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(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)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(shí)制作使得制作成本低，集成度高，易于進(jìn)行小型化和便攜式GaN生物傳感器的實(shí)現(xiàn)。
【專(zhuān)利說(shuō)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(diǎn)，并且能與GaN基發(fā)光二極管，深紫外探測(cè)器、無(wú)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(huì)在勢(shì)皇層緩沖層交接處，較靠近緩沖層的位置，形成一層帶負(fù)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(shí)， 電子就會(huì)在該二維平面上根據(jù)電勢(shì)方向移動(dòng)，形成電流。同時(shí)，通過(guò)柵極施加一定負(fù)電壓， 能夠耗盡電子，獲得器件的開(kāi)關(guān)控制。
[0004] 采用GaN場(chǎng)效應(yīng)晶體管(HEMT)來(lái)作為傳感單元的生物檢測(cè)技術(shù)近年來(lái)逐漸成為一 個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。該技術(shù)利用HEMT器件裸柵來(lái)感應(yīng)生物物質(zhì)產(chǎn)生的電信號(hào)，進(jìn)而產(chǎn)生源漏電流 的變化來(lái)進(jìn)行傳感，具有檢測(cè)快速、簡(jiǎn)單、體積小易攜帶，成本低廉的特點(diǎn)，非常符合生物和 醫(yī)學(xué)領(lǐng)域快速檢測(cè)的需求。目前國(guó)際GaN領(lǐng)域的各個(gè)研究機(jī)構(gòu)都開(kāi)展了生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)方面 的合作研究。其開(kāi)展的生物傳感研究涵蓋了多個(gè)方面，包括氣體檢測(cè)、PH值檢測(cè)，DNA片段檢 測(cè)，通過(guò)檢測(cè)血液、尿液、唾液以及組織細(xì)胞中特定的酶、蛋白質(zhì)、抗原等進(jìn)行的疾病檢測(cè)， 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(huì)形成二維電子氣的表 面通道，勢(shì)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(shí)，引入的待測(cè)目標(biāo)物與固定在生物分子膜上的待測(cè)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(shì)阱中二維電子氣濃度的改變，而二維電 子氣濃度的改變會(huì)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(guò)電流的變化來(lái)檢測(cè)引入待測(cè)目標(biāo)物的濃度變化。通過(guò)在器件柵極緩沖液中放置一個(gè)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(shí)通過(guò)可導(dǎo)電的緩沖液進(jìn)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(cè)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(shí)漏電流為零。而在實(shí) 驗(yàn)中，當(dāng)Vgs< VT時(shí)的漏電流稱(chēng)為亞閾值電流。如公式1所示，在亞閾值狀態(tài)時(shí)，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(zhǎng) 和柵寬，kB為玻爾茲曼常數(shù)，T指絕對(duì)溫度，q指電荷。理想情況下，柵壓每改變60mV左右就會(huì) 引起亞閾值電流一個(gè)數(shù)量級(jí)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(bào)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(cè)量鏈霉親和素的靈敏度得以提高。2011年，Mastura Shafinaz Zainal Abidin，et al.報(bào)道了用AlGaN/GaN HEMT器件測(cè)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(duì)柵極實(shí)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(xiàn)采用的是類(lèi)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(gè)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(dòng)，不易實(shí)現(xiàn)便攜式 和小型化傳感器的制作與應(yīng)用的缺點(diǎn)。

【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(shí)現(xiàn) 便攜式和小型化應(yīng)用的缺點(diǎn)。
[0015] 為了達(dá)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(shì)皇層和襯底的基片上，光刻顯影出臺(tái)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(shì)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(jìn)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(jìn)行器件的封裝，制作出傳感器測(cè)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(shì)皇層還能夠采用InAIN勢(shì)皇層或A1N勢(shì)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(shí)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(shì) 皇層和襯底的基片，AlGaN勢(shì)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(shì)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(cè)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(shí)制作使得制作成本低，集成度高，易于進(jìn)行小型化和便 攜式GaN生物傳感器的實(shí)現(xiàn)。
【附圖說(shuō)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(shí)施方式】
[0039]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0040] 參見(jiàn)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(shì)皇層和襯底的基片上，光刻顯影出臺(tái)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(shì)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(jìn)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(jìn)行器件的封裝，制作出傳感器測(cè)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(shì)皇層還能夠采用InAIN勢(shì)皇層或A1N勢(shì)皇層。
[0049] 參見(jiàn)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(shì)皇層和襯底的基片，AlGaN勢(shì)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(shì)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(kāi)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(cè)試用樣品槽。
[0050] 實(shí)施例1:
[00511步驟一，在干凈的含有GaN緩沖層、AlGaN勢(shì)皇層和襯底的基片上，光刻顯影出臺(tái)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(shì)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(jìn)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(jìn)行器件的封裝，制作出傳感器測(cè)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(shí)施例2:
[0059]步驟一，在干凈的含有GaN緩沖層、InAIN勢(shì)皇層和襯底的基片上，光刻顯影出臺(tái)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(shì)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(jìn)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(jìn)行器件的封裝，制作出傳感器測(cè)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(shí)施例3:
[0067]步驟一，在干凈的含有GaN緩沖層、A1N勢(shì)皇層和襯底的基片上，光刻顯影出臺(tái)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(shì)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(jìn)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(jìn)行器件的封裝，制作出傳感器測(cè)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(xiàng)】
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(shì)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(jìn)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(jìn)行器件的封裝，制作出傳感器測(cè)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(shì)皇層采用InAIN勢(shì)皇層或A1N勢(shì)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(shí)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(shì)皇層和襯底的基片，AlGaN勢(shì)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(cè)試用樣品槽。
【文檔編號(hào)】G01N27/414GK106018527SQ201610326546
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年5月17日
【發(fā)明人】張鵬, 張晨陽(yáng), 謝涌, 馬曉華, 施建章, 郝躍
【申請(qǐng)人】西安電子科技大學(xué)