具有集成式固态薄膜Pt参比电极的GaN生物传感器及制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种具有集成式固态薄膜Pt参比电极的GaN生物传感器及制作方法，本发明提出的基于GaN生物传感器的集成式固态薄膜Pt参比电极与GaN生物传感器现用外置Pt参比电极相比，电极位置固定，采用微电子工艺制作，参比电极精密度更高，且与GaN器件同时制作使得制作成本低，集成度高，易于进行小型化和便携式GaN生物传感器的实现。
【专利说明】
具有集成式固态薄膜Pt参比电极的GaN生物传感器及制作 方法
技术领域
[0001] 本发明属于半导体生物传感器领域，具体涉及一种具有集成式固态薄膜Pt参比电 极的GaN生物传感器及制作方法。
【背景技术】
[0002] 作为硅替代品的第三代半导体材料，GaN具有化学抗腐蚀、高温高功率、高电子迀 移率等特点，并且能与GaN基发光二极管，深紫外探测器、无线传感芯片等兼容，十分适合高 可靠性的传感器应用。
[0003] GaN HEMT器件的常规结构，在由AlGaN/GaN外延材料制成的异质结上，由于压电极 化和自发极化效应，会在势皇层缓冲层交接处，较靠近缓冲层的位置，形成一层带负电的二 维电子气，由于能带的关系，二维电子气具有一定限域性。因此，当源漏电极存在电压差时， 电子就会在该二维平面上根据电势方向移动，形成电流。同时，通过栅极施加一定负电压， 能够耗尽电子，获得器件的开关控制。
[0004] 采用GaN场效应晶体管(HEMT)来作为传感单元的生物检测技术近年来逐渐成为一 个热点问题。该技术利用HEMT器件裸栅来感应生物物质产生的电信号，进而产生源漏电流 的变化来进行传感，具有检测快速、简单、体积小易携带，成本低廉的特点，非常符合生物和 医学领域快速检测的需求。目前国际GaN领域的各个研究机构都开展了生物医学检测方面 的合作研究。其开展的生物传感研究涵盖了多个方面，包括气体检测、PH值检测，DNA片段检 测，通过检测血液、尿液、唾液以及组织细胞中特定的酶、蛋白质、抗原等进行的疾病检测， 具有非常广阔的研究领域。
[0005] 在AlGaN/GaN HEMT结构中，AlGaN/GaN HEMT器件的界面处会形成二维电子气的表 面通道，势阱中的二维电子气受控于栅极电压，AlGaN/GaN HEMT的栅极采用生物分子膜代 替，器件工作时，引入的待测目标物与固定在生物分子膜上的待测目标抗体发生特异性结 合，引起生物分子膜表面电荷发生变化，从而引起势阱中二维电子气浓度的改变，而二维电 子气浓度的改变会导致晶体管的源极(source)和漏极(drain)之间电流的变化，因此可通 过电流的变化来检测引入待测目标物的浓度变化。通过在器件栅极缓冲液中放置一个外置 的参比电极，参比电极电位固定在器件的栅亚阈值区域，同时通过可导电的缓冲液进行电 压传导，使栅极电压调制在亚阈值区，从而使传感器获得最大的检测灵敏度。
[0006] 在理想电流-电压关系中，当栅源电压小于或等于阈值电压时漏电流为零。而在实 验中，当Vgs< VT时的漏电流称为亚阈值电流。如公式1所示，在亚阈值状态时，漏电流Id与栅 源电压VGS呈指数关系。而在线性区，漏电流Id与栅源电压V GS呈线性关系。公式1和2如下。
[0009]其中μ指载流子迀移率指载流子电容，这里Cbarrter指量子电容，L和W分别指代栅长 和栅宽，kB为玻尔兹曼常数，T指绝对温度，q指电荷。理想情况下，栅压每改变60mV左右就会 引起亚阈值电流一个数量级的改变。传感器灵敏度S定义为
