CN109540988A - 基于叉指凹槽结构的无参比电极GaN基pH传感器及其制备方法 - Google Patents

基于叉指凹槽结构的无参比电极GaN基pH传感器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及半导体pH传感器技术领域，更具体地，涉及一种基于叉指凹槽结构的无参比电极GaN基pH传感器及其制备方法；包括下述步骤:首先在GaN外延材料上生长AlGaN势垒层，通过光刻显影的方法完成图形转移，进而通过刻蚀的方法，减薄pH探测区的势垒层厚度形成凹槽结构，然后对器件表面沉积掩膜并完成图形转移，通过刻蚀完成器件隔离，在凹槽结构沉积对pH变化敏感的探测材料并制备欧姆电极，最终封装凹槽结构以外区域形成探测器件。本发明工艺简单，引入叉指凹槽结构可以有效的提升器件跨导，表现在探测结果上是提升了器件的探测感度，并且具有较快的响应速度。

Description

基于叉指凹槽结构的无参比电极GaN基pH传感器及其制备 方法
技术领域
本发明涉及半导体pH传感器技术领域，更具体地，涉及一种基于叉指凹槽结构的无参比电极GaN基pH传感器及其制备方法。
背景技术
pH传感器是现代精确测量液体介质酸碱度的必备器件。在环境、医疗、农业、食品、工业生产等诸多行业，pH的测量都是必要的，传统的通过化学试剂检测酸碱度的方法不方便且不精确。随着各个学科的发展融合，基于离子敏感场效应晶体管（ISFET：IonSensitive Field Effect Transistor）的全固态pH传感器被发明出来，由于尺寸小、灵敏度高、性能稳定、便于携带等特点而备受青睐。目前，半导体材料Si由于原材料易于获得、材料研究比较成熟、可同时集成传感器与电路等优势，成为制备ISFET pH传感器的主要材料。然而受限于材料特性，Si基pH传感器不能工作于高温（低于150度）、特定溶液（含氟离子的酸性溶液）、较强辐射等环境中，极大的限制了其使用范围。
氮化镓（GaN）作为第三代宽禁带化合物半导体材料的代表，在近几年得到了迅速发展，已经成功实现了LED的产业化，在射频、功率电子器件领域由于具有极大的应用前景也得到了广泛的研究。与元素半导体Si相比，GaN材料具有禁带宽度大（3.4eV以上）、化学性质稳定等特点。高的禁带宽度使得GaN材料本征载流子浓度低，在升温或受到辐射时，更不易激发本征载流子浓度，所以GaN基pH传感器极限工作温度高于Si基pH传感器，且在辐射条件下性能更稳定。同时，GaN还可与多种三元化合物形成异质结，AlGaN/GaN异质结是常见的一种，由于压电极化和自发极化效应，在界面处可以形成具有高浓度、高迁移率的二维电子气（2DEG）沟道，有效的提升了器件的敏感度和响应速度。此外，与集成电路工艺相兼容的特点使得GaN基ISFET具有集成化的潜力。
经过多年的研究改进，GaN基ISFET性能稳步提升，但实现GaN基pH传感器产业化生产面临的挑战有：
（1）探测感度低、响应速度慢。GaN基pH传感器的探测感度与跨导直接相关，为了获得高的探测感度，希望pH的变化对沟道2DEG的调控作用尽可能大，也就是希望有大的跨导。传统的单指器件为了提升跨导，由于工艺的特点，减薄整个势垒层厚度，但这将会降低沟道2DEG浓度，降低响应速度，并且跨导的提升非常有限；采用单指凹槽结构只减小探测区域与沟道2DEG的距离提升跨导，可以有限程度的提升跨导，但器件电流减小导致探测难度增加；单纯采用叉指结构电极的传感器，为了提升跨导也需要减薄势垒层，降低2DEG浓度，响应度降低，只是做到了被检测电流的倍增，所以性能仍需要进一步提高；为了获得高敏感度、高响应速度的pH传感器，需要一种新型器件结构在维持或提升沟道2DEG浓度的前提下，降低沟道与离子敏感材料之间的距离，并做到被检测信号的增强。
