CN111579608B - 带有参考器件的GaN基pH传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带有参考器件的GaN基pH传感器，其结构自下而上依次包括：衬底、GaN缓冲层、GaN沟道层、AlN插入层、AlGaN势垒层或者AlInN势垒层、GaN盖帽层；所述传感器设有感测区域和参考区域，在感测区域和参考区域设有独立的漏电极和栅电极，感测区域和参考区域之间设有共用源电极，所有的电极均蒸镀在AlGaN势垒层或者AlInN势垒层上，所述感测区域设有感测区。本发明在同一器件上同时包括感测区域和参考区域，新结构的器件具有较大的输出电流，同时具有很好的感测灵敏度和稳定性。由于输出电流的提高，可以在后续的商业应用中省掉电流放大的设计，起到简化电路设计和降低成本的作用。
Description
技术领域
本发明涉及一种带有参考器件的GaN基pH传感器。
背景技术
溶液pH值是化学化工，生物医药，环境保护，污染检测等行业必须监测的基本参数之一，可靠的pH值测量十分重要。已有的商业化pH值传感器易碎、稳定性差和难以小型化的缺点仍难以克服。相反，半导体固态传感器体积小且不易碎，备受青睐。Site-bonding模型预示场效应晶体管可用于检测溶液中氢离子和氢氧根离子浓度，适于pH值感测。目前，硅基和砷化镓基固态pH值传感器的研究已有所开展，但硅基传感器难以在较高温度下工作，而砷的剧毒性也极大地限制了砷化镓基传感器在环保和生物领域的应用。氮化物异质结中二维电子气的发现为固态pH值传感器的研发打开了新窗口。氮化物具有较大的禁带宽度和优异的化学稳定性，使得氮化物传感器具有耐高温，耐腐蚀和耐辐照等优点，在重污染探测，工业废弃物检测，航空航天液体检测等领域应用；此外氮化物材料无毒，具有很好的生物兼容性，在生物医药的检测方面也有很好的发展前景。
氮化物异质结界面高迁移率二维电子气源于材料的压电自发极化,因而二维电子气浓度对表面电势变化十分敏感，这是氮化物溶液传感器的探测机制。就溶液pH值感测而言，相关研究结果表明氮化物异质结pH值传感器在灵敏度等重要性能上仍有较大提升空间。有文献指出感测表面修饰和器件结构都对其探测性能存在影响，在不增加工艺复杂性的前提下，对器件进行结构优化是进一步提升pH值感测性能的有效途径。
发明内容
本发明的目的在于提供一种带有参考器件的GaN基pH传感器，在同一器件上同时包括感测区域和参考区域，新结构的器件具有较大的输出电流，可提高器件感测灵敏度和稳定性。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种带有参考器件的GaN基pH传感器，其结构自下而上依次包括：衬底、GaN缓冲层、GaN沟道层、AlN插入层、AlGaN势垒层或者AlInN势垒层、GaN盖帽层；其特征在于：所述传感器设有感测区域和参考区域，在感测区域和参考区域分别设有独立的漏电极和栅电极，感测区域和参考区域之间设有共用源电极，所有的电极均蒸镀在AlGaN势垒层或者AlInN势垒层上，所述感测区域设有感测区。
优选的，所述衬底为Si衬底、蓝宝石衬底、SiC衬底或GaN自支撑衬底。
优选的，所述GaN缓冲层的厚度为1.5～2μm，所述GaN沟道层的厚度为25～30nm。
优选的，所述AlN插入层的厚度为1～1.5nm。
优选的，所述AlGaN势垒层的厚度为20～25nm，AlGaN中的Al和Ga的组分别为0.25和0.75；AlInN势垒层的厚度为6～10nm，AlInN中的Al和In的组份分别为0.83和0.17，GaN盖帽层的厚度为2～3nm。
优选的，还包括保护层，所述传感器表面除感测区外的部分均覆盖有保护层。
优选的，所述源电极和漏电极为欧姆接触电极，材料为Ti/Al/Ni/Au多层金属，所述栅电极为Ni/Au多层金属。
本发明还公开了上述的带有参考器件的GaN基pH传感器的制备方法，其步骤包括：
(1)在衬底上依次生长GaN缓冲层、GaN沟道层、AlN插入层、AlGaN势垒层或者AlInN势垒层、GaN盖帽层，形成异质结结构的外延片；
(2)在外延片表面沉积一层绝缘材料作为钝化层；
(3)在外延片的感测区域和参考区域上分别刻蚀出漏电极区域，同时在感测区域和参考区域之间刻蚀出共用源电极区域，蒸镀金属后退火，形成欧姆接触电极；
(4)在外延片的感测区域和参考区域上分别刻蚀出栅电极区域，蒸镀金属，形成栅电极；
(5)在外延片表面沉积一层绝缘材料作为保护层，然后将感测区的保护层刻蚀掉，形成pH传感器器件。
优选的，(2)在外延片台面上采用ICP技术刻蚀出隔离槽，刻蚀深度为300～350nm，将台面分隔成多个传感器。
优选的，步骤(3)中绝缘材料为SiN，SiO2、Al2O3或HfO2。
优选的，步骤(7)中绝缘材料为SiN或SiO2。
与传统单独的传感器器件相比，本发明在同一器件上同时包括感测区域和参考区域，新结构的器件具有较大的输出电流，同时具有很好的感测灵敏度和稳定性。由于输出电流的提高，可以在后续的商业应用中省掉电流放大的设计，起到简化电路设计和降低成本的作用。
