基于GaN 基HEMT結(jié)構(gòu)的傳感器件研究進(jìn)展

朱彥旭， 王岳華， 宋會(huì)會(huì)， 李賚龍， 石 棟

(北京工業(yè)大學(xué) 光電子技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100124)

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基于GaN 基HEMT結(jié)構(gòu)的傳感器件研究進(jìn)展

朱彥旭*， 王岳華， 宋會(huì)會(huì)， 李賚龍， 石 棟

(北京工業(yè)大學(xué) 光電子技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100124)

GaN基高電子遷移率晶體管(HEMT)具有異質(zhì)結(jié)界面處的高二維電子氣(2DEG)濃度、寬禁帶、高擊穿電壓、穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)以及高的電子遷移率，這些特性使它發(fā)展起來的傳感器件在靈敏度、響應(yīng)速度、探測面、適應(yīng)惡劣環(huán)境上具備了顯著的優(yōu)點(diǎn)。本文首先圍繞GaN基HEMT的基本結(jié)構(gòu)發(fā)展起來的兩類研究成熟的傳感器，對(duì)其結(jié)構(gòu)、工作機(jī)理、工作進(jìn)展以及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了探討與總結(jié)；而后，著重從改變器件材料及優(yōu)化柵結(jié)構(gòu)與柵上材料的角度，闡述了3種GaN基HEMT新型傳感器的最新進(jìn)展，其中，從材料體系、關(guān)鍵工藝、探測結(jié)構(gòu)、原理及新機(jī)理方面重點(diǎn)介紹了GaN基HEMT光探測器；最后，探索了GaN基HEMT傳感器件未來的發(fā)展方向。

AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)； 2DEG； GaN基HEMT傳感器； 柵結(jié)構(gòu)； 光探測器

1 引 言

GaN基 HEMT傳感器是基于AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)處的二維電子氣(2DEG)易受表面態(tài)控制的特性而發(fā)展起來的一種新型傳感探測器件。在GaN基 HEMT結(jié)構(gòu)中，異質(zhì)結(jié)AlGaN/GaN界面處會(huì)形成一個(gè)2DEG的表面通道，勢(shì)阱中的2DEG受控于柵極電壓[1]，且這層2DEG十分接近表面，對(duì)表面的狀態(tài)十分敏感。當(dāng)表面態(tài)變化時(shí)，會(huì)引起2DEG濃度的變化，從而改變?cè)绰┲g的電流[2]。AlGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)構(gòu)導(dǎo)帶的偏移比較大，在異質(zhì)結(jié)附近能產(chǎn)生很強(qiáng)的自發(fā)和壓電極化效應(yīng)，可不需要特意摻雜便能在界面處堆積高濃度的2DEG[3]，因此很容易由表面態(tài)的變化來調(diào)節(jié)2DEG的濃度[2]。極化材料GaN的禁帶寬度大，耐擊穿，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，電子遷移率高達(dá)2 000 cm2/(V·s)[4]。所以，GaN基HEMT 中AlGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)制備的傳感器件具有靈敏度高、響應(yīng)快、探測面廣、適用于惡劣環(huán)境的優(yōu)勢(shì)，成為新型傳感探測領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

Ambacher等[5-11]證明AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)對(duì)離子、極性液體、氫氣和生物材料具有強(qiáng)烈的敏感性，此后研究者們便展開了以GaN基HEMT為結(jié)構(gòu)的一系列傳感器的研究。目前研究相對(duì)比較成熟的主要有氣體傳感器和生物傳感器。2010年，佛羅里達(dá)大學(xué)蓋恩斯維爾分校的Pearton等[12]針對(duì)GaN基HEMT結(jié)構(gòu)傳感器做了詳細(xì)的綜述，介紹了其在檢測氣體、離子、pH值、蛋白質(zhì)和DNA等方面的應(yīng)用。GaN基HEMT傳感器的最新研究進(jìn)展表明，隨著GaN基HEMT的柵結(jié)構(gòu)和柵上材料的變化，衍生出一系列具有高靈敏度的傳感探測器件，為生物醫(yī)療和環(huán)境氣氛安全檢測提供了更有效的檢測手段。

