基于GaN 基HEMT结构的传感器件研究进展

朱彦旭， 王岳华， 宋会会， 李赉龙， 石 栋

(北京工业大学 光电子技术教育部重点实验室， 北京 100124)



基于GaN 基HEMT结构的传感器件研究进展

朱彦旭*， 王岳华， 宋会会， 李赉龙， 石 栋

(北京工业大学 光电子技术教育部重点实验室， 北京 100124)

GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)具有异质结界面处的高二维电子气(2DEG)浓度、宽禁带、高击穿电压、稳定的化学性质以及高的电子迁移率，这些特性使它发展起来的传感器件在灵敏度、响应速度、探测面、适应恶劣环境上具备了显著的优点。本文首先围绕GaN基HEMT的基本结构发展起来的两类研究成熟的传感器，对其结构、工作机理、工作进展以及优缺点进行了探讨与总结；而后，着重从改变器件材料及优化栅结构与栅上材料的角度，阐述了3种GaN基HEMT新型传感器的最新进展，其中，从材料体系、关键工艺、探测结构、原理及新机理方面重点介绍了GaN基HEMT光探测器；最后，探索了GaN基HEMT传感器件未来的发展方向。

AlGaN/GaN异质结； 2DEG； GaN基HEMT传感器； 栅结构； 光探测器

1 引 言

GaN基 HEMT传感器是基于AlGaN/GaN异质结处的二维电子气(2DEG)易受表面态控制的特性而发展起来的一种新型传感探测器件。在GaN基 HEMT结构中，异质结AlGaN/GaN界面处会形成一个2DEG的表面通道，势阱中的2DEG受控于栅极电压[1]，且这层2DEG十分接近表面，对表面的状态十分敏感。当表面态变化时，会引起2DEG浓度的变化，从而改变源漏之间的电流[2]。AlGaN/GaN 异质结构导带的偏移比较大，在异质结附近能产生很强的自发和压电极化效应，可不需要特意掺杂便能在界面处堆积高浓度的2DEG[3]，因此很容易由表面态的变化来调节2DEG的浓度[2]。极化材料GaN的禁带宽度大，耐击穿，化学性质稳定，电子迁移率高达2 000 cm2/(V·s)[4]。所以，GaN基HEMT 中AlGaN/GaN 异质结制备的传感器件具有灵敏度高、响应快、探测面广、适用于恶劣环境的优势，成为新型传感探测领域的研究热点。

Ambacher等[5-11]证明AlGaN/GaN异质结对离子、极性液体、氢气和生物材料具有强烈的敏感性，此后研究者们便展开了以GaN基HEMT为结构的一系列传感器的研究。目前研究相对比较成熟的主要有气体传感器和生物传感器。2010年，佛罗里达大学盖恩斯维尔分校的Pearton等[12]针对GaN基HEMT结构传感器做了详细的综述，介绍了其在检测气体、离子、pH值、蛋白质和DNA等方面的应用。GaN基HEMT传感器的最新研究进展表明，随着GaN基HEMT的栅结构和栅上材料的变化，衍生出一系列具有高灵敏度的传感探测器件，为生物医疗和环境气氛安全检测提供了更有效的检测手段。

2 基于GaN基HEMT基础结构的传感器

随着HEMT器件性能的提升，以2DEG作为核心机理、以栅位置作为核心传感元件的传感器将具备更广的探测面和更高的灵敏度，传感类器件在结构、工作机理等方面也不断取得新的研究进展。目前， HEMT氢气传感器、生物分子传感器是比较成熟的基于HEMT基础结构的代表性器件。

2.1 GaN 基HEMT氢气传感器

HEMT氢气传感器的工作原理可以概括如下：栅极Pt对H2分子具有催化裂解作用[9]。H2分子首先在Pt表面裂解为H原子，通过扩散穿过Pt到达Pt和AlGaN的界面，形成一个偶极子层。这个偶极子层会降低肖特基势垒的高度，等效于所加负偏压的绝对值减小，从而使二维电子气浓度增大，获得更大的源漏电流IDS[13]。图1为HEMT氢气探测器的典型结构。