[0011]因此，为获得最大灵敏度，应使器件工作在亚阈值状态。
[0012] 2011年，Xuejin Wen，et al.报道了使用外置Pt参比电极使AlGaN/GaN HEMT器件 工作在亚阈值状态以使测量链霉亲和素的灵敏度得以提高。2011年，Mastura Shafinaz Zainal Abidin，et al.报道了用AlGaN/GaN HEMT器件测量PH值的化学传感器，采用了Ag/ AgCl外置参比电极，为使参比电极对栅极实现偏置，将Ag/AgCl外置参比电极固定在聚四氟 乙烯烧杯中，并将AlGaN/GaN HEMT器件置于其中。文献采用的是类似的外置参比电极方法。
[0013] 在GaN生化传感器应用中，一种使器件工作在亚阈值状态的方法，是在器件栅极缓 冲液中放置一个外置的参比电极。常用Ag/AgCl外置电极的结构的电极材质一般采用Ag/ AgCl或Pt等材料。常用参比电极存在较难固定，且电极位置不稳定易挪动，不易实现便携式 和小型化传感器的制作与应用的缺点。
【发明内容】
[0014] 本发明的目的在于克服上述不足，提供一种具有集成式固态薄膜参比电极的GaN 生物传感器及制作方法，克服了 GaN生物传感器现用外置参比电极安装使用复杂，不易实现 便携式和小型化应用的缺点。
[0015] 为了达到上述目的，具有集成式固态薄膜Pt参比电极的GaN生物传感器的制作方 法，包括以下步骤：
[0016] 步骤一，在干净的含有GaN缓冲层、AlGaN势皇层和衬底的基片上，光刻显影出台面 隔离区域，采用刻蚀或离子注入的方法形成器件的隔离；
[0017] 步骤二，在未做隔离的区域上光刻显影出欧姆接触区域，采用电子束蒸发的方法 获得欧姆金属层，欧姆金属层采用Ti/Al/Ni/Au四层结构，退火形成合金，获得欧姆接触；
[0018] 步骤三，在欧姆金属层上及衬底上光刻显影出器件源漏电极的互连区域和参比电 极引线区域，蒸镀Ni/Au互连金属，并剥离，获得GaN器件源漏电极的互连金属和参比电极的 引线金属；
[0019] 步骤四，在参比电极引线上光刻显影出参比电极感应区域，溅射300~lOOOnm厚的 参比电极金属Pt，并剥离，形成参比电极金属；
[0020] 步骤五，在AlGaN势皇层、欧姆金属层和互连金属的表面淀积60-100nm厚度的Si3N4 作为钝化层；
[0021] 步骤六，在钝化层上进行光刻显影，并刻蚀Si3N4,露出GaN器件的栅区域、参比电极 感应区域、器件的源漏电极引出区域及参比电极引出区域；
[0022]步骤七，采用PDMS进行器件的封装，制作出传感器测试用样品槽，最终得到具有集 成式固态薄膜参比电极的GaN生物传感器。
[0023]所述步骤一中，优选的，势皇层还能够采用InAIN势皇层或A1N势皇层。
[0024]所述步骤二中，在830度快速热退火形成合金。
[0025]所述步骤三中，利用电子束蒸发技术蒸镀Ni/Au互连金属，并用lift-off工艺剥 离。
[0026]所述步骤四中，沉积Pt时采用溅射技术。
[0027]所述步骤五中，淀积钝化层采用PECVD方法。
[0028] 所述步骤六中，刻蚀采用ICP刻蚀法或RIE刻蚀法或湿法刻蚀法。
[0029]具有集成式固态薄膜Pt参比电极的GaN生物传感器，包括具有GaN缓冲层、AlGaN势 皇层和衬底的基片，AlGaN势皇层上设置有欧姆金属层，欧姆金属层上及衬底上具有互连金 属，衬底上的互连金属上派射有参比电极金属Pt，GaN缓冲层、AlGaN势皇层、欧姆金属层和 互连金属表面淀积有钝化层，钝化层上露出GaN器件的栅区域、参比电极感应区域、源漏电 极引出区域及参比电极引出区域，衬底和钝化层上具有PDMS测试用样品槽。
