用于生物识别认证的微电子传感器制造技术

在一些实施方案中，微电子传感器包括开栅伪导电高电子迁移率晶体管并用于对用户进行生物识别认证。晶体管包括衬底，在衬底上沉积有多层异质结结构。该异质结结构包括缓冲层和势垒层，两者均由III‑V单晶或多晶半导体材料生长而成。二维电子气(2DEG)导电沟道形成在缓冲层和势垒层之间的界面处，并在系统中源极电极和漏极电极之间提供电子电流。欧姆或非欧姆(电容耦合)的源极触点和漏极触点连接到所形成的2DEG沟道和电金属化层，后者放置在晶体管之上并将其连接到传感器系统。金属栅极电极放置在势垒层上或上方的源极区和漏极区之间，其可凹陷或生长到特定厚度。可选的电介质层沉积在势垒层之上。

Microelectronic Sensors for Biometric Authentication

In some implementations, microelectronic sensors include open-gate pseudoconductive high electron mobility transistors and are used for biometric authentication of users. The transistor consists of a substrate on which a multi-layer heterojunction structure is deposited. The heterojunction structure consists of a buffer layer and a barrier layer, both of which are grown from III_V single crystal or polycrystalline semiconductor materials. Two-dimensional electron gas (2DEG) conductive channel is formed at the interface between buffer layer and barrier layer, and provides electronic current between source electrode and drain electrode in the system. Ohmic or non-ohmic (capacitively coupled) source and drain contacts are connected to the formed 2DEG channel and electrometallized layer, which is placed on the transistor and connected to the sensor system. Metal gate electrodes are placed between the source and drain regions on or above the barrier layer, and can be sagged or grown to a specific thickness. The optional dielectric layer is deposited on the barrier layer.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于生物识别认证的微电子传感器
本申请涉及基于高电子迁移率晶体管的微电子传感器及其在人体所产生电信号的检测和持续监测中的用途的领域。具体地讲，本申请涉及开栅伪导电高电子迁移率晶体管及其在生物识别认证中的用途。
技术介绍
