CN203011560U - 一种碳化硅温度传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种碳化硅温度传感器，包括由N型SiC基片构成的衬底和设置在衬底上部的N型SiC外延层，N型SiC外延层上部中间位置处设置有圆形的肖特基接触电极，N型SiC外延层上位于肖特基接触电极的外侧设置有圆环形的N型SiC欧姆接触掺杂区，N型SiC欧姆接触掺杂区上部设置有圆环形的欧姆接触电极，N型SiC欧姆接触掺杂区、欧姆接触电极和肖特基接触电极同心设置，位于欧姆接触电极与肖特基接触电极之间的N型SiC外延层上部，以及位于欧姆接触电极***的N型SiC外延层上部均设置有二氧化硅层。本实用新型设计新颖合理，线性度和封装密度好，有利于集成，工作可靠性高，实用性强，应用范围广，推广应用价值高。

Description

一种碳化硅温度传感器

技术领域

本实用新型涉及半导体器件技术领域，尤其是涉及一种碳化硅温度传感器。

背景技术

温度传感器是应用最广的传感器之一，从家电、汽车电子、电力电子领域直至航天、地质、资源领域等，都需要具有温度传感功能的器件。传统的温度传感器类型有热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器和半导体温度传感器等。

在众多的传感器类型中，半导体温度传感器具有灵敏度高、体积小、功耗低、时间常数小、抗干扰能力强、易集成等诸多优点，而成为温度传感器中的首选。但由于材料特性的限制，传统的半导体材料制作的温度传感器不能在高温下工作，例如Si温度传感器有效测温范围为0～150℃；而随着科学技术的发展，越来越多的领域如航天、航空、军事、石油勘探、核能、通讯等，微电子器件和电路需要工作在250℃～600℃的高温环境下。这时传统的硅基温度传感器已不能胜任。寻找一种新型的、能满足高温恶劣环境工作的具有独特的物理性质和电学性质的半导体材料已经成为半导体领域的一个热点。近年来，第三代半导体材料中的一种材料——碳化硅（SiC）发展迅猛，成为高温电子领域的研究热点。

碳化硅（Silicon Carbide，简称SiC）是一种目前发展较为成熟的宽带隙半导体材料，以其良好的物理和电学性能成为继Si和GaAs之后新一代微电子器件和电路的半导体材料。与Si和GaAs为代表的传统半导体材料相比，SiC具有宽带隙、高击穿场强、高热导率等优点，其优越的性能可以满足现代电子技术对高温抗辐射和高频大功率的要求。

在众多的SiC器件中，SiC SBD是目前最成熟且已经商用的SiC器件，具有工艺简单、高温特性好、可靠性高等优点，是用作温度传感器最理想的SiC器件。基于SiC SBD的温度传感器测量温度可达500℃，比普通的Si基传感器提高了近3倍。而且SiC肖特基势垒二极管作为一种有源半导体器件，很容易集成到电路中；尤其是可以直接集成在即将有广泛应用的SiC器件和集成电路上。不但可以既节约了电路成本，又不会增加电路的封装尺寸，在航空航天、化学工业、矿物开采加工等领域有着广泛的应用前景。

SiC高温温度传感器的基本原理是SiC SBD的正向压降与器件温度变化之间存在线性关系。SiC SBD的正向I-V特性符合热电子发射理论，即：

$I=I_s[\exp \left(\frac{\mathrm{qV}}{\mathrm{nkT}}\right)-1]---\left(1\right)$

其中

是反向饱和电流，n是理想因子，φ_B是肖特基势垒高度，A^*是Richardson常数，A是器件面积。

当器件通过的电流恒定时，两边对温度求导，可得：

由此得出，在一定温度范围内，只要热电子发射理论成立，器件正向压降与温度变化之间存在线性关系。通过对正向压降的测试和换算，即可获得传感器所处环境的温度。

虽然SiC SBD温度传感器已经有了一些报道并显示了其部分的优越性，但是SiC高温温度传感器要想在高温电子领域广泛应用，还有一些问题需要解决：

（1）高温工作时，SiC器件的体电阻会随温度变化而变化，使得V-T特性不再按照线性规律变化，从而影响了温度传感器的线性度；

（2）目前现有技术中的碳化硅温度传感器大多是纵向结构，使得温度传感器的体积难以减小，且难于集成。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种碳化硅温度传感器，其设计新颖合理，实现方便且成本低，线性度和封装密度好，有利于集成，工作可靠性高，实用性强，应用范围广，推广应用价值高。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种碳化硅温度传感器，其特征在于：包括由N型SiC基片构成的衬底和设置在所述衬底上部的N型SiC外延层，所述N型SiC外延层上部中间位置处设置有圆形的肖特基接触电极，所述N型SiC外延层上位于所述肖特基接触电极的外侧设置有圆环形的N型SiC欧姆接触掺杂区，所述N型SiC欧姆接触掺杂区上部设置有圆环形的欧姆接触电极，所述N型SiC欧姆接触掺杂区、欧姆接触电极和肖特基接触电极同心设置，位于所述欧姆接触电极与肖特基接触电极之间的N型SiC外延层上部，以及位于所述欧姆接触电极***的N型SiC外延层上部均设置有二氧化硅层。

