CN102830137A - 氮化镓基液体传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氮化镓基液体传感器，包括：欧姆接触电极、表面钝化层、肖特基接触电极及半导体衬底；所述半导体衬底外延上生长有AlGaN/GaN异质结材料结构；所述欧姆接触电极、表面钝化层、肖特基接触电极分别设置在所述AlGaN/GaN异质结材料结构上表面。本发明还公开了一种氮化镓基液体传感器的制备方法。本发明提供的一种氮化镓基液体传感器及其制备方法，结合AlGaN/GaN材料体系所具有的高化学稳定性、高极化2DEG浓度、无毒环保、耐高温、便于系统集成等优点，研制出性能优异的液体传感器，在国家安全、环境保护、医疗卫生、食品安全等领域都具有广泛的应用前景。

Description

氮化镓基液体传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体器件和传感器的技术领域，特别涉及一种氮化镓基液体传感器及其制备方法。
背景技术
液体传感器有着广泛的应用，如在军事医学中，在苛刻的战争条件下进行快速血液分析；在工农业生产中，可对高分子聚合物、pH值、蛋白分子和某种特定官能团等进行检测与分析；在环境保护中，可对水环境中的有害离子种类和浓度进行检测。随着半导体和微电子技术的发展，半导体液体传感器成为各国的研究热点之一。传统的Si、GaAs等半导体材料研制而成的传感器，化学稳定性较差、响应时间长，而且不能工作在高温、辐射等恶劣环境中，限制了半导体传感器的发展和应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种高化学稳定性、高灵敏度和适于工作在恶劣环境的氮化镓基液体传感器及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明一个方面，提供的一种氮化镓基液体传感器，包括：欧姆接触电极、表面钝化层、肖特基接触电极及半导体衬底；
所述半导体衬底外延上生长有AlGaN/GaN异质结材料结构；
所述表面钝化层设置在所述欧姆接触电极及肖特基接触电极之间；
所述欧姆接触电极、表面钝化层、肖特基接触电极分别设置在所述AlGaN/GaN异质结材料结构上表面。
进一步地，所述AlGaN/GaN异质结材料结构包括：
GaN层、AlN插入层及AlGaN层；
所述AlGaN层上表面设有所述欧姆接触电极、表面钝化层及肖特基接触电极；
所述AlGaN层依次通过AlN插入层、GaN层与所述半导体衬底连接。
进一步地，所述欧姆接触电极为圆形电极，直径为100-200um。
进一步地，所述表面钝化层为环形结构，宽度为20-40um。
进一步地，所述GaN层的厚度为2-3um；
所述AlN插入层的厚度为1-2nm；
所述AlGaN层的厚度为22-25nm，Al组分为23-26%。
本发明的另一个方面，提供一种氮化镓基液体传感器制备方法，包括：先采用金属有机物汽相外延方法在半导体SiC衬底外延上生长AlGaN/GaN异质结材料结构；
再采用电子束蒸发工艺在AlGaN/GaN异质结材料结构上沉积Ni/Au金属层作为肖特基电极；
再采用电子束蒸发工艺沉积Ti/Al/Ti/Au金属层作为欧姆接触电极；
最后采用等离子体增强化学汽相沉积的方法在两个电极之间的环形部分生长SiNX薄膜作为表面钝化层。
进一步地，所述AlGaN/GaN异质结材料结构包括GaN层、AlN插入层及AlGaN层；
所述欧姆接触电极、表面钝化层及肖特基接触电极设置在所述AlGaN层上表面；
所述AlGaN层依次通过AlN插入层、GaN层与所述半导体衬底连接。
进一步，所述欧姆接触电极的制作在氮气保护下快速退火完成。
进一步地，所述欧姆接触电极为圆形电极，直径为100-200um；
所述表面钝化层为环形结构，宽度为20-40um。
进一步地，所述GaN层的厚度为2-3um；
所述AlN插入层的厚度为1-2nm；
所述AlGaN层的厚度为22-25nm，Al组分为23-26%。
本发明提供的一种氮化镓基液体传感器及其制备方法，结合AlGaN/GaN材料体系所具有的高化学稳定性、高极化2DEG浓度、无毒环保、耐高温、便于系统集成等优点，研制出性能优异的液体传感器，在国家安全、环境保护、医疗卫生、食品安全等领域都具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种氮化镓基液体传感器的俯视图；
