CN106384749A - 压力传感器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种压力传感器及其制作方法，在碳化硅SiC的衬底层上生长的外延层，包含GaN沟道层及该GAN沟道层上的AlGaN帽层，所述AlGaN帽层与GAN沟道层之间形成2DEG沟道；在所述AlGaN帽层上分别形成有源极、漏极；在所述AlGaN帽层的栅极位置上设置有经过高压极化的β型PVDF薄膜。本发明充分结合PVDF和HEMT的特点，制成的新型异质结压力传感器，可以有效提高感应灵敏度。
Description
技术领域
本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种压力传感器及其制作方法。
背景技术
伴随着物联网技术的飞速发展，可穿戴智能医疗设备的兴起，市场的需求带动着技术的飞速发展。市场对压力传感器提出了新的要求，把更高灵敏度、更小体积、更强环境适应能力，作为传感器领域更为苛刻的标准。传统的压力传感器以机械式压力传感器为主，后来伴随着MEMS技术和半导体技术的发展，以硅为基础的电容式、电阻式半导体压力传感器，对传感器的发展产生了极大的推动作用。
极化材料在敏感型压力传感器中有着广泛的应用，如钛酸钡BT，压电陶瓷（锆钛酸铅） PZT，聚偏氟乙烯PVDF等。自从PVDF诞生以来，以良好的柔韧性、低密度、低阻抗而闻名。由于它用途广泛，PVDF在低成本，可重复性压力传感器方面有着广泛应用。
最近，由自发极化和压电极化效应产生高载流子浓度的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMT），在化学和生物传感器领域展现出了巨大的应用潜力，不像传统的场效应管，这种器件并无刻意的掺杂。在HEMT器件中电子被限制在位于AlGaN/GaN两层之间的2DEG（二维电子气）沟道之中，在HEMT的表面2DEG诱导产生了大量正电荷。HEMT表面外力轻微的改变就可以影响到HEMT表面电荷的改变，进而对沟道中的二维电子气产生影响。基于氮化HEMT和PVDF的以上特点，把它们结合起来形成更高灵敏度、更加微型的压力传感器成为了值得探讨的研究课题。
发明内容
本发明充分结合PVDF和现代HEMT器件的特点，提出一种能够提高感应灵敏度的新型异质结压力传感器及其制作方法。
为了达到上述目的，本发明的一个技术方案是提供一种β型PVDF薄膜的制备方法，其中：
将β型PVDF薄膜的样品放在铜制基板上，并浸没于全氟三丁胺溶液中；
一铜线悬在所述β型PVDF薄膜的样品的上方，将所述铜线与直流电源连通，向所述β型PVDF薄膜的样品施加高压，得到β型PVDF薄膜。
优选地，所述全氟三丁胺溶液的温度保持70℃；铜线直径为0.2mm；铜线悬在所述β型PVDF薄膜的样品的上方1cm处；直流电源的电压为10kV。
优选地，10wt％的PMMA与PVDF粉末原料的混合加入N,N-二甲基乙酰胺中形成的溶液，通过结晶得到所述β型PVDF薄膜的样品。
本发明的另一个技术方案是提供一种压力传感器的制作方法，其中：
在SiC衬底上生长未掺杂的GaN沟道层，并在所述GaN沟道层上生长未掺杂的Al0.25Ga0.75N帽层；
进行台面隔离，并在所述Al0.25Ga0.75N帽层上刻蚀形成源极和漏极的设计位置；在相应的设计位置沉积金属层，形成源极和漏极的接触电极；
以正极性光刻胶为掩膜，经光刻工艺确定所述Al0.25Ga0.75N帽层上的栅极位置；在所述栅极位置上设置β型PVDF薄膜。
优选地，通过上述任意一项方法制备得到的所述β型PVDF薄膜，设置到所述栅极位置。
优选地，所述β型PVDF薄膜的第一表面带正电荷，与第一表面相对的第二表面带负电荷，其中该第一表面紧贴于所述Al0.25Ga0.75N帽层的上表面；或者，所述β型PVDF薄膜的第一表面带正电荷，与第一表面相对的第二表面带负电荷，其中该第二表面紧贴于所述Al0.25Ga0.75N帽层的上表面。
