光电耦合平台和传感器

1.本发明涉及光电平台和传感器。更明确地说，本发明涉及光电和光热电半导体平台、生产此类平台的方法以及基于其的传感器。明确地说，但非排他地，本发明涉及用于机械和热传感器的基于碳化硅/硅半导体结的传感平台。


背景技术：

2.传感器和传感器模块几乎应用于生活的每一个方面，包含电信、家用电器、建筑施工、自动化、建筑控制、运输、能源和供水分配与控制、安全、材料生产和it，仅举了此类应用的小部分。不断推动此类传感器小型化并提高其灵敏度和可靠性。
3.压阻效应已被用作主要机械传感技术。压阻灵敏度是指电阻响应于所施加应变的分数改变，被称为量规因数(gf)。此传感技术可见于广泛范围的应用中，例如应变、力、压力和触觉传感器，以及加速计。此传感概念的优点包含但不限于低功耗、简单读出电路和小型化能力。然而，压阻效应的性能取决于载流子迁移率，所述载流子迁移率基本上受到压阻材料的性质的限制。
4.压阻效应的增强在开发超灵敏传感装置方面已受到高度关注。常规策略侧重于以最优晶体定向布置压敏电阻器。举例来说，p型si(100)的纵向压阻系数在[100]方向上为大致6.6x10-11 pa-1
，而其值在[110]方向上增加到71.8x10-11 pa-1
。单晶p型3c-sic的gf在[100]和[110]定向上分别为5.0和30.3。还使用最优掺杂浓度证实了压阻灵敏度的显著提高。
[0005]
在材料选择方面，金属应变计已经商业化并广泛应用于工业、研究和日常生活中。然而，金属中的压阻效应基本上基于所施加应变下的几何改变，从而导致低gf通常小于2。例如硅(si)和碳化硅(sic)等半导体已成为用于应变传感的适合材料，因为其相对高gf在si中高达200以及在sic中高达30。虽然在这些半导体中应变诱发的几何改变可忽略不计，但载流子迁移率决定了压阻性能。
[0006]
有趣的是，由于先进的纳米制造技术，可通过将压敏电阻器按比例缩小到纳米尺度来显著增强压阻效应。在纳米尺度下，电荷迁移率和表面体积比显著增加，从而引起应变灵敏度的显著提高。举例来说，已观察到在自上向下制造的硅纳米线(sinw)中的巨压阻效应，其中纵向压阻系数高达-3550x10-11 pa-1
，其几乎比块体si高38倍。13然而，纳米尺度中的巨压阻效应的可靠性仍然存在争议。
[0007]
近年来，将压阻效应与例如压电的其它物理效应相耦合，已成为提升压阻率的先进且有前景的方法。因而，被称为压电电子件的压电材料中的经应变调制的电位可用于控制/调谐电荷载流子的输运。通过利用zno纳米线的局部结处的应变诱发的压电极化电荷来修改其能带结构，在应变从0.2％增加到1％时，已证实gf从300增加到1,250。另外，据报告，sinw中的电控巨压阻效应已具有高达5,000的gf，采用电偏置来操控电荷载流子浓度。
[0008]
纳米结构中多种物理效应的耦合也已用于调制逻辑电路中的电输运，增强生物/化学传感器的灵敏度和检测分辨率，并且提高太阳能电池的光伏性能。通过在跨越装置施
加的温度梯度下调制inp/zno异质结中的界面电荷转移，已揭露太阳能电池中的输出电压增强了高达76％。
[0009]
温度的检测和协调在工业过程、实验室应用和日常生活活动中也很受关注。在过去的一个世纪里，包含电阻式温度检测器(rtd)和热敏电阻器的温度传感装置的开发和商业化已取得了巨大的进展。这些装置采用电阻改变对温度变化来将电阻温度系数(tcr)定义为温度灵敏度的指标。包含电阻式温度检测器(rtd)的基于tcr的温度传感装置由于其设计、制造和实施的简单性而变得流行。目前，rtd传感器为当前温度传感市场的主要产品之一。
[0010]
然而，这些传感技术基本上基于晶格散射现象和/或电荷载流子的热激发，这限制了传感性能，例如tcr通常低于0.5％/k。可通过操控电荷载流子的产生和输运来显著增强常规固态装置的传感性能的先进传感技术的发展对于广泛范围的热传感应用是合乎需要的。已提出了若干策略来增强常规传感材料和固态电子装置的温度灵敏度(例如，tcr)。举例来说，用金纳米粒子(au-np)对p型硅(p-si)的表面粗糙度进行修改可将温度灵敏度增加高达100％。此传感概念可适合于液氦和低温(例如，10-30k)中的电子应用。在纳米复合材料中，通过体积相变引起的导电纳米管之间的隧穿距离的交替可能会在高温下产生大tcr值。在其中体积显著增加的体积相变温度(vptt)下，电子需要较高能量来穿过屏障，从而导致电导率显著降低。然而，体积膨胀或相变在具体温度和特定条件下受到限制，从而对实际传感应用提出了巨大挑战。目前，热激发的电荷载流子的产生和调制面临着巨大挑战。举例来说，热激发发生在接近室温下，而电荷载流子的掺杂浓度限制激发速率以及固态电子件的传感性能。因此，热装置的温度灵敏度通常限制在0.7％/k。
[0011]
发明目的
[0012]
本发明的优选目的是提供一种传感平台和基于其的传感器，其解决或至少改善现有技术的前述问题中的一个或多个和/或提供有用商业替代方案。


技术实现要素：

[0013]
一般来说，本发明的实施例涉及包括半导体结的传感平台、形成此类传感平台的方法和基于此类平台的传感器。半导体结包括一对间隔开的表面电极，其被光源不均匀地或不对称地照明以通过半导体材料中的光伏效应在所述一对电极之间产生横向电位梯度。此类半导体结为一系列传感器提供平台，与已知传感器相比，所述一系列传感器具有显著增强的灵敏度，这是基于在光照明下电荷载流子(空穴和电子)的产生和重新填充以及载流子能量的电场调制所引起的横向电位梯度的巨大改变。半导体结形成二极管以允许电荷载流子仅在一个方向上从衬底行进到半导体结的顶部层。传感平台的一些实施例包含检测力，例如应变，其中半导体材料中的电荷载流子的应变诱发的能带移位引起载流子迁移率和电阻率的改变。传感平台的一些实施例包含检测温度，其中热能的施加产生电荷载流子，从而引起载流子浓度、迁移率和电阻率的改变。本发明的实施例将参考压力传感器和温度传感器进行描述，但本发明还可体现于其它类型的传感器，包含机械传感器，例如但不限于流量传感器、力传感器、惯性传感器和触觉传感器。
[0014]
根据一个方面，但不一定是最广泛方面，本发明在于一种传感平台，其包括：
[0015]
半导体结；
[0016]
一对电极，其以间隔开的关系位于半导体结的上部层的表面上；以及
[0017]
光源，其用以照明包括电极中的一个的至少部分的半导体结的表面的部分，以通过半导体中的光伏效应在所述一对电极之间产生横向电位梯度；
[0018]
其中至少一个参数是基于测量由于压阻效应和/或热阻效应引起的半导体材料的电阻的改变而被检测。
[0019]
在优选实施例中，半导体结呈包括衬底上的上部层的异质结的形式。在优选实施例中，上部层呈允许光穿过的纳米膜的形式且衬底吸收光并产生电子-空穴对。用于衬底的材料的实例包含但不限于小带隙材料，例如硅和锗。
[0020]
在优选实施例中，半导体结包括sic/si异质结。然而，设想在其它实施例中，可使用具有光伏效应和压阻效应和/或热阻效应的其它材料和材料组合。此类材料的实例包含但不限于半导体材料，例如gaas、gan、aln和硅。
