氮化镓温度传感器

1.本实用新型属于半导体材料领域，具体而言，涉及氮化镓温度传感器。


背景技术：

2.温度传感器是能感受温度并转换成可用输出信号的传感器，广泛应用于各行各业。传统的温度传感器主要是热敏电阻或热电偶型，热敏电阻制作简易，但是线性度较差，而热电偶的精度低。而硅基coms温度传感器虽然具有高线性度，但是工作范围有限，一般低于120℃。


技术实现要素：

3.本实用新型旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本实用新型的一个目的在于提出氮化镓温度传感器，以满足应用场景对温度传感器的耐高温、高线性度和高灵敏度的性能要求。
4.本实用新型主要是基于以下问题提出的：
5.氮化镓(gan)属于宽禁带半导体材料，gan基器件广泛应用于新能源汽车、轨道交通、航空航天等领域，这些应用领域的往往是大功率应用场景，往往伴随着高温，需要对器件或系统进行温度监控，以进行热管理提升器件及系统可靠性。gan基肖特基二极管温度传感器虽然也能够实现对温度的检测，但其温度灵敏度相对较低，通常为1-2mv/k。
6.为此，在本实用新型的一个方面，本实用新型提出了一种氮化镓温度传感器。根据本实用新型的实施例，该温度传感器包括：
7.氮化镓层；
8.隧穿层，所述隧穿层设在所述氮化镓层的至少一部分表面上，所述隧穿层上设有电极孔；
9.阴极，所述阴极设在所述电极孔中并与所述氮化镓层接触；
10.阳极，所述阳极设在所述隧穿层的部分表面上，所述阳极不与所述阴极接触。
11.与现有技术相比，本实用新型上述实施例的氮化镓温度传感器采用金属-隧穿层-氮化镓新型结构，利用载流子在受热激发后隧穿通过隧穿层的概率增大的原理，即热致隧穿效应，通过检测隧穿电流的大小实现对温度的检测和传感，具有耐高温、高线性度和高灵敏度的优势，可以更好的满足大功率、高温等应用场景的测温需求。
12.另外，根据本实用新型上述实施例的氮化镓温度传感器还可以具有如下附加的技术特征：
13.任选地，所述隧穿层的厚度为0.5～10nm。
14.任选地，所述隧穿层为二氧化硅层、氧化铪层、氧化铝层、氧化钛层、氮化硅层和氮化铝层中的一层或多层。
15.任选地，所述氮化镓层的厚度为50nm～50μm。
16.任选地，所述氮化镓层为非掺杂氮化镓层、n型掺杂氮化镓层或p型掺杂氮化镓层。
17.任选地，所述氮化镓层为单晶层。
18.任选地，所述阴极为ti、ni、al、pt、w、tin或au；和/或，所述阳极为ti、ni、au或al。
19.任选地，氮化镓温度传感器进一步包括：衬底，所述氮化镓层设在所述衬底的至少一部分表面上。
20.任选地，氮化镓温度传感器进一步包括：氮化镓缓冲层，所述氮化镓缓冲层设在所述衬底的至少一部分表面上，所述氮化镓层设在所述氮化镓缓冲层的至少一部分表面上。
21.任选地，所述阴极和阳极设置为正向偏置或反向偏置，所述正向偏置的电场方向为由金属层至氮化镓层，所述反向偏置的电场方向为由氮化镓层至金属层。
22.本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
附图说明
23.本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
24.图1是根据本实用新型一个实施例的氮化镓温度传感器的结构示意图。
25.图2是根据本实用新型再一个实施例的氮化镓温度传感器的结构示意图。
具体实施方式
26.下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
27.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“厚度”、“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。此外，在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
28.在本实用新型的一个方面，本实用新型提出了一种氮化镓温度传感器。根据本实用新型的实施例，参考图1理解，该温度传感器包括：氮化镓层4、隧穿层3、阴极2和阳极1。其中，隧穿层3设在氮化镓层4的至少一部分表面上，隧穿层上设有电极孔(未示出)；阴极2设在电极孔中并与氮化镓层4接触；阳极1设在隧穿层4的部分表面上，阳极1不与阴极2接触。
