一种基于氮化镓/铝镓氮异质结的电压传感器及制备方法与流程

本发明属于传感器领域，尤其涉及一种基于氮化镓/铝镓氮异质结的电压传感器及制备方法。

背景技术：

在电力传输系统中，沿着传输线路，供电电压随着供电功率，负载和其他各因素的影响而发生改变。特别是当前电力系统中的电力产生，输送和负载都具有多样性。因此，对输电线路上的电压进行多节点的实时监测对于确保电力输运的平稳进行至关重要。输电线路的电压监控手段多样，由于输电线路的交变电压幅度较高，一般需要先将高压降低之后进行取样测量。降低高压的方法一般可分为电感耦合，电容分压和电阻分压的方式。而结合光波导和压电陶瓷的光学方法也在近几年发展迅速，比传统的监测方法抗干扰能力更强。

不同于传统的人工电力监测，现代电网供电朝着智能化的方向发展。而这其中的关键技术在于大规模传感网络的建立和高性能计算技术的发展。为建立大范围的传感监测网络，传统的电压传感器向着无线化和数字化的方向发展。特别是借助于近年来物联网技术的发展，能够进行大范围电力信号监测的系统得以实现。而一整套的无线数字电压监测系统一般由降压整流电路，电压缓冲放大器，数模转换，中央控制器和无线收发装置组成。由降压整流电路将电力传输线上的高压交变电压转换为较低的直流电压。之后经过电压缓冲放大器，由数模转换器变为数字信号。之后，通过中央处理器转换为特定制式的无线信号发送给基站接收。系统包含全部功能的模拟和数字电路模块，其整体架构较为复杂且成本高昂。此外，由于输电线路的高电压特性，系统的元部件易于受到高压干扰。特别是一般工作于低电压的中央处理器等数字电路，较易被高电压干扰甚至击穿损毁，大幅降低了系统运作的可靠性和安全性。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种基于氮化镓/铝镓氮异质结的电压传感器，包括：包括环形振荡器，所述环形振荡器包括n个倒相器，n为奇数，每个倒相器由第一晶体管和第二晶体管组成，其中第m个第一晶体管与第m+1个第二晶体管共用第一栅极，第1个第二晶体管与第n个第一晶体管共用第二栅极，其中m<n；所述每个倒相器结构从下到上依次为：衬底、氮化镓缓冲层、铝镓氮层；所述铝镓氮层设有氧化沟道，所述氧化沟道内设有栅氧化层；所述n个第一晶体管共用漏极，所述n个第二晶体管共用源极，每个所述倒相器的第一晶体管的源极为第二晶体管的漏极，所述第一栅极和所述第二栅极与所述第一晶体管的源极相连，所述铝镓氮层上设有所述漏极和所述源极，所述铝镓氮层、栅氧化层和氮化镓缓冲层上设有所述第一栅极和第二栅极。

优选的，所述传感器包括整流降压器和功率放大器，所述整流降压器与第一晶体管的漏极相连，所述第一晶体管的漏极与功率放大器相连，所述整流降压器与第二晶体管的源极相连，所述第二晶体管的源极与功率放大器相连；所述整流降压器输出的电压信号控制所述振荡器输出的频率信号。

优选的，所述第一晶体管为耗尽型晶体管，所述第二晶体管为增强型晶体管。

优选的，所述衬底为沉积有绝缘层的硅基底或蓝宝石基底。

优选的，所述源极和所述漏极材料选自钛、铝、镍、金及其合金；所述栅极材料选自镍、金、铬、白金及其合金。

本发明还提供一种电压传感器制备方法，其特征在于：包括

s1：准备衬底，于衬底上外延氮化镓缓冲层和铝镓氮层；

s2：光刻形成n个倒相器的有源区，其中n为奇数；

s3：光刻并沉积金属形成n个倒相器的第一晶体管和第二晶体管源、漏极，退火形成欧姆接触；

s4:光刻并打开n个所述第二晶体管的栅极区，刻蚀形成氧化沟道；

s5:在所述氧化沟道沉积栅氧化层；

s6:光刻并打开第一晶体管和第二晶体管的栅极窗口，在第m个第一晶体管与第m+1个第二晶体管的栅极窗口沉积金属形成第一栅极，在第1个第二晶体管与第n个第一晶体管的栅极窗口沉积金属形成第二栅极，退火形成肖特基接触，其中m<n。