[0021]
适合地，半导体结包括形成具有低掺杂的p型si衬底的异质结的高度掺杂的p型3c-sic纳米膜。然而，可使用其它结晶形式的sic。
[0022]
适合地，所述一对电极为金属电极，例如铝电极，但可使用可与上部层形成欧姆接触的用于电极的其它材料。
[0023]
适合地，至少一个参数为以下中的一个或多个：力；压力；温度。
[0024]
在一些实施例中，施加到半导体材料的力是基于由于压阻效应引起的半导体材料的电阻r的改变而被检测。
[0025]
适合地，力呈施加到半导体结的机械应力或应变的形式，所述机械应力或应变改变半导体材料中的载流子迁移率和电阻率。在一些实施例中，力为拉伸应变或压缩应变。
[0026]
在一些实施例中，传感平台呈具有隔膜结构的压力传感器的形式，其中半导体材料包括被施加力且被集中有应力或应变的凹陷或变薄区。
[0027]
适合地，外部电位差施加在所述一对电极之间以产生调谐电流i以调制半导体结中的压阻效应。
[0028]
优选地，对施加到半导体材料的力或压力的检测是基于电阻的分数改变δr/r0，其中δr为由于压阻效应引起的半导体材料的电阻改变，r0为所述一对电极之间的半导体材料的初始电阻，并且r0＝v0/i，其中v0为所述一对电极之间的电压且i为调谐电流。
[0029]
在一些实施例中，传感平台呈温度传感器的形式。
[0030]
适合地，调谐电流i施加在所述一对电极之间以产生外部电位差以调制半导体结中的热阻效应，并且因此调制温度传感器的电阻温度系数(tcr)和灵敏度。
[0031]
适合地，对施加到半导体材料的温度的检测是基于电阻的分数改变δr/r0，其中δr为由于热阻效应引起的半导体材料的电阻改变，r0为所述一对电极之间的半导体材料的初始电阻，并且r0＝v0/i，其中v0为所述一对电极之间的电压且i为调谐电流。
[0032]
适合地，调谐电流i经优化以最小化r0且因此最大化传感器的灵敏度。优选地，调谐电流的量值经控制为尽可能接近光电流(由于光伏效应引起的短路电流)的量值，同时维持稳定性。
[0033]
根据另一方面，但不一定是最广泛方面，本发明在于一种在半导体结中产生传感平台的方法，其包括：
[0034]
将一对电极以间隔开的关系联接到半导体结的上部层的表面；以及
[0035]
照明包括电极中的一个的至少部分的半导体结的表面的部分，以通过半导体中的光伏效应在所述一对电极之间产生横向电位梯度；
[0036]
其中通过传感平台检测至少一个参数是基于测量由于压阻效应和/或热阻效应引起的半导体材料的电阻的改变。
[0037]
优选地，方法包括将外部电位差施加在所述一对电极之间以产生调谐电流以调制半导体结中的压阻效应。
[0038]
适合地，传感平台呈温度传感器的形式，并且方法包括将调谐电流i施加在所述一对电极之间以产生外部电位差以调制半导体结中的热阻效应，并且因此调制温度传感器的电阻温度系数(tcr)和灵敏度。
[0039]
适合地，方法包括优化调谐电流i以最小化r0且因此最大化传感器的灵敏度。优选地，方法包括将调谐电流的量值控制为尽可能接近光电流(由于光伏效应引起的短路电流)的量值，同时维持稳定性。
[0040]
适合地，方法包括将机械应力或应变施加到半导体结以改变半导体材料中的载流子迁移率和电阻率。
[0041]
适合地，方法包括将热能施加到半导体结以产生电荷载流子且改变半导体材料中的载流子迁移率和电阻率。
[0042]
本发明的另外形式和/或特征将通过以下详细描述而变得显而易见。
附图说明
[0043]
为了可容易地理解本发明且将其付诸实践，现将参考附图对本发明的优选实施例进行说明，其中相同附图标记是指相同元件。图式仅借助于实例提供，其中：
[0044]
图1展示根据本发明的实施例的包括半导体结的传感平台的截面图示；
[0045]
图2为根据本发明的实施例的包含调谐电流的传感平台的透视图；
[0046]
图3为比较在451ppm拉伸应变下在暗条件与光条件之间电阻的分数改变δr/r0的图表；
[0047]
图4为比较在451ppm压缩应变下在暗条件与光条件之间电阻的分数改变δr/r0的图表；
[0048]
图5为比较在不同拉伸应变下在暗条件与光条件之间电阻的分数改变δr/r0的图表；
[0049]
图6为比较在不同压缩应变下在暗条件与光条件之间电阻的分数改变δr/r0的图表；
[0050]
图7为展示在光条件(主图表)和暗条件(插入图表)下随着拉伸应变增加δr/r0线性增加的图表；
[0051]
图8为展示在光条件(主图表)和暗条件(插入图表)下随着压缩应变增加δr/r0线性增加的图表；
[0052]
图9a为展示随着调谐电流i从15μa增加到45μa量规因数(gf)的改变的图表；
[0053]
图9b、9c和9d为展示在三个区分电流范围中gf值对调谐电流i的图9a的放大图表；
[0054]
图10为展示在照明接通和断开时在19,000lux的光强度下所产生的横向光电压的变化的图表；
[0055]
图11为展示在照明接通和断开时在19,000lux的光强度下所产生的光电流的变化的图表；
[0056]
图12为展示在光源的位置从传感平台的左侧电极移动到右侧电极时在19,000lux的光强度下所产生的横向光电压的变化的图表；
[0057]
图13a展示在光照明下3c-sic/si传感平台中的电子-空穴对的光子激发；
[0058]
图13b展示在无照明的情况下在电极l处的图13a中所展示的传感平台的异质结的示意性带图；
[0059]
图13c展示在照明的情况下在电极r处的图13a中所展示的传感平台的异质结的示意性带图；
[0060]
图14a展示根据本发明的实施例的3c-sic/si传感平台和在电极l、r的非均质照明下在电极l、r处的传感平台的能量-动量(e-k)图；
[0061]
图14b展示图14a的3c-sic/si传感平台和在电极l、r的非均质照明和所施加调谐电流下在电极l、r处的传感平台的能量-动量(e-k)图；
[0062]
图14c展示图14a的3c-sic/si传感平台和在电极l、r的非均质照明和所施加调谐电流和所施加应变下在电极l、r处的传感平台的能量-动量(e-k)图；
[0063]
图15为如在本发明的传感平台的实施例中使用的在si上构造的已制造的sic纳米膜的横截面tem图像；
[0064]
图16为图15中的图像中所展示的3c-sic纳米膜的所选择区域电子衍射(saed)图像；
[0065]
图17为图15中的图像中所展示的si上生长的3c-sic膜的x射线衍射(xrd)图表；
[0066]
图18为呈应变传感器的形式的根据本发明的实施例的传感平台的透视图；
[0067]
图19为制造为包括用于图18中所展示的应变传感器的压敏电阻器的悬臂的sic-si异质结的侧视图；
[0068]
图20为图19中所展示的悬臂的平面视图
[0069]
图21a到21f说明如在图18到20中所展示的应变传感器中使用的3csic/si悬臂的制造过程；
[0070]
