專利名稱：共振隧穿微聲傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及傳感器，特別涉及聲傳感器，具體為一種基于超晶格薄膜壓阻效應(yīng)的高靈敏度的共振隧穿微聲傳感器。
背景技術(shù)：
目前，壓阻式聲傳感器是較為常用的聲信號(hào)測(cè)量器件，它是基于硅的壓阻效應(yīng)原理。所謂壓阻效應(yīng)，即固體在應(yīng)力場(chǎng)作用下，引起電阻率的變化，從而引起電阻阻值變化的現(xiàn)象。市場(chǎng)上已有的硅壓阻式聲傳感器的壓敏電阻都是摻雜多晶硅，其靈敏度較低，溫度穩(wěn)定性較差，無(wú)法滿足現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)的高精度要求?，F(xiàn)有體積較小的微聲傳感器主要是電容式駐極體傳感器；目前最小的聲傳感器是約在1mm3左右的各種MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))器件，但他們的靈敏度不高，頻帶范圍小，且環(huán)境適應(yīng)性差。
具有共振隧穿效應(yīng)的納米超晶格量子阱薄膜是利用分子束外延生長(zhǎng)技術(shù)(MBE)進(jìn)行薄膜生長(zhǎng)而制備的一種具有量子效應(yīng)的納米材料，其具有優(yōu)良的電學(xué)特性，其中電子的共振隧穿與微帶輸運(yùn)特性顯示了良好的電子工程應(yīng)用價(jià)值，在國(guó)內(nèi)外得到廣泛的應(yīng)用，如共振隧穿二極管(RTD)。分子束外延是在超高真空(10-10Torr)中用一種或多種熱分子或原子束射到加熱襯底上生長(zhǎng)超晶格薄膜的一種技術(shù)。生長(zhǎng)之前先制備好(GaAs)襯底，再用分子束外延生長(zhǎng)技術(shù)(MBE)在(GaAs)襯底上生長(zhǎng)出一層很薄的超晶格薄膜。超晶格薄膜自下向上有集電極電極接觸層、集電區(qū)層、隔離層、勢(shì)壘層、勢(shì)阱層、勢(shì)壘層、隔離層、發(fā)射區(qū)層、發(fā)射極電極接觸層。根據(jù)使用領(lǐng)域的不同超晶格薄膜各層所用材料、厚度，摻雜濃度會(huì)有所區(qū)別。
在介觀物理領(lǐng)域，若電子的平均自由程大于樣品的特征幾何尺度，電子的波動(dòng)性質(zhì)就突顯出來(lái)了。電子的行為可以用像類似光學(xué)那樣的理論來(lái)描述，稱之為電子光學(xué)。這為研究復(fù)雜納結(jié)構(gòu)中的電子波動(dòng)行為提供了理論依據(jù)。超晶格的概念最初主要是為了尋找優(yōu)良微分負(fù)阻器件提出的。超晶格生長(zhǎng)技術(shù)的成熟，為電子光學(xué)在納電子器件方面的應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。但目前該技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)超晶格量子阱薄膜具有壓阻效應(yīng)。
原理上講，在力學(xué)信號(hào)作用下，納米超晶格量子阱結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力分布將發(fā)生變化；一定條件下應(yīng)力變化可引起內(nèi)建電場(chǎng)的產(chǎn)生；內(nèi)建電場(chǎng)將導(dǎo)致納米帶結(jié)構(gòu)中量子能級(jí)發(fā)生變化；量子能級(jí)變化會(huì)引起共振隧穿電流變化。簡(jiǎn)言之，在共振隧穿電壓附近，通過(guò)上述四個(gè)物理過(guò)程，可將一個(gè)微弱的力學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)化為一個(gè)較強(qiáng)的電學(xué)信號(hào)。這一過(guò)程稱為介觀壓阻效應(yīng)。即力學(xué)信號(hào)產(chǎn)生應(yīng)變，應(yīng)變產(chǎn)生內(nèi)建電場(chǎng)，內(nèi)建電場(chǎng)產(chǎn)生量子能級(jí)漂移，量子能級(jí)漂移產(chǎn)生共振隧穿電流變化。
當(dāng)電壓一定的條件下，隧穿電流的變化也可表示為電阻的變化，也就是說(shuō)力學(xué)信號(hào)可引起超晶格薄膜電阻較大的變化。