发明人发现，可以基于热致隧穿效应，通过对隧穿电流大小的检测来反应温度的大小，当在金属层与氮化镓层之间插入一层隧穿层后，在一定偏置下，载流子从金属侧隧穿至氮化镓侧或反之，随着温度增加，载流子被热激发到一定能级，通过隧穿层的载流子概率增大，使得隧穿载流子浓度增加，该隧穿载流子浓度随着温度的改变而改变(即热致隧穿效应)，由此，可以预先形成与氮化镓层形成良好欧姆接触电极，并在隧穿层上沉积的金属电极，通过测量阳极和阴极之间的电流变化来反应温度的变化。与现有技术相比，该氮化镓温度传感器采用金属-隧穿层-氮化镓新型结构，利用载流子在受热激发后隧穿通过隧穿层的概率增大的原理，即热致隧穿效应，通过检测隧穿电流的大小实现对温度的检测和传感，具有耐高温、高线性度和高灵敏度的优势，可以更好的满足大功率、高温等应用场景的测温需求。
29.下面参考图1～2对本实用新型上述实施例的氮化镓温度传感器进行详细描述。
30.根据本实用新型的一些具体实施例，隧穿层3的厚度可以为0.5～10nm，例如可以为1nm、2nm、3nm、4nm、5nm、6nm、7nm、8nm、9nm或10nm等，发明人发现，若隧穿层的厚度过小，制备难度较大，很难形成连续的隧穿膜层结构，此外，若隧穿层的厚度过小，基准电流也较大；而若隧穿层的厚度过大，载流子穿过隧穿层的难度也较大，通过隧穿层的载流子较少，灵敏度也较低，本实用新型中通过控制隧穿层为上述厚度范围，既有利于隧穿层的制备，还可以避免基准电流过大，同时还能保证氮化镓温度传感器具有较高的灵敏度。
31.根据本实用新型的再一些具体实施例，用于形成隧穿层3的材料可以选自二氧化硅、氧化铪、氧化铝、氧化钛、氮化硅和氮化铝，其中，隧穿层既可以为单独地二氧化硅层、氧化铪层、氧化铝层、氧化钛层、氮化硅层或氮化铝层，也可以为由二氧化硅层、氧化铪层、氧化铝层、氧化钛层、氮化硅层和氮化铝层中任意几层形成的多层层叠结构，发明人发现，采用上述几种材质来形成隧穿层，可以进一步保证最终制得的氮化镓温度传感器具有耐高温、高线性度和高灵敏度的优势。
32.根据本实用新型的又一些具体实施例，氮化镓层4既可以为非掺杂的氮化镓层，也可以为n型掺杂的氮化镓层或p型掺杂氮化镓层，发明人发现，采用n型/p型掺杂或非掺杂的氮化镓层均可以具有热致隧穿效应，能够通过检测隧穿电流的大小实现对温度的检测和传感；而当采用掺杂的氮化镓层时，会改变接触的能势垒高度，而势垒高度不同，载流子通过隧穿层所需的能量和通过隧穿层的概率也不一样，通过采用n型掺杂或p型掺杂的氮化镓层时，可以进一步提高检测的灵敏度。
33.根据本实用新型的又一些具体实施例，氮化镓层4可以优选为单晶层，发明人发现，相对于非晶的氮化镓层，单晶层的原子排布更好，传感器的性能更优。
34.根据本实用新型的又一些具体实施例，参考图2理解，可以利用衬底6作为氮化镓温度传感器的支撑结构，即可以预先在衬底6上形成氮化镓层4，再在氮化镓层4上形成隧穿层3，之后再制备出通过隧穿层3与氮化镓层4接触的接触欧姆电极作为阴极2，以及沉积在隧穿层上的金属电极作为阳极1，发明人发现，当氮化镓温度传感器以氮化镓层兼作整体结构的支撑层时，若氮化镓层的厚度过小，其整体强度也较小，温度传感器在使用过程中容易损坏，产品利用率较低，而若氮化镓层的厚度较大，虽然可以提高整体强度，但又会显著增加原料成本，尤其是采用单晶氮化镓层时其原料成本更高，本实用新型中通过采用衬底作为支撑层，可以减薄氮化镓层的厚度，利用厚度较大且成本更低的衬底来保证传感器的整体强度，由此可以在保证温度传感器的可靠性和高灵敏度等优点的前提下提高温度传感器
的使用寿命，同时降低原料成本。另外，需要说明的是，本实用新型中采用的衬底的材质并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，例如，该衬底既可以为异质衬底(例如可以为硅、蓝宝石、碳化硅等)，也可以为氮化镓的同质衬底(例如可以为非晶的氮化镓层)，当采用同质衬底时，例如采用非晶或结晶度相对较低的氮化镓作为衬底时，可以直接在衬底上形成结晶度更高或单晶的氮化镓层；而当采用异质衬底时，温度传感器可以进一步包括氮化镓缓冲层5，其中，氮化镓缓冲层5设在衬底6的至少一部分表面上，氮化镓层4可以设在氮化镓缓冲层5的至少一部分表面上，此时，氮化镓缓冲层5可以为非晶或结晶度相对较低的氮化镓层，发明人发现，若直接使单晶或结晶度较高的氮化镓层与异质衬底接触，在高温测量时氮化镓层与衬底之间的界面应力较大，温度传感器的长期可靠性变差，通过进一步设置氮化镓缓冲层，可以有效解决或显著缓解上述问题，大大提高温度传感器的长期可靠性。
