意圖;
66、其中,
67、圖5(a)為截面示意圖;
68、圖5(b)為平面示意圖。
69、附圖說明:1-勢壘層;2-溝道層;3-緩沖層;4-襯底;4-1散熱空腔;5-源極;6-漏級;7-柵極;8-熱電極;9-鈍化層;10-測試及打線電極。
70、圖6為級聯結構的氮化鎵傳感器結構示意圖;
71、其中,
72、圖6(a)為截面示意圖;
73、圖6(b)為平面示意圖。