用在超敏传声器中的微电子传感器制造技术

在一些实施方案中，将基于PC‑HEMT的微电子传感器用作超敏传声器来记录生理和非生理音。记录生理音与S1/S2心分裂现象和心音描记法相关。

Microelectronic Sensors for Ultrasensitive Microphones

In some implementations, a PC_HEMT-based microelectronic sensor is used as a hypersensitive microphone to record physiological and non-physiological sounds. Recording physiological sounds is related to the phenomenon of S1/S2 schizophrenia and phonocardiography.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用在超敏传声器中的微电子传感器
本申请涉及基于高电子迁移率晶体管的微电子传感器的领域。具体地讲，本申请涉及开栅伪导电高电子迁移率晶体管及其在超敏传声器中的使用。
技术介绍
传声器的敏感度可被定义为其模拟输出电压或数字输出值与输入压力之比，这是任何传声器的一大主要参数。将声域中的信号与电域中的信号相关联，可藉由已知输入确定传声器输出的量级。模拟传声器敏感度的测量简单且容易。它通常以dBV(相对于1V输出电压的分贝数)的对数单位来定义，指示输出信号在给定声压级下将为多少福特。以dBFS(相对于数字满量程的分贝数)为单位定义的数字传声器的敏感度不是那么容易测量。测量单位的差异代表数字传声器的敏感度定义与模拟传声器的敏感度定义之间的基本差异。对于具有相对简单的电压输出的模拟传声器，在输出信号的大小方面的唯一限制是向传声器供应电压的电压源的实际限制。虽然不符合实际，但一些模拟传声器在10V输出信号下可能具有高达20dBV的敏感度。只要电路部件，如放大器或转换器，能够足以支持期望的信号电平，这样的敏感度就可能易于实现。相比之下，数字传声器的敏感度较不多变并且要麻烦得多。它取决于单一参数，即，最大声学输入。只要将满量程数字声音映射到数字传声器的最大声学输入，敏感度就变成该输入与具有94dB声压级的参考信号之间的差。例如，如果数字传声器的最大声压级为120dB，则其敏感度将为-26dBFS，并且绝对无法调整传声器的设计以实现对于给定声学输入而言较高的数字输出信号，除非使最大声学输入降低相同的量。克服这个问题的唯一途径是，从概念上改变数字传声器的声音记录方式。本申请因此公开了一种用于通过记录与声波相关的电信号来记录声音的全新方法。高电子迁移率晶体管极化掺杂高电子迁移率晶体管(HEMT)是一种场效应晶体管(FET)，其中两层不同的带隙和极化场生长在彼此之上，形成异质结结构。由于极化场中的不连续性，在异质结结构的所述层之间的界面处形成表面电荷。如果感应表面电荷为正，则电子将倾向于补偿感应电荷，从而形成沟道。由于在HEMT中，沟道电子被限制在量子阱中所述层之间界面处的无限狭窄空间区域中，因此这些电子被称为二维电子气(2DEG)。沟道电子在量子阱中的这种特殊限制实际上赋予了它们二维特征，这些特征极大地增强了它们的迁移率，胜过电子于其中流动的材料的体迁移率。基于III-V半导体材料(诸如氮化镓(GaN)和氮化铝镓(AlGaN))层的HEMT近来被开发用于高电压和高功率开关应用。高电压和高开关速度允许制造更小、更高效的装置，诸如家用电器、通信装置和汽车。为了控制2DEG沟道中的电子密度并且打开和关闭HEMT，应调节晶体管栅极处的电压。图1a至图1c示意性地示出了三个不同偏压条件下的量子阱，这三个条件从比阈值电压(VT)高出许多的正栅极电位(VG)开始，向下达到0V栅极电位，再继而达到低于阈值电压的负值。VT被定义为为了将电子布居在GaN层与AlGaN层之间的界面处从而形成2DEG沟道的电导率而所需的电压。由于2DEG沟道电子占用的能级低于费米(Fermi)能级，因此当VG＞＞VT(图1a)时，量子阱中的费米能级高出若干能级。这就使得2DEG沟道电子具有高布居，并且因此具有高电导率。在这种情况下，HEMT被打开。然而，当VG降至0V(图1b)时，费米能级也相对于量子阱下降。因此，较少的电子能级被占用，2DEG沟道电子的量显著减少。当VG＜＜VT(图1c)时，所有电子能级都高于费米能级，并且在栅极下面不存在2DEG电子。这种情形被称为“沟道耗尽”，并且HEMT关闭。