一种氮化镓复合场效应晶体管pH传感器的制备方法与流程

技术领域：

本发明属于化学传感器领域，尤其是涉及性能稳定的egfet形式ph传感器及其简便快捷制备工艺。

背景技术：
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1970年的第一个离子敏感场效应晶体管(isfet)被用于传感器。随后利用化学敏感膜沉积在场效应晶体管(fet)栅电极延伸的信号线端部的扩展栅场效应晶体管(egfet)开始发展。egfet相比于isfet具有许多优点，如对温度和光的不敏感、长期稳定性高、对材料和形状的限制较低、传感材料不局限于无缺陷绝缘体。

氮化镓(gan)纳米织构由于具有比表面积较高、载流子迁移率较高以及热力学和化学稳定性强等优点，已经引起了研究人员的广泛关注。与gan相关的ph传感器也有很多。如lee等人的研究了inn/gan异质结构ph传感器，其灵敏度为52.04mv/ph。steinhoff等人报道了gan/algan/gan高电子迁移率晶体管(hemt)结构的敏感性为56.0mv/ph，gan:si/gan:mg敏感度为57.3mv/ph。但大部分是采用复杂而昂贵的方法制备的hemt结构，目前它不适合商业化生产ph传感器。

为此许多研究人员就在寻找制备简单，性能稳定优异的制备工艺。目前大部分研究集中在氧化物半导体ph传感器的研制方向上，但是有研究报道氧化物半导体容易跟强碱反应，造成ph传感器性能的漂移，因此寻找一种既具有良好的ph敏感性能，又能够在强碱下保持稳定性能的材料是目前的一个解决思路。gan材料在很大程度上符合上述要求，它自身的化学性质稳定，又有很好ph敏感性能。因此研制gan纳米材料复合的ph传感器，是一项具有科学意义和实用技术价值的工作。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种氮化镓复合场效应晶体管ph传感器的制备方法，在保证较好的ph灵敏度的同时，降低制备工艺的成本，提升性能稳定性。本发明通过以下技术手段实现上述技术目的:

1、一种gan纳米织构复合硅纳米柱的egfetph化学传感器的制备方法，将采用等离子体化学气相沉积(pecvd)系统制备的gan纳米织构与ag纳米颗粒辅助化学刻蚀方法制备的硅纳米柱结构复合，并采用egfet形式制作ph传感器。

2、采用ag纳米颗粒辅助化学刻蚀方法制备的硅纳米柱结构，主要包含以下步骤：

(1)将清洗好的n型或p型硅片放在10-30ml的hf(质量分数40％)溶液与0.05-0.10g的agno3(纯度99.999％)粉末与50-100ml去离子水的混合溶液中30-90s，沉积ag纳米颗粒；

(2)随后将沉积好的ag纳米颗粒的硅片放在hf(质量分数40％)、h2o2(质量分数30％)和去离子水体积比为20:4:76的混合溶液内，刻蚀制备硅纳米柱结构，残余金属颗粒可利用浓硝酸去除；随后使用溅射仪(sbc-12)常温下沉积5-30nmau薄膜。

3.采用pecvd系统制备gan纳米织构与步骤2所述制备的硅纳米柱结构复合，主要包含以下步骤：

(1)gan纳米织构制备使用pecvd方法，首先称取ga原子与c原子摩尔比为1:3-1:12的0.1-0.5g的ga2o3(纯度99.999％)与活性炭的混合粉末作为反应原料，将反应原料放在刚玉或石英坩埚中，将步骤2中所制备的硅纳米柱结构基底平放在坩埚上方或侧放在坩埚一侧，随后将坩埚放入pecvd的管式炉中，加热反应，反应完成后自然冷却到室温，取出样品；

(2)将样品表面覆盖无尘塑料薄膜，采用直径为10-50mm的钢柱向一个方向滚压1-10次，完成后将塑料薄膜取下，得到纳米织构复合结构。

4.采用egfet形式制作ph传感器制备，主要包含以下步骤:

(1)将步骤3中制备好的样品背面使用导电胶固定导线引出电极，随后将样品背面和电极与样品固定端用绝缘胶完全包覆。

5.步骤4所述的导电胶包含导电银胶、导电铜胶、导电碳胶；所述的导线包含铜导线、箔导线、铝导线；所述的绝缘胶包含环氧树脂，硅胶，松香石蜡。

本发明的有益效果：

1.本发明的制备工艺简单便捷，制备的复合结构ph传感器具有较好性能和很好的稳定性。在缓冲液ph为3至11的范围内，传感器灵敏度从38mv/ph增加到56mv/ph。

2.制备方法简单，绿色，适用于商业化应用的大规模生产。

3.制备复合结构所采用的参数，在范围内可以保证其得到合适的复合结构从而得到最优的效果:制备si纳米柱所采用的参数范围内可以使纳米柱得到合适的长度，不至于太短或太长使纳米柱弯曲都会影响传感性能；制备gan纳米织构所采用的参数范围内可以使gan纳米织构得到合适的长度不至于太长使织构太密缺少孔隙或太短孔隙太大影响传感性能，得到合适的纳米织构的密度是取得最佳传感性能的重要条件。

