CN110988065A - 氮化镓传感器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氮化镓传感器件及其制备方法，其中，该氮化镓传感器件包括：衬底；氮化镓缓冲层，设置于该衬底上；感应层，设置于该缓冲层上；以及电极，设置与该感应层相接触；其中，该感应层存在部分界面与空气直接接触形成感应区。在其基础上，还可以包括：钝化层，该钝化层覆盖部分该电极，且该钝化层覆盖部分该感应层。本发明提供的该氮化镓传感器件及其制备方法，通过采用宽禁带半导体氮化镓材料并设置感应区，可以实现高灵敏、高稳定性的氮化镓传感器，并且实现大批量，低成本生产与制备。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件和传感器技术领域，尤其涉及一种氮化镓传感器件及其制备方法。
背景技术
当疾病爆发后，会在全球传播并威胁每个人的生命时，需要进行现场检测疾病并进行免疫分析，来保证每个人的生命安全，也就是在疾病传播时，需要快速检测出导致DNA碱基对变化或者细胞(白细胞，红细胞，血小板)突变等一系列因素。还提出了例如前列腺抗原抗体特异性结合的生物检测，还能检测酶免疫吸附以及蛋白质，脱氧核糖核酸和葡萄糖等在生物医学上对人体健康有影响的生物分子。
而目前存在的氮化镓传感器有NO2、NO气体传感器、pH检测传感器、检测Zn离子或者检测镉(Cd)离子传感器等。这些传感器件通过半导体表面感受环境的变化来探测、感受外界的信号，并按照一定的规律来实现对待测环境的感应与信息测量。其通常包括了多种电极结构，如同时使用肖特基接触和欧姆接触实现传感器件的响应，该种结构造成目前存在的这些氮化镓传感器件具有结构和工艺制备复杂，灵敏度低等种种特点，且具有潜在的可靠性上的风险。
所以研发一种检测速度快，灵敏度高，携带方便的氮化镓生物传感器，以便于预防疾病以及加快疾病血清的制备起到了尤为关键的作用。
发明内容
鉴于此，本发明提供了一种氮化镓传感器件及其制备方法，以至少解决部分上述问题。
针对以上技术问题，本发明一方面提供了一种氮化镓传感器件，包括：
衬底，材料为Si，SiC，蓝宝石，金刚石，AlN或者氮化镓晶片；
氮化镓缓冲层，设置于该衬底上；
感应层，设置于该缓冲层上，进一步的，该感应层表现为：
该感应层为一层，其材料为InN，GaN，AlInN或AlGaN三元合金，或AlInGaN四元合金；或
该感应层为多层，该多层感应层的材料为GaN、AlInN或AlGaN三元合金、AlInGaN四元合金或其中至少之一，更进一步的，该一层或多层感应层的厚度为0nm-15nm；
电极，设置与该感应层相接触，一些实施例中，该电极的材料为为Ti、Al、Ni、Au或其中至少两者的合金，厚度为0nm-2700nm；
特别地，其中，感应层存在部分界面与空气直接接触形成感应区。
基于上述氮化镓传感器件结构，还可以在电极的周围设置钝化层，该钝化层覆盖部分该电极，且该钝化层覆盖部分该感应层。
更进一步的，该钝化层的材料为SiN、SiO2、AlN、Al2O3或SiON，厚度为1nm-120nm。
基于以上所述氮化镓传感器件，本发明在另一方面提供了一种实现其器件的制备方法，包括：
在一衬底上外延生长氮化镓缓冲层；
在该氮化镓缓冲层上外延生长感应层；
在该感应层上制备金属电极；
特别的，其中，感应层存在部分界面与空气直接接触形成感应区，一些实施例中，该感应区的形成包括：
在感应层、或感应层及金属电极上生长钝化层；
刻蚀该钝化层至氮化镓缓冲层界面或感应层界面形成感应区，或在该感应区的上面还覆盖金属、或者介质与金属作为感应区。
本发明提供的该氮化镓传感器件及其制备方法，具有以下有益效果：
(1)本发明设置感应区使感应部位可直接与外界环境相接触，排除了传感器件中普遍存在的钝化层或其他多余材料层的干扰，另外，由于感应区距离二维电子气沟道近，并且该感应区不是通过刻蚀氮化镓形成的，因此降低了材料损伤带来的噪声等问题，最终增加了感应区的灵敏度，而且使测量结果更为精确，有效提高了传感器件的灵敏度；
(2)本发明的电极采用相同的设计材料及结构，由于采用薄层感应层，所以欧姆电极的制备工艺非常简单，解决了多种电极结构及部分设计结构的制备复杂性，本发明的制备实现更为简单化；
(3)根据本发明的公开实施案例，可以实现高灵敏、高稳定性的氮化镓传感器，并且具有快速响应、可重复性和可靠性等优良品质，可实现大批量，低成本生产与制备。
附图说明
