具有二维电子气沟道势垒层局部凹槽结构的霍尔传感器及其制作方法技术

一种具有二维电子气沟道势垒层局部凹槽结构的霍尔传感器及其制作方法，属于半导体传感器领域。在半导体衬底上依次生长缓冲层、外延层和势垒层，势垒层表面设有3个主电极C0、C1和C2，主电极C1和C2关于主电极C0中心对称，主电极C0和C1之间、C0和C2之间设置有凹槽结构，两边凹槽结构关于主电极C0中心对称，并且凹槽结构的宽度小于C0和C1或者C0和C2之间电极间距，主电极C0和C1之间的凹槽结构上设置有感测电极S1，主电极C0和C2之间的凹槽结构上设置有感测电极S2。本发明专利技术通过选区浅刻蚀形成凹槽，保留凹槽下方完好的异质结界面,能利用二维电子气的高迁移率优势，又能保证在弱磁场信号下运动中的载流子能发生有效偏移，从而提高器件探测敏感度。

【技术实现步骤摘要】
具有二维电子气沟道势垒层局部凹槽结构的霍尔传感器及其制作方法
本专利技术涉及半导体传感器领域，尤其涉及一种具有二维电子气沟道势垒层局部凹槽结构的霍尔传感器及其制作方法。
技术介绍
霍尔磁场传感器是目前使用最广泛的用于探测磁场大小的传感器类型之一，已经被广泛应用于生物医疗、汽车电子、空间探测等领域。霍尔传感器中评估器件性能的重要指标之一是电压或电流敏感度，而该指标主要受材料载流子迁移率的制约，迁移率越高，器件敏感度也越高。现有的半导体霍尔传感器的材料基本结构主要有两种，一种是基于均匀的单一体材料，另一种是基于以AlGaN/GaN和AlGaAs/GaAs为代表的III-V族半导体异质结。前者采用单一的半导体材料，结构简单，但是由于载流子运动方向没有限定，这种单一体材料的载流子迁移率相对较低。而后者异质结结构采用两种以上的半导体，其半导体异质结界面存在高密度的自发极化或者压电极化电荷，其极化电荷诱导电场或者势垒层(势垒层一般指异质结中带隙较宽的一侧材料)调制掺杂产生电场将吸引半导体内部或者表面的离化电子，在异质结界面势阱处汇聚形成二维电子气(2DEG)。由于二维电子气输运沟道无故意元素掺杂以及电子运动方向受限，这种结构的二维电子气将具有明显高出体材料的电子迁移率(一般高两倍以上)。霍尔传感器的敏感度受材料载流子迁移率制约，迁移率越高的器件，其敏感度也越高。因此，相对于单一体材料，基于半导体异质结材料结构制作的霍尔传感器，将具有更高的探测敏感度，具有广阔的应用前景。然而，现有半导体异质结霍尔传感器也存在一些问题，其主要问题之一是二维电子气沟道的存在虽然能明显提高电子迁移率，但由于其异质结界面处存在过高的垂直于沟道方向的电场(纵向电场)，电子被完全束缚在界面沟道中，霍尔效应中洛伦兹力驱离载流子偏移原横向输运轨道的能力减弱，从而导致感测的电压或电流敏感度减小。
技术实现思路
为了解决上述现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种具有二维电子气沟道势垒层局部凹槽结构的霍尔传感器及其制作方法，该霍尔传感器既能利用二维电子气的高迁移率优势，又能保证在弱磁场信号下运动中的载流子能发生有效偏移，从而提高器件探测敏感度。技术方案如下：一种具有二维电子气沟道势垒层局部凹槽结构的霍尔传感器，在半导体衬底上依次生长缓冲层、外延层和势垒层，所述势垒层表面设有3个主电极C0、C1和C2，所述主电极C1和C2关于主电极C0中心对称，所述主电极C0和C1之间、C0和C2之间均设置有凹槽结构，两凹槽结构关于主电极C0中心对称，并且凹槽结构的宽度小于C0和C1或者C0和C2之间电极的间距，所述主电极C0和C1之间的凹槽结构上设置有感测电极S1，所述主电极C0和C2之间的凹槽结构上设置有感测电极S2，所述凹槽结构通过浅刻蚀从而保留下方完好的异质结界面。