CN110927216B - 同步监测溶液温度和pH的集成式GaN基传感器及制法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种同步监测溶液温度和pH的集成式GaN基传感器及制法。所述传感器，其特征在于，包括由下至上设置的衬底层、应力缓冲层、GaN外延层、AlGaN势垒层、欧姆接触电极、肖特基接触电极和封装材料层；所述AlGaN势垒层包括第一凸起、第一凹槽、第二凸起和第二凹槽；所述欧姆接触电极设置在所述第一凸起和所述第二凸起表面；所述肖特基接触电极沉积设置于所述第二凹槽。所述传感器在提高探测感度的同时能够维持高的二维电子气沟道浓度，使得响应速度快，且利用第二凹槽阳极结构在AlGaN/GaN上形成肖特基二极管，实现在线监测探测溶液的温度变化。

Description

同步监测溶液温度和pH的集成式GaN基传感器及制法
技术领域
本发明属于半导体传感器领域，具体涉及一种同步监测溶液温度和pH的集成式GaN基传感器及制法。
背景技术
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，而通过化学试剂检测酸碱度的方法不方便且不精确，故pH传感器是现代精确测量液体介质酸碱度的必备器件。
而对于传统的pH传感器，目前主要靠添加额外的金属线圈作为温度传感器进行集成。由于金属在酸碱溶液中存在被腐蚀的可能性，所以用于作为温度传感的一般为贵金属，导致成本较高且不易实现集成。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种同步监测溶液温度和pH的集成式GaN基传感器及制法。所述传感器在提高探测感度的同时能够维持高的二维电子气沟道浓度，使得响应速度快，且利用第二凹槽阳极结构在AlGaN/GaN上形成肖特基二极管，实现在线监测探测溶液的温度变化。
本发明的方案是，提供一种同步监测溶液温度和pH的集成式GaN基传感器，包括由下至上设置的衬底层、应力缓冲层、GaN外延层、AlGaN势垒层、欧姆接触电极、肖特基接触电极和封装材料层；所述AlGaN势垒层包括第一凸起、第一凹槽、第二凸起和第二凹槽；所述欧姆接触电极设置在所述第一凸起和所述第二凸起表面；所述肖特基接触电极沉积设置于所述第二凹槽。
具体的，相关原理及发明思路如下：AlGaN/GaN异质结由于压电极化和自发极化效应，可以在GaN外延层和AlGaN势垒层的界面处形成具有高浓度、高迁移率的二维电子气沟道，能有效的提升了器件的敏感度和响应速度。且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，需要pH的变化对二维电子气沟道的调控作用尽可能大，即跨导变大。而减薄AlGaN势垒层厚度可以有效提高跨导，但这将会降低二维电子气沟道浓度，降低响应速度，故通过在AlGaN势垒层设置凸起和凹槽能够实现在提高跨导的同时避免二维电子气沟道浓度过分降低。同时发明人通过研究发现溶液的实时温度对GaN基pH传感器的探测性能及可靠性具有明显的影响，且GaN二极管的正向开启电压随温度呈现出良好的线性变化趋势，此为实现温度传感器和pH传感器集成提供了理论基础，使得最终得到的传感器在第一凹槽处检测溶液pH信号，同时在第二凹槽处检测溶液温度信号。
优选地，所述衬底层为Si衬底、蓝宝石衬底、SiC衬底或GaN自支撑衬底中的任意一种；所述应力缓冲层为AlN、AlGaN或GaN的任意一种，亦或为任意两种以上的组合。其中应力缓冲层厚度为0.01～100μm。
优选地，所述GaN外延层为非故意掺杂的GaN外延层，其位错密度为107～108/cm3。其中GaN外延层厚度为0.1～100μm。
优选地，所述AlGaN势垒层中Al组分含量≤30wt.％。其中AlGaN势垒层第一凸起和第二凸起的厚度为6～30nm，第一凹槽和第二凹槽的厚度为5～15nm。
优选地，所述的AlGaN势垒层为AlInN、InGaN、AlInGaN或AlN中的一种，亦或为任意两种以上的组合。
优选地，所述的欧姆接触电极的材料为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，上述四种合金均为分层设置；
优选地，所述的肖特基接触电极材料为Pt、W、TiN或NiO中的任意一种。
优选地，所述的封装材料层为树脂、Si3N4或SiO2中的任意一种。
基于相同的技术构思，本发明的再一方案是，提供一种同步监测溶液温度和pH的集成式GaN基传感器的制备方法，包括如下步骤：
(S1)：于所述衬底层上表面依次生长所述应力缓冲层及GaN外延层，得传感器中间体a；
