高靈敏度4H-SiC基高溫壓力傳感器

　　摘要:p型4H-SiC相較n型4H-SiC具有更高的壓阻效應,p型4H-SiC正方形膜片作為彈性元件相較圓形膜片具有更高的靈敏度。基于此,設計了一種基于p型4H-SiC壓阻效應的高靈敏度碳化硅壓力傳感器,探索了Ni/Al/Ni/Au與p型4H-SiC之間形成良好歐姆接觸的條件,并制備了傳感器芯片。在25~600℃空氣環境中對傳感器芯片的電阻進行了測試,驗證了傳感器在≤600℃下具有良好的電連接性。最后,在常溫至250℃下對傳感器進行性能測試。實驗結果顯示,常溫環境下傳感器具有較高的輸出靈敏度為10.9μV/V/kPa,即使在250℃時其輸出靈敏度也約為6.7μV/V/kPa。該研究為高溫壓阻式壓力傳感器發展提供了一定的技術參考。

　　本文源自李永偉; 梁庭; 雷程; 李強; 李志強; 熊繼軍， 微納電子技術 發表時間：2021-05-25 《微納電子技術》原：《半導體情報》，自創刊以來，致力于推動我國微米納米技術的發展，大量報道了我國納米電子學的基礎性研究和MEMS領域的開發與應用，為全國從事微納電子技術研究的人員搭建了一個良好的技術、信息交流平臺，對我國納米技術研究人員所做的早期研究工作和取得的成果做出了真實的、歷史性的描述。

　　關鍵詞:壓力傳感器;微電子機械系統(MEMS);碳化硅(SiC);壓阻效應;彈性元件

　　0引言

　　隨著控制科學與智能監測技術的發展,發動機和石油鉆井等在極端環境下的壓力信號測量技術受到了學者們的廣泛關注[1]。與電容式、光纖式和聲表面波式等其他類型的傳感器相比,壓阻式壓力傳感器具有體積小、工藝簡單及線性范圍寬等優勢[2-3]。

　　由于硅材料具有優良的壓阻效應和成熟的微電子機械系統(MEMS)加工工藝,硅基壓力傳感器是目前最常見的壓阻式力學器件。但是,在超過500℃的高溫環境下硅材料受壓力后發生塑性形變且容易被腐蝕或者氧化,限制了硅基壓力傳感器在極端環境下的應用[4-5]。

　　碳化硅具有帶隙寬、熱導率高、機械強度大及抗輻射能力強等優點,已廣泛應用于高溫、高頻、高壓等極端環境下工作的傳感器和電力電子器件[6-7]。4H-SiC作為體碳化硅,具有良好的壓阻效應,有潛力制備長時間工作在超過600℃高溫環境下的全碳化硅壓力傳感器[8]。早在2012年,T.Akiyama等人[9]驗證了n型4H-SiC具有良好的壓阻效應,其應變系數達到20.8,并制備了可在600℃下工作的n型4H-SiC壓力傳感器,該傳感器在常溫環境下輸出靈敏度為268μV/V/kPa[10];2015年,美國NASA的R.S.Okojie等人[11]制備了可在800℃下工作的n型4H-SiC壓力傳感器,其輸出靈敏度約為18.8μV/V/psi(1psi=6895Pa)。

　　國內,中國電子科技集團公司第十三研究所何洪濤等人[12]報道了n型4H-SiC壓力傳感器的設計、MEMS加工工藝、封裝以及測試等,并在23~550℃環境下進行性能測試,該傳感器在常溫環境下輸出靈敏度為5.03μV/V/kPa;此外,上海師范大學陳之戰課題組的趙高杰[13]同樣對n型4H-SiC壓力傳感器技術開展了詳細研究,所研制的傳感器的最大輸出靈敏度為4.7μV/V/kPa。從總體上看,基于n型4H-SiC壓阻效應的壓力傳感器靈敏度相對較低,尚無可應用于工況環境下的碳化硅高溫壓阻式壓力傳感器。另外,文獻[10-13]所報道的傳感器芯片均采用圓形膜片作為彈性元件,相較正方形膜片其靈敏度更小,因此,有望從感壓膜片的優化設計著手提高傳感器的靈敏度。