进一步的，所述衬底为半导体或可支撑半导体外延生长的普通基底。进一步的，所述衬底为Si、InAs、GaAs、SiC、GaN、ZnO、氧化镓、氮化硼、金刚石、蓝宝石、或石英中的任意一种。进一步的，所述外延层和势垒层为可产生二维电子气的任意异质结材料组合。进一步的，所述外延层采用GaAs，所述势垒层采用AlGaAs；或者所述外延层采用GaN，所述势垒层采用AlGaN或InAlN或AlN；或者所述外延层采用SiC，所述势垒层采用AlN。进一步的，所述外延层和势垒层的背景载流子浓度范围为1.0～1.0×1018cm-3。进一步的，所述外延层厚度为0.1～200μm，所述势垒层厚度为2～100nm。进一步的，所述主电极C0、C1和C2的形状是矩形或者圆形；所述感测电极S1和S2完全覆盖凹槽结构或者覆盖凹槽结构部分区域。本专利技术还包括一种具有二维电子气沟道势垒层局部凹槽结构的霍尔传感器制作方法，步骤如下：S1、准备器件基底材料，包括衬底、缓冲层、外延层和势垒层，基底材料分别经过丙酮、乙醇、去离子水超声清洗，然后用氮气吹干、再用烘箱进行烘烤；S2、利用光刻技术定义器件台面，经过涂胶、匀胶、光刻、显影形成刻蚀窗口，然后采用湿法或干法刻蚀技术刻蚀势垒层和外延层；S3、利用光刻技术定义器件势垒层选区刻蚀区域，经过涂胶、匀胶、光刻、显影形成刻蚀窗口，然后采用湿法或干法刻蚀技术浅刻蚀势垒层，保持凹槽下方势垒层剩余厚度为1～20nm，采用湿法刻蚀或者低功率干法刻蚀工艺保证势垒层刻蚀表面平整；S4、利用光刻技术定义各个电极区域，经过涂胶、匀胶、光刻、显影形成电极沉积窗口，采用电子束蒸发、磁控溅射、或者热蒸发生长多层金属薄膜欧姆接触电极，然后经过金属剥离、清洗、退火，形成金属/半导体欧姆接触；S5、利用等离子体增强化学气相沉积、原子层沉积、低压气相沉积技术沉积SiO2、Si3N4或Al2O3钝化层材料；S6、利用光刻技术定义各个电极窗口，经过涂胶、匀胶、光刻、显影，然后采用湿法或干法刻蚀技术刻蚀钝化层，形成电极测量窗口。进一步的，步骤S2中，势垒层和外延层的总刻蚀深度为20～2000nm。本专利技术的有益效果是：本专利技术所述的具有二维电子气沟道势垒层局部凹槽结构的霍尔传感器及其制作方法不完全刻蚀掉势垒层，保留完整的异质结界面结构可以保证二维电子气沟道同样具有高的电子迁移率，从而保证器件敏感度大小；选区浅刻蚀减薄势垒层可以降低该区域异质结界面处的纵向电场，增强载流子纵向偏移原输运轨道的能力，从而有利于提高器件敏感度；选区浅刻蚀势垒层减小该区域二维电子气浓度，可以明显增大该区域的电压降，从而提高电极感测信号，同样有利于提高器件敏感度。附图说明图1为本专利技术提出的具有二维电子气沟道势垒层局部凹槽结构设计的霍尔传感器结构示意图；图2为本专利技术提出的霍尔传感器制作方法步骤示意图；图3为提出的霍尔传感器电流或电压敏感度与器件势垒层浅刻蚀后剩余厚度之间的实验结果示意图。具体实施方式实施例1本专利技术申请技术方案结构示意图如图1。在一半导体衬底上分别生长缓冲层、外延层和势垒层，衬底为半导体或其他任意可支撑半导体外延生长的普通基底，特别包括Si、InAs、GaAs、SiC、GaN、ZnO、氧化镓、氮化硼、金刚石、蓝宝石、或石英中的任意一种，不做特殊限定；外延层可以是GaAs、GaN或SiC，不做特殊限定；势垒层可以是与外延层相对应的AlGaAs、AlGaN(或InAlN或AlN)、或AlN，不做特殊限定，势垒层中的材料组分不做特殊限定，半导体异质结结构能产生二维电子气的所有材料组合和参数选择都在本专利限定范围。