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高溫SiC MEMS傳感器的熱電特性 版權信息
- ISBN：9787030724892
- 條形碼：9787030724892 ; 978-7-03-072489-2
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
高溫SiC MEMS傳感器的熱電特性 內容簡介
近年來，以碳化硅為功能材料的微機電系統（MEMS）傳感器研制取得重大進展。本書主要介紹了碳化硅熱電效應基本原理和相關背景，綜述了碳化硅材料的生長、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傳感器近期新發展，相關研究可為開發基于熱電效應的碳化硅基MEMS傳感器提供重要指導
高溫SiC MEMS傳感器的熱電特性 目錄
目錄
第1章 SiC及熱電特性簡介 1
1.1 背景 1
1.2 SiC 3
1.3 SiC 生長 4
1.4 熱電特性 5
1.5 高溫SiCMEMS傳感器 7
參考文獻 8
第2章 SiC熱電特性基礎 12
2.1 熱阻效應 12
2.1.1 半導體材料的物理參數與基本概念 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 18
2.3 熱電容效應 20
2.4 熱電效應 20
2.5 高溫下SiC熱電特性的研究現狀 21
2.5.1 熱電效應的試驗裝置 22
2.5.2 單層SiC的熱阻效應 22
2.5.3 多層SiC的熱電效應 31
2.6 4H-SiCp-n結 33
2.7 高溫下其他熱電特性 36
2.7.1 熱電效應 36
2.7.2 熱電容效應 38
參考文獻 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 熱響應時間 51
3.4 低功耗 53
3.5 穩定性和其他性能 54
參考文獻 55
第4章 SiCMEMS傳感器的制備 60
4.1 生長與摻雜 60
4.1.1 SiC的生長 60
4.1.2 SiC摻雜 62
4.2 SiC刻蝕 63
4.2.1 電化學刻蝕 64
4.2.2 化學刻蝕 65
4.2.3 干法刻蝕或反應離子刻蝕 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 集成冷卻系統的MEMS器件的制備 77
參考文獻 78
第5章 設計和工藝對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 90
第6章 SiC熱電特性的應用 96
6.1 溫度傳感器、溫度控制/補償與熱測量 96
6.1.1 熱電阻 97
6.1.2 p～n結溫度傳感器 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 飛行時間流量傳感器 108
6.3 對流加速度計與陀螺儀 109
6.3.1 對流加速度計 109
6.3.2 對流陀螺儀 110
6.4 其他應用 111
6.4.1 易燃氣體傳感器 111
6.4.2 集成加熱、感知和微流控冷卻的SiC MEMS 112
參考文獻 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熱驅動器 126
7.4 SiC傳感器的發展與挑戰 127
參考文獻 129
第1章 SiC及熱電特性簡介 1
1.1 背景 1
1.2 SiC 3
1.3 SiC 生長 4
1.4 熱電特性 5
1.5 高溫SiCMEMS傳感器 7
參考文獻 8
第2章 SiC熱電特性基礎 12
2.1 熱阻效應 12
2.1.1 半導體材料的物理參數與基本概念 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 18
2.3 熱電容效應 20
2.4 熱電效應 20
2.5 高溫下SiC熱電特性的研究現狀 21
2.5.1 熱電效應的試驗裝置 22
2.5.2 單層SiC的熱阻效應 22
2.5.3 多層SiC的熱電效應 31
2.6 4H-SiCp-n結 33
2.7 高溫下其他熱電特性 36
2.7.1 熱電效應 36
2.7.2 熱電容效應 38
參考文獻 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 熱響應時間 51
3.4 低功耗 53
3.5 穩定性和其他性能 54
參考文獻 55
第4章 SiCMEMS傳感器的制備 60
