基于碳化硅的高溫壓力傳感器芯片在國內的研究進展

沈陽儀表科學研究院有限公司 任向陽 張治國 劉宏偉 祝永峰 賈文博

碳化硅材料憑借其具有一定的壓阻效應、較大的帶隙、較強的抗腐蝕性能等優點，在壓力傳感器領域有不錯的應用前景，可廣泛應用于高溫、強輻射、強腐蝕等硅材料無法勝任的極端惡劣的環境中。本文以國內碳化硅高溫壓力傳感器的研究現狀為背景，簡單介紹幾種不同結構類型的碳化硅高溫壓力傳感器。

傳統的壓力傳感器依靠彈性元件的形變來測量介質的壓力，具有尺寸大、精度差的缺點；而以單晶硅為壓敏電阻的壓力傳感器，具有集成度高，高靈敏度的特點，并且可以電信號的形式輸出，是最為經典的一種結構。常規的單晶硅壓力傳感器的敏感電阻與硅襯底以PN結進行隔離，在低溫（-25～100℃）范圍得到了廣泛的應用，但是在高于120℃時，由于PN結產生漏電，會導致傳感器性能失效。

為了解決更高溫度的需求，出現了多種不同材料的壓力傳感器，比如多晶硅、絕緣體上硅（SOI）、藍寶石上硅（SOS）、金剛石等壓力傳感器。而目前使用最廣泛的高溫壓力傳感器以SOI為主，這種結構以頂層硅為器件層，與底層硅中間隔以氧化層，這種芯片的性能穩定，可靠性好，使用溫度可達到480℃；多晶硅壓力傳感器是在多晶硅薄膜上形成壓敏電阻，中間以SiO2進行隔離，工作溫度能達到200℃左右，但是由于復合膜結構熱膨脹系數不匹配，會引起附加應力的問題；藍寶石上硅（SOS）壓力傳感器采用介質隔離，最高工作溫度可以達到350℃，但是其工藝復雜、成本較高、長期穩定性不好；金剛石壓力傳感器工藝難度較大，而且難形成歐姆接觸，同時在高于500℃時，硅襯底會發生塑性形變，工作溫度相比較于SOI難有較大提升。

1 碳化硅材料

1.1 碳化硅材料的優點

碳化硅（SiC）為一種多體材料，目前已知的結構高達200多種。SiC在壓力傳感器領域有非常廣闊的應用前景。其一，碳化硅本身具有一定的壓阻效應，能滿足于壓力傳感器的最基本要求；其二，碳化硅材料有高于硅2-3倍的帶隙，至少強于硅4倍的抗中子輻射能力，具有相對較好的高溫穩定性和抗輻射性能；其三，Si-C鍵鍵能很強，有良好的耐腐蝕能力；其四，碳化硅材料不融化，而是在高于3000℃時直接升華，其耐高溫性能顯著，等等。由此可見，SiC壓力傳感器有希望代替硅壓力傳感器應用于高溫、輻射、強腐蝕等極端惡劣的環境中。

1.2 碳化硅材料的壓阻效應

半導體在應變作用下，其能帶結構發生改變，使載流子在這些能帶中重新分布，進而導致載流子有效質量、遷移率以及導電率的變化，這就是半導體材料的壓阻效應原理。

Eickhoff等人通過在Si和SiO2上選擇性生長3C-SiC，得到很好地效果，經測得其應變系數在室溫下約為-18，隨著溫度上升到200℃，其應變系數變為-10。Phan等人通過大量的數據整理總結出：與單晶SiC相比，多晶SiC的應變系數相對較小，而n型3C-SiC在[100]方向具有最大的應變系數，p型3C-SiC在[110]方向具有最顯著的壓阻效應。

1.3 SiC壓力傳感器

近年來，國內外對碳化硅高溫壓力傳感器的研究不斷深入，取得了不錯的成果，而國外的SiC壓力傳感器的研制技術已經相當成熟。據報道，美國NASA和Kulite在1996年已經完成6H-SiC的研制工作，工作溫度為26-260℃，隨著不斷地改進，目前已經完成800℃的試驗，同時也解決了長時間的高溫歐姆接觸問題；20世紀90年代，Ziermann等人開發了3C-SiC壓力傳感器，其芯片在400℃時成功的進行了測試。

SiC壓力傳感器工藝條件比較苛刻，比如，由于其強耐腐蝕性能，在制備全SiC壓力傳感器時，背面腔體的制作往往需要干法刻蝕工藝，結果還會導致與設定的量程有一定出入，小量程芯片不易制備；在摻雜方面，如果采用離子注入方式，其退火溫度往往需要1600℃以上，而如果采用競位外延摻雜方式，又會面臨摻雜濃度不高（1016～1019cm-3）的情況；另外，由于3C-SiC與Si晶格失配度達到20%左右，如果在硅襯底制備3C-SiC薄膜還會面臨晶格失配的問題，導致SiC內部微管等缺陷的出現，降低器件性能等。

而國內受限于設備和上述工藝難點，一直沒有很大的突破，而主要在攻克各種工藝技術，本文就國內研究現狀為背景，對幾種常見結構類型的SiC高溫壓力傳感器展開討論。

如圖1所示，其中a、c分別采用硅和SOI為襯底制備的單晶3C-SiC壓力傳感器芯片的結構示意圖，采用Si/SiC的PN結隔離，相比較于圖1(a)，由于圖1(c)器件層下面的Si層比較薄，其漏電會更小，器件性能會更優越。周作云教授課題組在2001年制備了圖1(a)所示結構的傳感器芯片，采用鋁作為歐姆接觸的材料，測得在0～200℃的工作溫度范圍內其溫度系數為5h10-4/℃ FS，滿量程輸出為80h(1f50%)，零點漂移 ≤ 0.2mV/h，具備較好的傳感器性能；圖1(b)是在二氧化硅層上制作的多晶SiC壓力傳感器芯片結構示意圖，由于多晶SiC較小的壓阻效應，其性能不如單晶SiC；圖1(d)是由6H-SiC制備的全碳化硅壓力傳感器芯片結構示意圖，2011年清華大學王曉浩教授課題組曾進行了這種壓力傳感器芯片的研制工作，在制備背面腔體方面采用先對SiC襯底減薄，再進行干法刻蝕的工藝，用Ti/TiN/Pt制備歐姆接觸，最后測得比接觸阻率為8.42×10-4Ωcm2。

圖1 幾種常見的SiC傳感器芯片結構示意圖

2 應用前景

隨著傳感器應用領域的不斷擴增，開發耐高溫、強腐蝕傳感器對于國防、軍事、工業生產等均具有非常重大的意義。隨著國內SiC相關工藝技術的不斷提升，碳化硅在壓力傳感器領域具有廣闊的應用前景。