一種氮化鎵傳感器、制備方法和多傳感器系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及一種氮化鎵(GaN)傳感器、制備方法和多傳感器系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]在大氣及氣體供應(yīng)系統(tǒng)中，污染物以及生物水液體成分的化學(xué)成分檢測對環(huán)境保護(hù)和醫(yī)療保健極為重要。舉個例子，在有害氣體輸運(yùn)系統(tǒng)中，快速檢測氣體泄漏對工人生命健康安全的保護(hù)、以及環(huán)境污染的防治，都起到十分關(guān)鍵的作用。
[0003]除此之外，通過化學(xué)感應(yīng)，還能檢測出地表水和飲用水中是否含有重金屬、有機(jī)污染物、無機(jī)污染物、工業(yè)污染物以及其他相關(guān)液體特性(如pH值、鹽度、渾濁度以及氣味等)。還有，通過對人體的體液(血液、唾液)還有氣體(呼吸)的檢測，能有效預(yù)知多種危及人體生命安全的疾病。
[0004]以上各類檢測所用的氣態(tài)液態(tài)化學(xué)分析系統(tǒng)，通常需要進(jìn)行層析、質(zhì)譜分析、X射線熒光分析或熱量測定，這些分析都需要在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，推廣成本昂貴。所以，繼續(xù)研發(fā)一種便攜式小型化學(xué)傳感系統(tǒng)，對于開發(fā)下一代個人健康跟蹤系統(tǒng)有很大幫助，同時監(jiān)控大氣和水的質(zhì)量。
[0005]現(xiàn)有的基于半導(dǎo)體材料的氮化鎵傳感器主要是硅基傳感器，其優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟，成本可控。其不足之處主要有三:一是靈敏度不夠高，在對靈敏度要求較高的應(yīng)用領(lǐng)域，如環(huán)境檢測、醫(yī)療應(yīng)用等，硅基器件不能滿足要求;二是硅基器件難以在苛刻的環(huán)境條件下工作，如高溫、高濕、高壓等;三是硅基傳感器受限于其工作原理，體積較大，對于便攜式甚至穿戴式應(yīng)用，往往不能達(dá)到要求。
[0006]現(xiàn)有技術(shù)中，存在靈敏度低、檢測范圍小和便攜性差等缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于，針對上述缺陷，提出一種氮化鎵傳感器、制備方法和多傳感器系統(tǒng)，以解決通過對III族氮化物基HEMT(High Electron Mobility Transistor，高電子迀移率晶體管)結(jié)構(gòu)的晶體管傳感區(qū)域的功能化處理，更好地實(shí)現(xiàn)對與傳感區(qū)域接觸的分析物的濃度檢測的問題。
[0008]本發(fā)明進(jìn)一步解決通過對以上所述的傳感區(qū)域的優(yōu)化處理，提升檢測效果、減小檢測難度的問題。
[0009]本發(fā)明一方面提供一種氮化鎵傳感器，包括:異質(zhì)半導(dǎo)體襯底，以及位于其上的III族氮化物基HEMT結(jié)構(gòu)的晶體管;其中，所述晶體管的源極和漏極金屬均設(shè)置在晶體管頂層的半導(dǎo)體之上，柵極表面具有經(jīng)功能化處理得到的功能化膜，源極和漏極之間裸露的柵極區(qū)域形成傳感區(qū)域;通過檢測所述傳感區(qū)域的電流變化，實(shí)現(xiàn)對與所述傳感區(qū)域接觸的待檢測物的濃度檢測。
[0010]其中，所述晶體管，包括:內(nèi)含至少一個III族氮化物異質(zhì)結(jié)，所述III族氮化物異質(zhì)結(jié)的一側(cè)為GaN，另一側(cè)為其他二元或三元III族氮化物。
[0011]其中，所述III族氮化物異質(zhì)結(jié)，包括:位于所述異質(zhì)半導(dǎo)體襯底上的緩沖層，所述緩沖層作為電流通道、其成分為GaN;以及，位于所述緩沖層上的阻擋層，所述阻擋層的成分含有多元III族氮化物或ZnO和/或本征材料;所述緩沖層和阻擋層的成分相互作用，在緩沖層與阻擋層的界面形成二維電子氣；以及，位于所述阻擋層上的歐姆接觸源極和漏極金屬，所述歐姆接觸源極和漏極金屬之間裸露的阻擋層為傳感區(qū)域，所述功能化膜涂覆于所述傳感區(qū)域上；以及，包覆在所述歐姆接觸源極和漏極金屬、二維電子氣和阻擋層外圍、并嵌入所述緩沖層靠近阻擋層一側(cè)的絕緣層。
