場效應電晶體液體傳感器及其製備方法
2023-05-27 09:47:46
場效應電晶體液體傳感器及其製備方法
【專利摘要】本發明提供了一種場效應電晶體液體傳感器，該傳感器為單柵指場效應電晶體結構，包括：襯底；襯底上的異質結，所述異質結為由GaN和AlGaN材料形成；所述異質結上的源電極、漏電極以及柵電極，柵電極為肖特基電極，源電極、漏電極為歐姆接觸電極。本發明採用由GaN和AlGaN材料形成的異質結，可以形成高濃度、高遷移率的二維電子氣，由此形成的傳感器具有高化學穩定性和高電子遷移率，並易於集成。
【專利說明】場效應電晶體液體傳感器及其製備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及半導體器件及傳感器領域，尤其涉及一種場效應電晶體液體傳感器及其製備方法。
【背景技術】
[0002]液體傳感器用於液體的檢測和分析，在各個領域有著廣泛的應用，如在軍事醫學中，在苛刻的戰爭條件下進行快速血液分析；在工農業生產中，可對高分子聚合物、PH值、蛋白分子和某種特定官能團等進行檢測與分析；在環境保護中，可對水環境中的有害離子種類和濃度進行檢測。
[0003]隨著半導體和微電子技術的發展，半導體器件的液體傳感器成為研究的熱點。目前常採用的為S1、GaAS等半導體材料的器件，但其在化學穩定性、極化速度等方面都有待提高，以滿足更多領域的性能要求。
【發明內容】
[0004]本發明旨在解決上述問題之一，提供了一種場效應電晶體液體傳感器及其製備方法，具有高化學穩定性和高電子遷移率，並易於集成。
[0005]為實現上述目的，本發明實施例提供了如下技術方案:
[0006]一種場效應電晶體液體傳感器，為單柵指場效應電晶體結構，包括:
[0007]襯底；
[0008]襯底上的異質結,所述異質結為由GaN和AlGaN材料形成；
[0009]所述異質結上的源電極、漏電極以及柵電極，柵電極為肖特基電極，源電極、漏電極為歐姆接觸電極。
[0010]可選的，所述異質結包括GaN層、AlGaN層和他們之間的AlN的插入層。
[0011]可選的,所述GaN層、AlN的插入層和AlGaN層的厚度分別為3um、lnm、23nm。
[0012]可選的，所述AlGaN層中Al組分為25%。
[0013]此外，本發明還提供了上述傳感器的製備方法，該傳感器為單柵指場效應電晶體結構，包括:
[0014]提供襯底；
[0015]在所述襯底上形成異質結，所述異質結為由GaN和AlGaN材料形成；
[0016]在所述異質結上形成源電極、漏電極以及柵電極，柵電極為肖特基電極，源電極、漏電極為歐姆接觸電極。
[0017]可選的，所述襯底為SiC襯底,米用金屬有機物氣相外延的方法在SiC襯底上依次外延生長GaN層、AlN的插入層和AlGaN層，以形成異質結。
[0018]可選的,所述GaN層、AlN的插入層和AlGaN層的厚度分別為3um、lnm、23nm。
[0019]可選的，所述AlGaN層中Al組分為25%。
[0020]本發明實施例提供的場效應電晶體液體傳感器，採用由GaN和AlGaN材料形成的異質結，可以形成高濃度、高遷移率的二維電子氣，由此形成的傳感器具有高化學穩定性和高電子遷移率，並易於集成。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1為根據本發明實施例的場效應電晶體液體傳感器的俯視圖；
[0022]圖2為根據本發明實施例的場效應電晶體液體傳感器的截面示意圖；
[0023]圖3為根據本發明實施例的場效應電晶體液體傳感器在乙醇和丙酮溶液中的響應曲線示意圖；
[0024]圖4為根據本發明實施例的場效應電晶體液體傳感器在不同濃度的丙酮溶液中的時間響應曲線示意圖。
【具體實施方式】
[0025]為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】做詳細的說明。
