一種氮化鎵傳感器和多傳感器系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及傳感器技術(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、有機污染物、無機污染物、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驗室進(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。
【實用新型內(nèi)容】
[0007]本實用新型的目的在于，針對上述缺陷，提出一種氮化鎵傳感器和多傳感器系統(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]本實用新型進(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]本實用新型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)。
[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層；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、二維電子氣層和阻擋層外圍、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，Al元素的摩爾比為15-35%;采用AlN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。
[0015]與上述傳感器相匹配，本實用新型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，實現(xiàn)所述待檢測物的濃度檢測。
[0016]本實用新型的方案，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。
[0017]進(jìn)一步，本實用新型的方案，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。
[0018]由此，本實用新型的方案解決對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，實現(xiàn)靈敏度高、檢測范圍大和便攜性好的有益效果。
[0019]本實用新型的其它特征和優(yōu)點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，或者通過實施本實用新型而了解。
[0020]下面通過附圖和實施例，對本實用新型的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
【附圖說明】
[0021]附圖用來提供對本實用新型的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說明書的一部分，與本實用新型的實施例一起用于解釋本實用新型，并不構(gòu)成對本實用新型的限制。在附圖中:
[0022]圖1為本實用新型的氮化鎵傳感器的一實施例的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖2為本實用新型中通過減小阻擋層厚度降低檢測范圍下限的優(yōu)化處理所得傳感器橫截面的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖3為本實用新型的方法中通過減小柵極裸露區(qū)域厚度降低檢測范圍下限的優(yōu)化處理所得傳感器橫截面的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖4為本實用新型的多傳感器系統(tǒng)的一實施例的工作原理示意圖；
[0026]圖5為本實用新型的氮化鎵傳感器的制備方法的各步驟處理結(jié)果的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖，其中，(a)為在襯底上外延生長的外延片結(jié)構(gòu)，(b)為等離子刻蝕處理所得結(jié)構(gòu)，(C)為歐姆接觸處理所得結(jié)構(gòu)，(d)為歐姆接觸絕緣處理所得結(jié)構(gòu)，(e)為外引線金屬沉積和成形處理所得結(jié)構(gòu)，(f)為凹槽刻蝕處理所得結(jié)構(gòu)，(g)為外引線金屬絕緣處理所得結(jié)構(gòu)，(h)為傳感區(qū)域的功能化膜涂覆處理所得結(jié)構(gòu)；
[0027]圖6為本實用新型的氮化鎵傳感器的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028]結(jié)合附圖，本實用新型實施例中附圖標(biāo)記如下:
[0029]1-傳感器;2-非本征半導(dǎo)體襯底；3-緩沖層;4-二維電子氣層;5-阻擋層;6_覆蓋層;7-歐姆接觸源極和漏極金屬;8-絕緣層;9-等離子刻蝕所得結(jié)構(gòu)的側(cè)面(邊緣)；10_傳感區(qū)域;11-功能化膜;12-臺面;13-外延層；14-焊盤。
【具體實施方式】
[0030]為使本實用新型的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本實用新型具體實施例及相應(yīng)的附圖對本實用新型技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實施例僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒緦嵱眯滦椭械膶嵤├?，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護(hù)的范圍。
[0031]根據(jù)本實用新型的實施例，提供了一種氮化鎵傳感器，如圖1所示本實用新型的氮化鎵傳感器的一實施例的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖。該傳感器至少包括:
[0032]異質(zhì)半導(dǎo)體襯底，以及位于其上的III族氮化物(例如:氮化鎵)基HEMT結(jié)構(gòu)的晶體管;其中，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11，源極和漏極之間裸露的柵極區(qū)域形成傳感區(qū)域;通過檢測傳感區(qū)域的電流變化，實現(xiàn)對與傳感區(qū)域接觸的待檢測物的濃度檢測。通過采用GaN基HEMT結(jié)構(gòu)的晶體管，可以減小傳感器的體積，還有利于提高傳感器的檢測靈敏度。
[0033]在一個例子中，晶體管的外表面為半導(dǎo)體材料層，晶體管的源極和漏極金屬(例如:歐姆接觸源極和漏極金屬7)均伸出半導(dǎo)體材料層(例如:設(shè)置在頂層半導(dǎo)