一种氮化镓传感器和多传感器系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及传感器技术领域，具体地，涉及一种氮化镓(GaN)传感器、制备方法和多传感器系统。
【背景技术】
[0002]在大气及气体供应系统中，污染物以及生物水液体成分的化学成分检测对环境保护和医疗保健极为重要。举个例子，在有害气体输运系统中，快速检测气体泄漏对工人生命健康安全的保护、以及环境污染的防治，都起到十分关键的作用。
[0003]除此之外，通过化学感应，还能检测出地表水和饮用水中是否含有重金属、有机污染物、无机污染物、工业污染物以及其他相关液体特性(如PH值、盐度、浑浊度以及气味等)。还有，通过对人体的体液(血液、唾液)还有气体(呼吸)的检测，能有效预知多种危及人体生命安全的疾病。
[0004]以上各类检测所用的气态液态化学分析系统，通常需要进行层析、质谱分析、X射线荧光分析或热量测定，这些分析都需要在实验室进行，推广成本昂贵。所以，继续研发一种便携式小型化学传感系统，对于开发下一代个人健康跟踪系统有很大帮助，同时监控大气和水的质量。
[0005]现有的基于半导体材料的氮化镓传感器主要是硅基传感器，其优点是技术成熟，成本可控。其不足之处主要有三:一是灵敏度不够高，在对灵敏度要求较高的应用领域，如环境检测、医疗应用等，硅基器件不能满足要求;二是硅基器件难以在苛刻的环境条件下工作，如高温、高湿、高压等;三是硅基传感器受限于其工作原理，体积较大，对于便携式甚至穿戴式应用，往往不能达到要求。
[0006]现有技术中，存在灵敏度低、检测范围小和便携性差等缺陷。
【实用新型内容】
[0007]本实用新型的目的在于，针对上述缺陷，提出一种氮化镓传感器和多传感器系统，以解决通过对III族氮化物基HEMT(High Electron Mobility Transistor，高电子迀移率晶体管)结构的晶体管传感区域的功能化处理，更好地实现对与传感区域接触的分析物的浓度检测的问题。
[0008]本实用新型进一步解决通过对以上所述的传感区域的优化处理，提升检测效果、减小检测难度的问题。
[0009]本实用新型一方面提供一种氮化镓传感器，包括:异质半导体衬底，以及位于其上的III族氮化物基HEMT结构的晶体管;其中，所述晶体管的源极和漏极金属均设置在晶体管顶层的半导体之上，栅极表面具有经功能化处理得到的功能化膜，源极和漏极之间裸露的栅极区域形成传感区域;通过检测所述传感区域的电流变化，实现对与所述传感区域接触的待检测物的浓度检测。
[0010]其中，所述晶体管，包括:内含至少一个III族氮化物异质结。
[0011]其中，所述III族氮化物异质结，包括:位于所述异质半导体衬底上的缓冲层，所述缓冲层作为电流通道、其成分为GaN;以及，位于所述缓冲层上的阻挡层;所述缓冲层和阻挡层的成分相互作用，在缓冲层与阻挡层的界面形成二维电子气层；以及，位于所述阻挡层上的欧姆接触源极和漏极金属，所述欧姆接触源极和漏极金属之间裸露的阻挡层为传感区域，所述功能化膜涂覆于所述传感区域上；以及，包覆在所述欧姆接触源极和漏极金属、二维电子气层和阻挡层外围、并嵌入所述缓冲层靠近阻挡层一侧的绝缘层。
[0012]优选地，所述III族氮化物异质结，还包括:覆盖在所述阻挡层上的覆盖层，所述覆盖层的成分掺杂或使用本征材料，与所述阻挡层相互作用，在所述覆盖层上形成欧姆接触源极和漏极金属;所述欧姆接触源极和漏极金属之间裸露的覆盖层为传感区域；以及，所述绝缘层还包覆在所述覆盖层外围。其中，所述覆盖层的厚度为1-3微米。
[0013]其中，所述阻挡层中多元111族氮化物，包括63111^、六11六163111^31^似111^3~中的任意一种;其中，采用AlGaN时，所述阻挡层的厚度为15-35纳米，Al元素的摩尔比为15-35%;采用AlN时，所述阻挡层的厚度为2-8纳米;和/或，所述绝缘层，包括绝缘金属、绝缘氧化物、高分子聚合物中任意一种。
[0014]具体地，所述异质半导体衬底，包括:111族氮化物外延生长在相应的非本征半导体衬底上，所述非本征半导体包括硅、碳化硅、蓝宝石和氮化铝中任意一种。
