具有集成式固態(tài)薄膜Pt參比電極的GaN生物傳感器及制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有集成式固態(tài)薄膜Pt參比電極的GaN生物傳感器及制作方法,本發(fā)明提出的基于GaN生物傳感器的集成式固態(tài)薄膜Pt參比電極與GaN生物傳感器現(xiàn)用外置Pt參比電極相比,電極位置固定,采用微電子工藝制作,參比電極精密度更高,且與GaN器件同時制作使得制作成本低,集成度高,易于進行小型化和便攜式GaN生物傳感器的實現(xiàn)。
【專利說明】
具有集成式固態(tài)薄膜Pt參比電極的GaN生物傳感器及制作 方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于半導(dǎo)體生物傳感器領(lǐng)域,具體涉及一種具有集成式固態(tài)薄膜Pt參比電 極的GaN生物傳感器及制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 作為硅替代品的第三代半導(dǎo)體材料,GaN具有化學(xué)抗腐蝕、高溫高功率、高電子迀 移率等特點,并且能與GaN基發(fā)光二極管,深紫外探測器、無線傳感芯片等兼容,十分適合高 可靠性的傳感器應(yīng)用。
[0003] GaN HEMT器件的常規(guī)結(jié)構(gòu),在由AlGaN/GaN外延材料制成的異質(zhì)結(jié)上,由于壓電極 化和自發(fā)極化效應(yīng),會在勢皇層緩沖層交接處,較靠近緩沖層的位置,形成一層帶負電的二 維電子氣,由于能帶的關(guān)系,二維電子氣具有一定限域性。因此,當(dāng)源漏電極存在電壓差時, 電子就會在該二維平面上根據(jù)電勢方向移動,形成電流。同時,通過柵極施加一定負電壓, 能夠耗盡電子,獲得器件的開關(guān)控制。
[0004] 采用GaN場效應(yīng)晶體管(HEMT)來作為傳感單元的生物檢測技術(shù)近年來逐漸成為一 個熱點問題。該技術(shù)利用HEMT器件裸柵來感應(yīng)生物物質(zhì)產(chǎn)生的電信號,進而產(chǎn)生源漏電流 的變化來進行傳感,具有檢測快速、簡單、體積小易攜帶,成本低廉的特點,非常符合生物和 醫(yī)學(xué)領(lǐng)域快速檢測的需求。目前國際GaN領(lǐng)域的各個研究機構(gòu)都開展了生物醫(yī)學(xué)檢測方面 的合作研究。其開展的生物傳感研究涵蓋了多個方面,包括氣體檢測、PH值檢測,DNA片段檢 測,通過檢測血液、尿液、唾液以及組織細胞中特定的酶、蛋白質(zhì)、抗原等進行的疾病檢測, 具有非常廣闊的研究領(lǐng)域。
[0005] 在AlGaN/GaN HEMT結(jié)構(gòu)中,AlGaN/GaN HEMT器件的界面處會形成二維電子氣的表 面通道,勢阱中的二維電子氣受控于柵極電壓,AlGaN/GaN HEMT的柵極采用生物分子膜代 替,器件工作時,引入的待測目標(biāo)物與固定在生物分子膜上的待測目標(biāo)抗體發(fā)生特異性結(jié) 合,引起生物分子膜表面電荷發(fā)生變化,從而引起勢阱中二維電子氣濃度的改變,而二維電 子氣濃度的改變會導(dǎo)致晶體管的源極(source)和漏極(drain)之間電流的變化,因此可通 過電流的變化來檢測引入待測目標(biāo)物的濃度變化。通過在器件柵極緩沖液中放置一個外置 的參比電極,參比電極電位固定在器件的柵亞閾值區(qū)域,同時通過可導(dǎo)電的緩沖液進行電 壓傳導(dǎo),使柵極電壓調(diào)制在亞閾值區(qū),從而使傳感器獲得最大的檢測靈敏度。
[0006] 在理想電流-電壓關(guān)系中,當(dāng)柵源電壓小于或等于閾值電壓時漏電流為零。而在實 驗中,當(dāng)Vgs< VT時的漏電流稱為亞閾值電流。如公式1所示,在亞閾值狀態(tài)時,漏電流Id與柵 源電壓VGS呈指數(shù)關(guān)系。而在線性區(qū),漏電流Id與柵源電壓V GS呈線性關(guān)系。公式1和2如下。
