基于GaN 基HEMT結構的傳感器件研究進展

朱彥旭， 王岳華， 宋會會， 李賚龍， 石 棟

(北京工業大學 光電子技術教育部重點實驗室， 北京 100124)

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基于GaN 基HEMT結構的傳感器件研究進展

朱彥旭*， 王岳華， 宋會會， 李賚龍， 石 棟

(北京工業大學 光電子技術教育部重點實驗室， 北京 100124)

GaN基高電子遷移率晶體管(HEMT)具有異質結界面處的高二維電子氣(2DEG)濃度、寬禁帶、高擊穿電壓、穩定的化學性質以及高的電子遷移率，這些特性使它發展起來的傳感器件在靈敏度、響應速度、探測面、適應惡劣環境上具備了顯著的優點。本文首先圍繞GaN基HEMT的基本結構發展起來的兩類研究成熟的傳感器，對其結構、工作機理、工作進展以及優缺點進行了探討與總結；而后，著重從改變器件材料及優化柵結構與柵上材料的角度，闡述了3種GaN基HEMT新型傳感器的最新進展，其中，從材料體系、關鍵工藝、探測結構、原理及新機理方面重點介紹了GaN基HEMT光探測器；最后，探索了GaN基HEMT傳感器件未來的發展方向。

AlGaN/GaN異質結； 2DEG； GaN基HEMT傳感器； 柵結構； 光探測器

1 引 言

GaN基 HEMT傳感器是基于AlGaN/GaN異質結處的二維電子氣(2DEG)易受表面態控制的特性而發展起來的一種新型傳感探測器件。在GaN基 HEMT結構中，異質結AlGaN/GaN界面處會形成一個2DEG的表面通道，勢阱中的2DEG受控于柵極電壓[1]，且這層2DEG十分接近表面，對表面的狀態十分敏感。當表面態變化時，會引起2DEG濃度的變化，從而改變源漏之間的電流[2]。AlGaN/GaN 異質結構導帶的偏移比較大，在異質結附近能產生很強的自發和壓電極化效應，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的變化來調節2DEG的濃度[2]。極化材料GaN的禁帶寬度大，耐擊穿，化學性質穩定，電子遷移率高達2 000 cm2/(V·s)[4]。所以，GaN基HEMT 中AlGaN/GaN 異質結制備的傳感器件具有靈敏度高、響應快、探測面廣、適用于惡劣環境的優勢，成為新型傳感探測領域的研究熱點。

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

2 基于GaN基HEMT基礎結構的傳感器

隨著HEMT器件性能的提升，以2DEG作為核心機理、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，傳感類器件在結構、工作機理等方面也不斷取得新的研究進展。目前， HEMT氫氣傳感器、生物分子傳感器是比較成熟的基于HEMT基礎結構的代表性器件。

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，通過擴散穿過Pt到達Pt和AlGaN的界面，形成一個偶極子層。這個偶極子層會降低肖特基勢壘的高度，等效于所加負偏壓的絕對值減小，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構。

圖1 HEMT氫氣傳感器的結構圖(a)和光學顯微鏡照片(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穩定性，決定了器件可以進行高溫環境下的氫氣檢測，這是其用于氫氣傳感的一大優勢[13]。2002年，德國的Schalwig等[9]研制了GaN HEMT 結構的氣體探測器，可以在400 ℃下對H2、CO、C2H2、NO、NO2進行探測。2007年，俄亥俄州立大學的Song等[15]研制了GaN HEMT結構氫氣傳感器，工作溫度最高可以達到800 ℃。2008年，Song等[16]又研制了濃度檢測極限達到10×10-9的GaN HEMT結構氫氣傳感器，成為已報道的GaN基氫氣傳感器的最好成果。GaN HEMT氫氣探測器的發展趨勢總體上向著高靈敏、低恢復時間發展。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時間的關系，結果表明，當溫度升高至約350 ℃時，降低Pt厚度到8 nm，器件的靈敏度顯著增加，同時響應和恢復時間減少。2008年，中科院半導體所的Wang等[18]的研究表明，氫氣傳感器件在氧氣中會更快地恢復。2009年，日本石卷專修大學的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，佛羅里達大學的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降低，但可以獲得更好的恢復特性。2012年，斯洛伐克的Rger[21]提出了Pt/IrO2柵結構的氫氣探測器，其靈敏度顯著提高，在100 ℃ 0.1%的H2/N2氣氛下，對70%/10-6(ppm)有最大感測響應值，相比之前的Pt柵極提高了12倍以上。2012年，清華大學的郭智博等[13]報道的氫氣傳感器取得了目前國內報道的低濃度檢測極限的最好結果，在柵極加偏壓的狀態下，對10-6量級的氫氣具有明顯的傳感特性，對2×10-6的氫氣測得了6.3%的靈敏度。2013年，郭智博等[15]又報道了基于Pt柵電極的GaN HEMT結構的氫氣傳感器，用朗繆爾吸附等溫線的修正建立了傳感響應的理論模型，在不同溫度下實現了對(2～6 216)×10-6(ppm)的H2/N2氣氛測定。 2015年，中國臺灣的Chen等[22]在柵位置處用H2O2氧化了GaN表面，形成Pd/GaOx/GaN的改進結構，在300 ℃下，實現了空氣中10-7(0.1 ppm)氫氣的檢測，響應時間為13.3 s，恢復時間為23.6 s。