优选地，未掺杂的GaN沟道层及未掺杂的Al0.25Ga0.75N帽层，通过分子束外延技术生长；
在氩气中利用电感耦合等离子体技术，对源极和漏极的设计位置进行刻蚀，电感耦合等离子体技术的工艺参数包含功率300W，频率2MHz，-90V自偏压，压强5mTorr；
利用电子束沉积技术，在850℃，流动的氮气N2 中经过50s，来沉积Ti/Al/Pt/Au中的一种金属或多种金属的合金，形成源极和漏极的接触电极；
所述Al0.25Ga0.75N帽层上的栅极位置尺寸为10×50μm²；
通过微绘图仪对所述栅极位置处的β型PVDF薄膜进行尺寸调整。
优选地，所述GaN沟道层的厚度为2μm；所述Al0.25Ga0.75N帽层的厚度为250nm；在栅极位置处的β型PVDF薄膜，在不受力时的厚度为2μm。
本发明的又一个技术方案是提供一种压力传感器，其中：
所述压力传感器设有SiC衬底层；
所述衬底层上生长的外延层，包含GaN沟道层及该GAN沟道层上的AlGaN帽层，所述AlGaN帽层与GAN沟道层之间形成2DEG沟道；
在所述AlGaN帽层上分别形成有源极、漏极；
在所述AlGaN帽层的栅极位置上设置有β型PVDF薄膜。
优选地，所述β型PVDF薄膜的第一表面带正电荷，与第一表面相对的第二表面带负电荷，其中该第一表面紧贴于所述Al0.25Ga0.75N帽层的上表面，使所述压力传感器的栅极与漏极之间的电流Ids随所述β型PVDF薄膜受到的压力增大而增大；
或者，所述β型PVDF薄膜的第一表面带正电荷，与第一表面相对的第二表面带负电荷，其中该第二表面紧贴于所述Al0.25Ga0.75N帽层的上表面，使所述压力传感器的栅极与漏极之间的电流Ids随所述β型PVDF薄膜受到的压力增大而减小。
综上所述，本发明充分结合PVDF和HEMT的特点，制成的新型异质结压力传感器，可以有效提高感应灵敏度。
附图说明
图1、图2是本发明中结合PVDF薄膜制成的异质结压力传感器的两种实施结构的原理示意图；
图3是本发明中对PVDF样品进行高压极化的示意图。
具体实施方式
如图1、图2所示，本发明提供一种新型异质结压力传感器，设有SiC的衬底层；衬底层上形成的外延层包含GaN沟道层及该GAN沟道层上的AlGaN帽层，所述AlGaN帽层与GAN沟道层之间形成2DEG沟道；在所述AlGaN帽层上分别形成源极、漏极；在所述AlGaN帽层的栅极位置上形成β型PVDF薄膜。
β型PVDF材料具有良好的极化特性。极化材料包含着很多小偶极单元，正电荷在材料的一边，负电荷在材料的另外一边与正电荷所在表面方向相对。在外界压力作用下，压电样品的尺寸和偶极子单元的尺寸都会有所降低。因此材料单位单元中所有电偶极矩会相对降低。材料电偶极距的变化改变了材料两端的电荷密度，本发明即利用了这些特性。
本发明所述的β型PVDF薄膜具有两个相对的表面，第一表面带正电荷，第二表面带负电荷。在图1所示的第一实施例中，PVDF薄膜的第一表面为底面，第二表面为顶面；在将PVDF薄膜置于AlGaN帽层之上时，PVDF薄膜的第一表面（带正电荷）紧贴着AlGaN帽层的上表面，第二表面远离AlGaN帽层。该第一实施例中，一旦PVDF薄膜受到外界压力，该PVDF表面上的纯负电荷就会降低，进而使得AlGaN帽层上表面的正电荷降低，二维电子气相应减小。因此，本例中栅极与漏极之间的电流Ids将随PVDF薄膜受到的压力增大而增大。
在图2所示的第二实施例中，极化方式对调，PVDF薄膜的第一表面为顶面，第二表面为底面；在将该PVDF薄膜置于AlGaN帽层之上时，PVDF薄膜的第二表面（带负电荷）紧贴着AlGaN帽层的上表面，第一表面远离AlGaN帽层。因而，该第二实施例中，AlGaN帽层上表面的正电荷会升高，漏极电流会相对增加。即，本例中栅极与漏极之间的电流Ids 将随PVDF薄膜受到的压力增大而减小。
