一種氮化鎵基諧振腔氣體傳感器的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及氣體傳感器，尤其是涉及一種氮化鎵基諧振腔氣體傳感器的制備方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 氮化鎵基材料屬于直接帶隙半導(dǎo)體材料且具有連續(xù)可調(diào)的帶隙，室溫下發(fā)光波長 涵蓋了近紅外、可見光及深紫外波段，是第三代半導(dǎo)體材料。由于其穩(wěn)定的機械和化學(xué)性 能，基于氮化鎵基材料制作的光電器件在照明、全色顯示、光學(xué)存儲、信號檢測、激光打印以 及通訊等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
[0003] 氣體傳感器是近年來的研宄熱點，其用途之一是用于檢測環(huán)境中有害揮發(fā)性有 機物氣體（比如甲醛和丙酮等）含量，這對在特定環(huán)境中工作的人的健康是非常重要的。 目前報道的用于檢測這些揮發(fā)性有機物氣體含量的信號傳導(dǎo)機制主要包括聚合物涂層懸 臂（polymer coated cantilevers)、薄膜電阻（thin-film resistors)和光纖（optical fibers)等（H. Jensenius, J. Thaysen,et al. , A microcantilever-based alcohol vapor sensor-application and response model, AppI. Phys. Lett. , 76:2615 (2000) ；J. Li, Y. Lu, et al. , Carbon nanotube sensors for gas and organic vapor detection, Nano Lett. , 3:929 (2003) ；D. K. C. ffu, B. T. Kuhlmey, et al. , Ultrasensitive photonic crystal fiber refractive index sensor, Opt. Lett.，34:322 (2009))，這些檢測方法都具有很高的 響應(yīng)靈敏度。其中沉積聚合物的方法具有獨特的優(yōu)勢，其優(yōu)勢在于聚合物與揮發(fā)性有機物 氣體之間的響應(yīng)存在一一對應(yīng)的關(guān)系，可以通過沉積不同的聚合物涂層，實現(xiàn)同時檢測多 種有機物氣體含量的目的，提高了檢測效率并降低了成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種氮化鎵基諧振腔氣體傳感器的制備方法。
[0005] 本發(fā)明包括以下步驟：
[0006] 1)在藍寶石襯底GaN基外延片上制作圖形化分布布拉格反射鏡，然后在表面蒸發(fā) 或濺射第一含金屬層；
[0007] 2)在襯底表面蒸發(fā)或濺射第二含金屬層；
[0008] 3)將第一含金屬層和第二含金屬層貼合，在真空或氮氣氛圍下鍵合，再通過激光 剝離技術(shù)去除藍寶石襯底；
[0009] 4)對去除藍寶石襯底后的GaN基外延片進行器件分離，形成二維陣列結(jié)構(gòu)，接著 蒸發(fā)或濺射金屬電極、分布布拉格反射鏡，最后沉積聚合物涂層，完成器件制作。
[0010] 在步驟1)中，所述制作圖形化分布布拉格反射鏡可采用光刻、剝離、腐蝕或刻蝕 等方法；所述分布布拉格反射鏡由兩種不同折射率的介質(zhì)膜交錯迭加而成，每層介質(zhì)膜的 厚度可為1/4中心波長，介質(zhì)膜組合可采用110 2/5102或1& 205/5102等；
[0011] 所述第一含金屬層的組成可為Au、In、Sn、Cu、Pb等常用鍵合金屬中的至少一種或 至少兩種的合金。
[0012] 在步驟2)中，所述襯底可采用硅片等；所述第二含金屬層的組成可為Au、In、Sn、 Cu、Pb等常用鍵合金屬中的至少一種或至少兩種的合金。
[0013] 在步驟4)中，所述器件分離可采用腐蝕或感應(yīng)耦合等離子體刻蝕方法；所述金屬 電極可采用Ni/Au、Cr/Au或Ti/Au等；所述金屬電極、分布布拉格反射鏡、聚合物涂層可采 用光刻、剝離、腐蝕或刻蝕等方法；所述聚合物涂層的選取取決于被探測氣體，該聚合物涂 層在吸收被探測氣體后必須能夠引起厚度與折射率的變化，比如探測丙酮可以選用聚苯乙 烯等。
[0014] 本發(fā)明提供一種新型氮化鎵基諧振腔氣體傳感器的制備方案，利用聚合物吸收有 機物氣體后厚度與折射率的變化來改變諧振腔上反射鏡的反射率，從而引起諧振發(fā)光波長 的移動，根據(jù)發(fā)光波長的改變量來確定被探測氣體的含量。本發(fā)明的優(yōu)點在于氮化鎵基材 料具有穩(wěn)定的機械和化學(xué)性質(zhì)，可以在各種惡劣環(huán)境中正常工作。同時這種傳感器探測靈 敏度高，易于制作成二維陣列結(jié)構(gòu)，達到同時檢測多種氣體的目的，降低成本，提高效率。
[0015] 本發(fā)明基于氮化鎵基諧振腔結(jié)構(gòu)，利用器件諧振發(fā)光波長的移動來確定被檢測氣 體含量，原理簡單，制作容易且探測靈敏度高，是一種應(yīng)用前景廣闊的新型氣體傳感器。
[0016] 本發(fā)明可以容易實現(xiàn)傳感器的二維陣列排布，實現(xiàn)同時檢測多種揮發(fā)性有機物氣 體。檢測原理簡單表述如下：當聚合物涂層吸收特定的有機物氣體后，其厚度和折射率會發(fā) 生改變。由于這些聚合物直接沉積在諧振腔的上反射鏡上，二者可以看成是一個統(tǒng)一的整 體，聚合物厚度與折射率的變化將引起諧振腔上反射鏡的反射率的改變，從而導(dǎo)致諧振腔 的諧振發(fā)光波長發(fā)生移動。折射率改變越大，波長移動越明顯。根據(jù)這一原理，找出諧振發(fā) 光波長改變量與吸收的有機物氣體濃度之間的定量關(guān)系，就可以通過傳感器的諧振發(fā)光波 長改變量△ λ來確定環(huán)境中某種有機物氣體的濃度。
【附圖說明】
[0017] 圖1為所使用的氮化鎵基外延片結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018] 圖2為在ρ型氮化鎵上制作圖形化分布布拉格反射鏡示意圖；
[0019] 圖3為金屬鍵合示意圖；
[0020]圖4為激光剝離去除藍寶石襯底及感應(yīng)耦合等離子體刻蝕分離器件后的示意圖；
[0021] 圖5為氮化鎵基諧振腔發(fā)光器件二維陣列示意圖；
[0022] 圖6為沉積聚合物涂層后氣體傳感器二維陣列示意圖。
【具體實施方式】
[0023] 下面將結(jié)合附圖詳細說明本發(fā)明的工藝流程。
[0024] 1)如圖1所示，在藍寶石襯底11上采用MOCVD方法，依次生長GaN低溫緩沖層 (30nm)、未摻雜的GaN層（2. 5