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高溫SiC MEMS傳感器的熱電特性 版權(quán)信息
- ISBN：9787030724892
- 條形碼：9787030724892 ; 978-7-03-072489-2
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊(cè)數(shù)：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
高溫SiC MEMS傳感器的熱電特性 內(nèi)容簡(jiǎn)介
近年來，以碳化硅為功能材料的微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）傳感器研制取得重大進(jìn)展。本書主要介紹了碳化硅熱電效應(yīng)基本原理和相關(guān)背景，綜述了碳化硅材料的生長(zhǎng)、特性及加工工藝，討論了熱電式碳化硅傳感器的理想特性及高溫MEMS傳感器近期新發(fā)展，相關(guān)研究可為開發(fā)基于熱電效應(yīng)的碳化硅基MEMS傳感器提供重要指導(dǎo)
高溫SiC MEMS傳感器的熱電特性 目錄
目錄
第1章 SiC及熱電特性簡(jiǎn)介 1
1.1 背景 1
1.2 SiC 3
1.3 SiC 生長(zhǎng) 4
1.4 熱電特性 5
1.5 高溫SiCMEMS傳感器 7
參考文獻(xiàn) 8
第2章 SiC熱電特性基礎(chǔ) 12
2.1 熱阻效應(yīng) 12
2.1.1 半導(dǎo)體材料的物理參數(shù)與基本概念 14
2.1.2 單晶碳化硅 15
2.1.3 多晶破化硅 17
2.1.4 非晶碳化硅 18
2.2 熱電子效應(yīng) 18
2.3 熱電容效應(yīng) 20
2.4 熱電效應(yīng) 20
2.5 高溫下SiC熱電特性的研究現(xiàn)狀 21
2.5.1 熱電效應(yīng)的試驗(yàn)裝置 22
2.5.2 單層SiC的熱阻效應(yīng) 22
2.5.3 多層SiC的熱電效應(yīng) 31
2.6 4H-SiCp-n結(jié) 33
2.7 高溫下其他熱電特性 36
2.7.1 熱電效應(yīng) 36
2.7.2 熱電容效應(yīng) 38
參考文獻(xiàn) 39
第3章 高溫SiC傳感器的理想性能 47
3.1 靈敏度 47
3.2 線性度 50
3.3 熱響應(yīng)時(shí)間 51
3.4 低功耗 53
3.5 穩(wěn)定性和其他性能 54
參考文獻(xiàn) 55
第4章 SiCMEMS傳感器的制備 60
4.1 生長(zhǎng)與摻雜 60
4.1.1 SiC的生長(zhǎng) 60
4.1.2 SiC摻雜 62
4.2 SiC刻蝕 63
4.2.1 電化學(xué)刻蝕 64
4.2.2 化學(xué)刻蝕 65
4.2.3 干法刻蝕或反應(yīng)離子刻蝕 65
4.3 SiC的歐姆接觸和肖特基接觸 67
4.3.1 歐姆接觸 67
4.3.2 肖特基接觸 71
4.4 SiCMEMS傳感器的制造工藝 74
4.4.1 表面微加工工藝 74
4.4.2 體微加工工藝 74
4.4.3 集成冷卻系統(tǒng)的MEMS器件的制備 77
參考文獻(xiàn) 78
第5章 設(shè)計(jì)和工藝對(duì)SiC熱器件性能的影響 84
5.1 襯底影響 84
5.2 摻雜影響 85
5.3 表面形貌 87
5.4 沉積溫度 88
5.5 幾何與尺寸 89
參考文獻(xiàn) 90
第6章 SiC熱電特性的應(yīng)用 96
6.1 溫度傳感器、溫度控制/補(bǔ)償與熱測(cè)量 96
6.1.1 熱電阻 97
6.1.2 p～n結(jié)溫度傳感器 99
6.2 熱阻傳感器 100