綜合分析，GaN 基HEMT結構的氫氣傳感器將以氣體分子與不同金屬柵之間的作用機制和優化柵極敏感區的材料及結構為研究方向，實現高靈敏度、低恢復時間和良好穩定性的發展目標。

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的基本結構，柵極采用特定生物分子膜代替。器件工作時，待測抗原的引入引起生物分子膜表面電壓的變化，從而引起勢阱中2DEG濃度的改變，而2DEG濃度的改變會導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]。其典型結構如圖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，推動了GaN 基HEMT器件在生物傳感領域的應用。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)，實現從10 pg/mL到1 μg/mL濃度范圍的檢測，比臨床監測的最低濃度還要低兩個數量級。

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分子膜，實現了帕金蟲的檢測，響應時間低于5 s。2011年，Schwarz等[27]利用HEMT結構成功地結合DNA單鏈序列，實現了多次雜交檢測。2012年，Thapa等[28]制備了GaN基HEMT結構的DNA探測器，增強了特異性DNA的檢測。同年，Xue等[29]將生物分子膜直接修飾傳感區域表面，制備了新型GaN基HEMT生物傳感器結構。2014年，Li等[21]以生物分子膜替代前人研究的Au柵[25-26]結構，實現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，毫米量級的GaN 基HEMT生物傳感器對PSA的探測極限低于0.1 pg/mL。實驗表明，毫米量級的GaN 基HEMT生物傳感器具有靈敏度高、易于集成等優點，應用前景良好。2015年，Lee等[30]制成柵電極為Ni-Au的GaN基HEMT結構的C反應蛋白(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結構用于探測前列腺特異性抗原(PSA)，具有響應快的優點，探測范圍為0.1 pg/mL～10.269 ng/mL，對0.1 pg/mL的 PSA溶液的探測靈敏度達到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器件的優點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合以及生物分子膜與探測源物質之間有靈敏的反應成為GaN基HEMT生物傳感器的研究與發展方向。

3 新型GaN 基HEMT傳感器

除了上面概括介紹的基于GaN基HEMT結構的氫氣傳感器及生物傳感器，近年來有相關研究者依據HEMT器件的優點及結構原理，對GaN基HEMT柵結構和柵上材料進行優化，得到了相應的具有高靈敏度的新型探測器。其中，針對柵結構做改進的主要有V型槽柵[32]、環形柵[33]、凹形柵[34]等；柵上材料的改變，如特有的ZnO納米結構[34-35]，已推廣應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結構的傳感器

2015年，Dzuba等[33]提出基于MEMS的C-HEMT 壓力傳感器結構，其中的關鍵技術——GaN隔膜是通過深反應離子蝕刻(DRIE)硅襯底，達到GaN層有效自停止而成，厚度為4.2 μm，直徑為1 500 μm，探測器結構如圖3所示。相關研究人員對該HEMT壓力傳感器進行了壓電響應研究，并通過有限元法(FEM)進行了模擬，得到的GaN隔膜可在任意頻率下承載，峰值壓力達36 kPa，并驗證了該結構兩個環形肖特基柵電極可進行壓電電荷測量。測定結果表明，該壓力傳感器與頻率無關，在所檢查的動態壓力范圍內表現出線性高性能的壓電響應，其最大靈敏度達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構，使其滿足耐高溫要求，使傳感器能夠應用于高溫等惡劣特殊的環境中。

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構的AlGaN/GaN HEMT的葡萄糖傳感器。該探測器的主要結構是HEMT，采用光增強濕法刻蝕(PEC)方法得到凹柵結構，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，結構如圖4所示。該結構的研究人員指出，通過光增強濕法刻蝕(PEC)方法鈍化ZnO納米棒陣列可以進一步增加感測表面面積并抑制ZnO納米棒的側壁表面上由懸空鍵和表面狀態引起的費米能級釘扎效應。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，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HEMT結構的傳感器展開的最新研究，主要是紫外探測器，采用了特殊柵結構并融合了新技術，并且有新機理提出。

