单片集成半导体器件传感器、阵列器件传感器及制备方法与流程

本发明实施例涉及传感技术，尤其涉及一种单片集成半导体器件传感器、阵列器件传感器及制备方法。

背景技术

gan基hemt传感器是基于algan/gan异质结处的二维电子气(2deg)易受表面态控制的特性而发展的一种新型传感探测器件。hemt中的起重要作用的2deg为一个表面通道，受控于栅极电压，并且这层2deg十分接近于表面，对表面态区域十分敏感。当表面态变化时，会引起2deg浓度的变化，从而改变漏源之间的电流。

现有技术中，通过测量hemt漏源之间电流实现传感器的功能，而且为了克服器件及电路的寄生电阻、电容、电感等对电流测量准确度的影响，需要设计比较复杂的电路，测量结果也不能直观显示。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种单片集成半导体器件传感器、阵列器件传感器及制备方法，以实现将传感器中hemt的电信号转化为led的光信号输出，使输出结果更加直观。

第一方面，本发明实施例提供一种单片集成半导体器件传感器，包括衬底；

设置于所述衬底的第一区域上的高电子迁移率晶体管hemt，所述hemt包括沿远离所述衬底方向依次层叠设置的沟道层、空间层、势垒层以及设置于所述势垒层上的源极和栅极；其中，所述栅极为所述单片集成半导体器件传感器的探测部；

设置于所述衬底的第二区域上的发光二极管led，所述led包括沿远离所述衬底方向依次层叠设置的n型层、有源层、p型层以及设置于所述p型层上的p型电极；其中，所述n型层的侧壁与所述沟道层的侧壁接触。

第二方面，本发明实施例提供一种单片集成半导体阵列器件传感器，包括阵列排布的多个如上所述的单片集成半导体器件传感器；

其中，所有所述单片集成半导体器件传感器的hemt的栅极电连接。

第三方面，本发明实施例提供一种单片集成半导体阵列器件传感器的制备方法，其特征在于，包括：

提供衬底；

在所述衬底上形成阵列排布的多个单片集成半导体器件传感器；所述单片集成半导体器件传感器包括高电子迁移率晶体管hemt以及发光二极管led，所述hemt的栅极为所述单片集成半导体器件传感器的探测部，所有所述hemt的栅极电连接；

其中，在所述衬底上形成阵列排布的多个单片集成半导体器件传感器包括：

在所述衬底的第一区域和第二区域上形成所述hemt的沟道层、空间层、势垒层；

保留所述第一区域内的所述沟道层、所述空间层以及所述势垒层，去除所述第二区域内的所述沟道层、所述空间层以及所述势垒层；

在所述衬底的第二区域形成所述led的n型层、有源层、p型层；

形成所述hemt的源极、栅极以及所述led的p型电极。

本发明实施例提供一种单片集成半导体器件传感器，包括衬底；设置于衬底的第一区域上的hemt，hemt包括沿远离衬底方向依次层叠设置的沟道层、空间层、势垒层以及设置于势垒层上的源极和栅极；其中，栅极为传感器的探测部；设置于衬底的第二区域上的led，led包括沿远离衬底方向依次层叠设置的n型层、有源层、p型层以及设置于p型层上的p型电极；其中，n型层的侧壁与沟道层的侧壁接触。通过hemt的栅极与待测物质之间的物理或化学等作用，引起hemt的沟道层形成的2deg浓度的变化，从而改变hemt的源漏之间的电流；通过设置led的n型层的侧壁与hemt沟道层的侧壁直接接触，hemt的电流信号传输到led，使led发出光信号，实现将传感器中hemt的电信号转化为led的光信号输出，使输出结果更加直观。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种单片集成半导体器件传感器的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的另一种单片集成半导体器件传感器的俯视结构示意图；

图3是图2沿剖线a-a′的剖面结构示意图；

图4是本发明实施例提供的另一种单片集成半导体器件传感器的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的另一种单片集成半导体器件传感器的结构示意图；

