气体传感器的制备方法及气体传感器技术

本发明专利技术提供了一种气体传感器的制备方法和气体传感器，所述方法包括：提供一表面具有GaN缓冲层的Si衬底；在所述GaN缓冲层上形成外延叠层，所述外延叠层从下向上依次为GaN沟道层、AlN插入层、AlGaN势垒层、以及GaN帽层；刻蚀所述外延叠层，形成台阶状异质结构，同时实现器件隔离；形成欧姆接触电极和肖特基接触电极，所述欧姆接触电极位于所述GaN帽层上，所述肖特基接触电极位于刻蚀区域底部的GaN缓冲层上；退火；形成敏感材料层，所述敏感材料层连接所述异质结构和所述肖特基接触电极。本发明专利技术降低了气体传感器的开启电压和功率损耗。同时缩短了敏感材料层与二维电子气之间的距离，载流子的传输不再隧穿通过AlGaN势垒层，保持高的迁移率，器件具有更高的灵敏度。器件具有更高的灵敏度。器件具有更高的灵敏度。

【技术实现步骤摘要】
气体传感器的制备方法及气体传感器


[0001]本专利技术涉及半导体领域，尤其涉及一种气体传感器的制备方法及气体传感器。

技术介绍

[0002]近年来，基于AlGaN/GaN异质结器件的气体传感器逐渐受到广泛关注。由于GaN材料具有高的禁带宽度，以及AlGaN/GaN异质结界面存在高迁移率且易受表面状态控制的二维电子气(2DEG)，基于AlGaN/GaN异质结器件的气体传感器具有良好高温稳定性和气体敏感性。因此，此类器件适用于在高温环境下对燃烧或放热反应系统中排放的有毒有害气体进行实时监测。
[0003]目前，基于AlGaN/GaN异质结的气体传感器的主要结构包括肖特基二极管和场效应晶体管两种。前者将敏感材料置于肖特基接触端，当目标气体与敏感材料接触时发生可逆的氧化还原反应，改变了敏感材料内部的载流子密度和能带结构，使得肖特基接触势垒发生变化，从而改变肖特基二极管的开启电压和导通电流。后者将敏感材料放置于栅电极处，当敏感材料的功函数发生变化，对异质结界面的2DEG的场效应发生变化，改变了沟道处的载流子浓度，于是晶体管的阈值电压和导通电流发生相应变化。为了简化器件结构，在实际制备AlGaN/GaN异质结晶体管时往往选择省去栅极结构，敏感材料在源漏电极之间直接控制输出电流大小。由于采用场效应晶体管结构在静态时具有较大的功率损耗，所以目前主要的研究集中在具有一定开启电压的基于AlGaN/GaN异质结肖特基二极管的气体传感器。
[0004]其中，决定AlGaN/GaN异质结肖特基二极管气体传感器性能的关键因素在于敏感材料的制备和器件整体结构的设计。目前，最常见的两类敏感材料是Pt、Pd等贵金属薄膜和ZnO、SnO2等金属氧化物纳米结构。最近几年，在敏感材料制备方面有很多新的研究报道，比如采用纳米颗粒修饰、纳米片或纳米花等高比表面积纳米结构以及利用不同氧化物异质结增强传感性能。然而，无论敏感材料如何变化，敏感材料在肖特基接触一侧与始终与AlGaN/GaN异质结表面的AlGaN势垒层或GaN帽层接触，这在一定程度上限制了器件传感性能。首先，由于AlGaN势垒层的存在，器件具有较高的开启电压，器件往往需要工作在0.5V及以上电压下，增加器件的功率消耗。其次，电子通过隧穿效应通过AlGaN势垒层，这使得载流子迁移率下降，限制了传感器件的灵敏度。综合以上两点，基于AlGaN/GaN异质结肖特基二极管的气体传感器有必要改进传统器件结构，进一步提升器件性能。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题是气体传感器的工作电压高、功率消耗大以及灵敏度不理想的问题，提供一种气体传感器的制备方法及气体传感器。
[0006]为了解决上述问题，本专利技术提供了一种气体传感器的制备方法，包括：提供一表面具有GaN缓冲层的Si衬底；在所述GaN缓冲层上形成外延叠层，所述外延叠层从下向上依次为GaN沟道层、AlN插入层、AlGaN势垒层、以及GaN帽层；刻蚀所述外延叠层，形成台阶状异质
结构，同时实现器件隔离；形成欧姆接触电极和肖特基接触电极，所述欧姆接触电极位于所述GaN帽层上，所述肖特基接触电极位于刻蚀区域底部的GaN缓冲层上；退火；形成敏感材料层，所述敏感材料层连接所述异质结构和所述肖特基接触电极。
[0007]为了解决上述问题，本专利技术还提供了一种气体传感器，包括：一表面具有GaN缓冲层的Si衬底；一异质结构，所述异质结构位于GaN缓冲层上，从下向上依次为GaN沟道层、AlN插入层、AlGaN势垒层、以及GaN帽层；一欧姆接触电极，所述欧姆接触电极位于所述异质结构的GaN帽层上；一肖特基接触电极，所述肖特基接触电极位于所述GaN缓冲层上；一敏感材料层，所述敏感材料层连接所述异质结构和所述肖特基接触电极。