上述的一种碳化硅温度传感器，其特征在于：所述N型SiC外延层的厚度为1μm～5μm。

上述的一种碳化硅温度传感器，其特征在于：所述肖特基接触电极的半径为0.5μm～2μm，所述欧姆接触电极的内半径与外半径的差为0.5μm～2μm，所述欧姆接触电极的内半径与所述肖特基接触电极的半径的差为1μm～2μm。

上述的一种碳化硅温度传感器，其特征在于：所述欧姆接触电极由依次从下到上的Ni层、第一Pt层和第一Au层构成，所述Ni层的厚度为200nm～400nm，所述第一Pt层的厚度为50nm～200nm，所述第一Au层的厚度为200nm～1000nm。

上述的一种碳化硅温度传感器，其特征在于：所述肖特基接触电极由依次从下到上的第Pt层和第二Au层构成，所述第Pt层的厚度为200nm～500nm，所述第二Au层的厚度为200nm～1000nm。

上述的一种碳化硅温度传感器，其特征在于：所述二氧化硅层的厚度为10nm～50nm。

本实用新型与现有技术相比具有以下优点：

1、本实用新型采用了横向结构，设计新颖合理，工作时没有了衬底的影响，因此容易获得比纵向结构更低的串联电阻。

2、本实用新型采用了圆环形的欧姆接触电极包围圆形肖特基接触电极的结构，可以有效的降低肖特基接触电极的漏电流，降低串联电阻。

3、本实用新型采用金属Pt作为肖特基金属电极，采用金属Au作为封装，并进行了热退火工艺处理，有效提高了肖特基接触的稳定性。

4、本实用新型由于采用了横向结构，因此可以通过减薄衬底来缩小传感器的体积，提高封装密度，有利于集成和缩小体积，而且提升了温度传感器的线性度，有利于提高检测精度。

5、本实用新型的制造工艺简单，实现方便且成本低。

6、本实用新型与现有技术中的Si温度传感器相比，测试温度提高了近3倍，与现有技术中纵向结构的碳化硅温度传感器相比，线性度好，工作可靠性高，实用性强，能够广泛应用在航天、航空、军事、石油勘探、核能、通讯等领域，应用范围广，推广应用价值高。

综上所述，本实用新型设计新颖合理，实现方便且成本低，线性度和封装密度好，有利于集成，工作可靠性高，实用性强，应用范围广，推广应用价值高。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本实用新型的主视图。

图2为本实用新型的俯视图。

附图标记说明:

1-衬底；    2-N型SiC外延层；    3-N型SiC欧姆接触掺杂区；

4—欧姆接触电极；    5—肖特基接触电极；    6—二氧化硅层。

具体实施方式

如图1和图2所示，本实用新型包括由N型SiC基片构成的衬底1和设置在所述衬底1上部的N型SiC外延层2，所述N型SiC外延层2上部中间位置处设置有圆形的肖特基接触电极5，所述N型SiC外延层2上位于所述肖特基接触电极5的外侧设置有圆环形的N型SiC欧姆接触掺杂区3，所述N型SiC欧姆接触掺杂区3上部设置有圆环形的欧姆接触电极4，所述N型SiC欧姆接触掺杂区3、欧姆接触电极4和肖特基接触电极5同心设置，位于所述欧姆接触电极4与肖特基接触电极5之间的N型SiC外延层2上部，以及位于所述欧姆接触电极4***的N型SiC外延层2上部均设置有二氧化硅层6。

本实施例中，所述N型SiC外延层2的厚度为1μm～5μm。所述肖特基接触电极5的半径为0.5μm～2μm，所述欧姆接触电极4的内半径与外半径的差为0.5μm～2μm，所述欧姆接触电极4的内半径与所述肖特基接触电极5的半径的差为1μm～2μm。所述欧姆接触电极4由依次从下到上的Ni层、第一Pt层和第一Au层构成，所述Ni层的厚度为200nm～400nm，所述第一Pt层的厚度为50nm～200nm，所述第一Au层的厚度为200nm～1000nm。所述肖特基接触电极5由依次从下到上的第二Pt层和第二Au层构成，所述第二Pt层的厚度为200nm～500nm，所述第二Au层的厚度为200nm～1000nm。所述二氧化硅层6的厚度为10nm～50nm。

