[发明专利]用于材料和结构感测的表面声波RFID传感器

说明书

本申请描述了基于表面声波(SAW)换能器和二维电子气(2DEG)或二维空穴气(2DHG)导电结构的组合的零功率射频识别(RFID)传感器芯片的实施方案，及其作为用于材料和结构感测的超灵敏麦克风的用途。所述SAW RFID传感器包含在其上沉积多层异质结结构的压电衬底。所述异质结结构包括至少两层即缓冲层和阻挡层，其中两层均由III‑V单晶或多晶半导体材料诸如Ga N/Al Ga N生长。转换SAW的叉指换能器(IDT)安装在所述阻挡层的顶部。在两层构型情况下包括二维电子气(2DEG)或者在三层构型情况下包括二维空穴气(2DHG)的导电沟道形成在所述缓冲层与阻挡层之间的界面处，并且在连接到所形成的沟道的非欧姆(电容耦合)源极与漏极接触之间的系统中提供电子或空穴电流。

技术领域

一般来讲，本申请涉及基于表面声波(SAW)换能器的电子传感器领域。具体地讲，本申请涉及GaN/AlGaN SAW RFID传感器及其在材料和结构感测中的用途。

背景技术

表面声波(SAW)传感器在材料感测的许多领域和工业应用中发挥着重要作用。一般来讲，表面声波是沿着某种(压电)材料的表面传播的声波。其由叉指换能器(IDT)电极(或“指状物”)生成，叉指换能器电极是沉积在压电材料上的特殊周期性金属棒。当施加周期等于IDT电极的周期的任何正弦波时，在IDT电极下方发生机械振动，从而生成声波，该声波垂直于IDT棒的几何形状。该声波在压电材料的表面上沿两个方向远离IDT电极传播。

IDT生成的声波局限在表面区中，并且只穿透块体压电材料到达波长深度区。这就是SAW在表面具有非常高的能量密度的原因，也就有了“表面声波”的名称。SAW在压电材料中的传播速度比常规电磁波慢约10⁵倍。因此，压电材料中的SAW波长比电磁波的波长小10⁵倍，使得基于SAW的传感器是非常紧凑的装置。

SAW传感器的制造需要在压电材料上沉积或蚀刻金属IDT，并且其使用允许大规模制造的CMOS工艺技术。可影响压电材料表面状况的因素包括压力、温度、湿度和质量负载。因此，SAW传感器可以用作压力、温度、湿度传感器，以及能够检测表面质量变化或电场改变的传感器。MEMS-CMOS技术有助于SAW传感器及其数据处理电路的集成。专门设计的SAW传感器也可以在无源模式下使用，而不需要电池。可以将RFID天线添加到输入IDT电极，然后由天线接收的信号可以激励用于感测的SAW，如前所述。这些实际上是使用RFID标签的SAW传感器。超高灵敏度、紧凑的特性、易于制造和无线操作使得这些传感器对于材料感测非常有吸引力。

发明内容

本申请描述了基于二维电子气(2DEG)或二维空穴气(2DHG)导电结构和表面声波(SAW)换能器的组合的微电子传感器的实施方案。在一些实施方案中，该传感器可以包含可在其上沉积多层异质结结构的压电衬底。该异质结结构可包括至少两层即缓冲层和阻挡层，其中两层均由III-V单晶或多晶半导体材料生长。转换表面声波的叉指换能器(IDT)可以安装在阻挡层的顶部。

包括二维电子气(2DEG)或二维空穴气(2DHG)的导电沟道形成在缓冲层和阻挡层之间的界面处，并且可以在源极和漏极之间的系统中提供电子或空穴电流。在特定实施方案中，该异质结结构可以是三层结构，其由两个缓冲层和像夹层一样挤压在所述缓冲层之间的一个阻挡层组成。这可能导致在阻挡层上方的顶部缓冲层中形成二维空穴气(2DHG)，这导致结构的极性反转。任选的电介质层可以沉积在异质结结构的顶部上。由于顶层凹陷或生长到特定厚度，因此在源极和漏极区域之间形成2DEG/2DHG的开放栅极区域。