许多可商购的基于AlGaN/GaN的HEMT结构都具有负VT，从而导致在0V栅极电位时为“常开”工作模式。它们被称为“耗尽模式晶体管”，并且当必须在栅极上施加负电压以便阻断电流时，它们用在各种电力开关应用中。然而，出于高电压或高功率密度下的安全操作，为了降低电路复杂度并消除备用功耗，优选具有“常闭”特性的HEMT。若干用于制造常闭HEMT的技术已被报道。Burnham等人(2010)提出了凹陷栅极类型的常闭结构。在该结构中，AlGaN势垒层被蚀刻，并且栅极被放置得较靠近AlGaN势垒层与GaN缓冲层之间的界面。随着栅极接近所述层之间的界面，VT增大。一旦耗尽区到达界面处并且在零栅极电压下耗尽2DEG沟道，便实现了晶体管的常闭工作。这些HEMT的主要优点在于相对较低的功耗、较低的噪声以及较简单的驱动电路。这些HEMT当前用在例如微波和微米波通信、成像和雷达中。Chang等人(2009)提出使用一种非常薄的AlGaN势垒，而不是蚀刻相对较厚的势垒层来接近AlGaN/GaN界面。这种结构通过使栅极朝着AlGaN/GaN界面接近，也实现了常闭工作。Chen等人(2010)提出使用基于氟的等离子处理法。尽管许多出版物采用各种方法来实现对漏极电流具有最小影响的常闭装置，但遗憾的是，它们牺牲了装置的接通性能。
技术实现思路
本申请描述了基于伪导电高电子迁移率晶体管(PC-HEMT)的微电子传感器的实施方案。在一些实施方案中，晶体管包括其上沉积有多层异质结结构的无支撑薄膜。该异质结结构可包括至少两个层，即缓冲层和势垒层，所述层由III-V单晶或多晶半导体材料生长。无支撑薄膜是无支撑衬底柱，所述衬底柱由蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓或氮化铝组成，具有0.5-2μm的厚度，用于产生质量加载效应并允许传感器的压力感测模式。导电沟道形成在缓冲层与势垒层之间的界面处并在系统中源极电极与漏极电极之间提供电子或空穴电流，该导电沟道就双层配置而言包含二维电子气(2DEG)，或者就三层配置而言包含二维空穴气(2DHG)。源极和漏极欧姆或电容耦合(非欧姆)触点连接到所形成的2DEG/2DHG沟道以及电金属化层，后者放置在晶体管之上并将其连接到传感器系统。可选的电介质层沉积在异质结结构之上。由于将顶层凹陷或生长到特定的厚度，因此晶体管的开栅区形成在源极区与漏极区之间。如果源极触点和漏极触点是非欧姆(电容耦合)的，那么为了电接触下方的比金属化层低大约5-20nm的2DEG/2DHG沟道，会使用AC频率机制。非欧姆金属触点与2DEG/2DHG沟道的电容耦合通常在高于30kHz的频率下产生。对于非欧姆触点，无法执行DC读出。相反，会对流过2DEG/2DHG沟道的电流执行AC读出或阻抗测量。在一些实施方案中，PC-HEMT结构的显著特征是：(i)源极触点与漏极触点之间开栅区中顶层的厚度为5-9nm，优选地为6-7nm，更优选地为6.3nm，并且对应于晶体管的常开工作模式与常闭工作模式之间的伪传导电流范围，(ii)源极触点与漏极触点之间开栅区中顶层的表面的粗糙度为大约0.2nm或更少，优选地为0.1nm或更少，更优选地为0.05nm或更少，以及(iii)用于与导电2DEG/2DHG沟道电容耦合的非欧姆源极和漏极触点可选地替代欧姆触点。在一些实施方案中，本申请的PC-HEMT多层异质结结构由任何可用的III-V单晶或多晶半导体材料生长，所述材料诸如为GaN/AlGaN、GaN/AlN、GaN/InN、GaN/InAlGaN、GaAs/AlGaAsGaN/InAlN、InN/InAlN和LaAlO3/SrTiO3。对于本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种记录患者的生理音的方法，其包括：1)将所述患者身体上的单个传感点与微电子传感器接触，或者将所述微电子传感器以放置在远离所述患者身体的空间中，所述微电子传感器包括开栅伪导电高电子迁移率晶体管(以下定义为“晶体管”)或其阵列；2)使用所述传感器随时间推移记录从所述患者身体接收的电信号，所述电信号为所述晶体管的源‑漏电流形式(定义为IDS动态)；3)将所述记录信号从所述传感器传输到外部存储器以供进一步处理；以及4)处理所述外部存储器中的所述传输信号，将所述IDS动态与所述生理音相关联，并从所述信号中提取医疗数据形式的所述生理音，从而获得生理音记录；其中所述晶体管包括：a)由III‑V单晶或多晶半导体材料制成的多层异质结结构，所述结构包括至少一个缓冲层和至少一个势垒层，所述层交替堆叠，并且所述结构放置在无支撑薄膜上；b)包含二维电子气(2DEG)或二维空穴气(2DHG)的导电沟道，所述导电沟道形成在所述缓冲层与所述势垒层之间的界面处并在所述晶体管中源极触点与漏极触点之间提供电子或空穴电流；c)所述源极触点和漏极触点，所述源极触点和所述漏极触点连接到所述2DEG或2DHG导电沟道并且连接到用于将所述晶体管连接到电路的电金属化层；以及d)位于所述源极触点与所述漏极触点之间的开栅区；其中：(i)在所述晶体管的所述开栅区中的所述结构的顶层(势垒层或缓冲层)的厚度为5‑9纳米(nm)，对应于所述晶体管的常开工作模式与常闭工作模式之间的伪传导电流范围，并且(ii)所述顶层的表面的粗糙度为大约0.2nm或更少。