CN105424780B - 一种氮化镓传感器、制备方法和多传感器系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氮化镓传感器、制备方法和多传感器系统，该传感器包括：异质半导体衬底，以及位于其上的III族氮化物基HEMT结构的晶体管；其中，所述晶体管的源极和漏极金属均设置在晶体管顶层的半导体之上，栅极表面具有经功能化处理得到的功能化膜，源极和漏极之间裸露的栅极区域形成传感区域；通过对所述传感区域进行凹陷刻蚀或传感层减薄的方式，对所述传感区域进行优化处理；使用优化处理后的所述传感区域，通过检测所述传感区域的电流变化，实现对与所述传感区域接触的待检测物的浓度检测。本发明的方案，可以克服现有技术中灵敏度低、检测范围小和便携性差等缺陷，实现灵敏度高、检测范围大和便携性好的有益效果。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，具体地，涉及一种氮化镓(GaN)传感器、制备方法和多传感器系统。
背景技术
在大气及气体供应系统中，污染物以及生物水液体成分的化学成分检测对环境保护和医疗保健极为重要。举个例子，在有害气体输运系统中，快速检测气体泄漏对工人生命健康安全的保护、以及环境污染的防治，都起到十分关键的作用。
除此之外，通过化学感应，还能检测出地表水和饮用水中是否含有重金属、有机污染物、无机污染物、工业污染物以及其他相关液体特性(如pH值、盐度、浑浊度以及气味等)。还有，通过对人体的体液(血液、唾液)还有气体(呼吸)的检测，能有效预知多种危及人体生命安全的疾病。
以上各类检测所用的气态液态化学分析系统，通常需要进行层析、质谱分析、X射线荧光分析或热量测定，这些分析都需要在实验室进行，推广成本昂贵。所以，继续研发一种便携式小型化学传感系统，对于开发下一代个人健康跟踪系统有很大帮助，同时监控大气和水的质量。
现有的基于半导体材料的氮化镓传感器主要是硅基传感器，其优点是技术成熟，成本可控。其不足之处主要有三：一是灵敏度不够高，在对灵敏度要求较高的应用领域，如环境检测、医疗应用等，硅基器件不能满足要求；二是硅基器件难以在苛刻的环境条件下工作，如高温、高湿、高压等；三是硅基传感器受限于其工作原理，体积较大，对于便携式甚至穿戴式应用，往往不能达到要求。
现有技术中，存在灵敏度低、检测范围小和便携性差等缺陷。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述缺陷，提出一种氮化镓传感器、制备方法和多传感器系统，以解决通过对III族氮化物基HEMT(High Electron Mobility Transistor，高电子迁移率晶体管)结构的晶体管传感区域的功能化处理，更好地实现对与传感区域接触的分析物的浓度检测的问题。
本发明进一步解决通过对以上所述的传感区域的优化处理，提升检测效果、减小检测难度的问题。
本发明一方面提供一种氮化镓传感器，包括：异质半导体衬底，以及位于其上的III族氮化物基HEMT结构的晶体管；其中，所述晶体管的源极和漏极金属均设置在晶体管顶层的半导体之上，栅极表面具有经功能化处理得到的功能化膜，源极和漏极之间裸露的栅极区域形成传感区域；通过对所述传感区域进行凹陷刻蚀或传感层减薄的方式，对所述传感区域进行优化处理；使用优化处理后的所述传感区域，通过检测所述传感区域的电流变化，实现对与所述传感区域接触的待检测物的浓度检测。
其中，所述晶体管，包括：内含至少一个III族氮化物异质结，所述III族氮化物异质结的一侧为GaN，另一侧为其他二元或三元III族氮化物。