附图说明
图1是实施例1的步骤1获得的外延片结构示意图。
图2是实施例1的步骤2获得的外延片结构示意图。
图3是实施例1的步骤7获得的传感器结构示意图。
图4是实施例2的传感器的俯视图(图中省略保护层)。
图5是本发明的传感器实物图(图中省略保护层)。
图6是对比例1的传感器的俯视图。
图7是器件输出电流(Id-Vg)曲线，其中a是对比例1的单传感器；b是实施例2的器件。
图8是两种器件的跨导曲线，其中a是对比例1的单传感器；b是实施例2的器件。
图9是在不同pH溶液下器件的输出电流，其中WT代表实施例2的器件，WOT代表对比例1的单传感器。
具体实施方式
以下是结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领普通技术人员在没有做出创造性劳动的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。
实施例1
一种带有参考器件的GaN基pH传感器的制备方法，其步骤包括：
(1)在衬底1上依次生长GaN缓冲层2、GaN沟道层3、AlN插入层4、AlGaN势垒层5、GaN盖帽层6，形成异质结结构的外延片，如图1所示；
(2)在外延片台面上采用ICP技术刻蚀出隔离槽7，刻蚀深度为300～350nm，将台面分隔成多个传感器区域，如图2所示；
(3)在外延片表面沉积一层绝缘材料作为钝化层；
(4)在外延片的感测区域和参考区域上分别刻蚀出感测区域漏电极8和参考区域漏电极9区域，同时在感测区域和参考区域之间刻蚀出共用源电极10区域，蒸镀Ti/Al/Ni/Au四层金属后退火，退火炉氮气气氛中850度退火30秒，形成欧姆接触电极；
(5)在外延片的感测区域和参考区域上分别刻蚀出栅电极区域，蒸镀Ni/Au两层金属，形成感测区域栅电极11和参考区域栅电极12；
(6)在外延片表面沉积一层绝缘材料作为保护层13，然后将感测区14的保护层刻蚀掉，形成pH传感器器件，如图3和4所示。
实施例2
一种带有参考器件的GaN基pH传感器，其结构自下而上依次包括：
Si衬底；
GaN缓冲层，厚度为2μm；
GaN沟道层，厚度为28nm；
AlN插入层，厚度为1.2nm；
AlGaN势垒层，厚度为25nm，Al和Ga的组分别为0.25和0.75；
GaN盖帽层，厚度为3nm；
所述传感器设有感测区域和参考区域，在感测区域和参考区域设有独立的漏电极和栅电极，感测区域和参考区域之间设有共用源电极。
实施例3
一种带有参考器件的GaN基pH传感器，其结构自下而上依次包括：
蓝宝石衬底；
GaN缓冲层，厚度为1.5μm；
GaN沟道层，厚度为25nm；
AlN插入层，厚度为1nm；
AlGaN势垒层，厚度为20nm，Al和Ga的组分别为0.25和0.75；
GaN盖帽层，厚度为2nm；
所述传感器设有感测区域和参考区域，在感测区域和参考区域设有独立的漏电极和栅电极，感测区域和参考区域之间设有共用源电极。
还包括保护层，除感测区外的部分均覆有保护层，保护层通常从SiN或SiO2中选择，待测液体通过感测区与GaN盖帽层接触。
实施例4
一种带有参考器件的GaN基pH传感器，其结构自下而上依次包括：
SiC衬底；
GaN缓冲层，厚度为2μm；
GaN沟道层，厚度为30nm；
AlN插入层，厚度为1.5nm；
AlInN势垒层，厚度为10nm，Al和In的组份分别为0.83和0.17；
GaN盖帽层，厚度为2nm；
所述传感器设有感测区域和参考区域，在感测区域和参考区域设有独立的漏电极和栅电极，感测区域和参考区域之间设有共用源电极。
实施例5
一种带有参考器件的GaN基pH传感器，其结构自下而上依次包括：
GaN自支撑衬底；
GaN缓冲层，厚度为1.5μm；
GaN沟道层，厚度为30nm；
AlN插入层，厚度为1nm；
AlInN势垒层，厚度为6nm，AlInN中的Al和In的组份分别为0.83和0.17；
GaN盖帽层，厚度为3nm；
所述传感器设有感测区域和参考区域，在感测区域和参考区域设有独立的漏电极和栅电极，感测区域和参考区域之间设有共用源电极，感测区域和参考区域之间的电连接为并联。
对比例1
一种GaN基pH传感器，其结构自下而上依次包括：
Si衬底；
GaN缓冲层，厚度为2μm；
GaN沟道层，厚度为28nm；
AlN插入层，厚度为1.2nm；
AlGaN势垒层，厚度为25nm，Al和Ga的组分别为0.25和0.75；
GaN盖帽层，厚度为3nm；
该器件上设有源电极100、漏电极200和栅电极300，以及感测区域400，不设参考区域，形成单独的GaN基pH传感器。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种带有参考器件的GaN基pH传感器，其结构自下而上依次包括：衬底、GaN缓冲层、GaN沟道层、AlN插入层、AlGaN势垒层或者AlInN势垒层、GaN盖帽层；其特征在于：所述传感器设有感测区域和参考区域，在感测区域和参考区域分别设有独立的漏电极和栅电极，感测区域和参考区域之间设有共用源电极，所有的电极均蒸镀在AlGaN势垒层或者AlInN势垒层上，所述感测区域设有感测区；还包括保护层，所述传感器表面除感测区外的部分均覆盖有保护层。