图22为展示在黑暗中、在室温下、在暗条件和光条件两者下以及在无应变条件中进行的sic纳米膜和sic/si异质结构的线性i-v特征的图表；
[0071]
图23为展示用以证实根据本发明的实施例的传感平台的光电耦合效应的实验的简图；
[0072]
图24为图23中所说明的实验设置的照片；
[0073]
图25展示如在图18到20中所展示的应变传感器中使用以说明应变的计算的3csic/si悬臂的侧视图和横截面视图；
[0074]
图26展示根据本发明的另一实施例的呈压力传感器的形式的传感平台的透视图和横截面视图；
[0075]
图27为比较在由图26中所展示的压力传感器检测到的不同压力下在暗条件与光条件之间电压的分数改变δv/v0的图表；
[0076]
图28为展示随着在光条件下由图26中所展示的压力传感器检测到的压力增加δv/v0线性增加的图表；
[0077]
图28a说明根据本发明的一些实施例的等效于形成传感元件的基础的3csic/si异质结的电路模型；
[0078]
图29为说明根据本发明的其它实施例的呈光热电传感平台的形式的半导体结中电荷载流子的光子激发和热激发的耦合的示意图；
[0079]
图30展示根据本发明的一些实施例的用于表征sic纳米膜中的热阻效应和传感平台中的光热电效应的实验设置；
[0080]
图31为展示在具有变化温度的暗条件中图30中所展示的传感平台的sic纳米膜的电流-电压特征的图表，其说明热阻效应；
[0081]
图32为展示在具有变化温度的暗条件中图30中所展示的传感平台的sic纳米膜的电阻特征的图表，其说明热阻效应；
[0082]
图33为根据本发明的一些实施例的基于半导体结中的电荷载流子的光子激发和热激发的耦合的传感平台的透视图示；
[0083]
图34为展示在固定光照明和恒定室温下图33中所表示的传感平台的半导体结的i-v测量结果的图表，其指示线性i-v特征；
[0084]
图35为展示在固定光照明和变化温度下图33中所表示的传感平台的半导体结的i-v测量结果的图表；
[0085]
图36为展示随着图33中所表示的传感平台的半导体结的温度变化的相对电压改变的图表；
[0086]
图37为展示在光照明下和在黑暗下图33中所表示的传感平台的半导体结的tcr的变化的图表；
[0087]
图38为展示在具有变化温度的光照明下图33中所表示的传感平台的半导体结的tcr对所施加电流的依赖性的图表；
[0088]
图39为展示图38中所展示的图表在大致7.6μa的所施加电流周围的放大区的图表；
[0089]
图40a展示在暗条件下p -sic/p-si界面处的电荷分布和相应带能量图；
[0090]
图40b展示在光照明下图40a中所展示的p -sic/p-si界面和相应带能量图，其说明sic/si异质结中的电子-空穴对(ehp)产生和输运；
[0091]
图40c展示在光照明和热下图40a中所展示的p -sic/p-si界面和相应带能量图，其说明热激发的载流子和热能输运；
[0092]
图41a为在照明下p -sic纳米膜的图示，其展示两个电极之间的光电压和对应能带图；
[0093]
图41b展示在照明下图41a的p -sic纳米膜以及在7.6μa的偏置电流下具有大致10μv的偏移电压v0的对应能带图；
[0094]
图41c展示在具有热激发的照明下图41a的p -sic纳米膜以及对应能带图；
[0095]
图42为说明在接通和断开光照明的四个循环下在sic纳米膜上测量的光生电压的图表，其展示光电压的可重复性；
[0096]
图43为说明光电压对温度变化的依赖性的图表；
[0097]
图44为说明所测量电位对温度变化的依赖性的图表；以及
[0098]
图45为说明根据本发明的实施例的在半导体结中产生传感平台的方法的一般流
程图。
[0099]
所属领域的技术人员将了解，图式可为示意性的，并且图式中的元件为简单和清晰起见而说明且不一定按比例绘制。举例来说，图式中的元件中的一些的相对尺寸可变形以有助于改进对本发明的实施例的理解。
具体实施方式
[0100]
本发明涉及包括半导体结的传感平台和形成此类传感平台的方法。参考图1，传感平台10的实施例包括半导体结12，所述半导体结包括以间隔开的关系位于半导体结的上部层18的表面16上或联接到所述表面的一对电极14。传感平台10包括光源20以照明包括电极14中的一个的至少部分的半导体结12的上部层18的表面16的部分。对电极14的此类不对称或不均匀照明通过半导体材料中的光伏效应在所述一对电极14之间产生横向电位梯度。通过传感平台基于测量由于压阻效应和/或热阻效应引起的半导体材料的电阻的改变而检测至少一个参数，例如力、压力和/或温度。
[0101]
在优选实施例中，半导体结呈包括衬底26上的上部层18的异质结的形式。在优选实施例中，上部层呈允许来自光源20的光穿过的纳米膜的形式且衬底26吸收光并产生电子-空穴对。用于衬底26的材料的实例包含但不限于小带隙材料，例如硅和锗。
[0102]
在一些优选实施例中，半导体结12包括碳化硅/硅(sic/si)异质结。明确地说，在此类优选实施例中，半导体结12包括形成具有低掺杂的p型si衬底26的异质结24的高度掺杂的p型3c-sic纳米膜22。传感平台10还包括基电极28，所述基电极邻近si衬底26且在半导体结的与半导体结12的上部层18的表面上的所述一对电极14相对的一侧上。
[0103]
3c-sic用于纳米膜22，因为其相对易于在si衬底26上形成，如本文中将描述。然而，设想可使用其它结晶形式的sic。实际上，设想在传感平台10的其它实施例中，可使用具有光伏效应和压阻效应和/或热阻效应的其它半导体材料和材料组合。此类材料的实例包含但不限于半导体材料，例如但不限于gaas、gan、aln和硅。
[0104]
一般来说，如本文中将描述，对两个间隔开的表面电极14的不均匀或不对称照明通过半导体材料中的光伏效应在所述一对电极14之间产生横向电位梯度。此类半导体结12为一系列传感器提供平台，所述一系列传感器具有显著增强的灵敏度，这是基于在光照明下电荷载流子，即空穴30和电子32，的产生和重新填充以及载流子能量的电场调制所引起的横向电位梯度的巨大改变。半导体结12形成二极管以允许电荷载流子仅在一个方向上从衬底26行进到半导体结12的上部层18。
[0105]
本发明的一些实施例包含力的检测，例如但不限于如本文中将描述的应力或应变34。半导体材料中重空穴和轻空穴的应变诱发的能带移位引起半导体材料中的载流子迁移率和电阻率的改变。对施加到半导体材料的力或压力的检测是基于电阻的分数改变δr/r0，其中δr为由于压阻效应引起的半导体材料的电阻改变，r0为所述一对电极14之间的半导体材料的初始电阻，并且r0＝v0/i，其中v0为所述一对电极14之间的电压且i为调谐电流。
[0106]
在一些实施例中，传感平台提供具有显著增强的灵敏度的温度传感器。对施加到半导体材料的温度的检测是基于电阻的分数改变δr/r0，其中δr为由于热阻效应引起的半导体材料的电阻改变，r0为所述一对电极14之间的半导体材料的初始电阻，并且r0＝v0/i，其中v0为所述一对电极14之间的电压且i为调谐电流。