具体实施时，本实用新型的制造方法包括以下步骤：

步骤一、提供衬底1，所述衬底由N型SiC基片构成；

步骤二、采用低压热壁化学气相沉积法在所述衬底1的上表面上外延生长掺杂浓度为1×10¹⁵cm^-3～1×10¹⁶cm^-3、厚度为1μm～5μm的N型SiC外延层2，外延生长的温度为1570℃，外延生长的压力为100mbar，外延生长的气体为体积比为2:1:4的C₃H₈、SiH₄和H₂的混合气体；

步骤三、采用离子注入方法在所述N型SiC外延层2上形成圆环形的掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3～1×10¹⁹cm^-3的N型SiC欧姆接触掺杂区3，并在Ar气氛下进行温度为1550℃～1650℃的热退火10分钟；

步骤四、在1150℃的温度下通过干氧氧化方法在所述N型SiC外延层2上部形成厚度为10nm～50nm的二氧化硅层6；

步骤五、腐蚀去除位于所述N型SiC欧姆接触掺杂区3上方的二氧化硅层6，形成一个暴露出所述N型SiC欧姆接触掺杂区3的环形窗口，首先在所述环形窗口内采用电子束依次蒸发金属Ni和Pt，并在N₂气氛下进行温度为950℃～1050℃的热退火2分钟，然后再采用电子束蒸发金属Au，在所述N型SiC欧姆接触掺杂区3的上部形成由Ni层、第一Pt层和第一Au层构成的欧姆接触电极4；其中，所述Ni层的厚度为200nm～400nm，所述第一Pt层的厚度为50nm～200nm，所述第一Au层的厚度为200nm～1000nm；

步骤六、腐蚀去除位于所述N型SiC外延层2中间位置处上方的二氧化硅层6，形成一个暴露出所述N型SiC外延层2中间位置的圆形窗口，在所述圆形窗口内依次溅射金属Pt和Au，形成由第二Pt层和第二Au层构成的肖特基接触电极5；其中，所述第二Pt层的厚度为200nm～500nm，所述第二Au层的厚度为200nm～1000nm；

步骤七、在N₂气氛下进行温度为450℃～500℃的热退火2分钟。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。

Claims (6)

1.一种碳化硅温度传感器，其特征在于：包括由N型SiC基片构成的衬底（1）和设置在所述衬底（1）上部的N型SiC外延层（2），所述N型SiC外延层（2）上部中间位置处设置有圆形的肖特基接触电极（5），所述N型SiC外延层（2）上位于所述肖特基接触电极（5）的外侧设置有圆环形的N型SiC欧姆接触掺杂区（3），所述N型SiC欧姆接触掺杂区（3）上部设置有圆环形的欧姆接触电极（4），所述N型SiC欧姆接触掺杂区（3）、欧姆接触电极（4）和肖特基接触电极（5）同心设置，位于所述欧姆接触电极（4）与肖特基接触电极（5）之间的N型SiC外延层（2）上部，以及位于所述欧姆接触电极（4）***的N型SiC外延层（2）上部均设置有二氧化硅层（6）。

2.按照权利要求1所述的一种碳化硅温度传感器，其特征在于：所述N型SiC外延层（2）的厚度为1μm～5μm。

3.按照权利要求1所述的一种碳化硅温度传感器，其特征在于：所述肖特基接触电极（5）的半径为0.5μm～2μm，所述欧姆接触电极（4）的内半径与外半径的差为0.5μm～2μm，所述欧姆接触电极（4）的内半径与所述肖特基接触电极（5）的半径的差为1μm～2μm。

4.按照权利要求1所述的一种碳化硅温度传感器，其特征在于：所述欧姆接触电极（4）由依次从下到上的Ni层、第一Pt层和第一Au层构成，所述Ni层的厚度为200nm～400nm，所述第一Pt层的厚度为50nm～200nm，所述第一Au层的厚度为200nm～1000nm。

5.按照权利要求1所述的一种碳化硅温度传感器，其特征在于：所述肖特基接触电极（5）由依次从下到上的第二Pt层和第二Au层构成，所述第Pt层的厚度为200nm～500nm，所述第二Au层的厚度为200nm～1000nm。

6.按照权利要求1所述的一种碳化硅温度传感器，其特征在于：所述二氧化硅层（6）的厚度为10nm～50nm。

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