[0026]在下面的描述中闡述了很多具體細節以便於充分理解本發明，但是本發明還可以採用其他不同於在此描述的其它方式來實施，凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以下實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均仍屬於本發明技術方案保護的範圍內，因此本發明不受下面公開的具體實施例的限制。
[0027]本發明提出了一種由GaN和AlGaN材料形成的異質結的液體傳感器，參考圖1和圖2所示，該傳感器採用單柵指場效應電晶體結構，包括:
[0028]襯底108 ；
[0029]襯底上的異質結(105，106，107)，所述異質結為由GaN和AlGaN材料形成；
[0030]所述異質結上的源電極101、漏電極104以及柵電極102。
[0031]在本發明中，採用由GaN和AlGaN材料形成的異質結，可以形成高濃度、高遷移率的二維電子氣，由此形成的傳感器具有高化學穩定性和高電子遷移率，並易於集成。
[0032]為了更好的理解本發明，如圖2所示，以下將結合製備方法對具體的液體傳感器的實施例進行詳細的描述。
[0033]首先，提供襯底108。
[0034]所述襯底為半導體材料襯底，可以根據需要選擇合適的材料的襯底。在本實施例中，所述襯底為SiC襯底。
[0035]而後，在襯底上形成異質結，所述異質結為由GaN和AlGaN材料形成。
[0036]在本發明中，所述異質結為由GaN和AlGaN材料形成的異質結,該兩種材料形成的異質結可以形成高濃度和高遷移率的二維電子氣。
[0037]在本實施例中，採用金屬有機氣相外延(MOCVD)的方法在SiC襯底上依次外延GaN層107、AlN的插入層106和AlGaN層105,從而形成異質結,其厚度可以分別為3um、lnm、23nm，其中，AlN的插入層是為了促進二維電子氣激發，AlGaN層Al組分為25%，即AlGaN層為 Al。.gsGa。.75N。
[0038]而後，在所述異質結上形成源電極101、漏電極104以及柵電極102。
[0039]在本實施例中，所述柵電極102為肖特基電極，源電極101、漏電極104為歐姆接觸電極。具體地，源電極101和漏電極104可以採用電子束蒸發工藝依次澱積為T1、Al、T1、Au的材料,厚度分別為20nm、200nm、20nm和40nm,並在氮氣保護下快速退火來形成,退火的溫度為870°C，時間為50s ;柵電極102可以採用電子束蒸發工藝依次澱積N1、Au的材料來形成，厚度分別為40nm、300nm。
[0040]最後，形成鈍化層103。
[0041]在本實施例中，可以採用等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)的方法生長SiNx的鈍化層，在電極之間形成鈍化層，以保護器件的表面。
[0042]至此，形成了本實施例的傳感器，該傳感器為單柵指的場效應電晶體結構，如圖1所示，源極101為T型，漏極和柵極分別位於源極T型的豎向的一字部的兩側，柵極102為單指型，其指部朝源極T型的豎向的一字部的端部延伸，漏極包括矩形部以及朝源極T型的豎向的一字部的端部延伸的帶狀部。在本實施例中，柵長為0.8um，柵寬為lOOum。
[0043]圖3為本發明實施例的AlGaN/GaN單柵指的場效應電晶體液體傳感器在乙醇和丙酮溶液中的響應曲線示意圖。如圖3所示，AlGaN/GaN場效應管型液體傳感器在丙酮和乙醇溶液中源漏電流Ids均出現明顯減小的現象。在Vgs = -+IVVds = -20V的偏置下，傳感器在空氣、乙醇和丙酮中的最大源漏電流分別為58.073，56.31和53.239mA,即該液體傳感器在乙醇和丙酮溶液中分別表現出3.04%和8.44%的電流變化量。不同的電流變化量是由於待測溶液本身的極化偶極矩大小不同，對AlGaN/GaN液體傳感器表面電勢的改變也不同，使得傳感器的電流響應不同。AlGaN/GaN場效應電晶體型液體傳感器可以根據待測極性溶液的不同特性，精確地給出電流響應曲線，從而可以有效地進行極性分子溶液的辨別和檢測。