图1 HEMT氢气传感器的结构图(a)和光学显微镜照片(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等气体的探测，其中以氢气作为探测源的研究较多。GaN 基器件在高温下的化学稳定性，决定了器件可以进行高温环境下的氢气检测，这是其用于氢气传感的一大优势[13]。2002年，德国的Schalwig等[9]研制了GaN HEMT 结构的气体探测器，可以在400 ℃下对H2、CO、C2H2、NO、NO2进行探测。2007年，俄亥俄州立大学的Song等[15]研制了GaN HEMT结构氢气传感器，工作温度最高可以达到800 ℃。2008年，Song等[16]又研制了浓度检测极限达到10×10-9的GaN HEMT结构氢气传感器，成为已报道的GaN基氢气传感器的最好成果。GaN HEMT氢气探测器的发展趋势总体上向着高灵敏、低恢复时间发展。2006年，德国的Ali等[17]研究了器件工作温度以及栅极Pt的厚度与灵敏度及恢复时间的关系，结果表明，当温度升高至约350 ℃时，降低Pt厚度到8 nm，器件的灵敏度显著增加，同时响应和恢复时间减少。2008年，中科院半导体所的Wang等[18]的研究表明，氢气传感器件在氧气中会更快地恢复。2009年，日本石卷专修大学的Higuchi等[19]的研究表明，氢气传感器件的栅极越长，灵敏度越高。2010年，佛罗里达大学的Lo等[20]的工作表明，在湿度较大的情况下，虽然氢气探测器件的灵敏度会降低，但可以获得更好的恢复特性。2012年，斯洛伐克的Rger[21]提出了Pt/IrO2栅结构的氢气探测器，其灵敏度显著提高，在100 ℃ 0.1%的H2/N2气氛下，对70%/10-6(ppm)有最大感测响应值，相比之前的Pt栅极提高了12倍以上。2012年，清华大学的郭智博等[13]报道的氢气传感器取得了目前国内报道的低浓度检测极限的最好结果，在栅极加偏压的状态下，对10-6量级的氢气具有明显的传感特性，对2×10-6的氢气测得了6.3%的灵敏度。2013年，郭智博等[15]又报道了基于Pt栅电极的GaN HEMT结构的氢气传感器，用朗缪尔吸附等温线的修正建立了传感响应的理论模型，在不同温度下实现了对(2～6 216)×10-6(ppm)的H2/N2气氛测定。 2015年，中国台湾的Chen等[22]在栅位置处用H2O2氧化了GaN表面，形成Pd/GaOx/GaN的改进结构，在300 ℃下，实现了空气中10-7(0.1 ppm)氢气的检测，响应时间为13.3 s，恢复时间为23.6 s。

综合分析，GaN 基HEMT结构的氢气传感器将以气体分子与不同金属栅之间的作用机制和优化栅极敏感区的材料及结构为研究方向，实现高灵敏度、低恢复时间和良好稳定性的发展目标。

2.2 GaN基 HEMT生物分子传感器

GaN 基HEMT生物分子传感器利用HEMT的基本结构，栅极采用特定生物分子膜代替。器件工作时，待测抗原的引入引起生物分子膜表面电压的变化，从而引起势阱中2DEG浓度的改变，而2DEG浓度的改变会导致晶体管的源极和漏极之间电流的变化，因此可通过电流的变化来检测引入待测抗原的浓度变化[23]。其典型结构如图2所示。

GaN 基HEMT生物分子传感器栅极的改变包括采用不同的金属栅极、不同的栅极上物质以及特定生物分子膜替代栅极等。2005年，Kang等[24]开始研究基于AlGaN/GaN HEMT的生物传感器，推动了GaN 基HEMT器件在生物传感领域的应用。2007年，Kang等[25]研制出Au作为栅电极的HEMT探测器，用来检测前列腺特异性抗原(PSA)，实现从10 pg/mL到1 μg/mL浓度范围的检测，比临床监测的最低浓度还要低两个数量级。