图6是本发明实施例提供的另一种单片集成半导体器件传感器的结构示意图；

图7是本发明实施例提供的另一种单片集成半导体器件传感器的结构示意图；

图8是本发明实施例提供的另一种单片集成半导体器件传感器的结构示意图；

图9是本发明实施例提供的单片集成半导体器件传感器的等效电路图；

图10是本发明实施例提供的一种单片集成半导体阵列器件传感器的俯视示意图；

图11是图10所示的单片集成半导体阵列器件传感器的等效电路图；

图12是本发明实施例提供的另一种单片集成半导体阵列器件传感器的俯视示意图；

图13是图12所示的单片集成半导体阵列器件传感器的等效电路图；

图14是本发明实施例提供的一种单片集成半导体阵列器件传感器的制备方法的流程示意图；

图15是本发明实施例提供的一种集成半导体器件传感器的制备方法的流程示意图；

图16是本发明实施例提供的形成hemt叠层结构后的器件剖面结构示意图；

图17是本发明实施例提供的去除第二区域的hemt叠层结构后的器件剖面结构示意图；

图18是本发明实施例提供的形成led叠层结构后的器件剖面结构示意图；

图19是本发明实施例提供的形成电极后的器件剖面结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。此外，本发明提供了各种特定的工艺和材料的例子，但是正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。除非在下文中特别指出，器件的各部分均可采用本领域公知的工艺和材料实现。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括其它的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

以下结合附图对本发明实施例进行具体说明。图1为本发明实施例提供的一种单片集成半导体器件传感器的结构示意图。参考图1，本发明实施例提供的单片集成半导体器件传感器包括：衬底10；设置于衬底10的第一区域上的高电子迁移率晶体管hemt20，hemt20包括沿远离衬底10方向依次层叠设置的沟道层21、空间层22、势垒层23以及设置于势垒层23上的源极24和栅极25；其中，栅极25为单片集成半导体器件传感器的探测部；设置于衬底10的第二区域上的发光二极管led30，led30包括沿远离衬底10方向依次层叠设置的n型层31、有源层32、p型层33以及设置于p型层上33的p型电极34；其中，n型层31的侧壁与沟道层21的侧壁接触。

其中，衬底10为绝缘衬底，可以选用硅材料、氮化镓材料、蓝宝石材料或碳化硅材料；hemt和led的各层都可以选用第ⅲ族氮化物材料；hemt20的栅极25作为传感器的探测部，示例性的，用于测量氢气(h2)时，可以使用对h2有裂解作用的材料作为栅极，例如铂(pt)；用于测量生物分子时，使用特定的生物分子膜作为栅极等，具体栅极材料根据待测量确定，本发明实施例对此不作限定。

示例性的，以单片集成半导体器件传感器测量h2为例，介绍传感器的原理：栅极材料(例如可以是pt)对h2分子有裂解催化的作用。h2可以通过致密的栅极层扩散到半导体器件的更深层中，具体表现为h2分子首先在pt表面裂解为h原子，通过扩散作用穿过pt到达pt和势垒层的界面，形成偶极子层并会降低pt和势垒层接触的肖特基势垒高度，其等效于在栅极上所加的负偏压绝对值减小，从而使2deg浓度增大，以获得更大的源漏电流，当漏极电流传输到led且大于led阈值电流时，led灯亮起，证明有h2存在。当h2浓度越大时，led的发光强度越大。

本发明实施例提供的单片集成半导体器件传感器，包括单片集成的hemt和led，通过hemt的栅极与待测物质之间的物理或化学等作用，引起hemt的沟道层形成的2deg浓度的变化，从而改变hemt的源漏之间的电流；通过设置led的n型层的侧壁与hemt沟道层的侧壁直接接触，hemt的电流信号传输到led，使led发出光信号，实现将传感器中hemt的电信号转化为led的光信号输出，使输出结果更加直观。

