具有工作温度实时监控功能的高温三维霍尔传感器及其制作
方法
技术领域
背景技术
[0002]
磁传感器可以将
磁场信号转换成能检测的
电子信号。磁传感器在自动化、医疗系统、数据通信等领域中都有重要应用。基于霍尔效应原理的霍尔传感器是磁传感器的重要代表，也具有最广泛的应用。传统的霍尔传感器主要由
硅(Si)、砷化镓(GaAs)、砷化铟(InAs)和锑化铟(InSb)等窄禁带半导体材料制作，可以在125℃以下的环境中工作。但由于这些材料的禁带宽度小，在超过125℃的高温环境工作时，材料内部杂质散射、晶格散射等机制严重影响载流子迁移率，使得磁传感器的探测灵敏度严重衰减，无法正常工作。目前市场仍然需要能在室温至高于400℃的环境下稳定工作的磁传感器产品。例如，对
太空探索飞行器中
电路系统和
铁磁材料的
居里温度的局部测量等。为了探测空间任意方向的磁场，目前已有的三维霍尔传感器是将测量单一方向磁场的三个一维霍尔传感器集成在一起而得到，其尺寸较大、布线复杂，在一些微型霍尔传感器的新应用受到限制。例如：医学诊断中检测附着在目标分子上的
磁性标签等。而目前虽然已有一些适合高温工作环境的氮化镓(GaN)
异质结霍尔传感器的报道，但其一般只能测量一维的垂直于传感器表面的纵向磁场，并且只能实现磁场测量功能，无法同时实时监控环境和传感器装置工作的温度。
[0003] 与传统的Si、GaAs等材料相比，以
碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体材料具有禁带宽度大、临界击穿
电场高、饱和电子漂移速度高等特点，在制备高温霍尔传感器方面具有良好的材料优势和广阔的应用前景。一方面，与Si材料相比，SiC材料具有宽禁带(约3.25eV)，高热导率(3～5W/(cm K))，其制作的霍尔传感器在工作时由于不存在内部的纵向电场，电子在纵向偏移过程不会被束缚在横向
电流沟道中，因此SiC材料适合制作探测
水平方向磁场的垂直型霍尔传感器。另一方面，GaN材料异质结(典型如AlGaN/GaN、AlN/GaN、InAlN/GaN)界面处的势阱中存在高
密度由极化电荷诱导产生的二维电子气(2DEG)，无需故意掺杂就可在沟道内保持很高的电子迁移率(典型值为2000cm2/V·s)，因此GaN基材料适合制作探测纵向磁场的水平型霍尔传感器。
[0004] 现有的霍尔传感器主要有两种，一种是以Si为代表的单一材料的霍尔传感器，另一种是基于异质结结构的霍尔传感器。硅基材料的霍尔传感器因其可以和集成电路工艺兼容，易于大规模生产，目前市场上较为成熟的产品多为Si材料制作。InAs和InSb等异质结界面处存在高密度由极化电荷诱导产生的高迁移率二维电子气，这些异质结材料制作的霍尔传感器可以获得较高的灵敏度。但这些传统材料本身禁带宽度较窄，在高于125℃的环境下材料内部杂质散射、晶格散射等机制严重影响载流子迁移率，使得磁传感器的探测灵敏度严重衰减，无法正常工作，因此限制了霍尔传感器在高温环境下使用。
[0005] 目前市场上主要以单一磁场测量的水平型霍尔传感器和垂直型霍尔传感器为主。为探测空间任意方向的磁场，已经设计出将水平型霍尔传感器(测量Z方向磁场)和垂直型霍尔传感器(测量X或Y方向的水平磁场)集成在同一平面的三维霍尔传感器。由于集成了两种霍尔传感器，最终得到的三维霍尔传感器器件尺寸较大、布线复杂。除此之外，将三个测量单一方向磁场的霍尔传感器在X、Y、Z方向放置集成也可得到三维霍尔传感器。例如，目前市场上较为成熟如英飞凌的TLV493D三维霍尔传感器，它是将垂直型霍尔传感器旋转放置在X、Y、Z方向即可测量空间任意方向磁场。其缺点同样是尺寸大、空间
分辨率不高并且只能在低于125℃的环境下工作。