[0008]本专利技术公开的气体传感器中，载流子的传输不再受限于敏感材料层与AlGaN势垒层的肖特基势垒，而转变为敏感材料与AlGaN/GaN异质结构的表面势垒，降低了器件的开启电压和功率损耗。同时，该结构缩短了敏感材料层与二维电子气之间的距离，载流子的传输不再隧穿通过AlGaN势垒层，保持高的迁移率，器件具有更高的灵敏度。
附图说明
[0009]附图1所示是本专利技术一具体实施方式所述步骤示意图。
[0010]附图2A
‑
2G所示是附图1中步骤S10
‑
S15工艺示意图。
具体实施方式
[0011]下面结合附图对本专利技术提供的一种气体传感器的制备方法及气体传感器的具体实施方式做详细说明。
[0012]附图1所示是本专利技术一具体实施方式所述步骤示意图，包括：步骤S10，提供一表面具有GaN缓冲层的Si衬底；步骤S11，在所述GaN缓冲层上形成外延叠层，所述外延叠层从下向上依次为GaN沟道层、AlN插入层、AlGaN势垒层、以及GaN帽层；步骤S12，刻蚀所述外延叠层，形成台阶状异质结构，同时实现器件隔离；步骤S13，形成欧姆接触电极和肖特基接触电极，所述欧姆接触电极位于所述GaN帽层上，所述肖特基接触电极位于刻蚀区域底部的GaN缓冲层上；步骤S14，退火；步骤S15，形成敏感材料层，所述敏感材料层连接所述异质结构和所述肖特基接触电极。
[0013]附图2A所示，参考步骤S10，提供一表面具有GaN缓冲层202的Si衬底201。在本专利技术的一个具体实施方式中，所述Si衬底201的厚度为400μm，所述GaN缓冲层202的厚度为3μm。所述Si衬底201的材料也可以替换为蓝宝石、碳化硅、以及氮化镓等半导体领域中常见的衬底材料。
[0014]附图2B所示，参考步骤S11，在所述GaN缓冲层202上形成外延叠层21，所述外延叠层21从下向上依次为GaN沟道层203、AlN插入层204、AlGaN势垒层205、以及GaN帽层206。在本专利技术的一个具体实施方式中，所述GaN沟道层203的厚度为500nm，所述AlN插入层204的厚度为1nm，所述AlGaN势垒层205的厚度为20nm，所述GaN帽层206的厚度为3nm。
[0015]附图2C所示，参考步骤S12，刻蚀所述外延叠层21，形成台阶状异质结构22，同时实现器件隔离。在本专利技术的一个具体实施方式中，所述异质结构22即为AlGaN/GaN异质结构，通过光刻、刻蚀等工艺，在BCl3、Ar混合气体中进行刻蚀形成，高度为0.2
‑
1μm。
[0016]附图2D所示，参考骤S13，形成欧姆接触电极207和肖特基接触电极208，所述欧姆
接触电极207位于所述GaN帽层206上，所述肖特基接触电极208位于刻蚀区域底部的GaN缓冲层202上。在本专利技术的一个具体实施方式中，通过光刻、电子束蒸发等工艺形成所述欧姆接触电极207和肖特基接触电极208的层叠结构：由一厚度为20nm的金属Ti层、一厚度为120nm的金属Al层、一厚度为30nm的金属Ni层、以及一厚度为50nm的金属Au层构成。
[0017]退火，在本专利技术的一个具体实施方式中，采用快速退火工艺，所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种气体传感器的制备方法，其特征在于，包括：提供一表面具有GaN缓冲层的Si衬底；在所述GaN缓冲层上形成外延叠层，所述外延叠层从下向上依次为GaN沟道层、AlN插入层、AlGaN势垒层、以及GaN帽层；刻蚀所述外延叠层，形成台阶状异质结构，同时实现器件隔离；形成欧姆接触电极和肖特基接触电极，所述欧姆接触电极位于所述GaN帽层上，所述肖特基接触电极位于刻蚀区域底部的GaN缓冲层上；退火；形成敏感材料层，所述敏感材料层连接所述异质结构和所述肖特基接触电极。2.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，所述台阶状异质结构采用BCl3、Ar混合气体进行刻蚀形成，高度为0.2
‑
1μm。3.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，所述欧姆接触电极和肖特基接触电极的为层叠结构，由一厚度为20nm的金属Ti层、一厚度为120nm的金属Al层、一厚度为30nm的金属Ni层、以及一厚度为50nm的金属A...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢红亮，陈丁波，
申请(专利权)人：光华临港工程应用技术研发上海有限公司，
类型：发明
国别省市：