继续参考图1，可选的，该单片集成半导体器件传感器的led30设置于hemt20一侧。

通过将led30设置于hemt20的一侧，实现led30的n型层31和hemt20的沟道层21直接接触，无需金属线连接，有效降低寄生电阻，提高传感器的性能。

图2为本发明实施例提供的另一种单片集成半导体器件传感器的俯视结构示意图，图3为图2沿剖线a-a′的剖面结构示意图。参考图2和图3，该单片集成半导体器件传感器的led30围绕hemt设置。可选的，hemt20在衬底10所在平面的投影为圆形，led30在衬底10所在平面的投影为环形，且环形的内边缘与圆形的圆周接触。

可以理解的是，图2所示的单片集成半导体器件传感器的形状只是示例性的实施例，hemt20和led30也可以设置成其他形状，只需要设置led30围绕hemt20且led30的n型层31侧壁与hemt20的沟道层21侧壁接触，例如hemt20在衬底10所在平面的投影可以设置成椭圆、矩形、菱形等封闭形状，led30在衬底10所在平面的投影内边缘与hemt20在衬底10所在平面的投影边缘接触，外边缘根据实际需求设置，本发明实施例对此不作限定。

通过设置led围绕hemt，增加了led的n型层和hemt的沟道层接触面积，提高了电子的注入，改善了电流的均匀性，有效提高了hemt-led集成器件传感器的电学性能，提高传感器的灵敏度。

下述以led设置于hemt一侧形成的hemt-led传感器结构为例，示例性的示出本发明实施例的结构，需要说明的是，由于不能穷举所有结构，对于其他不脱离本发明实施例构思的其他类似结构，也在本发明实施例的保护范围之内。

图4为本发明实施例提供的另一种单片集成半导体器件传感器的结构示意图。可选的，该单片集成半导体器件传感器还包括缓冲层40，缓冲层40设置于衬底10与hemt20和led30之间。

示例性的，衬底10可以选用蓝宝石材料，n型层31和沟道层21可以采用氮化镓(gan)材料，由于gan材料在蓝宝石衬底生长时可能会存在晶格失配的问题，可以在衬底10上先生长一层缓冲层40，例如可以是gan缓冲层，缓冲层可以有效减少由于晶格失配导致的hemt和/或led器件的缺陷，提高传感器的性能。

图5为本发明实施例提供的另一种单片集成半导体器件传感器的结构示意图。可选的，该单片集成半导体器件传感器还包括成核层50，设置于缓冲层40与衬底10之间。

示例性的，成核层50可以选用氮化铝(aln)材料，成核层50的作用是生长出高晶体质量和高阻抗的gan缓冲层。从而保障led的高晶体质量和hemt的高击穿电压。可选的，缓冲层40的厚度为可以为3μm；成核层50的厚度可以为150nm。成核层50与缓冲层40设置过薄可能无法有效避免晶格失配的问题，过厚会引起材料浪费。

图6为本发明实施例提供的另一种单片集成半导体器件传感器的结构示意图。可选的，led30与衬底10之间的缓冲层40厚度小于hemt20与衬底10之间的缓冲层40厚度。可选的，led30与衬底10之间的缓冲层40厚度与hemt20与衬底10之间的缓冲层40厚度的差值范围为100～200nm。

可以理解的是，通过设置led区域和hemt区域缓冲层厚度不同，可以使n型层31与沟道层21、势垒层23相接触的区域位错较少，可以进一步提高传感器的性能。

可选的，沟道层21包括非故意掺杂gan材料，空间层22包括氮化铝(aln)材料，势垒层23包括铝镓氮(algan)材料。可选的，沟道层21、空间层22和势垒层23的厚度分别可以为90nm～100nm、1nm和20nm。其中，铝镓氮可以为alxga1-xn，x可以为0.3。

可选的，p型层33和n型层31的材料都包括gan材料；有源层32包括多个量子阱周期结构，每个量子阱周期结构包括层叠设置的gan层与铟镓氮(ingan)层。可选的，p型层33包括厚度为160nm～180nm的p型gan层；n型层31包括厚度为1.4μm～1.5μm的n型gan层；量子阱周期结构包括厚度为10nm～12nm的gan层及厚度为3nm～4nm的ingan层。