目前，各种不同类型的生物识别认证系统用于智能手机、钥匙锁、机场和需要极高认证水平的高安全级别场景。市售认证系统可包括指纹ID传感器、虹膜ID传感器或语音识别。但是，这些系统被证明安全性相对较低。在2014年，市场上引入了Bionym的基于心电图(ECG)的新型生物识别认证设备。该设备称为“Nymi”，能够捕获人的独特心电图波形，并进一步将其绘制成ECG图形。Nymi作为手镯或腕带长时间佩戴在用户的手腕上，其使用学习算法记忆用户的ECG图形，以便提高用户认证质量和水平。Bionym的WO2012151680专利公开了一种基于ECG信号分析用于验证一个或多个个体的生物识别传感器。该传感器依赖于通过匹配用户的(通过心电图传感器捕获的)ECG波形的整体形状进行的身份认证。与其他认证方法(如指纹扫描和虹膜识别)不同，只要佩戴者保持Bionym腕带开启，Bionym的传感器就会持续认证。要通过Nymi进行认证，用户带上腕带，底部传感器即接触手腕，再用一只手接触顶部传感器就可形成电气回路，这样就生成了用于认证其身份的ECG数据，并且腕带通过蓝牙将ECG传送到用户附近的智能手机或其他外部设备上相应的经注册的应用，以验证佩戴者的身份。然而，诸如Nymi的生物识别认证设备和类似的基于ECG的设备具有若干缺点。首先，他们使用单个数据源(ECG)来绘制用户的唯一ID简档，这样会使其成为信号克隆和类似安全破解技术的主要目标。其次，这些设备不是封闭系统，不能提供单个封闭的集成芯片解决方案，这可以被认为是硬件级别上的又一容易招致篡改和安全破坏的问题。需要始终佩戴Nymi才能使用其认证系统，这可能给某些用户带来困扰。此外，Nymi和类似的基于ECG的设备不能为用户的简单验证提供单接触点，要求用户在每次使用之前执行相当复杂的步骤和程序以认证自身，例如，每个用户必须每天执行使用双手闭合电路并认证用户的过程。因此，这些技术不能直接集成到终端设备中，例如信用卡和移动电话，以用于单点认证。然而，使用上述基于ECG的传感器存在两个主要缺点。首先，许多药物和各种心理状况可以直接影响、改变和更改由传感器记录的心律周期，致使一般认证系统有时可能失败。其次，基于ECG的传感器或感测心脏和肺的血流动力学电信号的类似传感器需要一个甚至两个完整的心搏周期才能认证用户。在现实世界的应用中，与现有的电容式指纹传感器相比，这是一个巨大的缺点，因为与现有的一秒认证时间相比，其认证用户或例如解锁电话需要的时间过长。鉴于上述情况，对开发新的基于记录用户生理信号的生物识别认证传感器的需求由来已久，目标是能克服现有的测量心脏偶极周期的基于ECG的传感器的上述缺点。
技术实现思路
本申请描述了用于使用基于开栅伪导电高电子迁移率晶体管(PC-HEMT)的微电子传感器来监测人体主体的生理参数的方法的实施方案。在一些实施方案中，晶体管包括衬底，在衬底上沉积有多层异质结结构。该异质结结构可包括至少两个层，即缓冲层和势垒层，所述层由III-V单晶或多晶半导体材料生长而成。导电沟道形成在缓冲层与势垒层之间的界面处并在系统中源极电极与漏极电极之间提供电子电流或空穴电流，该导电沟道就双层配置而言包含二维电子气(2DEG)，或者就三层配置而言包含二维空穴气(2DHG)。欧姆或电容耦合(非欧姆)的源极和漏极触点连接到所形成的2DEG/2DHG沟道以及电金属化层，后者放置在晶体管之上并将其连接到传感器系统。可选的电介质层沉积在异质结结构之上。由于将顶层凹陷或生长到特定的厚度，因此晶体管的开栅区域形成在源极区与漏极区之间。如果源极触点和漏极触点是非欧姆(电容耦合)的，那么为了电接触下方的比金属化层低大约5-20nm的2DEG/2DHG沟道，会使用AC频率机制。通常在高于30kHz的频率下感应出非欧姆金属触点与2DEG/2DHG沟道的电容耦合。对于非欧姆触点，无法执行DC读出，而是会对流过2DEG/2DHG沟道的电流执行AC读出或阻抗测量。在一些实施方案中，PC-HEMT结构的显著特征是：(i)源极触点与漏极触点之间开栅区中顶层的厚度为5-9nm，优选地为6-7nm，更优选地为6.3nm，并且对应于晶体管的常开工作模式与常闭工作模式之间的伪传导电流范围，(ii)源极触点与漏极触点之间开栅区中顶层的表面的粗糙度为大约0.2nm或更少，优选地为0.1nm或更少，更优选地为0.05nm，以及(iii)用于与导电2DEG/2DHG沟道电容耦合的非欧姆源极和漏极触点可选地替代欧姆触点。在一些实施方案中，本申请的PC-HEMT多层异质结结构由任何可用的III-V单晶或多晶半导体材料，例如GaN/AlGaN、GaN/AlN、GaN/InN、GaN/InAlGaN、GaAs/AlGaAs、GaN/InAlN、InN/InAlN和LaAlO3/SrTiO3，生长而成。