氟化异质结势垒层的半导体磁场传感器制造技术

本分案申请公开了一种氟化异质结势垒层的半导体磁场传感器，属于半导体传感器领域。技术要点是：在半导体衬底上依次生长缓冲层、外延层和势垒层，主电极C1和C2关于C0中心对称，所述电极C0和C1之间、电极C0和C2之间分别设有关于主电极C0中心对称的负离子注入区，在两个负离子注入区表面分别制作感测电极S1和S2，感测电极S1和S2关于主电极C0中心对称。本发明专利技术利用半导体异质结沟道中具有高电子迁移率的特点来提高传感器探测灵敏度，另一方面又采用五端电极结构，在传感器势垒层引入负离子来减弱沟道中束缚电子的纵向电场，从而可以独立探测与器件表面平行的磁场，并且进一步提高芯片敏感度。本发明专利技术芯片结构简洁有效，工艺成本更低而性能可控性更高。

Semiconductor magnetic field sensor based on fluorinated heterojunction barrier layer

【技术实现步骤摘要】
氟化异质结势垒层的半导体磁场传感器本申请是申请号为201810471997.7，申请日为2018年5月17日，专利技术创造名称为二维电子气沟道半耗尽型霍尔传感器及其制作方法的专利技术专利申请的分案申请。
本专利技术属于半导体传感器领域，尤其涉及一种氟化异质结势垒层的半导体磁场传感器。
技术介绍
磁场传感器也称为磁敏传感器，是将磁场转换成相应的电物理量，感知探测环境磁场的器件，可以用于测转速、位移、流量等，在民用和军用领域都有十分广泛的应用。磁敏传感器有多个种类，基于霍尔效应原理的半导体霍尔磁敏传感器，简称为霍尔传感器。由于其具有体积小、功耗低、使用寿命长和易于集成等优点，在传感器实际应用中占有重要地位，是未来传感器的发展趋势。氮化镓(GaN)基III-V族异质结构半导体为重要代表的下一代宽带隙半导体材料具有大的临界击穿电场、高的饱和电子漂移速率和良好的化学稳定性等特点，是未来制作霍尔传感器的重要选择。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。GaN基材料在霍尔传感器应用中优势明显，其异质结(典型如AlGaN/GaN)界面存在高密度的界面极化电荷，极化电荷诱导电场吸引材料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)(密度大于1013cm-2)。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(＞2000cm2V-1s-1)，特别适合用于制作霍尔传感器。因此，GaN基异质结材料霍尔传感器，具有潜在的工作温度范围广、感测灵敏度高等优势，具有十分广阔的应用前景。然而，该类型半导体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输运轨道的能力减弱，从而导致感测的电压或电流数值减小，电压或电流敏感度指标提升受限制。因此，本专利技术申请提出一种新型的氟化异质结势垒层的半导体磁场传感器结构，既能利用二维电子气沟道的高迁移率优势，又能保证在弱磁场信号下运动中的载流子能发生有效的纵向偏移，从而提高器件探测敏感度。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，另一种是基于半导体异质结(如AlGaN/GaN，AlGaN层带隙较宽，为势垒层)。前者采用单一的半导体材料，结构简单，但是电流输运特性容易受材料表面态影响，并且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个以上的半导体，其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。
技术实现思路
为了解决上述现有技术中存在的问题，本专利技术提出一种氟化异质结势垒层的半导体磁场传感器及其制作方法，该传感器保留完整的势垒层，并且负离子停留在势垒层不进入沟道，因此异质结界面完好，其二维电子气沟道同样具有高的电子迁移率，从而保证器件电压或电流敏感度不下降；负离子注入并停留在半导体势垒层所形成电场，与异质结界面处极化电荷诱导电场方向相反，因此可以明显降低该区域二维电子气沟道的纵向电场，增强载流子纵向偏移原输运轨道的能力，从而提高电极感测信号，有利于提高器件敏感度。