CN111735859A - 一种GaN基气体传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种GaN基气体传感器及其制备方法，属于气体传感器技术领域，所述制备方法包括：衬底取样，并用浓磷酸对其表面进行预处理；引入固态Ga源、Al源和NH3源，在衬底上依次生长GaN缓冲层、GaN本征层和AlxGa1‑xN层；在AlGaN层上淀积SiO2介质层；在SiO2介质层上淀积贵金属层；在贵金属层上制备两栅极图案，再去除两栅极图案所在位置外的贵金属层和SiO2介质层；在AlGaN层上分别淀积金属形成信号输出电极、电源电极和接地电极；在一栅极图案处的贵金属层上淀积Si3N4层，制得GaN基气体传感器。本发明GaN基气体传感器结构紧凑、集成度高，可适应高温环境，温度稳定性佳，实用性佳。
Description
技术领域
本发明涉及气体传感器技术领域，具体涉及一种GaN基气体传感器及其制备方法。
背景技术
气体传感器是一种将气体的成份、浓度等信息转换成可以被人员、仪器仪表、计算机等利用的信息的装置，已被广泛应用于环境监测和天气预报系统中。GaN材料作为一种气敏材料，因其具有耐温耐压、工作范围广、易集成等的多功能优点，多应用于半导体气体传感器以实现有毒、有害气体存在的恶劣环境探测。但半导体材料的载流子浓度与温度紧密相关，本发明的发明人发现在测量过程中，若环境温度发生变化，半导体气体传感器的输出信号也会相应变化，温度稳定性较差，以致产生虚假信号，引起重大测量误差。因此，如何设计或研发一种温度稳定性佳的GaN基气体传感器，就成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种GaN基气体传感器及其制备方法，所述GaN基气体传感器集成度高、可适应高温等恶劣环境且温度稳定性佳。
本发明的目的，将通过以下技术方案得以实现：
根据本发明的一个方面，提供了一种GaN基气体传感器的制备方法，包括如下步骤：
衬底取样，并用浓磷酸溶液对所述衬底的表面进行预处理；
引入固态Ga源、Al源和NH3源，在所述衬底的上表面依次外延生长GaN缓冲层、GaN本征层和AlxGa1-xN层；
在所述AlxGa1-xN层的上表面淀积SiO2介质层；
在所述SiO2介质层的上表面淀积贵金属层；
在所述贵金属层的上表面制备两个栅极，再去除两所述栅极所在位置外的贵金属层和SiO2介质层；
在已去除所述贵金属层、所述SiO2介质层的所述AlxGa1-xN层上，淀积金属分别形成信号输出电极、电源电极和接地电极；
在一个栅极的所述贵金属层上表面淀积用于阻挡气体的Si3N4层，从而制得GaN基气体传感器。
进一步地，在已去除所述贵金属层、所述SiO2介质层的所述AlxGa1-xN层上，淀积金属分别形成信号输出电极、电源电极和接地电极的步骤中，所述金属为TiAu合金，所述TiAu合金的厚度为50nm~200nm。
根据本发明的另一方面，提供了一种GaN基气体传感器，所述GaN基气体传感器由本发明制备方法制备得到，所述GaN基气体传感器包括衬底，以及从下至上依次排设在所述衬底上表面的GaN缓冲层、GaN本征层和AlxGa1-xN层，所述AlxGa1-xN层的上表面分布有相互串联的感应器件和GaN参考器件，所述感应器件包括SiO2介质层及位于所述SiO2介质层上表面的贵金属层，所述GaN参考器件包括从下至上依次排设的所述SiO2介质层、所述贵金属层和Si3N4层；所述AlxGa1-xN层的上表面还分布有信号输出电极、电源电极和接地电极。
进一步地，所述Si3N4层的厚度为100nm~500nm。
进一步地，所述衬底为硅或蓝宝石。
进一步地，所述GaN缓冲层的厚度为0.1mm~2mm。