对于GaN/AlGaNPC-HEMT，已令人意外地发现，在该PC-HEMT的开栅区中，与该PC-HEMT的常开工作模式与常闭工作模式之间的伪传导电流范围对应的顶层厚度为大约6-7nm。在一个具体的实施方案中，异质结结构可为三层结构，该三层结构由两个缓冲层和像三明治一样挤压在所述缓冲层之间的一个势垒层组成。这可引起在势垒层上方的顶部缓冲层中形成二维空穴气(2DHG)，从而导致晶体管的极性反转。在一些实施方案中，本申请提供了一种用于生物识别认证的基于PC-HMET的微电子传感器及其使用方法各种实施方案可提供不同的有益效果，并且可与各种应用结合使用。在附图和以下描述中阐述了一个或多个实施方案的细节。通过这些描述和附图以及通过权利要求，所描述的技术的其他特征、目的和优点将显而易见。附图说明通过结合附图进行的以下详细描述，将更全面地理解和领会所公开的实施方案。图1a示意性地示出了根据一种实施方案的PC-HMET的横截面视图，其中不具有电介质层且具有RF发生器。图1b示意性地示出了根据一种实施方案的PC-HMET的横截面视图，其中具有电介质层且具有RF发生器。图2示意性地示出了GaN/AlGaNHEMT的2DEG沟道内部感应出的源-漏电流(载荷子密度)对凹陷在开栅区中的AlGaN势垒层的厚度的依赖关系。图3示出了导带不连续时2DEG形成(电荷中性与最低能级的组合)背后的理论。图4a示出了用于22-nmAlGaN势垒层的PC-HEMT的灵敏度，该势垒层正常生长然后凹陷至6-7nm。图4b示出了用于超薄AlGaN势垒层的PC-HEMT的灵敏度，该势垒层生长至6-7nm然后向下凹陷至5-6nm并用等离子蚀刻。图5a示意性地示出了2DEG和2DHG导电沟道在Ga面三层AlGaN/GaNPC-HEMT结构中的形成。图5b示意性地示出了2DEG和2DHG导电沟道在N面三层AlGaN/GaNPC-HEMT结构中的形成。图5c示意性地示出了2DEG导电沟道在N面三层AlGaN/GaNPC-HEMT结构中的形成，该N面三层AlGaN/GaNPC-HEMT结构具本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于对用户进行生物识别认证的微电子传感器，其包括：1)伪导电高电子迁移率晶体管(定义为“晶体管”)或其阵列，其能感测所述用户的身体产生的电信号；其中，所述晶体管中的每一个晶体管印制在柔性印刷电路板(PCB)上，连接到印制在所述PCB上的其专用的电接触线，并且包括：(a)由III‑V单晶或多晶半导体材料制成的多层异质结结构，所述结构包括至少一个缓冲层和至少一个势垒层，所述层交替堆叠，并且所述结构沉积在衬底层上；(b)包括二维电子气(2DEG)或二维空穴气(2DHG)的导电沟道，所述导电沟道形成在所述缓冲层与所述势垒层之间的界面处并在所述晶体管中源极触点与漏极触点之间提供电子或空穴电流；(c)所述源极触点和所述漏极触点，所述源极触点和所述漏极触点连接到所述2DEG或2DHG导电沟道并且连接到用于将所述晶体管连接到电子电路的电金属化层；以及(d)内部或外部金属栅极电极，其电连接到与任何单个身体点的导线触点，且放置在所述源极触点与所述漏极触点之间的所述势垒层上或机械地悬挂于所述势垒层上方而不与下方的所述势垒层物理接触。其中：(i)在所述源极触点与所述漏极触点之间的所述势垒层的厚度为5‑9纳米(nm)，对应于所述晶体管的常开工作模式与常闭工作模式之间的伪传导电流范围；并且(ii)所述势垒层的表面具有大约0.2nm或更少的粗糙度。2)AC电极(定义为“RF发生器”)，其印制在所述PCB上，连接到所述晶体管，并且能够生成耦合到所述用户身体中的射频(RF)毫秒矩形正弦AC脉冲；以及3)微控制器，其用于在所述传感器的下述两个工作模式之间切换：利用所述RF发生器的AC脉冲生成/发射模式和利用所述晶体管的感测模式。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.05.17 US 15/157,285;2016.07.14 US 62/362,1651.