[0006] 目前已有一些关于高温霍尔传感器的报道，如GaN异质结的水平型霍尔传感器。GaN材料较大的禁带宽度使得其制作的霍尔传感器可以在高温环境下稳定工作，但其一般只能测量一维的垂直于传感器表面的纵向磁场，并且只能实现磁场测量功能，无法同时实时监控环境和传感器装置工作的温度。
[0007] 传统半导体材料制作的霍尔传感器只能在低温或室温下稳定工作，在高于125℃的环境下材料内部杂质散射、晶格散射等机制严重影响载流子迁移率，导致传感器无法正常工作。为探测空间任意方向磁场设计的集成三维霍尔传感器尺寸较大，限制了其在微型和纳米型小尺寸霍尔传感器的应用。GaN异质结界面处的势阱中存在高密度由极化电荷诱导产生的二维电子气，在垂直沟道的方向存在纵向电场，使得垂直型霍尔传感器灵敏度降低。虽然已有一些关于GaN异质结高温水平型霍尔传感器的报道，这些传感器只能实现磁场测量功能，无法同时实现工作温度的实时监控。
发明内容
[0008] 为了解决上述
现有技术中存在的问题，本发明提出一种具有工作温度实时监控功能的高温三维霍尔传感器及其制作方法，该三维霍尔传感器可以在高温下稳定的工作，测量空间任意方向磁场，尺寸较小，具有较大的灵敏度，同时具有温度测量功能，可以在不影响传感器正常工作的前提下进行精确磁场测量和实时工作温度监测。
[0009] 技术方案如下：
[0010] 一种具有工作温度实时监控功能的高温三维霍尔传感器，包括：衬底、
缓冲层、
外延层、势垒层，所述衬底上依次生长缓冲层、外延层和势垒层，所述外延层异质结界面处的势阱中存在高密度由极化电荷诱导产生的二维电子气；所述衬底下表面设有用于感测平行于器件表面磁场的垂直型霍尔传感器，所述势垒层上表面设置有用于感测垂直于器件表面磁场的“十”字水平型霍尔传感器；所述垂直型霍尔传感器整体为“十”字形，“十”字横向依次设置公共端
电极C2、感测电极S2、信号输入端C0、感测电极S1、公共端电极C1，“十”字纵向依次设置公共端电极C1’、感测电极S1’、所述信号输入端C0、感测电极S2’、公共端电极C2’，“十”字横向与纵向交接处为所述信号输入端C0；所述“十”字水平型霍尔传感器的“十”字四端分别设置信号输入电极C3、信号输入电极C4、感测电极S3、感测电极S4，所述信号输入电极C3与信号输入电极C4相对设置，所述感测电极S3与感测电极S4相对设置；所述信号输入电极C3和信号输入电极C4从所述势垒层延伸至所述外延层、并与所述外延层
接触连接。
[0011] 进一步的，所述衬底是SiC，所述缓冲层是AlN、GaN、超晶格结构中的任意一种，所述外延层是GaN，所述势垒层是AlGaN、AlN、InAlN或者它们的任意组合。
[0012] 进一步的，所述缓冲层的厚度为10nm～100nm，所述外延层的厚度为0.1μm～50μm，所述势垒层的厚度为3nm～100nm。
[0013] 进一步的，所述公共端电极C2、感测电极S2、信号输入端C0、感测电极S1、公共端电极C1、公共端电极C1’、感测电极S1’、感测电极S2’、公共端电极C2’、信号输入电极C3、信号输入电极C4、感测电极S3、感测电极S4的形状是矩形、梯形或者圆形。
[0014] 进一步的，所述公共端电极C1和公共端电极C2关于信号输入端C0中心对称，所述感测电极S1和感测电极S2关于信号输入端C0中心对称。
[0015] 进一步的，所述衬底边缘的横截面为阶梯形，所述公共端电极C1和公共端电极C2从所述衬底下表面延伸至阶梯上。
[0016] 本发明还包括一种具有工作温度实时监控功能的高温三维霍尔传感器制作方法，步骤如下：
[0017] S1、清洗衬底材料，除去衬底表面的污染物；
[0018] S2、利用金属有机化合物化学气相淀积法、分子束外延法、氢化物