（2）需要参比电极。场效应器件在阈值电压附近有较大的跨导，为了提高探测感度，在阈值电压附近测试能获得更好的测试效果。传统的GaN器件阈值电压是负的，为了获得好的测试效果，需通过外加电势调节栅极电压，这增加了测试的复杂程度。在无参比电极时，化学或生物分子对表面电势的调节范围在几十到几百毫伏，具有较大跨导的传感器可以在微小甚至无外加电压时实现高探测感度，若器件阈值电压在0V以上，便不需要引入外加电势调节栅极电压，所以需要调控阈值电压在0V以上以减小测试的复杂程度。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种基于叉指凹槽结构的无参比电极GaN基pH传感器及其制备方法，引入叉指结构电极增加探测区域表面占比，通过这种并联器件的方法倍增器件跨导与被检测电流信号；在电极接入区保留较厚的势垒层，维持了高的2DEG浓度，保持较快的响应速度；探测敏感材料下方的薄势垒层减小探测敏感材料与沟道的距离，提升跨导，并可调控器件阈值电压，实现无参比电极工作。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于叉指凹槽结构的无参比电极GaN基pH传感器，其结构由下往上依次包括衬底；应力缓冲层；GaN外延层；AlGaN势垒层：AlGaN势垒层形成凹槽结构；欧姆接触电极：AlGaN势垒层的两端形成欧姆接触电极；封装材料：覆盖于欧姆接触电极表面；高探测感度敏感材料：填充于AlGaN势垒层形成凹槽结构中。
进一步的，所述的衬底为 Si 衬底、蓝宝石衬底、碳化硅衬底、GaN自支撑衬底中的任一种；所述的应力缓冲层为AlN、AlGaN、GaN的任一种或组合；应力缓冲层厚度为10 nm~100 μm。
进一步的，所述的GaN外延层为非故意掺杂的GaN外延层，其位错密度非常低；GaN外延层厚度为100 nm~100 μm。
进一步的，所述的AlGaN势垒层厚度在10-65nm，且铝组分浓度在25%以下可变化，其中，凹槽区域AlGaN势垒层厚度在5-15nm。
进一步的，所述的 AlGaN 势垒层材料为AlInN、 InGaN、AlInGaN、AlN 中的一种或任意几种的组合；所述的封装材料为树脂、Si3N4或SiO2。
进一步的，所述的高探测感度敏感材料为Al2O3，TiO2或PdO ；所述的欧姆接触电极材料为Ti/Al/Ni/Au合金、Ti/Al/Ti/Au合金、Ti/Al/Mo/Au合金或Ti/Al/Ti/TiN合金。
一种基于叉指凹槽结构的无参比电极GaN基pH传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1. 在衬底上生长应力缓冲层及GaN外延层；
S2. 在GaN外延层上生长AlGaN势垒层；
S3. 在AlGaN势垒层（3）上涂覆光刻胶，通过光刻显影技术完成叉指结构电极图形转移；
S4. 通过刻蚀的方法减薄探测区域部分势垒层厚度形成凹槽结构和叉指结构表面，未被刻蚀去除势垒层的厚度以实现阈值电压在零伏附近为基准；
S5. 在器件表面沉积SiO2，使用光刻显影技术完成图形转移，通过干法刻蚀完成器件隔离；
S6. 在探测区域沉积高敏感度探测材料，制备欧姆接触电极，并用树脂封装探测区域以外部分。
所述的步骤S1中，与GaN功率电子器件不同，GaN外延层不需要进行任何掺杂以降低外延材料中位错缺陷密度。所述步骤S3中，图形转移后形成了叉指形状表面。所述的步骤S4中，刻蚀保留的势垒层厚度调节传感器的阈值电压至零伏以上，实现无参比电极工作。
进一步的，所述的S4步骤中的凹槽结构的形成还可以通过在非故意掺杂GaN外延层上先沉积薄层低铝组分AlGaN、再在凹槽区域以外沉积高铝组分AlGaN的方法实现。
进一步的，所述步骤S3中，通过改变叉指结构电极的对数提高器件的跨导以提高器件探测感度；所述的步骤S4中，改变薄势垒层厚度调节传感器的跨导来提高器件探测感度。
进一步的，所述步骤S1中的应力缓冲层、步骤S2中的GaN外延层的生长方法为金属有机化学气相沉积法、分子束外延法的高质量成膜方法。
另外，也可以利用下述方法步骤表达本发明；
利用叉指凹槽结构实现GaN基pH传感器件探测感度、反应速度的提升以及阈值电压的调控。具体包含以下步骤：
步骤1. 提供AlGaN/GaN衬底材料；
步骤2. 在衬底材料上利用光刻显影技术，完成图形转移；
步骤3. 通过刻蚀的方法减薄探测区域部分势垒层厚度；
步骤4. 器件表面沉积掩膜并完成图形转移，采用刻蚀的方法完成器件隔离；
步骤5. 在凹槽区域沉积敏感材料；