可选的，有源层32中的量子阱周期结构的数量为5～10。量子阱周期结构数量过多或过少，都会使led发光性能下降导致传感器性能下降。优选的，量子阱周期结构数量可以设置成5。

图7为本发明实施例提供的另一种单片集成半导体器件传感器的结构示意图。可选的，led30还包括电子阻挡层35，设置在有源层32与p型层33之间。可选的，电子阻挡层35包括厚度为10nm～12nm的algan层，其中，铝镓氮可以为alxga1-xn，x可以为0.15。通过电子阻挡层的设置，可以防止电子溢出量子阱，提高电子空穴在量子阱的复合几率，从而提高led的发光效率，提高传感器的性能。

图8为本发明实施例提供的另一种单片集成半导体器件传感器的结构示意图。可选的，led30还包括电流扩展层36，设置在p型电极34与p型层33之间。电流扩展层36可以选用镍/金(ni/au)层叠结构，通过电流扩展层的设置，可以改善led的电流分布，提高传感器性能。

图9为本发明实施例提供的单片集成半导体器件传感器的等效电路图。该单片集成半导体器件传感器包括hemt部分和led部分，hemt的栅极作为传感探测部，例如探测h2时，可以使用pt电极，hemt的2deg和led的n型层为紧密连接状态，这意味着hemt中的载流子可以直接流入led中形成电学连接。具体的，将hemt的源极接地，在led的p型电极输入电压vdd，hemt栅极输入电压vgs，其中vgs小于hemt的阈值电压，当有h2存在时，引起hemt的漏源电流增大到大于led输出电流，使led发光。当h2浓度越大时，led的发光强度越大。

本发明实施例还提供一种单片集成半导体器件阵列传感器，包括阵列排布的多个上述任意实施例提供的单片集成半导体器件传感器；其中，所有单片集成半导体器件传感器的hemt的栅极电连接。

示例性的，图10为本发明实施例提供的一种单片集成半导体阵列器件传感器的俯视示意图。参考图10，本发明实施例提供的单片集成半导体阵列器件传感器包括多个阵列排布的单片集成半导体器件传感器100，所有单片集成半导体器件传感器100的hemt20的栅极24电连接。

图11为图10所示的单片集成半导体阵列器件传感器的等效电路图。参考图11，所有hemt的源极接地，所有hemt的栅极电连接并接到栅极电压vgs，led的p型电极分别连接到电源电压vdd，当传感器探测到待测量的物质(例如可以是h2)时，led发光，表示有h2存在。

本发明实施例提供的单片集成半导体阵列器件传感器，包括多个阵列排布的单片集成半导体器件传感器，该单片集成半导体器件传感器通过hemt的栅极与待测物质之间的物理或化学等作用，引起hemt的沟道层形成的2deg浓度的变化，从而改变hemt的源漏之间的电流；通过设置led的n型层的侧壁与hemt沟道层的侧壁直接接触，hemt的电流信号传输到led，使led发出光信号，实现将传感器中hemt的电信号转化为led的光信号输出，使输出结果更加直观；通过多个单片集成半导体器件传感器形成阵列，并将所有单片集成半导体器件传感器的hemt的栅极电连接，增大了传感面积，提高了传感灵敏度。

图12为本发明实施例提供的另一种单片集成半导体阵列器件传感器的俯视示意图。可选的，所有单片集成半导体器件传感器100的led30的p型电极34电连接。

图13为图12所示的单片集成半导体阵列器件传感器的等效电路图。可以理解的是，将所有led的p型电极电连接，并接入电源电压，可以使整个阵列器件传感器只需一根外部电源输入线就可以实现led的同时亮起或熄灭。

图14为本发明实施例提供的一种单片集成半导体阵列器件传感器的制备方法的流程示意图，图15为本发明实施例提供的一种单片集成半导体器件传感器的制备方法的流程示意图，该制备方法包括：