气相外延法其中任一种方式
外延生长缓冲层、外延层和势垒层；
[0019] S3、外延生长好的样品经过
光刻显影后，利用感应耦合
等离子体刻蚀法进行
台面刻蚀；
[0020] S4、光刻显影后用
电子束蒸发系统沉积复
合金属，之后利用快速热
退火工艺形成
欧姆接触；
[0021] S5、采用等离子体增强化学气相淀积法、磁控
溅射法、
原子层沉积法、
电子束蒸发法其中任一种方式淀积介质层进行器件
钝化；
[0022] S6、
对电极处
钝化层进行光刻并
腐蚀形成窗口，采用
磁控溅射法、电子束蒸发法、热蒸发法任意一种方法在电极处沉积金属制作焊盘并进行引线。
[0023] 进一步的，所述衬底是SiC，所述缓冲层是AlN、GaN、超晶格结构中的任意一种，所述外延层是GaN，所述势垒层是AlGaN、AlN、InAlN或者它们的任意组合。
[0024] 进一步的，所述缓冲层的厚度为10nm～100nm，所述外延层的厚度为0.1μm～50μm，所述势垒层的厚度为3nm～100nm。
[0025] 进一步的，步骤S3中，台面刻蚀深度为50nm～800nm。
[0026] 本发明的有益效果是：
[0027] 本发明所述的具有工作温度实时监控功能的高温三维霍尔传感器主要有四方面的技术优势：1)SiC和GaN材料带隙大，是制备高温霍尔传感器的优质材料，其制备的垂直型和水平型霍尔传感器在高温下(高于400℃)稳定工作；2)SiC衬底材料上外延生长GaN异质结结构具有较低的晶格失配。与常用的衬底材料Si和蓝
宝石相比，SiC与GaN的晶格失配要小得多(典型值为3.5％～3.8％)，同时热导率也比蓝宝石衬底高得多(典型值为4.9W/(cm K))，所以宜采用SiC材料作为衬底；3)SiC材料的衬底用于制作测量水平磁场的垂直型霍尔传感器，与GaN异质结相比，体材料的SiC不存在垂直于沟道方向的纵向电场，沟道电子束缚较小，有利于提高垂直型器件的灵敏度；GaN异质结用于制作测量垂直方向磁场的水平型霍尔传感器，由于异质结界面处的势阱中存在高密度由极化电荷诱导产生的二维电子气，具有高迁移率，因此传感器具有较高灵敏度；4)加入的温度测量结构不会影响原本传感器结构，在不影响传感器正常工作的前提下可同时进行精确磁场测量和实时工作温度监测。
[0028] 本发明技术方案带来的有益效果，一方面与传统半导体材料相比，利用了SiC和GaN材料禁带宽度大的特点，可以满足霍尔传感器在高温环境下的使用。另一方面提出了一种新的三维霍尔传感器结构，可实现工作温度实时监控的集成背面SiC垂直型和
正面GaN异质结水平型的高温三维霍尔传感器。外延生长的GaN异质结和SiC衬底晶格失配小；SiC材料制作的垂直型霍尔传感器因为不存在纵向电场，传感器灵敏度提高；GaN异质结的水平型霍尔传感器因为具有高电子迁移率的特点，同样提高器件灵敏度。最后，加入了温度测量结构，既不会影响本来传感器结构，又不影响传感器正常工作，还可以同时进行精确磁场测量和实时工作温度监测。本方案制作的可进行温度测量的高温三维霍尔传感器未来有望广泛应用于各种军事、航空航天、医学、微型和纳米型传感器中。
附图说明
[0029] 图1是本发明
申请提出的具有工作温度实时监控功能的高温三维霍尔传感器背面SiC垂直型霍尔传感器结构示意图；
[0030] 图2是本发明申请提出的具有工作温度实时监控功能的高温三维霍尔传感器正面GaN基水平型霍尔传感器结构示意图；
[0031] 图3是本发明申请提出的具有工作温度实时监控功能的高温三维霍尔传感器截面示意图；
[0032] 图4是本发明申请提出的具有工作温度实时监控功能的高温三维霍尔传感器工作原理图；
[0033] 图5是本发明申请具体
实施例工艺
流程图；