4.1 生長與摻雜 60
4.1.1 SiC的生長 60
4.1.2 SiC摻雜 62
4.2 SiC刻蝕 63
4.2.1 電化學刻蝕 64
4.2.2 化學刻蝕 65
4.2.3 干法刻蝕或反應離子刻蝕 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 集成冷卻系統的MEMS器件的制備 77
參考文獻 78
第5章 設計和工藝對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 90
第6章 SiC熱電特性的應用 96
6.1 溫度傳感器、溫度控制/補償與熱測量 96
6.1.1 熱電阻 97
6.1.2 p～n結溫度傳感器 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 飛行時間流量傳感器 108
6.3 對流加速度計與陀螺儀 109
6.3.1 對流加速度計 109
6.3.2 對流陀螺儀 110
6.4 其他應用 111
6.4.1 易燃氣體傳感器 111
6.4.2 集成加熱、感知和微流控冷卻的SiC MEMS 112
參考文獻 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熱驅動器 126
7.4 SiC傳感器的發展與挑戰 127
參考文獻 129
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高溫SiC MEMS傳感器的熱電特性 節選
第1章 SiC及熱電特性簡介 摘要 本章闡述了SiC作為功能半導體材料用于惡劣環境傳感器的背景，介紹了常用方法生長的不同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熱電特性對高溫條件下檢測性能的影響，并指出在惡劣環境中應用SiC材料的重要意義。 關鍵詞 SiC、熱電特性、MEMS、惡劣環境 1.1 背景 人們對高端航空航天技術的發展一直抱有濃厚的興趣和不斷增長的需求[1]。為維持航空航天工業中儀器、儀表的安全性和工作效率，需要發展先進的健康狀態監測技術來開發在惡劣環境中工作的傳感網絡（如物聯網）[24]。然而，這些技術在為在惡劣條件下工作的微/納米系統的增長和穩定性提供可持續的解決方案時卻面臨著巨大挑戰，包括深空探測、燃燒監測和高超聲速飛機觀測等。由于在惡劣環境中集成傳感及電子元件的難度非常大[1，8]，當前電子系統通常采用昂貴且不準確的間接測量技術，例如，在航空航天應用中使用的傳感和驅動儀器等。然而，常規硅材料通常無法承受高溫和高腐蝕性[8，9]，傳感技術對超越硅基的傳感能力提出了新的發展需求[10]。圖1.1所示為不同惡劣環境以及建議使用的SiCMEMS傳感技術[5]。 圖1.1 SiCMEMS傳感器及惡劣環境。（a）腐蝕、高溫、高沖擊/振動及強輻照等惡劣環境中的SiCMEMS傳感器；（b）SiCMEMS傳感器在高溫領域的應用（譯者注：lbar=105Pa）經文獻轉載許可 氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）等寬禁帶半導體材料因在惡劣環境中的廣泛應用而備受關注[11，12]。其中，SiC材料在高質量、低成本生長以及與常規微/納米加工技術（包括微機電系統和集成電路）兼容性方面具有一定優勢[13，15]。特別地，S原子和C原子之間的強共價鍵，使得SiC具有2830°C的極高升華溫度。此外，因為大禁帶寬度（3C-SiC為2.3eV，6H-SiC為3.0eV，4H-SiC為3.2eV）可防止高溫下材料內部產生本征載流子，高溫下SiC材料具有優異的電學穩定性[16，17]。上述特性使SiC傳感器和高溫電子器件的發展無須配置主動冷卻系統。此外，SiC材料中的聲速高達約12000m/s，為進一步提高傳感器工作帶寬提供了可行性[18，19]。優異的化學惰性也使得SiC非常適合作為傳感元件，以及作為腐蝕性環境（如海水下）設備防護層材料。 1.2 SiC SiC具有一維多態性，被稱為多型性，大約有200種不同結晶多型體[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，可通過高質量的工藝制備。它被稱為3C-SiC或β-SiC，數字3代表層數，其堆積順序如圖1.2（a）所示。假設A、B、C為三層，然后，ABCABC 為其立方閃鋅礦晶體結構的堆積順序。目前，3C_SiC可在硅晶圓上實現大面積外延生長。然而，硅襯底上生長的3C-SiC的缺點是存在晶格失配，3C-SiC和Si之間約有20%的失配導致生長的薄膜中存在殘余應力[24]。 