CN106645323B - 基于氧化物异质结的极性溶剂化学传感器及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于氧化物异质结的极性溶剂化学传感器，在衬底上制备ZnMgO/ZnO异质结构，通过光刻、热蒸发等半导体工艺在异质结构制作电极，形成肖特基‑欧姆接触的非对称无栅高电子迁移率晶体管(HEMT)结构的化学传感器。ZnMgO/ZnO异质界面形成二维电子气(2DEG)，吸附于器件传感区域的极性溶剂分子可以影响异质界面二维电子气(2DEG)的浓度，通过器件漏源电流的变化，从而实现对多种极性溶剂的探测。

Description

基于氧化物异质结的极性溶剂化学传感器及制备方法
技术领域
本发明具体涉及一种基于氧化物异质结的极性溶剂化学传感器结构及其制备方法，属于传感技术领域。
背景技术
传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。传感器在工业和生活领域有着广泛的应用，尤其是在当今的物联网架构下，各类传感器成为智能家居、智慧工厂等智慧自动化设备与智慧联网产品的关键元件。
根据用途的不同，传感器可分为气体传感器、压力传感器、湿敏传感器、生物传感器、速度传感器等。构成传感器的材料可以是导体、半导体、绝缘体或者磁性材料。在各种材料中，宽禁带半导体材料噪声小，具有良好的机械、化学和热稳定性，且对表面电荷的变化具有很高的灵敏度，成为传感器的很有前景的材料。随着半导体材料制备工艺的日渐成熟，Ⅲ-Ⅳ族、Ⅱ-Ⅵ族宽禁带半导体材料不仅在光电子器件、大功率和高频器件中实现了更广泛的应用，并且在新型传感器领域发挥了重要作用，尤其适用于高温和恶劣的探测环境中。
传感器一般利用材料的电学、光学、声学等特性的改变对被测量进行检测。
发明内容
本发明的目的在于，提出基于氧化物异质结的极性溶剂化学传感器、应用及制备方法，化学传感器结构使用Ⅱ-Ⅵ族宽禁带半导体材料ZnMgO/ZnO异质结，形成肖特基-欧姆接触的非对称高电子迁移率晶体管(HEMT)结构，工艺易于集成。由于宽禁带材料具有更好的化学稳定性，使得该类传感器可以更好地工作于高温条件下或恶劣环境中。传感器异质界面二维电子气(2DEG)浓度大、迁移率高，对极性溶剂的检测有较高灵敏度。该类传感器属于薄膜型传感器，具有质量小、功耗低等优良特性，在检测领域有着广泛的应用前景。
本发明技术方案：一种基于氧化物异质结的极性溶剂化学传感器，在衬底上制备ZnMgO/ZnO异质结构，通过光刻、热蒸发等半导体工艺制作电极，形成肖特基-欧姆接触的非对称无栅高电子迁移率晶体管(HEMT)结构的化学传感器。衬底为单晶体硅或蓝宝石材料。传感器的一个电极为金属Pd与氧化物ZnMgO/ZnO异质结构一端形成肖特基接触，另一电极为金属Al与氧化物ZnMgO/ZnO异质结构另一端形成欧姆接触。ZnMgO薄膜和ZnO薄膜均为单晶结构，ZnMgO中Mg组分为0.05-0.4，ZnMgO薄膜的厚度为40-100nm，ZnO薄膜的厚度为2-10um。ZnMgO/ZnO异质结界面形成高电子迁移率的二维电子气(2DEG)，利用极性溶剂分子对ZnMgO/ZnO异质界面二维电子气(2DEG)浓度的影响，进而影响漏源电流，实现对多种极性溶剂的探测。
本发明提出的基于氧化物异质结的传感器，利用极性溶剂分子对氧化物半导体异质界面二维电子气(2DEG)浓度的调控，改变通过氧化物异质界面的电流的大小，实现对极性溶剂分子的检测。此类传感器采用无栅的ZnMgO/ZnO高电子迁移率晶体管(HEMT)结构，与硅基传感器相比，基于氧化物异质结的极性溶剂化学传感器不需要氧化物钝化层，结构和制备工艺更为简单。氧化物ZnMgO/ZnO异质结构或为铝酸镧/钛酸锶(LaAlO3/SrTiO3)体系等其他氧化物结构体系。
基于氧化物异质结的极性溶剂化学传感器，具体制作步骤为：
(1)选用单晶体硅或蓝宝石材料为衬底，制备高质量ZnO单晶薄膜；
(2)在ZnO单晶薄膜上制备高质量的ZnMgO薄膜，形成ZnMgO/ZnO异质结构；ZnMgO薄膜的厚度为40-100nm，ZnO薄膜的厚度为2-10um；
(3)使用光刻、热蒸发工艺在ZnMgO/ZnO异质结构一端沉积金属铝(Al)，和半导体形成欧姆接触；
(4)使用光刻、热蒸发工艺在ZnMgO/ZnO异质结构另一端沉积金属钯(Pd)，和半导体形成肖特基接触。
(5)引线键合至芯片电路。
(6)使用绝缘层对金属铝和金属钯构成的漏、源电极进行包覆和保护。
有益效果：本发明方法通过实验表明，利用极性溶剂分子对半导体异质界面二维电子气(2DEG)的调控，通过器件漏源电流的变化，从而实现对多种极性溶剂的探测，如，水、乙烯醇、异丙醇和三氯乙烯等，并通过高电子迁移率晶体管(HEMT)的放大作用，实现较高的探测灵敏度。实现对极性溶剂分子的有效探测。由上述方法制备的极性溶剂化学传感器，结构和工艺简单，且可实现对极性溶剂的有效探测。
附图说明
图1是本发明所述的极性溶剂化学传感器，采用非对称的无栅ZnMgO/ZnO HEMT结构。
图2所示是不同种类的极性溶剂对传感器漏源电流的调控作用。由图2a可见，本发明所述的传感器的漏源电流在传感区域吸附极性溶剂分子后发生变化。与Pd/ZnMgO肖特基结正向偏置时的漏源电流相比，Pd/ZnMgO肖特基结反向偏置时，传感器的漏源电流较小，吸附极性溶剂分子后的电流变化更明显，此条件下传感器对极性溶剂的探测具有更高的灵敏度。不同极性溶剂具有不同的极性参数，图2b表示的是漏源电流的变化与溶剂的极性参数之间的关系，由图可知，Pd/ZnMgO肖特基结反向偏置时漏源电流的减小与溶剂的极性指数呈现近似的线性关系。由上可知，本发明提出的非对称的无栅ZnMgO/ZnO HEMT结构可实现对极性溶剂的有效探测。
具体实施方式
本发明提出了一种基于氧化物异质结的极性溶剂化学传感器，下面通过具体工艺步骤进一步描述本发明：
(1)选用合适的衬底，使用MOCVD、MBE或PLD等方法在衬底上制备高质量ZnO单晶薄膜；
(2)使用MOCVD、MBE或PLD等方法在ZnO单晶薄膜上制备出高质量的ZnMgO薄膜，形成ZnMgO/ZnO异质结构；
(3)使用光刻和热蒸发工艺在ZnMgO/ZnO异质结构另一侧沉积金属铝(Al)，和半导体形成欧姆接触；
(4)使用光刻和热蒸发工艺在ZnMgO/ZnO异质结构一侧沉积金属钯(Pd)，和半导体形成肖特基接触。
(5)引线键合至芯片电路
(6)使用绝缘层对漏、源电极进行包覆和保护。
本发明提出的极性溶剂化学传感器采用非对称的无栅ZnMgO/ZnO HEMT结构，与硅基传感器相比，基于氧化物异质结的极性溶剂化学传感器不需要氧化物钝化层，结构和制备工艺更为简单。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明。本发明并不局限于上述实施方式，如果这些改动和变形属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形。