[0107]
根据本发明的一些实施例，通过耦合电荷载流子的光激发、载流子迁移率的应变修改和载流子能量的电场调制而在半导体异质结12中实现巨压阻效应。光源20为可见光源，其非均匀地或不对称地照明异质结结构的材料的顶部层18，使得两个表面电极14未被均匀地照明。此产生横向光电压，所述横向光电压被受控外部电场抵消，以显著调制压阻效应的量值。3c-sic纳米膜22生长在si衬底26上以形成3c-sic/si异质结。对于传感平台的一些实施例，在可见光照明下，sic/si异质结的稳定量规因数(gf)值已高达大致58,000，其为有史以来针对半导体压阻传感器所报告的最高值。
[0108]
在传感平台10的一些实施例中，sic纳米膜22中的压阻效应用于检测力，例如机械应力或应变。在力施加到半导体材料时，力可基于由于压阻效应引起的半导体材料的电阻r的改变而被检测和测量。施加到半导体材料的力改变半导体材料中的载流子迁移率和电阻率。
[0109]
在一些实施例中，外部电位差施加在所述一对电极14之间以产生调谐电流以调制半导体结12中的压阻效应和热阻效应。因此，传感平台10的灵敏度通过最优地且同时调节横向光电压和调谐电流两者来提升。虽然重度掺杂的p型3c sic p型si(p -sic/p-si)用于传感平台的优选实施例中，但设想可增强同时具有光伏特性和压阻特性的其它材料和智能结构的灵敏度。
[0110]
在一些实施例中，通过传感平台来检测热能，并且基于由于热阻效应引起的半导体材料的光电压v的改变而测量温度。
[0111]
图2为根据本发明的实施例的传感平台10的透视图，其进一步说明通过3c-sic/si异质结中的光电耦合来增强压阻效应。通过来自光源20的可见光来调制3c-sic/si异质结中的压阻效应，所述可见光非均匀地照明且穿透3c-sic纳米膜22的上部层18的表面16，从而通过半导体材料中的光伏效应在所述一对间隔开的电极14(左侧(l)和右侧(r))之间产生横向电位梯度。在此实施例中，光伏效应与最优受控的调谐电流耦合。
[0112]
基于使用弯曲方法的重度掺杂的p型3c-sic/p型si异质结而在本发明的传感平台的实施例中实现前所未有的大压阻效应，如在下文中详细描述。3c-sic纳米膜22和si衬底26中的载流子浓度分别为5x10
18
cm-3
和5x10
14
cm-3
。光强度为19,000lux，同时在异质结中诱发225ppm、451ppm和677ppm的三个不同应变。供应最优受控的调谐电流，并且同时测量输出电压。调谐电流恒定在29.75ma。应变被周期性地施加(即，负载接通)和释放(即，负载断开)。图3比较在451ppm拉伸应变下在暗条件与光条件之间电阻的分数改变δr/r0，而图4展示在451ppm压缩应变下的δr/r0。电阻的分数改变δr/r0计算如下：
[0113][0114]
其中无应变电阻r0通过r0＝v0/i计算。v0为在无应变条件下在两个电极之间测量的电压，并且i为在整个测量中保持恒定的在两个电极14之间流动的所供应调谐电流。在施加应变/应力时，由于压阻效应，电阻r将改变。电阻的值通过r＝v/i计算，其中v为在应力/应变的施加下在两个电极14之间测量的电压。在451ppm的拉伸应变下，δr/r0从在暗条件处的0.009增加大致2,950倍到在光照明下的26.6。此趋势在压缩应变下类似。对应于451ppm压缩应变，δr/r0从-0.0087增加到-27。这些结果指示在光条件下压阻灵敏度的巨
大增强。如图5和6中所展示，其它所施加应变证实了此极大增强。图5比较在225ppm、451ppm和677ppm的拉伸应变下在暗条件与光条件之间电阻的分数改变δr/r0。图6比较在225ppm、451ppm和677ppm的压缩应变下在暗条件与光条件之间电阻的分数改变δr/r0。
[0115]
图7展示在光条件(主图表)下和在暗条件(插入图表)下随着拉伸应变增加δr/r0线性增加。图8展示在光条件(主图表)下和在暗条件(插入图表)下随着压缩应变增加δr/r0线性增加。装置的线性极佳，这对于高性能应变传感应用是合乎需要的。通过在如图7中所展示的拉伸应变下和在图8中所展示的压缩应变下同时利用横向光电压和调谐电流来调制压阻效应的性能而实现前所未有的高量规因数(gf)。
[0116]
压阻灵敏度的特征在于gf被定义为对于所施加应变的分数电阻改变，如下：
[0117][0118]
其中ε为如本文中参考图25和等式(4)和(5)详述的所施加应变。参考图7，在拉伸应变下，发现在无光存在(插入图表)下gf为20，并且在光照明(主图表)下gf增加到约58,000，此为有史以来所报告的最高应变灵敏度。同时，在压缩应变下，电阻的改变或gf类似，但与拉伸应变下的符号相反。
[0119]
在图9a-9d中描绘了在451ppm的拉伸应变下和在19,000lux强度的照明下压阻效应对所供应调谐电流i的依赖性。图9a展示具有从15μa增加到45μa的调谐电流i的gf的改变。图9b、9c和9d说明在三个区分电流范围中gf值对调谐电流i的放大图表。参考图9b，随着电流i从15μa增加到29.45μa，gf从大致-16增加到-1,800。参考图9d，对于介于30μa到45μa范围内的高电流，gf从1,800减小到约50。此归因于光调制电位相对于注入电位(即，调谐电流i)的优势。在29.45μa到30μa的电流范围中的这两个电位的补偿已引起gf的符号的改变，以及超高绝对gf值，如图9c中所展示。
[0120]
因为无应变电压v0由于电位补偿而相对较小，所以在应变下的电荷迁移率的调制引起所测量电压的显著改变，从而产生超高gf。据观察，随着调谐电流的量值更接近光电流的量值，可实现更高gf值。举例来说，在19,000lux的入射光强度下，观察到的最大gf高达95,500。然而，随着调谐电流i更接近光电流，gf更容易受到光电流的轻微变化的影响。因此，为了实现更高稳定灵敏度，调谐电流i应控制为尽可能接近光电流的量值，但要足够远以维持稳定性。因此，大致58,000的值表示在来自稳定可见光源的19,000lux强度的照明条件下基于29.75μa的恒定调谐电流而实现的稳定gf。
[0121]
因而，在本发明的传感平台的一些实施例中，通过3c-sic/si异质结中的光电耦合的压阻效应的显著增强为两个关键元素-光照明和调谐电流的组合的结果。此增强首先归因于在通过可见光对间隔开的电极14的非均匀照明的情况下3c-sic纳米膜22中的光生电位，其由两个电极14之间的横向光电压和/或光电流指示。光电压和光电流的量值可通过例如光强度、光位置和/或光波长的参数来操控。参考图10，举例来说，横向光电压在19,000lux的光强度下经测量为大致-9mv且在灯断开的情况下为0mv。参考图11，光电流的值在19,000lux的光强度下为约29.7μa且在灯断开的情况下为0μa。
[0122]
