基于二维电子气的低功耗氢气传感器及其制造方法技术

本发明专利技术提供一种基于二维电子气的低功耗氢气传感器的制造方法，所述氢气传感器包含一个二维电子气膜用于检测H2，加热器保持二维电子气膜的加热温度，当传感器暴露于H2气氛中时，二维电子气膜的导电率增加，通过检测前后电流的变化即可获得气氛中H2的浓度，本发明专利技术传感器的灵敏度可以通过二维电子气膜的温度（200~400℃）进行强化。本发明专利技术仅仅通过几个引出梁支撑二维电子气膜，使其悬浮在空气中，加热器的热量基本都用于维持二维电子气膜的温度，其只能通过引出梁传递至硅衬底中，使得硅衬底温度不会有太大的提高，大大提高了热量的利用率，实现器件的低功耗工作。

Low power hydrogen sensor based on two-dimensional electron gas and its manufacturing method

The invention provides a manufacturing method of a low power hydrogen sensor based on the two-dimensional electron gas, the hydrogen gas sensor for the detection of H2 film containing a two-dimensional electron gas, heating temperature of the heater to maintain the two-dimensional electron gas film, when the sensor is exposed to H2 atmosphere, the conductivity of the 2D electronic film increased, concentration of atmosphere H2 can be obtained by detecting the current before and after the change, the sensitivity of the sensor of the invention can be obtained by two-dimensional electron gas membrane temperature (200~400 DEG C) strengthening. The present invention only leads through several beam supporting the two-dimensional electron gas film, which is suspended in the air, the heat of the heater for the maintenance of basic two-dimensional electron gas film temperature, which leads to the transfer beam only through the silicon substrate, the silicon substrate temperature will not be much improved, greatly improving the utilization rate of heat. A low power device.

