CN206573523U - 一种高度集成型pH传感器 - Google Patents

Abstract

本申请属于半导体技术领域，公开了一种高度集成型pH传感器，包括衬底层，以及依次形成在衬底层上的缓冲层、i‑GaN层、AlN层、AlGaN层，所述i‑GaN层上形成凸台，AlN层和AlGaN层形成在i‑GaN层的凸台上，所述AlGaN层上形成有源极金属和漏极金属，所述i‑GaN层上形成参比电极；所述i‑GaN层上还设有多个Pad区域，所述源极金属、漏极金属和参比电极分别与对应的Pad区域电连接。所述i‑GaN层上设有用于检测温度的温度传感器金属薄膜，且与对应的Pad区域电连接。本申请的pH 传感器集成了参比电极，使器件尺寸更小，操作更方便，同时集成了温度传感器金属薄膜，能够检测测试环境的温度。温度传感器金属薄膜和参比电极通过一步工艺制成，工艺简化，效率提高，测量精度也得到提高。

Description

一种高度集成型pH传感器

技术领域

本实用新型涉及半导体器件领域，尤其涉及一种高度集成型pH传感器。

背景技术

近年来，pH值的检测越来越受到关注。生物体内的pH值是衡量生物体健康状况的一项重要指标，在工业废水处理中pH检测是一个重要环节。目前市场流通的pH传感器以外置玻璃参比电极型pH计居多，外置玻璃参比电极型pH计体积大，价格高，易碎，携带不便。为了得到测量精确，损耗少，稳定性高的仪器，对结构进行创新，研制一种高度集成型，可用于测量微升溶液的pH传感器显得尤为必要。

为了检测溶液中离子的浓度，有人在金属氧化物半导体效应晶体管（MOSFET）的基础上提出离子敏场效应晶体管（ISFET），即将MOSFET结构中的栅极去掉，覆盖敏感膜。ISFET的工作机理是利用表面处理技术使其敏感膜能够吸附特定的离子或分子。这些离子或分子改变了表面的电压降，从而改变ISFET的沟道电阻，通过外电路检测沟道电阻的变化从而间接得到溶液中离子的浓度。

溶液的pH值通过溶液中H⁺浓度来表征：pH=-lgC_H ⁺。不同pH值的溶液会造成传感器沟道电阻率变化，间接可以得到溶液中H⁺离子浓度，从而得到溶液pH值。

目前，市面上流通的pH传感器主要使用pH玻璃电极，这种电极H⁺能够选择性的产生响应。这种pH玻璃电极由敏感薄膜，内封溶液和参比电极（例如Ag/AgCl参比电极）制成，但是制备工艺复杂，体积大且无法集成。随着微电子技术的发展，基于IC技术的ISFET已经在市面上流通，解决了制备工艺复杂，体积大的问题，但由于参比电极使用的仍然是Ag/AgCl参比电极，传感器的尺寸仍然无法减小。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种器件尺寸小，稳定性好，可以实现对微升溶液检测的高度集成型pH传感器。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用如下方案实现：

一种高度集成型pH传感器，包括衬底层，以及依次形成在衬底层上的缓冲层、i-GaN层、AlN层、AlGaN层，所述i-GaN层上形成凸台，AlN层和AlGaN层形成在i-GaN层的凸台上，所述AlGaN层上形成有源极金属和漏极金属，两者所在的区域形成传感区域，所述i-GaN层上形成参比电极；所述i-GaN层上还设有多个Pad区域，所述源极金属、漏极金属和参比电极分别与对应的Pad区域电连接。衬底层和缓冲层的材料可根据实际进行选择，例如衬底材料为硅或者蓝宝石，缓冲层材料为60个周期的AlN和GaN形成的超晶格结构。缓冲层的作用是为了调控硅与i-GaN层之间晶格不匹配所产生的应力。AlN层的作用是为了提高二维电子气的迁移率。

本申请利用GaN和AlGaN形成异质结，由于自发极化和压电极化的作用，在界面形成很强的极化电荷，产生二维电子气（2DEG）。这层二维电子气层十分接近器件的表面（约25nm），对表面的状态十分敏感，当传感区域有离子吸附时，沟道中的二维电子气浓度会改变。因此，使用该原理制成的pH传感器灵敏度很高，可以精确测量溶液pH值，所需的测量溶液少。

