[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

说明书

本发明涉及半导体pH传感器技术领域，更具体地，涉及一种基于叉指凹槽结构的无参比电极GaN基pH传感器及其制备方法；包括下述步骤:首先在GaN外延材料上生长AlGaN势垒层，通过光刻显影的方法完成图形转移，进而通过刻蚀的方法，减薄pH探测区的势垒层厚度形成凹槽结构，然后对器件表面沉积掩膜并完成图形转移，通过刻蚀完成器件隔离，在凹槽结构沉积对pH变化敏感的探测材料并制备欧姆电极，最终封装凹槽结构以外区域形成探测器件。本发明工艺简单，引入叉指凹槽结构可以有效的提升器件跨导，表现在探测结果上是提升了器件的探测感度，并且具有较快的响应速度。

技术领域

本发明涉及半导体pH传感器技术领域，更具体地，涉及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。

背景技术

pH传感器是现代精确测量液体介质酸碱度的必备器件。在环境、医疗、农业、食品、工业生产等诸多行业，pH的测量都是必要的，传统的通过化学试剂检测酸碱度的方法不方便且不精确。随着各个学科的发展融合，基于离子敏感场效应晶体管(ISFET：IonSensitive Field Effect Transistor)的全固态pH传感器被发明出来，由于尺寸小、灵敏度高、性能稳定、便于携带等特点而备受青睐。目前，半导体材料Si由于原材料易于获得、材料研究比较成熟、可同时集成传感器与电路等优势，成为制备ISFETpH传感器的主要材料。然而受限于材料特性，Si基pH传感器不能工作于高温(低于150度)、特定溶液(含氟离子的酸性溶液)、较强辐射等环境中，极大的限制了其使用范围。

氮化镓(GaN)作为第三代宽禁带化合物半导体材料的代表，在近几年得到了迅速发展，已经成功实现了LED的产业化，在射频、功率电子器件领域由于具有极大的应用前景也得到了广泛的研究。与元素半导体Si相比，GaN材料具有禁带宽度大(3.4eV以上)、化学性质稳定等特点。高的禁带宽度使得GaN材料本征载流子浓度低，在升温或受到辐射时，更不易激发本征载流子浓度，所以GaN基pH传感器极限工作温度高于Si基pH传感器，且在辐射条件下性能更稳定。同时，GaN还可与多种三元化合物形成异质结，AlGaN/GaN异质结是常见的一种，由于压电极化和自发极化效应，在界面处可以形成具有高浓度、高迁移率的二维电子气(2DEG)沟道，有效的提升了器件的敏感度和响应速度。此外，与集成电路工艺相兼容的特点使得GaN基ISFET具有集成化的潜力。

经过多年的研究改进，GaN基ISFET性能稳步提升，但实现GaN基pH传感器产业化生产面临的挑战有：

(1)探测感度低、响应速度慢。GaN基pH传感器的探测感度与跨导直接相关，为了获得高的探测感度，希望pH的变化对沟道2DEG的调控作用尽可能大，也就是希望有大的跨导。传统的单指器件为了提升跨导，由于工艺的特点，减薄整个势垒层厚度，但这将会降低沟道2DEG浓度，降低响应速度，并且跨导的提升非常有限；采用单指凹槽结构只减小探测区域与沟道2DEG的距离提升跨导，可以有限程度的提升跨导，但器件电流减小导致探测难度增加；单纯采用叉指结构电极的传感器，为了提升跨导也需要减薄势垒层，降低2DEG浓度，响应度降低，只是做到了被检测电流的倍增，所以性能仍需要进一步提高；为了获得高敏感度、高响应速度的pH传感器，需要一种新型器件结构在维持或提升沟道2DEG浓度的前提下，降低沟道与离子敏感材料之间的距离，并做到被检测信号的增强。

(2)需要参比电极。场效应器件在阈值电压附近有较大的跨导，为了提高探测感度，在阈值电压附近测试能获得更好的测试效果。传统的GaN器件阈值电压是负的，为了获得好的测试效果，需通过外加电势调节栅极电压，这增加了测试的复杂程度。在无参比电极时，化学或生物分子对表面电势的调节范围在几十到几百毫伏，具有较大跨导的传感器可以在微小甚至无外加电压时实现高探测感度，若器件阈值电压在0V以上，便不需要引入外加电势调节栅极电压，所以需要调控阈值电压在0V以上以减小测试的复杂程度。

发明内容