【技术实现步骤摘要】
基于二维电子气的低功耗氢气传感器及其制造方法
本专利技术涉及一种氢气传感器及其制造方法，特别是涉及一种基于二维电子气的低功耗氢气传感器及其制造方法。
技术介绍
氢气是目前已知最轻的气体，无色、无味、无毒但易燃发生爆炸，化学式为H2。由于其燃烧热值高，产物无污染的特点，因而与太阳能、核能一起被称为三大新能源。作为一种新能源，氢气在航空、动力等领域得到广泛的应用；同时，氢气作为一种还原性气体和载气，在化工、电子、医疗、金属冶炼，特别在军事国防领域有着极为重要的应用价值。但氢气分子很小，在生产、储存、运输和使用的过程中易泄漏，由于氢气不利于呼吸，无色无味，不能被人鼻所发觉，且着火点仅为585℃，空气中含量在4％～97％体积范围内时，遇明火即发生爆炸，故在氢气的使用中必须利用氢气传感器对环境中氢气的含量进行检测并对其泄漏进行监测，以确保安全。氢气传感器是一种对氢气非常敏感且具有很好的选择性的探测设备，可以作为检测环境中氢气浓度的传感器，出于生产生活中对安全的要求，快速、灵敏的氢气传感器是十分必要的，能够及时避免爆炸的可能性。在半导体制造领域中，硅外延工艺需要消耗大量氢气气体。考虑到空气中氢气的爆炸极限是4％～97体积％的范围内，气体分配箱(VMB)附近的气氛应该采用氢气探测器进行检测以防止氢气的泄漏。同时，硅外延工艺的尾气通常包括TCS、H2、以及HCl，这些尾气最终会进入到湿式洗涤器中进行处理。然而，只有TCS和HCl可以用湿式洗涤器处理，而氢气通常，直接排放到大气中，被空气稀释。因此，在湿式洗涤器附近的气氛也同样需要进行监测。考虑到大量的氢气探测器应用于半导体晶圆厂中，氢气传感器应该具有更低的功耗和更高的灵敏度。微电子研究中心(IMEC)提供了一种微结构的氢气传感器，这种氢气传感器的主要原理是通过AlGaN/GaN界面形成二维电子气高导电通道来完成探测。首先，这个二维电子气通道原始的电流为I0，在高温下，H2会发生电离，形成带正电的H离子以及电子，其反应过程如下所示：当气氛中的H2浓度增加，二维电子气通道中的电子就会增加，从而，原来检测到的电流I0会增加为IH2，通过检测电流的变化值就可以换算出气氛中H2的浓度。微电子研究中心(IMEC)提供的氢气探测器结构如图1所示，该氢气传感器采用一加热器对AlGaN/GaN层进行加热，其中，AlGaN/GaN层下方由一层薄膜支撑，对于这种结构来说，加热器所产生的热量会通过该层薄膜传递至硅衬底中，从而造成热量的浪费以及硅衬底稳定性降低，导致氢气传感器的功耗的提高。基于以上所述，提供一种既能保证氢气传感器的灵敏度又能有效降低损耗的氢气传感器及其制造方法实属必要。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种基于二维电子气的低功耗氢气传感器及其制造方法，用于解决现有技术中氢气传感器灵敏度低或功耗过高的问题。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种基于二维电子气的低功耗氢气传感器的制造方法，所述制造方法包括步骤：步骤1)，提供一硅衬底，于所述硅衬底表面依次形成GaN层以及AlGaN层，所述GaN层以及AlGaN层之间形成二维电子气界面；步骤2)，于所述AlGaN层表面形成感应电极以及分别位于感应电极两侧的加热器；步骤3)，于AlGaN层、感应电极及加热器表面形成保护阻挡层，去除两个感应电极之间的保护阻挡层，露出AlGaN/GaN层作为基于二维电子气的感应区域；步骤4)，去除感应电极及加热器外围的保护阻挡层形成窗口，各窗口之间保留有感应电极的引出梁以及加热器的引出梁，去除窗口内的AlGaN层及GaN层，露出硅衬底；步骤5)，基于所述窗口对所述硅衬底进行湿法腐蚀，形成藉由感应电极的引出梁以及加热器的引出梁悬挂的传感器结构。作为本专利技术的基于二维电子气的低功耗氢气传感器的制造方法的一种优选方案，步骤1)在生长GaN层之前还包括于所述硅衬底表面生长AlN缓冲层的步骤，所述AlN缓冲层的厚度范围为50～100nm。作为本专利技术的基于二维电子气的低功耗氢气传感器的制造方法的一种优选方案，所述GaN层的厚度范围为100～300nm，所述AlGaN层的厚度范围为10～20nm。作为本专利技术的基于二维电子气的低功耗氢气传感器的制造方法的一种优选方案，步骤2)包括：步骤2-1)，于所述AlGaN层表面形成金属层；步骤2-2)，于所述金属层表面制作光刻图形；步骤2-3)，基于所述光刻图形刻蚀所述金属层，形成感应电极以及分别位于感应电极两侧的加热器。作为本专利技术的基于二维电子气的低功耗氢气传感器的制造方法的一种优选方案，所述感应电极及加热器的材料选自于Au、Pt及W中的一种，厚度范围为50～100nm。作为本专利技术的基于二维电子气的低功耗氢气传感器的制造方法的一种优选方案，步骤3)中所述保护阻挡层选用为采用低压化学气相沉积法制备的低应力SiN层，所述低应力SiN层的厚度范围为200～1000nm。作为本专利技术的基于二维电子气的低功耗氢气传感器的制造方法的一种优选方案，所述硅衬底选用为(100)晶向的硅衬底，步骤5)湿法腐蚀的腐蚀液选用为TMAH溶液，通过湿法腐蚀后的硅衬底中形成倒金字塔状的空腔结构。作为本专利技术的基于二维电子气的低功耗氢气传感器的制造方法的一种优选方案，所述传感器结构藉由6根引出梁悬挂，包括第一感应电极的第一引出梁、第二感应电极的第二引出梁、第一加热器两端的第三引出梁及第四引出梁以及第二加热器两端的第五引出梁及第六引出梁。进一步地，各引出梁末端设置有焊盘结构。本专利技术还提供一种基于二维电子气的低功耗氢气传感器，包括：硅衬底及传感器结构，所述硅衬底中形成有空腔结构，所述传感器结构藉由多根引出梁悬挂于所述硅衬底上；所述传感器结构包括：GaN层及AlGaN层，所述GaN层以及AlGaN层之间形成二维电子气界面；感应电极，形成于所述AlGaN层之上；加热器，形成于所述AlGaN层之上，且位于所述感应电极的两侧；保护阻挡层，覆盖于所述AlGaN层、感应电极及加热器表面，且于两个感应电极之间露出有AlGaN/GaN层作为基于二维电子气的感应区域。作为本专利技术的基于二维电子气的低功耗氢气传感器的一种优选方案，所述GaN层下方还形成有AlN缓冲层，所述AlN缓冲层的厚度范围为50～100nm。作为本专利技术的基于二维电子气的低功耗氢气传感器的一种优选方案，所述GaN层的厚度范围为100～300nm，所述AlGaN层的厚度范围为10～20nm。作为本专利技术的基于二维电子气的低功耗氢气传感器的一种优选方案，所述感应电极及加热器的材料选自于Au、Pt及W中的一种，厚度范围为50～100nm。作为本专利技术的基于二维电子气的低功耗氢气传感器的一种优选方案，所述保护阻挡层选用为低应力SiN层，所述低应力SiN层的厚度范围为200～1000nm。作为本专利技术的基于二维电子气的低功耗氢气传感器的一种优选方案，所述硅衬底选用为(100)晶向的硅衬底，所述硅衬底中形成的空腔结构为倒金字塔状的空腔结构。作为本专利技术的基于二维电子气的低功耗氢气传感器的一种优选方案，所述传感器结构藉由6根引出梁悬挂，包括第一感应电极的第一引出梁、第二感应电极的第二引出梁、第一加热器两端的第三引出梁及第四引出梁以及第二加热器两端的第五引出本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于二维电子气的低功耗氢气传感器的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括步骤：步骤1)，提供一硅衬底，于所述硅衬底表面依次形成GaN层以及AlGaN层，所述GaN层以及AlGaN层之间形成二维电子气界面；步骤2)，于所述AlGaN层表面形成感应电极以及分别位于感应电极两侧的加热器；步骤3)，于AlGaN层、感应电极及加热器表面形成保护阻挡层，去除两个感应电极之间的保护阻挡层，露出AlGaN/GaN层作为基于二维电子气的感应区域；步骤4)，去除感应电极及加热器外围的保护阻挡层形成窗口，各窗口之间保留有感应电极的引出梁以及加热器的引出梁，去除窗口内的AlGaN层及GaN层，露出硅衬底；步骤5)，基于所述窗口对所述硅衬底进行湿法腐蚀，形成藉由感应电极的引出梁以及加热器的引出梁悬挂的传感器结构。

