无栅AlInN/GaN场效应晶体管传感器及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明专利涉及环境检测领域，具体涉及一种具有离子识别与浓度检测的无栅 Al InN/GaN场效应晶体管传感器及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 分子印迹是近年来出现的制备对模板分子具有识别功能聚合物的新技术，由于分 子印迹聚合物（molecularly imprinted polymer, MIP)具有高选择性，在色谱分离、固相萃 取、生物传感器、选择性催化等领域显示了优越性，因而已成为研究的热点之一。水环境污 染问题越来越受到人们的关注，有效的检测水环境污染物已成为与人们日常生活息息相关 的重要问题之一，然而由于水体情况的复杂性，对于是否存在污染物的检测仍存在一定困 难，实现污染物的识别更加显得困难重重。
[0003] 针对上述情况，利用AlInN/GaN场效应晶体管的高电子迀移率特性，结合分子印 迹的选择吸附特性，本发明提出了一种新型的无栅AlInN/GaN场效应晶体管传感器，用于 检测水中的有害阴离子，基本原理是通过对AlInN/GaN高电子迀移率晶体管（HEMT)器件进 行基于分子印迹技术的特定的表面功能化改性，改性后的器件表面就会对特定的有害阴离 子进行选择性吸附，这种吸附将改变器件表面的电荷数量，引起表面电势的变化，进而引起 异质结沟道内二维电子气浓度的变化，器件的输出电流随之发生变化，即实现传感的功能， 不同的功能化改性可实现不同物质的识别与浓度检测。与AlGaN/GaN场效应晶体管相比， AlInN/GaN场效应晶体管的AlInN材料由A1N与InN按一定的组分比混合而成，纤锌矿A1N 的晶格常数（aA1N)要小于GaN的晶格常数（a&N)，而InN的晶格常数（a InN)要大于GaN的晶 格常数（a&N)，因而由A1N与InN按一定的组分比（0. 8:0. 2左右）混合而成的AlInN材料 的晶格常数更接近GaN的晶格常数（a&N)，这有利于Al InN/GaN材料生长质量的提高，另一 方面，高A1组分Al InN与GaN的能带失配更大，有助于形成更高浓度的二维电子气（2DEG)。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种具有离子识别与浓度检测的无栅AlInN/GaN场效应 晶体管传感器及其制备方法。
[0005] 为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种无栅AlInN/GaN场效应晶体管 传感器，其结构从下至上依次为：衬底、A1N成核层、GaN缓冲层、AlInN层；
[0006] 还包括源端电极、与源端电极相连的源端电极PAD，漏端电极、与漏端电极相连的 漏端电极PAD，所述源端电极、源端电极PAD、漏端电极与漏端电极PAD分别沉积在AlInN 层上，还包括钝化层，所述钝化层覆盖整个源端电极、源端电极PAD与漏端电极、漏端电极 PAD，在覆盖源端电极PAD与漏端电极PAD的钝化层上刻蚀出窗口，深度至PAD显露；
[0007] 还包括离子印迹聚合物层，所述离子印迹聚合物层位于AlInN层上，源端电极钝 化层与漏端电极钝化层之间的区域，所述离子印迹聚合物层含有印迹孔穴。
[0008] 优选的，所述离子印迹聚合物层采用离子印迹技术制备，其厚度为1-4个分子层 之间。
[0009] 优选的，所述离子印迹聚合物层的印迹孔穴只能被特定的离子填充，具有单一离 子识别功能。
[0010] 优选的，所述衬底为Sic或蓝宝石。
[0011] 优选的，所述A1N成核层厚度在l-3nm之间，GaN缓冲层厚度在l-3um之间，AlInN 层的A1组分为0· 7到0· 9之间，厚度在3-15nm之间。
[0012] 优选的，所述钝化层为Si3N4或Si02。
[0013] 优选的，所述离子印迹聚合物层的结构为
[0015] 其中印迹孔穴的尺寸大小、形状、还有化学键与P043离子相匹配。
[0016] 优选的，所述离子印迹聚合物层的结构为
[0017]
[0018] 其中印迹孔穴的尺寸大小、形状、还有化学键与C13CC00离子相匹配。
[0019] 优选的，所述离子印迹聚合物层的结构为
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[0021] 其中印迹孔穴的尺寸大小、形状、还有化学键与Cr204 2离子相匹配。
[0022] 本发明还提供了一种无栅AlInN/GaN场效应晶体管传感器的制备方法，其步骤包 括：