2009年，Wang等[26]以Au为栅电极,并且Au栅上有一层固定好的巯基乙酸作为反应分子膜，实现了帕金虫的检测，响应时间低于5 s。2011年，Schwarz等[27]利用HEMT结构成功地结合DNA单链序列，实现了多次杂交检测。2012年，Thapa等[28]制备了GaN基HEMT结构的DNA探测器，增强了特异性DNA的检测。同年，Xue等[29]将生物分子膜直接修饰传感区域表面，制备了新型GaN基HEMT生物传感器结构。2014年，Li等[21]以生物分子膜替代前人研究的Au栅[25-26]结构，实现了不同浓度的前列腺特异性抗原(PSA)的探测。在50 mV的电压下，毫米量级的GaN 基HEMT生物传感器对PSA的探测极限低于0.1 pg/mL。实验表明，毫米量级的GaN 基HEMT生物传感器具有灵敏度高、易于集成等优点，应用前景良好。2015年，Lee等[30]制成栅电极为Ni-Au的GaN基HEMT结构的C反应蛋白(CRP)探测器，探测范围为10～1 000 ng/mL。同年，Li等[31]制成以生物分子膜为栅极的HEMT结构用于探测前列腺特异性抗原(PSA)，具有响应快的优点，探测范围为0.1 pg/mL～10.269 ng/mL，对0.1 pg/mL的 PSA溶液的探测灵敏度达到0.027%。这是目前GaN基HEMT的生物传感器中检测前列腺特异性抗原(PSA)的最好效果。

综合来看，利用GaN基HEMT器件的优点来研制的生物传感器种类越来越多。如何使GaN基HEMT器件的栅与该位置处生物分子膜有更好的结合以及生物分子膜与探测源物质之间有灵敏的反应成为GaN基HEMT生物传感器的研究与发展方向。

3 新型GaN 基HEMT传感器

除了上面概括介绍的基于GaN基HEMT结构的氢气传感器及生物传感器，近年来有相关研究者依据HEMT器件的优点及结构原理，对GaN基HEMT栅结构和栅上材料进行优化，得到了相应的具有高灵敏度的新型探测器。其中，针对栅结构做改进的主要有V型槽栅[32]、环形栅[33]、凹形栅[34]等；栅上材料的改变，如特有的ZnO纳米结构[34-35]，已推广应用至新型的压力传感器[33]、生物传感器[34]、光探测器[32,35]等。

3.1 特殊栅GaN 基HEMT结构的传感器

2015年，Dzuba等[33]提出基于MEMS的C-HEMT 压力传感器结构，其中的关键技术——GaN隔膜是通过深反应离子蚀刻(DRIE)硅衬底，达到GaN层有效自停止而成，厚度为4.2 μm，直径为1 500 μm，探测器结构如图3所示。相关研究人员对该HEMT压力传感器进行了压电响应研究，并通过有限元法(FEM)进行了模拟，得到的GaN隔膜可在任意频率下承载，峰值压力达36 kPa，并验证了该结构两个环形肖特基栅电极可进行压电电荷测量。测定结果表明，该压力传感器与频率无关，在所检查的动态压力范围内表现出线性高性能的压电响应，其最大灵敏度达4.4 pC/kPa。其中，面积较大的Ring gate 1灵敏度是4.4 pC/kPa，面积较小的Ring gate 2灵敏度是0.8 pC/kPa。该器件的研究人员指出，下一步工作是改善器件结构，使其满足耐高温要求，使传感器能够应用于高温等恶劣特殊的环境中。

图3 MEMS压力传感器的横截面图(a)和俯视图(b)