所述步骤1中，所述的衬底是具有不同成分的多层外延衬底。
所述步骤2中，光刻所使用到的光刻胶为正性光刻胶或负性光刻胶。
所述步骤3中，刻蚀的方法为电感耦合等离子体刻蚀法或反应离子刻蚀法或离子铣。
所述步骤4中，刻蚀的方法为电感耦合等离子体刻蚀法或反应离子刻蚀法或离子铣。
所述步骤5中，敏感材料的生长为等离子增强原子层沉积、金属有机化学气相沉法或分子束外延法。
与现有技术相比，有益效果是：本发明提供一种基于叉指凹槽结构的无参比电极GaN基pH传感器制备方法，主要是叉指结构与凹槽结构的组合，通过凹槽结构减小敏感材料与沟道的距离，提高了跨导，有效的提升了探测感度，并可以调控阈值电压以实现无参比电极工作；叉指结构引入多个探测区域，实现了被观测电信号的倍增效果，更有利于检测采集。此外，凹槽区域以外的较厚势垒层维持了较高的2DEG浓度，避免了传统的引入整块薄势垒导致的器件响应速度降低。
附图说明
图1-6是本发明实施例1的器件制作方法工艺示意图。
图7是本发明图6的俯视示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。
实施例1：
如图6所示，一种基于叉指凹槽结构的无参比电极GaN基pH传感器，其结构由下往上依次包括衬底1；应力缓冲层2；GaN外延层3；AlGaN势垒层4：AlGaN势垒层4形成凹槽结构；欧姆接触电极5：AlGaN势垒层4的两端形成欧姆接触电极5；封装材料层6：覆盖于欧姆接触电极5表面；高敏感度探测材料7：填充于AlGaN势垒层4形成凹槽结构中。
其中，衬底1为 Si 衬底1、蓝宝石衬底1、碳化硅衬底1、GaN自支撑衬底1中的任一种；所述的应力缓冲层2为AlN、AlGaN、GaN的任一种或组合；应力缓冲层2厚度为10 nm~100μm。GaN外延层3为非故意掺杂的GaN外延层3，其位错密度非常低；GaN外延层3厚度为100 nm~100 μm。AlGaN势垒层4厚度在10-65nm，且铝组分浓度在25%以下可变化，其中，凹槽区域AlGaN势垒层4厚度在5-15nm。AlGaN 势垒层材料为AlInN、 InGaN、AlInGaN、AlN 中的一种或任意几种的组合；所述的封装材料层6为树脂、Si3N4或SiO2。高敏感度探测材料7为Al2O3，TiO2或PdO ；所述的欧姆接触电极5材料为Ti/Al/Ni/Au合金、Ti/Al/Ti/Au合金、Ti/Al/Mo/Au合金或Ti/Al/Ti/TiN合金。
以上所述的基于叉指凹槽结构的无参比电极GaN基pH传感器的制备方法具体包括以下步骤：
S1. 在衬底1上生长应力缓冲层2及GaN外延层3，如图1所示；
S2. 在GaN外延层3上生长AlGaN势垒层4，如图2所示；
S3. 在AlGaN势垒层4上涂覆光刻胶8，通过光刻显影技术完成叉指结构电极图形转移，如图3所示；
S4. 通过刻蚀的方法减薄探测区域部分势垒层厚度形成凹槽结构和叉指结构表面，未被刻蚀去除势垒层的厚度以实现阈值电压在零伏附近为基准，如图4所示；
S5. 在器件表面沉积SiO2，使用光刻显影技术完成图形转移，通过干法刻蚀完成器件隔离，如图5所示；
S6. 在探测区域沉积高敏感度探测材料7，制备欧姆接触电极5，并用树脂封装探测区域以外部分，如图6所示。
至此，完成了整个器件的制备过程。图6即为实施例1的器件结构示意图。
其中步骤S1中，与GaN功率电子器件不同，GaN外延层3不需要进行任何掺杂以降低外延材料中位错缺陷密度。所述步骤S3中，图形转移后形成了叉指形状表面。所述的步骤S4中，刻蚀保留的势垒层厚度调节传感器的阈值电压至零伏以上，实现无参比电极工作。
实施例2
本实施例与实施例1类似，不同的是S4步骤中的凹槽结构的形成通过在非故意掺杂GaN外延层3上先沉积薄层低铝组分AlGaN、再在凹槽区域以外沉积高铝组分AlGaN的方法实现。
实施例3
本实施例与实施例1类似，不同的是，区别在于凹槽结构不是通过刻蚀获得，而是利用选择区域生长得到。
实施例4
本实施例与实施例1类似，不同的是，在步骤S3中，通过改变叉指结构电极的对数提高器件的跨导以提高器件探测感度；步骤S4中，改变薄势垒层厚度调节传感器的跨导来提高器件探测感度。
实施例5