可通过改变光位置来改变所产生光电压和光电流的量值。举例来说，在19,000lux的相同光强度的情况下，从左侧(l)电极14到右侧(r)电极14逐渐调整光束的位置。参考图12，所测量电压在装置的中心处从电极l处的大正值(例如，9mv)减小到零，接着在电极r处
增加到大负值(例如，-9mv)。
[0123]
可根据横向光效应而解释3c-sic上的光电流和光电压的产生背后的基本物理学。图13a展示在光照明下根据本发明的一些实施例的3c-sic/si传感平台中的电子-空穴对的光子激发。因而，光生电荷载流子(空穴和电子)在接近光源20的电极r处具有高浓度。如下论述电荷载流子的梯度的形成。
[0124]
在重度掺杂的p型3c-sic和p型si放在一起时，由于空穴梯度的减小，空穴从3c-sic膜22扩散到si衬底26中，从而在异质结的界面附近的sic层中留下负电荷。相反，si中的电子作为次要载流子迁移到sic膜中且在si侧中产生正电荷层。电子和空穴的迁移形成耗尽区(空间电荷区)和内建电场e0，所述内建电场使耗尽区处的导带和价带弯曲。值得注意的是，耗尽区主要地延伸到si衬底中，如图13a中所展示，因为si衬底26(5x10
14
cm-3
)中的载流子浓度比sic薄膜22(5x10
18
cm-3)
中的载流子浓度低得多。
[0125]
如图13b和13c中所展示，在3c-sic膜22与si衬底26之间导带和价带的能量偏移分别为0.45ev和1.7ev。图13b和13c分别展示在电极l处在无光照明的情况下和在电极r处在光照明下sic/si的带能量图。由于sic的可见盲特性，光子仅在耗尽区和si层中被吸收，其中产生电子-空穴对(ehp)。耗尽区中所产生的ehp由内部电场e0分隔开。因此，耗尽区中的光生空穴移动到sic膜22且增加其电导率。假设si衬底26中的光生空穴也通过隧穿机制朝向sic膜22移动。在非均匀照明下，大部分光子迁移到电极r的区域中。因此，更多空穴注入到此区域中，而在电极l的附近中产生更少空穴。因此，存在从电极r到电极l的空穴浓度的电位梯度，这产生电位差，其被描述为ev
ph
＝e
f,sic@r-e
f,sic@l
，其中e为元电荷，e
f,sic
为费米(fermi)能级，并且v
ph
为所产生横向光电压。在外部电路短路时，电路中的唯一电流为光电流(i
photo
)。
[0126]
从电极r到l的空穴浓度的电位梯度也可以图14a-c中所展示的能量-动量(e-k)图表示。参考图14a，在通过光源20对电极l、r的非均质、不对称或不均匀照明下，r和l处光生空穴浓度的差异导致两个电极区处sic薄膜22中的费米能级的差异。参考图14b，在偏置电流j施加有电极r处的正极端子和电极l处的负极端子时，3c-sic带能量从电极l向上弯曲到电极r。偏置电流j产生电场eb：
[0127][0128]
其中σ和x分别为电荷载流子的电导率和与电极l的距离。电场eb抵消横向光生电场e
ph
＝ev
ph
，从而在两个电极之间产生相对较小的电压v0。明确地说，在19,000lux的光强度下，29.75ma的偏置电流几乎抵消横向光电压，从而产生几乎零电压(v0≈0)，如图14b中所展示。
[0129]
图14c展示在单轴拉伸应变下在电极l、r处带图的改变。重空穴(hh)的能带向上移位到较低能级，而轻空穴(lh)的能带向下移动到较高能级。因此，hh浓度增加且lh浓度减小，而空穴的总浓度由于高掺杂浓度而被假设不变。应指出，因为hh具有比lh更高的有效质量，所以hh浓度的增加和lh浓度的减小引起总有效质量的增加。因此，空穴的迁移率降低，从而降低电导率σ或增加电阻。因此，偏置电流j产生高电场e和高所测量电压v。如图14c中所展示的与所施加应变耦合的光照明下的电压v相对于图14b中所展示的无应变状态下的几乎零电压v0之间的显著差异引起sic纳米膜中的巨压阻效应。此外，原则上，有可能通过
调节照明条件且调谐电流以实现对应变的合乎需要巨灵敏度来朝向零调谐v0。
[0130]
在本发明的3c-sic/si异质结传感平台的一些实施例中在光电耦合下实现的58,000的巨量规因数(gf)为迄今为止所报告的最高gf且比商业金属应变计的gf大约30,000倍，并且比在暗条件中3c-sic的gf高2,000倍以上。三个参数促成了此可调谐巨压阻效应。首先，非均匀照明在3c-sic纳米膜22的顶部层内产生载流子浓度梯度，从而在此层中产生横向光电压。其次，调谐电流i减少在3c-sic中在两个电极14(l和r)处的费米能级的差异。取决于横向光电压的值，最优调谐电流可具有不同值。第三，机械应力/应变引起价带(轻空穴和重空穴)的移位，从而引起这些带当中的电荷载流子的重新分布，并且因此，改变材料的迁移率和电导率。在半导体异质结中采用此类光电耦合的本发明的传感平台因此实现了一系列超灵敏传感器。举例来说，在力施加到半导体材料时，力可基于由于压阻效应引起的半导体材料的电阻r的改变而被检测和测量。
[0131]
si衬底上的生长3c-sic。根据传感平台的一种生产方法，单晶立方碳化硅(3c-sic)在1,000℃反应器中通过低压力化学气相沉积(lpcvd)在单晶si衬底上生长。超纯硅烷和乙炔用作在3c-sic生长过程中提供si和c元素的前体材料。通过在原位生长过程中掺杂来自三甲基铝((ch3)3al)前体化合物的铝原子来形成重度掺杂的3c-sic。单晶si衬底上的单晶3c-sic的特征展示于图15到17中。图15展示sic与si之间的横截面区域的透射式电子显微镜(tem)图像，其展示通过图16中所展示的所选择区域电子衍射(saed)测量结果确认的sic纳米膜的结晶度。图17为指示在si衬底上外延生长的3c-sic膜的形成的x射线衍射(xrd)图表。
[0132]
图15中的tem图像确认sic膜的结晶特性。通过基于nanometrics纳米规格的测量所测量的3c-sic层的厚度为300nm，其中跨越晶片的公差在
±
2nm内。通过热探针和霍耳效应技术来确定3c-sic层和单晶si衬底中的载流子浓度分别为5x10
18
cm-3
和5x10
14
cm-3
。
[0133]
样品制造。为了证实通过异质结中的光电耦合的压阻效应，如图18到20中所展示的制造呈包括悬臂的应变传感器的形式的传感平台。传感平台10包括由sic-si半导体异质结形成的悬臂50。悬臂50包括朝向悬臂的一端的压敏电阻器52，所述压敏电阻器包括一对间隔开的铝电极14。悬臂50夹持或以其它方式紧固在压敏电阻器52附近的一端处。跨越电极14从电流源施加调谐电流i。光源20不均匀地照明电极14。在悬臂50的相对端处施加砝码54。在所展示的实例中，悬臂50的长度、宽度和厚度分别为32mm、5mm和0.63mm。sic膜的厚度为300nm。从悬臂50的自由端到压敏电阻器52的中心的距离为25mm。压敏电阻器的尺寸为0.5mm x 2.5mm，而电极的尺寸为0.8mm x 2.5mm。应了解，本发明不限于这些特定尺寸。
[0134]
遵循图21a到21f中所说明的过程制造五个悬臂。参考图21a，3c-sic/si悬臂的制造过程从掺杂浓度为5x10
14 cm-3
