[发明专利]基于凹槽结构的无参比电极GaN基pH传感器及其制备方法

说明书

本发明涉及半导体pH传感器技术领域，涉及一种基于凹槽结构的无参比电极GaN基pH传感器及其制备方法。包括下述步骤：首先在GaN外延材料上生长薄层低铝组分的AlGaN薄势垒层及AlN插入层，在所述材料表面沉积一层介质层作为掩膜层，采用光刻显影技术及湿法腐蚀去除探测区域以外的介质层，实现对掩膜层的图形化，进而在无掩膜区域生长高铝组分AlGaN薄势垒层形成凹槽结构，在凹槽区域沉积对pH变化敏感的探测材料并制备欧姆接触电极，最终封装凹槽以外区域形成传感器件。本发明工艺简单，凹槽区域薄层低铝组分的AlGaN可以在保留二维电子气沟道的同时有效提升器件跨导，而接入区高铝组分的AlGaN可形成高浓度二维电子器降低传感器损耗、提升传感器的反应速度。

技术领域

本发明涉及半导体pH传感器技术领域，更具体地，涉及一种基于凹槽结构的无参比电极GaN基pH传感器及其制备方法。

背景技术

pH传感器是测量液体介质的酸碱度、进行精密监测和科学认证的必备检验器件，在环境、医疗、工业、农业及生物等使用溶液领域中有着重要的应用。随着科学技术的不断发展，基于离子敏感场效晶体管(ISFET：Ion Sensitive Field Effect Transistor)的全固态pH传感器由于具有尺寸小、不易碎、灵敏度高、性能稳定、便于携带等特点，而倍受青睐。目前，Si基MOSFET由于低廉的价格、可与传统CMOS工艺兼容量产及良好的可靠性等特征成为制备ISFET pH传感器的主要材料。然而Si基pH传感器的研发逐渐趋于理论极限，由于材料自身的性能缺陷不能工作用高温(低于150度)及一些特定溶液(氢氟酸等)环境中，这种pH传感器的稳定性和可靠性还无法保证，极大地限制了其实用性。

氮化镓(GaN)作为第三代半导体材料近年来得到迅速发展，已经成功实现LED的产业化并在高频、高功率电力电子开关器件中具有极大的应用前景。与传统Si材料相比，GaN化学性质稳定、禁带宽度高达3.4eV，高温下本征激发的载流子浓度较低，使GaN基pH传感器的极限工作温度远高于Si基的ISFET pH传感器。同时，AlGaN/GaN异质结结构中的自发极化及压电极化在界面处形成高浓度、高迁移率的二维电子气(2DEG)沟道，能有效改善传感器件的灵敏度和时间响应。此外，AlGaN/GaN pH传感器制备工艺简单，且与集成电路的制备工艺相兼容，可以将传感器和后续放大电路进行耦合集成，逐渐成为推动ISFET结构pH传感器大规模产业化推广的潜在方案。经过多年的研究改进，AlGaN/GaN pH传感器探测性能获得了稳步提升并逐渐接近室温能斯脱极限，然而进一步实现AlGaN/GaN pH传感器性能提升及产业化生产仍然面临如下几个关键挑战：

(1)现有的传感器件在测试过程中仍需要参比电极，发展集成式参比电极甚至无参比电极器件是提升集成密度降低成本的有效手段。研究指出在跨导最大值附近2DEG浓度随电压变化最为明显，传感器能获得最大的探测感度。在无参比电极时，化学或者生物分子对表面电势的调节范围在几十至几百毫伏，因此具有较大跨导的传感器可以在微小甚至无外加电压时实现高探测感度。传统的策略是采用薄AlGaN势垒层厚度以降低敏感材料与电子气沟道距离而提升跨导(A.B.Encabo et.al,Sensors and Actuators B 142(2009)304–307及A.Podolska et.al,IEEE Sensors Journal 15(2015)5320-5326)，然而该方案中传感区域至欧姆接触电极间的2DEG同时降低而导致响应速度的退化。为了实现高探测灵敏度、高响应速度的pH传感器，迫切需要开发新型的器件结构在不明显牺牲器件响应速度的前提下降低探测材料与沟道的间距。