用于材料和结构感测的表面声波RFID传感器制造技术

本申请描述了基于表面声波(SAW)换能器和二维电子气(2DEG)或二维空穴气(2DHG)导电结构的组合的零功率射频识别(RFID)传感器芯片的实施方案，及其作为用于材料和结构感测的超灵敏麦克风的用途。所述SAW RFID传感器包含在其上沉积多层异质结结构的压电衬底。所述异质结结构包括至少两层即缓冲层和阻挡层，其中两层均由III‑V单晶或多晶半导体材料诸如Ga N/Al Ga N生长。转换SAW的叉指换能器(IDT)安装在所述阻挡层的顶部。在两层构型情况下包括二维电子气(2DEG)或者在三层构型情况下包括二维空穴气(2DHG)的导电沟道形成在所述缓冲层与阻挡层之间的界面处，并且在连接到所形成的沟道的非欧姆(电容耦合)源极与漏极接触之间的系统中提供电子或空穴电流。

Surface acoustic wave RFID sensor for material and structure sensing

This application describes the implementation of a zero power radio frequency identification (RFID) sensor chip based on a combination of surface acoustic wave (SAW) transducer and two-dimensional electronic gas (2DEG) or two-dimensional hole gas (2DHG) conductive structure, and its use as a hypersensitive microphone for material and structure sensing. The SAW RFID sensor comprises a piezoelectric substrate on which a multilayer heterojunction structure is deposited. The heterojunction structure comprises at least two layers, namely, buffer layer and barrier layer, both of which are grown by III_V single crystal or polycrystalline semiconductor materials such as Ga N/Al Ga N. The interdigital transducer (IDT) converting SAW is installed at the top of the barrier layer. Conductive channels comprising two-dimensional electron gas (2DEG) or two-dimensional hole gas (2DHG) in a three-layer configuration are formed at the interface between the buffer layer and the barrier layer, and electrons or hole currents are provided in a system connected to the non-ohmic (capacitively coupled) source-drain contacts of the formed channel.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于材料和结构感测的表面声波RFID传感器
一般来讲，本申请涉及基于表面声波(SAW)换能器的电子传感器领域。具体地讲，本申请涉及GaN/AlGaNSAWRFID传感器及其在材料和结构感测中的用途。
技术介绍