技术方案如下：一种氟化异质结势垒层的半导体磁场传感器，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C0中心对称，所述电极C0和C1之间、电极C0和C2之间分别设有负离子注入区，负离子注入区的宽度小于主电极C0和C1或者C0和C2之间电极的间距，两个负离子注入区关于主电极C0中心对称，在两个负离子注入区表面分别制作感测电极S1和S2，感测电极S1和S2关于主电极C0中心对称。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，外延层厚度为0.1～100μm，势垒层厚度为5～100nm。进一步的，所述主电极C0、C1和C2的形状是矩形或圆形；所述感测电极S1和S2完全覆盖负离子注入区或者部分覆盖负离子注入区。本专利技术还包括一种氟化异质结势垒层的半导体磁场传感器制作方法，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，器件基底材料依次经过丙酮、乙醇、去离子水清洗，所述清洗均为超声清洗，用氮气吹干、再用烘箱进行烘烤；S2、利用光刻方法定义器件台面，经过涂胶、匀胶、光刻、显影形成刻蚀窗口，然后采用湿法刻蚀方法或干法刻蚀方法刻蚀势垒层和外延层，总的刻蚀深度为100～1000nm；S3、利用光刻方法定义器件势垒层，经过涂胶、匀胶、光刻、显影形成离子注入窗口，然后采用ICP、RIE或者离子注入机进行负离子注入或者表面布植；S4、采用热处理方法激活注入的负离子，然后采用PECVD、ALD或者LPCVD方法在势垒层表面沉积介质层进行表面钝化，介质层材料采用SiO2、Si3N4、AlN、Ga2O3、Al2O3、TiO2任意一种或者它们的任意组合；S5、利用光刻方法定义主电极和感测电极区域，经过涂胶、匀胶、光刻、显影步骤形成电极沉积窗口，采用电子束蒸发、磁控溅射、或者热蒸发方法生长单层或复合金属薄膜，形成接触电极，然后经过金属剥离、清洗、退火，形成金属/半导体欧姆接触。进一步的，步骤S3中负离子采用氟离子、氧离子、氮离子、硫离子、磷离子的任意一种。进一步的，步骤S3中加工过程采用10～100W低功率离子注入工艺。本专利技术的有益效果是：本专利技术所述的氟化异质结势垒层的半导体磁场传感器及其制作方法具有以下有益效果：1)保留完整的势垒层，并且负离子停留在势垒层不进入沟道，因此异质结界面完好，其二维电子气沟道同样具有高的电子迁移率，从而保证器件电压或电流敏感度不下降；2)负离子注入并停留在半导体势垒层所形成电场，与异质结界面处极化电荷诱导电场方向相反，因此可以明显降低该区域二维电子气沟道的纵向电场，增强载流子纵向偏移原输运轨道的能力，从而提高电极感测信号，有利于提高器件敏感度；通过保留完好的异质结界面从而保证二维电子气沟道中电子迁移率不下降，另外通过减弱沟道中束缚电子的纵向电场，使其在磁场下纵向偏移能力增强，从而提高电极感测信号，提高器件敏感度。一方面相对于单一体材料半导体，利用了半导体异质结材料沟道中具有的高电子迁移率特点，另一方面又对异质结构进行技术改进，通过在势垒层本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氟化异质结势垒层的半导体磁场传感器，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C0中心对称，所述电极C0和C1之间、电极C0和C2之间分别设有负离子注入区，负离子注入区的宽度小于主电极C0和C1或者C0和C2之间电极的间距，两个负离子注入区关于主电极C0中心对称，在两个负离子注入区表面分别制作感测电极S1和S2，感测电极S1和S2关于主电极C0中心对称。

【技术特征摘要】
1.一种氟化异质结势垒层的半导体磁场传感器，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C0中心对称，所述电极C0和C1之间、电极C0和C2之间分别设有负离子注入区，负离子注入区的宽度小于主电极C0和C1或者C0和C2之间电极的间距，两个负离子注入区关于主电极C0中心对称，在两个负离子注入区表面分别制作感测电极S1和S2，感测电极S1和S2关于主电极C0中心对称。2.如权利要求1所述的氟化异质结势垒层的半导体磁场传感器，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。3.如权利要求1所述的氟化异质结势垒层的半导体磁场传感器，其特征在于，所述外延层和势垒层为可产生二...

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