其中，所述III族氮化物异质结，包括：位于所述异质半导体衬底上的缓冲层，所述缓冲层作为电流通道、其成分为GaN；以及，位于所述缓冲层上的阻挡层，所述阻挡层的成分含有多元III族氮化物或ZnO和/或本征材料；所述缓冲层和阻挡层的成分相互作用，在缓冲层与阻挡层的界面形成二维电子气；以及，位于所述阻挡层上的欧姆接触源极和漏极金属，所述欧姆接触源极和漏极金属之间裸露的阻挡层为传感区域，所述功能化膜涂覆于所述传感区域上；以及，包覆在所述欧姆接触源极和漏极金属、二维电子气和阻挡层外围、并嵌入所述缓冲层靠近阻挡层一侧的绝缘层。
优选地，所述III族氮化物异质结，还包括：覆盖在所述阻挡层上的覆盖层，所述覆盖层的成分掺杂或使用本征材料，与所述阻挡层相互作用，在所述覆盖层上形成欧姆接触源极和漏极金属；所述欧姆接触源极和漏极金属之间裸露的覆盖层为传感区域；以及，所述绝缘层还包覆在所述覆盖层外围。其中，所述覆盖层的厚度为1-3微米。
其中，所述阻挡层中多元III族氮化物，包括GaN、InN、AlN、AlGaN、InGaN和AlInGaN中的任意一种；其中，采用AlGaN时，所述阻挡层的厚度为15-35纳米，Al元素的摩尔比为15-35％；采用AlN时，所述阻挡层的厚度为2-8纳米；和/或，所述绝缘层，包括绝缘金属、绝缘氧化物、高分子聚合物中任意一种。
具体地，所述异质半导体衬底，包括：III族氮化物外延生长在相应的非本征半导体衬底上，所述非本征半导体包括硅、碳化硅、蓝宝石和氮化铝中任意一种；和/或，所述功能化膜，包括氧化物、金属薄膜、纳米材料、半导体、氮化物、有机生物材料、无机材料和高分子材料中的任意一种或多种。
与上述传感器相匹配，本发明另一方面提供了一种多传感器系统，包括：至少两个以上所述的传感器，以及，主控电路；所述至少两个传感器，并联在所述主控电路与待检测物之间；通过所述主控电路，对所述传感器的输出信号进行控制和分析，实现所述待检测物的浓度检测。
与上述传感器相匹配，本发明再一方面提供一种以上所述的氮化镓传感器的制备方法，包括：采用等离子刻蚀的方法，在异质半导体衬底上形成分离的台面结构；其中，所述异质半导体衬底，包括：III族氮化物外延生长在相应的非本征半导体衬底上；基于所述台面结构，依次进行去除表层氧化物处理、金属沉淀并图形化处理、以及高温退火处理，在所述台面结构的顶部形成欧姆接触源极和漏极金属；基于顶部形成有欧姆接触源极和漏极金属的台面结构，依次进行欧姆接触绝缘和金属沉积互通接触处理、以及互连金属沉积和成形处理，在所述台面结构顶部的欧姆接触源极和漏极金属之间形成传感区域；对前述处理形成的传感区域，进行功能化处理，在所述传感区域上形成功能化膜；基于前述处理形成的具有所述欧姆接触源极和漏极金属、以及功能化膜的台面结构，进行金属互通绝缘或封装处理，得到所述传感器。
优选地，还包括：当所述传感器采用AlGaN作为阻挡层时，对前述处理形成的传感区域进行凹槽刻蚀处理，以将所述传感区域的厚度减小至检测所需值。
本发明的方案，通过对与HEMT的结构非常相似的III族氮化物基HEMT结构的晶体管的源极和漏极之间裸露的栅极区域进行功能化处理(例如：对GaN基HEMT结构的晶体管栅极表面涂敷功能化膜)，当栅极区域与被检测的分析物接触时，源极、漏极之间电流会发生明显改变，进而通过检测电流的变化，实现检测分析物浓度的目的，传感器的体积小，检测的可靠性高、精准性好。
进一步，本发明的方案，通过传感区域的凹陷刻蚀或传感层减薄的方式，对传感区域进行优化处理，可以提高传感器的响应时间、检测范围及灵敏度。
由此，本发明的方案解决对III族氮化物基HEMT结构的晶体管传感区域的处理，更好地实现对与传感区域接触的分析物的浓度检测，提升检测效果、减小检测难度的问题，从而，克服现有技术中灵敏度低、检测范围小和便携性差的缺陷，实现灵敏度高、检测范围大和便携性好的有益效果。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明的氮化镓传感器的一实施例的横截面结构示意图；