图1-图3是本发明不同实施例下氮化镓传感器件的总体结构图；
图4是本发明一实施例氮化镓传感器件制备工艺流程图。
图中：
衬底1 缓冲层2 感应层3
钝化层4 电极5 感应区6
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明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
为了解决背景技术中所述技术问题，本发明一实施例提供了一种氮化镓(GaN)传感器件及其制造方法，该器件结构采用Al(In，Ga)N/GaN异质结衬底，并结合钝化层，无需刻蚀Al(In，Ga)N势垒层，可实现高灵敏GaN传感器件的制造，具体的，请参照图1-图3，该GaN传感器件包括：
衬底1；
一些实施例中，衬底材料可以为Si，SiC，蓝宝石，金刚石，AlN或者氮化镓晶片等，且不限于此。
氮化镓缓冲层2，设置于该衬底上；
一些实施例中，缓冲层的材料选择一般为氮化镓，但也不限于此。
感应层3，设置于该缓冲层上；
一些实施例中，该感应层表现为：
该感应层为一层，其材料为InN，GaN，AlInN或AlGaN三元合金，或AlInGaN四元合金；或
该感应层为多层，该多层感应层的材料为InN、GaN、AlInN或AlGaN三元合金、AlInGaN四元合金或其中至少之一的组合。
本实施例中，衬底1、氮化镓缓冲层2和感应层3即组成Al(In，Ga)N/GaN异质结构，其中，氮化镓缓冲层2中靠近感应层3的部分形成(二维电子气)沟道区，氮化镓传感器件的测试及感应工作即通过该异质结构完成。其中，感应层3即Al(In，Ga)N/GaN异质结构的最上层Al(In，Ga)N，图1中所示感应层3不限于1层，也可以是多层，例如可以是AlGaN，AlInN三元合金，也可以是AlInGaN四元合金等，且不限于此，感应层3的厚度为介于0nm至15nm之间。
以及，电极5，设置与该感应层3相接触，为氮化镓传感器件的工作提供能量；
一些实施例中，电极材料可选为Ti、Al、Ni、Au或其中至少两者的合金等，厚度可以为0nm-2700nm，且不限于此。
特别地，在该氮化镓传感器件中，感应层存在部分界面与空气直接接触形成感应区6。
本实施例中，感应区6由感应层3暴露于空气中的部分界面实现，传感器工作时，感应区6直接感测环境中例如气体密度、温度、压力、水压或水质等的变化，或者可以在感应区6上添加一些与待测物反应敏感的化学物质，使器件功能化，通过待测物与化学物质的反应变化，再通过AlGaN等制备的感应层实现间接传感，然后结合Al(In，Ga)N/GaN异质结构的极化效应最终得到该待测物或待测环境的测量与感应结果。
一些实施例中，该GaN传感器件的电极可以通过刻蚀钝化层或者非刻蚀钝化层形成，亦即，基于上述氮化镓传感器件结构，还可以在电极的周围设置钝化层，该钝化层全部覆盖或者部分覆盖该电极，且该钝化层部分覆盖该感应层以实现预留一定的感应区。其中，更进一步的，该钝化层的材料可以为SiN、SiO2、AlN、Al2O3或SiON，且不限于此，其厚度控制为1nm-120nm之间。
优选的，本实施例中，设置有钝化层4，可以起到保护电极不被环境影响的作用。
基于上述实施方式，本发明另一实施例提供了一种实现该氮化镓传感器件的制备方法，制备成品如图1-图3所示，本实施例中，以图1所示氮化镓传感器件的结构为例，并请参照图4所示，进一步说明其制备方法如下，包括：
在一衬底1上外延生长缓冲层2，其中，衬底可以选择Si、SiC、蓝宝石、金刚石或者氮化镓晶片等，缓冲层2选择为GaN缓冲层，该GaN缓冲层2中靠近感应层3的部分形成(二维电子气)沟道区；
在该缓冲层2上外延生长感应层3，感应层3可以为一层或多层，各层感应层材料选择可以相同或不同，感应层总厚度控制在0nm至15nm范围内，本实施例中，感应层3使用GaN，AlInN或AlGaN三元合金，或AlInGaN四元合金等材料中至少一种制备实现；
在该感应层3上制备金属电极5，特别的，该感应层3存在部分界面与空气直接接触形成感应区6，此部分包括两种实现方式：
其一，在该感应层3上直接制备金属电极5，在金属电极5及感应层3上生长钝化层4；刻蚀所述钝化层4至感应层3界面形成感应区6，完成该氮化镓传感器件的制备；
其二，请参见图4所示，在该感应层上生长制备钝化层4，对钝化层4进行刻蚀，刻蚀程度包括：将钝化层4刻蚀至感应层3表面，并在该刻蚀部位形成电极5；将钝化层4刻蚀至感应层3界面，由此形成的刻蚀槽作为感应区6，该感应区6使感应层3的相同或不同的层均可与空气直接接触，方便实现对环境的测量与感应。