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.03.10 US 15/067,093;2016.05.17 US 15/157,285;1.一种记录患者的生理音的方法，其包括：1)将所述患者身体上的单个传感点与微电子传感器接触，或者将所述微电子传感器以放置在远离所述患者身体的空间中，所述微电子传感器包括开栅伪导电高电子迁移率晶体管(以下定义为“晶体管”)或其阵列；2)使用所述传感器随时间推移记录从所述患者身体接收的电信号，所述电信号为所述晶体管的源-漏电流形式(定义为IDS动态)；3)将所述记录信号从所述传感器传输到外部存储器以供进一步处理；以及4)处理所述外部存储器中的所述传输信号，将所述IDS动态与所述生理音相关联，并从所述信号中提取医疗数据形式的所述生理音，从而获得生理音记录；其中所述晶体管包括：a)由III-V单晶或多晶半导体材料制成的多层异质结结构，所述结构包括至少一个缓冲层和至少一个势垒层，所述层交替堆叠，并且所述结构放置在无支撑薄膜上；b)包含二维电子气(2DEG)或二维空穴气(2DHG)的导电沟道，所述导电沟道形成在所述缓冲层与所述势垒层之间的界面处并在所述晶体管中源极触点与漏极触点之间提供电子或空穴电流；c)所述源极触点和漏极触点，所述源极触点和所述漏极触点连接到所述2DEG或2DHG导电沟道并且连接到用于将所述晶体管连接到电路的电金属化层；以及d)位于所述源极触点与所述漏极触点之间的开栅区；其中：(i)在所述晶体管的所述开栅区中的所述结构的顶层(势垒层或缓冲层)的厚度为5-9纳米(nm)，对应于所述晶体管的常开工作模式与常闭工作模式之间的伪传导电流范围，并且(ii)所述顶层的表面的粗糙度为大约0.2nm或更少。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述记录的生理音是分裂心音。3.根据权利要求1所述的方法，其中所述分裂心音是第一心音(SI)或第二心音(S2)。4.根据权利要求1所述的方法，其中所述获得的所述医疗数据与心音图相关。5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中所述患者身体上的所述单个传感点是患者的胸部。6.根据权利要求1所述的方法，其中所述传感器是非接触式并且以与患者身体分离的方式使用，其放置在远离所述患者身体的空间中。7.一种记录非生理音的方法，其包括：1)在室内或室外放置或安装微电子传感器，该微电子传感器包括晶体管或其阵列；2)随时间推移记录从所述传感器接收的电信号，所述电信号为所述晶体管的源-漏电流形式(定义为IDS动态)；3)将所述记录信号从所述传感器传输到外部存储器以供进一步处理；以及4)处理所述外部存储器中的所述传输信号，并将所述IDS动态与存储在所述外部存储器中的预校准声音波形相关联，从而获得所述记录声音；其中所述晶体管包括：a)由III-V单晶或多晶半导体材料制成的多层异质结结构，所述结构包括至少一个缓冲层和至少一个势垒层，所述层交替堆叠，并且所述结构放置在无支撑薄膜上；b)包括二维电子气(2DEG)或二维空穴气(2DHG)的导电沟道，所述导电沟道形成在所述缓冲层与所述势垒层之间的界面处并在所述晶体管中源极触点与漏极触点之间提供电子或空穴电流；c)所述源极触点和所述漏极触点，所述源极触点和所述漏极触点连接到所述2DEG或2DHG导电沟道并且连接到用于将所述晶体管连接到电路的电金属化层；以及d)位于所述源极触点与所述漏极触点之间的开栅区；其中：(i)在所述晶体管的所述开栅区中的所述结构的顶层(势垒层或缓冲层)的厚度为5-9纳米(nm)，对应于所述晶体管的常开工作模式与常闭工作模式之间的伪...

【专利技术属性】
技术研发人员：阿亚尔·拉姆，阿米尔·利希滕斯坦，吉迪恩·卡潘，
申请(专利权)人：艾皮乔尼克控股有限公司，
类型：发明
国别省市：新加坡,SG