进一步地，所述GaN本征层具有半绝缘性，且所述GaN本征层的厚度为0.1mm~5mm。
进一步地，所述AlxGa1-xN层的厚度为10nm~100nm，其中Al组分x值的变化范围为0.1~0.5。
进一步地，所述SiO2介质层的厚度为5nm~100nm。
进一步地，所述贵金属层的厚度为10nm~500nm，所述贵金属层的材质为Rh、Pd、Pt或Ir。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下的优点：
（1）本发明制备的GaN基气体传感器件作为GaN基MOS器件，具有耐温、耐压以及抗辐射等优点，可在高温等恶劣环境下工作。
（2）本发明提供的GaN基气体传感器采用顶部淀积有Si3N4保护层的GaN参考器件，消除了外界温度变化所产生的虚假信号，提高了GaN基气体传感器的温度稳定性。
（3）本发明制备的GaN气体传感器结构紧凑、体积小且集成度高，有利于应用该GaN基气体传感器的传感系统向小型化、低能耗发展，实用性佳。
附图说明
通过阅读下文具体实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出具体实施方式的目的，而并不认为是对发明的限制。在附图中：
图1为本发明制备方法的流程图；
图2为本发明GaN基气体传感器的二维剖面结构示意图；
图中：1、蓝宝石衬底；2、GaN缓冲层；3、GaN本征层；4、AlxGa1-xN层；5、SiO2介质层；6、贵金属层；7、信号输出电极；8、电源电极；9、接地电极；10、Si3N4层。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步详细的说明。所述实施例的示例在附图中示出，在下述本发明的实施方式中描述的具体的实施例仅作为本发明的具体实施方式的示例性说明，旨在用于解释本发明，而不构成为对本发明的限制。
本发明提供了一种GaN基气体传感器的制备方法，如图1所示，包括如下步骤：
步骤S1，衬底取样并用浓磷酸溶液对衬底表面进行预处理；可提高GaN缓冲层的外延生长效果。
步骤S2，引入固态Ga源、Al源和NH3源，采用分子束外延技术在步骤S1预处理后的衬底上表面依次外延生长：厚度为0.1mm~2mm的GaN缓冲层、厚度为0.1mm~5mm且具有半绝缘性的GaN本征层及厚度为10nm~100nm的AlxGa1-xN层（Al组分x值的变化范围为0.1~0.5），其中，衬底温度为500oC～800oC，生长时间为30min～60min。
步骤S3，采用感应耦合等离子化学沉积技术在步骤S2中AlxGa1-xN层的上表面淀积厚度为5nm~100nm的SiO2介质层。
步骤S4，采用溅射方式在步骤S3的SiO2介质层上表面淀积厚度为10nm~500nm的贵金属层，所述贵金属层的材质为Rh、Pd、Pt或Ir。
步骤S5，采用紫外曝光方式在步骤S4的贵金属层上表面制备两个栅极图案，再采用感应耦合等离子体刻蚀技术去除两所述栅极图案所在位置外的贵金属层和SiO2介质层，由此，即在AlxGa1-xN层上表面形成如图2所示的两个“台阶”型感应器件。
步骤S6，在步骤S5已去除贵金属层、SiO2介质层的所述AlxGa1-xN层上，采用光刻技术和金属热蒸发方式淀积厚度为50nm~200nm的金属，分别形成信号输出电极、电源电极和接地电极。
步骤S7：采用感应耦合等离子化学沉积技术，在步骤S5其中一个栅极图案处的所述贵金属层上淀积厚度为100nm~500nm的Si3N4层，即在其中一个“台阶”型感应器件的上表面敷设一层防止气体扩散进入的Si3N4保护层，由此构成一个GaN参考器件，从而制得GaN基气体传感器。