[0009]其中μ指載流子迀移率指載流子電容,這里Cbarrter指量子電容,L和W分別指代柵長 和柵寬,kB為玻爾茲曼常數(shù),T指絕對溫度,q指電荷。理想情況下,柵壓每改變60mV左右就會 引起亞閾值電流一個數(shù)量級的改變。傳感器靈敏度S定義為
[0011]因此,為獲得最大靈敏度,應(yīng)使器件工作在亞閾值狀態(tài)。
[0012] 2011年,Xuejin Wen,et al.報道了使用外置Pt參比電極使AlGaN/GaN HEMT器件 工作在亞閾值狀態(tài)以使測量鏈霉親和素的靈敏度得以提高。2011年,Mastura Shafinaz Zainal Abidin,et al.報道了用AlGaN/GaN HEMT器件測量PH值的化學(xué)傳感器,采用了Ag/ AgCl外置參比電極,為使參比電極對柵極實現(xiàn)偏置,將Ag/AgCl外置參比電極固定在聚四氟 乙烯燒杯中,并將AlGaN/GaN HEMT器件置于其中。文獻采用的是類似的外置參比電極方法。
[0013] 在GaN生化傳感器應(yīng)用中,一種使器件工作在亞閾值狀態(tài)的方法,是在器件柵極緩 沖液中放置一個外置的參比電極。常用Ag/AgCl外置電極的結(jié)構(gòu)的電極材質(zhì)一般采用Ag/ AgCl或Pt等材料。常用參比電極存在較難固定,且電極位置不穩(wěn)定易挪動,不易實現(xiàn)便攜式 和小型化傳感器的制作與應(yīng)用的缺點。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0014] 本發(fā)明的目的在于克服上述不足,提供一種具有集成式固態(tài)薄膜參比電極的GaN 生物傳感器及制作方法,克服了 GaN生物傳感器現(xiàn)用外置參比電極安裝使用復(fù)雜,不易實現(xiàn) 便攜式和小型化應(yīng)用的缺點。
[0015] 為了達到上述目的,具有集成式固態(tài)薄膜Pt參比電極的GaN生物傳感器的制作方 法,包括以下步驟:
[0016] 步驟一,在干凈的含有GaN緩沖層、AlGaN勢皇層和襯底的基片上,光刻顯影出臺面 隔離區(qū)域,采用刻蝕或離子注入的方法形成器件的隔離;
[0017] 步驟二,在未做隔離的區(qū)域上光刻顯影出歐姆接觸區(qū)域,采用電子束蒸發(fā)的方法 獲得歐姆金屬層,歐姆金屬層采用Ti/Al/Ni/Au四層結(jié)構(gòu),退火形成合金,獲得歐姆接觸;
[0018] 步驟三,在歐姆金屬層上及襯底上光刻顯影出器件源漏電極的互連區(qū)域和參比電 極引線區(qū)域,蒸鍍Ni/Au互連金屬,并剝離,獲得GaN器件源漏電極的互連金屬和參比電極的 引線金屬;
[0019] 步驟四,在參比電極引線上光刻顯影出參比電極感應(yīng)區(qū)域,濺射300~lOOOnm厚的 參比電極金屬Pt,并剝離,形成參比電極金屬;
[0020] 步驟五,在AlGaN勢皇層、歐姆金屬層和互連金屬的表面淀積60-100nm厚度的Si3N4 作為鈍化層;
[0021] 步驟六,在鈍化層上進行光刻顯影,并刻蝕Si3N4,露出GaN器件的柵區(qū)域、參比電極 感應(yīng)區(qū)域、器件的源漏電極引出區(qū)域及參比電極引出區(qū)域;
[0022]步驟七,采用PDMS進行器件的封裝,制作出傳感器測試用樣品槽,最終得到具有集 成式固態(tài)薄膜參比電極的GaN生物傳感器。
[0023]所述步驟一中,優(yōu)選的,勢皇層還能夠采用InAIN勢皇層或A1N勢皇層。
[0024]所述步驟二中,在830度快速熱退火形成合金。
[0025]所述步驟三中,利用電子束蒸發(fā)技術(shù)蒸鍍Ni/Au互連金屬,并用lift-off工藝剝 離。
[0026]所述步驟四中,沉積Pt時采用濺射技術(shù)。
[0027]所述步驟五中,淀積鈍化層采用PECVD方法。
[0028] 所述步驟六中,刻蝕采用ICP刻蝕法或RIE刻蝕法或濕法刻蝕法。