的p型si晶片(100)开始。参考图21b，厚度为300nm的3c-sic纳米膜通过lpcvd在(100)si衬底上外延生长。参考图21c，铝层通过溅射工艺沉积在3c-sic层的顶部上。参考图21d，光阻层通过旋涂技术以3,500rpm的旋转速度涂布在铝表面上，并且光阻层在110℃下烘烤100秒。接下来，晶片暴露于紫外光以图案化电极的形状。参考图21e，铝电极通过铝湿式刻蚀工艺形成。参考图21f，3c-sic/si晶片经切割以形成悬臂。通过原子力显微镜测量来估计的悬臂顶表面的均方根粗糙度小于15nm。在黑暗中且在室温下进行sic纳米膜和sic/si异质结构的电流-电压测量。如图22中所展示，i-v特征在暗条件和光条件两者下均为线性的，这确认欧姆接触形成在铝电极14与3c-sic层22之间。
[0135]
光电耦合特征。为了表征本发明的传感平台的光电耦合效应，在相同条件且在相同程序的情况下测试了五个悬臂50。如图23中的简图和图24中的实验设置的照片中所展示，悬臂50安装在ep 6cascademicrotech探针系统的夹盘上。可准确地调整悬臂50的位置。通过来自呈ep 6cascademicrotech探针系统中所使用的光纤照明器的形式的光源20的竖直可见光从上方照明悬臂50。可通过使用精密xyz载物台精确地控制光束位置。光强度通过使用数字照度计来测量且为19,000lux。通过使用悬臂弯曲实验来诱发sic/si传感平台上的拉伸和压缩应变。50g、100g和150g的三个不同砝码悬挂在悬臂50的自由端上以在传感元件中诱发应变。通过使用keithley 2450源表来控制调谐电流i并且同时测量两个电极14之间的电压。
[0136]
现进一步参考图25描述如通过图18到20中所展示的应变传感器所测量的应变的计算，所述图描绘一端被夹持且一端自由的悬臂50。悬臂的宽度和厚度分别为w和t。从自由端(负载点)到压敏电阻器的中心的距离为l。t
si
和t
sic
分别为si衬底和sic薄膜的厚度。e
si
和e
sic
分别为si和sic在[100]定向上的杨氏模量。力f施加到悬臂的自由端。在sic在si衬底上外延生长时，假设si衬底与sic层之间的结合为完美的，通过使用双层光束的弯曲模型来计算压敏电阻器的中心中的应变ε。因为si衬底和sic层的长度相等，所以压敏电阻器的横向应变为：
[0137][0138]
其中tn为从中性轴到压敏电阻器的距离。每单位弯曲模量估计为：
[0139][0140]
将给定参数代入等式(4)和(5)提供形成传感元件的悬臂处的应变，其与50g、100g和150g的三个所施加负载对应，如下表1中所展示。使用有限元分析(fea)方法也确认了结果。
[0141]
表1
[0142][0143]
图26说明呈压力传感器60的形式的传感平台10的另一实施例。压力传感器60由3c-sic/si半导体异质结构形成，所述异质结构包括呈如本文中所描述形成在si衬底26上的sic纳米膜22形式的sic上部层18。压力传感器60包括形成在如本文中所描述的上部层18上的间隔开的铝电极14。压力传感器60具有带有隔膜结构62的方形结构。隔膜结构62形成在半导体材料的si衬底26中，其中si衬底26包括被施加力的凹陷或变薄区64且因此通过如本文中所描述的压力传感器60来检测压力。在此实施例中，半导体材料的凹陷或变薄区64的形状大体上为方形或矩形，并且具有边长a和厚度t。铝14的部分与凹陷或变薄区64重叠距离b，这在两个电极14之间的隔膜64的边缘处形成电阻器66(传感元件)。尺寸a和t影响隔
膜64在压力下的变形且因此影响灵敏度。更大面积的隔膜(更大a)和/或更薄隔膜(更小t)提供更高灵敏度。包括电极14中的一个的至少部分的sic上部层18的部分和凹陷或变薄区64由定位在上部层18上方的可见光源20照明。调谐电流i施加在电极14之间且跨越电极14的光电压v如本文中所描述被测量。光源20的位置被布置成接近一个电极14以在两个电极14之间产生光梯度且因此产生横向光电压。应了解，根据本发明的实施例的压力传感器不限于图26中所展示且上文所描述的特定配置。根据本发明的实施例的压力传感器可具有根据特定应用的其它形状和配置。
[0144]
图27为比较在由图26中所展示的压力传感器60检测到的不同压力下在交替的暗条件与光条件之间随时间推移的电压的分数改变δv/v0的图表。图27展示在检测300mbar、400mbar、500mbar、600mbar和700mbar的所施加压力的光条件下电压的分数改变δv/v0的峰值。在光条件之间的暗条件下，电压的分数改变δv/v0下降到大体上零。图28为展示随着在光条件下由图26中所展示的压力传感器检测到的压力增加δv/v0线性增加的图表。
[0145]
图28a说明根据本发明的一些实施例的等效于形成传感平台和传感元件的基础的3csic/si异质结的电路模型。p-si衬底26和异质结24在电荷载流子(电子/空穴对)到3c-sic薄膜22中的产生和重新分布中起关键作用。传感元件呈由两个电极14(l、r)限定的sic薄膜电阻器r
sic
的形式。包括二极管d1、d2和电阻器r
si
的二极管配置表示重度掺杂的p型3c-sic/p型si异质结24，这仅允许电荷载流子在si中存在过量电荷载流子时(例如，由于光子激发)从si侧移动到sic。因此，在si衬底浮动或保持在低于sic侧上的电位的电位以维持反向偏置条件时，此异质结配置良好工作。此通过在两种情况下的实验来证实，即在si衬底26接地时和在si衬底26浮动时，并且结果类似。
[0146]
半导体结中电荷载流子的光子激发和热激发的耦合。
[0147]
根据其它实施例，本发明涉及基于半导体结中电荷载流子的光子激发和热激发的耦合的传感平台。
[0148]
图29为说明根据本发明的一些实施例的呈光热电传感平台的形式的sic/si半导体结中电荷载流子的光子激发和热激发的耦合的示意图。可见光照明(图29中未展示)提供光子以激励sic/si异质结构和硅衬底中的电荷载流子，而sic纳米膜为可见光盲的。对间隔开的电极p和q的不均匀、非均质或不对称光照明引起电荷载流子浓度的梯度或电极p与q之间的电压梯度，其中光强度在电极q处较强且在电极p处较弱。此被称作横向光伏效应。随后，温度改变提供热能以将电荷载流子从受体能级激发到价带。sic/si平台中光激发和调谐电流的耦合增强了sic纳米膜中热激发的电荷载流子的输运特性。因此，此类平台可用于如本文中所描述的超灵敏温度传感器。
[0149]
图30展示用于sic纳米膜中的热阻效应，即电阻随着温度变化而改变，以及呈p -sic/p-si异质结形式的传感平台70或装置中的光热电效应的特征的实验设置。异质结包括如本文中所描述的si衬底26上的sic纳米膜22。在热阻测量中，呈热板形式的热源72用于封闭室74中以控制传感平台70的温度。封闭室74包括在腔室的上壁中的孔口76。为了表征光热电效应，光源20放置在腔室74外部以通过孔口76提供对传感平台70的非均匀照明，从而在平行于p -sic/p-si异质结构的sic纳米膜22中产生横向光电压.电流i经由线结合78施加到传感平台70的sic纳米膜22上的电极14。