图2为图1所示结构的剖视图；
图3为图1所示结构在乙醇和丙酮溶液中的响应曲线示意图；
图4为图1所示结构在丙酮溶液中的时间响应曲线示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的，技术方案和优点描述的更清晰，以下结合具体的实施例及附图加以说明。
参见图1、图2，本发明提供的一种氮化镓基液体传感器，包括本发明提供的一种氮化镓基液体传感器，包括：肖特基接触电极101、欧姆接触电极102、表面钝化层103及半导体衬底107。表面钝化层103设置在欧姆接触电极102及肖特基接触电极101之间。欧姆接触电极103为圆形电极，直径为100-200um，本实施例采用200um。表面钝化层102为环形结构，宽度为20-40um，本实施例采用40um。
半导体衬底107外延上生长有AlGaN/GaN异质结材料结构。其中，AlGaN/GaN异质结材料结构包括：GaN层106、AlN插入层105及AlGaN层104。AlGaN层104上表面设有欧姆接触电极102、表面钝化层103及肖特基接触电极101。AlGaN层104依次通过GaN层105、AlN插入层106与半导体衬底107连接。GaN层106的厚度为2-3um，本实施例采用3um。AlN插入层105的厚度为1-2nm，本实施例采用1nm。AlGaN层104的厚度为22-25nm，本实施例采用23nm，Al组分为23-26%，本实施例采用25%。由于压电极化和自发极化效应，AlGaN/GaN异质结可以形成高浓度、高迁移率的二维电子气（2DEG），该2DEG对于半导体表面的变化将迅速作出响应。因此，AlGaN/GaN异质结所具有的化学和电学等优点，使得该结构非常适合于研制高化学稳定性、高灵敏度和适于工作在恶劣环境的新型液体传感器。
本发明提供的制备上述氮化镓基液体传感器的方法，包括以下几个步骤：
步骤S1：先采用金属有机物汽相外延方法（MOCVD）在半导体SiC衬底107外延上生长AlGaN/GaN异质结材料结构。AlGaN/GaN异质结材料结构包括GaN层106、AlN插入层105及AlGaN层104。AlGaN层104依次通过AlN插入层105、GaN层106与半导体衬底107连接。其中，GaN106层的厚度为2-3um，本实施例采用3um；AlN插入层105的厚度为1-2nm，本实施例采用1nm；AlGaN层104的厚度为22-25nm，本实施例采用23nm，Al组分为23-26%，本实施例采用25%。
步骤S2：再采用电子束蒸发工艺在AlGaN/GaN异质结材料结构上沉积Ni/Au金属层作为肖特基电极102。具体是在AlGaN/GaN异质结材料结构的AlGaN层104上采用电子束蒸发工艺沉积Ni（40nm）/Au（300nm）金属层作为肖特基电极102。
步骤S3：再采用电子束蒸发工艺沉积Ti/Al/Ti/Au金属层作为欧姆接触电极101。具体是采用电子束蒸发工艺沉积Ti（20nm）/Al（200nm）/Ti（20nm）/Au（40nm）金属层，并在氮气保护下870℃/50s快速退火形成欧姆接触电极101。欧姆接触电极101为圆形电极，直径为100-200um，本实施例采用200um。
步骤S4：最后采用等离子体增强化学汽相沉积的方法在两个电极之间的环形部分生长100nm厚度SiNX薄膜作为表面钝化层103保护传感器的表面。表面钝化层103为环形结构，宽度为20-40um，本实施例采用40um。
如图3所示，横轴为电压，纵轴为肖特基电流，方形图注SiNx,In Air表示液体传感器在空气中的响应曲线，圆形图注SiNx,Ethanol表示该传感器在乙醇溶液中的响应曲线，三角形图注SiNx,Acetone表示该传感器在丙酮溶液中的响应曲线。本实施例提供的氮化镓基液体传感器在乙醇和丙酮溶液中肖特基结正、反向电流均出现明显增大的现象，表明该传感器在正、反向偏压下都可以工作。在反向电压V=-20V的偏置下，传感器在空气、乙醇和丙酮中的电流分别为3.14、10.79和80.80uA，即该新型传感器在乙醇和丙酮溶液中分别表现出3.4倍和29倍的电流响应。不同的相应度是由于待测溶液本身的极化偶极矩大小不同，对AlGaN/GaN新型液体传感器表面电势的改变也不同，使得传感器的电流响应不同。AlGaN/GaN新型液体传感器可以根据待测极性溶液的不同特性，精确地给出电流响应曲线，从而可以有效地进行极性分子溶液的辨别和检测。