3.2.1 特殊柵GaN基HEMT結構的紫外探測器

2016年，Dogar等[35]提出了基于AlGaN/GaN HEMT結構的紫外探測器。該探測器以HEMT為基本結構，其中柵位置處是ZnO納米棒結構。HEMT縱向結構自下而上依次為：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。該器件結構工藝如下：(1)進行有源區隔離，使用BCl3和Cl2氣體，反應離子蝕刻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化學氣相沉積一層100 nm厚的Si3N4，再由反應離子刻蝕系統刻蝕出柵極區域。(4)器件之一使用水熱法在柵位置處生長ZnO納米棒，截面結構示意圖如圖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結構的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生長異質結構外延層，縱向結構自下而上依次為：(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)。該器件結構的制備工藝如圖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器件異質結構；(f)濺射源漏電極。

圖7 連續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，該器件柵結構使用的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電的2DEG，器件具有低功耗和較高靈敏度的特點。與普通結構相比，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，由于高溫可以加速電子-空穴對復合，探測器的衰減時間從327 s縮短至34 s。該研究結果證明在惡劣環境(高溫)下，V形槽AlGaN/GaN HEMT結構可以實現紫外探測。

3.2.2 新型探測機理的GaN基HEMT光探測器

依據GaN基 HEMT的基本結構及其優點，研究人員發展了具有新型探測機理的探測器。2012年，北京工業大學朱彥旭課題組提出了基于微動元調制 GaN HEMT 溝道電流的紅外探測器[38]，并申請了相關專利。該探測器的工作機制如下：微動元件與HEMT溝道連接，充氣腔內的吸收光波氣體和光波吸收輔助層吸收光波后，發生形變，推動微動元件位移，微動元件的位移誘導GaN HEMT溝道電流變化，使光波信號轉變成電信號被探測。2014年，該課題組依據GaN基HEMT提出了新機理的光探測器，并申請了相關專利——基于HEMT結構調制溝道電流的光探測器[39]。其創新之處是在金屬柵極位置上淀積了一層光感應層，工作機制如下：光輻射入射到柵極光感應層上，光感應層產生熱釋電效應或者光伏效應，引起光感應層表面電荷分布變化，從而誘導與光感應層接觸的半導體層表面的電荷分布發生改變，進而引起半導體層內部極化場強的改變，導致2DEG的變化，使得輸出電流發生改變，最終使輸入的光輻射信號轉換成變化的電流信號被探測。2015年，該課題組依據AlGaN/GaN HEMT提出了新的探測機制——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基本結構，在柵極金屬上有一層光電陰極薄膜，工作機制如下：光輻射入射到光電陰極薄膜上，使光電陰極薄膜發生外光電效應，表面電荷分布發生變化，使柵極電壓發生改變，導致HEMT內部2DEG濃度發生變化，從而誘導溝道電流發生變化，使光波信號轉變為電信號被探測。

4 結論與展望

GaN基HEMT具有靈敏度高、響應速度快、適應惡劣環境、結構機理簡單等優點。近年來，國內外針對GaN基HEMT結構的傳感探測器件的研究競相展開，國外的研究已相當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構的光探測器具有更高的靈敏度、更快的響應速度而且在惡劣條件下更為穩定。

GaN基HEMT結構傳感器的未來發展將著重放在以下幾個方面：(1)深入研究AlGaN/GaN異質結，得到質量好且穩定的AlGaN/GaN外延片；(2)研究GaN基HEMT器件結構，得到性能好且能更好地與其他技術兼容的GaN基HEMT結構；(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；(4)進一步探索Si襯底GaN基HEMT器件結構并實現該有的探測，也方便融入傳統Si工藝生產以實現集成化，同時降低成本；(5)著重研究GaN基HEMT柵結構及柵材料，引進新技術，探索新機理，實現GaN基HEMT傳感器的多元化。

作為傳感探測領域的新秀，GaN基HEMT在未來的傳感探測領域還將實現高靈敏的多方面探測，國內GaN基HEMT研究人員應該再進一步考慮GaN基HEMT器件自身優點，嘗試結合其他功能材料，或者嘗試采用與新技術的結合，比如納米線技術，以實現現有傳感探測器件所不具備的特性和優點。

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朱彥旭(1977-)，男，河北秦皇島人，博士，副教授，2007年于北京工業大學獲得博士學位，主要從事GaN 基HEMT、傳感器等電子器件以及半導體發光二極管、激光器、太陽能電池、探測器等半導體光電器件的研究。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

教師隊伍建設(PXM2016_014204_000017_00205938_FCG)青年拔尖項目(市級)； 國家自然科學基金(61574011)； 北京市自然科學基金(4142005)； 北京市教委能力提升項目(PXM2016_014204_500018)資助

TN366； TN386.3； TP212

A

10.3788/fgxb20163712.1545