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

2015年，Lee等[34]提出了一种基凹栅和纳米棒结构的AlGaN/GaN HEMT的葡萄糖传感器。该探测器的主要结构是HEMT，采用光增强湿法刻蚀(PEC)方法得到凹栅结构，并在氧气氛围中退火使AlGaN氧化，得到Al2O3和Ga2O3混合的绝缘栅。然后，在栅凹陷位置处溅射ZnO种子层，再采用水热方法生长ZnO纳米棒阵列，结构如图4所示。该结构的研究人员指出，通过光增强湿法刻蚀(PEC)方法钝化ZnO纳米棒阵列可以进一步增加感测表面面积并抑制ZnO纳米棒的侧壁表面上由悬空键和表面状态引起的费米能级钉扎效应。该器件探测pH值的灵敏度是57.66 mV/pH，并在800 nmol/L～25 mmol/L的浓度范围内，探测葡萄糖灵敏度为38.9 μA·mmol-1·L。相比于其他葡萄糖生物传感器，这种钝化后的ZnO纳米棒基凹栅AlGaN/GaN葡萄糖生物传感器具有优越的检测性能。

图4 基于ZnO的纳米棒/凹栅的AlGaN/GaN ISFET葡萄糖生物传感器示意图

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

3.2 GaN基HEMT光探测器

HEMT光探测器是近年来针对HEMT结构的传感器展开的最新研究，主要是紫外探测器，采用了特殊栅结构并融合了新技术，并且有新机理提出。

3.2.1 特殊栅GaN基HEMT结构的紫外探测器

2016年，Dogar等[35]提出了基于AlGaN/GaN HEMT结构的紫外探测器。该探测器以HEMT为基本结构，其中栅位置处是ZnO纳米棒结构。HEMT纵向结构自下而上依次为：衬底(111)晶向硅片；厚度为3 000～4 000 nm GaN外延层；厚度为20 nm的Al0.25GaN0.75层；厚度为1.25 nm的GaN盖帽层。该器件结构工艺如下：(1)进行有源区隔离，使用BCl3和Cl2气体，反应离子蚀刻200 nm的厚度。(2)源极和漏极及欧姆接触采用电子束蒸发Ti/Al/Ni/Au，分别是30 nm/180 nm/40 nm/150 nm，并在N2气氛中900 ℃下35 s快速热退火形成欧姆接触。(3)钝化，先通过等离子体增强化学气相沉积一层100 nm厚的Si3N4，再由反应离子刻蚀系统刻蚀出栅极区域。(4)器件之一使用水热法在栅位置处生长ZnO纳米棒，截面结构示意图如图5(a)所示；器件之二使用溶胶旋涂的方法在栅位置处制备ZnO籽晶层。图5(b)、(c)分别是ZnO纳米棒栅和ZnO籽晶栅HEMT紫外探测器的扫描电镜俯视图像。

图5 ZnO纳米棒-栅控AlGaN/GaN HEMT紫外探测器的横截面示意图(a)及扫描电镜俯视图(b)，以及ZnO籽晶层-栅控的AlGaN/GaN HEMT紫外探测器的扫描电镜俯视图(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.

图6 ZnO/AlGaN/GaN HEMT紫外探测器的检测机制示意图

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

2016年，So等[32]提出了一种三维异质结构的AlGaN/GaN的紫外探测器。该探测器在硅(111)表面刻出V形槽后再使用MOCVD生长异质结构外延层，纵向结构自下而上依次为：(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盖帽层(1～3 nm)。该器件结构的制备工艺如图7所示：(a)氮化硅的热生长；(b)光刻掩模布局；(c)反应性离子蚀刻氮化硅；(d)KOH各向异性湿法蚀刻表面上的Ⅲ族氮化物多层膜；(e)MOCVD制成HEMT器件异质结构；(f)溅射源漏电极。

图7 连续V形槽的AlGaN/GaN表面高温紫外光电探测器的工艺流程示意图

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

研究人员指出，该器件栅结构使用的V型槽可使得表面纹理化，表面光反射率降低，增加了紫外光的吸收并形成高导电的2DEG，器件具有低功耗和较高灵敏度的特点。与普通结构相比，室温下的探测灵敏度提高了57.4%，200 ℃下的探测灵敏度提高了139%。另外从室温升高至200 ℃时，由于高温可以加速电子-空穴对复合，探测器的衰减时间从327 s缩短至34 s。该研究结果证明在恶劣环境(高温)下，V形槽AlGaN/GaN HEMT结构可以实现紫外探测。