由图4可见，横轴表示时间，纵轴表示肖特基响应电流，两段曲线分别表示该传感器在空气中和丙酮溶液中的响应结果。本实施例提供的氮化镓基液体传感器在V=-20V的偏置下（300K），对丙酮溶液迅速做出响应，肖特基结电流从3uA增加到35uA，相应时间小于0.1s，说明该新型传感器具有非常好的灵敏度，其原因是因为AlGaN/GaN异质结由于极化效应所形成的二维电子气（2DEG），该2DEG具有高浓度、高迁移率的特性，能够迅速对传感器表面电势的变化做出相应，从而改变其电流的大小。
传统的Si、GaAs等半导体材料研制而成的传感器，化学稳定性较差、效应时间长，而且不能工作在高温、辐射等恶劣环境中，限制了半导体传感器的发展和应用。
本发明提供的氮化镓基液体传感器及其制备方法，结合AlGaN/GaN材料体系所具有的高化学稳定性、高极化2DEG浓度、无毒环保、耐高温、便于系统集成等优点，使其非常适用于液体传感器的研制，能够有效弥补传统的半导体传感器的缺点和不足，在国家安全、环境保护、医疗卫生、食品安全等领域都具有广泛的应用前景。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种氮化镓基液体传感器，其特征在于，包括：
欧姆接触电极、表面钝化层、肖特基接触电极及半导体衬底；
所述半导体衬底外延上生长有AlGaN/GaN异质结材料结构；
所述表面钝化层设置在所述欧姆接触电极及肖特基接触电极之间；
所述欧姆接触电极、表面钝化层、肖特基接触电极分别设置在所述AlGaN/GaN异质结材料结构上表面。
2.如权利要求1所述的氮化镓基液体传感器，其特征在于，所述AlGaN/GaN异质结材料结构包括：
GaN层、AlN插入层及AlGaN层；
所述AlGaN层上表面设有所述欧姆接触电极、表面钝化层及肖特基接触电极；
所述AlGaN层依次通过AlN插入层、GaN层与所述半导体衬底连接。
3.如权利要求2所述的氮化镓基液体传感器，其特征在于：
所述欧姆接触电极为圆形电极，直径为100-200um。
4.如权利要求3所述的氮化镓基液体传感器，其特征在于：
所述表面钝化层为环形结构，宽度为20-40um。
5.如权利要求4所述的氮化镓基液体传感器，其特征在于：
所述GaN层的厚度为2-3um；
所述AlN插入层的厚度为1-2nm；
所述AlGaN层的厚度为22-25nm，Al组分为23-26%。
6.一种氮化镓基液体传感器制备方法，其特征在于，包括：
先采用金属有机物汽相外延方法在半导体SiC衬底外延上生长AlGaN/GaN异质结材料结构；
再采用电子束蒸发工艺在AlGaN/GaN异质结材料结构上沉积Ni/Au金属层作为肖特基电极；
再采用电子束蒸发工艺沉积Ti/Al/Ti/Au金属层作为欧姆接触电极；
最后采用等离子体增强化学汽相沉积的方法在两个电极之间的环形部分生长SiNX薄膜作为表面钝化层。
7.如权利要求6所述的氮化镓基液体传感器，其特征在于：
所述AlGaN/GaN异质结材料结构包括GaN层、AlN插入层及AlGaN层；
所述欧姆接触电极、表面钝化层及肖特基接触电极设置在所述AlGaN层上表面；
所述AlGaN层依次通过AlN插入层、GaN层与所述半导体衬底连接。
8.如权利要求6所述的氮化镓基液体传感器，其特征在于：
所述欧姆接触电极的制作在氮气保护下快速退火完成。
9.如权利要求6所述的氮化镓基液体传感器，其特征在于：
所述欧姆接触电极为圆形电极，直径为100-200um；
所述表面钝化层为环形结构，宽度为20-40um。
10.如权利要求6所述的氮化镓基液体传感器，其特征在于：
所述GaN层的厚度为2-3um；
所述AlN插入层的厚度为1-2nm；
所述AlGaN层的厚度为22-25nm，Al组分为23-26%。
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