6.2. 1 熱線及熱膜式流量傳感器 102
6.2. 2 量熱式流量傳感器 107
6.2.3 飛行時(shí)間流量傳感器 108
6.3 對(duì)流加速度計(jì)與陀螺儀 109
6.3.1 對(duì)流加速度計(jì) 109
6.3.2 對(duì)流陀螺儀 110
6.4 其他應(yīng)用 111
6.4.1 易燃?xì)怏w傳感器 111
6.4.2 集成加熱、感知和微流控冷卻的SiC MEMS 112
參考文獻(xiàn) 116
第7章 SiC熱電傳感器展望 123
7.1 絕緣體上SiC薄膜 123
7.2 SiC熱電器件與其他材料的集成 125
7.3 SiC熱驅(qū)動(dòng)器 126
7.4 SiC傳感器的發(fā)展與挑戰(zhàn) 127
參考文獻(xiàn) 129
第1章 SiC及熱電特性簡(jiǎn)介 1
1.1 背景 1
1.2 SiC 3
1.3 SiC 生長(zhǎng) 4
1.4 熱電特性 5
1.5 高溫SiCMEMS傳感器 7
參考文獻(xiàn) 8
第2章 SiC熱電特性基礎(chǔ) 12
2.1 熱阻效應(yīng) 12
2.1.1 半導(dǎo)體材料的物理參數(shù)與基本概念 14
2.1.2 單晶碳化硅 15
2.1.3 多晶破化硅 17
2.1.4 非晶碳化硅 18
2.2 熱電子效應(yīng) 18
2.3 熱電容效應(yīng) 20
2.4 熱電效應(yīng) 20
2.5 高溫下SiC熱電特性的研究現(xiàn)狀 21
2.5.1 熱電效應(yīng)的試驗(yàn)裝置 22
2.5.2 單層SiC的熱阻效應(yīng) 22
2.5.3 多層SiC的熱電效應(yīng) 31
2.6 4H-SiCp-n結(jié) 33
2.7 高溫下其他熱電特性 36
2.7.1 熱電效應(yīng) 36
2.7.2 熱電容效應(yīng) 38
參考文獻(xiàn) 39
第3章 高溫SiC傳感器的理想性能 47
3.1 靈敏度 47
3.2 線性度 50
3.3 熱響應(yīng)時(shí)間 51
3.4 低功耗 53
3.5 穩(wěn)定性和其他性能 54
參考文獻(xiàn) 55
第4章 SiCMEMS傳感器的制備 60
4.1 生長(zhǎng)與摻雜 60
4.1.1 SiC的生長(zhǎng) 60
4.1.2 SiC摻雜 62
4.2 SiC刻蝕 63
4.2.1 電化學(xué)刻蝕 64
4.2.2 化學(xué)刻蝕 65
4.2.3 干法刻蝕或反應(yīng)離子刻蝕 65
4.3 SiC的歐姆接觸和肖特基接觸 67
4.3.1 歐姆接觸 67
4.3.2 肖特基接觸 71
4.4 SiCMEMS傳感器的制造工藝 74
4.4.1 表面微加工工藝 74
4.4.2 體微加工工藝 74
4.4.3 集成冷卻系統(tǒng)的MEMS器件的制備 77
參考文獻(xiàn) 78
第5章 設(shè)計(jì)和工藝對(duì)SiC熱器件性能的影響 84
5.1 襯底影響 84
5.2 摻雜影響 85
5.3 表面形貌 87
5.4 沉積溫度 88
5.5 幾何與尺寸 89
參考文獻(xiàn) 90
第6章 SiC熱電特性的應(yīng)用 96
6.1 溫度傳感器、溫度控制/補(bǔ)償與熱測(cè)量 96
6.1.1 熱電阻 97
6.1.2 p～n結(jié)溫度傳感器 99
6.2 熱阻傳感器 100
6.2. 1 熱線及熱膜式流量傳感器 102
6.2. 2 量熱式流量傳感器 107
6.2.3 飛行時(shí)間流量傳感器 108
6.3 對(duì)流加速度計(jì)與陀螺儀 109
6.3.1 對(duì)流加速度計(jì) 109
6.3.2 對(duì)流陀螺儀 110
6.4 其他應(yīng)用 111
6.4.1 易燃?xì)怏w傳感器 111
6.4.2 集成加熱、感知和微流控冷卻的SiC MEMS 112