如果Si和C雙層膜的堆積順序為ABAB ，則六方為對稱形式，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上銷售。由于SiC材料的優異性能和大禁帶寬度，開展了大量針對在惡劣環境下運行的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Si材料物理特性的對比情況。 1.3 SiC生長 硅晶圓加工是目前較成熟、集中的半導體技術之一。低成本、高質量的硅晶圓通常被作為襯底材料，用于生長3C-SiC薄膜[25，26]。由于硅本身具有立方晶體結構，SiC薄膜會自發按照晶格結構在硅襯底上形成立方結構。因此，Si/3C-SiC已成為一種很有吸引力的電子和傳感器平臺。通常而言，SiC的生長可基于射頻（rf）、磁控濺射、熱線化學氣相沉積（CVD）和低壓化學氣相沉積（LPCVD）等技術實現。上述方法可以生長單晶、納米晶（nc-SiC）和非晶（a-SiC）結構，這取決于SiC的生長條件和襯底情況；瘜W氣相沉積過程中，要實現Si襯底上生長單晶SiC需1000～1200°C高溫環境，同時提供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溫度、壓力和氣體流量等幾個關鍵參數。按照慣例，單晶SiC的生長需要1000°C以上高溫，而a-SiC和nc-SiC則可在400～800°C的溫度范圍內生長。與其他生長技術相比，LPCVD需要較高的沉積溫度來分解前驅體源，同時也提高了SiC結構的化學秩序和摻雜效率。 由于硅具有天然的立方結構，4H-SiC和6H-SiC均無法在立方硅襯底上生長。這些多型體具有六方結構，通常要在相同類型襯底上才能生長。4H-SiC和6H-SiC生長溫度均非常高，為1800～2400°C[13]。因此，與3C-SiC相比，硅襯底上生長的4H-SiC和6H-SiC晶圓成本非常高。第4章會介紹具體的生長過程和細節。為避免襯底泄漏電流，通常在4H-SiC晶圓上形成p-n結。因此，這就需要對襯底進行n型或p型選擇性刻蝕，以形成功能性4H-SiC結構。除了制造方面的困難外，復雜的加工過程（如與4H-SIC歐姆接觸）也對芯片傳感系統的開發提出了巨大挑戰[27，28]。 1.4 熱電特性 本征SiC材料具有較低的電導率，為實現傳感應用并更好地適應電學測量，通常要對SiC進行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SiC電性能的四類主要影響，即熱阻效應、熱電效應、熱電容效應和熱電子效應。其中，熱阻效應和熱電效應通常在單層SiC中測量，而熱電容效應和熱電子效應則在多層不同摻雜類型的SiC或金屬層與SiC層之間進行測量。 SiC熱阻效應的工作原理介紹如下。溫度升高時，SiC的雜質被電離并進一步提升其導電特性。因此，SiC導電性隨著溫度的升高逐漸增大，相應的電阻率則隨溫度升高而減小[31]。然而在高摻雜濃度下，SiC中所有雜質在室溫下即可被電離，導致電導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所影響。需要注意的是，SiC的熱電性能在600°C高溫下比較穩定，主要是因為較大的禁帶寬度會抑制本征載流子產生。隨著摻雜技術不斷發展，將雜質摻雜到SiC微/納結構中可實現在高溫下提供可控的熱電性能，也進一步促進了惡劣環境下熱傳感器的發展[32，33]。 熱電子概念可應用于多層SiC電子結構，如二極管和晶體管等[34，35]。為評估傳感領域SiC熱電子器件的電學性能，通常對器件的電流-電壓（I-V）特性進行測試。例如，SiC器件的電阻值被用來定義p-n結電特性的變化（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，外界溫度變化導致輸出電壓改變，常被用來評價系統的溫度靈敏度。這種電壓變化在4H-SiC結構中通常是隨溫度變化而線性變化的。4H-SiC和6H-SiC的p-n結以及4H-SiC肖特基二極管的靈敏度通常在1～5mV/K。而3C-SiC的結特性尚未得到充分認識，主要原因可能是P~n結質量較差。 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，并進一步導致電容增大[37]。相關研究表明，SiC熱電容效應在高溫檢測中應用成功的案例不多，與其他熱電傳感相比并沒有明顯優勢。半導體的熱電效應，是指兩點之間施加溫差時產生的電勢差[38]。
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