[0030]与现有技术相比，本发明提出的基于GaN生物传感器的集成式固态Pt薄膜参比电 极与GaN生物传感器现用外置Pt参比电极相比，电极位置固定，采用微电子工艺制作，参比 电极精密度更高，且与GaN器件同时制作使得制作成本低，集成度高，易于进行小型化和便 携式GaN生物传感器的实现。
【附图说明】
[0031]图1为本发明步骤一的不意图；
[0032]图2为本发明步骤二的不意图；
[0033]图3为本发明步骤三的示意图；
[0034]图4为本发明步骤四的不意图；
[0035]图5为本发明步骤五的示意图；
[0036]图6为本发明步骤八的不意图；
[0037]图7为本发明步骤七的示意图；
[0038]图8为本发明的器件整体工作示意图。
【具体实施方式】
[0039]下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
[0040] 参见图1至图8,具有集成式固态薄膜Pt参比电极的GaN生物传感器的制造方法，包 括以下步骤：
[0041] 步骤一，在干净的含有GaN缓冲层、AlGaN势皇层和衬底的基片上，光刻显影出台面 隔离区域，采用刻蚀或离子注入的方法形成器件的隔离；
[0042]步骤二，在未做隔离的区域上光刻显影出欧姆接触区域，采用电子束蒸发的方法 获得欧姆金属层，欧姆金属层采用Ti/Al/Ni/Au四层结构，在830度快速退火形成合金，获得 欧姆接触；
[0043] 步骤三，在欧姆金属层上及衬底上光刻显影出器件源漏电极的互连区域和参比电 极的引线区域，利用电子束蒸发技术蒸镀Ni/Au互连金属，并用lift-off工艺剥离，获得GaN 器件源漏电极的互连金属和参比电极的引线金属；
[0044]步骤四，在参比电极引线上光刻显影出参比电极感应区域，溅射技术沉积300~ lOOOnm厚的参比电极金属Pt，并剥离，形成参比电极金属；
[0045] 步骤五，采用PECVD方法在AlGaN势皇层、欧姆金属层和互连金属的表面淀积60-100nm厚度的Si 3N4作为钝化层；
[0046] 步骤六，在钝化层上进行光刻显影，并采用ICP刻蚀法或RIE刻蚀法或湿法刻蚀法 刻蚀Si 3N4,露出GaN器件的栅区域和参比电极感应区域以及器件的源漏电极引出区域及参 比电极引出区域；
[0047]步骤七，采用PDMS进行器件的封装，制作出传感器测试用样品槽，最终得到具有集 成式固态薄膜参比电极的GaN生物传感器。
[0048] 优选的，势皇层还能够采用InAIN势皇层或A1N势皇层。
[0049] 参见图8,具有集成式固态薄膜Pt参比电极的GaN生物传感器，包括具有GaN缓冲 层、AlGaN势皇层和衬底的基片，AlGaN势皇层上设置有欧姆金属层，欧姆金属层上及衬底上 具有互连金属，衬底上的互连金属上溅射有参比电极金属Pt，GaN缓冲层、AlGaN势皇层、欧 姆金属层和互连金属表面淀积有钝化层，钝化层上开设有GaN器件的栅区域、参比电极感应 区域、源漏电极引出区域及参比电极引出区域，衬底和钝化层上具有PDMS测试用样品槽。
[0050] 实施例1:
[00511步骤一，在干净的含有GaN缓冲层、AlGaN势皇层和衬底的基片上，光刻显影出台面 隔离区域，采用刻蚀或离子注入的方法形成器件的隔离；