表面声波(SAW)传感器在材料感测的许多领域和工业应用中发挥着重要作用。一般来讲，表面声波是沿着某种(压电)材料的表面传播的声波。其由叉指换能器(IDT)电极(或“指状物”)生成，叉指换能器电极是沉积在压电材料上的特殊周期性金属棒。当施加周期等于IDT电极的周期的任何正弦波时，在IDT电极下方发生机械振动，从而生成声波，该声波垂直于IDT棒的几何形状。该声波在压电材料的表面上沿两个方向远离IDT电极传播。IDT生成的声波局限在表面区中，并且只穿透块体压电材料到达波长深度区。这就是SAW在表面具有非常高的能量密度的原因，也就有了“表面声波”的名称。SAW在压电材料中的传播速度比常规电磁波慢约105倍。因此，压电材料中的SAW波长比电磁波的波长小105倍，使得基于SAW的传感器是非常紧凑的装置。SAW传感器的制造需要在压电材料上沉积或蚀刻金属IDT，并且其使用允许大规模制造的CMOS工艺技术。可影响压电材料表面状况的因素包括压力、温度、湿度和质量负载。因此，SAW传感器可以用作压力、温度、湿度传感器，以及能够检测表面质量变化或电场改变的传感器。MEMS-CMOS技术有助于SAW传感器及其数据处理电路的集成。专门设计的SAW传感器也可以在无源模式下使用，而不需要电池。可以将RFID天线添加到输入IDT电极，然后由天线接收的信号可以激励用于感测的SAW，如前所述。这些实际上是使用RFID标签的SAW传感器。超高灵敏度、紧凑的特性、易于制造和无线操作使得这些传感器对于材料感测非常有吸引力。
技术实现思路
本申请描述了基于二维电子气(2DEG)或二维空穴气(2DHG)导电结构和表面声波(SAW)换能器的组合的微电子传感器的实施方案。在一些实施方案中，该传感器可以包含可在其上沉积多层异质结结构的压电衬底。该异质结结构可包括至少两层即缓冲层和阻挡层，其中两层均由III-V单晶或多晶半导体材料生长。转换表面声波的叉指换能器(IDT)可以安装在阻挡层的顶部。包括二维电子气(2DEG)或二维空穴气(2DHG)的导电沟道形成在缓冲层和阻挡层之间的界面处，并且可以在源极和漏极之间的系统中提供电子或空穴电流。在特定实施方案中，该异质结结构可以是三层结构，其由两个缓冲层和像夹层一样挤压在所述缓冲层之间的一个阻挡层组成。这可能导致在阻挡层上方的顶部缓冲层中形成二维空穴气(2DHG)，这导致结构的极性反转。任选的电介质层可以沉积在异质结结构的顶部上。由于顶层凹陷或生长到特定厚度，因此在源极和漏极区域之间形成2DEG/2DHG的开放栅极区域。IDT可以由GaN/AlGaN半导体材料以及由将IDT转变成2DEG/2DHG导电结构的金属制成。在特定实施方案中，压电衬底可任选地置于GaN/AlGaN自支撑薄膜上，从而产生SAW-FBAR(薄膜体声波谐振器)构型，以实现超灵敏度。在另一个实施方案中，该传感器可以基于与被测试的结构材料牢固连接的常规硅压电衬底。在这种结构材料发生任何应力或机械变形的情况下，压电GaN/AlGaN叠堆也会受到应力或变形，从而改变SAW传播参数。这是因为SAW结构内的压电极化效应导致IDT接收器上的S21传递参数的变化。源极和漏极非欧姆(即电容耦合)接触被连接到2DEG/2DHG沟道和电金属化层，后者置于传感器的顶部并将其连接到传感器的电路。由于源极和漏极接触是非欧姆的，因此不能执行DC读出。为了与下面的2DEG/2DHG沟道(在金属化层以下大约5至20nm处)电接触，必须使用AC频率模式。换句话讲，应该在这种特定情况下执行流过2DEG/2DHG沟道的电流的AC读出或阻抗测量。非欧姆金属接触与2DEG/2DHG沟道的电容耦合通常在高于30kHz的频率下感应。在一些实施方案中，本申请的多层异质结衬底可以由任何可用的III-V单晶或多晶半导体材料生长，例如GaN/AlGaN、GaN/AlN、GaN/InN、GaN/InAlN、InN/InAlN、GaN/InAlGaN、GaAs/AlGaAs和LaAlO3/SrTiO3。在由GaN/AlGaN生长的衬底的特定情况下，通过实验并且令人惊讶地发现，当源极和漏极接触之间的开放栅极区域中的顶部凹陷层(GaN缓冲层或AlGaN阻挡层)的厚度为5至9nm，优选6至7nm，更优选6.2至6.4nm时，传感器达到最高灵敏度。该凹陷层厚度对应于2DEG/2DHG导电沟道的常开和常闭操作模式之间的伪导电电流范围。另外，源极和漏极接触之间的开放栅极区域内的顶部凹陷层的表面粗糙度为约0.2nm或更小的粗糙度，优选0.1nm或更小，更优选0.05nm。