[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

权利要求书

1.一种基于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）；低铝组分AlGaN薄势垒层（4）；AlN插入层（5）；二次生长高铝组分AlGaN薄势垒层（6）：高铝组分AlGaN薄势垒层（6）中部形成凹槽；探测材料（7）：沉积填充于高铝组分AlGaN薄势垒层（6）的凹槽中；欧姆接触电极（8）：探测材料（7）两端形成欧姆电极；封装材料（9）；利用低铝组分AlGaN薄势垒层（4）调节传感器的阈值电压至零伏以上，实现无参比工作；其中，所述的低铝组分AlGaN薄势垒层（4）厚度为5 nm -15nm，且铝组分浓度在15%以下可变化；所述的高铝组分AlGaN薄势垒层（6）厚度为5 nm -50nm，且铝组分浓度在20%及以上可变化。

2.根据权利要求1所述的一种基于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~100 μm。

3.根据权利要求2所述的一种基于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100 nm~100μm。

4.根据权利要求1所述的一种基于凹槽结构的无参比电极GaN基pH传感器，其特征在于，所述的AlN插入层（5）为在位生长，厚度为0-10 nm。

5.根据权利要求1所述的一种基于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薄势垒层材料为AlInN、InGaN、AlInGaN、AlN中的一种或任意几种的组合；所述的探测材料（7）为Al₂O₃、TiO₂或PdO。

6.根据权利要求1至5任一项所述的一种基于凹槽结构的无参比电极GaN基pH传感器，其特征在于，所述的欧姆接触电极（8）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；所述的封装材料（9）为树脂、SiN或SiO₂。

7.一种基于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）上生长低铝组分AlGaN薄势垒层（4），铝组分及厚度的调节以实现阈值电压在零伏附近为基准；利用低铝组分AlGaN薄势垒层（4）调节传感器的阈值电压至零伏以上，实现无参比工作；其中，所述的低铝组分AlGaN薄势垒层（4）厚度为5 nm -15 nm，且铝组分浓度在15%以下可变化；所述的高铝组分AlGaN薄势垒层（6）厚度为5 nm -50 nm，且铝组分浓度在20%及以上可变化；

S3. 低铝组分AlGaN薄势垒层（4）上生长AlN插入层（5）；

S4. 在AlN插入层（5）上沉积一层SiO2作为掩膜层（10），通过光刻及湿法腐蚀的方法去除探测区域以外的掩膜层（10）；

S5. 在无掩膜遮蔽区域二次生长高铝组分AlGaN薄势垒层（6）；

S6.去除探测区域掩膜层（10），干法刻蚀完成器件隔离，沉积探测材料（7）；

S7. 制备欧姆接触电极（8），并用封装材料（9）封装探测区域以外部分。

8.根据权利要求7所述的一种基于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，所述的步骤S2中，利用低铝组分的薄势垒层调节传感器的跨导实现无参比电极工作；所述的步骤S3中，在位沉积AlN薄层抑制AlGaN薄势垒层表面的本征氧化物，提升探测材料（7）与AlGaN之间的界面状态。

9.根据权利要求7所述的一种基于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）、步骤S3中的AlN插入层（5）及步骤S5中的高铝组分AlGaN薄势垒层（6）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。