[0052]步骤二，在未做隔离的区域上光刻显影出欧姆接触区域，采用电子束蒸发的方法 获得欧姆金属层，欧姆金属层采用Ti/Al/Ni/Au四层结构，在830度快速退火形成合金，获得 欧姆接触；
[0053] 步骤三，在欧姆金属层上及衬底上光刻显影出器件源漏电极的互连区域和参比电 极的引线区域，利用电子束蒸发技术蒸镀Ni/Au互连金属，并用lift-off工艺剥离，获得GaN 器件源漏电极的互连金属和参比电极的引线金属；
[0054]步骤四，在参比电极引线上光刻显影出参比电极感应区域，溅射技术沉积300nm厚 的参比电极金属Pt，并剥离，形成参比电极金属；
[0055] 步骤五，采用PECVD方法在AlGaN势皇层、欧姆金属层和互连金属的表面淀积60-100nm厚度的Si3N4作为钝化层；
[0056] 步骤六，在钝化层上进行光刻显影，并采用ICP刻蚀法或RIE刻蚀法或湿法刻蚀法 刻蚀Si3N4,露出GaN器件的栅区域和参比电极感应区域以及器件的源漏电极引出区域及参 比电极引出区域；
[0057]步骤七，采用PDMS进行器件的封装，制作出传感器测试用样品槽，最终得到具有集 成式固态薄膜参比电极的GaN生物传感器。
[0058] 实施例2:
[0059]步骤一，在干净的含有GaN缓冲层、InAIN势皇层和衬底的基片上，光刻显影出台面 隔离区域，采用刻蚀或离子注入的方法形成器件的隔离；
[0060] 步骤二，在未做隔离的区域上光刻显影出欧姆接触区域，采用电子束蒸发的方法 获得欧姆金属层，欧姆金属层采用Ti/Al/Ni/Au四层结构，在830度快速退火形成合金，获得 欧姆接触；
[0061] 步骤三，在欧姆金属层上及衬底上光刻显影出器件源漏电极的互连区域和参比电 极的引线区域，利用电子束蒸发技术蒸镀Ni/Au互连金属，并用lift-off工艺剥离，获得GaN 器件源漏电极的互连金属和参比电极的引线金属；
[0062]步骤四，在参比电极引线上光刻显影出参比电极感应区域，溅射技术沉积lOOOnm 厚的参比电极金属Pt，并剥离，形成参比电极金属；
[0063] 步骤五，采用PECVD方法在AlGaN势皇层、欧姆金属层和互连金属的表面淀积60-lOOnm厚度的Si3N4作为钝化层；
[0064] 步骤六，在钝化层上进行光刻显影，并采用ICP刻蚀法或RIE刻蚀法或湿法刻蚀法 刻蚀Si3N4,露出GaN器件的栅区域和参比电极感应区域以及器件的源漏电极引出区域及参 比电极引出区域；
[0065]步骤七，采用PDMS进行器件的封装，制作出传感器测试用样品槽，最终得到具有集 成式固态薄膜参比电极的GaN生物传感器。
[0066] 实施例3:
[0067]步骤一，在干净的含有GaN缓冲层、A1N势皇层和衬底的基片上，光刻显影出台面隔 离区域，采用刻蚀或离子注入的方法形成器件的隔离；
[0068]步骤二，在未做隔离的区域上光刻显影出欧姆接触区域，采用电子束蒸发的方法 获得欧姆金属层，欧姆金属层采用Ti/Al/Ni/Au四层结构，在830度快速退火形成合金，获得 欧姆接触；
[0069] 步骤三，在欧姆金属层上及衬底上光刻显影出器件源漏电极的互连区域和参比电 极的引线区域，利用电子束蒸发技术蒸镀Ni/Au互连金属，并用lift-off工艺剥离，获得GaN 器件源漏电极的互连金属和参比电极的引线金属；
[0070] 步骤四，在参比电极引线上光刻显影出参比电极感应区域，溅射技术沉积650nm厚 的参比电极金属Pt，并剥离，形成参比电极金属；
[0071] 步骤五，采用PECVD方法在AlGaN势皇层、欧姆金属层和互连金属的表面淀积60-100nm厚度的Si 3N4作为钝化层；