[0012]優(yōu)選地，所述III族氮化物異質(zhì)結(jié)，還包括:覆蓋在所述阻擋層上的覆蓋層，所述覆蓋層的成分摻雜或使用本征材料，與所述阻擋層相互作用，在所述覆蓋層上形成歐姆接觸源極和漏極金屬;所述歐姆接觸源極和漏極金屬之間裸露的覆蓋層為傳感區(qū)域；以及，所述絕緣層還包覆在所述覆蓋層外圍。其中，所述覆蓋層的厚度為1 _3微米。
[0013]其中，所述阻擋層中多元111族氮化物，包括63111^、六11六163111^31^似111^3~中的任意一種;其中，采用AlGaN時，所述阻擋層的厚度為15-35納米，A1元素的摩爾比為15-35 采用A1N時，所述阻擋層的厚度為2-8納米;和/或，所述絕緣層，包括絕緣金屬、絕緣氧化物、高分子聚合物中任意一種。
[0014]具體地，所述異質(zhì)半導(dǎo)體襯底，包括:111族氮化物外延生長在相應(yīng)的非本征半導(dǎo)體襯底上，所述非本征半導(dǎo)體包括硅、碳化硅、藍(lán)寶石和氮化鋁中任意一種；和/或，所述功能化膜，包括氧化物、金屬薄膜、納米材料、半導(dǎo)體、氮化物、有機(jī)生物材料、無機(jī)材料和高分子材料中的任意一種或多種。
[0015]與上述傳感器相匹配，本發(fā)明另一方面提供了一種多傳感器系統(tǒng)，包括:至少兩個以上所述的傳感器，以及，主控電路;所述至少兩個傳感器，并聯(lián)在所述主控電路與待檢測物之間;通過所述主控電路，對所述傳感器的輸出信號進(jìn)行控制和分析，實(shí)現(xiàn)所述待檢測物的濃度檢測。
[0016]與上述傳感器相匹配，本發(fā)明再一方面提供一種以上所述的氮化鎵傳感器的制備方法，包括:采用等離子刻蝕的方法，在異質(zhì)半導(dǎo)體襯底上形成分離的臺面結(jié)構(gòu);其中，所述異質(zhì)半導(dǎo)體襯底，包括:III族氮化物外延生長在相應(yīng)的非本征半導(dǎo)體襯底上;基于所述臺面結(jié)構(gòu)，依次進(jìn)行去除表層氧化物處理、金屬沉淀并圖形化處理、以及高溫退火處理，在所述臺面結(jié)構(gòu)的頂部形成歐姆接觸源極和漏極金屬;基于頂部形成有歐姆接觸源極和漏極金屬的臺面結(jié)構(gòu)，依次進(jìn)行歐姆接觸絕緣和金屬沉積互通接觸處理、以及互連金屬沉積和成形處理，在所述臺面結(jié)構(gòu)頂部的歐姆接觸源極和漏極金屬之間形成傳感區(qū)域;對前述處理形成的傳感區(qū)域，進(jìn)行功能化處理，在所述傳感區(qū)域上形成功能化膜;基于前述處理形成的具有所述歐姆接觸源極和漏極金屬、以及功能化膜的臺面結(jié)構(gòu)，進(jìn)行金屬互通絕緣或封裝處理，得到所述傳感器。
[0017]優(yōu)選地，還包括:當(dāng)所述傳感器采用AlGaN作為阻擋層時，對前述處理形成的傳感區(qū)域進(jìn)行凹槽刻蝕處理，以將所述傳感區(qū)域的厚度減小至檢測所需值。
[0018]本發(fā)明的方案，通過對與HEMT的結(jié)構(gòu)非常相似的III族氮化物基HEMT結(jié)構(gòu)的晶體管的源極和漏極之間裸露的柵極區(qū)域進(jìn)行功能化處理(例如:對GaN基HEMT結(jié)構(gòu)的晶體管柵極表面涂敷功能化膜)，當(dāng)柵極區(qū)域與被檢測的分析物接觸時，源極、漏極之間電流會發(fā)生明顯改變，進(jìn)而通過檢測電流的變化，實(shí)現(xiàn)檢測分析物濃度的目的，傳感器的體積小，檢測的可靠性高、精準(zhǔn)性好。
[0019]進(jìn)一步，本發(fā)明的方案，通過傳感區(qū)域的凹陷刻蝕或傳感層減薄的方式，對傳感區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化處理，可以提高傳感器的響應(yīng)時間、檢測范圍及靈敏度。
[0020]由此，本發(fā)明的方案解決對III族氮化物基HEMT結(jié)構(gòu)的晶體管傳感區(qū)域的處理，更好地實(shí)現(xiàn)對與傳感區(qū)域接觸的分析物的濃度檢測，提升檢測效果、減小檢測難度的問題，從而，克服現(xiàn)有技術(shù)中靈敏度低、檢測范圍小和便攜性差的缺陷，實(shí)現(xiàn)靈敏度高、檢測范圍大和便攜性好的有益效果。
[0021]本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的說明書中闡述，并且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實(shí)施本發(fā)明而了解。
[0022]下面通過附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
【附圖說明】
[0023]附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并且