[發(fā)明專利]基于凹槽結(jié)構(gòu)的無參比電極GaN基pH傳感器及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811332308.0
• 申請日: 2018-11-09
• 公開（公告）號: CN109540987B
• 公開（公告）日: 2020-12-04
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李柳暗;丘秋凌;劉揚
• 申請（專利權(quán)）人: 中山大學(xué)
• 主分類號: G01N27/30
• 分類號: G01N27/30
• 代理公司: 廣州粵高專利商標(biāo)代理有限公司 44102
• 代理人: 陳衛(wèi)

1.一種基于凹槽結(jié)構(gòu)的無參比電極GaN基pH傳感器，其特征在于，其結(jié)構(gòu)由下往上依次包括襯底（1）；應(yīng)力緩沖層（2）；GaN外延層（3）；低鋁組分AlGaN薄勢壘層（4）；AlN插入層（5）；二次生長高鋁組分AlGaN薄勢壘層（6）：高鋁組分AlGaN薄勢壘層（6）中部形成凹槽；探測材料（7）：沉積填充于高鋁組分AlGaN薄勢壘層（6）的凹槽中；歐姆接觸電極（8）：探測材料（7）兩端形成歐姆電極；封裝材料（9）；利用低鋁組分AlGaN薄勢壘層（4）調(diào)節(jié)傳感器的閾值電壓至零伏以上，實現(xiàn)無參比工作；其中，所述的低鋁組分AlGaN薄勢壘層（4）厚度為5 nm -15nm，且鋁組分濃度在15%以下可變化；所述的高鋁組分AlGaN薄勢壘層（6）厚度為5 nm -50nm，且鋁組分濃度在20%及以上可變化。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于凹槽結(jié)構(gòu)的無參比電極GaN基pH傳感器，其特征在于，所述的襯底（1）為Si 襯底（1）、藍寶石襯底（1）、碳化硅襯底（1）、GaN自支撐襯底（1）中的任一種；所述的應(yīng)力緩沖層（2）為AlN、AlGaN、GaN的任一種或組合；應(yīng)力緩沖層（2）厚度為10nm~100 μm。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于凹槽結(jié)構(gòu)的無參比電極GaN基pH傳感器，其特征在于，所述的GaN外延層（3）為非故意摻雜的GaN外延層（3）；GaN外延層（3）厚度為100 nm~100μm。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于凹槽結(jié)構(gòu)的無參比電極GaN基pH傳感器，其特征在于，所述的AlN插入層（5）為在位生長，厚度為0-10 nm。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于凹槽結(jié)構(gòu)的無參比電極GaN基pH傳感器，其特征在于，所述的AlGaN薄勢壘層材料為AlInN、InGaN、AlInGaN、AlN中的一種或任意幾種的組合；所述的探測材料（7）為Al₂O₃、TiO₂或PdO。

6.根據(jù)權(quán)利要求1至5任一項所述的一種基于凹槽結(jié)構(gòu)的無參比電極GaN基pH傳感器，其特征在于，所述的歐姆接觸電極（8）材料為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；所述的封裝材料（9）為樹脂、SiN或SiO₂。

7.一種基于凹槽結(jié)構(gòu)的無參比電極GaN基pH傳感器的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1.在襯底（1）上生長應(yīng)力緩沖層（2）及GaN外延層（3）；

S2. 在GaN外延層（3）上生長低鋁組分AlGaN薄勢壘層（4），鋁組分及厚度的調(diào)節(jié)以實現(xiàn)閾值電壓在零伏附近為基準(zhǔn)；利用低鋁組分AlGaN薄勢壘層（4）調(diào)節(jié)傳感器的閾值電壓至零伏以上，實現(xiàn)無參比工作；其中，所述的低鋁組分AlGaN薄勢壘層（4）厚度為5 nm -15 nm，且鋁組分濃度在15%以下可變化；所述的高鋁組分AlGaN薄勢壘層（6）厚度為5 nm -50 nm，且鋁組分濃度在20%及以上可變化；

S3. 低鋁組分AlGaN薄勢壘層（4）上生長AlN插入層（5）；

S4. 在AlN插入層（5）上沉積一層SiO2作為掩膜層（10），通過光刻及濕法腐蝕的方法去除探測區(qū)域以外的掩膜層（10）；

S5. 在無掩膜遮蔽區(qū)域二次生長高鋁組分AlGaN薄勢壘層（6）；

S6.去除探測區(qū)域掩膜層（10），干法刻蝕完成器件隔離，沉積探測材料（7）；

S7. 制備歐姆接觸電極（8），并用封裝材料（9）封裝探測區(qū)域以外部分。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種基于凹槽結(jié)構(gòu)的無參比電極GaN基pH傳感器的制備方法，其特征在于，所述的步驟S2中，利用低鋁組分的薄勢壘層調(diào)節(jié)傳感器的跨導(dǎo)實現(xiàn)無參比電極工作；所述的步驟S3中，在位沉積AlN薄層抑制AlGaN薄勢壘層表面的本征氧化物，提升探測材料（7）與AlGaN之間的界面狀態(tài)。

9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種基于凹槽結(jié)構(gòu)的無參比電極GaN基pH傳感器的制備方法，其特征在于，所述步驟S1中的應(yīng)力緩沖層（2）、步驟S2中的GaN外延層（3）、步驟S3中的AlN插入層（5）及步驟S5中的高鋁組分AlGaN薄勢壘層（6）的生長方法為金屬有機化學(xué)氣相沉積法、分子束外延法的高質(zhì)量成膜方法。