一种氮化镓基谐振腔气体传感器的制备方法技术

一种氮化镓基谐振腔气体传感器的制备方法，涉及气体传感器。在蓝宝石衬底GaN基外延片上制作图形化分布布拉格反射镜，然后在表面蒸发或溅射第一含金属层；在衬底表面蒸发或溅射第二含金属层；将第一含金属层和第二含金属层贴合，在真空或氮气氛围下键合，再通过激光剥离技术去除蓝宝石衬底；对去除蓝宝石衬底后的GaN基外延片进行器件分离，形成二维阵列结构，接着蒸发或溅射金属电极、分布布拉格反射镜，最后沉积聚合物涂层，完成器件制作。探测灵敏度高，易于制作成二维阵列结构，达到同时检测多种气体的目的，成本低，效率高。基于氮化镓基谐振腔结构，利用器件谐振发光波长的移动确定被检测气体含量，原理简单，制作容易且探测灵敏度高。

【技术实现步骤摘要】
一种氮化镓基谐振腔气体传感器的制备方法
本专利技术涉及气体传感器，尤其是涉及一种氮化镓基谐振腔气体传感器的制备方法。
技术介绍
氮化镓基材料属于直接带隙半导体材料且具有连续可调的带隙，室温下发光波长涵盖了近红外、可见光及深紫外波段，是第三代半导体材料。由于其稳定的机械和化学性能，基于氮化镓基材料制作的光电器件在照明、全色显示、光学存储、信号检测、激光打印以及通讯等领域具有广泛的应用前景。气体传感器是近年来的研究热点，其用途之一是用于检测环境中有害挥发性有机物气体(比如甲醛和丙酮等)含量，这对在特定环境中工作的人的健康是非常重要的。目前报道的用于检测这些挥发性有机物气体含量的信号传导机制主要包括聚合物涂层悬臂(polymercoatedcantilevers)、薄膜电阻(thin-filmresistors)和光纤(opticalfibers)等(H.Jensenius,J.Thaysen,etal.,Amicrocantilever-basedalcoholvaporsensor-applicationandresponsemodel,Appl.Phys.Lett.,76:2615(2000)；J.Li,Y.Lu,etal.,Carbonnanotubesensorsforgasandorganicvapordetection,NanoLett.,3:929(2003)；D.K.C.Wu,B.T.Kuhlmey,etal.,Ultrasensitivephotoniccrystalrefractiveindexsensor,Opt.Lett.,34:322(2009))，这些检测方法都具有很高的响应灵敏度。其中沉积聚合物的方法具有独特的优势，其优势在于聚合物与挥发性有机物气体之间的响应存在一一对应的关系，可以通过沉积不同的聚合物涂层，实现同时检测多种有机物气体含量的目的，提高了检测效率并降低了成本。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种氮化镓基谐振腔气体传感器的制备方法。本专利技术包括以下步骤：1)在蓝宝石衬底GaN基外延片上制作图形化分布布拉格反射镜，然后在表面蒸发或溅射第一含金属层；2)在衬底表面蒸发或溅射第二含金属层；3)将第一含金属层和第二含金属层贴合，在真空或氮气氛围下键合，再通过激光剥离技术去除蓝宝石衬底；4)对去除蓝宝石衬底后的GaN基外延片进行器件分离，形成二维阵列结构，接着蒸发或溅射金属电极、分布布拉格反射镜，最后沉积聚合物涂层，完成器件制作。在步骤1)中，所述制作图形化分布布拉格反射镜可采用光刻、剥离、腐蚀或刻蚀等方法；所述分布布拉格反射镜由两种不同折射率的介质膜交错迭加而成，每层介质膜的厚度可为1/4中心波长，介质膜组合可采用TiO2/SiO2或Ta2O5/SiO2等；所述第一含金属层的组成可为Au、In、Sn、Cu、Pb等常用键合金属中的至少一种或至少两种的合金。在步骤2)中，所述衬底可采用硅片等；所述第二含金属层的组成可为Au、In、Sn、Cu、Pb等常用键合金属中的至少一种或至少两种的合金。在步骤4)中，所述器件分离可采用腐蚀或感应耦合等离子体刻蚀方法；所述金属电极可采用Ni/Au、Cr/Au或Ti/Au等；所述金属电极、分布布拉格反射镜、聚合物涂层可采用光刻、剥离、腐蚀或刻蚀等方法；所述聚合物涂层的选取取决于被探测气体，该聚合物涂层在吸收被探测气体后必须能够引起厚度与折射率的变化，比如探测丙酮可以选用聚苯乙烯等。本专利技术提供一种新型氮化镓基谐振腔气体传感器的制备方案，利用聚合物吸收有机物气体后厚度与折射率的变化来改变谐振腔上反射镜的反射率，从而引起谐振发光波长的移动，根据发光波长的改变量来确定被探测气体的含量。本专利技术的优点在于氮化镓基材料具有稳定的机械和化学性质，可以在各种恶劣环境中正常工作。同时这种传感器探测灵敏度高，易于制作成二维阵列结构，达到同时检测多种气体的目的，降低成本，提高效率。本专利技术基于氮化镓基谐振腔结构，利用器件谐振发光波长的移动来确定被检测气体含量，原理简单，制作容易且探测灵敏度高，是一种应用前景广阔的新型气体传感器。本专利技术可以容易实现传感器的二维阵列排布，实现同时检测多种挥发性有机物气体。检测原理简单表述如下：当聚合物涂层吸收特定的有机物气体后，其厚度和折射率会发生改变。由于这些聚合物直接沉积在谐振腔的上反射镜上，二者可以看成是一个统一的整体，聚合物厚度与折射率的变化将引起谐振腔上反射镜的反射率的改变，从而导致谐振腔的谐振发光波长发生移动。折射率改变越大，波长移动越明显。根据这一原理，找出谐振发光波长改变量与吸收的有机物气体浓度之间的定量关系，就可以通过传感器的谐振发光波长改变量Δλ来确定环境中某种有机物气体的浓度。附图说明图1为所使用的氮化镓基外延片结构示意图；图2为在p型氮化镓上制作图形化分布布拉格反射镜示意图；图3为金属键合示意图；图4为激光剥离去除蓝宝石衬底及感应耦合等离子体刻蚀分离器件后的示意图；图5为氮化镓基谐振腔发光器件二维阵列示意图；图6为沉积聚合物涂层后气体传感器二维阵列示意图。具体实施方式下面将结合附图详细说明本专利技术的工艺流程。1)如图1所示，在蓝宝石衬底11上采用MOCVD方法，依次生长GaN低温缓冲层(30nm)、未掺杂的GaN层(2.5μm)、掺Si的n型GaN层(2.5μm)、InGaN/GaN多量子阱有源层(2nm/5nm×5)、掺Mg的AlGaN层(200nm)和掺Mg的p型GaN层(800nm)等GaN基外延层12，并在外延片生长完成后进行高温退火，以提高空穴浓度。2)如图2，对所述外延片进行光刻，然后采用电子束蒸发或磁控溅射方法生长分布布拉格反射镜，再利用剥离的方法得到图形化的分布布拉格反射镜21；分布布拉格反射镜由25层Ta2O5/SiO2堆叠而成，每层介质膜厚度为1/4中心波长，反射率在99％以上。3)在分布布拉格反射镜一侧蒸发4μm的第一含金属层(Au)31，在干净的硅片33上蒸发第二含金属层(Au)32；在真空环境、350℃，4MPa压强下将第一、第二含金层键合在一起，如图3所示。4)采用激光剥离技术把蓝宝石衬底去掉，将氮化镓基外延结构转移到硅片衬底上，并用感应耦合等离子体刻蚀方法将氮化镓基外延结构分离，如图4所示。5)采用与步骤2)中相同的方法制作n型金属电极51和图形化分布布拉格反射镜52，形成完整的谐振腔结构，如图5所示。这里分布布拉格反射镜52的反射率略低于分布布拉格反射镜21的反射率。6)最后在谐振腔的上反射镜表面沉积聚合物涂层61，完成气体传感器的制备，如图6所示。氮化镓基谐振腔上反射镜上沉积的聚合物涂层可以是同一种聚合物，也可以是几种不同的聚合物阵列。GaN基外延片可以采用分子束外延、金属有机物化学气相外延、氢化物气相外延或者磁控溅射等方法制备。本专利技术通过在氮化镓基谐振腔发光器件的上反射镜表面沉积一层特殊的聚合物涂层来实现。这种气体传感器主要用于检测环境中有害的挥发性有机物的浓度，如甲醛和丙酮等。由于氮化镓基材料具有稳定的机械和化学性能，因此这种传感器能够适应各种恶劣的环境。该传感器通电工作时，在未吸收被探测气体时有一个固定的谐振发光波长λ，当聚合物涂层吸收被探测有机气体后，聚合物层的厚度和折本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氮化镓基谐振腔气体传感器的制备方法，其特征在于包括以下步骤：1)在蓝宝石衬底GaN基外延片上制作图形化分布布拉格反射镜，然后在表面蒸发或溅射第一含金属层；2)在衬底表面蒸发或溅射第二含金属层；3)将第一含金属层和第二含金属层贴合，在真空或氮气氛围下键合，再通过激光剥离技术去除蓝宝石衬底；4)对去除蓝宝石衬底后的GaN基外延片进行器件分离，形成二维阵列结构，接着蒸发或溅射金属电极、分布布拉格反射镜，最后沉积聚合物涂层，完成器件制作。