在實(shí)驗(yàn)中，采用I-V曲線網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試GaAs/AlAs超晶格薄膜的I-V曲線，并給薄膜施加不同大小的微小壓力，每施加一次壓力便記錄下相應(yīng)的I-V曲線，從而得到一組隨壓力變化的I-V曲線(附圖1)。從該曲線很容易計(jì)算出在電壓一定的情況下電阻值隨壓力的變化情況，將這種變化趨勢(shì)繪成曲線便可得到超晶格薄膜的壓阻效應(yīng)曲線(附圖2)。
通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)證實(shí)了超晶格薄膜確實(shí)具有高靈敏度壓阻效應(yīng)。由于超晶格壓阻效應(yīng)的機(jī)理是其共振隧穿電流在壓力影響下發(fā)生變化，故將具有壓阻效應(yīng)的超晶格薄膜稱為共振隧穿壓敏電阻。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決現(xiàn)有硅壓阻式聲傳感器的壓敏電阻都是摻雜多晶硅，其靈敏度較低，溫度穩(wěn)定性較差，無(wú)法滿足現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)的高精度要求的問(wèn)題，利用超晶格量子阱薄膜具有有高靈敏度壓阻效應(yīng)的特性，提供一種高靈敏度的共振隧穿微聲傳感器。
本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的共振隧穿微聲傳感器，它是用如下方法制得的用分子束外延(MBE)技術(shù)在半導(dǎo)體襯底上生長(zhǎng)出所需的超晶格薄膜，利用微機(jī)電器件(MEMS)加工技術(shù)進(jìn)行如下加工(1)利用刻蝕工藝去掉襯底上的除呈“十”字分布的四塊薄膜外的所有薄膜；(2)再采用刻蝕工藝，將留下的每塊薄膜除一條形面積外的其余部分腐蝕到集電極的電極接觸層，使每塊薄膜上形成一個(gè)凸條；(3)用沉積法在薄膜表面沉積歐姆接觸層，再用剝離法在集電極的電極接觸層和凸條表面制作出集電極和發(fā)射極(即將集電極和發(fā)射極以外的歐姆接觸層剝離掉)；(4)用PECVD法在薄膜表面淀積二氧化硅絕緣層；(5)用開引線孔版在發(fā)射極和集電極上部的二氧化硅絕緣層上刻蝕出引線孔；(6)蒸發(fā)CrAu，在薄膜表面蒸鍍CrAu層；
(7)用外引線版光刻CrAu層，形成引線孔上部的引出電極；(8)控制溫度在430℃時(shí)短時(shí)間快速合金，以便形成引出電極與集電極和發(fā)射極之間良好的歐姆接觸；利用背面刻蝕工藝在襯底底面刻蝕出一個(gè)內(nèi)凹諧振腔，并使四塊薄膜壓敏電阻位于內(nèi)凹諧振腔的邊緣。
所述的超晶格薄膜各層采用如下的材料、摻雜濃度、層厚度，以提高微聲傳感器的靈敏度等性能

在超晶格薄膜中，發(fā)射極和集電極電極接觸層的主要作用是形成歐姆接觸減少器件的串聯(lián)電阻。發(fā)射區(qū)層和集電區(qū)層實(shí)行重?fù)诫s使費(fèi)米能級(jí)位于導(dǎo)帶之上，具體摻雜濃度影響峰值電壓和開啟電壓值，此外摻雜從發(fā)射區(qū)或集電區(qū)到勢(shì)壘區(qū)的摻雜濃度逐漸降低，這樣做主要目的是為了防止雜質(zhì)滲透到勢(shì)壘區(qū)，影響器件特性。隔離層的主要作用是隔離摻雜發(fā)射區(qū)中的雜質(zhì)在高溫下向勢(shì)壘和勢(shì)阱區(qū)擴(kuò)散，調(diào)整隔離層的厚度也可以調(diào)整峰值電壓和開啟電壓值；勢(shì)壘層勢(shì)壘層是雙壘單勢(shì)阱系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，該層應(yīng)選擇禁帶寬度大的材料制作，一般不摻雜，該層厚度減小有利于提高峰值電流密度；勢(shì)阱層勢(shì)阱層也是關(guān)鍵層之一，一般不摻雜，阱區(qū)厚度增大，阱中分立能級(jí)降低，有利于減小峰值電壓、提高電流峰谷比。然而阱區(qū)厚度大時(shí)，峰值電流也變小，故采用子阱結(jié)構(gòu)(GaAs/In0.1Ga0.9As/GaAs)。由于子阱中的分立能級(jí)更低，就可以做到阱的總厚度不很大，即可得到低峰值電壓，又能保持較高的峰值電流密度。