2 基于GaN基HEMT基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的傳感器

隨著HEMT器件性能的提升，以2DEG作為核心機(jī)理、以柵位置作為核心傳感元件的傳感器將具備更廣的探測面和更高的靈敏度，傳感類器件在結(jié)構(gòu)、工作機(jī)理等方面也不斷取得新的研究進(jìn)展。目前， HEMT氫氣傳感器、生物分子傳感器是比較成熟的基于HEMT基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的代表性器件。

2.1 GaN 基HEMT氫氣傳感器

HEMT氫氣傳感器的工作原理可以概括如下：柵極Pt對(duì)H2分子具有催化裂解作用[9]。H2分子首先在Pt表面裂解為H原子，通過擴(kuò)散穿過Pt到達(dá)Pt和AlGaN的界面，形成一個(gè)偶極子層。這個(gè)偶極子層會(huì)降低肖特基勢(shì)壘的高度，等效于所加負(fù)偏壓的絕對(duì)值減小，從而使二維電子氣濃度增大，獲得更大的源漏電流IDS[13]。圖1為HEMT氫氣探測器的典型結(jié)構(gòu)。

圖1 HEMT氫氣傳感器的結(jié)構(gòu)圖(a)和光學(xué)顯微鏡照片(b)[14]

Fig.1 Schematic configuration (a) and optical microscopy image (b) of AlGaN/GaN HEMT hydrogen sensor[14]

GaN基HEMT可用于H2、O2、CO2、CH4、C2H2、CO以及NO、NO2等氣體的探測，其中以氫氣作為探測源的研究較多。GaN 基器件在高溫下的化學(xué)穩(wěn)定性，決定了器件可以進(jìn)行高溫環(huán)境下的氫氣檢測，這是其用于氫氣傳感的一大優(yōu)勢(shì)[13]。2002年，德國的Schalwig等[9]研制了GaN HEMT 結(jié)構(gòu)的氣體探測器，可以在400 ℃下對(duì)H2、CO、C2H2、NO、NO2進(jìn)行探測。2007年，俄亥俄州立大學(xué)的Song等[15]研制了GaN HEMT結(jié)構(gòu)氫氣傳感器，工作溫度最高可以達(dá)到800 ℃。2008年，Song等[16]又研制了濃度檢測極限達(dá)到10×10-9的GaN HEMT結(jié)構(gòu)氫氣傳感器，成為已報(bào)道的GaN基氫氣傳感器的最好成果。GaN HEMT氫氣探測器的發(fā)展趨勢(shì)總體上向著高靈敏、低恢復(fù)時(shí)間發(fā)展。2006年，德國的Ali等[17]研究了器件工作溫度以及柵極Pt的厚度與靈敏度及恢復(fù)時(shí)間的關(guān)系，結(jié)果表明，當(dāng)溫度升高至約350 ℃時(shí)，降低Pt厚度到8 nm，器件的靈敏度顯著增加，同時(shí)響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間減少。2008年，中科院半導(dǎo)體所的Wang等[18]的研究表明，氫氣傳感器件在氧氣中會(huì)更快地恢復(fù)。2009年，日本石卷專修大學(xué)的Higuchi等[19]的研究表明，氫氣傳感器件的柵極越長，靈敏度越高。2010年，佛羅里達(dá)大學(xué)的Lo等[20]的工作表明，在濕度較大的情況下，雖然氫氣探測器件的靈敏度會(huì)降低，但可以獲得更好的恢復(fù)特性。2012年，斯洛伐克的Rger[21]提出了Pt/IrO2柵結(jié)構(gòu)的氫氣探測器，其靈敏度顯著提高，在100 ℃ 0.1%的H2/N2氣氛下，對(duì)70%/10-6(ppm)有最大感測響應(yīng)值，相比之前的Pt柵極提高了12倍以上。2012年，清華大學(xué)的郭智博等[13]報(bào)道的氫氣傳感器取得了目前國內(nèi)報(bào)道的低濃度檢測極限的最好結(jié)果，在柵極加偏壓的狀態(tài)下，對(duì)10-6量級(jí)的氫氣具有明顯的傳感特性，對(duì)2×10-6的氫氣測得了6.3%的靈敏度。2013年，郭智博等[15]又報(bào)道了基于Pt柵電極的GaN HEMT結(jié)構(gòu)的氫氣傳感器，用朗繆爾吸附等溫線的修正建立了傳感響應(yīng)的理論模型，在不同溫度下實(shí)現(xiàn)了對(duì)(2～6 216)×10-6(ppm)的H2/N2氣氛測定。 2015年，中國臺(tái)灣的Chen等[22]在柵位置處用H2O2氧化了GaN表面，形成Pd/GaOx/GaN的改進(jìn)結(jié)構(gòu)，在300 ℃下，實(shí)現(xiàn)了空氣中10-7(0.1 ppm)氫氣的檢測，響應(yīng)時(shí)間為13.3 s，恢復(fù)時(shí)間為23.6 s。