附图说明

图1实施例1si纳米柱结构sem图片

图2实施例2si和gan纳米织构复合结构sem图片

图3实施例3si和gan纳米织构复合结构sem图片

图4实施例1与实施例2中egfet形式ph传感器测试示意图

图5实施例1si纳米柱结构制备传感器在ph值为3至11的溶液中响应

图6实施例1si纳米柱结构制备传感器灵敏度曲线

图7实施例2si和gan纳米织构复合结构制备传感器在ph值为3至11的溶液中响应

图8实施例2si和gan纳米织构复合结构制备传感器灵敏度曲线

图9实施例3si和gan纳米织构复合结构制备传感器在ph值为3至11的溶液中响应

图10实施例3si和gan纳米织构复合结构制备传感器灵敏度曲线

具体实施方式

本发明方使用新的复合结构设计，实现了ph性能高灵敏度和高稳定性的测试，并且制作流程简单、快速，成本较低，从而大大提升了实用性。

实施例1

(1)称取0.085gagno3粉末溶解在80ml去离子水中，滴加20mlhf酸配制溶液，将清洗干净的n型低阻硅(电阻率0.001-0.009ω·cm)的硅片放入上述溶液中浸泡60s取出后在去离子水中浸泡5s清洗表面，随后浸入hf(质量分数40％):h2o2(质量分数30％):h2o体积比为20:4:76的混合溶液中刻蚀30min,将反应完成的硅片取出在浓硝酸(质量分数68％)中浸泡2h去掉多余的ag，随后使用大量去离子水冲洗。随后使用溅射仪(sbc-12)常温下沉积20nmau。

(2)将上述制备好的样品背面使用铜导电胶固定铜线引出电极，随后使用环氧树脂胶将样品背面和电极与样品固定端完全包覆。

实施例2

(1)称取0.085gagno3粉末溶解在80ml去离子水中，滴加20mlhf酸配制溶液，将清洗干净的n型低阻硅(电阻率0.001-0.009ω·cm)的硅片放入上述溶液中浸泡60s取出后在去离子水中浸泡5s清洗表面，随后浸入hf(质量分数40％):h2o2(质量分数30％):h2o体积比为20:4:76的混合溶液中刻蚀30min,将反应完成的硅片取出在浓硝酸(质量分数68％)中浸泡2h去掉多余的ag,随后使用大量去离子水冲洗。随后使用使用溅射仪(sbc-12)常温下沉积20nmau。

(2)gan纳米织构制备使用pecvd方法，首先称取摩尔比为1：12(ga:c)的0.3g的ga2o3(纯度99.999％)与活性炭混合粉末作为反应原料，将反应原料放在石英坩埚内部，将上述步骤(1)中制备的基底侧放在坩埚一侧，随后将坩埚推入pecvd的管式炉中，具体反应参数为：背底真空1pa，20sccmn2，10sccmh2，反应温度880℃。射频功率80w，反应气压45pa，反应时间30min。反应完成后自然冷却到室温，取出样品。

(3)将样品表面覆盖无尘塑料薄膜，采用直径为10mm的钢棒向一个方向滚压5次，完成后将塑料薄膜取下，得到纳米织构复合结构。

(4)将上述制备好的样品背面使用铜导电胶固定铜线引出电极，随后使用环氧树脂胶将样品背面和电极与样品固定端完全包覆。

实施例3

(1)称取0.065gagno3粉末溶解在60ml去离子水中，滴加10mlhf酸配制溶液，将清洗干净的p型低阻硅(电阻率0.001-0.009ω·cm)的硅片放入上述溶液中浸泡60s取出后在去离子水中浸泡5s清洗表面，随后浸入hf(质量分数40％):h2o2(质量分数30％):h2o体积比为20:4:76的混合溶液中刻蚀20min,将反应完成的硅片取出在浓硝酸(质量分数68％)中浸泡1.5h去掉多余的ag,随后使用大量去离子水冲洗。随后使用使用溅射仪(sbc-12)常温下沉积10nmau。

(2)gan纳米织构制备使用pecvd方法，首先称取摩尔比为1：6(ga:c)的0.2g的ga2o3(纯度99.999％)与活性炭混合粉末作为反应原料，将反应原料放在石英坩埚内部，将上述步骤(1)中制备的基底侧放在坩埚一侧，随后将坩埚推入pecvd的管式炉中，具体反应参数为：背底真空1pa，20sccmn2，10sccmh2，反应温度880℃。射频功率80w，反应气压45pa，反应时间30min。反应完成后自然冷却到室温，取出样品。

(3)将样品表面覆盖无尘塑料薄膜，采用直径为10mm的钢棒向一个方向滚压10次，完成后将塑料薄膜取下，得到纳米织构复合结构。

(4)将上述制备好的样品背面使用银导电胶固定铝线引出电极，随后使用松香石蜡将样品背面和电极与样品固定端完全包覆。