[0034] 图6是本发明申请提出的具有工作温度实时监控功能的高温三维霍尔传感器中背面SiC垂直型霍尔传感器电流灵敏度与温度关系的实验验证结果图；
[0035] 图7是本发明申请提出的具有工作温度实时监控功能的高温三维霍尔传感器中正面GaN基水平型霍尔传感器电流灵敏度与温度关系的实验验证结果图；
[0036] 图8是本发明申请提出的具有工作温度实时监控功能的高温三维霍尔传感器温度测量部分
电压与电流关系的实验验证结果图；
[0037] 图9是本发明申请提出的具有工作温度实时监控功能的高温三维霍尔传感器温度测量部分
电阻与温度关系的实验验证结果图。
具体实施方式
[0038] 下面结合附图1-9对具有工作温度实时监控功能的高温三维霍尔传感器及其制作方法做进一步说明。
[0039] 实施例1
[0040] 本发明申请提出了一种可实现工作温度实时监控的集成背面SiC垂直型和正面GaN异质结水平型的高温三维霍尔传感器，图1为器件结构的背面结构示意图。SiC材料的衬底用于制作垂直型霍尔传感器，用于感测平行于器件表面的磁场By、Bx。电极C0为信号输入端，输入电流或电压，电极C1、C2和C1’、C2’作为公共端接地。若存在平行于y方向的磁场By，电极C0→C1，C0→C2的电流与磁场方向垂直，运动的载流子受到洛伦兹
力的作用发生偏转，在电极S1和S2两侧感受到电势差，即为霍尔电压，达到测量磁场的目的。同理，若存在平行于x方向的磁场Bx，电极C0→C1’，C0→C2’的电流与磁场方向垂直，在电极S1’和S2’两侧感受到电势差，即可测量x方向磁场大小。也可以将电极C0接地，电极C1、C2和C1’、C2’输入电流或电压，在S1、S2和S1’、S2’测量电势差。SiC材料由于不存在纵向电场，提高了垂直型霍尔传感器的灵敏度；SiC材料禁带宽度大，其制作的霍尔传感器可以在高温下稳定工作。
[0041] 图2为器件结构的正面结构示意图。GaN异质结结构用于制作十字水平型霍尔传感器，用于感测垂直于器件表面的磁场Bz。电极C3、C4为信号输入端，可以输入电流或电压，电极S3和S4之间测量电势差。也可以将电极S3、S4作为信号输入端输入电流或电压，在电极C3、C4之间测量电势差。在磁场测量时，C3、C4或S3、S4端输入电流或电压，通过电压表或电流表测得C3、C4或S3、S4端的电压或电流，即可得到二维电子气电阻，通过二维电子气电阻与温度的关系，达到测量温度的目的。GaN异质结结构有效的扩大了传感器稳定工作的温度范围，增大了传感器的灵敏度。加入的温度测量不改变原本器件结构，可以在不影响传感器正常工作的前提下同时进行精确磁场测量和实时工作温度监测。
[0042] 本发明申请技术方案结构示意图如图3，图3为传感器截面示意图。衬底为表面
抛光后的SiC材料，上面外延生长缓冲层和GaN异质结结构，其中缓冲层可为AlN或GaN(厚度为10～100nm)。GaN为外延层(厚度为0.1～50μm)，外延层上为势垒层(3～100nm)，势垒层可为AlGaN、AlN、InAlN或者它们的组合，势垒层中的材料组分不做限定。电极C1，C2关于C0中心对称，感测电极S1，S2关于C0中心对称，电极C3，C4对称，电极形状不做特殊限定，可为矩形、梯形等。电极与半导体材料需形成良好的欧姆接触。图4为三维霍尔传感器工作原理图。
[0043] 需要说明的是，本发明实施例中GaN异质结材料可以为AlGaN/GaN、AlN/GaN、InAlN/GaN等能产生2DEG的半导
体异质结材料；作为GaN表面的势垒层材料，可以是AlGaN，也可以是AlN、InAlN或者他们的组合；缓冲层可以是AlN、GaN或者超晶格结构。