【技术特征摘要】
1.一种氮化镓基谐振腔气体传感器的制备方法，其特征在于包括以下步骤：1)在蓝宝石衬底GaN基外延片上制作图形化分布布拉格反射镜，然后在表面蒸发或溅射第一含金属层；2)在蓝宝石衬底表面蒸发或溅射第二含金属层；3)将第一含金属层和第二含金属层贴合，在真空或氮气氛围下键合，再通过激光剥离技术去除蓝宝石衬底；4)对去除蓝宝石衬底后的GaN基外延片进行器件分离，形成二维阵列结构，接着蒸发或溅射金属电极、分布布拉格反射镜，最后沉积聚合物涂层，完成器件制作。2.如权利要求1所述一种氮化镓基谐振腔气体传感器的制备方法，其特征在于在步骤1)中，所述制作图形化分布布拉格反射镜采用光刻、剥离、腐蚀或刻蚀方法。3.如权利要求1所述一种氮化镓基谐振腔气体传感器的制备方法，其特征在于在步骤1)中，所述分布布拉格反射镜由两种不同折射率的介质膜交错迭加而成，每层介质膜的厚度为1/4中心波长，介质膜组合采用TiO2/SiO2或Ta2O5/SiO2。4.如权利要求1所述一种氮化镓基谐振腔气体传感器的制备方法，其特征在于在步骤1)中，所述第一含金属层的组成为Au、In、Sn、Cu、Pb键合金属中的至少一种。5.如权利要求1所述一种氮化镓基谐振腔气体传感器的制备方法，其特征在于在步骤1)中，所述第一含金属层的组成为Au、In...

【专利技术属性】
技术研发人员：张保平，翁国恩，梅洋，张江勇，应磊莹，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：福建;35