【氮化镓】高Al含量AlGaN势垒层GaN ISFETs在pH传感中的应用

总结

本文提供了对高铝含量AlGaN势垒层GaN ISFETs在pH传感应用中的表面敏感性和稳定性的深入理解。通过实验和分析，文章揭示了这些设备在碱性环境中面临的挑战，并提出了可能的改进方向，如表面处理的优化和使用脉冲电流进行测量以减少测量时间。这项研究对于开发更可靠的pH传感器具有重要意义，并为未来的研究提供了有价值的见解。

1. 引言 (Introduction)

文章开头介绍了AlGaN/GaN基ISFETs在生物化学传感和环境监测方面的潜力，强调了它们在高温操作、化学稳定性以及对pH值、多离子、DNA、酶等的敏感性。此外，ISFETs与常规CMOS技术和相关半导体技术的兼容性使得它们可以通过微纳米工艺制造，并容易与电路集成。

2. 实验 (Experiment)

实验部分详细描述了AlGaN/GaN异质结构的生长过程，包括在蓝宝石基底上生长缓冲层、非掺杂GaN层以及多层AlGaN势垒层。接着，文章介绍了设备隔离、源漏电极的沉积和退火处理、样品的切割和安装，以及开放栅极区域的尺寸。

3. 结果与讨论 (Results and discussion)

3.1 电学特性的影响

通过Schottky-gated异质结构场效应晶体管（HFET）设备评估了堆叠势垒（SB）结构对二维电子气（2DEG）通道电学特性的影响。实验结果显示，与常规AlGaN势垒（CB）相比，SB结构在相同栅源电压下显示出更高的最大漏极电流密度，但阈值电压和跨导相当。

3.2 表面敏感性

ISFETs在不同pH值的三种溶液中展示了良好的截止特性，并且灵敏度约为55.5 mV/pH，接近室温Nernstian极限。然而，在碱性溶液中工作后，观察到阈值电压的正向偏移以及输出电流的减少。

3.3 表面稳定性

在碱性溶液中多次测量后，传感器的转移特性显示出明显的正向偏移，伴随着测试时间的增加。通过高分辨率扫描电子显微镜（SEM）观察到，碱性传感后设备表面出现了许多反应残留物，证实了位错在碱性传感期间的刻蚀效应。

3.4 退化机制

文章通过X射线光电子能谱（XPS）和透射电子显微镜（TEM）等技术，分析了pH传感测量后AlGaN/GaN pH传感器的表面形貌和化学成分的变化。结果表明，AlGaN向氧化物的转变以及随后的碱性溶液溶解是导致电气性能下降的原因。

4. 结论 (Conclusion)

文章总结了AlGaN/GaN ISFETs在不同溶液中的性能表现和退化机制。尽管在三种溶液中表现出了良好的截止特性和高灵敏度，但在碱性溶液中多次测量后，阈值电压的增加和输出电流的减少揭示了其表面稳定性的问题。通过SEM和XPS分析，确认了位错刻蚀效应和AlGaN向氧化物的转变是导致性能退化的原因。

图1: pH传感器的示意图和pH传感系统

• 图1a 展示了在AlGaN/GaN异质结构上的pH传感器的示意图，包括了缓冲层、非掺杂GaN层以及多层AlGaN势垒层的结构。
• 图1b 展示了pH传感系统的测量系统，包括了半导体参数分析仪、Ag/AgCl参比电极、铂对电极和pH计。

图2: HFET的特性曲线

• 图2a 展示了CB和SB结构的HFET在不同栅极电压下的漏极电流-电压（I-V）特性，显示了良好的截止特性。
• 图2b 展示了HFET的转移特性，以及在不同栅极电压下的跨导。插图展示了跨导随栅极电压的变化。

图3: ISFETs的输出和转移特性

• 图3a 展示了ISFETs在不同pH值溶液中的输出I-V特性，以及在不同参考电压下的测量结果。
• 图3b 展示了ISFETs的转移特性，插图展示了在漏极电流为4 mA时，pH灵敏度的计算结果。

图4: pH传感器的转移曲线和阈值电压变化

• 图4a 展示了在碱性溶液中多次测量后，pH传感器的转移曲线呈现出明显的正向偏移。
• 图4b 展示了在测试过程中，设备在漏极电流为1 mA时的阈值电压随测试时间的变化。

图5: 器件表面的SEM图像

• 图5a 展示了在pH传感前设备表面的SEM图像，显示出均匀且光滑的表面。
• 图5b 展示了在pH传感后设备表面的SEM图像，观察到许多六角形凹坑，这是由于位错在碱性传感期间的刻蚀效应。

图6: XPS光谱

• 图6a 和 图6b 分别展示了在pH传感前后，GaN材料的Ga3d和Al2p的XPS核心能级光谱，显示了Ga和Al元素强度的减少，以及Ga-O键合强度的增加。

图7: TEM图像和EDX映射图像

• 图7a 展示了设备横截面的TEM图像，观察到许多约100 nm大小的空洞。
• 图7b 是图7a中标记为区域1的放大图像，展示了AlGaN/GaN界面的清晰界面和AlGaN势垒的厚度。
• 图7c-f 是设备的EDX映射图像，展示了N、Ga、Al和O元素的分布，空洞区域的Ga和Al元素减少，而氧元素在空洞区域富集。