參考文獻(xiàn) 116
第7章 SiC熱電傳感器展望 123
7.1 絕緣體上SiC薄膜 123
7.2 SiC熱電器件與其他材料的集成 125
7.3 SiC熱驅(qū)動(dòng)器 126
7.4 SiC傳感器的發(fā)展與挑戰(zhàn) 127
參考文獻(xiàn) 129
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高溫SiC MEMS傳感器的熱電特性 節(jié)選
第1章 SiC及熱電特性簡(jiǎn)介 摘要 本章闡述了SiC作為功能半導(dǎo)體材料用于惡劣環(huán)境傳感器的背景，介紹了常用方法生長(zhǎng)的不同SiC基本堆疊次序，并聚焦立方SiC（3C-SiC）及六方SiC（4H-/6H-SiC）兩種類型。本章將介紹SiC熱電特性對(duì)高溫條件下檢測(cè)性能的影響，并指出在惡劣環(huán)境中應(yīng)用SiC材料的重要意義。 關(guān)鍵詞 SiC、熱電特性、MEMS、惡劣環(huán)境 1.1 背景 人們對(duì)高端航空航天技術(shù)的發(fā)展一直抱有濃厚的興趣和不斷增長(zhǎng)的需求[1]。為維持航空航天工業(yè)中儀器、儀表的安全性和工作效率，需要發(fā)展先進(jìn)的健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)來開發(fā)在惡劣環(huán)境中工作的傳感網(wǎng)絡(luò)（如物聯(lián)網(wǎng)）[24]。然而，這些技術(shù)在為在惡劣條件下工作的微/納米系統(tǒng)的增長(zhǎng)和穩(wěn)定性提供可持續(xù)的解決方案時(shí)卻面臨著巨大挑戰(zhàn)，包括深空探測(cè)、燃燒監(jiān)測(cè)和高超聲速飛機(jī)觀測(cè)等。由于在惡劣環(huán)境中集成傳感及電子元件的難度非常大[1，8]，當(dāng)前電子系統(tǒng)通常采用昂貴且不準(zhǔn)確的間接測(cè)量技術(shù)，例如，在航空航天應(yīng)用中使用的傳感和驅(qū)動(dòng)儀器等。然而，常規(guī)硅材料通常無法承受高溫和高腐蝕性[8，9]，傳感技術(shù)對(duì)超越硅基的傳感能力提出了新的發(fā)展需求[10]。圖1.1所示為不同惡劣環(huán)境以及建議使用的SiCMEMS傳感技術(shù)[5]。 圖1.1 SiCMEMS傳感器及惡劣環(huán)境。（a）腐蝕、高溫、高沖擊/振動(dòng)及強(qiáng)輻照等惡劣環(huán)境中的SiCMEMS傳感器；（b）SiCMEMS傳感器在高溫領(lǐng)域的應(yīng)用（譯者注：lbar=105Pa）經(jīng)文獻(xiàn)轉(zhuǎn)載許可 氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）等寬禁帶半導(dǎo)體材料因在惡劣環(huán)境中的廣泛應(yīng)用而備受關(guān)注[11，12]。其中，SiC材料在高質(zhì)量、低成本生長(zhǎng)以及與常規(guī)微/納米加工技術(shù)（包括微機(jī)電系統(tǒng)和集成電路）兼容性方面具有一定優(yōu)勢(shì)[13，15]。特別地，S原子和C原子之間的強(qiáng)共價(jià)鍵，使得SiC具有2830°C的極高升華溫度。此外，因?yàn)榇蠼麕挾龋?C-SiC為2.3eV，6H-SiC為3.0eV，4H-SiC為3.2eV）可防止高溫下材料內(nèi)部產(chǎn)生本征載流子，高溫下SiC材料具有優(yōu)異的電學(xué)穩(wěn)定性[16，17]。上述特性使SiC傳感器和高溫電子器件的發(fā)展無須配置主動(dòng)冷卻系統(tǒng)。此外，SiC材料中的聲速高達(dá)約12000m/s，為進(jìn)一步提高傳感器工作帶寬提供了可行性[18，19]。