Claims (5)

1.一种基于氧化物异质结的极性溶剂化学传感器，其特征是在衬底上制备ZnMgO/ZnO异质结构，通过光刻或热蒸发半导体工艺在异质结构制作电极，形成肖特基-欧姆接触的非对称无栅高电子迁移率晶体管（HEMT）结构的化学传感器；衬底为单晶体硅或蓝宝石材料；传感器采用非对称的无栅HEMT结构，一个电极为金属钯与氧化物ZnMgO/ZnO异质结构一端形成肖特基接触，另一电极为金属铝与氧化物ZnMgO/ZnO异质结构另一端形成欧姆接触。
2.根据权利要求1所述的基于氧化物异质结的极性溶剂化学传感器，其特征是ZnMgO薄膜和ZnO薄膜均为单晶结构，ZnMgO中Mg组分为0.05-0.4，ZnMgO薄膜的厚度为40-100nm，ZnO薄膜的厚度为2-10um。
3.根据权利要求1所述的基于氧化物异质结的极性溶剂化学传感器，其特征是氧化物ZnMgO/ZnO异质结构或为铝酸镧/钛酸锶LaAlO3/SrTiO3体系。
4.根据权利要求1-3之一所述的基于氧化物异质结的极性溶剂化学传感器的应用，其特征是ZnMgO/ZnO异质结界面形成高电子迁移率二维电子气，利用极性溶剂分子对ZnMgO/ZnO异质界面二维电子气浓度的影响，进而影响漏源电流，实现对多种极性溶剂的探测。
5.根据权利要求1-3之一所述的基于氧化物异质结的极性溶剂化学传感器的制备方法，其特征是步骤为：
（1）选用单晶体硅或蓝宝石材料为衬底，制备高质量ZnO单晶薄膜；
（2）在ZnO单晶薄膜上制备高质量的ZnMgO薄膜，形成ZnMgO/ZnO异质结构；ZnMgO薄膜的厚度为40-100nm，ZnO薄膜的厚度为2-10um；
（3）使用光刻、热蒸发工艺在ZnMgO/ZnO异质结构的一端沉积金属铝和半导体形成欧姆接触；
（4）使用光刻、热蒸发工艺在ZnMgO/ZnO异质结构的另一端沉积金属钯和半导体形成肖特基接触；
（5）引线键合至芯片电路。
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