[0029]具有集成式固態(tài)薄膜Pt參比電極的GaN生物傳感器,包括具有GaN緩沖層、AlGaN勢 皇層和襯底的基片,AlGaN勢皇層上設(shè)置有歐姆金屬層,歐姆金屬層上及襯底上具有互連金 屬,襯底上的互連金屬上派射有參比電極金屬Pt,GaN緩沖層、AlGaN勢皇層、歐姆金屬層和 互連金屬表面淀積有鈍化層,鈍化層上露出GaN器件的柵區(qū)域、參比電極感應(yīng)區(qū)域、源漏電 極引出區(qū)域及參比電極引出區(qū)域,襯底和鈍化層上具有PDMS測試用樣品槽。
[0030]與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明提出的基于GaN生物傳感器的集成式固態(tài)Pt薄膜參比電 極與GaN生物傳感器現(xiàn)用外置Pt參比電極相比,電極位置固定,采用微電子工藝制作,參比 電極精密度更高,且與GaN器件同時制作使得制作成本低,集成度高,易于進行小型化和便 攜式GaN生物傳感器的實現(xiàn)。
【附圖說明】
[0031]圖1為本發(fā)明步驟一的不意圖;
[0032]圖2為本發(fā)明步驟二的不意圖;
[0033]圖3為本發(fā)明步驟三的示意圖;
[0034]圖4為本發(fā)明步驟四的不意圖;
[0035]圖5為本發(fā)明步驟五的示意圖;
[0036]圖6為本發(fā)明步驟八的不意圖;
[0037]圖7為本發(fā)明步驟七的示意圖;
[0038]圖8為本發(fā)明的器件整體工作示意圖。
【具體實施方式】
[0039]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步說明。
[0040] 參見圖1至圖8,具有集成式固態(tài)薄膜Pt參比電極的GaN生物傳感器的制造方法,包 括以下步驟:
[0041] 步驟一,在干凈的含有GaN緩沖層、AlGaN勢皇層和襯底的基片上,光刻顯影出臺面 隔離區(qū)域,采用刻蝕或離子注入的方法形成器件的隔離;
[0042]步驟二,在未做隔離的區(qū)域上光刻顯影出歐姆接觸區(qū)域,采用電子束蒸發(fā)的方法 獲得歐姆金屬層,歐姆金屬層采用Ti/Al/Ni/Au四層結(jié)構(gòu),在830度快速退火形成合金,獲得 歐姆接觸;
[0043] 步驟三,在歐姆金屬層上及襯底上光刻顯影出器件源漏電極的互連區(qū)域和參比電 極的引線區(qū)域,利用電子束蒸發(fā)技術(shù)蒸鍍Ni/Au互連金屬,并用lift-off工藝剝離,獲得GaN 器件源漏電極的互連金屬和參比電極的引線金屬;
[0044]步驟四,在參比電極引線上光刻顯影出參比電極感應(yīng)區(qū)域,濺射技術(shù)沉積300~ lOOOnm厚的參比電極金屬Pt,并剝離,形成參比電極金屬;
[0045] 步驟五,采用PECVD方法在AlGaN勢皇層、歐姆金屬層和互連金屬的表面淀積60-100nm厚度的Si 3N4作為鈍化層;
[0046] 步驟六,在鈍化層上進行光刻顯影,并采用ICP刻蝕法或RIE刻蝕法或濕法刻蝕法 刻蝕Si 3N4,露出GaN器件的柵區(qū)域和參比電極感應(yīng)區(qū)域以及器件的源漏電極引出區(qū)域及參 比電極引出區(qū)域;
[0047]步驟七,采用PDMS進行器件的封裝,制作出傳感器測試用樣品槽,最終得到具有集 成式固態(tài)薄膜參比電極的GaN生物傳感器。
[0048] 優(yōu)選的,勢皇層還能夠采用InAIN勢皇層或A1N勢皇層。
[0049] 參見圖8,具有集成式固態(tài)薄膜Pt參比電極的GaN生物傳感器,包括具有GaN緩沖 層、AlGaN勢皇層和襯底的基片,AlGaN勢皇層上設(shè)置有歐姆金屬層,歐姆金屬層上及襯底上 具有互連金屬,襯底上的互連金屬上濺射有參比電極金屬Pt,GaN緩沖層、AlGaN勢皇層、歐 姆金屬層和互連金屬表面淀積有鈍化層,鈍化層上開設(shè)有GaN器件的柵區(qū)域、參比電極感應(yīng) 區(qū)域、源漏電極引出區(qū)域及參比電極引出區(qū)域,襯底和鈍化層上具有PDMS測試用樣品槽。
[0050] 實施例1:
[00511步驟一,在干凈的含有GaN緩沖層、AlGaN勢皇層和襯底的基片上,光刻顯影出臺面 隔離區(qū)域,采用刻蝕或離子注入的方法形成器件的隔離;
[0052]步驟二,在未做隔離的區(qū)域上光刻顯影出歐姆接觸區(qū)域,采用電子束蒸發(fā)的方法 獲得歐姆金屬層,歐姆金屬層采用Ti/Al/Ni/Au四層結(jié)構(gòu),在830度快速退火形成合金,獲得 歐姆接觸;