优选的，所述s1中氮化镓缓冲层厚度为100nm-5μm，所述铝镓氮层厚度为5nm-100nm。

优选的，所述s3包括沉积厚度为50nm-500nm的源、漏电极；利用剥离工艺形成欧姆接触图形，以700℃-1000℃退火形成欧姆接触。

优选的，所述s5中的栅氧化层材料为氧化铝，氧化铪或氧化锆；所述栅氧化层厚度为3-100nm。

优选的，所述s6中形成厚度为50nm-500nm的共用栅极，利用剥离工艺形成肖特基接触图形，以200℃-600℃退火形成肖特基接触。

优选的，所述s1中外延方式为化学气相沉积或分子束外延。

优选的，所述光刻方式为干法或湿法，所述干法为采用cl2/bcl3气体的电感耦合等离子体。

优选的，所述s3和s6中沉积方式为电子束蒸发和/或溅射。

优选的，所述s5中沉积方式为化学气相沉积或原子层沉积。

本发明提出的电压传感器，不同于现有电压传感器，它利用降压电路将电力传输线上的交流高压转换为电压幅度较低的直流电压。之后，利用此直流电压为后续的环形振荡器供电。由于环形振荡器的振荡频率直接受控于它的供电电压，从而直接将电压幅度转换为频率信号发射出去，系统所需的数模转换和中央控制器等部件可放置于远离高压线的信号接收端，不会受到高压线的干扰和击穿。此外，该系统的发射端无需复杂的缓冲放大，数模转换和中央控制器，有助于减小其体积并降低成本。

传感器电路建立在氮化镓/铝稼氮异质衬底上，具有宽禁带的材料特性和高电子迁移率的电学特性。一方面，禁带宽度大使得系统的抗干扰和防击穿性能更强。而另一方面，高电子迁移率使得环形振荡器频率更高，能够在较高的射频频率下直接将信号发射出去。而通过简单的调整环形振荡器中晶体管的宽度，可对振荡频率进行微调，形成具有不同载频的发射器，并用同一接收基站进行信号的接收和解调。系统结构紧凑简单，有利于降低系统成本和体积。此外，系统的核心部件压控振荡器使用氮化镓/铝稼氮的高电子迁移率异质衬底，具有振荡频率高和抗干扰和击穿能力强的优点。非常适合用于组建电力系统中的电压传感网络。

附图说明

图1(a)为本发明实施例1的无线电压传感系统的电路结构图；

图1(b)为实施例1集成式压控环形振荡器结构示意图；

图1(c)为实施例1为压控振荡器剖面图；

图2为本发明实施例1的集成式压控环形振荡器的制备流程图；

图3为本发明实施例2的传感系统的电路和振荡器结构示意图；

整流降压器1、振荡器2、功率放大器3、第一晶体管4、第二晶体管5、第一晶体管的漏极6、第一晶体管沟道区7，第一栅极8，第一晶体管源极/第二晶体管漏极9，第二晶体管沟道区10，第二栅极11，栅氧化层12，第二晶体管源极13，氮化镓缓冲层14，铝镓氮15，衬底16。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护范围。

本发明提出一种基于氮化镓/铝镓氮异质结的电压传感器，如图1(a)和1(b)所示，包括：

整流降压器1、振荡器2和功率放大器3；

所述振荡器2由n个倒相器组成，n为奇数，每个倒相器由第一晶体管4和第二晶体管5组成；其中n个第一晶体管共用漏极6，n个第二晶体管共用源极13，每个倒相器第一晶体管的源极9为第二晶体管的漏极9；所述第一晶体管为耗尽型晶体管，所述第二晶体管为增强型晶体管。

第m个第一晶体管与第m+1个第二晶体管共用第一栅极8，第1个第二晶体管与第n个第一晶体管共用第二栅极11，第一栅极8和第二栅极11与第一晶体管的源极相连，其中m<n。

所述整流降压器1与n个第一晶体管的漏极相连6，n个第一晶体管的漏极6与功率放大器3相连，所述整流降压器1与n个第二晶体管的源极13相连，n个第二晶体管的源极13与功率放大器3相连；所述整流降压电路输出的电压信号控制振荡器输出的频率信号。

如图1(c)所示，所述每个倒相器结构从下到上依次为：蓝宝石衬底、氮化镓缓冲层、铝镓氮层；所述n个第一晶体管共用漏极，所述n个第二晶体管共用源极，每个所述倒相器的第一晶体管的源极为第二晶体管的漏极，所述共用栅极与所述第一晶体管的源极相连，所述铝镓氮层上设有所述漏极和所述源极，所述铝镓氮层、栅氧化层和氮化镓缓冲层上设有所述共用栅极。

所述铝镓氮层15上设有第一晶体管和第二晶体管的漏极、源极(分别为6、9、13)和氧化沟道12，其中所述第一晶体管的源极9为第二晶体管的漏极9；所述氧化沟道内设有栅氧化层12；所述源极、所述漏极材料选自钛、铝、镍、金及其合金；所述栅极材料选自镍、金、铬、白金及其合金。