本申请的传感器是一种无栅极结构。参比电极制作在源极金属和漏极金属的旁边（即i-GaN层上），其能够使pH传感器工作在一个稳定的电压环境，当测量液滴在传感区域时，同时接触到参比电极，参比电极加合适的电压能够使pH传感器工作在线性区，从而得到比较稳定的pH与阈值电压的关系，参比电极能够使pH传感器工作在一个稳定的电压环境。参比电极为金属材料形成，以铂为例，采用电子束蒸发工艺形成于i-GaN层上。

在实际测量中，不同的温度下，溶液的pH值会改变，测量结果有较大的误差，在实际测量过程中，需要测量待测溶液的温度。因此本申请中，所述i-GaN层上还设有用于检测温度的温度传感器金属薄膜，且其与对应的Pad区域电连接。常用的测量温度的器件有：温度传感器、热电偶、热敏电阻等，其中金属电阻温度传感器具有稳定性好，精度高，测温范围广，误差小等特点而被广泛使用。现有技术中，常用的金属电阻温度传感器是由铂制成，铂薄膜型温度传感器相比其他金属具有线性度好，精度高，测温范围广等优点。温度传感器的机理是当环境温度改变时，金属电阻值改变，从而得到金属电阻阻值与温度的关系，通过外电路检测电阻值从而得到所测的温度。本申请通过温度传感器金属薄膜，能够灵敏的监测工作环境的温度，既能监测器件的工作环境的温度，又能实时监测器件的发热情况，以达到保护pH传感器的目的。

本申请将固态参比电极，温度传感器金属薄膜集成在一起，制成高度集成型pH传感器。这种pH传感器具备了传统pH传感器的优点，同时，这种pH传感器体积小，精度高，测量时消耗待测溶液少，能够实现微升溶液的测量，并且能够实时监测环境的温度，能够最大限度的减小温度变化对测量过程中造成的影响。

为了增大与被测液滴的接触面积，所述温度传感器金属薄膜形成多个弯折部使得其呈现曲折状。通过增大接触面积，进一步的降低测量误差。

所述源极金属、漏极金属、参比电极和温度传感器金属薄膜通过金属引线与Pad区域电连接。通过金属引线将Pad区域远离传感区域，防止液滴接触Pad区域，引起器件短路。本申请中，Pad区域用于扎针，Pad区域和金属引线均为金属材料制成，例如Ti/Au。

优选的，所述源极金属、漏极金属和温度传感器金属薄膜通过金属引线与Pad区域电连接，所述参比电极与Pad区域接触形成电连接。参比电极为长条状，与Pad区域直接接触形成电连接，使得器件更稳定。

进一步的，所述pH传感器的表面覆盖有封装层，所述封装层对应的源极金属和漏极金属之间的传感区域、参比电极的端部以及Pad区域设有开口。对pH传感器进行绝缘保护的同时，需要将相应的区域裸露以便于测试。封装材料采用的是一种高度绝缘、生物兼容性好的封装材料，这种封装材料能够使用半导体工艺进行开口。

优选的，本申请中，所述缓冲层、i-GaN层、AlN层、AlGaN层的厚度分别是1~3μm、2~4μm、0.5~1nm、20~30nm（这里所述i-GaN层的厚度包含了其凸台的厚度，凸台的厚度根据实际情况调整即可。形成的二维电子气相当于电子层，拥有导电沟道，设置凸台的目的在于将器件与器件之间的导电通道切断）。所述源极金属和漏极金属的厚度150~200nm，所述参比电极和温度传感器金属薄膜的厚度为10~30nm。所述源极金属和漏极金属间距120~600μm。

本申请的pH传感器可通过如下方法制备：（1）在衬底层上依次生长缓冲层、i-GaN层、AlN层、AlGaN层；（2）清洗外延片，在AlGaN层表面旋涂光刻胶后，经过曝光、显影后，利用ICP干法刻蚀，得到凸台状的结构；（3）在AlGaN层上蒸镀金属形成源极金属和漏极金属（可以采用Ti/Al/Ni/Au等金属），经过热退火，形成欧姆接触；（4）经过电子束蒸发、lift-off工艺，在台面旁蒸镀参比电极和温度传感器金属薄膜；（5）经过电子束蒸发、lift-off工艺，蒸镀金属制成金属引线将源极金属、漏极金属和温度传感器金属薄膜引到Pad区域；（6）在器件表面覆盖封装材料，并在对应的区域进行开口；（7）清洗，烘干，制成高度集成型的pH传感器。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：本申请的pH 传感器集成了参比电极，使器件尺寸更小，操作更方便，同时集成了温度传感器金属薄膜，能够检测测试环境的温度。温度传感器金属薄膜和参比电极通过一步工艺制成，工艺简化，效率提高，测量精度也得到提高。本申请的pH传感器具有尺寸小、制作工艺简单、测试精度高、稳定性好、损耗低、重复性好等特点，能够在测量溶液 pH 值的同时，测量环境的温度，得到更精确的pH值，并且这种高度集成型pH传感器可以实现对微升溶液的pH测量。