[0150]
图31和32展示在暗条件(即其中光源20断开)中sic纳米膜的热阻效应的测量结
果。在恒定的所施加电流i下，所测量电压v随着温度增加而减小，指示电阻减小，如图32中所展示。这表明相较于p -sic纳米膜中的载流子-晶格散射效应的所激发电荷载流子的优势。在i＝340μa的所施加电流下，所测量从100mv减小到88mv电压，如图31中所展示，对应于p -sic纳米膜的电阻减小10％以上，如图32中所展示。在温度增加时，sic中的受体由热能激发且有助于增加电导率或减小电阻。基于图31中所展示的线性i-v特征，电阻r由欧姆定律定义：r＝v/i，并且相对电阻改变仅按以下形式描述：δr/r0＝δv/v0，其中v0和r0分别为参考温度t0下所测量的电压和电阻。δv为电压改变。在狭窄温度范围中，电阻温度系数(tcr)可近似为tcr＝δr/r
0 x1/δt，其中δt＝t-t0为温度改变。在温度从25℃改变到50℃时，发现tcr值几乎恒定在大致-0.5％/k。tcr值适用于使用商业化电阻式温度检测器(rtd)传感器的当前热阻温度传感技术。
[0151]
在下一部分中，通过经由由p -sic/p-si半导体结形成的传感平台中的电荷载流子的产生和控制而耦合光伏效应和热阻效应来证实光热电效应。
[0152]
图33为根据本发明的一些实施例的基于半导体结中电荷载流子的光子激发和热激发的耦合的传感平台80的透视图示。图33说明在来自光源20的热和可见光照明下p -sic/p-si异质结中的光热电。对间隔开的铝电极14(p、q)的非均匀光照明在sic纳米膜22的价带中引入电荷载流子浓度(即，空穴)的梯度。因而，由于在电极q处高强度的光照明，空穴浓度从电极p朝向电极q增加。因此，相较于电极p处电荷载流子的准费米能级，电极q处的电荷载流子的准费米能级e
fv,sic
更接近价带e
v,sic
。此过程导致电极p与q之间的电位差。在温度增加时，sic中的受体被激发到sic层22的价带，所述受体由电极p与q之间的电位差调制。
[0153]
为了验证此效应，用可见光不对称地照明sic纳米膜22。参考图34，在2,000lux的固定光照明下执行i-v测量，指示线性i-v特征。在室温25℃下，由于横向光效应，光电压v
photo
为约2mv，并且所产生光电流i
photo
为大致7.6μa。图35展示温度变化下的完整i-v测量结果。参考图35，接近7.6μa的光电流，所测量电压随着温度增加而显著改变，如图35中的插入图表中所展示。为了定量评估光热电效应，利用电阻温度系数(tcr)，其确定为tcr＝(δv/v0)/(t-t0)，其中i0和v0分别为所施加电流和初始所测量电压。
[0154]
图36和37分别展示相较于黑暗在下测量的相对电压改变和tcr改变，在2,000lux的光照明下随着传感平台80的p -sic/p-si异质结的温度变化的相对电压改变和tcr改变。在50℃下，测量光条件下的相对电压改变(δv＝v0)
light
，其中在温度从室温增加到50℃时，增加高达1,000％。清楚地观察到光条件与暗条件之间的电压比率(δv/v0)
light
＝(δv/vo)
dark
的递增在50℃下大致为100倍，如图36中所展示。此增强反映了在光照明下在sic纳米膜22中产生的光电压梯度的显著贡献。参考图37，sic纳米膜22的tcr值在暗条件中在25℃到50℃的温度范围内相对稳定在-0.5％/k，而其在2,000lux的光条件和7.6μa的所施加电流下增加到大致-50％/k。此递增指示通过操控光条件和电场/电流可实现p -sic/p-si传感平台80的超灵敏温度传感效应。结果表明采用sic纳米膜22和纳米异质结构中的横向光电和电荷载流子的热激发的温度传感技术的显著进步。
[0155]
光热电子学展示可调谐和可控制特性。参考图38，在小于5μa或高于10μa的所施加电流的范围中，绝对tcr值小于1.5％/k，其与针对黑暗中的热阻效应所测量的稳定tcr相当，如图37中所展示的插入图表中所展示。此归因于相较于注入的相反电位(i《5μa)，由光伏效应产生的电位梯度占主导地位，而i》10μa则相反。因此，热激发的电荷载流子对温度灵
敏度起着微不足道的作用。
[0156]
然而，在所施加电流提供光生电荷载流子的电位与所注入电位之间的足够补偿时，小所测量电压产生5-10μa的电流范围。相较于初始所测量电位，由热激发产生的电荷载流子产生大电位。取决于所注入电位的方向，热活化的电荷载流子可将tcr从正值调谐到负值。观察到高达-50％/k的最高负tcr，如图39中所展示。在此光电流下，由于光生电荷载流子电位和所注入电位的补偿，总电位差v0相对较小(小于10μv)。在所注入电流的施加下，由热能激发的电荷载流子将显著增加此电位差(例如，输出电压)。因此，在可见光照明下，p -sic/p-si平台实现了超高传感性能。可通过增加光电压v
photo
和光电流i
photo
来进一步提高光热电传感平台的性能。
[0157]
光热电装置的增强取决于以下参数：(i)光子的吸收系数；(ii)所产生电子-空穴对(ehp)的数目；以及(iii)电极处的电荷载流子的收集，此由sic与si界面之间的电荷载流子的转移过程调适。图40a展示p -sic/p-si界面处的电荷分布和相应带能量图。由于5x10
18
cm-3
的高空穴掺杂浓度，来自p -sic的空穴扩散到具有10
14
cm-3
的较低掺杂浓度的p-si衬底且在异质结的sic侧上留下负电荷。作为在其中具有较高浓度的p-si中的次要载流子的电子朝向p -sic移动且在异质结的si侧上产生正电荷，从而产生电场e0。此电场使p -sic的价带相对于p-si的价带向上弯曲。图40a中的带能量图的形成是基于δec＝0.45ev的导带偏移和sic与si之间的δev＝1.7ev的价带偏移。在2.3ev的大带隙的情况下，sic为具有低吸收系数的可见光盲半导体。
[0158]
参考图40b，在可见光照明下，光生电子-空穴对(ehp)出现在异质结和硅层中。并不组合的空穴和电子将促进电导率。由于光照明下的非平衡条件，费米能级ef分成两个准费米能级(例如，电子的e
fc
、空穴的e
fv
)，从而产生化学能ev＝e
fc-e
fv
。由于p型si和sic中空穴的大浓度，价带的费米能量e
fv
的梯度小于e
fc
的梯度。由于p-si初始地具有比p -sic更低的空穴浓度，因此相较于e
fv,sic
朝向e
v,sic
的移位，光生空穴朝向价带e
v,si
更显著地推动费米能量e
fv,si
。此产生类似于太阳能电池中所产生的si与sic之间的电位差(例如，e
fv,si-e
fv,sic
)。产生驱动力的内置电场e0分离ehp并且朝向p -sic驱动异质结构中的光生空穴且朝向p-si驱动光生电子。在sic层中，这些空穴朝向右侧流动(例如，在电极p或q处)，因为电化学电位朝向右侧减小。由于表面/电极处的强复合，费米能量合并为单个费米能量(在p和q处)。