本发明所述压力传感器的制作方法，包含以下过程：
S1、在SiC衬底上，通过分子束外延技术生长外延层，包含：
在SiC衬底上生长出厚度2μm的未掺杂的GaN沟道层；以及，
在GaN沟道层上生长出厚度250nm的未掺杂Al0.25Ga0.75N帽层。
S2、在Al0.25Ga0.75N帽层上设置源极、漏极；
其中，通过台面隔离在氩气Ar中利用ICP（电感耦合等离子体）技术，在源极和漏极的设计位置进行刻蚀，功率300W，频率2MHz，-90V自偏压，压强5mTorr（毫托）；
利用E_beam deposited（电子束沉积）技术，在850℃，流动的氮气N2 中经过50s，在前述刻蚀位置沉淀Ti/Al/Pt/Au中的一种金属或多种金属的合金，获得5×10-6Ωcm2 的接触电阻，形成标准的欧姆接触发射极，分别构成源极和漏极。
S3、将β型PVDF薄膜设置到Al0.25Ga0.75N帽层的栅极位置上；其中，
使用正极性光刻胶作为掩膜，经光刻工艺确定栅极位置的尺寸为10×50μm²；
在栅极位置形成β型PVDF材料的涂层，通过微绘图仪在栅极位置制作未极化厚度为2μm的PVDF薄膜。
其中，β型PVDF薄膜的制备过程包含：
1）将10wt％的PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）与PVDF粉末原料的混合加入N,N-二甲基乙酰胺中形成溶液。
2）利用PMMA与PVDF结晶温度的不同（PMMA结晶温度114℃，PVDF结晶温度-38℃），制备出β型PVDF薄膜。
注：由PVDF溶液直接合成的PVDF薄膜为α型PVDF。α型PVDF既不能极化，也没有压电性、热电性。但通过10wt％的PMMA与PVDF的混合，可以得到β型PVDF的结晶。
如图3所示，为了进一步提高β型PVDF的份额，采取对样品加高压的方法，包含：
3）将β型PVDF薄膜的样品31放在铜制基板32上，并浸没于全氟三丁胺（F-43）溶液33中（溶液要保持在70℃），溶液33用来阻止高压电弧效应。
4）用一根直径0.2mm的铜线，悬在β型PVDF薄膜的样品上方1cm处。
5）使铜制基板32接地，将铜线与10kV的直流电源连接，向样品施加高压。
综上所述，本发明充分结合PVDF和HEMT的特点，制成的新型异质结压力传感器，可以有效提高感应灵敏度。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (10)
1.一种β型PVDF薄膜的制备方法，其特征在于：
将β型PVDF薄膜的样品放在铜制基板上，并浸没于全氟三丁胺溶液中；
一铜线悬在所述β型PVDF薄膜的样品的上方，将所述铜线与直流电源连通，并将铜制基板接地，向所述β型PVDF薄膜的样品施加高压，得到β型PVDF薄膜。
2.如权利要求1所述β型PVDF薄膜的制备方法，其特征在于，
所述全氟三丁胺溶液的温度保持70℃；铜线直径为0.2mm；铜线悬在所述β型PVDF薄膜的样品的上方1cm处；直流电源的电压为10kV。
3.如权利要求1或2所述β型PVDF薄膜的制备方法，其特征在于，
10wt％的PMMA与PVDF粉末原料的混合加入N,N-二甲基乙酰胺中形成的溶液，通过结晶得到所述β型PVDF薄膜的样品。
4.一种压力传感器的制作方法，其特征在于：
在SiC衬底上生长未掺杂的GaN沟道层，并在所述GaN沟道层上生长未掺杂的Al0.25Ga0.75N帽层；
进行台面隔离，并在所述Al0.25Ga0.75N帽层上刻蚀形成源极和漏极的设计位置；在相应的设计位置沉积金属层，形成源极和漏极的接触电极；
以正极性光刻胶为掩膜，经光刻工艺确定所述Al0.25Ga0.75N帽层上的栅极位置；在所述栅极位置上设置β型PVDF薄膜。
5.如权利要求4所述压力传感器的制作方法，其特征在于：
将通过权利要求1-3中任意一项方法制备得到的所述β型PVDF薄膜，设置到所述栅极位置。