步骤110、提供衬底。

其中，衬底为绝缘衬底，可以选用硅材料、gan材料、蓝宝石材料或碳化硅材料。

步骤120、在衬底上形成阵列排布的多个单片集成半导体器件传感器；集成半导体器件传感器包括高电子迁移率晶体管hemt以及发光二极管led，hemt的栅极为单片集成半导体器件传感器的探测部，所有hemt的栅极电连接。

其中，在衬底上形成阵列排布的多个单片集成半导体器件传感器包括：

步骤121、在衬底的第一区域和第二区域上形成hemt的沟道层、空间层、势垒层。

步骤122、保留第一区域内的沟道层、空间层以及势垒层，去除第二区域内的沟道层、空间层以及势垒层。

步骤123、在衬底的第二区域形成led的n型层、有源层、p型层。

其中，hemt和led的各层都可以选用第ⅲ族氮化物材料。

步骤124、形成hemt的源极、栅极以及led的p型电极。

其中，hemt的源极和led的p型电极可以选用常用金属或金属合金材料，hemt的栅极根据不同传感器传感信号的不同决定栅极敏感区域的物质，例如h2传感器需要对h2有裂解作用的栅极，生物分子传感器需要特定的生物分子膜来形成栅极等。

本发明实施例提供的单片集成半导体阵列器件传感器的制备方法，形成了集成hemt-led器件形成的阵列器件传感器，每个器件通过hemt的栅极与待测物质之间的物理或化学等作用，引起hemt的沟道层形成的2deg浓度的变化，从而改变hemt的源漏之间的电流；通过设置led的n型层的侧壁与hemt沟道层的侧壁直接接触，hemt的电流信号传输到led，使led发出光信号，实现将传感器中hemt的电信号转化为led的光信号输出，使输出结果更加直观；通过多个单片集成半导体器件传感器形成阵列，并将所有单片集成半导体器件传感器的hemt的栅极电连接，增大了传感面积，提高了传感灵敏度。

可选的，在步骤121之前，还包括：

在衬底的第一区域和第二区域上形成缓冲层。

示例性的，衬底可以选用蓝宝石材料，n型层和沟道层可以采用gan材料，由于gan材料在蓝宝石衬底生长时可能会存在晶格失配的问题，可以在衬底上先生长一层缓冲层，在形成缓冲层之前还可以形成一层成核层，以有效减少由于晶格失配导致的hemt和/或led器件的缺陷，提高传感器性能。

可以理解的是，由于半导体阵列器件传感器包括多个半导体器件，制作缓冲层或其他层状结构时，可以利用掩模的方法，只在形成器件的第一区域和第二区域形成缓冲层，也可以整体形成缓冲层，再利用刻蚀的方法保留第一区域和第二区域的缓冲层，本发明实施例对此不作限定。

可选的，在执行步骤122时，还包括：

去除第二区域内部分厚度的缓冲层，以使led与衬底之间的缓冲层厚度小于hemt与衬底之间的缓冲层厚度。

示例性的，led与衬底之间的缓冲层厚度与hemt与衬底之间的缓冲层厚度的差值范围为100～200nm。通过设置led区域和hemt区域缓冲层厚度不同，可以使n型层与沟道层、势垒层相接触的区域位错较少，可以进一步提高传感器性能。

可选的，步骤121包括：

利用金属有机化合物化学气相沉积方法，利用三甲基镓、三甲基铝和氨气分别作为镓源、铝源和氮源，依次形成沟道层、空间层以及势垒层。

可以理解的是，金属有机物化学气相沉积(mocvd)是一种利用有机金属热分解反应进行气相外延生长薄膜的化学气相沉积技术。示例性的，图16为本发明实施例提供的形成hemt叠层结构后的器件剖面结构示意图。选取2英寸的蓝宝石片作为衬底，置于mocvd设备中，利用三甲基镓(tmga)、三甲基铝(tmal)和氨气(nh3)分别作为镓(ga)源、铝(al)源和氮(n)源，载气为h2，hemt结构从下至上依次为150nmaln成核层，3μmgan缓冲层，90nm～100nm非故意掺杂gan沟道层，1nmaln空间层以及20nmal0.3ga0.7n势垒层。

