[发明专利]基于叉指电极及凹槽结构的无参比电极GaN基pH传感器

权利要求书

1.一种基于叉指电极及凹槽结构的无参比电极GaN基pH传感器，其特征在于，其结构由下往上依次包括衬底(1)；应力缓冲层(2)；GaN外延层(3)；AlGaN势垒层(4)：AlGaN势垒层(4)形成凹槽结构；欧姆接触电极(5)：AlGaN势垒层(4)的两端形成欧姆接触电极(5)；封装材料层(6)：覆盖于欧姆接触电极(5)表面；高敏感度探测材料(7)：填充于AlGaN势垒层(4)形成凹槽结构中；通过刻蚀保留的AlGaN势垒层(4)的厚度调节传感器的阈值电压至零伏以上，实现无参比电极工作；所述的AlGaN势垒层(4)厚度在10-65nm，且铝组分浓度在25％以下可变化，其中，凹槽区域AlGaN势垒层(4)厚度在5-15nm。

2.根据权利要求1所述的基于叉指电极及凹槽结构的无参比电极GaN基pH传感器，其特征在于，所述的衬底(1)为Si衬底(1)、蓝宝石衬底(1)、碳化硅衬底(1)、GaN自支撑衬底(1)中的任一种；所述的应力缓冲层(2)为AlN、AlGaN、GaN的任一种或组合；应力缓冲层(2)厚度为10nm～100μm。

3.根据权利要求1所述的基于叉指电极及凹槽结构的无参比电极GaN基pH传感器，其特征在于，所述的GaN外延层(3)为非故意掺杂的GaN外延层(3)；GaN外延层(3)厚度为100nm～100μm。

4.根据权利要求3所述的基于叉指电极及凹槽结构的无参比电极GaN基pH传感器，其特征在于，所述的AlGaN势垒层材料为AlInN、InGaN、AlInGaN、AlN中的任意几种的组合；所述的封装材料层(6)为树脂、Si₃N₄或SiO₂。

5.根据权利要求1所述的基于叉指电极及凹槽结构的无参比电极GaN基pH传感器，其特征在于，所述的高敏感度探测材料(7)为Al₂O₃，TiO₂或PdO；所述的欧姆接触电极(5)材料为Ti/Al/Ni/Au合金、Ti/Al/Ti/Au合金、Ti/Al/Mo/Au合金或Ti/Al/Ti/TiN合金。

6.一种根据权利要求1所述的基于叉指电极及凹槽结构的无参比电极GaN基pH传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.在衬底(1)上生长应力缓冲层(2)及GaN外延层(3)；

S2.在GaN外延层(3)上生长AlGaN势垒层(4)；

S3.在AlGaN势垒层(4)上涂覆光刻胶(8)，通过光刻显影技术完成叉指结构电极图形转移；

S4.通过刻蚀的方法减薄探测区域部分势垒层厚度形成凹槽结构和叉指结构表面，未被刻蚀去除势垒层的厚度以实现阈值电压在零伏附近为基准；通过刻蚀保留的AlGaN势垒层(4)的厚度调节传感器的阈值电压至零伏以上，实现无参比电极工作；

S5.在器件表面沉积SiO₂，使用光刻显影技术完成图形转移，通过干法刻蚀完成器件隔离；

S6.在探测区域沉积高敏感度探测材料(7)，制备欧姆接触电极(5)，并用树脂封装探测区域以外部分。

7.根据权利要求6所述的基于叉指电极及凹槽结构的无参比电极GaN基pH传感器的制备方法，其特征在于，所述的S4步骤中的凹槽结构的形成还可以通过在非故意掺杂GaN外延层(3)上先沉积薄层低铝组分AlGaN、再在凹槽区域以外沉积高铝组分AlGaN的方法实现。

8.根据权利要求6所述的基于叉指电极及凹槽结构的无参比电极GaN基pH传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，通过改变叉指结构电极的对数提高器件的跨导以提高器件探测感度；所述的步骤S4中，改变薄势垒层厚度调节传感器的跨导来提高器件探测感度。

9.根据权利要求6至8任一项所述的基于叉指电极及凹槽结构的无参比电极GaN基pH传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中的应力缓冲层(2)、步骤S2中的GaN外延层(3)的生长方法为金属有机化学气相沉积法、分子束外延法的高质量成膜方法。