外延层和势垒层的背景载流子浓度范围为1.0～1.0×1018cm-3。，外延层厚度为0.1～200μm，势垒层厚度D为2～100nm。器件表面包含3个主电极分别为C0、C1和C2，电极C1和C2关于C0中心对称，而电极C0、C1和C2形状可为矩形或圆形，不作特殊限定。在电极C0和C1以及电极C0和C2之间的势垒层进行选区浅刻蚀以形成局部凹槽结构，两边凹槽关于C0中心对称，凹槽的宽度小于C0和C1或者C0和C2之间电极间距，不做特殊限定。凹槽下方的势垒层剩余厚度d为1～20nm，该凹槽区域表面形成感测电极S1和S2，感测电极可以完全覆盖凹槽或者覆盖凹槽部分区域。主电极和感测电极与下面半导体之间形成良好的欧姆接触。本专利技术提案可以将电极C1和C2作为公共端接地，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有二维电子气沟道势垒层局部凹槽结构的霍尔传感器，其特征在于，在半导体衬底上依次生长缓冲层、外延层和势垒层，所述势垒层表面设有3个主电极C0、C1和C2，所述主电极C1和C2关于主电极C0中心对称，所述主电极C0和C1之间、C0和C2之间均设置有凹槽结构，两凹槽结构关于主电极C0中心对称，并且凹槽结构的宽度小于C0和C1或者C0和C2之间电极的间距，所述主电极C0和C1之间的凹槽结构上设置有感测电极S1，所述主电极C0和C2之间的凹槽结构上设置有感测电极S2，所述凹槽结构通过浅刻蚀从而保留下方完好的异质结界面。

【技术特征摘要】
1.一种具有二维电子气沟道势垒层局部凹槽结构的霍尔传感器，其特征在于，在半导体衬底上依次生长缓冲层、外延层和势垒层，所述势垒层表面设有3个主电极C0、C1和C2，所述主电极C1和C2关于主电极C0中心对称，所述主电极C0和C1之间、C0和C2之间均设置有凹槽结构，两凹槽结构关于主电极C0中心对称，并且凹槽结构的宽度小于C0和C1或者C0和C2之间电极的间距，所述主电极C0和C1之间的凹槽结构上设置有感测电极S1，所述主电极C0和C2之间的凹槽结构上设置有感测电极S2，所述凹槽结构通过浅刻蚀从而保留下方完好的异质结界面。2.如权利要求1所述的具有二维电子气沟道势垒层局部凹槽结构的霍尔传感器，其特征在于，所述衬底为半导体或可支撑半导体外延生长的普通基底。3.如权利要求2所述的具有二维电子气沟道势垒层局部凹槽结构的霍尔传感器，其特征在于，所述衬底为Si、InAs、GaAs、SiC、GaN、ZnO、氧化镓、氮化硼、金刚石、蓝宝石、或石英中的任意一种。4.如权利要求1所述的具有二维电子气沟道势垒层局部凹槽结构的霍尔传感器，其特征在于，所述外延层和势垒层为可产生二维电子气的任意异质结材料组合。5.如权利要求4所述的具有二维电子气沟道势垒层局部凹槽结构的霍尔传感器，其特征在于，所述外延层采用GaAs，所述势垒层采用AlGaAs；或者所述外延层采用GaN，所述势垒层采用AlGaN或InAlN或AlN；或者所述外延层采用SiC，所述势垒层采用AlN。6.如权利要求1所述的具有二维电子气沟道势垒层局部凹槽结构的霍尔传感器，其特征在于，所述外延层和势垒层的背景载流子浓度范围为1.0～1.0×1018cm-3。7.如权利要求1所述的具有二维电子气沟道势垒层局部凹...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄火林，曹亚庆，李飞雨，孙仲豪，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21