一种GaN基MOS-HEMT生物传感器及其制备方法

本发明涉及半导体传感器，更具体的说是涉及一种gan基mos-hemt生物传感器及其制备方法。

背景技术：

1、近年来，随着sars病毒、mers病毒和新冠病毒等传染性疾病的区域性甚至全球性爆发，引起了人们对于流行病毒的高度关注，促使研究者们开发可以更加快速准确检测病毒的方法。生物传感器作为一种关键技术，为病毒的快速检测提供了一个很好的方法。目前，常用的生物分子检测方法有荧光检测法、原子吸收光谱法、色谱法、电化学方法等。其中，荧光检测法对于无荧光响应的物质无法检测；电化学检测方法虽具有较高的灵敏度，但其设备不易小型化、集成化。上述检测方法通常由于对资金投入、操作人员技术水平要求较高等问题，导致其无法实现实时、实地、快速准确检测的需求。为满足便携式生化分析仪发展的需求，需要研发一种新的低成本、易操作、高灵敏度、易集成的可实时快速准确检测多种生物物质的检测方法。

2、氮化镓因具有优异的热稳定性、化学稳定性以及生物兼容性，成为生物传感器领域的优选材料。由于自发极化和压电极化的不连续，gan基异质结中产生高浓度的二维电子气(2deg)，其浓度强烈依赖于异质结的表面状态。外界环境的微弱变化即可引起2deg浓度的变化，进而引起相应高电子迁移率晶体管(hemt)输出电流的显著变化。因此，利用gan基异质结制备的生物传感器具有灵敏度高、响应时间快、可靠性高等优点。然而，迄今为止大部分基于gan基异质结制备的hemt生物传感器主要是针对带电生物分子的检测，无法适用于中性生物分子的检测。

技术实现思路

1、针对以上问题，本发明的目的在于提供一种gan基mos-hemt生物传感器及其制备方法，不仅可以实现对带电性生物分子的快速、准确检测，还可以实现对电中性生物分子的高灵敏检测。

2、本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：

3、第一方面，本发明公开了一种gan基mos-hemt生物传感器，包括：自下而上依次设置的衬底、gan缓冲层、gan沟道层和势垒层；势垒层的上表面自左至右依次设置有源极、栅氧化层和漏极；栅氧化层上方设置有栅极，栅极的长度大于栅氧化层的长度；栅氧化层两侧设置有空腔区域，作为传感区域。。

4、进一步，栅氧化层采用sio2、al2o3、hfo2中的任一种材料，栅氧化层的厚度为10-30nm。

5、进一步，衬底采用si、蓝宝石、sic中的任一种材料。

6、进一步，势垒层采用algan、alinn、alingan中的任一种材料。

7、进一步，源极和漏极采用ti/al/ni/au多层金属材料，栅极采用ni/au金属材料。

8、进一步，空腔区域的长度为0.1-2μm。

9、进一步，势垒层的厚度为15-25nm，gan沟道层的厚度为20-100nm，gan缓冲层的厚度为1-2μm。

10、第二方面，本发明还公开了一种gan基mos-hemt生物传感器的制备方法，包括如下步骤：

11、s1：利用金属有机物化学气相沉积法在衬底上依次外延生长gan缓冲层、gan沟道层和势垒层；

12、s2：在势垒层的上表面的两端通过电子束蒸发沉积ti/al/ni/au多层金属，并在氮气气氛、800-850℃温度中进行热退火处理，形成源漏欧姆电极；

13、s3：在势垒层的上表面采用化学气相沉积法或磁控溅射法沉积栅氧化层；

14、s4：在栅氧化层上方通过电子束蒸发沉积ni/au金属，制备栅极；

15、s5：利用刻蚀法去除栅氧化层两侧的部分区域，使栅氧化层两侧形成两个空腔区域，作为传感区域；

16、s6：采用生物或化学改性方法对空腔区域进行表面功能化处理。

17、对比现有技术，本发明有益效果在于：本发明公开了一种gan基mos-hemt生物传感器及其制备方法，通过将gan基mos-hemt器件栅极下方靠近源端和漏端两侧的部分氧化物去除，使其成为空腔区域，并将其作为器件的传感区域。利用吸附在空腔区域内的目标生物分子所具有的介电常数对器件的栅极电容进行调控，并使得器件内沟道二维电子气浓度以及输出电流发生相应改变，从而实现对生物分子的传感检测。相比于传统gan基hemt传感器，该种结构的传感器不仅可以实现对带电性生物分子的快速、准确检测，还可以实现对电中性生物分子的高灵敏检测。

18、由此可见，本发明与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著的进步，其实施的有益效果也是显而易见的。

技术特征：

1.一种gan基mos-hemt生物传感器，其特征在于，包括：自下而上依次设置的衬底、gan缓冲层、gan沟道层和势垒层；

2.根据权利要求1所述的gan基mos-hemt生物传感器，其特征在于，所述栅氧化层采用sio2、al2o3、hfo2中的任一种材料，栅氧化层的厚度为10-30nm。

3.根据权利要求1所述的gan基mos-hemt生物传感器，其特征在于，所述衬底采用si、蓝宝石、sic中的任一种材料。

4.根据权利要求1所述的gan基mos-hemt生物传感器，其特征在于，所述势垒层采用algan、alinn、alingan中的任一种材料。

5.根据权利要求1所述的gan基mos-hemt生物传感器，其特征在于，所述源极和漏极采用ti/al/ni/au多层金属材料，所述栅极采用ni/au金属材料。

6.根据权利要求1所述的gan基mos-hemt生物传感器，其特征在于，所述空腔区域的长度为0.1-2μm。

7.根据权利要求1所述的gan基mos-hemt生物传感器，其特征在于，所述势垒层的厚度为15-25nm，gan沟道层的厚度为20-100nm，gan缓冲层的厚度为1-2μm。

8.一种gan基mos-hemt生物传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

技术总结
本发明提出的一种GaN基MOS‑HEMT生物传感器及其制备方法，包括：自下而上依次设置的衬底、GaN缓冲层、GaN沟道层和势垒层；势垒层的上表面自左至右依次设置有源极、栅氧化层和漏极；栅氧化层上方设置有栅极，栅极的长度大于栅氧化层的长度；栅氧化层两侧设置有空腔区域，作为传感区域。本发明实现了利用吸附在空腔区域内的目标生物分子所具有的介电常数对器件的栅极电容进行调控，并使得器件内沟道二维电子气浓度以及输出电流发生相应改变，从而实现对生物分子的传感检测。

技术研发人员：刘燕丽,刘悦,魏广芬,林忠海,沈辉,胡小林
受保护的技术使用者：山东工商学院
技术研发日：
技术公布日：2024/3/17