綜合分析，GaN 基HEMT結(jié)構(gòu)的氫氣傳感器將以氣體分子與不同金屬柵之間的作用機(jī)制和優(yōu)化柵極敏感區(qū)的材料及結(jié)構(gòu)為研究方向，實(shí)現(xiàn)高靈敏度、低恢復(fù)時(shí)間和良好穩(wěn)定性的發(fā)展目標(biāo)。

2.2 GaN基 HEMT生物分子傳感器

GaN 基HEMT生物分子傳感器利用HEMT的基本結(jié)構(gòu)，柵極采用特定生物分子膜代替。器件工作時(shí)，待測抗原的引入引起生物分子膜表面電壓的變化，從而引起勢(shì)阱中2DEG濃度的改變，而2DEG濃度的改變會(huì)導(dǎo)致晶體管的源極和漏極之間電流的變化，因此可通過電流的變化來檢測引入待測抗原的濃度變化[23]。其典型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

GaN 基HEMT生物分子傳感器柵極的改變包括采用不同的金屬柵極、不同的柵極上物質(zhì)以及特定生物分子膜替代柵極等。2005年，Kang等[24]開始研究基于AlGaN/GaN HEMT的生物傳感器，推動(dòng)了GaN 基HEMT器件在生物傳感領(lǐng)域的應(yīng)用。2007年，Kang等[25]研制出Au作為柵電極的HEMT探測器，用來檢測前列腺特異性抗原(PSA)，實(shí)現(xiàn)從10 pg/mL到1 μg/mL濃度范圍的檢測，比臨床監(jiān)測的最低濃度還要低兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

2009年，Wang等[26]以Au為柵電極,并且Au柵上有一層固定好的巰基乙酸作為反應(yīng)分子膜，實(shí)現(xiàn)了帕金蟲的檢測，響應(yīng)時(shí)間低于5 s。2011年，Schwarz等[27]利用HEMT結(jié)構(gòu)成功地結(jié)合DNA單鏈序列，實(shí)現(xiàn)了多次雜交檢測。2012年，Thapa等[28]制備了GaN基HEMT結(jié)構(gòu)的DNA探測器，增強(qiáng)了特異性DNA的檢測。同年，Xue等[29]將生物分子膜直接修飾傳感區(qū)域表面，制備了新型GaN基HEMT生物傳感器結(jié)構(gòu)。2014年，Li等[21]以生物分子膜替代前人研究的Au柵[25-26]結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了不同濃度的前列腺特異性抗原(PSA)的探測。在50 mV的電壓下，毫米量級(jí)的GaN 基HEMT生物傳感器對(duì)PSA的探測極限低于0.1 pg/mL。實(shí)驗(yàn)表明，毫米量級(jí)的GaN 基HEMT生物傳感器具有靈敏度高、易于集成等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景良好。2015年，Lee等[30]制成柵電極為Ni-Au的GaN基HEMT結(jié)構(gòu)的C反應(yīng)蛋白(CRP)探測器，探測范圍為10～1 000 ng/mL。同年，Li等[31]制成以生物分子膜為柵極的HEMT結(jié)構(gòu)用于探測前列腺特異性抗原(PSA)，具有響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)，探測范圍為0.1 pg/mL～10.269 ng/mL，對(duì)0.1 pg/mL的 PSA溶液的探測靈敏度達(dá)到0.027%。這是目前GaN基HEMT的生物傳感器中檢測前列腺特異性抗原(PSA)的最好效果。

