[发明专利]一种负阻式GaN压力传感器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种负阻式GaN压力传感器及其制备方法，包括：1)Si衬底上依次生长GaN缓冲层和n型GaN层；2)n型GaN层上生长双势垒AlGaN/GaN/AlGaN量子阱；3)双势垒AlGaN/GaN/AlGaN量子阱上生长n型GaN层；4)选择性刻蚀外延层材料形成刻蚀台面和台阶；5)在台面和台阶上淀积钝化层；6)刻蚀钝化层形成电极孔，并淀积金属电极；7)选择性刻蚀Si衬底形成刻蚀凹槽。首先，本发明利用共振隧穿效应调控量子阱内载流子输运过程以及负阻效应；其次，本发明利用了AlGaN/GaN异质结具有的压电极化效应，通过外部压力改变极化电场，从而使得量子阱内的能级发生改变，达到控制量子阱中载流子的隧穿效率，使得输出电流快速下降，即在外界压力情况下出现负阻效应，从而表现出极高的响应灵敏度。

技术领域

本发明涉及压力传感器领域，具体为一种负阻式GaN压力传感器及其制备方法。

背景技术

压力传感器是目前工业应用领域中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业控制环境，涉及铁路交通、航空航天、军工、水利水电、智能建筑、电力、机床、船舶等众多行业。

传统的半导体压力传感器是通过压力改变载流子浓度，迁移率或者电容来实现电信号的输出，从而实现压力传感。然而这些方法中由于浓度、迁移率以及电容的压电变化系数小，限制了所最小施加压力，以及存在压力的非线性和滞后效应，导致压力反应慢，失真等缺点。

发明内容

基于上述提到的应用前景和需求，本发明创新性的提出了一种负阻式GaN压力传感器及其制备方法，能够满足快速、高灵敏的压力传感。本发明利用共振隧穿二极管来实现压力传感，一种负阻式GaN压力传感器及其制备方法，包括以下制备过程：

1)Si衬底上依次生长GaN缓冲层和n型GaN层；

2)n型GaN层上生长双势垒AlGaN/GaN/AlGaN量子阱；

3)双势垒AlGaN/GaN/AlGaN量子阱上生长n型GaN层，形成共振隧穿二极管；

4)选择性刻蚀外延层材料形成刻蚀台面和台阶；

5)在台面和台阶上淀积钝化层；

6)刻蚀钝化层形成电极孔，并淀积金属电极；

7)选择性刻蚀Si衬底形成刻蚀凹槽。

优选地，所述1)中的GaN缓冲层厚度为0.2μm～4μm；所述n型GaN层厚度为0.1μm～0.5μm，掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3～5×10¹⁸cm^-3，掺杂元素为硅。

在双势垒AlGaN/GaN/AlGaN量子阱结构中，量子限域效应在量子阱中形成分立能级。通过外加偏压可以改变分立能级位置，并使其低于发射极费米能级同时高于发射极导带底能级，电子有极大概率通过共振隧穿效应穿过双势垒结构。

双势垒AlGaN/GaN/AlGaN量子阱中各层均为纳米级厚度的材料，与量子阱接触的n型GaN层分别为发射极和集电极。调节偏压，使得势阱内量子化能级与发射极导带底对齐时，此时输出电流接近峰值；然后保持偏压不变，在有外部压力存在的情况下，极化电场改变阱内量子能级的位置，使得量子化能级低于发射极导带底时，此时共振隧穿效应的条件不满足，共振隧穿截止，电流值会极速下降。因此，压力就会与负阻呈现一个量化关系，而且表现出快速、高灵敏的特性。

优选地，所述2)中的双势垒AlGaN/GaN/AlGaN量子阱为一个周期，其中AlGaN层的厚度为2.5nm～10nm，GaN层的厚度为2.5nm～10nm。

用AlGaN/GaN异质结具有的压电极化效应，将外部压力转变成极化电场变量，并改变量子阱内的能级，从而调节量子阱内外载流子的输运，输出电流快速变化，并呈现出极高的响应灵敏度。