图2为本发明中通过减小阻挡层厚度降低检测范围下限的优化处理所得传感器横截面的结构示意图；
图3为本发明的方法中通过减小栅极裸露区域厚度降低检测范围下限的优化处理所得传感器横截面的结构示意图；
图4为本发明的多传感器系统的一实施例的工作原理示意图；
图5为本发明的氮化镓传感器的制备方法的各步骤处理结果的横截面结构示意图，其中，(a)为在衬底上外延生长的外延片结构，(b)为等离子刻蚀处理所得结构，(c)为欧姆接触处理所得结构，(d)为欧姆接触绝缘处理所得结构，(e)为外引线金属沉积和成形处理所得结构，(f)为凹槽刻蚀处理所得结构，(g)为外引线金属绝缘处理所得结构，(h)为传感区域的功能化膜涂覆处理所得结构；
图6为本发明的氮化镓传感器的俯视结构示意图。
结合附图，本发明实施例中附图标记如下：
1-传感器；2-非本征半导体衬底；3-缓冲层；4-二维电子气；5-阻挡层；6-覆盖层；7-欧姆接触源极和漏极金属；8-绝缘层；9-等离子刻蚀所得结构的侧面(边缘)；10-传感区域；11-功能化膜；12-台面；13-外延层；14-焊盘。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
根据本发明的实施例，提供了一种氮化镓传感器，如图1所示本发明的氮化镓传感器的一实施例的横截面结构示意图。该传感器至少包括：
异质半导体衬底，以及位于其上的III族氮化物(例如：氮化镓)基HEMT结构的晶体管；其中，晶体管的源极和漏极金属均设置在晶体管顶层的半导体之上，栅极表面具有经功能化处理得到的功能化膜11，源极和漏极之间裸露的栅极区域形成传感区域；通过检测传感区域的电流变化，实现对与传感区域接触的待检测物的浓度检测。通过采用GaN基HEMT结构的晶体管，可以减小传感器的体积，还有利于提高传感器的检测灵敏度。
在一个例子中，晶体管的外表面为半导体材料层，晶体管的源极和漏极金属(例如：欧姆接触源极和漏极金属7)均伸出半导体材料层(例如：设置在顶层半导体材料之上)，栅极裸露在源极和漏极之间，源极和漏极之间的栅极区域即为传感区域10，栅极表面经功能化处理而具有功能化膜11。源、漏极之间的电流则通过二维电子气传导，二维电子气源于两种不同的III族氮化物堆叠形成的极化效应。传感功能通过源极和漏极间裸露的栅极实现，当栅极区域与被检测的分析物接触时，源极、漏极之间电流会发生明显改变。
其中，异质半导体衬底，包括：III族氮化物外延生长在相应的非本征半导体衬底2上，非本征半导体包括硅、碳化硅、蓝宝石和氮化铝等中任意一种。该外延生长需运用到MBE(Molecular Beam Epitaxy，分子束外延是一种新的晶体生长技术)或MOCVD(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，金属有机化合物化学气相沉淀)技术。
其中，功能化膜11，包括氧化物、金属薄膜、纳米材料、半导体、氮化物、有机生物材料、无机材料和高分子材料中的任意一种或多种。
例如：功能化膜11：所述传感器必须能够检测出目标分析物，至少对所测物质中经常出现的污染物敏感。特定分析物的选择性通过传感区域10的功能化涂层(例如：功能化膜11)实现，且该涂层只对某特定分析物起作用，对其他物质无效。本申请涉及的功能化材料包含但不限于本征或非本征氧化物(金属或非金属氧化物)，金属薄膜(如Pt、Au、Ag)，纳米材料【例如：CNT(Carbon Nanotube，碳纳米管)、石墨烯、ZnO纳米棒等】，以及纳米粒子，半导体(如InN)，氮化物(例如：SiN、TiN)，有机生物材料(例如：离子载体)，无机材料，高分子材料，以及上述各物质的组合。
在一个实施方式中，晶体管，包括：内含至少一个III族氮化物异质结，III族氮化物异质结的一侧(例如：远离晶体管表面的一侧)为GaN，另一侧为其他二元【例如：(氮化铝(AlN)，氮化铟(InN)】或三元【例如：氮化镓铝(AlGaN)，氮化镓铟(InGaN)】III族氮化物。