35.根据本实用新型的又一些具体实施例，氮化镓层4的厚度并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，例如，氮化镓层4的厚度可以为50nm～50μm，再例如可以为100nm、500nm、1μm、5μm、10μm、20μm或50μm等，当温度传感器中设有衬底时，氮化镓层4的厚度可以相对较薄，而当温度传感器中不存在衬底时，氮化镓层4的厚度可以较厚，由此既可以保证传感器的检测灵敏度，还能保证整体强度。
36.根据本实用新型的又一些具体实施例，本实用新型中阴极2和阳极1的材质并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，例如，阴极2可以为ti电极、ni电极、al电极、pt电极、w电极、tin电极或au电极，阳极1可以为ti电极、ni电极、au电极或al电极。本实用新型中选用上述阴极材料和阳极材料，可以进一步保证阴极和阳极之间能够形成较好的导电通路，保证检测的灵敏度。
37.根据本实用新型的又一些具体实施例，阴极2和阳极1既可以被设置为正向偏置，也可以被设置为反向偏置，其中，正向偏置的电场方向为由金属层至氮化镓层，反向偏置的电场方向为由氮化镓层至金属层，发明人发现，当阴极和阳极被设置为正向偏置时，温度传感器的检测灵敏度更好，而当阴极和阳极被设置为反向偏置时，检测所需的功率更低。其中，电场方向可以根据外加电压的方向调节。
38.为方便理解本实用新型上述实施例的氮化镓温度传感器，下面对制备上述氮化镓温度传感器的方法进行描述。根据本实用新型的实施例，该制备氮化镓温度传感器的方法包括：(1)形成氮化镓层；(2)在氮化镓层的至少一部分表面上形成隧穿层，并在隧穿层上刻蚀出电极孔；(3)在电极孔中制备欧姆接触电极，形成阴极；(4)在隧穿层的部分表面上沉积金属层，形成阳极。与现有技术相比，该方法不仅工艺简单，而且制得的氮化镓温度传感器采用金属-隧穿层-氮化镓新型结构，可以基于热致隧穿效应，通过检测隧穿电流的大小实现对温度的检测和传感，具有耐高温、高线性度和高灵敏度的优势，可以更好的满足大功率、高温等应用场景的测温需求。
39.根据本实用新型的一些具体实施例，当氮化镓温度传感器采用衬底作为支撑层时，可以在衬底的至少一部分表面上形成氮化镓层；进一步地，当采用异质衬底作为支撑层时，还可以预先在衬底的至少一部分表面上形成氮化镓缓冲层，再在氮化镓缓冲层的至少一部分表面上形成氮化镓层。由此，既可以在减薄氮化镓层厚度的前提下保证传感器的整体强度及温度传感器的可靠性和高灵敏度，还能提高温度传感器的耐用性和使用寿命，同
时降低原料成本。
40.需要说明的是，本实用新型中制备氮化镓温度传感器的方法与氮化镓温度传感器是基于同样的实用新型构思，针对上述氮化镓温度传感器所描述的特征及效果同样适用于该制备氮化镓温度传感器的方法，此处不再一一赘述。
41.为进一步方便理解本实用新型上述实施例的氮化镓温度传感器，下面对利用氮化镓温度传感器进行测温的方法进行详细描述。根据本实用新型的实施例，该氮化镓温度传感器为上述氮化镓温度传感器或采用上述制备氮化镓温度传感器的方法制得，该测温方法包括：测试氮化镓温度传感器在不同温度下对应的阴极与阳极之间的电流值或电压值，以便获得电流-温度曲线或电压-温度曲线；将氮化镓温度传感器与待测器件直接或间接接触，并测试阴极与阳极之间的电流值或电压值，基于测得的电流值及电流-温度曲线或基于测得的电压值及电压-温度曲线获得待测器件的温度。发明人发现，氮化镓层的结晶度、隧穿层的厚度及材质、以及阴极和阳极的材质等均会影响电流-温度曲线或电压-温度曲线，也就是说，并非所有的氮化镓温度传感器所对应的电流-温度曲线均是完全一致的，因此在采用氮化镓温度传感器进行测温前，需要预先绘制电流-温度曲线，以保证检测结果的可靠性和准确性。另外，采用氮化镓温度传感器对待测器件进行测温时，既可以使氮化镓温度传感器直接与待测器件接触，也可以将氮化镓温度传感器邻近待测器件放置，可以预选将氮化镓温度传感器与待测器件直接或间接接触预定时间后再进行检测，或当氮化镓温度传感器阴极和阳极之间的电流大小稳定后再记录电流值，由此可以进一步提高检测结果的准确性和可靠性。与现有技术相比，该测温方法不仅可以在高温环境中进行，还能适应大功率应用场景，可以更好的对待测器件进行测温或温度监控，具有耐高温、高线性度、高灵敏度和高可靠性的优点。
42.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
43.尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