[0053] 步驟三,在歐姆金屬層上及襯底上光刻顯影出器件源漏電極的互連區(qū)域和參比電 極的引線區(qū)域,利用電子束蒸發(fā)技術(shù)蒸鍍Ni/Au互連金屬,并用lift-off工藝剝離,獲得GaN 器件源漏電極的互連金屬和參比電極的引線金屬;
[0054]步驟四,在參比電極引線上光刻顯影出參比電極感應(yīng)區(qū)域,濺射技術(shù)沉積300nm厚 的參比電極金屬Pt,并剝離,形成參比電極金屬;
[0055] 步驟五,采用PECVD方法在AlGaN勢皇層、歐姆金屬層和互連金屬的表面淀積60-100nm厚度的Si3N4作為鈍化層;
[0056] 步驟六,在鈍化層上進行光刻顯影,并采用ICP刻蝕法或RIE刻蝕法或濕法刻蝕法 刻蝕Si3N4,露出GaN器件的柵區(qū)域和參比電極感應(yīng)區(qū)域以及器件的源漏電極引出區(qū)域及參 比電極引出區(qū)域;
[0057]步驟七,采用PDMS進行器件的封裝,制作出傳感器測試用樣品槽,最終得到具有集 成式固態(tài)薄膜參比電極的GaN生物傳感器。
[0058] 實施例2:
[0059]步驟一,在干凈的含有GaN緩沖層、InAIN勢皇層和襯底的基片上,光刻顯影出臺面 隔離區(qū)域,采用刻蝕或離子注入的方法形成器件的隔離;
[0060] 步驟二,在未做隔離的區(qū)域上光刻顯影出歐姆接觸區(qū)域,采用電子束蒸發(fā)的方法 獲得歐姆金屬層,歐姆金屬層采用Ti/Al/Ni/Au四層結(jié)構(gòu),在830度快速退火形成合金,獲得 歐姆接觸;
[0061] 步驟三,在歐姆金屬層上及襯底上光刻顯影出器件源漏電極的互連區(qū)域和參比電 極的引線區(qū)域,利用電子束蒸發(fā)技術(shù)蒸鍍Ni/Au互連金屬,并用lift-off工藝剝離,獲得GaN 器件源漏電極的互連金屬和參比電極的引線金屬;
[0062]步驟四,在參比電極引線上光刻顯影出參比電極感應(yīng)區(qū)域,濺射技術(shù)沉積lOOOnm 厚的參比電極金屬Pt,并剝離,形成參比電極金屬;
[0063] 步驟五,采用PECVD方法在AlGaN勢皇層、歐姆金屬層和互連金屬的表面淀積60-lOOnm厚度的Si3N4作為鈍化層;
[0064] 步驟六,在鈍化層上進行光刻顯影,并采用ICP刻蝕法或RIE刻蝕法或濕法刻蝕法 刻蝕Si3N4,露出GaN器件的柵區(qū)域和參比電極感應(yīng)區(qū)域以及器件的源漏電極引出區(qū)域及參 比電極引出區(qū)域;
[0065]步驟七,采用PDMS進行器件的封裝,制作出傳感器測試用樣品槽,最終得到具有集 成式固態(tài)薄膜參比電極的GaN生物傳感器。
[0066] 實施例3:
[0067]步驟一,在干凈的含有GaN緩沖層、A1N勢皇層和襯底的基片上,光刻顯影出臺面隔 離區(qū)域,采用刻蝕或離子注入的方法形成器件的隔離;
[0068]步驟二,在未做隔離的區(qū)域上光刻顯影出歐姆接觸區(qū)域,采用電子束蒸發(fā)的方法 獲得歐姆金屬層,歐姆金屬層采用Ti/Al/Ni/Au四層結(jié)構(gòu),在830度快速退火形成合金,獲得 歐姆接觸;
[0069] 步驟三,在歐姆金屬層上及襯底上光刻顯影出器件源漏電極的互連區(qū)域和參比電 極的引線區(qū)域,利用電子束蒸發(fā)技術(shù)蒸鍍Ni/Au互連金屬,并用lift-off工藝剝離,獲得GaN 器件源漏電極的互連金屬和參比電極的引線金屬;
[0070] 步驟四,在參比電極引線上光刻顯影出參比電極感應(yīng)區(qū)域,濺射技術(shù)沉積650nm厚 的參比電極金屬Pt,并剝離,形成參比電極金屬;
[0071] 步驟五,采用PECVD方法在AlGaN勢皇層、歐姆金屬層和互連金屬的表面淀積60-100nm厚度的Si 3N4作為鈍化層;
[0072] 步驟六,在鈍化層上進行光刻顯影,并采用ICP刻蝕法或RIE刻蝕法或濕法刻蝕法 刻蝕Si3N4,露出GaN器件的柵區(qū)域和參比電極感應(yīng)區(qū)域以及器件的源漏電極引出區(qū)域及參 比電極引出區(qū)域;