本实施例与实施例1类似，不同的是，步骤S1中的应力缓冲层2、步骤S2中的GaN外延层3的生长方法为金属有机化学气相沉积法、分子束外延法的高质量成膜方法。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于叉指凹槽结构的无参比电极GaN基pH传感器，其特征在于，其结构由下往上依次包括衬底（1）；应力缓冲层（2）；GaN外延层（3）；AlGaN势垒层（4）：AlGaN势垒层（4）形成凹槽结构；欧姆接触电极（5）：AlGaN势垒层（4）的两端形成欧姆接触电极（5）；封装材料层（6）：覆盖于欧姆接触电极（5）表面；高敏感度探测材料（7）：填充于AlGaN势垒层（4）形成凹槽结构中。
2.根据权利要求1所述的基于叉指凹槽结构的无参比电极GaN基pH传感器，其特征在于，所述的衬底（1）为 Si 衬底（1）、蓝宝石衬底（1）、碳化硅衬底（1）、GaN自支撑衬底（1）中的任一种；所述的应力缓冲层（2）为AlN、AlGaN、GaN的任一种或组合；应力缓冲层（2）厚度为10 nm~100 μm。
3.根据权利要求1所述的基于叉指凹槽结构的无参比电极GaN基pH传感器，其特征在于，所述的GaN外延层（3）为非故意掺杂的GaN外延层（3）；GaN外延层（3）厚度为100 nm~100μm。
4.根据权利要求1所述的基于叉指凹槽结构的无参比电极GaN基pH传感器，其特征在于，所述的AlGaN势垒层（4）厚度在10-65nm，且铝组分浓度在25%以下可变化，其中，凹槽区域AlGaN势垒层（4）厚度在5-15nm。
5.根据权利要求4所述的基于叉指凹槽结构的无参比电极GaN基pH传感器，其特征在于，所述的 AlGaN 势垒层材料为AlInN、 InGaN、AlInGaN、AlN 中的一种或任意几种的组合；所述的封装材料层（6）为树脂、Si3N4或SiO2。
6.根据权利要求1所述的基于叉指凹槽结构的无参比电极GaN基pH传感器，其特征在于，所述的高敏感度探测材料（7）为Al2O3，TiO2或PdO ；所述的欧姆接触电极（5）材料为Ti/Al/Ni/Au合金、Ti/Al/Ti/Au合金、Ti/Al/Mo/Au合金或Ti/Al/Ti/TiN合金。
7.一种基于叉指凹槽结构的无参比电极GaN基pH传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1. 在衬底（1）上生长应力缓冲层（2）及GaN外延层（3）；
S2. 在GaN外延层（3）上生长AlGaN势垒层（4）；
S3. 在AlGaN势垒层（3）上涂覆光刻胶（8），通过光刻显影技术完成叉指结构电极图形转移；
S4. 通过刻蚀的方法减薄探测区域部分势垒层厚度形成凹槽结构和叉指结构表面，未被刻蚀去除势垒层的厚度以实现阈值电压在零伏附近为基准；
S5. 在器件表面沉积SiO2，使用光刻显影技术完成图形转移，通过干法刻蚀完成器件隔离；
S6. 在探测区域沉积高敏感度探测材料（7），制备欧姆接触电极（5），并用树脂封装探测区域以外部分。
8.根据权利要求7所述的基于叉指凹槽结构的无参比电极GaN基pH传感器的制备方法，其特征在于，所述的S4步骤中的凹槽结构的形成还可以通过在非故意掺杂GaN外延层（3）上先沉积薄层低铝组分AlGaN、再在凹槽区域以外沉积高铝组分AlGaN的方法实现。
9.根据权利要求7所述的基于叉指凹槽结构的无参比电极GaN基pH传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，通过改变叉指结构电极的对数提高器件的跨导以提高器件探测感度；所述的步骤S4中，改变薄势垒层厚度调节传感器的跨导来提高器件探测感度。
10.根据权利要求7至9任一项所述的基于叉指凹槽结构的无参比电极GaN基pH传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中的应力缓冲层（2）、步骤S2中的GaN外延层（3）的生长方法为金属有机化学气相沉积法、分子束外延法的高质量成膜方法。
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