(S2)：将步骤(S1)所得传感器中间体a的GaN外延层上表面生长AlGaN势垒层，再于AlGaN势垒层上表面涂覆光刻胶，并通过光刻显影技术完成探测区域及二极管阳极区域的图形转移，最后通过刻蚀AlGaN势垒层形成第一凹槽和第二凹槽，未刻蚀区域形成第一凸起和第二凸起，得传感器中间体b；
(S3)：对步骤(S2)所得传感器中间体b进行干法刻蚀完成器件隔离，并形成欧姆接触电极，再于第二凹槽区域沉积形成肖特基接触电极，最后包覆封装材料层，即得同步监测溶液温度和pH的集成式GaN基传感器。
优选地，所述应力缓冲层的生长方法为金属有机化学气相沉积法；所述GaN外延层的生长方法为分子束外延成膜法。
本发明还提供另一种制备方法，与上述方法的区别在于步骤S2，具体为：
(I)：于所述衬底层上表面依次生长所述应力缓冲层及GaN外延层，得传感器中间体a；
(II)：于步骤(I)所得传感器中间体a的GaN外延层先沉积低铝组分的AlGaN势垒层，并确定第一凹槽和第二凹槽区域，之后在第一凹槽和第二凹槽区域以外沉积高铝组分的AlGaN势垒层形成第一凸起和第二凸起，得传感器中间体b；
(III)：对步骤(II)所得传感器中间体b进行干法刻蚀完成器件隔离，并形成欧姆接触电极，再于第二凹槽区域沉积形成肖特基接触电极，最后包覆封装材料层，即得同步监测溶液温度和pH的集成式GaN基传感器。
本发明的有益效果为：
本发明提所述的同步监测溶液温度和pH的集成式GaN基传感器，引入第一凹槽和第二凹槽结构用以降低探测区域与二维电子气沟道的距离，从而提高探测感度，且同时保留接入区较厚的势垒层，维持了高的二维电子气沟道浓度，保持低的欧姆接触及较快的响应速度。此外，利用第二凹槽阳极结构在AlGaN/GaN上形成肖特基二极管，实现在线监测探测溶液的温度变化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是实施例1所得同步监测溶液温度和pH的集成式GaN基传感器结构示意图。
图2是实施例1所得同步监测溶液温度和pH的集成式GaN基传感器中AlGaN势垒层的结构示意图。
图3是实施例2所得同步监测溶液温度和pH的集成式GaN基传感器结构示意图。
图4是实施例2所得同步监测溶液温度和pH的集成式GaN基传感器中AlGaN势垒层的结构示意图。
图中附图标记：
1-衬底层；2-应力缓冲层；3-GaN外延层；4-AlGaN势垒层；41-第一凸起；42-第一凹槽；43-第二凸起；44-第二凹槽；45-低铝组分的AlGaN势垒层；46-高铝组分的AlGaN势垒层；5-欧姆接触电极；6-肖特基接触电极；7-封装材料层。
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，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅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的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
实施例1
本实施例提供一种同步监测溶液温度和pH的集成式GaN基传感器的制备方法，包括如下步骤：
S1：于所述衬底层1上表面依次生长所述应力缓冲层2及GaN外延层3，得传感器中间体a；其中所述衬底层1为Si衬底、蓝宝石衬底、SiC衬底或GaN自支撑衬底中的任意一种；所述应力缓冲层2为AlN、AlGaN或GaN的任意一种，亦或为任意两种以上的组合；且根据规格的差异，应力缓冲层2的厚度在0.01～100μm之间可以调控；所述GaN外延层为非故意掺杂的GaN外延层，其位错密度为107/cm3，GaN外延层厚度在0.1～100μm之间可以调控；
S2：将步骤S1所得传感器中间体a的GaN外延层3上表面生长AlGaN势垒层4，再于AlGaN势垒层4上表面涂覆光刻胶，并通过光刻显影技术完成探测区域及二极管阳极区域的图形转移，最后通过刻蚀AlGaN势垒层4形成第一凹槽42和第二凹槽44，未刻蚀区域形成第一凸起41和第二凸起43，得传感器中间体b；其中，所述AlGaN势垒层4中Al组分含量为30wt.％，根据规格的差异，第一凸起41和第二凸起43的厚度为6～30nm，第一凹槽42和第二凹槽44的厚度为5～15nm，且所述的AlGaN势垒层4为AlInN、InGaN、AlInGaN或AlN中的一种，亦或为任意两种以上的组合；
S3：对步骤S2所得传感器中间体b进行干法刻蚀完成器件隔离，并形成欧姆接触电极5，再于第二凹槽44区域沉积形成肖特基接触电极6，最后包覆封装材料层7，即得同步监测溶液温度和pH的集成式GaN基传感器。其中，所述欧姆接触电极5的材料为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；所述的肖特基接触电极6材料为Pt、W、TiN或NiO中的任意一种；所述的封装材料层7为树脂、Si3N4或SiO2中的任意一种。