[0073]步驟七,采用PDMS進行器件的封裝,制作出傳感器測試用樣品槽,最終得到具有集 成式固態(tài)薄膜參比電極的GaN生物傳感器。
【主權(quán)項】
1. 具有集成式固態(tài)薄膜pt參比電極的GaN生物傳感器的制造方法,其特征在于,包括以 下步驟: 步驟一,在干凈的含有GaN緩沖層、AlGaN勢皇層和襯底的基片上,光刻顯影出器件隔離 區(qū)域,采用刻蝕或離子注入方法形成器件的隔離; 步驟二,在未做隔離的區(qū)域上光刻顯影出歐姆接觸區(qū)域,采用電子束蒸發(fā)的方法獲得 歐姆金屬層,歐姆金屬層采用Ti/Al/Ni/Au四層結(jié)構(gòu),退火形成合金,獲得歐姆接觸; 步驟三,在歐姆金屬層上及襯底上光刻顯影出器件源漏電極的互連區(qū)域和參比電極的 引線區(qū)域,蒸鍍Ni/Au互連金屬,并剝離,獲得GaN器件源漏電極的互連金屬和參比電極的引 線金屬; 步驟四,在參比電極引線上光刻顯影出參比電極感應(yīng)區(qū)域,濺射300~lOOOnm厚的參比 電極金屬Pt,并剝離,形成參比電極金屬; 步驟五,在基片表面淀積60-100nm厚度的Si3N4作為鈍化層; 步驟六,在鈍化層上進行光刻顯影,并刻蝕Si3N4,露出GaN器件的柵區(qū)域、參比電極感應(yīng) 區(qū)域、器件的互連金屬引出區(qū)域及參比電極引出區(qū)域; 步驟七,采用PDMS進行器件的封裝,制作出傳感器測試用樣品槽,最終得到具有集成式 固態(tài)薄膜參比電極的GaN生物傳感器。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有集成式固態(tài)薄膜Pt參比電極的GaN生物傳感器的制作方 法,其特征在于,所述步驟一中,勢皇層采用InAIN勢皇層或A1N勢皇層。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有集成式固態(tài)薄膜Pt參比電極的GaN生物傳感器的制作方 法,其特征在于,所述步驟二中,在830度快速熱退火形成合金。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有集成式固態(tài)薄膜Pt參比電極的GaN生物傳感器的制作方 法,其特征在于,所述步驟三中,利用電子束蒸發(fā)技術(shù)蒸鍍Ni/Au互連金屬,并用1 if t-off工 藝剝離。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有集成式固態(tài)薄膜Pt參比電極的GaN生物傳感器的制作方 法,其特征在于,所述步驟四中,沉積Pt時采用濺射技術(shù)。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有集成式固態(tài)薄膜Pt參比電極的GaN生物傳感器的制作方 法,其特征在于,所述步驟五中,淀積鈍化層采用PECVD方法。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有集成式固態(tài)薄膜Pt參比電極的GaN生物傳感器的制作方 法,其特征在于,所述步驟六中,刻蝕采用ICP刻蝕法或RIE刻蝕法或濕法刻蝕法。8. 權(quán)利要求1所述的具有集成式固態(tài)薄膜Pt參比電極的GaN生物傳感器,其特征在于, 包括具有GaN緩沖層、AlGaN勢皇層和襯底的基片,AlGaN勢皇層上設(shè)置有歐姆金屬層,歐姆 金屬層上及襯底上具有互連金屬,襯底上的互連金屬上濺射有參比電極金屬Pt,基片表面 淀積有鈍化層,鈍化層上露出GaN器件的柵區(qū)域、參比電極感應(yīng)區(qū)域、源漏電極引出區(qū)域及 參比電極引出區(qū)域,襯底和鈍化層上具有PDMS測試用樣品槽。
【文檔編號】G01N27/414GK106018527SQ201610326546
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月17日
【發(fā)明人】張鵬, 張晨陽, 謝涌, 馬曉華, 施建章, 郝躍
【申請人】西安電子科技大學(xué)