優(yōu)異的化學(xué)惰性也使得SiC非常適合作為傳感元件，以及作為腐蝕性環(huán)境（如海水下）設(shè)備防護(hù)層材料。 1.2 SiC SiC具有一維多態(tài)性，被稱為多型性，大約有200種不同結(jié)晶多型體[18，22，23]。這些晶體多型性可通過Si和C雙層膜四面鍵合的堆積順序區(qū)分。多面體可分為立方（C）、六方（H）和菱形（R）等三種基本晶體學(xué)類型。 立方碳化硅（3C-SiC）是一種用于傳感的常見晶體類型，可通過高質(zhì)量的工藝制備。它被稱為3C-SiC或β-SiC，數(shù)字3代表層數(shù)，其堆積順序如圖1.2（a）所示。假設(shè)A、B、C為三層，然后，ABCABC 為其立方閃鋅礦晶體結(jié)構(gòu)的堆積順序。目前，3C_SiC可在硅晶圓上實(shí)現(xiàn)大面積外延生長(zhǎng)。然而，硅襯底上生長(zhǎng)的3C-SiC的缺點(diǎn)是存在晶格失配，3C-SiC和Si之間約有20%的失配導(dǎo)致生長(zhǎng)的薄膜中存在殘余應(yīng)力[24]。 如果Si和C雙層膜的堆積順序?yàn)锳BAB ，則六方為對(duì)稱形式，即為2H-SiC。4H-SiC由等量的立方鍵和六方鍵組成，而6H-SiC由2/3的立方鍵和1/3的六方鍵組成。圖1.2（b）為6H-SiC的堆積順序示意圖。4H-SiC和6H-SiC都被歸類為crSi類型，目前以晶圓形式可在市場(chǎng)上銷售。由于SiC材料的優(yōu)異性能和大禁帶寬度，開展了大量針對(duì)在惡劣環(huán)境下運(yùn)行的MEMS器件的*新研究。表1.1展示了三種常見SiC多型晶體與MEMS常規(guī)Si材料物理特性的對(duì)比情況。 1.3 SiC生長(zhǎng) 硅晶圓加工是目前較成熟、集中的半導(dǎo)體技術(shù)之一。低成本、高質(zhì)量的硅晶圓通常被作為襯底材料，用于生長(zhǎng)3C-SiC薄膜[25，26]。由于硅本身具有立方晶體結(jié)構(gòu)，SiC薄膜會(huì)自發(fā)按照晶格結(jié)構(gòu)在硅襯底上形成立方結(jié)構(gòu)。因此，Si/3C-SiC已成為一種很有吸引力的電子和傳感器平臺(tái)。通常而言，SiC的生長(zhǎng)可基于射頻（rf）、磁控濺射、熱線化學(xué)氣相沉積（CVD）和低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD）等技術(shù)實(shí)現(xiàn)。上述方法可以生長(zhǎng)單晶、納米晶（nc-SiC）和非晶（a-SiC）結(jié)構(gòu)，這取決于SiC的生長(zhǎng)條件和襯底情況。化學(xué)氣相沉積過程中，要實(shí)現(xiàn)Si襯底上生長(zhǎng)單晶SiC需1000～1200°C高溫環(huán)境，同時(shí)提供S和C兩種前體，如硅烷SiH4和甲烷CH4。SiC薄膜形成取決于生長(zhǎng)溫度、壓力和氣體流量等幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。按照慣例，單晶SiC的生長(zhǎng)需要1000°C以上高溫，而a-SiC和nc-SiC則可在400～800°C的溫度范圍內(nèi)生長(zhǎng)。與其他生長(zhǎng)技術(shù)相比，LPCVD需要較高的沉積溫度來分解前驅(qū)體源，同時(shí)也提高了SiC結(jié)構(gòu)的化學(xué)秩序和摻雜效率。 由于硅具有天然的立方結(jié)構(gòu)，4H-SiC和6H-SiC均無法在立方硅襯底上生長(zhǎng)。這些多型體具有六方結(jié)構(gòu)，通常要在相同類型襯底上才能生長(zhǎng)。