[发明专利]一种GaN基光化学离子传感器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种GaN基光化学离子传感器及其制备方法，其制备方法包括：1)Si衬底上依次生长n型GaN缓冲层和n型GaN层；2)n型GaN层上生长本征掺杂GaN层；3)本征掺杂GaN层上生长p型GaN层；4)选择性刻蚀外延层材料形成刻蚀台面，在刻蚀台面外侧及侧壁上沉积Al₂O₃层；5)在Al₂O₃层外侧淀积暴露在待测环境中的探测区域，用于将金属离子浓度转换为电信号，所述探测区域为TiO₂层；6)利用光刻、金属蒸镀技术，淀积上金属电极和下金属电极。本发明的优势是利用TiO₂光化学效应，通过光激发TiO₂产生的电子‑空穴对，使TiO₂表面吸附的金属离子发生离子置换效应，从而引起GaN材料的载流子浓度以及电信号发生变化。

技术领域

本发明涉及传感器领域，尤其涉及一种GaN基光化学离子传感器及其制备方法。

背景技术

金属离子，尤其是重金属离子Mⁿ⁺(比如Hg²⁺，Cu²⁺)，会给人体健康带来危害，且由于其具有持久性、迁移性和高度的生物富集性，成为目前全人类最为关注的环境污染物之一。

目前，重金属的污染源主要来自于工业中金属盐等化学化合物的使用，基于此原因，重金属的检测引起人们的极大关注，并不断探讨新的高效的检测方法。在传统的方法中，通过比色或者荧光分子的化学传感方法尤为引人瞩目。比色和荧光化学传感器是传感体系的吸收光谱或者荧光作为输出信号来对目标物进行检测，具有一定的优点，但是也有明显的不足之处，比如测量的精度较低，在低浓度的离子溶液中实施检测的效果不够理想等。因此，需利用新型的传感技术开发出高性能的高灵敏度的离子传感器，以满足日益增长的重金属离子环境检测需求。

发明内容

基于上述提到的应用前景和需求，本发明创新性的提出了一种GaN基光化学离子传感器及其制备方法，能够满足快速、高灵敏的金属离子探测。具体包括以下：

1)Si衬底上依次生长n型GaN缓冲层和n型GaN层；

2)n型GaN层上生长本征掺杂GaN层；

3)本征掺杂GaN层上生长p型GaN层；

4)选择性刻蚀外延层材料形成刻蚀台面，在刻蚀台面外侧及侧壁上沉积Al₂O₃层；

5)在Al₂O₃层外侧淀积暴露在待测环境中的探测区域，用于将金属离子浓度转换为电信号，所述探测区域为TiO₂层；

6)选择性刻蚀所述探测区域，暴露出p型GaN层；

7)利用光刻、金属蒸镀技术，淀积上金属电极和下金属电极。

通过适当的退火工艺和金属材料选择确保上、下金属电极与外延材料之间形成良好的欧姆接触。

p-GaN/i-GaN/n-GaN外延材料构成了PIN结构。当把该PIN结构浸入离子溶液后，表面的TiO₂层会吸附大量的-OH基团，形成TiO₂-OH。若溶液中有存在带n个电荷的金属离子Mⁿ⁺(比如Hg²⁺，Cr²⁺，Fe³⁺)，该-OH基团会与金属离子发生配位相互作用，形成TiO₂-OH…Mⁿ⁺。在紫外光的照射下，TiO₂材料吸收光子形成电子-空穴对。

在水溶液中，空穴h⁺会与水分子H₂O发生一定的水解反应，并生成氧O₂和氢离子H⁺：