本发明上述制备方法制备的GaN基气体传感器为GaN基MOS器件，其结构如图2所示，所述GaN基气体传感器包括衬底，以及从下至上依次排设在所述衬底上表面的GaN缓冲层、GaN本征层和AlxGa1-xN层，所述AlxGa1-xN层的上表面分布有相互串联的感应器件和GaN参考器件，所述感应器件包括SiO2介质层及位于所述SiO2介质层上表面的贵金属层，所述GaN参考器件包括从下至上依次排设的所述SiO2介质层、所述贵金属层和Si3N4层；所述AlxGa1- xN层的上表面还分布有信号输出电极、电源电极和接地电极。所述GaN基气体传感器结构紧凑、体积小且集成度高，有利于应用该GaN基气体传感器的传感系统向小型化、低能耗发展。
基于GaN材料本身具备的耐温、耐压以及抗辐射特性，本发明提供的GaN基气体传感器因而具有耐高温、耐高压以及抗辐射佳的优点，可在高温等恶劣环境下工作。
本发明提供的GaN基气体传感器的工作原理为：一旦H2、CO、CO2、NO、C2H4等气体分子吸附在GaN基MOS器件的金属材料表面，其上淀积的Rh、Pd、aPt、Ir等贵金属可作为催化剂将其分解为单个原子。上述原子扩散进入金属/SiO2界面形成偶极子，从而改变金属功函数，引起位于下方的GaN材料载流子浓度发生变化，进而改变GaN材料电阻和输出电压信号的变化，实现气体探测的功能。然而，外界温度的变化也会引起GaN材料电阻和输出电压信号变化。为了消除外界温度变化所产生的虚假信号，本发明同步制备、一体成型两相互串联的“台阶”型感应器件（如图2所示），且其中一个“台阶”型感应器件的顶部淀积有可防止气体分子扩散进入的Si3N4保护层，从而构成一GaN参考器件。由于“台阶”型感应器件和GaN参考器件彼此串联，因而具有相同的温度依赖关系（R=R0Ta，其中R0是与温度无关的系数），在串联模式下，气体传感器的输出电压Vout=Vin/(1+RA0/RB0)，RA0、RB0分别是“台阶”型感应器件、GaN参考器件的电阻系数。从上式可知，经过GaN参考器件校准后，本发明提供的GaN基气体传感器的输出电压信号与温度变化无关，由此，提高了GaN基气体传感器在探测时的温度稳定性。
实施例
一种GaN基气体传感器的制备方法，包括：
步骤S1，取样蓝宝石衬底1，并用浓磷酸溶液对蓝宝石衬底1的表面进行预处理；
步骤S2，引入固态Ga源、Al源和NH3源，采用MBE技术在蓝宝石衬底1的上表面依次外延生长：1mm厚的GaN缓冲层2、1mm厚的GaN本征层3及50nm 厚的Al0.3Ga0.7N层4，其中，蓝宝石衬底1的温度为600oC，生长时间为40min；
步骤S3，采用ICPCVD技术在Al0.3Ga0.7N层4的上表面淀积50nm厚的SiO2介质层5；
步骤S4，采用溅射方式在SiO2介质层5的上表面淀积20nm厚的贵金属Pd层6；
步骤S5，在贵金属Pd层6的上表面旋涂1mm厚的光刻胶，并采用紫外曝光方式在贵金属Pd层上制备两个栅极图案，再采用ICP技术去除两个栅极图案所在位置外的贵金属Pd层和SiO2介质层，由此，即在Al0.3Ga0.7N层上表面形成如图2所示的两个“台阶”型感应器件；
步骤S6，在已去除贵金属Pd层、SiO2介质层的Al0.3Ga0.7N层4上，采用光刻技术和金属热蒸发方式分别淀积100nm厚的Ti/Au合金，形成信号输出电极7、电源电极8和接地电极9；
步骤S7：采用ICPCVD技术，选取图2中左侧位置的栅极图案，在其贵金属Pd层的上表面淀积300nm厚的Si3N4层10，其中，蓝宝石衬底1的温度为500oC，生长时间40min，从而制得GaN基气体传感器。