綜合來看，利用GaN基HEMT器件的優(yōu)點(diǎn)來研制的生物傳感器種類越來越多。如何使GaN基HEMT器件的柵與該位置處生物分子膜有更好的結(jié)合以及生物分子膜與探測源物質(zhì)之間有靈敏的反應(yīng)成為GaN基HEMT生物傳感器的研究與發(fā)展方向。

3 新型GaN 基HEMT傳感器

除了上面概括介紹的基于GaN基HEMT結(jié)構(gòu)的氫氣傳感器及生物傳感器，近年來有相關(guān)研究者依據(jù)HEMT器件的優(yōu)點(diǎn)及結(jié)構(gòu)原理，對(duì)GaN基HEMT柵結(jié)構(gòu)和柵上材料進(jìn)行優(yōu)化，得到了相應(yīng)的具有高靈敏度的新型探測器。其中，針對(duì)柵結(jié)構(gòu)做改進(jìn)的主要有V型槽柵[32]、環(huán)形柵[33]、凹形柵[34]等；柵上材料的改變，如特有的ZnO納米結(jié)構(gòu)[34-35]，已推廣應(yīng)用至新型的壓力傳感器[33]、生物傳感器[34]、光探測器[32,35]等。

3.1 特殊柵GaN 基HEMT結(jié)構(gòu)的傳感器

2015年，Dzuba等[33]提出基于MEMS的C-HEMT 壓力傳感器結(jié)構(gòu)，其中的關(guān)鍵技術(shù)——GaN隔膜是通過深反應(yīng)離子蝕刻(DRIE)硅襯底，達(dá)到GaN層有效自停止而成，厚度為4.2 μm，直徑為1 500 μm，探測器結(jié)構(gòu)如圖3所示。相關(guān)研究人員對(duì)該HEMT壓力傳感器進(jìn)行了壓電響應(yīng)研究，并通過有限元法(FEM)進(jìn)行了模擬，得到的GaN隔膜可在任意頻率下承載，峰值壓力達(dá)36 kPa，并驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)兩個(gè)環(huán)形肖特基柵電極可進(jìn)行壓電電荷測量。測定結(jié)果表明，該壓力傳感器與頻率無關(guān)，在所檢查的動(dòng)態(tài)壓力范圍內(nèi)表現(xiàn)出線性高性能的壓電響應(yīng)，其最大靈敏度達(dá)4.4 pC/kPa。其中，面積較大的Ring gate 1靈敏度是4.4 pC/kPa，面積較小的Ring gate 2靈敏度是0.8 pC/kPa。該器件的研究人員指出，下一步工作是改善器件結(jié)構(gòu)，使其滿足耐高溫要求，使傳感器能夠應(yīng)用于高溫等惡劣特殊的環(huán)境中。

圖3 MEMS壓力傳感器的橫截面圖(a)和俯視圖(b)

Fig.3 Cross-sectional view (a) and top view (b) of MEMS pressure sensor

2015年，Lee等[34]提出了一種基凹柵和納米棒結(jié)構(gòu)的AlGaN/GaN HEMT的葡萄糖傳感器。該探測器的主要結(jié)構(gòu)是HEMT，采用光增強(qiáng)濕法刻蝕(PEC)方法得到凹柵結(jié)構(gòu)，并在氧氣氛圍中退火使AlGaN氧化，得到Al2O3和Ga2O3混合的絕緣柵。然后，在柵凹陷位置處濺射ZnO種子層，再采用水熱方法生長ZnO納米棒陣列，結(jié)構(gòu)如圖4所示。該結(jié)構(gòu)的研究人員指出，通過光增強(qiáng)濕法刻蝕(PEC)方法鈍化ZnO納米棒陣列可以進(jìn)一步增加感測表面面積并抑制ZnO納米棒的側(cè)壁表面上由懸空鍵和表面狀態(tài)引起的費(fèi)米能級(jí)釘扎效應(yīng)。該器件探測pH值的靈敏度是57.66 mV/pH，并在800 nmol/L～25 mmol/L的濃度范圍內(nèi)，探測葡萄糖靈敏度為38.9 μA·mmol-1·L。相比于其他葡萄糖生物傳感器，這種鈍化后的ZnO納米棒基凹柵AlGaN/GaN葡萄糖生物傳感器具有優(yōu)越的檢測性能。