一种用于对用户进行生物识别认证的微电子传感器，其包括：1)伪导电高电子迁移率晶体管(定义为“晶体管”)或其阵列，其能感测所述用户的身体产生的电信号；其中，所述晶体管中的每一个晶体管印制在柔性印刷电路板(PCB)上，连接到印制在所述PCB上的其专用的电接触线，并且包括：(a)由III-V单晶或多晶半导体材料制成的多层异质结结构，所述结构包括至少一个缓冲层和至少一个势垒层，所述层交替堆叠，并且所述结构沉积在衬底层上；(b)包括二维电子气(2DEG)或二维空穴气(2DHG)的导电沟道，所述导电沟道形成在所述缓冲层与所述势垒层之间的界面处并在所述晶体管中源极触点与漏极触点之间提供电子或空穴电流；(c)所述源极触点和所述漏极触点，所述源极触点和所述漏极触点连接到所述2DEG或2DHG导电沟道并且连接到用于将所述晶体管连接到电子电路的电金属化层；以及(d)内部或外部金属栅极电极，其电连接到与任何单个身体点的导线触点，且放置在所述源极触点与所述漏极触点之间的所述势垒层上或机械地悬挂于所述势垒层上方而不与下方的所述势垒层物理接触。其中：(i)在所述源极触点与所述漏极触点之间的所述势垒层的厚度为5-9纳米(nm)，对应于所述晶体管的常开工作模式与常闭工作模式之间的伪传导电流范围；并且(ii)所述势垒层的表面具有大约0.2nm或更少的粗糙度。2)AC电极(定义为“RF发生器”)，其印制在所述PCB上，连接到所述晶体管，并且能够生成耦合到所述用户身体中的射频(RF)毫秒矩形正弦AC脉冲；以及3)微控制器，其用于在所述传感器的下述两个工作模式之间切换：利用所述RF发生器的AC脉冲生成/发射模式和利用所述晶体管的感测模式。2.根据权利要求1所述的微电子传感器，其中发射的所述AC脉冲在通过所述用户身体的信号线上的100MHz到100GHz的频域范围内。3.根据权利要求1或2所述的微电子传感器，其中所述RF发生器的接地与所述晶体管的接地连接。4.根据权利要求1-3中任一项所述的微电子传感器，其中所述晶体管的所述多层异质结结构包括一个缓冲层和一个势垒层。5.根据权利要求1-3中任一项所述的微电子传感器，其中所述晶体管的所述多层异质结结构包括一个顶部缓冲层、一个势垒层和一个底部缓冲层，所述势垒层放置在所述顶部缓冲层与所述底部缓冲层之间，并且所述二维电子气(2DEG)导电沟道形成在所述势垒层上方的所述顶部缓冲层中，靠近所述顶部缓冲层与所述势垒层之间的界面，从而得到所述晶体管的N面极性。6.根据权利要求1-3中任一项所述的微电子传感器，其中所述晶体管的所述多层异质结结构包括一个顶部缓冲层、一个势垒层和一个底部缓冲层，所述势垒层放置在所述顶部缓冲层与所述底部缓冲层之间，并且所述二维空穴气(2DHG)导电沟道形成在所述势垒层上方的所述顶部缓冲层中，靠近所述顶部缓冲层与所述势垒层之间的界面，从而得到所述晶体管的Ga面极性。7.根据权利要求1-6中任一项所述的微电子传感器，其中所述晶体管的所述源极触点和所述漏极触点是欧姆触点。8.根据权利要求1-6中任一项所述的微电子传感器，其中所述晶体管的所述源极触点和所述漏极触点是非欧姆触点。9.根据权利要求8所述的微电子传感器，其中所述晶体管的所述电金属化层电容耦合到所述2DEG导电沟道或所述2DHG导电沟道以感应出位移电流，从而形成所述非欧姆源极触点和非欧姆漏极触点。10.根据权利要求1-9中任一项所述的微电子传感器，其中所述晶体管的所述III-V单晶或多晶半导体材料是GaN/AlGaN、GaN/AlN、GaN/InN、GaN/InAlN、InN/InAlN、GaN/InAlGaN、GaAs/AlGaAs和LaAlO3/SrTiO3。11.根据权利要求10所述的微电子传感器，其中所述III-V单晶或多晶半导体材料是GaN/AlGaN。12.根据权利要求1-11中任一项所述的微电子传感器，其中所述晶体管进一步包括沉积在所述多层异质结结构之上、所述金属电极之下的电介质层。13.根据权利要求12所述的微电子传感器，其中所述电介质层包括厚度为100-100-100nm的SiO-SiN-SiO(“ONO”)叠...

【专利技术属性】
技术研发人员：阿亚尔·拉姆，阿米尔·利希滕斯坦，
申请(专利权)人：艾皮乔尼克控股有限公司，
类型：发明
国别省市：新加坡,SG