在所述铝镓氮层14、栅氧化层12和氮化镓缓冲层14上设有共用栅极8和13。

本发明另提供一种电压电压传感器制备方法，其特征在于：包括

s1：准备衬底16，于衬底16上外延生成氮化镓缓冲层14和铝镓氮15层，外延方式为化学气相沉积或分子束外延，氮化镓14缓冲层厚度为100nm-5μm，所述铝镓氮层15厚度为5nm-100nm。

s2:光刻形成n个倒相器的有源区，其中n为奇数；所述光刻采用干法或湿法，所述干法为采用cl2/bcl3气体的电感耦合等离子体。

s3：光刻并沉积金属形成n个倒相器的第一晶体管和第二晶体管源、漏极，所述源、漏电极厚度为50nm-500nm，利用剥离工艺形成欧姆接触图形，以700℃-1000℃退火形成欧姆接触。所述光刻采用干法或湿法，所述干法为采用cl2/bcl3气体的电感耦合等离子体。

s4:光刻并打开n个所述第二晶体管的栅极区，刻蚀形成氧化沟道；所述光刻采用干法或湿法，所述干法为采用cl2/bcl3气体的电感耦合等离子体。

s5:在所述氧化沟道沉积氧化层；所述s5中的氧化层材料为氧化铝，氧化铪或氧化锆；所述氧化层厚度为3-100nm。

s6:光刻并打开第一晶体管和第二晶体管的栅极窗口，在第m个第一晶体管与第m+1个第二晶体管的栅极窗口沉积金属形成厚度为50nm-500nm的共用栅极8，在第1个第二晶体管与第n个第一晶体管的栅极窗口沉积金属形成厚度为50nm-500nm的共用栅极11(其中m<n)，利用剥离工艺形成肖特基接触图形，以200℃-600℃退火形成肖特基接触。所述光刻采用干法或湿法，所述干法为采用cl2/bcl3气体的电感耦合等离子体。

实施例1本实施例提供一种电压传感器制备方法

(1)工艺的起始基底一般为硅，蓝宝石然后绝缘硅或碳化硅，掺杂一般为不掺杂或弱掺杂。之后在衬底上外延出氮化镓缓冲层，一般使用金属有机化学气相淀积(mocvd)或者分子束外延(mbe)等方法形成，厚度为100nm至5μm之间,一般为不掺杂或弱掺杂。在其上外延铝镓氮层，使用mocvd或者mbe等方法形成，厚度为5nm至100nm之间,一般为不掺杂或弱掺杂。最终形成的三层结构如图2(a)所示。

(2)光刻形成3个倒相器的有源区条状图形。利用光刻胶为掩膜对下面的材料进行刻蚀。刻蚀可采用干法或湿法。干法刻蚀一般使用电感耦合等离子体(icp)，一般用氯基气体，如cl2和bcl3等。刻蚀需要完全去除铝镓氮层及部分的氮化镓层，约10nm至200nm之间。之后，去除光刻胶层，如图2(b)所示。

(3)光刻并打开。以光刻胶为掩膜，利用电子束蒸发或者溅射等方法，淀积源极和漏极欧姆接触用的金属层，划定出第一晶体管和第二晶体管区域，第一晶体管为耗尽型晶体管，第二晶体管为增强型晶体管，金属层一般为钛/铝/镍/金或者钛/铝/钛/金等复合金属。总厚度为50nm至500nm之间。利用剥离(liftoff)工艺最终形成欧姆金属接触图形。之后进行高温退火形成欧姆接触。退火温度一般为700度至1000度之间,如图2(c)所示。

(4)光刻并打开增强型晶体管的栅极区域，之后利用光刻胶为掩膜使用干法刻蚀出栅极凹槽。刻蚀的目的是要降低二维电子气浓度从而提高阈值电压。刻蚀一般用氯基气体，如cl2和bcl3等，去除部分的铝镓氮层，剩余0-10nm的铝镓氮。

(5)淀积一层栅氧化层，材料可为氧化铝，氧化铪或氧化锆等。淀积一般使用化学气相淀积(cvd)或原子层淀积(ald)等方法。氧化层厚度一般为3-100nm。

(6)光刻并打开栅极的窗口，包括第一晶体管和第二晶体的栅极。之后，以光刻胶为掩膜，利用电子束蒸发或者溅射等方法，淀积栅极的金属层，形成第一晶体管沟道区7和第二晶体管沟道区10，金属层一般为镍/金，铬/金或者白金/金等复合金属。总厚度为50nm至500nm之间。利用剥离(liftoff)工艺最终形成肖特基接触图形。之后进行退火改善接触界面。退火温度一般为200度至600度之间。

上述制备的倒相器个数(环形振荡器级数)为3。

实施例2本实施例提供另一种电压电压传感器制备方法

实施例2与实施例1结构相似，区别在于环形振荡器的级数不一样，本实施例中使用5级倒相器的环形振荡器。工艺流程与实施例1中一样，不同之处在于增加倒相器的个数为5，如图3所示，使得振荡器的频率下降。这有助于形成不同振荡频率的无线电压传感器，从而实现多个传感节点的协同工作。

相比于其他类型的振荡器，例如电容-电感式振荡器。环形振荡器的振荡频率可以通过级数灵活可调，且振荡器的频率可以受到工作电压的调控，从而将电压信号转换为频率信号发射出去。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的，技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。