2.根据权利要求1所述的带有参考器件的GaN基pH传感器，其特征在于：所述衬底为Si衬底、蓝宝石衬底、SiC衬底或GaN自支撑衬底。
3.根据权利要求2所述的带有参考器件的GaN基pH传感器，其特征在于：所述GaN缓冲层的厚度为1.5~2µm，所述GaN沟道层的厚度为25~30 nm，所述AlN插入层的厚度为1~1.5nm。
4.根据权利要求3所述的带有参考器件的GaN基pH传感器，其特征在于：所述AlGaN势垒层的厚度为20~25nm，AlGaN中的Al和Ga的组分别为0.25和0.75；AlInN势垒层的厚度为6~10nm，AlInN中的Al和In的组份分别为0.83和0.17，GaN盖帽层的厚度为2~3nm。
5.根据权利要求4所述的带有参考器件的GaN基pH传感器，其特征在于：所述源电极和漏电极为欧姆接触电极，材料为Ti/Al/Ni/Au多层金属，所述栅电极为Ni/Au多层金属。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的带有参考器件的GaN基pH传感器的制备方法，其步骤包括：
（1）在衬底上依次生长GaN缓冲层、GaN沟道层、AlN插入层、AlGaN势垒层或者AlInN势垒层、GaN盖帽层，形成异质结结构的外延片；
（2）在外延片表面沉积一层绝缘材料作为钝化层；
（3）在外延片的感测区域和参考区域上分别刻蚀出漏电极区域，同时在感测区域和参考区域之间刻蚀出共用源电极区域，蒸镀金属后退火，形成欧姆接触电极；
（4）在外延片的感测区域和参考区域上分别刻蚀出栅电极区域，蒸镀金属，形成栅电极；
（5）在外延片表面沉积一层绝缘材料作为保护层，然后将感测区的保护层刻蚀掉，形成pH传感器器件。
7.根据权利要求6所述的带有参考器件的GaN基pH传感器的制备方法，其特征在于：在步骤（2）之前先在外延片台面上采用ICP技术刻蚀出隔离槽，刻蚀深度为300~350nm，将台面分隔成多个传感器。
8.根据权利要求6或7所述的带有参考器件的GaN基pH传感器的制备方法，其特征在于：步骤（2）中绝缘材料为SiN、 SiO2、Al2O3或HfO2。
9.根据权利要求8所述的带有参考器件的GaN基pH传感器的制备方法，其特征在于：步骤（5）中绝缘材料为SiN或SiO2。
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Citations (4)
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| CN101562182A (zh) * | 2008-04-02 | 2009-10-21 | 香港科技大学 | 集成的hemt和横向场效应整流器组合、方法及系统 |
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| CN108956742A (zh) * | 2018-07-24 | 2018-12-07 | 中国电子科技集团公司第四十九研究所 | 一种石墨烯场效应晶体管阵列生物传感器及其制备方法和检测方法 |
-
2020
- 2020-05-29 CN CN202010472252.XA patent/CN111579608B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101562182A (zh) * | 2008-04-02 | 2009-10-21 | 香港科技大学 | 集成的hemt和横向场效应整流器组合、方法及系统 |
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Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| AlGaN/GaN heterostructure pH sensor with multi-sensing segments;Yan Dong et al;《Sensors and Actuators B: Chemical》;20171230;第260卷;134-139 * |
| Wireless hydrogen sensor network using AlGaN/GaN high electron mobility transistor differential diode sensors;X. Yu et al;《Sensors and Actuators B: Chemical》;20080815;第135卷;188-194 * |
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