在一个实施方式中，III族氮化物异质结，包括：位于异质半导体衬底上的缓冲层3，用于减小应力、降低缺陷密度以及电绝缘，缓冲层3作为电流通道、其成分为GaN；以及，位于缓冲层3上的阻挡层5，阻挡层5的成分含有多元III族氮化物或ZnO和/或本征材料；缓冲层3和阻挡层5的成分相互作用，在缓冲层3与阻挡层5的界面形成二维电子气4；以及，位于阻挡层5上的欧姆接触源极和漏极金属7，欧姆接触源极和漏极金属7之间裸露的阻挡层为传感区域10，功能化膜11涂覆于传感区域10上；以及，包覆在欧姆接触源极和漏极金属7、二维电子气4和阻挡层5外围、并嵌入缓冲层3靠近阻挡层5一侧的绝缘层8。
其中，绝缘层8同时将边缘9围住，以实现更好地绝缘效果。
在一个例子中，缓冲层3的构造，可以采用本领域技术人员熟知的技术。例如，缓冲层3的材料可以根据需要进行掺杂或直接使用本征非掺杂。
2DEG是指电子气可以自由在二维方向移动，而在第三维上受到限制的现象，它是许多场效应器件(例如：MOSFET、HEMT等)工作的基础。例如：在上述III族氮化物异质结中，二维电子气(Two-dimensional electron gas，2DEG)4，是两种拥有不同能带和晶格常数的材料的界面上产生压电和自发极化效应，使得缓冲层3的GaN和阻挡层5相互作用，导电管道的载流电子浓度因此升高。在HEMT结构中，二维电子气4自发形成并能自持，无需外加栅极偏压，称为“耗尽”模式。
欧姆接触是指金属与半导体的接触，而其接触面的电阻值远小于半导体本身的电阻，使得组件操作时，大部分的电压降在活动区(Active region)而不在接触面。例如：在上述III族氮化物异质结中，欧姆接触源极和漏极金属7：III族氮化物的欧姆接触通常需要使用Ti/Al金属化合物。包括本申请在内的欧姆接触经常采用的金属堆叠，包括Ti/Al/X/Au金属堆叠(例如：可以采用常规的金属薄膜沉积方法，如电子束蒸发、溅射等)。其中X可为Ni、Ti、Mo或Pt元素中的任意一种。另外，欧姆接触也可不含“金”元素，以免造成工艺过程的“金污染”。“无金”欧姆接触包括Ti/Al/Ti/TiN、Ti/Al/TiN、Ti/Al/W、Ta/Si/Ti/Al/Ni/Ta或Ta/Al/Ta。欧姆接触由金属沉积和成形，加以高温退火技术制成。
绝缘层8：欧姆接触层7的封装是否可靠关乎传感器的使用寿命。绝缘层8的作用就是阻止物质在气体或液体中相互接触，否则会造成电流源极和漏极的短路或影响传感器的准确性。绝缘不好还导致传感器性能的漂移。本申请中可行的绝缘方法包括绝缘金属或其他氧化物的沉积、高分子聚合物或其他有机或无机材料的沉积。
传感区域10：阻挡层5的裸露部分(非绝缘)，处在源极和漏极之间。该区域直接与测试物质接触。最简单来说，传感区域10可以是阻挡层5或覆盖层6未经加工的表层区域。分析物的交互作用使传感表面电荷密度改变，导致沟道中电流密度的不同。
其中，阻挡层5中多元III族氮化物，包括GaN、InN、AlN、AlGaN、InGaN和AlInGaN中的任意一种。其中，采用AlGaN时，阻挡层5的厚度为15-35纳米，Al元素的摩尔比为15-35％；采用AlN时，阻挡层5的厚度为2-8纳米，比采用时AlGaN更薄。
由此，通过对阻挡层5的设置，可以实现对传感区域10进行优化处理，可以降低检测范围的下限，有利于微量物质的检测。传感区域10与二维电子气4的垂直距离会影响传感器的敏感范围，简单来说，该距离越小，则传感器能够检测的最小物质含量越小，即检测范围的下限很低。这将有利于检测极微量的化学成分。例如：通过传感区域的凹陷刻蚀或传感层减薄的方式提高传感器的响应时间、检测范围及灵敏度。