实施例2
本实施例提供一种同步监测溶液温度和pH的集成式GaN基传感器的制备方法，包括如下步骤：
I：于所述衬底层上表面依次生长所述应力缓冲层及GaN外延层，得传感器中间体a；其中所述衬底层1为Si衬底、蓝宝石衬底、SiC衬底或GaN自支撑衬底中的任意一种；所述应力缓冲层2为AlN、AlGaN或GaN的任意一种，亦或为任意两种以上的组合；且根据规格的差异，应力缓冲层2的厚度在0.01～100μm之间可以调控；所述GaN外延层为非故意掺杂的GaN外延层，其位错密度为108/cm3，GaN外延层厚度在0.1～100μm之间可以调控；
II：于步骤I所得传感器中间体a的GaN外延层先沉积低铝组分的AlGaN势垒层45，并确定第一凹槽42和第二凹槽44区域，之后在第一凹槽42和第二凹槽44区域以外沉积高铝组分的AlGaN势垒层形成第一凸起41和第二凸起43，得传感器中间体b；
III：对步骤II所得传感器中间体b进行干法刻蚀完成器件隔离，并形成欧姆接触电极5，再于第二凹槽44区域沉积形成肖特基接触电极6，最后包覆封装材料层7，即得同步监测溶液温度和pH的集成式GaN基传感器。其中，所述欧姆接触电极5的材料为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；所述的肖特基接触电极6材料为Pt、W、TiN或NiO中的任意一种；所述的封装材料层7为树脂、Si3N4或SiO2中的任意一种。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种同步监测溶液温度和pH的集成式GaN基传感器，其特征在于，包括由下至上设置的衬底层(1)、应力缓冲层(2)、GaN外延层(3)、AlGaN势垒层(4)、欧姆接触电极(5)、肖特基接触电极(6)和封装材料层(7)；所述AlGaN势垒层(4)包括第一凸起(41)、第一凹槽(42)、第二凸起(43)和第二凹槽(44)；所述欧姆接触电极(5)设置在所述第一凸起(41)和所述第二凸起(43)表面；所述肖特基接触电极(6)沉积设置于所述第二凹槽(44)；
所述同步监测溶液温度和pH的集成式GaN基传感器的制备方法，包括如下步骤：
S1：于所述衬底层(1)上表面依次生长所述应力缓冲层(2)及GaN外延层(3)，得传感器中间体a；
S2：将步骤S1所得传感器中间体a的GaN外延层(3)上表面生长AlGaN势垒层(4)，再于AlGaN势垒层(4)上表面涂覆光刻胶，并通过光刻显影技术完成探测区域及二极管阳极区域的图形转移，最后通过刻蚀AlGaN势垒层(4)形成第一凹槽(42)和第二凹槽(44)，未刻蚀区域形成第一凸起(41)和第二凸起(43)，得传感器中间体b；
S3：对步骤S2所得传感器中间体b进行干法刻蚀完成器件隔离，并形成欧姆接触电极(5)，再于第二凹槽(44)区域沉积形成肖特基接触电极(6)，最后包覆封装材料层(7)，即得同步监测溶液温度和pH的集成式GaN基传感器；
所述应力缓冲层(2)的生长方法为金属有机化学气相沉积法；所述GaN外延层(3)的生长方法为分子束外延成膜法。
2.根据权利要求1所述的同步监测溶液温度和pH的集成式GaN基传感器，其特征在于，所述衬底层(1)为Si衬底、蓝宝石衬底、SiC衬底或GaN自支撑衬底中的任意一种；所述应力缓冲层(2)为AlN、AlGaN或GaN的任意一种，亦或为任意两种以上的组合。
3.根据权利要求1所述的同步监测溶液温度和pH的集成式GaN基传感器，其特征在于，所述GaN外延层(3)为非故意掺杂的GaN外延层，其位错密度为107～108/cm3。
4.根据权利要求1所述的同步监测溶液温度和pH的集成式GaN基传感器，其特征在于，所述AlGaN势垒层(4)中Al组分含量≤30wt.％。
5.根据权利要求4所述的同步监测溶液温度和pH的集成式GaN基传感器，其特征在于，所述的AlGaN势垒层(4)为AlInN、InGaN、AlInGaN或AlN中的一种，亦或为任意两种以上的组合。
6.根据权利要求1所述的同步监测溶液温度和pH的集成式GaN基传感器，其特征在于，所述的欧姆接触电极(5)的材料为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.根据权利要求1所述的同步监测溶液温度和pH的集成式GaN基传感器，其特征在于，所述的肖特基接触电极(6)材料为Pt、W、TiN或NiO中的任意一种。
8.根据权利要求1所述的同步监测溶液温度和pH的集成式GaN基传感器，其特征在于，所述的封装材料层(7)为树脂、Si3N4或SiO2中的任意一种。
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