使用本发明上述方法制备的GaN基气体传感器进行气体探测时，在接地电极9和电源电极8之间施加1V～10V的电压，则信号输出电极7即可用来探测被测气体，开关控制速度快，操作便捷。本发明提供的GaN基气体传感器将贵金属作为催化材料集成在GaN基MOS器件上，并串联一顶部淀积有Si3N4保护层的GaN参考器件，可消除外界温度变化所产生的虚假信号，提高了GaN基气体传感器的温度稳定性，且有利于制备新型高性能的气体传感器，满足高灵敏度探测的同时，能适用于高温等恶劣环境，满足传感系统的小型化、低功耗等性能要求，具有广泛的工业推广价值，实用性佳。
应该注意的是，上述实施例是对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。因此，应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。在权利要求中，单词“包括”不排除存在未列在权利要求中的数据或步骤。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (10)
1.一种GaN基气体传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
衬底取样，并用浓磷酸溶液对所述衬底的表面进行预处理；
引入固态Ga源、Al源和NH3源，在所述衬底的上表面依次外延生长GaN缓冲层、GaN本征层和AlxGa1-xN层；
在所述AlxGa1-xN层的上表面淀积SiO2介质层；
在所述SiO2介质层的上表面淀积贵金属层；
在所述贵金属层的上表面制备两个栅极，再去除两所述栅极所在位置外的贵金属层和SiO2介质层；
在已去除所述贵金属层、所述SiO2介质层的所述AlxGa1-xN层上，淀积金属分别形成信号输出电极、电源电极和接地电极；
在一个栅极的所述贵金属层上表面淀积用于阻挡气体的Si3N4层，从而制得GaN基气体传感器。
2.根据权利要求1所述的GaN基气体传感器的制备方法，其特征在于：在已去除所述贵金属层、所述SiO2介质层的所述AlxGa1-xN层上，淀积金属分别形成信号输出电极、电源电极和接地电极的步骤中，所述金属为TiAu合金，所述TiAu合金的厚度为50nm ~200 nm。
3.一种 GaN基气体传感器，由权利要求1~2中任一项制备方法制得，其特征在于：所述GaN基气体传感器包括衬底，以及从下至上依次排设在所述衬底上表面的GaN缓冲层、GaN本征层和AlxGa1-xN层，所述AlxGa1-xN层的上表面分布有相互串联的感应器件和GaN参考器件，所述感应器件包括SiO2介质层及位于所述SiO2介质层上表面的贵金属层，所述GaN参考器件包括从下至上依次排设的所述SiO2介质层、所述贵金属层和Si3N4层；所述AlxGa1-xN层的上表面还分布有信号输出电极、电源电极和接地电极。
4.根据权利要求3所述的GaN基气体传感器，其特征在于：所述Si3N4层的厚度为100nm ~500 nm。
5.根据权利要求3所述的GaN基气体传感器，其特征在于：所述衬底为硅或蓝宝石。
6.根据权利要求3所述的GaN基气体传感器，其特征在于：所述GaN缓冲层的厚度为0.1mm ~ 2 mm。
7.根据权利要求3所述的GaN基气体传感器，其特征在于：所述GaN本征层具有半绝缘性，且所述GaN本征层的厚度为0.1 mm~5 mm。
8.根据权利要求3所述的GaN基气体传感器，其特征在于：所述AlxGa1-xN层的厚度为10nm ~ 100 nm，其中Al组分x值的变化范围为0.1~0.5。
9.根据权利要求3所述的GaN基气体传感器，其特征在于：所述SiO2介质层的厚度为5 nm~100 nm。
10.根据权利要求3所述的GaN基气体传感器，其特征在于：所述贵金属层的厚度为10nm ~500 nm，所述贵金属层的材质为Rh、Pd、Pt或Ir。
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