此外，在一些实施方案中，本申请提供了基于GaN/AlGaN异质结构的零功率SAWRFID传感器，及其在材料和结构感测中的用途。在另一个实施方案中，传感器是零功率传感器，其通过RF能量远程供电并且经由正交频率编码(OFC)方法进行RFID编码。各种实施方案可实现各种有益效果，并且可以与各种应用结合使用。在附图和以下描述中阐述了一个或多个实施方案的细节。所描述的技术的其他特征、目标和优点从具体实施方式和附图以及权利要求中将是显而易见的。附图说明通过以下结合附图的详细描述，将更全面地理解和认识所公开的实施方案。这里包括和描述的附图是示意性的，而不限制本公开的范围。还需注意，在附图中，一些元件的尺寸可能被夸大，并因此出于说明的目的，没有按比例绘制。尺寸和相对尺寸不一定对应于实施本公开的实际缩小尺寸。图1示意性地示出了三种不同偏置条件下的量子阱：图1a：正栅极电位(+VG)远高于阈值电压(VT)，图1b：0V栅极电位，以及图1c：负栅极电位(-VG)低于阈值电压(VT)。图2示意性地示出了在GaN/AlGaNHEMT的2DEG沟道内部感应的源极-漏极电流(电荷载流子密度)对在开放栅极区域中凹陷的AlGaN阻挡层的厚度的依赖性。图3示出了在导带中断处形成2DEG(电荷中性结合最低能级)背后的理论。图4a示出了正常生长然后凹陷到6至7nm的22-nmAlGaN阻挡层的随时间变化的电阻曲线。图4b示出了生长到6至7nm然后向下凹陷到5至6nm的超薄AlGaN阻挡层的随时间变化的电阻曲线。图5a示意性地示出了Ga面三层AlGaN/GaNPC-HEMT结构中2DEG和2DHG导电沟道的形成。图5b示意性地示出了N面三层AlGaN/GaNPC-HEMT结构中2DEG和2DHG导电沟道的形成。图6示意性地示出了具有超薄Al(GaN)N层的N面三层AlGaN/GaNPC-HEMT结构中的2DEG导电沟道的形成，用于改善的限制。图7a示意性地示出了基于输入叉指换能器(IDT)的SAW装置。图7b示意性地示出了IDT及其特性参数：长度(L)、宽度(W)和声波波长(λ)。图7c示出了作为IDT的数量和频率(f)的函数的SAW的带宽(B)，其中f0是中心频率。图8示意性地示出了在GaN/AlGaN异质结构上具有2DEGIDT的实施方案的SAWRFID传感器。图9a至图9本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种表面声波(SAW)射频识别(RFID)传感器芯片，其包括：压电衬底，所述衬底包括压电层和多层异质结结构，所述结构由III‑V单晶或多晶半导体层制成、沉积在所述压电层上并且包括至少一个缓冲层和至少一个阻挡层，所述层交替堆叠；至少一对安装在所述压电衬底上的金属叉指换能器(IDT)，用于接收射频(RF)输入信号、将所述输入信号转换成表面声波(SAW)、沿着所述压电衬底的表面传播所述表面声波并将所述传播的表面声波转换成输出RF信号；沉积在所述压电衬底上的至少一个伪导电二维电子气(2DEG)或二维空穴气(2DHG)结构，用于在所述缓冲层和所述阻挡层之间的所述界面处的所述异质结结构中形成伪导电2DEG或2DHG沟道；以及电容耦合到所述IDT并且耦合到所述伪导电2DEG或2DHG结构的电金属化层，用于感应位移电流，从而产生非欧姆源极和漏极接触，用于将所述传感器芯片连接到电路。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.08.22 US 62/377,7741.一种表面声波(SAW)射频识别(RFID)传感器芯片，其包括：压电衬底，所述衬底包括压电层和多层异质结结构，所述结构由III-V单晶或多晶半导体层制成、沉积在所述压电层上并且包括至少一个缓冲层和至少一个阻挡层，所述层交替堆叠；至少一对安装在所述压电衬底上的金属叉指换能器(IDT)，用于接收射频(RF)输入信号、将所述输入信号转换成表面声波(SAW)、沿着所述压电衬底的表面传播所述表面声波并将所述传播的表面声波转换成输出RF信号；沉积在所述压电衬底上的至少一个伪导电二维电子气(2DEG)或二维空穴气(2DHG)结构，用于在所述缓冲层和所述阻挡层之间的所述界面处的所述异质结结构中形成伪导电2DEG或2DHG沟道；以及电容耦合到所述IDT并且耦合到所述伪导电2DEG或2DHG结构的电金属化层，用于感应位移电流，从而产生非欧姆源极和漏极接触，用于将所述传感器芯片连接到电路。