[0015]与上述传感器相匹配，本实用新型另一方面提供了一种多传感器系统，包括:至少两个以上所述的传感器，以及，主控电路;所述至少两个传感器，并联在所述主控电路与待检测物之间；通过所述主控电路，对所述传感器的输出信号进行控制和分析，实现所述待检测物的浓度检测。
[0016]本实用新型的方案，通过对与HEMT的结构非常相似的III族氮化物基HEMT结构的晶体管的源极和漏极之间裸露的栅极区域进行功能化处理(例如:对GaN基HEMT结构的晶体管栅极表面涂敷功能化膜)，当栅极区域与被检测的分析物接触时，源极、漏极之间电流会发生明显改变，进而通过检测电流的变化，实现检测分析物浓度的目的，传感器的体积小，检测的可靠性高、精准性好。
[0017]进一步，本实用新型的方案，通过传感区域的凹陷刻蚀或传感层减薄的方式，对传感区域进行优化处理，可以提高传感器的响应时间、检测范围及灵敏度。
[0018]由此，本实用新型的方案解决对III族氮化物基HEMT结构的晶体管传感区域的处理，更好地实现对与传感区域接触的分析物的浓度检测，提升检测效果、减小检测难度的问题，从而，克服现有技术中灵敏度低、检测范围小和便携性差的缺陷，实现灵敏度高、检测范围大和便携性好的有益效果。
[0019]本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。
[0020]下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
【附图说明】
[0021]附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中:
[0022]图1为本实用新型的氮化镓传感器的一实施例的横截面结构示意图；
[0023]图2为本实用新型中通过减小阻挡层厚度降低检测范围下限的优化处理所得传感器横截面的结构示意图；
[0024]图3为本实用新型的方法中通过减小栅极裸露区域厚度降低检测范围下限的优化处理所得传感器横截面的结构示意图；
[0025]图4为本实用新型的多传感器系统的一实施例的工作原理示意图；
[0026]图5为本实用新型的氮化镓传感器的制备方法的各步骤处理结果的横截面结构示意图，其中，(a)为在衬底上外延生长的外延片结构，(b)为等离子刻蚀处理所得结构，(C)为欧姆接触处理所得结构，(d)为欧姆接触绝缘处理所得结构，(e)为外引线金属沉积和成形处理所得结构，(f)为凹槽刻蚀处理所得结构，(g)为外引线金属绝缘处理所得结构，(h)为传感区域的功能化膜涂覆处理所得结构；
[0027]图6为本实用新型的氮化镓传感器的俯视结构示意图。
[0028]结合附图，本实用新型实施例中附图标记如下:
[0029]1-传感器;2-非本征半导体衬底；3-缓冲层;4-二维电子气层;5-阻挡层;6_覆盖层;7-欧姆接触源极和漏极金属;8-绝缘层;9-等离子刻蚀所得结构的侧面(边缘)；10_传感区域;11-功能化膜;12-台面;13-外延层；14-焊盘。
【具体实施方式】
[0030]为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型具体实施例及相应的附图对本实用新型技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0031]根据本实用新型的实施例，提供了一种氮化镓传感器，如图1所示本实用新型的氮化镓传感器的一实施例的横截面结构示意图。该传感器至少包括:
[0032]异质半导体衬底，以及位于其上的III族氮化物(例如:氮化镓)基HEMT结构的晶体管;其中，晶体管的源极和漏极金属均设置在晶体管顶层的半导体之上，栅极表面具有经功能化处理得到的功能化膜11，源极和漏极之间裸露的栅极区域形成传感区域;通过检测传感区域的电流变化，实现对与传感区域接触的待检测物的浓度检测。通过采用GaN基HEMT结构的晶体管，可以减小传感器的体积，还有利于提高传感器的检测灵敏度。
[0033]在一个例子中，晶体管的外表面为半导体材料层，晶体管的源极和漏极金属(例如:欧姆接触源极和漏极金属7)均伸出半导体材料层(例如:设置在顶层半导