[0159]
参考图40c，在温度增加时，受体被热能激发且促成价带中的电荷载流子。假设p-si中热产生的空穴可通过内置电场e0且经由隧穿机制朝向p -sic驱动。此产生额外电荷载流子且增强p -sic纳米膜22的热灵敏度，此在下文详细地论述。
[0160]
图41a、41b和41c说明在照明下p -sic纳米膜的光热电电位的调制，展示两个电极之间的光电压以及对应能带图。在非均匀光照明下，电极q处的空穴浓度高于p处的空穴浓度，从而形成电梯度或光电压v
photo
＝e
fv,sic@p-e
fv,sic@q
，如图41a中所展示。图42展示在2,000lux的可见光照明的接通/断开状态下实时测量的此光电压v
photo
，展示横向光电压信号的可重复性和可靠性。对光照明的响应时间经估计为小于50ms。v
photo
的值随着温度的增加以0.2％/k的速率增加，如图43中所展示。此指示化学能随着温度增加而减小。推测p-si与p -sic之间的能量势垒高度的减小可归因于p-si与p -sic之间的费米能量差的减小。光电压诱发由菲克扩散定律定义的电荷电流，jd＝-e x n x d x grad(n)/n，其中e和n分别为
元电荷和电荷浓度，并且d为取决于载流子迁移率的扩散系数。
[0161]
通过将偏置电流从电极p施加到q(即，安置在q处的负电位)，sic带能量从电极p向上弯曲到电极q。此偏置电流对应于电场其中为在扩散电流jd的反向方向上驱动励磁电流jf的电位，所述励磁电流表达为其中σ为电荷载流子的电导率。因此，励磁电流补偿扩散电流，从而产生总共相对小电场，其经测量为v0。
[0162]
图41b展示在室温(25℃)下在两个电极p与q之间诱发的此小电位差v0。在温度增加时，空穴的热激发将显著增加电荷载流子的电导率。在恒定的所施加励磁电流下，电极p与q之间的电位向下显著弯曲，如图41c中所展示。
[0163]
图44展示随着温度增加电极p与q之间的所测量电压的改变的实验结果。在温度从室温增加到50℃时，所测量电压改变大致1,000％且其符号从正变成负。所测量电压的此巨大改变成功地证实光热电子学为用于固态电子件的先进温度传感技术，并且解释根据本发明的实施例的温度传感平台和温度传感器的操作。
[0164]
因此，本发明的一些实施例涉及基于可见光盲半导体纳米膜中的光热电效应的超灵敏热传感平台和传感器，且明确地说涉及在p-si衬底上形成纳米异质结构的p -sic纳米膜。光热电子学采用p -sic/p-si异质结构中的光子激发来操控sic纳米膜中的电荷载流子的热激发且调制巨温度传感效应。通过补偿光生空穴梯度和电位，光热电效应为电可控的，其中温度灵敏度可从负tcr调谐到正tcr。在2mv的光电压和7.6μa的光电流下，光热电子学在室温下操控大致-50％/k的巨大tcr值。此温度灵敏度比在无光子激发的情况下测量的热阻灵敏度大100倍，比当前商业化rtd传感器的性能高至少两个数量级。在根据本发明的热传感平台和传感器中，电荷载流子的热激发和输运通过光子激发进行调制，以显著增强固态电子件的性能，超越最先进的热传感技术。
[0165]
参考图21a和21b，对于根据本发明的一些实施例的热传感平台和传感器的sic纳米膜，热壁低压力化学气相沉积(lpcvd)反应器用于在1,000℃下生长单晶立方碳化硅(3c-sic)。为了提供用于生长过程的si和c原子，硅烷(99.999％)和乙炔(99.999％)用作前体。部署具有高于10
19
cm-3
的al原子浓度的三甲基铝[(ch3)3al，tmal]前体以在原位生长过程中形成p型高度掺杂的sic材料。
[0166]
参考图21c，具有300nm的厚度的铝通过溅镀工艺沉积在sic晶片的顶部上。参考图21d，用以4,000rpm的旋转速度在铝层上旋涂的2μm厚的正性光阻层执行光刻工艺。晶片接着在105℃下软烘烤90s。使用紫外线(uv)光和光阻显影剂来图案化光阻层。参考图21e，湿式刻蚀工艺用于蚀刻铝且形成电极。最后，去除光阻层。
[0167]
在5
×
5μm2的区域中，原子力显微镜(afm)测量结果指示小于20nm的均方根(rms)粗糙度。sic膜的厚度通过基于纳米规格的测量确定为280nm，其具有在
±
1％内跨越生长的sic晶片的非均匀性。执行霍尔测量以确定sic膜中载流子的掺杂浓度。透射式电子显微镜(tem)、所选择区域电子衍射(saed)和x射线衍射(xrd)测量技术用于表征在si上生长的sic膜的结晶度，如图15、16和17中的实例中所展示。使用封闭的linkam腔室(hfs600e-pb4)和来自显微镜的2000lux下的光照明来执行温度表征。包含i-v特征的所有电测量均使用源表(keithley 2450)来执行。
[0168]
根据其它方面，并且参考图45，本发明的实施例在于在半导体结中产生传感平台
的方法200。在202处，方法200包括将一对电极14以间隔开的关系联接到半导体结12的上部层18的表面16。明确地说，铝电极沉积在sic晶片的顶部上，如本文中所描述。
[0169]
在204处，方法200包括用来自光源的可见光照明包括电极中的一个的至少部分的半导体结12的表面16的部分，以通过半导体中的光伏效应在所述一对电极14之间产生横向电位梯度。
[0170]
在206处，方法200的实施例包括通过传感平台检测至少一个参数是基于测量由于压阻效应和/或热阻效应引起的半导体材料的电阻的改变。
[0171]
在208处，方法200的实施例包括在所述一对电极14之间施加外部电位差以产生调谐电流i以调制半导体结12中的压阻效应和/或热阻效应。
[0172]
在210处，方法200的实施例包括将机械应力或应变施加到半导体结以改变半导体材料中的载流子迁移率和电阻率。
[0173]
在212处，方法200的实施例包括将热能施加到半导体结以产生电荷载流子且改变半导体材料中的载流子迁移率和电阻率。
[0174]
因此，本发明的实施例提供解决或至少改善现有技术传感器的前述问题中的一个或多个的传感平台和传感器。举例来说，根据本发明的实施例的传感平台和传感器具有超高灵敏度和良好线性响应特征。传感平台和传感器可体现在具有近端光源的半导体结中，使得此类传感平台和传感器能够小型化且适于极广泛多种应用。明确地说，由于sic的极佳机械强度、化学惰性、电稳定性和热耐久性，基于sic/si异质结的本发明的实施例使得此类传感平台和传感器能够在高温下和在其它恶劣环境中使用。
[0175]
在本说明书中，术语“包括(comprises)”、“包括(comprising)”或类似术语意欲意谓非独占包含，使得包括元件列表的设备不仅包含那些元件，还可良好地包含未列举的其它元件。
[0176]
在本说明书中参考任何现有技术不是且不应被视为对现有技术形成公共常识的部分的承认或者任何形式的建议。
[0177]
在整个说明书中，目标已在不将本发明限制于任何一个实施例或具体特征集合的情况下描述本发明。相关领域的技术人员可实现来自将仍然处于本发明的范围内的具体实施例的变化。