2.根据权利要求1所述的SAWRFID传感器芯片，其中所述压电衬底置于自支撑薄膜上。3.根据权利要求2所述的SAWRFID传感器芯片，其中所述自支撑薄膜由蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓或氮化铝制成。4.根据权利要求1所述的SAWRFID传感器芯片，其中所述压电层由氧化锌、蓝宝石、氮化铝、钽酸锂、铌酸锂、铌酸钾、硅酸镧镓、硅、碳化硅或石英制成。5.根据权利要求1至4中任一项所述的SAWRFID传感器芯片，其中所述多层异质结结构包含一个缓冲层和一个阻挡层，并且所述2DEG导电沟道形成在所述缓冲层和所述阻挡层之间的所述界面处。6.根据权利要求1至4中任一项所述的SAWRFID传感器芯片，其中所述多层异质结结构包含两个缓冲层和一个阻挡层，所述阻挡层置于所述缓冲层之间，并且所述2DEG导电沟道形成在所述阻挡层上方的顶部缓冲层中，靠近所述顶部缓冲层和所述阻挡层之间的界面，从而导致所述结构的N面极性。7.根据权利要求1至4中任一项所述的SAWRFID传感器芯片，其中所述多层异质结结构包含两个缓冲层和一个阻挡层，所述阻挡层置于所述缓冲层之间，并且所述2DHG导电沟道形成在所述阻挡层上方的顶部缓冲层中，靠近所述顶部缓冲层和所述阻挡层之间的所述界面，从而导致所述结构的Ga面极性。8.根据权利要求1至7中任一项所述的SAWRFID传感器芯片，其中所述III-V单晶或多晶半导体材料选自GaN/AlGaN、GaN/AlN、GaN/InN、GaN/InAlN、InN/InAlN、GaN/InAlGaN、GaAs/AlGaAs和LaAlO3/SrTiO3。9.根据权利要求8所述的SAWRFID传感器芯片，其中所述III-V单晶或多晶半导体材料是GaN/AlGaN。10.根据权利要求5所述的SAWRFID传感器芯片，其中所述多层异质结结构在底部包含一个GaN缓冲层，并且在顶部包含一个AlGaN阻挡层，所述AlGaN阻挡层具有(i)5至9纳米(nm)的厚度，对应于所形成的2DEG沟道的常开和常闭操作模式之间的伪导电电流范围，以及(ii)0.2nm或更小的表面粗糙度。11.根据权利要求10所述的SAWRFID传感器芯片，其中所述AlGaN阻挡层的厚度为6至7nm，优选为6.2至6.4nm。12.根据权利要求10或11所述的SAWRFID传感器芯片，其中所述AlGaN阻挡层具有约0.1nm或更小，优选约0.05nm或更小的表面粗糙度。13.根据权利要求6所述的SAWRFID传感器芯片，其中所述多层异质结结构是夹层状的，在顶部包含一个GaN缓冲层，在底部包含一个GaN缓冲层，并且在其之间包含一个AlGaN阻挡层，所述2DEG导电沟道形成在所述AlGaN阻挡层上方的顶部GaN缓冲层中，靠近所述顶部GaN缓冲层和所述AlGaN阻挡层之间的界面，从而导致所述结构的所述N面极性，所述顶部GaN缓冲层具有(i)5至9纳米(nm)的厚度，对应于所形成的2DEG沟道的常开和常闭操作模式之间的伪导电电流范围，以及(ii)0.2nm或更小的表面粗糙度。14.根据权利要求13所述的SAWRFID传感器芯片，其中所述顶部GaN缓冲层的厚度为6至7nm，优选为6.2至6.4nm。15.根据权利要求13或14所述的SAWRFID传感器芯片，其中所述顶部GaN缓冲层具有约0.1nm或更小，优选约0.05nm或更小的表面粗糙度。16.根据权利要求7所述的SAWRFID传感器芯片，其中所述多层异质结结构是夹层状的，在顶部包含一个GaN缓冲层，在底部包含一个GaN缓冲层，并且在其之间包含一个AlGaN阻挡层，所述2DHG导电沟道形成在所述AlGaN阻挡层上方的顶部GaN缓冲层中，靠近所述顶部GaN...

【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，
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