6.如权利要求5所述压力传感器的制作方法，其特征在于：
所述β型PVDF薄膜的第一表面带正电荷，与第一表面相对的第二表面带负电荷，其中该第一表面紧贴于所述Al0.25Ga0.75N帽层的上表面；或者，所述β型PVDF薄膜的第一表面带正电荷，与第一表面相对的第二表面带负电荷，其中该第二表面紧贴于所述Al0.25Ga0.75N帽层的上表面。
7.如权利要求4-6中任意一项所述压力传感器的制作方法，其特征在于：
未掺杂的GaN沟道层及未掺杂的Al0.25Ga0.75N帽层，通过分子束外延技术生长；
在氩气中利用电感耦合等离子体技术，对源极和漏极的设计位置进行刻蚀，电感耦合等离子体技术的工艺参数包含功率300W，频率2MHz，-90V自偏压，压强5mTorr；
利用电子束沉积技术，在850℃，流动的氮气N2 中经过50s，来沉积Ti/Al/Pt/Au中的一种金属或多种金属的合金，形成源极和漏极的接触电极；
所述Al0.25Ga0.75N帽层上的栅极位置尺寸为10×50μm²；
通过微绘图仪对所述栅极位置处的β型PVDF薄膜进行尺寸调整。
8.如权利要求4-7中任意一项所述压力传感器的制作方法，其特征在于：
所述GaN沟道层的厚度为2μm；
所述Al0.25Ga0.75N帽层的厚度为250nm；
在栅极位置处的β型PVDF薄膜，在不受力时的厚度为2μm。
9.一种压力传感器，其特征在于，
所述压力传感器设有SiC衬底层；
所述衬底层上生长的外延层，包含GaN沟道层及该GAN沟道层上的AlGaN帽层，所述AlGaN帽层与GAN沟道层之间形成2DEG沟道；
在所述AlGaN帽层上分别形成有源极、漏极；
在所述AlGaN帽层的栅极位置上设置有β型PVDF薄膜。
10.如权利要求9所述的压力传感器，其特征在于，
所述β型PVDF薄膜的第一表面带正电荷，与第一表面相对的第二表面带负电荷，其中该第一表面紧贴于所述Al0.25Ga0.75N帽层的上表面，使所述压力传感器的栅极与漏极之间的电流Ids随所述β型PVDF薄膜受到的压力增大而增大；
或者，所述β型PVDF薄膜的第一表面带正电荷，与第一表面相对的第二表面带负电荷，其中该第二表面紧贴于所述Al0.25Ga0.75N帽层的上表面，使所述压力传感器的栅极与漏极之间的电流Ids随所述β型PVDF薄膜受到的压力增大而减小。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN109211444A (zh) * | 2018-09-25 | 2019-01-15 | 中国电子科技集团公司第十三研究所 | 压力传感器及其制备方法 |
Citations (3)
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| US20110068372A1 (en) * | 2007-09-18 | 2011-03-24 | University Of Florida Research Foundation, Inc. | Sensors using high electron mobility transistors |
| US20110137184A1 (en) * | 2008-08-19 | 2011-06-09 | Fan Ren | Pressure sensing |
| CN105470313A (zh) * | 2014-08-12 | 2016-04-06 | 北京纳米能源与系统研究所 | 基于接触起电的背栅场效应晶体管 |
-
2016
- 2016-10-31 CN CN201610929260.6A patent/CN106384749A/zh active Pending
Patent Citations (3)
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