在一个例子中，一是外延生长时尽量减小阻挡层5的厚度，参见图2，阻挡层5的厚度较普通HEMT传感器要小。但是该方法并不普适，如对于GaN阻挡层5，为保证外延结构的稳定性，阻挡层5的厚度并不能无限减小；如采用AlN作为阻挡层，则如前述，厚度可以比GaN小很多。
在一个例子中，另一种途径是在保持外延结构中阻挡层5厚度不变的前提下，在传感器制备阶段，人为减小传感器栅极裸露区域的厚度，通过刻蚀技术，形成“凹栅”结构，同样起到了缩短检测物(例如：位于传感区域10的检测物)与二维电子气4之间距离的作用，参见图3。
例如：阻挡层5，包括但不限于III族氮化物材料及其合金构成。材料可以是：二元合金GaN、InN、AlN，三元合金AlGaN、InGaN，甚至四元合金AlInGaN中的任意一种。在一些结构中也会采用ZnO材料作为阻挡层5。阻挡层5可掺杂也可使用本征材料。
其中，阻挡层5的厚度，不限于此实施例中给出的数值，取决于具体材料的性能。
其中，绝缘层8，包括绝缘金属、绝缘氧化物、高分子聚合物中任意一种。
优选地，III族氮化物异质结，还包括：覆盖在阻挡层5上的覆盖层6，覆盖层6的成分掺杂或使用本征材料，与阻挡层5相互作用，在覆盖层6上形成欧姆接触源极和漏极金属7；欧姆接触源极和漏极金属7之间裸露的覆盖层为传感区域10；以及，绝缘层8还包覆在覆盖层6外围。
例如：覆盖层6位于阻挡层5之上，为可选项，可掺杂或使用本征材料。通过设置覆盖层6，可提升所述传感器表面平整度，减少欧姆接触(例如：欧姆接触源极和漏极金属7)电阻。
其中，覆盖层的厚度为1-3微米。
其中，该传感器，可以通过以下所述的氮化镓传感器的制备方法制备得到，可参见后续相关说明，在此不再赘述。
经大量的试验验证，采用本实施例的技术方案，采用涉及异质半导体衬底(例如：非本征半导体衬底2)上的III族氮化物(如氮化镓)半导体氮化镓传感器，通过GaN基HEMT结构的晶体管形成所需氮化镓传感器，有利于提高检测灵敏度，实现传感器微型化，扩大其应用领域和潜力。
根据本发明的实施例，还提供了对应于氮化镓传感器的一种多传感器系统。参见图4所示本发明的系统的一实施例的结构示意图。该系统包括：
至少两个以上所述的传感器，以及，主控电路；所述至少两个传感器，并联在主控电路与待检测物之间；通过主控电路，对所述传感器的输出信号进行控制和分析，实现待检测物的浓度检测。
例如：其中的一个传感器1，可以包括非本征半导体衬底2和缓冲层3。其中，缓冲层3的成分为GaN，作为电流通道。GaN上一层则为含有AlGaN成分的阻挡层5。GaN和AlGaN相互作用会在GaN的界面上形成二维电子气4。阻挡层5上面再覆盖一层薄的覆盖层6(例如：成分包含GaN)，与覆盖层6形成欧姆接触源极和漏极金属7。绝缘层8设在各层外部。传感区域10裸露在外，以便与周围气体、液体或其他介质进行充分接触。要实现特定分析，则需要在传感区域10的表层涂上特定功能化膜11，如贵金属、高分子涂层等。
其中，至少一个所述传感器，可以通过以下所述的氮化镓传感器的制备方法制备得到，可参见后续相关说明，在此不再赘述。
由此，通过对传感器结构的调整，形成一系列具有不同检测范围的传感器，将其组成传感器系统，并行设置(例如：并联)在系统中发挥作用。通过多个传感器的使用，扩大了系统可检测的范围，也提升了系统整体的检测精度。
由于本实施例的系统所实现的处理及功能基本相应于前述图1至图5所示的传感器的实施例、原理和实例，故本实施例的描述中未详尽之处，可以参见前述实施例中的相关说明，在此不做赘述。
经大量的试验验证，采用本实施例的技术方案，可以解决因传感器的优化使得传感器检测范围的上限也会一定程度的降低，即检测范围整体向微量方向移动的问题。从而，对于很多应用情形，检测范围的上限并不被人们关心，因此不会产生问题；对于同时关心检测范围的上限和下限的某些应用，本发明现在给出基于前述传感器的解决方案。