此后，各層的順序與上述順序是完全對(duì)稱的，直到襯底。在發(fā)射區(qū)和勢(shì)壘區(qū)隔離層中各增加一層In0.1Ga0.9As，其目的是在發(fā)射區(qū)和勢(shì)壘之間形成一個(gè)壘前阱，該阱中也產(chǎn)生了分立能級(jí)，這樣就使原本由發(fā)射區(qū)電子與阱中分立能級(jí)間的共振隧穿轉(zhuǎn)變?yōu)閴厩摆逯蟹至⒛芗?jí)與阱中分立能級(jí)之間的二維對(duì)二維的共振隧穿。由于受隧穿前后能量和橫向動(dòng)量守恒的限制，會(huì)在IV曲線上形成一個(gè)十分尖銳的共振電流峰，其結(jié)果是降低峰值電壓、提高峰谷比；同時(shí)盡量縮小發(fā)射極面積，以減小其本征電容。
本發(fā)明所述的分子束外延(MBE)技術(shù)是公知的制備超晶格薄膜的成熟技術(shù)。本發(fā)明所涉及的刻蝕(光刻和腐蝕)工藝、歐姆層沉積法工藝、剝離法工藝、PECVD法淀積二氧化硅層工藝、用開引線孔版刻出引線孔工藝、在薄膜表面形成CrAu層工藝、用外引線版光刻CrAu層形成引出電極工藝以及快速合金工藝都是公知、成熟且商業(yè)化使用的MEMS器件加工工藝。其中，分子束處延技術(shù)中在楊樹人等編著、科學(xué)出版社出版的《半導(dǎo)體材料》一書的第七章(半導(dǎo)體的外延生長(zhǎng))中有詳細(xì)介紹；本發(fā)明所涉及的各種加工工藝在[美]格雷戈里T.A.科瓦奇著、張文棟等譯的《微傳感器與微執(zhí)行器全書》的第二章(微機(jī)械加工技術(shù))中有詳細(xì)介紹。
本發(fā)明發(fā)現(xiàn)并利用了超晶格薄膜的壓阻效應(yīng)，合理設(shè)計(jì)了超晶格薄膜的結(jié)構(gòu)并利用薄膜生長(zhǎng)技術(shù)和MEMS加工工藝，給出了一種共振隧穿微聲傳感器。本發(fā)明是基于介觀壓阻效應(yīng)新原理，首次將量子效應(yīng)引入到聲學(xué)探測(cè)這一領(lǐng)域，并加工出我國(guó)第一批基于GaAs襯底的具有量子效應(yīng)的共振隧穿微聲傳感器。該微聲傳感器克服了硅壓阻式聲傳感器存在的問(wèn)題，不但靈敏度提高了一至兩數(shù)量級(jí)，受溫度影響小(摻雜多晶硅壓敏電阻受溫度影響較大，主要原因部分是由于摻雜載流子的影響，而超晶格的阱區(qū)和壘區(qū)都沒(méi)有摻雜，所以共振隧穿壓敏電阻受溫度影響較小、溫度穩(wěn)定性好)，而且具有體積小、便于集成等令人矚目的優(yōu)點(diǎn)。共振隧穿微聲傳感器是全部采用MEMS工藝加工制作的量子器件，因具有量子效應(yīng)、表面效應(yīng)和尺寸效應(yīng)，而表現(xiàn)出高靈敏度，低功耗、微體積、低功耗和易數(shù)字化、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、成本低等特點(diǎn)。因此有著廣闊的應(yīng)用前景。共振隧穿微聲傳感器具有頻率范圍可調(diào)、增益可調(diào)等特性，可適用于各種高靈敏度聲學(xué)探測(cè)領(lǐng)域。


圖1為超晶格薄膜隨壓力變化的I-V曲線；圖2為超晶格薄膜的壓阻效應(yīng)曲線；圖3為超晶格薄膜的結(jié)構(gòu)示意圖；其中1-襯底，2-超晶格薄膜。
圖4為共振隧穿微聲傳感器加工工序示意圖；圖中以a-b-c-d-e-f-g為順序。
圖5為襯底上蝕刻有諧振腔的微聲傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為微聲傳感器實(shí)物放大圖；
圖7為微聲傳感器實(shí)物背面放大圖；具體實(shí)施方式
共振隧穿微聲傳感器，它是用如下方法制得的用分子束外延(MBE)技術(shù)在半導(dǎo)體襯底1上生長(zhǎng)出所需的超晶格薄膜2，利用微機(jī)電器件(MEMS)加工技術(shù)進(jìn)行如下加工(1)利用刻蝕工藝去掉襯底1上的除呈“十”字分布的四塊薄膜外的所有薄膜(如圖4a所示)；(2)再采用刻蝕工藝，將留下的每塊薄膜(圖4b)除一條形面積外的其余部分腐蝕到集電極的電極接觸層3，使每塊薄膜上形成一個(gè)凸條(圖4c)；(3)用沉積法在薄膜表面沉積歐姆接觸層，再用剝離法在集電極的電極接觸層和凸條表面制作出集電極4和發(fā)射極7(圖4d)(發(fā)射極不用剝離)；即將集電極和發(fā)射極以外的歐姆接觸層剝離掉；歐姆接觸層采用AuGeNi材料；(4)用PECVD法在薄膜表面淀積二氧化硅層絕緣5(圖4e)；(5)用開引線孔版在發(fā)射極和集電極上部的二氧化硅絕緣層上刻出引線孔(圖4f)；(6)蒸發(fā)CrAu，在薄膜表面形成CrAu層；(7)用外引線版光刻CrAu層，形成引線孔上部的引出電極6(圖4g)；(8)控制溫度在430℃時(shí)短時(shí)間快速合金，以便形成引出電極與集電極和發(fā)射極之間良好的歐姆接觸；利用背面刻蝕工藝在襯底底面刻蝕出一個(gè)內(nèi)凹諧振腔8，并使四塊薄膜壓敏電阻位于內(nèi)凹諧振腔的邊緣。(圖5)。
