[发明专利]一种双栅结构GaN基pH传感器的制备方法

说明书

本发明涉及半导体传感器技术领域，更具体地，涉及一种双栅结构GaN基pH传感器的制备方法。包括以下步骤：S1.在n型GaN衬底上生长高阻绝缘的GaN过渡层作为背栅的介质层；S2.在高阻绝缘的GaN过渡层上生长GaN沟道层；S3.在沟道层表面生长AlGaN薄势垒层；S4.沉积欧姆接触电极；S5.生长介质层掩盖电极及接入区只露出顶栅极探测区域。本发明提供的一种双栅结构GaN基pH传感器的制备方法，生长薄势垒AlGaN层，利用氮化硅钝化层覆盖传感区域以外部分提升接入区的二维电子气浓度及迁移率；利用薄势垒层结构，可实现高的跨导，并结合背栅电极与沟道的电容耦合作用，从而获得突破能斯脱极限的探测感度。

技术领域

本发明涉及半导体传感器技术领域，更具体地，涉及一种双栅结构GaN基pH传感器的制备方法。

背景技术

pH传感器是测量液体介质的酸碱度、进行精密监测和科学认证的必备检验器件，在环境、医疗、工业、农业及生物等使用溶液领域中有着重要的应用。随着科学技术的不断发展，基于离子敏感场效晶体管(ISFET：Ion Sensitive Field Effect Transistor)的全固态pH传感器由于具有尺寸小、不易碎、灵敏度高、性能稳定、便于携带等特点，而倍受青睐。目前，Si基MOSFET由于低廉的价格、可与传统CMOS工艺兼容量产及良好的可靠性等特征成为制备ISFET pH传感器的主要材料。然而Si基pH传感器的研发逐渐趋于理论极限，由于材料自身的性能缺陷不能工作用高温(低于150度)及一些特定溶液(氢氟酸等)环境中，这种pH传感器的稳定性和可靠性还无法保证，极大地限制了其实用性。

近来，常见的ISFET逐渐从典型的Si基ISFET扩展到III族氮化物基ISFET以及氧化物半导体TFT为基础的ISFET。相比于玻璃电极，ISFET不再需要内置参比电极，简化了器件结构，有利于实现小型化探测器，提高了测试的便捷性，且利用硅基成熟的半导体加工技术有利于实现大规模生产。III族氮化物材料具有较宽的带隙和较强的化学稳定性，使得其具有更强的极端条件(如高温)耐受性，而且III族氮化物材料相对硅基材料具有更好的生物兼容性，使得III族氮化物ISFET受到广泛关注。

GaN基ISFET pH传感器虽然具有广泛的应用前景，然而其敏感度依然受到限制。为了提高pH传感器的敏感度，人们研究了不同高k值氧化物材料作为ISFET的敏感层(例如Al₂O₃、Er₂O₃、HfO₂、Ta₂O₅、HoTiO₃、Pr₂O₃等)，使得ISFET-pH探测器的敏感度接近59mV/pH。然而，其敏感度依旧受到能斯特极限的限制，使到得其在298K时其敏感度最大值只能达到59mV/pH。为了突破这个敏感度极限，众多国内国外的研究团队针对硅及氧化物传感器提出高灵敏度的双柵晶体管传感器结构，通过晶体管顶柵与底柵间的电容耦合放大作用，可实现高灵敏度的双柵pH探测器。这是由于氧化物可以沉积在氧化硅/导电硅衬底上，并获得结晶质量优异的材料。然而，目前GaN不能在氧化硅/导电硅衬底上实现异质外延，且材料中存在高密度的位错缺陷，阻碍了双栅型传感器的实现。

发明内容

本发明为克服上述现有技术中缺陷，提供一种双栅结构GaN基pH传感器的制备方法，能够实现高的跨导。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种双栅结构GaN基pH传感器的制备方法，结合背栅电极与二维电子气沟道的电容耦合作用，获得突破能斯托极限的探测感度；具体包括以下步骤：

S1.在n型GaN衬底上生长高阻绝缘的GaN过渡层作为背栅的介质层；

S2.在高阻绝缘的GaN过渡层上生长GaN沟道层；

S3.在沟道层表面生长AlGaN薄势垒层；AlGaN薄势垒层的厚度为0～20nm；