3.2.2 新型探测机理的GaN基HEMT光探测器

依据GaN基 HEMT的基本结构及其优点，研究人员发展了具有新型探测机理的探测器。2012年，北京工业大学朱彦旭课题组提出了基于微动元调制 GaN HEMT 沟道电流的红外探测器[38]，并申请了相关专利。该探测器的工作机制如下：微动元件与HEMT沟道连接，充气腔内的吸收光波气体和光波吸收辅助层吸收光波后，发生形变，推动微动元件位移，微动元件的位移诱导GaN HEMT沟道电流变化，使光波信号转变成电信号被探测。2014年，该课题组依据GaN基HEMT提出了新机理的光探测器，并申请了相关专利——基于HEMT结构调制沟道电流的光探测器[39]。其创新之处是在金属栅极位置上淀积了一层光感应层，工作机制如下：光辐射入射到栅极光感应层上，光感应层产生热释电效应或者光伏效应，引起光感应层表面电荷分布变化，从而诱导与光感应层接触的半导体层表面的电荷分布发生改变，进而引起半导体层内部极化场强的改变，导致2DEG的变化，使得输出电流发生改变，最终使输入的光辐射信号转换成变化的电流信号被探测。2015年，该课题组依据AlGaN/GaN HEMT提出了新的探测机制——基于高电子迁移率晶体管的光谱探测器及其制备方法[40]。该探测器基于GaN基HEMT基本结构，在栅极金属上有一层光电阴极薄膜，工作机制如下：光辐射入射到光电阴极薄膜上，使光电阴极薄膜发生外光电效应，表面电荷分布发生变化，使栅极电压发生改变，导致HEMT内部2DEG浓度发生变化，从而诱导沟道电流发生变化，使光波信号转变为电信号被探测。

4 结论与展望

GaN基HEMT具有灵敏度高、响应速度快、适应恶劣环境、结构机理简单等优点。近年来，国内外针对GaN基HEMT结构的传感探测器件的研究竞相展开，国外的研究已相当成熟并取得了很好的效果。其中以氢气传感器、生物分子传感器最为成熟，GaN基HEMT光探测器也比其他结构的光探测器具有更高的灵敏度、更快的响应速度而且在恶劣条件下更为稳定。

GaN基HEMT结构传感器的未来发展将着重放在以下几个方面：(1)深入研究AlGaN/GaN异质结，得到质量好且稳定的AlGaN/GaN外延片；(2)研究GaN基HEMT器件结构，得到性能好且能更好地与其他技术兼容的GaN基HEMT结构；(3)器件制备工艺过程中需要克服表面缺陷的引入，保持单一影响源的表面态；(4)进一步探索Si衬底GaN基HEMT器件结构并实现该有的探测，也方便融入传统Si工艺生产以实现集成化，同时降低成本；(5)着重研究GaN基HEMT栅结构及栅材料，引进新技术，探索新机理，实现GaN基HEMT传感器的多元化。

作为传感探测领域的新秀，GaN基HEMT在未来的传感探测领域还将实现高灵敏的多方面探测，国内GaN基HEMT研究人员应该再进一步考虑GaN基HEMT器件自身优点，尝试结合其他功能材料，或者尝试采用与新技术的结合，比如纳米线技术，以实现现有传感探测器件所不具备的特性和优点。

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朱彦旭(1977-)，男，河北秦皇岛人，博士，副教授，2007年于北京工业大学获得博士学位，主要从事GaN 基HEMT、传感器等电子器件以及半导体发光二极管、激光器、太阳能电池、探测器等半导体光电器件的研究。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

教师队伍建设(PXM2016_014204_000017_00205938_FCG)青年拔尖项目(市级)； 国家自然科学基金(61574011)； 北京市自然科学基金(4142005)； 北京市教委能力提升项目(PXM2016_014204_500018)资助

TN366； TN386.3； TP212

A

10.3788/fgxb20163712.1545