[0023] (1)制备AlInN/GaN异质结基片，该基片结构从下至上依次为：衬底、A1N成核层、 GaN缓冲层、AlInN层；
[0024] (2)基片清洗；
[0025] (3)在清洗干净的AlInN/GaN异质结基片上沉积源端电极、与源端电极相连的源 端电极PAD，漏端电极、与漏端电极相连的漏端电极PAD ;
[0026] (4)钝化：采用等离子体增强化学气相沉积法在基片上淀积一层Si3N4或Si0 2薄膜 作为钝化层；
[0027] (5)分别在源端电极PAD与漏端电极PAD上方的钝化层区域刻蚀出窗口，刻蚀至电 极金属显露，在源端电极与漏端电极之间的钝化层区域上刻蚀出一层无栅区，刻蚀至AlInN 层显露；
[0028] (6)无栅区表面功能化，采用感应耦合等离子体刻蚀技术将无栅区进行氧化处理， 然后采用离子印迹技术修饰上离子印迹聚合物层，所述离子印迹聚合物层中的印迹孔穴只 能被特定的离子填充，具有单一离子识别功能。
[0029] 优选的，步骤（6)中离子印迹聚合物层的制备步骤为：氧化处理后的AlInN/GaN异 质结基片硅烷化处理，将硅烷化处理过的基片放入Na3P04 · 12H20、N-N'-亚甲基双丙烯酰 胺、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵水溶液中，加入引发剂过硫酸铵水溶液，进行接枝聚合 与交联反应，然后用NaCl溶液反复冲洗。
[0030] 优选的，步骤（6)中离子印迹聚合物层的制备步骤为：氧化处理后的AlInN/ GaN异质结基片放入去离子水100°C煮30分钟，取出后N2吹干；再将基片放入体积浓度 1/11的r-氨丙基三甲氧基硅烷水溶液中50°C反应24h，基片取出后用去离子水反复冲 洗，放入真空干燥箱120°C烘干lh ;最后取50ml去离子水放入100ml烧杯，称取0. 6985g Na3P04 · 12H20,再加入1. 425g甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵，0. 328g N-N' -亚甲基双丙 烯酰胺，调节溶液PH = 5,将硅烷化处理过的基片放入溶液，超声搅拌，将烧杯放入35°C水 浴锅加热并保持恒温，加入溶有0. 〇292g引发剂过硫酸铵水溶液5ml，接枝聚合与交联反应 12h ;取出基片用2mol/L NaCl溶有反复冲洗除去离子印迹聚合物中的P043模板离子。
[0031] 优选的，步骤（6)中离子印迹聚合物层的制备步骤为：氧化处理后的AlInN/GaN异 质结基片硅烷化处理，处理过的基片放入三氯乙酸、N-N'-亚甲基双丙烯酰胺和丙烯酰氧乙 基三甲基氯化铵混合溶液中，加入引发剂过硫酸铵水溶液进行接枝聚合与交联反应，然后 用2mol/L NaCl溶液反复冲洗。
[0032] 优选的，步骤（6)中离子印迹聚合物层的制备步骤为：氧化处理后的AlInN/GaN异 质结基片放入去离子水100°C煮30分钟，取出后N2吹干；再将基片放入r-氨丙基三甲氧 基硅烷水溶液50°C反应24h，基片取出后用去离子水反复冲洗，放入真空干燥箱120°C烘干 lh ;最后取50ml去离子水放入100ml烧杯，称取0. 3267g C2HC1302，再加入1. 0385g丙烯酰 氧乙基三甲基氯化铵，0. 〇751g N-N' -亚甲基双丙烯酰胺，调节溶液PH = 5,将硅烷化处理 过的基片放入溶液，超声搅拌，将烧杯放入35°C水浴锅加热并保持恒温，加入溶有0. 0565g 引发剂过硫酸铵水溶液5ml，接枝聚合与交联反应12h ;取出基片用2mol/L NaCl与lmol/L NaOH溶液反复冲洗除去离子印迹聚合物中的C13CC00模板离子。
[0033] 优选的，步骤（6)中离子印迹聚合物层的制备步骤为：氧化处理后的AlInN/GaN异 质结基片硅烷化处理，硅烷化处理过的基片放入N，N-二甲基甲酰胺、功能单体1-乙烯基咪 唑溶液中，再加入引发剂偶氮二异丁腈溶液，进行接枝反应，基片冲洗后放入K2Cr04溶液吸 附Cr042离子，然后再吸附离子后的基片放入乙醇、K 2〇04混合溶液，加入交联剂1，6二溴 己烷进行交联反应，然后用NaOH和似20)3溶液反复冲洗。
[0034] 优选的，步骤（6)中离子印迹聚合物层的制备步骤为：氧化处理后的AlInN/GaN异 质结基片放入去离子水l〇〇°C煮30分钟，取出后N2吹干；再将基片放入VMPS:V CH3CH2ffl:V _ = 1 :5 :5的r-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷水溶液50°C反应24h，基片取出后用乙醇反复 冲洗，N2吹干，放入真空干燥箱120°C烘干lh ;取5mlN，