技术特征：
1.一种氮化镓温度传感器，其特征在于，包括：氮化镓层；隧穿层，所述隧穿层设在所述氮化镓层的至少一部分表面上，所述隧穿层上设有电极孔；阴极，所述阴极设在所述电极孔中并与所述氮化镓层接触；阳极，所述阳极设在所述隧穿层的部分表面上，所述阳极不与所述阴极接触。2.根据权利要求1所述的氮化镓温度传感器，其特征在于，所述隧穿层的厚度为0.5～10nm。3.根据权利要求1所述的氮化镓温度传感器，其特征在于，所述隧穿层为二氧化硅层、氧化铪层、氧化铝层、氧化钛层、氮化硅层和氮化铝层中的一层或多层。4.根据权利要求1所述的氮化镓温度传感器，其特征在于，所述氮化镓层的厚度为50nm～50μm。5.根据权利要求1所述的氮化镓温度传感器，其特征在于，所述氮化镓层为非掺杂氮化镓层、n型掺杂氮化镓层或p型掺杂氮化镓层。6.根据权利要求1所述的氮化镓温度传感器，其特征在于，所述氮化镓层为单晶层。7.根据权利要求1所述的氮化镓温度传感器，其特征在于，所述阴极为ti、ni、al、pt、w、tin或au；和/或，所述阳极为ti、ni、au或al。8.根据权利要求1～7中任一项所述的氮化镓温度传感器，其特征在于，进一步包括：衬底，所述氮化镓层设在所述衬底的至少一部分表面上。9.根据权利要求8所述的氮化镓温度传感器，其特征在于，进一步包括：氮化镓缓冲层，所述氮化镓缓冲层设在所述衬底的至少一部分表面上，所述氮化镓层设在所述氮化镓缓冲层的至少一部分表面上。10.根据权利要求1或9所述的氮化镓温度传感器，其特征在于，所述阴极和阳极设置为正向偏置或反向偏置，所述正向偏置的电场方向为由金属层至氮化镓层，所述反向偏置的电场方向为由氮化镓层至金属层。

技术总结
本实用新型公开了氮化镓温度传感器。该氮化镓温度传感器包括氮化镓层、隧穿层、阴极和阳极，所述隧穿层设在所述氮化镓层的至少一部分表面上，所述隧穿层上设有电极孔；所述阴极设在所述电极孔中并与所述氮化镓层接触；所述阳极设在所述隧穿层的部分表面上，所述阳极不与所述阴极接触。该温度传感器采用金属-隧穿层-氮化镓新型结构，利用载流子在受热激发后隧穿通过隧穿层的概率增大的原理，即热致隧穿效应，通过检测隧穿电流的大小实现对温度的检测和传感，具有耐高温、高线性度和高灵敏度的优势，可以更好的满足大功率、高温等应用场景的测温需求。的测温需求。的测温需求。


技术研发人员：刘泽文 孙剑文
受保护的技术使用者：清华大学
技术研发日：2021.09.23
技术公布日：2022/1/28