[0044] 本发明的技术关键点在于三维霍尔传感器结构的创新，将传统的单一方向磁场测量的霍尔传感器集成方式转变成可实现工作温度实时监控的集成背面SiC垂直型和正面GaN异质结水平型的高温三维霍尔传感器。在保证X，Y，Z三维方向磁场探测的同时，本发明方案大大减小三维霍尔传感器芯片尺寸、简化布线、提高三维磁场探测灵敏度，同时可以满足高温环境下工作。加入的温度测量结构不会影响原本传感器结构，可以在不影响传感器正常工作的前提下同时进行精确磁场测量和实时工作温度监测。本发明申请主要保护提出的器件结构设计以及相应的器件制作方法。
[0045] 本发明技术提出的可实现工作温度实时监控的集成背面SiC垂直型和正面GaN异质结水平型的高温三维霍尔传感器技术方案，该器件优点包括：1)SiC和GaN材料带隙大，是制备高温霍尔传感器的优质材料，其制备的垂直型和水平型霍尔传感器可以在高温下(高于400℃)稳定工作；2)SiC衬底材料上外延生长GaN异质结结构具有较低的晶格失配。与常用的衬底材料Si和蓝宝石相比，SiC与GaN的晶格失配要小得多(典型值为3.5％～3.8％)，同时热导率也比蓝宝石衬底高得多(典型值为4.9W/(cm K))；3)SiC材料的衬底用于制作测量水平磁场的垂直型霍尔传感器，与GaN异质结相比，体材料的SiC不存在垂直沟道方向的纵向电场，沟道电子束缚较小，有利于提高垂直型霍尔传感器的灵敏度；GaN异质结用于制作测量垂直磁场的水平型霍尔传感器，迁移率较大，传感器灵敏度高；4)加入的温度测量结构不会影响原本传感器结构，可以在不影响传感器正常工作的前提下同时进行精确磁场测量和实时工作温度监测。
[0046] 发明申请目标器件的实现过程说明如下：
[0047] 1)衬底准备：准备SiC材料衬底，清洗衬底材料，除去SiC衬底表面的污染物。
[0048] 2)外延生长：利用金属有机化合物化学气相淀积(MOCVD)、分子束外延(MBE)、氢化物气相外延(HVPE)其中任一种方式外延生长缓冲层和GaN异质结结构。缓冲层可以是AlN、GaN或者超晶格结构，厚度为10～100nm。生成的GaN外延层厚度为0.1～50μm，外延层上势垒层厚度为3～100nm，势垒层可为AlGaN、AlN、InAlN或者它们的组合。
[0049] 3)台面刻蚀：外延生长好的样品经过光刻显影后，利用感应耦合等离子体刻蚀(ICP)进行刻蚀，台面刻蚀深度为50～800nm。
[0050] 4)电极欧姆接触制作：光刻显影后用电子束蒸发系统沉积复合金属，之后利用快速热退火(RTA)工艺形成良好的欧姆接触。
[0051] 5)表面钝化：采用等离子体增强化学气相淀积(PECVD)、磁控溅射、原子层沉积(ALD)、电子束蒸发(EB)其中任一种方式淀积介质层进行器件钝化。
[0052] 6)窗口开启：对电极处钝化层进行光刻并腐蚀形成窗口，采用磁控溅射、电子束蒸发、热蒸发任意一种方法在电极处沉积金属制作焊盘并进行引线。
[0053] 实施例2
[0054] 本发明申请目标器件的具体实施例制作流程说明如下：
[0055] 1)衬底准备：准备SiC材料衬底，利用丙
酮、
乙醇、去离子水依次清洗衬底材料，除去SiC衬底表面的污染物。
[0056] 2)外延生长：利用MOCVD设备外延生长AlGaN/GaN异质结结构。缓冲层为AlN，厚度为45nm；生成的GaN外延层非故意掺杂，厚度为5μm，背景电子浓度小于3.5×1016cm-3；外延层上AlGaN势垒层厚度为30nm，其中Al组分为0.25。
[0057] 3)台面刻蚀：外延生长好的样品经过涂胶(使用AZ6130正
光刻胶)、匀胶(前转600rpm-3s，后转1500rmp-20s，最终光刻胶厚度为1.5um)后，曝光80s、显影75秒，再进行90～150℃阶梯坚膜30min。利用ICP设备对异质结和SiC衬底进行刻蚀，刻蚀功率200W，通入
