一种双栅结构GaN基pH传感器的制备方法与流程

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：ionsensitivefieldeffecttransistor)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isfetph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isfetph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。

技术实现要素：

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，利用薄势垒层结构，实现高的跨导；结合背栅电极与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(本征)的gan过渡层作为背栅的介质层；

s2.在高阻绝缘(本征)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。

在本发明中，在高掺杂的gan单晶衬底上面通过控制生长参数形成本征的gan外延层替代介质层，进而生长薄势垒层algan/gan结构提高器件跨导，利用sin覆盖探测区域以外的势垒层及欧姆接触电极恢复接入区提升器件沟道电子浓度及迁移率。

进一步的，所述的步骤s1至s3中生长的高阻绝缘的gan过渡层及薄势垒厚度较小的algan/gan异质结材料。

进一步的，通过在所述的s5步骤中沉积氮化硅以同时保护金属电极并提升接入区沟道性能。

进一步的，所述的衬底为氨热法、hvpe或者mocvd生长的gan自支撑衬底中的任一种。

进一步的，所述的高阻绝缘过渡层为aln、algan、gan的任一种或组合；厚度为10nm～10μm。

进一步的，所述的介质层为氮化硅，厚度为0-500nm。

进一步的，所述的gan沟道层为非故意掺杂的gan外延层或掺杂的高阻gan外延层，所述掺杂高阻层的掺杂元素为碳或铁；gan外延层厚度为100nm～20μm。

进一步的，所述的algan薄势垒层为低铝组分algan，algan层厚度为0-20nm，且铝组分浓度在0-15％之间。

进一步的，所述的algan薄势垒层材料还可以为alinn、ingan、alingan、aln中的一种或任意几种的组合。

进一步的，所述的欧姆接触电极材料为ti/al/ni/au合金、ti/al/ti/au合金、ti/al/mo/au合金或ti/al/ti/tin合金，电极加厚金属材料为ni/au合金、in/au合金或者pd/au合金。

进一步的，所述的algan薄势垒层中，与gan层之间还可以插入一aln薄层，厚度为1-10nm。

进一步的，所述步骤s1中的高阻绝缘过渡层、步骤s2中的gan沟道、步骤s3中的algan薄势垒层的生长方法为金属有机化学气相沉积法、分子束外延法；所述步骤s5中介质层的生长方法为等离子体增强化学气相沉积法、原子层沉积法、物理气相沉积法或磁控溅射法。

与现有技术相比，有益效果是：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。

附图说明

图1至图5是本发明实施例1提供的器件制作方法工艺示意图。

图6是本发明实施例2提供的器件的结构示意图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。

实施例1：

如图1至5所示，一种双栅结构gan基ph传感器，其结构由下往上依次包括衬底1，过渡层2，沟道层3，势垒层4，欧姆接触电极5，介质层6；其制备方法

具体包括以下步骤：

s1.在n型gan衬底1上生长高阻绝缘(本征)的gan过渡层2作为背栅的介质层6；

s2.在高阻绝缘(本征)的gan过渡层2上生长gan沟道层3；

s3.在沟道层3表面生长algan薄势垒层4；

s4.沉积欧姆接触电极5；

s5.生长介质层6掩盖电极及接入区只露出顶栅极探测区域。

在本发明中，在高掺杂的gan单晶衬底1上面通过控制生长参数形成本征的gan外延层替代介质层6，进而生长薄势垒层4algan/gan结构提高器件跨导，利用sin覆盖探测区域以外的势垒层4及欧姆接触电极5恢复接入区提升器件沟道电子浓度及迁移率。

具体的，所述的步骤s1至s3中生长的高阻绝缘的gan过渡层2及薄势垒厚度较小的algan/gan异质结材料。

其中，通过在所述的s5步骤中沉积氮化硅以同时保护金属电极并提升接入区沟道性能。

另外，所述的衬底1为氨热法、hvpe或者mocvd生长的gan自支撑衬底1中的任一种；所述的高阻绝缘过渡层2为aln、algan、gan的任一种或组合；厚度为10nm～10μm。所述的介质层6为氮化硅，厚度为0-500nm。所述的gan沟道层3为非故意掺杂的gan外延层或掺杂的高阻gan外延层，所述掺杂高阻层的掺杂元素为碳或铁；gan外延层厚度为100nm～20μm。所述的algan薄势垒层4为低铝组分algan，algan层厚度为0-20nm，且铝组分浓度在0-15％之间。所述的algan薄势垒层4材料还可以为alinn、ingan、alingan、aln中的一种或任意几种的组合。所述的欧姆接触电极5材料为ti/al/ni/au合金、ti/al/ti/au合金、ti/al/mo/au合金或ti/al/ti/tin合金，电极加厚金属材料为ni/au合金、in/au合金或者pd/au合金。

其中，所述的algan薄势垒层4中，与gan层之间还可以插入一aln薄层，厚度为1-10nm。

另外，所述步骤s1中的高阻绝缘过渡层2、步骤s2中的gan沟道、步骤s3中的algan薄势垒层4的生长方法为金属有机化学气相沉积法、分子束外延法；所述步骤s5中介质层6的生长方法为等离子体增强化学气相沉积法、原子层沉积法、物理气相沉积法或磁控溅射法。

实施例2

如图6所示，为本实施例的器件结构示意图，其与实施例1结构区别仅在于：在实施例1中基础上栅极区域增加了一层感应增强膜7，进一步提升器件探测感度。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。