圖4 基于ZnO的納米棒/凹柵的AlGaN/GaN ISFET葡萄糖生物傳感器示意圖

Fig.4 Schematic configuration of ZnO-based nanorod/gate-recessed AlGaN/GaN ISFET glucose biosensors

3.2 GaN基HEMT光探測器

HEMT光探測器是近年來針對(duì)HEMT結(jié)構(gòu)的傳感器展開的最新研究，主要是紫外探測器，采用了特殊柵結(jié)構(gòu)并融合了新技術(shù)，并且有新機(jī)理提出。

3.2.1 特殊柵GaN基HEMT結(jié)構(gòu)的紫外探測器

2016年，Dogar等[35]提出了基于AlGaN/GaN HEMT結(jié)構(gòu)的紫外探測器。該探測器以HEMT為基本結(jié)構(gòu)，其中柵位置處是ZnO納米棒結(jié)構(gòu)。HEMT縱向結(jié)構(gòu)自下而上依次為：襯底(111)晶向硅片；厚度為3 000～4 000 nm GaN外延層；厚度為20 nm的Al0.25GaN0.75層；厚度為1.25 nm的GaN蓋帽層。該器件結(jié)構(gòu)工藝如下：(1)進(jìn)行有源區(qū)隔離，使用BCl3和Cl2氣體，反應(yīng)離子蝕刻200 nm的厚度。(2)源極和漏極及歐姆接觸采用電子束蒸發(fā)Ti/Al/Ni/Au，分別是30 nm/180 nm/40 nm/150 nm，并在N2氣氛中900 ℃下35 s快速熱退火形成歐姆接觸。(3)鈍化，先通過等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積一層100 nm厚的Si3N4，再由反應(yīng)離子刻蝕系統(tǒng)刻蝕出柵極區(qū)域。(4)器件之一使用水熱法在柵位置處生長ZnO納米棒，截面結(jié)構(gòu)示意圖如圖5(a)所示；器件之二使用溶膠旋涂的方法在柵位置處制備ZnO籽晶層。圖5(b)、(c)分別是ZnO納米棒柵和ZnO籽晶柵HEMT紫外探測器的掃描電鏡俯視圖像。

圖5 ZnO納米棒-柵控AlGaN/GaN HEMT紫外探測器的橫截面示意圖(a)及掃描電鏡俯視圖(b)，以及ZnO籽晶層-柵控的AlGaN/GaN HEMT紫外探測器的掃描電鏡俯視圖(c)。

Fig.5 Cross sectional schematic (a) and top view SEM image (b) of UV detector based on ZnO NR-gated AlGaN/GaN HEMT, and top view SEM image of UV detector based on ZnO-seed gated AlGaN/GaN HEMT (c), respectively.

圖6 ZnO/AlGaN/GaN HEMT紫外探測器的檢測機(jī)制示意圖

Fig.6 Schematic illustration of UV detecting mechanism of ZnO/AlGaN/GaN HEMT-based UV detector

2016年，So等[32]提出了一種三維異質(zhì)結(jié)構(gòu)的AlGaN/GaN的紫外探測器。該探測器在硅(111)表面刻出V形槽后再使用MOCVD生長異質(zhì)結(jié)構(gòu)外延層，縱向結(jié)構(gòu)自下而上依次為：(111)晶向硅片；AlN(300 nm)；Al0.8Ga0.2N(300 nm)；Al0.5Ga0.5N(400 nm)；Al0.2Ga0.8N(500 nm)；GaN(1.1 μm)；AlN(1 nm)；Al0.25Ga0.75N(25～30 nm)；GaN蓋帽層(1～3 nm)。該器件結(jié)構(gòu)的制備工藝如圖7所示：(a)氮化硅的熱生長；(b)光刻掩模布局；(c)反應(yīng)性離子蝕刻氮化硅；(d)KOH各向異性濕法蝕刻表面上的Ⅲ族氮化物多層膜；(e)MOCVD制成HEMT器件異質(zhì)結(jié)構(gòu)；(f)濺射源漏電極。