[0072] 步骤六，在钝化层上进行光刻显影，并采用ICP刻蚀法或RIE刻蚀法或湿法刻蚀法 刻蚀Si3N4,露出GaN器件的栅区域和参比电极感应区域以及器件的源漏电极引出区域及参 比电极引出区域；
[0073]步骤七，采用PDMS进行器件的封装，制作出传感器测试用样品槽，最终得到具有集 成式固态薄膜参比电极的GaN生物传感器。
【主权项】
1. 具有集成式固态薄膜pt参比电极的GaN生物传感器的制造方法，其特征在于，包括以 下步骤： 步骤一，在干净的含有GaN缓冲层、AlGaN势皇层和衬底的基片上，光刻显影出器件隔离 区域，采用刻蚀或离子注入方法形成器件的隔离； 步骤二，在未做隔离的区域上光刻显影出欧姆接触区域，采用电子束蒸发的方法获得 欧姆金属层，欧姆金属层采用Ti/Al/Ni/Au四层结构，退火形成合金，获得欧姆接触； 步骤三，在欧姆金属层上及衬底上光刻显影出器件源漏电极的互连区域和参比电极的 引线区域，蒸镀Ni/Au互连金属，并剥离，获得GaN器件源漏电极的互连金属和参比电极的引 线金属； 步骤四，在参比电极引线上光刻显影出参比电极感应区域，溅射300~lOOOnm厚的参比 电极金属Pt，并剥离，形成参比电极金属； 步骤五，在基片表面淀积60-100nm厚度的Si3N4作为钝化层； 步骤六，在钝化层上进行光刻显影，并刻蚀Si3N4,露出GaN器件的栅区域、参比电极感应 区域、器件的互连金属引出区域及参比电极引出区域； 步骤七，采用PDMS进行器件的封装，制作出传感器测试用样品槽，最终得到具有集成式 固态薄膜参比电极的GaN生物传感器。2. 根据权利要求1所述的具有集成式固态薄膜Pt参比电极的GaN生物传感器的制作方 法，其特征在于，所述步骤一中，势皇层采用InAIN势皇层或A1N势皇层。3. 根据权利要求1所述的具有集成式固态薄膜Pt参比电极的GaN生物传感器的制作方 法，其特征在于，所述步骤二中，在830度快速热退火形成合金。4. 根据权利要求1所述的具有集成式固态薄膜Pt参比电极的GaN生物传感器的制作方 法，其特征在于，所述步骤三中，利用电子束蒸发技术蒸镀Ni/Au互连金属，并用1 if t-off工 艺剥离。5. 根据权利要求1所述的具有集成式固态薄膜Pt参比电极的GaN生物传感器的制作方 法，其特征在于，所述步骤四中，沉积Pt时采用溅射技术。6. 根据权利要求1所述的具有集成式固态薄膜Pt参比电极的GaN生物传感器的制作方 法，其特征在于，所述步骤五中，淀积钝化层采用PECVD方法。7. 根据权利要求1所述的具有集成式固态薄膜Pt参比电极的GaN生物传感器的制作方 法，其特征在于，所述步骤六中，刻蚀采用ICP刻蚀法或RIE刻蚀法或湿法刻蚀法。8. 权利要求1所述的具有集成式固态薄膜Pt参比电极的GaN生物传感器，其特征在于， 包括具有GaN缓冲层、AlGaN势皇层和衬底的基片，AlGaN势皇层上设置有欧姆金属层，欧姆 金属层上及衬底上具有互连金属，衬底上的互连金属上溅射有参比电极金属Pt，基片表面 淀积有钝化层，钝化层上露出GaN器件的栅区域、参比电极感应区域、源漏电极引出区域及 参比电极引出区域，衬底和钝化层上具有PDMS测试用样品槽。
【文档编号】G01N27/414GK106018527SQ201610326546
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月17日
【发明人】张鹏, 张晨阳, 谢涌, 马晓华, 施建章, 郝跃
【申请人】西安电子科技大学