【技术特征摘要】
1.一种基于二维电子气的低功耗氢气传感器的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括步骤：步骤1)，提供一硅衬底，于所述硅衬底表面依次形成GaN层以及AlGaN层，所述GaN层以及AlGaN层之间形成二维电子气界面；步骤2)，于所述AlGaN层表面形成感应电极以及分别位于感应电极两侧的加热器；步骤3)，于AlGaN层、感应电极及加热器表面形成保护阻挡层，去除两个感应电极之间的保护阻挡层，露出AlGaN/GaN层作为基于二维电子气的感应区域；步骤4)，去除感应电极及加热器外围的保护阻挡层形成窗口，各窗口之间保留有感应电极的引出梁以及加热器的引出梁，去除窗口内的AlGaN层及GaN层，露出硅衬底；步骤5)，基于所述窗口对所述硅衬底进行湿法腐蚀，形成藉由感应电极的引出梁以及加热器的引出梁悬挂的传感器结构。2.根据权利要求1所述的基于二维电子气的低功耗氢气传感器的制造方法，其特征在于：步骤1)在生长GaN层之前还包括于所述硅衬底表面生长AlN缓冲层的步骤，所述AlN缓冲层的厚度范围为50～100nm。3.根据权利要求1所述的基于二维电子气的低功耗氢气传感器的制造方法，其特征在于：所述GaN层的厚度范围为100～300nm，所述AlGaN层的厚度范围为10～20nm。4.根据权利要求1所述的基于二维电子气的低功耗氢气传感器的制造方法，其特征在于：步骤2)包括：步骤2-1)，于所述AlGaN层表面形成金属层；步骤2-2)，于所述金属层表面制作光刻图形；步骤2-3)，基于所述光刻图形刻蚀所述金属层，形成感应电极以及分别位于感应电极两侧的加热器。5.根据权利要求1所述的基于二维电子气的低功耗氢气传感器的制造方法，其特征在于：所述感应电极及加热器的材料选自于Au、Pt及W中的一种，厚度范围为50～100nm。6.根据权利要求1所述的基于二维电子气的低功耗氢气传感器的制造方法，其特征在于：步骤3)中所述保护阻挡层选用为采用低压化学气相沉积法制备的低应力SiN层，所述低应力SiN层的厚度范围为200～1000nm。7.根据权利要求1所述的基于二维电子气的低功耗氢气传感器的制造方法，其特征在于：所述硅衬底选用为(100)晶向的硅衬底，步骤5)湿法腐蚀的腐蚀液选用为TMAH溶液，通过湿法腐蚀后的硅衬底中形成倒金字塔状的空腔结构。8.根据权利要求1所述的基于二维电...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘源，保罗·邦凡蒂，
申请(专利权)人：上海新昇半导体科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31