圖7 連續(xù)V形槽的AlGaN/GaN表面高溫紫外光電探測器的工藝流程示意圖

Fig.7 Flow chart preparation of continuous V-grooved AlGaN/GaN surfaces for high-temperature ultraviolet photodetectors

研究人員指出，該器件柵結(jié)構(gòu)使用的V型槽可使得表面紋理化，表面光反射率降低，增加了紫外光的吸收并形成高導(dǎo)電的2DEG，器件具有低功耗和較高靈敏度的特點(diǎn)。與普通結(jié)構(gòu)相比，室溫下的探測靈敏度提高了57.4%，200 ℃下的探測靈敏度提高了139%。另外從室溫升高至200 ℃時(shí)，由于高溫可以加速電子-空穴對(duì)復(fù)合，探測器的衰減時(shí)間從327 s縮短至34 s。該研究結(jié)果證明在惡劣環(huán)境(高溫)下，V形槽AlGaN/GaN HEMT結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)紫外探測。

3.2.2 新型探測機(jī)理的GaN基HEMT光探測器

依據(jù)GaN基 HEMT的基本結(jié)構(gòu)及其優(yōu)點(diǎn)，研究人員發(fā)展了具有新型探測機(jī)理的探測器。2012年，北京工業(yè)大學(xué)朱彥旭課題組提出了基于微動(dòng)元調(diào)制 GaN HEMT 溝道電流的紅外探測器[38]，并申請(qǐng)了相關(guān)專利。該探測器的工作機(jī)制如下：微動(dòng)元件與HEMT溝道連接，充氣腔內(nèi)的吸收光波氣體和光波吸收輔助層吸收光波后，發(fā)生形變，推動(dòng)微動(dòng)元件位移，微動(dòng)元件的位移誘導(dǎo)GaN HEMT溝道電流變化，使光波信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)被探測。2014年，該課題組依據(jù)GaN基HEMT提出了新機(jī)理的光探測器，并申請(qǐng)了相關(guān)專利——基于HEMT結(jié)構(gòu)調(diào)制溝道電流的光探測器[39]。其創(chuàng)新之處是在金屬柵極位置上淀積了一層光感應(yīng)層，工作機(jī)制如下：光輻射入射到柵極光感應(yīng)層上，光感應(yīng)層產(chǎn)生熱釋電效應(yīng)或者光伏效應(yīng)，引起光感應(yīng)層表面電荷分布變化，從而誘導(dǎo)與光感應(yīng)層接觸的半導(dǎo)體層表面的電荷分布發(fā)生改變，進(jìn)而引起半導(dǎo)體層內(nèi)部極化場強(qiáng)的改變，導(dǎo)致2DEG的變化，使得輸出電流發(fā)生改變，最終使輸入的光輻射信號(hào)轉(zhuǎn)換成變化的電流信號(hào)被探測。2015年，該課題組依據(jù)AlGaN/GaN HEMT提出了新的探測機(jī)制——基于高電子遷移率晶體管的光譜探測器及其制備方法[40]。該探測器基于GaN基HEMT基本結(jié)構(gòu)，在柵極金屬上有一層光電陰極薄膜，工作機(jī)制如下：光輻射入射到光電陰極薄膜上，使光電陰極薄膜發(fā)生外光電效應(yīng)，表面電荷分布發(fā)生變化，使柵極電壓發(fā)生改變，導(dǎo)致HEMT內(nèi)部2DEG濃度發(fā)生變化，從而誘導(dǎo)溝道電流發(fā)生變化，使光波信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)被探測。