內(nèi)凹諧振腔8為圓形。
將四塊薄膜壓敏電阻橋式連接。
微聲傳感器的工作原理是當(dāng)聲信號(hào)激勵(lì)內(nèi)凹諧振腔底部形成的諧振膜振動(dòng)時(shí)，在諧振膜邊緣處引起較大應(yīng)力，使得共振隧穿壓敏電阻的阻值將隨著應(yīng)力的變化而等比例變化，惠斯登電橋的輸出電壓也隨之變化，所以壓敏電阻阻值的變化反映了聲信號(hào)的變化，從而實(shí)現(xiàn)了聲信號(hào)的探測(cè)。
權(quán)利要求
1.一種共振隧穿微聲傳感器，其特征為它是用如下方法制得的用分子束外延技術(shù)在半導(dǎo)體襯底(1)上生長(zhǎng)出所需的超晶格薄膜(2)，利用微機(jī)電器件加工技術(shù)進(jìn)行如下加工(1)利用刻蝕工藝去掉襯底(1)上的除呈“十”字分布的四塊薄膜外的所有薄膜；(2)再采用刻蝕工藝，將留下的每塊薄膜除一條形面積外的其余部分腐蝕到集電極的電極接觸層(3)，使每塊薄膜上形成一個(gè)凸條；(3)用沉積法在薄膜表面沉積歐姆接觸層，再用剝離法在集電極的電極接觸層和凸條表面制作出集電極(4)和發(fā)射極(7)；(4)用PECVD法在薄膜表面淀積二氧化硅層絕緣(5)；(5)用開引線孔版在發(fā)射極和集電極上部的二氧化硅絕緣層上刻出引線孔；(6)蒸發(fā)CrAu，在薄膜表面形成CrAu層；(7)用外引線版光刻CrAu層，形成引線孔上部的引出電極(6)；(8)控制溫度在430℃時(shí)短時(shí)間快速合金，以便形成引出電極與集電極和發(fā)射極之間良好的歐姆接觸；利用背面刻蝕工藝在襯底底面刻蝕出一個(gè)內(nèi)凹諧振腔(8)，并使四塊薄膜壓敏電阻位于內(nèi)凹諧振腔的邊緣。
2.如權(quán)利要求1所述的共振隧穿微聲傳感器，其特征為超晶格薄膜各層采用如下的材料、摻雜濃度、層厚度
3.如權(quán)利要求1或2所述的共振隧穿微聲傳感器，其特征為內(nèi)凹諧振腔(8)為圓形。
4.如權(quán)利要求1或2所述的共振隧穿微聲傳感器，其特征為將四塊薄膜壓敏電阻橋式連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及傳感器，特別涉及聲傳感器，具體為一種共振隧穿微聲傳感器。本發(fā)明解決現(xiàn)有硅壓阻式聲傳感器的壓敏電阻都是摻雜多晶硅，其靈敏度較低，溫度穩(wěn)定性較差，無(wú)法滿足現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)的高精度要求的問(wèn)題，利用了超晶格量子阱薄膜具有壓阻效應(yīng)的特性。本發(fā)明在超晶格薄膜上加工出共振隧穿壓敏電阻，將超晶格薄膜的襯底加工成內(nèi)凹諧振腔的傳力結(jié)構(gòu)，并使四塊共振隧穿壓敏電阻位于內(nèi)凹諧振腔的邊緣。共振隧穿微聲傳感器是全部采用MEMS工藝加工制作的量子器件，因具有量子效應(yīng)、表面效應(yīng)和尺寸效應(yīng)，而表現(xiàn)出高靈敏度，低功耗、微體積、低功耗和易數(shù)字化、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、成本低等特點(diǎn)，可適用于各種高靈敏度聲學(xué)探測(cè)領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G01H11/06GK1746638SQ20051001281
公開日2006年3月15日 申請(qǐng)日期2005年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月12日
發(fā)明者張文棟, 劉俊, 熊繼軍, 薛晨陽(yáng), 張斌珍, 謝斌, 桑勝波, 王建, 陳建軍 申請(qǐng)人:中北大學(xué)