[发明专利]压致势垒变化式氮化镓压力传感器及其制备方法

说明书

本发明公开了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包括：第一衬底和外延结构，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；其中，AlGaN势垒层具有第一凹槽，第一凹槽内形成有欧姆接触层，欧姆接触层与AlN插入层和GaN沟道层界面处的二维电子气连通形成下电极；GaN帽层的至少部分上表面形成有上电极；以及钝化层，钝化层覆盖外延结构的至少部分上表面。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。

技术领域

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

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。

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。

发明内容

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。

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。

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。

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：