4 結(jié)論與展望

GaN基HEMT具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、適應(yīng)惡劣環(huán)境、結(jié)構(gòu)機(jī)理簡單等優(yōu)點(diǎn)。近年來，國內(nèi)外針對(duì)GaN基HEMT結(jié)構(gòu)的傳感探測器件的研究競相展開，國外的研究已相當(dāng)成熟并取得了很好的效果。其中以氫氣傳感器、生物分子傳感器最為成熟，GaN基HEMT光探測器也比其他結(jié)構(gòu)的光探測器具有更高的靈敏度、更快的響應(yīng)速度而且在惡劣條件下更為穩(wěn)定。

GaN基HEMT結(jié)構(gòu)傳感器的未來發(fā)展將著重放在以下幾個(gè)方面：(1)深入研究AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)，得到質(zhì)量好且穩(wěn)定的AlGaN/GaN外延片；(2)研究GaN基HEMT器件結(jié)構(gòu)，得到性能好且能更好地與其他技術(shù)兼容的GaN基HEMT結(jié)構(gòu)；(3)器件制備工藝過程中需要克服表面缺陷的引入，保持單一影響源的表面態(tài)；(4)進(jìn)一步探索Si襯底GaN基HEMT器件結(jié)構(gòu)并實(shí)現(xiàn)該有的探測，也方便融入傳統(tǒng)Si工藝生產(chǎn)以實(shí)現(xiàn)集成化，同時(shí)降低成本；(5)著重研究GaN基HEMT柵結(jié)構(gòu)及柵材料，引進(jìn)新技術(shù)，探索新機(jī)理，實(shí)現(xiàn)GaN基HEMT傳感器的多元化。

作為傳感探測領(lǐng)域的新秀，GaN基HEMT在未來的傳感探測領(lǐng)域還將實(shí)現(xiàn)高靈敏的多方面探測，國內(nèi)GaN基HEMT研究人員應(yīng)該再進(jìn)一步考慮GaN基HEMT器件自身優(yōu)點(diǎn)，嘗試結(jié)合其他功能材料，或者嘗試采用與新技術(shù)的結(jié)合，比如納米線技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有傳感探測器件所不具備的特性和優(yōu)點(diǎn)。

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朱彥旭(1977-)，男，河北秦皇島人，博士，副教授，2007年于北京工業(yè)大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事GaN 基HEMT、傳感器等電子器件以及半導(dǎo)體發(fā)光二極管、激光器、太陽能電池、探測器等半導(dǎo)體光電器件的研究。E-mail: zhuyx@bjut.edu.cn

Progress of Sensor Elements Based on GaN-based HEMT Structure

ZHU Yan-xu*, WANG Yue-hua, SONG Hui-hui, LI Lai-long, SHI Dong

(Key Laboratory of Opto-electronics Technology， Ministry of Education， Beijing University of Technology， Beijing 100124， China)*CorrespondingAuthor,E-mail:zhuyx@bjut.edu.cn

The sensor elements based on GaN high electron mobility transistor (HEMT) have considerable advantages on sensitivity, response speed, detection surface, and harsh environment adaptability because of the features of HEMT, such as high 2DEG density at the hetero-interface, wide band gap, high breakdown voltage, stable chemical properties, and high electron mobility. In this paper, the structures, mechanism, progress of work, advantages and disadvantages about the two mature types of sensors developed from GaN-based HEMT basic structure are discussed and summarized firstly. Then, the latest progress on three kinds of nevel GaN-based HEMT sensors is reviewed in detail focusing on the device material and the optimization of gate structure and material. Among them, GaN-based HEMT photodetector is highlighted in the aspects of the material system, key process, detector structure, principle and new mechanisms. Finally, the future direction for the development of GaN-based HEMT sensor elements is explored.

AlGaN/GaN heterojunction; 2DEG; GaN-based HEMT sensor; gate structure； photodetector

1000-7032(2016)12-1545-09

2016-05-17；

2016-08-03

教師隊(duì)伍建設(shè)(PXM2016_014204_000017_00205938_FCG)青年拔尖項(xiàng)目(市級(jí))； 國家自然科學(xué)基金(61574011)； 北京市自然科學(xué)基金(4142005)； 北京市教委能力提升項(xiàng)目(PXM2016_014204_500018)資助

TN366； TN386.3； TP212

A

10.3788/fgxb20163712.1545