阅读说明：本技术 一种GaN基热敏器件及其制备方法 (GaN-based thermosensitive device and preparation method thereof ) 是由 仇志军 叶怀宇 张国旗 于 2019-09-12 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种GaN基热敏器件及其制备方法,包括：1)衬底上依次沉积GaN缓冲层和GaN高阻层；2)GaN高阻层上沉积n型掺杂GaN层；3)n型掺杂GaN层沉积SiO<Sub>2</Sub>介质层；4)刻蚀n型GaN层端部形成源极和漏极孔并沉积源电极和漏电极；5)SiO<Sub>2</Sub>介质层上沉积热释电材料；6)刻蚀热释电材料,沉积形成栅电极。本发明的GaN器件具有高电子迁移率、高导热率、高结温、高耐压等特点,具有很强的温度稳定性,适宜于电力环境应用；其次,热释电敏感材料本身无辐射,故无需制冷系统,可以工作在室温及其以上温度,器件功耗低；此外,该器件还具有探测光谱宽、工作频率广、灵敏度高且与波长无关、探测角度大等优点。(The invention discloses a GaN-based thermosensitive device and a preparation method thereof, wherein the preparation method comprises the following steps: 1) depositing a GaN buffer layer and a GaN high-resistance layer on the substrate in sequence; 2) depositing an n-type doped GaN layer on the GaN high-resistance layer; 3) deposition of SiO on n-type doped GaN layer 2 A dielectric layer; 4) etching the end part of the n-type GaN layer to form a source electrode hole and a drain electrode hole and depositing a source electrode and a drain electrode; 5) SiO 2 2 Depositing a pyroelectric material on the dielectric layer; 6) and etching the pyroelectric material, and depositing to form a gate electrode. The GaN device has the characteristics of high electron mobility, high thermal conductivity, high junction temperature, high voltage resistance and the like, has strong temperature stability, and is suitable for being applied in a power environment; secondly, the pyroelectric sensitive material is free of radiation, so that a refrigeration system is not needed, the pyroelectric sensitive material can work at room temperature or above, and the power consumption of the device is low; in addition, the device also has wide detection spectrum, wide working frequency and sensitivityHigh and independent of wavelength, large detection angle, etc.)

一种GaN基热敏器件及其制备方法

技术领域

本发明涉及热敏器件领域，具体为一种GaN基热敏器件及其制备方法。

背景技术

传统的热释电温度传感器结构如图1所示，其基本工作原理是热释电材料 吸收外界红外辐射后，温度发生变化，产生热释电电流，然后该电流通过后端 的放大电路放大形成信号电压输出，从而可以得到外界辐射源的温度和辐射强 度等信息。由于其后端集成的放大电路多数是Si基MOS管，因此很容易受到 工作环境的影响，比如温度、电磁辐射和压力环境的影响，使得该传感器会增 加制冷系统和电磁屏蔽等结构，其结果会使得系统结构复杂化、体积和功耗增 大。但是随着需求的发展，对传感器的集成度、功耗、工作环境要求越来越高， 因此需要一些高集成度、高灵敏度、耐高压、耐高温、良好抗电磁辐射的温度 传感器。

发明内容

基于上述提到的传统热释电温度传感器存在的问题以及发展需求，本发明 创新性的提出了一种GaN基热敏器件制备方法，不仅能够满足高灵敏的温度传 感，而且能够降低传感器件的功耗，提高集成度，此外，能够使得温度传感器 工作在高温、高压、高等级电磁辐射等电力复杂环境中。

具体方法包括

1)衬底上依次沉积GaN缓冲层和GaN高阻层；

2)GaN高阻层上沉积n型掺杂GaN层；

3)n型掺杂GaN层沉积SiO₂介质层；

4)刻蚀n型GaN层端部形成源极和漏极孔并沉积源极和漏极；

5)SiO₂介质层上沉积热释电材料；

6)刻蚀热释电材料，沉积形成栅极。

优选地，所述1)中的GaN缓冲层厚度为0.2μm～4μm；所述GaN高阻层 为半绝缘的GaN，厚度为0.5μm～2μm；

优选地，所述2)中的n型掺杂GaN层厚度为10nm～30nm，掺杂浓度为 1×10¹⁹cm^-3～5×10¹⁸，所述掺杂元素为硅。

优选地，所述3)中的SiO₂介质层的厚度为10nm～150nm。

优选地，所述5)中的热释电材料为TGS单晶、LiTaO₃单晶、LiNbO₃单晶、 Sr_{1- x}Ba_xNb₆O₁₅单晶、PbZr_1-xTi_xO₃陶瓷、PbLiO₃陶瓷、聚偏氟乙烯树脂；所述热 释电材料厚度为0.1μm～50μm；

所述5)中热释电材料厚度为5～60μm。

优选地，由上述方法制得的GaN基热敏器件。

热释电材料具有良好热释电效应的功能材料，即会因为温度变化而发生电 荷极化改变。当其吸收外界的红外辐射之后，自身温度的变化会导致极化强度 发生改变。热释电材料作为GaN MOS器件的栅极接触材料，当其因为吸收红外 辐射而产生栅极电压信号输出时，就会引起n型GaN层(作为MOS器件的沟 道)中电流的变化，即源漏电流的变化。因此，我们能够通过固有的GaN MOS 器件的源漏电流与栅压关系，获得热释电材料的因为吸收辐射而输出的电压或 电流信号，然后利用热释电材料具有的固有极化特性计算得到吸收的辐射量、 辐射源温度等，从而进行温度传感。