根据本发明的实施例，还提供了对应于氮化镓传感器的一种氮化镓传感器的制备方法。该方法包括：
步骤1、采用等离子刻蚀的方法，在异质半导体衬底上形成分离的台面结构；其中，所述异质半导体衬底，包括：III族氮化物外延生长在相应的非本征半导体衬底2上。
其中，传感器制造始于非本征半导体衬底2上III族氮化物的外延生长。外延生长技术并非必须，因为相关衬底可通过第三方供应商定制。典型的外延片结构如图5(a)所示，外延片包括自下向上依次叠置的非本征半导体衬底2、缓冲层、二维电子气4、阻挡层5和覆盖层6(例如：成分为GaN)。
其中，该台面结构，可以用于后续传感器主体部分的设置，参见图5(b)。
步骤2、基于前述台面结构，依次进行去除表层氧化物处理、金属沉淀并图形化处理、以及高温退火处理，在所述台面结构的顶部形成欧姆接触源极和漏极金属7，参见图5(c)。
步骤3、基于顶部形成有欧姆接触源极和漏极金属7的台面结构，依次进行欧姆接触绝缘和金属沉积互通接触处理、以及互连金属沉积和成形处理，在所述台面结构顶部的欧姆接触源极和漏极金属7之间形成传感区域10。
例如：欧姆接触绝缘，并留出用于向外引线的窗口，参见图5(d)。
例如：外引线金属沉积和成形，参见图5(e)。
例如：外引线金属绝缘，并留出与外电路连接的焊盘窗口，参见图5(g)。
优选地，当所述传感器采用AlGaN作为阻挡层5时，对前述处理形成的传感区域进行凹槽刻蚀处理，以将所述传感区域10的厚度减小至检测所需值。
例如：可选地，传感区域10(例如：栅极)凹槽蚀刻，术语称为“凹栅”，参见图5(f)。凹栅技术仅对AlGaN作为隔离层(例如：阻挡层5)的传感器适用，如用AlN作为隔离层(例如：阻挡层5)，则可在外延阶段使AlN做得很薄，无需进行凹栅。
步骤4、对前述处理形成的传感区域10，进行功能化处理，在所述传感区域上形成功能化膜11。
例如：传感区域10的功能化膜11涂覆，参见图5(h)。
步骤5、基于前述处理形成的具有所述欧姆接触源极和漏极金属7、以及功能化膜11的台面结构，进行金属互通绝缘或封装处理，得到所述传感器1。
通过上述步骤制备得到的传感器，参见图6。该传感器包括：台面12、绝缘层8、外延层13，衬底2、以及与外电路连接的焊盘14。
其中，通过前述各步骤制备得到的传感器，还可以是前述所述的氮化镓传感器或多传感器系统中至少一个传感器，关于制备得到的传感器的构造及性能，可参见前述相关说明，在此不再赘述。
经大量的试验验证，采用本实施例的技术方案，可以实现III族氮化物基HEMT传感器的设计和制作以及改进结构提高传感器灵敏度，操作过程简单、可靠，所得传感器的灵敏度高、检测范围广、体积小。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。
Claims (11)
1.一种氮化镓传感器，其特征在于，包括：异质半导体衬底，以及位于其上的III族氮化物基HEMT结构的晶体管；其中，
所述晶体管的源极和漏极金属均设置在晶体管顶层的半导体之上，栅极表面具有经功能化处理得到的功能化膜，源极和漏极之间裸露的栅极区域形成传感区域；通过对所述传感区域进行凹陷刻蚀或传感层减薄的方式，对所述传感区域进行优化处理；
使用优化处理后的所述传感区域，当栅极区域与被检测的分析物接触时，源极、漏极之间电流会发生明显改变，通过检测所述传感区域的电流变化，实现对与所述传感区域接触的待检测物的浓度检测。
2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述晶体管，包括：
内含至少一个III族氮化物异质结，所述III族氮化物异质结的一侧为GaN，另一侧为其他二元或三元III族氮化物。
3.根据权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述III族氮化物异质结，包括：
