[發明專利]近紅外表面等離激元近場增強型高遷移率晶體管探測器

在審

• 申請號: 202210559835.5
• 申請日: 2022-05-23
• 公開（公告）號: CN114914316A
• 公開（公告）日: 2022-08-16
• 發明（設計）人: 安慧敏;陳鵬;豐建波;潘傳真;謝自力;修向前;陳敦軍;劉斌;趙紅;張榮;鄭有炓
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: H01L31/0304
• 分類號: H01L31/0304;H01L31/0352;H01L31/112
• 代理公司: 江蘇斐多律師事務所 32332
• 代理人: 張佳妮

本發明公開了一種近紅外表面等離激元近場增強型高遷移率晶體管探測器，其特征在于自下而上依次包括：襯底層、底部GaN緩沖層、InGaN漸變層、InN層、GaN頂層，源極和漏級，所述GaN頂層在源極和漏級之間設有散布或矩陣分布金納米顆粒的區域，形成表面等離激元結構。本發明通過窄禁帶半導體異質結實現紅外響應，采用表面等離激元增強型晶體場效應管結構以通過光增強提高靈敏度，實現了近紅外探測。

技術領域

本發明涉及一種近紅外表面等離激元近場增強型高遷移率晶體管探測器，屬于半導體器件技術領域。

背景技術

Ⅲ族氮化物是典型的寬禁帶半導體材料，作為第二代半導體材料的代表是僅次于硅的半導體材料之一，而其中GaN在光電子學和電力電子學中都有廣泛的應用。GaN高遷移率場效應晶體管(High Electrical Mobility Transistor,HEMT)在各種電子設備中都有廣泛應用，有望超越摩爾定律的極限。由于異質結中誘導二維電子氣的高電子遷移率和材料的高臨界電場，GaN HEMT不僅有利于實現在大尺寸高性能器件的新型結構以達到高功率集成，還可以應用于更小尺寸的器件，并已經得到了廣泛應用。本發明設計了一種Au納米顆粒表面等離激元增強型特殊組分結構的InGaN/GaN HEMT探測器，探索實現近紅外多用途HEMT探測器。

對于HEMT探測器而言，材料的禁帶寬度是限制探測器對應波長的一個關鍵因素，然而傳統的GaN/AlGaN結構為寬禁帶半導體，響應波段為紫外波段。生物分子的分子光譜多位于紅外波段，因此找到合適的紅外響應材料、且材料滿足形成二維電子氣的要求成為亟待解決的問題。除此之外，引入表面等離激元，通過光誘導表面等離激元共振實現紅外波段的光場增強，可以將光能更有效轉化為電信號，在生物傳感等方面有著很大潛力。

發明內容

本發明的目的在于提供一種近紅外表面等離激元近場增強型高遷移率晶體管探測器。

本發明的目的通過以下技術方案實現：

一種近紅外表面等離激元近場增強型高遷移率晶體管探測器，其特征在于自下而上依次包括：襯底層、成核GaN層、底部GaN緩沖層、InGaN漸變層、InN層、GaN頂層，源極和漏級，所述GaN頂層在源極和漏級之間設有散布或矩陣分布金納米顆粒的區域，形成表面等離激元結構。

優選的，所述金納米顆粒的直徑為20～～200nm，分布間距為200nm～2μm。

優選的，所述金納米顆粒的形狀為棒狀、球狀、環狀、星型結構、鉗形結構。

優選的，所述InGaN漸變層的In組分由0逐漸增加為100％，靠近底部GaN緩沖層的區域In組分為0，靠近InN層的部分In組分達到100％，在InN層與GaN頂層的界面處分布二維電子氣。

優選的，所述InGaN漸變層的厚度為500～2500nm，InN層厚度為25nm～150nm。

優選的，所述襯底層為藍寶石、Si或SiC材料。

優選的，所述GaN頂層為勢壘層，厚度為15nm～100nm。

本發明器件的柵極為開放性拓展柵極，被測物質與表面等離激元結構耦合，共同作用形成柵信號。

Ⅲ族氮化物作為第三代半導體，其直接帶隙的特點使之廣泛應用在光電探測領域。由于Ⅲ族氮化物可以通過改變三元化合物組分的方式實現禁帶寬度連續可調，由其制備而成的光電探測器響應范圍為紫外波段(AlN，禁帶寬度6.2eV)到紅外波段(InN，禁帶寬度0.7eV)。