基于碳化硅的高温压力传感器芯片在国内的研究进展

2022-07-23沈阳仪表科学研究院有限公司任向阳张治国刘宏伟祝永峰贾文博

电子世界 2022年1期

沈阳仪表科学研究院有限公司任向阳张治国刘宏伟祝永峰贾文博

碳化硅材料凭借其具有一定的压阻效应、较大的带隙、较强的抗腐蚀性能等优点，在压力传感器领域有不错的应用前景，可广泛应用于高温、强辐射、强腐蚀等硅材料无法胜任的极端恶劣的环境中。本文以国内碳化硅高温压力传感器的研究现状为背景，简单介绍几种不同结构类型的碳化硅高温压力传感器。

传统的压力传感器依靠弹性元件的形变来测量介质的压力，具有尺寸大、精度差的缺点；而以单晶硅为压敏电阻的压力传感器，具有集成度高，高灵敏度的特点，并且可以电信号的形式输出，是最为经典的一种结构。常规的单晶硅压力传感器的敏感电阻与硅衬底以PN结进行隔离，在低温（-25～100℃）范围得到了广泛的应用，但是在高于120℃时，由于PN结产生漏电，会导致传感器性能失效。

为了解决更高温度的需求，出现了多种不同材料的压力传感器，比如多晶硅、绝缘体上硅（SOI）、蓝宝石上硅（SOS）、金刚石等压力传感器。而目前使用最广泛的高温压力传感器以SOI为主，这种结构以顶层硅为器件层，与底层硅中间隔以氧化层，这种芯片的性能稳定，可靠性好，使用温度可达到480℃；多晶硅压力传感器是在多晶硅薄膜上形成压敏电阻，中间以SiO2进行隔离，工作温度能达到200℃左右，但是由于复合膜结构热膨胀系数不匹配，会引起附加应力的问题；蓝宝石上硅（SOS）压力传感器采用介质隔离，最高工作温度可以达到350℃，但是其工艺复杂、成本较高、长期稳定性不好；金刚石压力传感器工艺难度较大，而且难形成欧姆接触，同时在高于500℃时，硅衬底会发生塑性形变，工作温度相比较于SOI难有较大提升。

1 碳化硅材料

1.1 碳化硅材料的优点

碳化硅（SiC）为一种多体材料，目前已知的结构高达200多种。SiC在压力传感器领域有非常广阔的应用前景。其一，碳化硅本身具有一定的压阻效应，能满足于压力传感器的最基本要求；其二，碳化硅材料有高于硅2-3倍的带隙，至少强于硅4倍的抗中子辐射能力，具有相对较好的高温稳定性和抗辐射性能；其三，Si-C键键能很强，有良好的耐腐蚀能力；其四，碳化硅材料不融化，而是在高于3000℃时直接升华，其耐高温性能显著，等等。由此可见，SiC压力传感器有希望代替硅压力传感器应用于高温、辐射、强腐蚀等极端恶劣的环境中。

1.2 碳化硅材料的压阻效应

半导体在应变作用下，其能带结构发生改变，使载流子在这些能带中重新分布，进而导致载流子有效质量、迁移率以及导电率的变化，这就是半导体材料的压阻效应原理。

Eickhoff等人通过在Si和SiO2上选择性生长3C-SiC，得到很好地效果，经测得其应变系数在室温下约为-18，随着温度上升到200℃，其应变系数变为-10。Phan等人通过大量的数据整理总结出：与单晶SiC相比，多晶SiC的应变系数相对较小，而n型3C-SiC在[100]方向具有最大的应变系数，p型3C-SiC在[110]方向具有最显著的压阻效应。

1.3 SiC压力传感器

近年来，国内外对碳化硅高温压力传感器的研究不断深入，取得了不错的成果，而国外的SiC压力传感器的研制技术已经相当成熟。据报道，美国NASA和Kulite在1996年已经完成6H-SiC的研制工作，工作温度为26-260℃，随着不断地改进，目前已经完成800℃的试验，同时也解决了长时间的高温欧姆接触问题；20世纪90年代，Ziermann等人开发了3C-SiC压力传感器，其芯片在400℃时成功的进行了测试。

SiC压力传感器工艺条件比较苛刻，比如，由于其强耐腐蚀性能，在制备全SiC压力传感器时，背面腔体的制作往往需要干法刻蚀工艺，结果还会导致与设定的量程有一定出入，小量程芯片不易制备；在掺杂方面，如果采用离子注入方式，其退火温度往往需要1600℃以上，而如果采用竞位外延掺杂方式，又会面临掺杂浓度不高（1016～1019cm-3）的情况；另外，由于3C-SiC与Si晶格失配度达到20%左右，如果在硅衬底制备3C-SiC薄膜还会面临晶格失配的问题，导致SiC内部微管等缺陷的出现，降低器件性能等。

而国内受限于设备和上述工艺难点，一直没有很大的突破，而主要在攻克各种工艺技术，本文就国内研究现状为背景，对几种常见结构类型的SiC高温压力传感器展开讨论。

如图1所示，其中a、c分别采用硅和SOI为衬底制备的单晶3C-SiC压力传感器芯片的结构示意图，采用Si/SiC的PN结隔离，相比较于图1(a)，由于图1(c)器件层下面的Si层比较薄，其漏电会更小，器件性能会更优越。周作云教授课题组在2001年制备了图1(a)所示结构的传感器芯片，采用铝作为欧姆接触的材料，测得在0～200℃的工作温度范围内其温度系数为5h10-4/℃ FS，满量程输出为80h(1f50%)，零点漂移 ≤ 0.2mV/h，具备较好的传感器性能；图1(b)是在二氧化硅层上制作的多晶SiC压力传感器芯片结构示意图，由于多晶SiC较小的压阻效应，其性能不如单晶SiC；图1(d)是由6H-SiC制备的全碳化硅压力传感器芯片结构示意图，2011年清华大学王晓浩教授课题组曾进行了这种压力传感器芯片的研制工作，在制备背面腔体方面采用先对SiC衬底减薄，再进行干法刻蚀的工艺，用Ti/TiN/Pt制备欧姆接触，最后测得比接触阻率为8.42×10-4Ωcm2。