4H-SiC和6H-SiC生長(zhǎng)溫度均非常高，為1800～2400°C[13]。因此，與3C-SiC相比，硅襯底上生長(zhǎng)的4H-SiC和6H-SiC晶圓成本非常高。第4章會(huì)介紹具體的生長(zhǎng)過程和細(xì)節(jié)。為避免襯底泄漏電流，通常在4H-SiC晶圓上形成p-n結(jié)。因此，這就需要對(duì)襯底進(jìn)行n型或p型選擇性刻蝕，以形成功能性4H-SiC結(jié)構(gòu)。除了制造方面的困難外，復(fù)雜的加工過程（如與4H-SIC歐姆接觸）也對(duì)芯片傳感系統(tǒng)的開發(fā)提出了巨大挑戰(zhàn)[27，28]。 1.4 熱電特性 本征SiC材料具有較低的電導(dǎo)率，為實(shí)現(xiàn)傳感應(yīng)用并更好地適應(yīng)電學(xué)測(cè)量，通常要對(duì)SiC進(jìn)行n型或P型摻雜[29，30]。熱傳感器及MEMS器件的電阻率范圍一般為。 熱電特性是指SiC電性能隨溫度變化而變化。圖1.3所示為熱電特性類型，包括溫度對(duì)SiC電性能的四類主要影響，即熱阻效應(yīng)、熱電效應(yīng)、熱電容效應(yīng)和熱電子效應(yīng)。其中，熱阻效應(yīng)和熱電效應(yīng)通常在單層SiC中測(cè)量，而熱電容效應(yīng)和熱電子效應(yīng)則在多層不同摻雜類型的SiC或金屬層與SiC層之間進(jìn)行測(cè)量。 SiC熱阻效應(yīng)的工作原理介紹如下。溫度升高時(shí)，SiC的雜質(zhì)被電離并進(jìn)一步提升其導(dǎo)電特性。因此，SiC導(dǎo)電性隨著溫度的升高逐漸增大，相應(yīng)的電阻率則隨溫度升高而減小[31]。然而在高摻雜濃度下，SiC中所有雜質(zhì)在室溫下即可被電離，導(dǎo)致電導(dǎo)率下降及電阻率上升。電阻隨溫度的升高而增大是受散射效應(yīng)所影響。需要注意的是，SiC的熱電性能在600°C高溫下比較穩(wěn)定，主要是因?yàn)檩^大的禁帶寬度會(huì)抑制本征載流子產(chǎn)生。隨著摻雜技術(shù)不斷發(fā)展，將雜質(zhì)摻雜到SiC微/納結(jié)構(gòu)中可實(shí)現(xiàn)在高溫下提供可控的熱電性能，也進(jìn)一步促進(jìn)了惡劣環(huán)境下熱傳感器的發(fā)展[32，33]。 熱電子概念可應(yīng)用于多層SiC電子結(jié)構(gòu)，如二極管和晶體管等[34，35]。為評(píng)估傳感領(lǐng)域SiC熱電子器件的電學(xué)性能，通常對(duì)器件的電流-電壓（I-V）特性進(jìn)行測(cè)試。例如，SiC器件的電阻值被用來定義p-n結(jié)電特性的變化（如n型SiC層和P型SiC層之間的界面J-V特性）。施加恒定的電流時(shí)，外界溫度變化導(dǎo)致輸出電壓改變，常被用來評(píng)價(jià)系統(tǒng)的溫度靈敏度。這種電壓變化在4H-SiC結(jié)構(gòu)中通常是隨溫度變化而線性變化的。4H-SiC和6H-SiC的p-n結(jié)以及4H-SiC肖特基二極管的靈敏度通常在1～5mV/K。而3C-SiC的結(jié)特性尚未得到充分認(rèn)識(shí)，主要原因可能是P~n結(jié)質(zhì)量較差。 熱電容原理是指電容隨溫度變化而變化。一般情況下，載流子濃度隨溫度升高而增大，并進(jìn)一步導(dǎo)致電容增大[37]。相關(guān)研究表明，SiC熱電容效應(yīng)在高溫檢測(cè)中應(yīng)用成功的案例不多，與其他熱電傳感相比并沒有明顯優(yōu)勢(shì)。半導(dǎo)體的熱電效應(yīng)，是指兩點(diǎn)之間施加溫差時(shí)產(chǎn)生的電勢(shì)差[38]。
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