200sccm的Cl基气体刻蚀150s，最终形成约400nm的刻蚀深度。
[0058] 4)电极欧姆接触制作：首先是背电极制作，光刻显影后，用电子束蒸发系统在背面SiC表面沉积Ni(80nm)/Ti(30nm)/Al(80nm)三层金属，之后在1000℃的氮气环境下退火5min形成欧姆接触。其次是正面电极制作，利用电子束蒸发系统在AlGaN/GaN表面沉积Ti(20nm)/Al(100nm)/Ni(45nm)/Au(55nm)四层金属，用RTA设备在860℃的氮气环境下退火
30s形成欧姆接触。
[0059] 5)表面钝化：采用PECVD设备在300℃温度下淀积200nm厚的SiO2钝化层，形成芯片表面钝化保护。
[0060] 6)窗口开启：对电极处钝化层腐蚀并开窗口引线。样品经过涂胶(使用AZ6130正光刻胶)，匀胶(前转600rpm-3s，后转1500rmp-20s，最终光刻胶厚度为1.5um)、曝光80s、显影75秒后，利用ICP设备在表面钝化后的电极处刻蚀，形成窗口；之后采用磁控溅射的方法在电极处沉积500nm的Au，进行引线、将电极引出。
[0061] 图6和图7给出了本发明申请设计传感器的磁场测量部分电流相关灵敏度与温度之间的关系。从图6中看出，SiC衬底材料的垂直型霍尔传感器，虽然随着温度的升高，灵敏度降低，但依旧保持较大的电流灵敏度，其电流相关灵敏度的温漂系数约为808.6ppm/℃。如图7所示为GaN基水平型霍尔传感器，随着温度的升高，电流灵敏度虽有下降，但下降范围很小，其温漂系数约为98.89ppm/℃。综合图6和图7的结果可以证实基于本发明实施例获得的霍尔传感器，能获得较大的灵敏度，同时可以在高温下稳定工作。
[0062] 图8和图9给出了本发明申请设计的传感器温度测量部分电压和电流以及电阻和温度的关系。从图8中可以看出，随着温度上升，在较小
偏压下电流呈近似线性下降；从图9中看出随着温度上升，电阻呈近似线性上升。综合图8和图9的结果可以证实基于本发明实施例获得的霍尔传感器，能在精确测量磁场的同时进行温度测量，实现工作温度实时监控。
[0063] 本发明申请提出一种集成背面SiC垂直型和正面GaN异质结水平型的复合霍尔传感器，其为适用于高温工作环境的可实现实时温度监控的三维霍尔传感器。GaN和SiC都为宽禁带材料，两者材料的晶格失配和热失配较小，在SiC衬底上外延生长GaN异质结，外延
质量高、器件可靠性强。更重要的是它们的复合结构可以制备出完全工作在高温环境下的霍尔传感器，即背面抛光后的SiC衬底制作垂直型霍尔传感器，正面外延生长的GaN异质结制作水平型霍尔传感器，器件尺寸大幅度减小，磁场探测空间分辨率高。另外，在原有霍尔传感器结构的
基础上加入了温度测量功能，能在精确测量磁场的同时进行温度测量，实现工作温度实时监控。
[0064] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉
本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本发明技术方案对现有的磁敏传感器制作是个重要的技术补充。本发明所述的实施例，并非对本发明内容进行限定，其他具有同一外延结构上实现双面三维磁场探测功能的器件都适用于本发明提案涉及范围。任何其他外延结构组合、叠层结构、钝化层生长(包括不同的生长技术、不同的钝化层组合或者也可直接省略钝化工艺步骤)、欧姆接触电极制作工艺(包括不同的金属选择、沉积方法、退火条件)或者台面刻蚀工艺，在基于实现本发明所述基本功能目的下，都适用于本发明提案涉及范围。衬底材料可以是SiC或者金刚石或者其他耐高温材料，外延结构也可以包含其他能产生高载流子迁移率的材料或者材料组合。