需要说明的是：
上述的两种实现方式中，将钝化层4刻蚀至感应层3界面包括：刻蚀至感应层3的界面上(图1所示)、刻蚀至感应层3界面的内部(图2所示)或刻蚀至氮化镓缓冲层界面(图3所示)；
其中的感应区也可以被金属、或者介质与金属共同覆盖，形成新的感应区。
一些实施例中，该钝化层可以采用MOCVD(metal-organic chemical vapordeposition)，LPCVD(low pressure chemical vapor deposition)或PECVD(plasma-enhanced chemical vapor deposition)以及ALD，PVD等方法制备，且不限于此。
至此，完成了该氮化镓传感器件的制备。
本发明提供的该氮化镓半导体传感器件，利用GaN材料的特征优势，实现了可面向水质监测、重金属离子监测、pH值测试、气体传感、压力传感、细胞监测等应用领域的氮化镓传感器件的设计与制造。本发明通过采用宽禁带半导体氮化镓材料，可用于高温、高压、高酸碱度水质中，而且实现精确度更高的感应检测。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种氮化镓传感器件，其特征在于，包括：
衬底；
氮化镓缓冲层，设置于所述衬底上；
感应层，设置于所述氮化镓缓冲层上；以及
电极，设置与所述感应层相接触；
其中，所述感应层存在部分界面与空气直接接触形成感应区。
2.根据权利要求1所述的氮化镓传感器件，其特征在于，还包括：
钝化层，所述钝化层覆盖部分所述电极，且所述钝化层覆盖部分所述感应层。
3.根据权利要求1所述的氮化镓传感器件，其特征在于，所述衬底的材料为Si，SiC，蓝宝石，金刚石，AlN或者氮化镓晶片。
4.根据权利要求1所述的氮化镓传感器件，其特征在于，所述感应层为一层，所述感应层的材料为GaN，AlInN或AlGaN三元合金，或AlInGaN四元合金。
5.根据权利要求1所述的氮化镓传感器件，其特征在于，所述感应层为多层，所述感应层的材料为InN、GaN、AlInN或AlGaN三元合金、AlInGaN四元合金或其中至少之一。
6.根据权利要求1或4或5所述的氮化镓传感器件，其特征在于，所述感应层的厚度为0nm-15nm。
7.根据权利要求1所述的氮化镓传感器件，其特征在于，所述电极的材料为为Ti、Al、Ni、Au或其中至少两者的合金，厚度为0nm-2700nm。
8.根据权利要求2所述的氮化镓传感器件，其特征在于，所述钝化层的材料为SiN、SiO2、AlN、Al2O3或SiON，厚度为1nm-120nm。
9.一种氮化镓传感器件的制备方法，其特征在于，包括：
在一衬底上外延生长氮化镓缓冲层；
在所述氮化镓缓冲层上外延生长感应层；
在所述感应层上制备金属电极；
其中，所述感应层存在部分界面与空气直接接触形成感应区。
10.根据权利要求9所述的氮化镓传感器件的制备方法，其特征在于，所述形成感应区包括：
在感应层、或感应层及金属电极上生长钝化层；
刻蚀所述钝化层至所述氮化镓缓冲层界面或所述感应层界面形成感应区，或在所述感应区的上面还覆盖金属、或者介质与金属作为感应区。
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|---|---|---|---|---|
| CN112903755A (zh) * | 2021-02-24 | 2021-06-04 | 太原理工大学 | 一种二氧化碳传感器及其制备方法 |
Citations (5)
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|---|---|---|---|---|
| CN102830137A (zh) * | 2012-08-31 | 2012-12-19 | 中国科学院微电子研究所 | 氮化镓基液体传感器及其制备方法 |
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2019
- 2019-12-03 CN CN201911223858.3A patent/CN110988065A/zh active Pending
Patent Citations (5)
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