　　為了改善SiC壓阻式壓力傳感器的性能,近幾年有研究團隊將目光轉向p型4H-SiC。2017年,格里菲斯大學T.K.Nguyen等人[14]開始著手p型4H-SiC壓阻效應的表征研究,實驗性地證實了p型4H-SiC具有高達31.5的應變系數,約為n型4H-SiC應變系數的1.5倍;之后,該團隊[15]于2018年以正方形感壓膜片作為彈性元件,采用激光深刻蝕SiC技術制備了高靈敏度p型4H-SiC壓阻式壓力傳感器,其靈敏度高達84μV/V/kPa。國內,2019年,中北大學Y.W.Li等人[16]基于單懸臂梁結構驗證了p型4H-SiC具有優異的壓阻性能。目前,國內鮮有關于p型4H-SiC壓阻效應壓力傳感器的報道,主要有以下兩方面原因:①p型SiC與金屬形成低接觸電阻、高穩定的歐姆接觸較為困難[17];②與n型碳化硅同質外延技術相比,p型碳化硅同質外延技術更為復雜、生產成本更高[8]。

　　隨著國內SiC晶圓生長、同質外延等技術的成熟化,高質量的p型4H-SiC外延晶片逐漸從進口為主走向了客戶定制化。本文基于正方形感壓膜片,研制了一種基于p型4H-SiC壓阻效應的高靈敏度壓力傳感器芯片。探索了SiC與Ni/Al/Ni/Au形成歐姆接觸的退火條件,制備了p型4H-SiC耐高溫歐姆接觸,并驗證了25~600℃下傳感器電連接的穩定性;最后,在常溫至250℃環境下完成傳感器的性能測試。

　　1傳感器的設計與制備

　　1.1傳感器結構設計

　　基于壓阻效應的壓力傳感器是將4個壓敏電阻集成到感壓膜片上,并將電阻連接成Wheatstone電橋。當外界環境壓力發生變化時,在膜片上的壓敏電阻阻值產生與壓力呈正比的變化,并通過電橋電路輸出變化感知壓力信號。常見的壓力敏感膜片有正方形膜、圓形膜和帶有質量塊的島膜。由于SiC體微加工難度較大,一般不考慮島膜作為感壓膜片。根據彈性力學理論,同等尺寸條件下正方形膜的最大應力比圓形膜的大1.64倍[16]。因此,本文設計1000μm×1000μm的正方形壓力敏感膜片,設計工作量程為1MPa的傳感器芯片結構。在考慮線性原則和抗過載原則的情況下,設計傳感器感壓膜片厚度。

　　所謂線性原則指傳感器受到滿量程壓力時,感壓膜片的最大撓度必須小于膜片厚度的1/5,目的是保證膜片工作在線性區。感壓膜片受滿量程壓力后的最大撓度(ωmax)與工作量程和膜片厚度(h)關系為[4]ωmax=0.0213×12(1-v2)pmaxa416Eh3=0.0156pmaxa4Eh3

　　所謂抗過載原則指當傳感器受到滿量程壓力時,敏感膜片承受的最大等效應力必須小于材料屈服應力的1/5,防止膜片因承受過大的壓力而產生不可恢復的形變。敏感膜片表面承受的最大等效應力(σmax)與工作量程和膜片尺寸的關系為[4]σmax=1.0224(1-v)pmaxa24h2=0.2147pmaxa2h2≤σy5(2)式中σy為SiC的屈服應力。

　　綜合上述計算結果和工藝可行性,設計傳感器的感壓膜片尺寸為1000μm×1000μm×45μm,傳感器整體芯片尺寸為3300μm×3300μm×355μm,如圖1(a)所示,其中R1~R4為壓敏電阻。為了提高傳感器輸出靈敏度,要求盡可能地將4個壓敏電阻布置在敏感膜片的應力集中區。利用ANSYS有限元仿真軟件建立傳感器芯片模型,并在膜片表面施加1MPa的均勻壓力,仿真結果如圖1(b)所示。由圖1(b)可以發現,應力集中分布在正方形感壓膜片邊緣的中心區域,沿膜片對邊中心點連線的路徑上應力分布如圖1(c)所示,其中AB和CD路徑處于對稱位置,應力分布一致。因此,將尺寸為80μm×20μm的SiC壓敏電阻布置在敏感膜片的邊緣,如圖1(a)中R1~R4所示,具體布置區域如圖1(c)虛線位置所示。為了方便測量單個電阻的阻值,將4個電阻連接成半開環式Wheatstone電橋,如圖1(d)所示。當對膜片表面施加均勻壓力時,R1和R4電阻增大,而R2和R3電阻減小,電橋輸出電壓發生與壓力呈正比關系的變化。理想情況下,當膜片表面施加的壓力p=0時,4個壓敏電阻有相同的阻值,電橋呈平衡狀態且輸出電壓為0V。當給膜片表面施加壓力時,壓敏電阻的阻值發生改變。假設4個電阻的變化率相同,則電橋的輸出電壓(Uout)可表示為Uout=ΔRRUin(3)式中:ΔRR為單個壓敏電阻的變化率;Uin為電橋的輸入電壓。由此,可以推算出傳感器的輸出靈敏度(S)為S=1pΔRR=1pΔρρ=1pGfEσ