附图说明

图1为实施例1立体结构图；

图2为实施例1侧视结构图；

图3为实施例1俯视结构图；

图4为实施例1封装层开口示意图（图中虚线部分为开口处）；

图5为实施例1测量液滴状态示意图；

图6为实施例1测量液滴状态示意图；

图7为实施例2示意图；

图8为实施例3示意图；

图9为实施例4示意图。

具体实施方式

为了让本领域的技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合附图对本实用新型作进一步阐述。

实施例1

如图1~3所示，一种高度集成型pH传感器，包括衬底层100，以及依次形成在衬底层上的缓冲层200、i-GaN层300、AlN层400、AlGaN层500，所述i-GaN层上形成凸台，AlN层400和AlGaN层500形成在i-GaN层的凸台上，所述AlGaN层500上形成有源极金属511和漏极金属512，两者所在的区域形成传感区域，所述i-GaN层300上形成参比电极530和用于检测温度的温度传感器金属薄膜520，所述i-GaN层300上还设有多个Pad区域550，所述源极金属511、漏极金属512和温度传感器金属薄膜520分别与对应的Pad区域通过金属引线实现电连接，所述参比电极530与对应的Pad区域接触形成电连接。

如图4所示，所述pH传感器的表面覆盖有封装层600，所述封装层600对应的源极金属和漏极金属之间的传感区域、参比电极的端部以及Pad区域设有开口（开口如图4所示的虚线部分）。

实施例2

本实施例与实施例1类似，区别在于，如图7所示（图中虚线所示为传感区域），温度传感器金属薄膜520形成多个弯折部使得其呈现曲折状弯。

实施例3

本实施例与实施例1类似，区别在于，如图8所示（图中虚线所示为传感区域），温度传感器金属薄膜520形成在源极金属和漏极金属的一侧。

实施例4

本实施例与实施例1类似，区别在于，如图9所示（图中虚线所示为传感区域），温度传感器金属薄膜520形成在源极金属和漏极金属的一侧，且其形成多个弯折部使得其呈现曲折状。

上述实施例仅为本实用新型的其中具体实现方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些显而易见的替换形式均属于本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种高度集成型pH传感器，其特征在于，包括衬底层，以及依次形成在衬底层上的缓冲层、i-GaN层、AlN层、AlGaN层，所述i-GaN层上形成凸台，AlN层和AlGaN层形成在i-GaN层的凸台上，所述AlGaN层上形成有源极金属和漏极金属，两者所在的区域形成传感区域，所述i-GaN层上形成参比电极；所述i-GaN层上还设有多个Pad区域，所述源极金属、漏极金属和参比电极分别与对应的Pad区域电连接。

2.根据权利要求1所述的高度集成型pH传感器，其特征在于，所述i-GaN层上还设有用于检测温度的温度传感器金属薄膜，且其与对应的Pad区域电连接。

3.根据权利要求2所述的高度集成型pH传感器，其特征在于，所述温度传感器金属薄膜形成多个弯折部使得其呈现曲折状。

4.根据权利要求2所述的高度集成型pH传感器，其特征在于，所述源极金属、漏极金属、参比电极和温度传感器金属薄膜通过金属引线与Pad区域电连接。

5.根据权利要求2所述的高度集成型pH传感器，其特征在于，所述源极金属、漏极金属和温度传感器金属薄膜通过金属引线与Pad区域电连接，所述参比电极与Pad区域接触形成电连接。

6.根据权利要求1~5任一项所述的高度集成型pH传感器，其特征在于，所述pH传感器的表面覆盖有封装层，所述封装层对应的源极金属和漏极金属之间的传感区域、参比电极的端部以及Pad区域设有开口。

7.根据权利要求1所述的高度集成型pH传感器，其特征在于，所述缓冲层、i-GaN层、AlN层、AlGaN层的厚度分别是1~3μm、2~4μm、0.5~1nm、20~30nm。

8.根据权利要求1或7所述的高度集成型pH传感器，其特征在于，所述源极金属和漏极金属的厚度150~200nm，所述参比电极和温度传感器金属薄膜的厚度为10~30nm。

9.根据权利要求8所述的高度集成型pH传感器，其特征在于，所述源极金属和漏极金属间距120~600μm。