可选的，步骤122包括：

在势垒层上沉积二氧化硅层；在二氧化硅层上涂覆光刻胶，并经过曝光及显影后，暴露出第二区域的二氧化硅层；利用湿法腐蚀去除第二区域的二氧化硅，暴露第二区域的势垒层；刻蚀第二区域的沟道层、空间层以及势垒层以及部分缓冲层。

图17为本发明实施例提供的去除第二区域的hemt叠层结构后的器件剖面结构示意图。具体的，将步骤121形成的器件置于等离子体增强化学的气相沉积(pecvd)设备中，通入硅烷和氧气，利用pecvd方法在势垒层表面沉积一层约200nm的sio2；利用匀胶机在sio2层表面旋涂一层光刻胶正胶，烘干后对第二区域进行紫外曝光，随后经显影去除第二区域的光刻胶，暴露出第二区域的sio2；将显影后的器件放入缓冲氧化物刻蚀(boe)溶液中，利用湿法腐蚀将暴露出来的sio2腐蚀掉，暴露出第二区域的势垒层；腐蚀完成后，将器件置于感应耦合等离子体(icp)刻蚀设备中，通入cl2和bcl4，通过反应将暴露出的hemt叠层刻蚀至gan缓冲层。icp刻蚀作用为暴露缓冲层和hemt侧壁，因此无需精确控制刻蚀时间，减小了刻蚀损伤带来的影响。示例性的，可以使单片hemt形成像素为100*100的hemt阵列。

可选的，步骤123包括：

利用金属有机化合物化学气相沉积方法，利用三甲基镓、三甲基铟、三甲基铝和氨气分别作为镓源、铟源、铝源和氮源，依次形成n型层、有源层以及p型层。

图18为本发明实施例提供的形成led叠层结构后的器件剖面结构示意图。具体的，刻蚀完成后，依次用丙酮、酒精、去离子水将器件超声洗净；将洗净的器件再次放入mocvd设备中，通入tmga、tmal、tmin和nh3作为ga源、al源、in源和n源，依次生长1.4μm～1.5μm的n型gan层；ingan/gan量子阱有源层，周期数为5，其中gan层厚度为10nm～12nm，ingan阱层厚度为3nm～4nm；10nm～12nm的al0.15ga0.85n电子阻挡层以及160nm～180nm的p型gan层。

可选的，步骤124包括：

用光刻胶将led的p型层以及hemt的势垒层覆盖，并暴露出势垒层的源极区域；在势垒层的源极区域上形成hemt的源极，去除光刻胶后进行快速热退火处理；用光刻胶将led的p型层、hemt的势垒层以及源极覆盖，并暴露出p型层的p型电极区域；在led的p型层上形成led的p型电极，去除光刻胶；用光刻胶将led的p型层、p型电极、hemt的势垒层以及源极覆盖，并暴露出势垒层的栅极区域；在hemt的势垒层的栅极区域上形成hemt的栅极。

其中，栅极根据不同传感器传感信号的不同决定栅极敏感区域的物质，例如h2传感器需要对h2有裂解作用的栅极，生物分子传感器需要特定的生物分子膜来形成栅极。

图19为本发明实施例提供的形成电极后的器件剖面结构示意图。具体的，形成led叠层结构后，利用光刻工艺用光刻胶将器件顶部覆盖，仅暴露hemt的势垒层的部分区域，利用电子束蒸发和剥离技术，在暴露出的hemt的势垒层上方沉积ti/al/ni/au，之后在850摄氏度n2氛围下快速热退火30s得到hemt的源极；重复光刻工艺，用光刻胶将hemt覆盖住，随后利用电子束蒸发沉积在led顶端沉积一层ni/au层叠的电流扩展层和ti/al/ni/aup型电极；重复光刻工艺，最后形成hemt的栅极。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。