[0044]圖4為本發明實施例的AlGaN/GaN場效應電晶體的液體傳感器在不同濃度丙酮溶液中的電流響應曲線示意圖。由圖4可見，AlGaN/GaN場效應管型液體傳感器在Vgs = -+IVVds = -20V的偏置下(300K)，對不同濃度丙酮溶液做出不同響應，最大源漏電流Ids分別為40%濃度下56.98mA, 80%濃度下54.086mA100%濃度下53.239mA，和空氣中的最大源漏電流相比，改變量依次為1.9%,6.9%和8.3%。這說明該液體傳感器具有非常好的濃度靈敏度，這是是因為AlGaN/GaN異質結由於極化效應所形成的二維電子氣(2DEG)，該2DEG具有高濃度、高遷移率的特性，能夠迅速對傳感器表面不同濃度極性溶液，所導致的不同表面電勢的變化做出響應，從而改變其電流的大小。
[0045]傳統的S1、GaAs等半導體材料研製而成的傳感器,化學穩定性較差、響應時間長，而且不能工作在高溫、輻射等惡劣環境中，限制了半導體傳感器的發展和應用。
[0046]本發明的AlGaN/GaN高電子遷移率場效應管液體傳感器具有的高化學穩定性、高極化2DEG濃度、無毒環保、耐高溫、便於系統集成等優點，使其非常適用於液體傳感器的研製，能夠有效彌補傳統的半導體傳感器的缺點和不足，在國家安全、環境保護、醫療衛生、食品安全等領域都具有廣泛的應用前景。
[0047]本發明已以較佳實施例披露如上，然而並非用以限定本發明。任何熟悉本領域的技術人員，在不脫離本發明技術方案範圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術內容對本發明技術方案做出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。因此，凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均仍屬於本發明技術方案保護的範圍內。
【權利要求】
1.一種場效應電晶體液體傳感器，其特徵在於，該傳感器為單柵指場效應電晶體結構，包括: 襯底； 襯底上的異質結，所述異質結為由GaN和AlGaN材料形成； 所述異質結上的源電極、漏電極以及柵電極，柵電極為肖特基電極，源電極、漏電極為歐姆接觸電極。
2.根據權利要求1所述的傳感器，其特徵在於，所述異質結包括GaN層、AlGaN層和他們之間的AlN的插入層。
3.根據權利要求2所述的傳感器，其特徵在於，所述GaN層、AlN的插入層和AlGaN層的厚度分別為3um、lnm、23nm。
4.根據權利要求3所述的傳感器，其特徵在於，所述AlGaN層中Al組分為25%。
5.一種場效應電晶體液體傳感器的製備方法，其特徵在於，該傳感器為單柵指場效應電晶體結構，包括步驟: 提供襯底； 在所述襯底上形成異質結，所述異質結為由GaN和AlGaN材料形成； 在所述異質結上形成源電極、漏電極以及柵電極，柵電極為肖特基電極，源電極、漏電極為歐姆接觸電極。
6.根據權利要求5所述的製備方法，其特徵在於，所述襯底為SiC襯底，採用金屬有機物氣相外延的方法在SiC襯底上依次外延生長GaN層、AlN的插入層和AlGaN層，以形成異質結。
7.根據權利要求6所述的製備方法，其特徵在於，所述GaN層、AlN的插入層和AlGaN層的厚度分別為3um、lnm、23nm。
8.根據權利要求7所述的製備方法，其特徵在於，所述AlGaN層中Al組分為25%。
【文檔編號】H01L29/06GK103928525SQ201410169651
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月25日 優先權日:2014年4月25日
【發明者】羅衛軍, 陳曉娟, 袁婷婷, 龐磊, 劉新宇 申請人:中國科學院微電子研究所