位于所述异质半导体衬底上的缓冲层，所述缓冲层作为电流通道、其成分为GaN；以及，
位于所述缓冲层上的阻挡层，所述阻挡层的成分含有多元III族氮化物或ZnO和/或本征材料；所述缓冲层和阻挡层的成分相互作用，在缓冲层与阻挡层的界面形成二维电子气；以及，
位于所述阻挡层上的欧姆接触源极和漏极金属，所述欧姆接触源极和漏极金属之间裸露的阻挡层为传感区域，所述功能化膜涂覆于所述传感区域上；以及，
包覆在所述欧姆接触源极和漏极金属、二维电子气和阻挡层外围、并嵌入所述缓冲层靠近阻挡层一侧的绝缘层。
4.根据权利要求3所述的传感器，其特征在于，所述III族氮化物异质结，还包括：
覆盖在所述阻挡层上的覆盖层，所述覆盖层的成分掺杂或使用本征材料，与所述阻挡层相互作用，在所述覆盖层上形成欧姆接触源极和漏极金属；所述欧姆接触源极和漏极金属之间裸露的覆盖层为传感区域；以及，
所述绝缘层还包覆在所述覆盖层外围。
5.根据权利要求4所述的传感器，其特征在于，所述覆盖层的厚度为1-3微米。
6.根据权利要求3-5之一所述的传感器，其特征在于，
所述阻挡层中多元III族氮化物，包括GaN、InN、AlN、AlGaN、InGaN和AlInGaN中的任意一种；其中，
采用AlGaN时，所述阻挡层的厚度为15-35纳米，Al元素的摩尔比为15-35％；
采用AlN时，所述阻挡层的厚度为2-8纳米；
和/或，
所述绝缘层，包括绝缘金属、绝缘氧化物、高分子聚合物中任意一种。
7.根据权利要求1-5之一所述的传感器，其特征在于，
所述异质半导体衬底，包括：III族氮化物外延生长在相应的非本征半导体衬底上，所述非本征半导体包括硅、碳化硅、蓝宝石和氮化铝中任意一种；
和/或，
所述功能化膜，包括氧化物、金属薄膜、纳米材料、半导体、氮化物、有机生物材料、无机材料和高分子材料中的任意一种或多种。
8.根据权利要求6所述的传感器，其特征在于，
所述异质半导体衬底，包括：III族氮化物外延生长在相应的非本征半导体衬底上，所述非本征半导体包括硅、碳化硅、蓝宝石和氮化铝中任意一种；
和/或，
所述功能化膜，包括氧化物、金属薄膜、纳米材料、半导体、氮化物、有机生物材料、无机材料和高分子材料中的任意一种或多种。
9.一种多传感器系统，其特征在于，包括：至少两个如权利要求1-8任一所述的传感器，以及，
主控电路；所述至少两个传感器，并联在所述主控电路与待检测物之间；
通过所述主控电路，对所述传感器的输出信号进行控制和分析，实现所述待检测物的浓度检测。
10.一种如权利要求1-8任一所述的氮化镓传感器的制备方法，其特征在于，包括：
采用等离子刻蚀的方法，在异质半导体衬底上形成分离的台面结构；其中，所述异质半导体衬底，包括：III族氮化物外延生长在相应的非本征半导体衬底上；
基于所述台面结构，依次进行去除表层氧化物处理、金属沉淀并图形化处理、以及高温退火处理，在所述台面结构的顶部形成欧姆接触源极和漏极金属；
基于顶部形成有欧姆接触源极和漏极金属的台面结构，依次进行欧姆接触绝缘和金属沉积互通接触处理、以及互连金属沉积和成形处理，在所述台面结构顶部的欧姆接触源极和漏极金属之间形成传感区域；
对前述处理形成的传感区域，进行功能化处理，在所述传感区域上形成功能化膜；
基于前述处理形成的具有所述欧姆接触源极和漏极金属、以及功能化膜的台面结构，进行金属互通绝缘或封装处理，得到所述传感器。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括：
当所述传感器采用AlGaN作为阻挡层时，对前述处理形成的传感区域进行凹槽刻蚀处理，以将所述传感区域的厚度减小至检测所需值。
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