本发明的优点在于：

(1)本发明提供的热敏器件为GaN基MOS器件，克服了传统Si基MOS 器件受周围温度和压力影响大的缺点，具有耐温、耐压以及抗辐射等优点，实 现了在高温、高压等复杂电力环境工作。

(2)本发明使用了具有良好热释电效应的功能材料作为温度敏感材料，使 得器件具有非制冷、波长无关的高灵敏度温度探测、宽光谱响应、探测角度大、 功耗小等优点。

(3)本发明使用了GaN材料，GaN基MOS器件具有的高迁移率、高开关 速度等，使得该新型传感器具有较快的响应速度。

(4)本发明利用MOSFET器件固有的信号放大特性，能够进一步提高该 新型传感器的温度探测灵敏度。

(5)本发明制备的热敏器件具有高集成度，有利于温度传感系统小型化。

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为传统的热释电温度传感器示意图。

图2为本发明实施例1的二维剖面结构示意图。

图3为本发明实施例1的制备工艺流程图。

图4为本发明实施例2的制备工艺流程图。

图5为本发明实施例3的制备工艺流程图。

蓝宝石衬底1，GaN缓冲层2，高阻GaN层3，n型掺杂GaN层4，SiO₂介质层5，热释电材料6，源极7；漏极8；栅极9。

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基热敏器件及其制备方法，器件的剖面如图2所示， 它由蓝宝石衬底1、GaN缓冲层2、高阻GaN层3、n型重掺杂的GaN层4、SiO₂介质层5、热释电材料6、源极金属接触电极7、漏极金属接触电极8和栅极金 属接触电极9组成。

具体制备工艺流程如图3所示，包括：

1)取样蓝宝石衬底，并用浓磷酸溶液对其表面进行预处理。

2)在蓝宝石衬底之上依次外延生长2μm GaN缓冲层2、1μm高阻GaN层 3和10nm n型掺杂为5×10¹⁸cm^-3的GaN层4。

3)利用感应耦合等离子化学沉积技术(ICPCVD)，在洁净的外延片上淀积 90nm厚的SiO₂介质层5。

4)通过光刻制备出源漏电极孔图案，并利用感应耦合等离子体刻蚀技术 (ICP)在SiO₂介质层5上刻蚀出源漏电极孔，然后利用光刻、金属蒸镀技术， 淀积源极金属电极7和漏极金属电极8。

5)在SiO₂介质层5上淀积10μm的热释电材料6，并通过光刻、刻蚀工艺 选择性去除热释电材料6，仅保留栅区部分的热释电材料6。

6)利用光刻、金属蒸镀技术，在热释电材料6上淀积栅极金属接触电极9。

实施例2

本实施例提供一种GaN基热敏器件制备方法，其工艺流程如图4所示，包 括

1)取样蓝宝石衬底，并用浓磷酸溶液对其表面进行预处理。

2)在蓝宝石衬底之上依次外延生长3μm GaN缓冲层2、1.5μm高阻GaN 层3和20nm n型掺杂为7.5×10¹⁸cm^-3的GaN层4，

3)利用感应耦合等离子化学沉积技术(ICPCVD)，在洁净的外延片上淀积 120nm厚的SiO₂介质层5。

4)通过光刻制备出源漏电极孔图案，并利用感应耦合等离子体刻蚀技术 (ICP)在SiO₂介质层5上刻蚀出源漏电极孔，然后利用光刻、金属蒸镀技术， 淀积源极金属电极7和漏极金属电极8。

5)在SiO₂介质层5上淀积30μm的热释电材料6，并通过光刻、刻蚀工艺 选择性去除热释电材料6，仅保留栅区部分的热释电材料6。

6)利用光刻、金属蒸镀技术，在热释电材料6上淀积栅极金属接触电极9。

实施例3

本实施例提供一种GaN基热敏器件制备方法，其工艺流程如图5所示，包 括

1)取样蓝宝石衬底，并用浓磷酸溶液对其表面进行预处理。

2)在蓝宝石衬底之上依次外延生长4μm GaN缓冲层2、2μm高阻GaN层 3和30nm n型掺杂为1×10¹⁹cm^-3的GaN层4，

3)利用感应耦合等离子化学沉积技术(ICPCVD)，在洁净的外延片上淀积 150nm厚的SiO₂介质层5。

4)通过光刻制备出源漏电极孔图案，并利用感应耦合等离子体刻蚀技术 (ICP)在SiO₂介质层5上刻蚀出源漏电极孔，然后利用光刻、金属蒸镀技术， 淀积源极金属电极7和漏极金属电极8。

5)在SiO₂介质层5上淀积50μm的热释电材料6，并通过光刻、刻蚀工艺 选择性去除热释电材料6，仅保留栅区部分的热释电材料6。

6)利用光刻、金属蒸镀技术，在热释电材料6上淀积栅极金属接触电极9。

GaN基MOSFET器件具有开关速度快、体积小、高结温、高耐压的特点。 因此将热释电材料集成在GaN MOS器件结构之上，能够制备出新型高性能温度 传感器，既能够满足高灵敏度探测，又能够适用于高温、高压和辐射等复杂环 境，此外能够保证系统的小型化、低功耗等。

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。