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RTP快速退火爐的合金化在GaN基HEMT傳感器中的應(yīng)用

來源:武漢嘉儀通科技有限公司 更新時(shí)間:2024-04-09 11:15:03 閱讀量:162
導(dǎo)讀:GaN基HEMT傳感器是基于AIGaN/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
GaNHEMT傳感器是基于AIGaN/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(cè)器件。在GaN HEMT 結(jié)構(gòu)中異質(zhì)結(jié)AIGaN/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,且這層2DEG十分接近表面,對(duì)表面的狀態(tài)十分敏感。AIGaN/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[1],此后研究者們便展開了以GaNHEMT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[2]。
蘇等人[3]研發(fā)了一款基于Pt NPs/AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管(HEMT)器件,僅通過調(diào)整工作溫度,證明了氫(H2)和氨(氨)的雙氣檢測(cè)適合于多氣檢測(cè)和電子鼻等應(yīng)用領(lǐng)域,如圖1左圖所示基于GaNHEMT氣體傳感器,通過MOCVD20×20毫米的Si111)襯底上形成的,采用了AlGaN/GaN  HEMT具備有序的層狀構(gòu)造,包括初AlGaN/GaN/AlGaN。在器件制作過程中,采用磁控濺射設(shè)備沉積了歐姆接觸Ti/Al/Ti/Au多層膜。為了在金屬多層膜與AlGaN之間形成歐姆接觸,在氮?dú)庵惺褂眉t外退火爐RTPIRLA-1200,,China)在650C下進(jìn)行了60 s的快速退火1右圖展示了HEMT器件的結(jié)構(gòu)、傳感器陣列的光學(xué)圖像、HEMT器件的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像以及單個(gè)設(shè)備的放大SEM圖像。

 

       圖1 氣體傳感器的應(yīng)用示意圖及HEMT器件的結(jié)構(gòu)圖和實(shí)物圖

作者研究了從120C200C的不同工作溫度下的氣體傳感性能。在圖2左圖中,可以清楚地看到,在120C時(shí),H2的響應(yīng)大約是NH3的兩倍,這表明Pt/AlGaN/GaN HEMT器件在相對(duì)較低的工作溫度下對(duì)H2氣體更為敏感。在圖2右圖中,將溫度進(jìn)一步提高到200C時(shí),但NH3的響應(yīng)比H2氣體的響應(yīng)明顯增大其中NH3H2的響應(yīng)分別為135.9%90.1%。雖然對(duì)H2的選擇性不高,但Pt/AlGaN/GaN HEMT確實(shí)通過簡(jiǎn)單地調(diào)整工作溫度從H2變?yōu)榘眰鞲衅鳌?/span>

 

2 120℃和200℃下HEMT對(duì)H2NH3的響應(yīng)程度

3左圖描述了HEMT傳感器對(duì)1~100ppm濃度NH3的響應(yīng)數(shù)據(jù),展現(xiàn)出該傳感器的NH3的高靈敏特性。為了評(píng)估其穩(wěn)定性,對(duì)傳感器的100 ppm NH3的響應(yīng)被監(jiān)測(cè)和測(cè)量了半年的時(shí)間。該裝置被儲(chǔ)存在空氣中,沒有任何包裝。如圖3右圖所示,保存180天后,響應(yīng)時(shí)間沒有明顯變化,響應(yīng)值從159%略有下降到148%,表明其具有良好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

 

3 HEMT傳感器對(duì)1-100 ppmNH3的響應(yīng)及在半年內(nèi)對(duì)100ppm的持續(xù)記錄

高靈敏度和高穩(wěn)定性的Pt/AlGaN/GaN HEMT器件具有的高響應(yīng)速度和高耐久性也源于RTP快速退火爐的良好表現(xiàn),RTP系列產(chǎn)品是武漢有限公司的核心產(chǎn)品,在薄膜材料制備及熱處理方面展現(xiàn)出諸多優(yōu)勢(shì),形成鮮明的行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力,高質(zhì)量薄膜材料提供了快速升降溫、精準(zhǔn)控溫的高均勻性的高溫場(chǎng)和氣氛保護(hù),具體表現(xiàn)在

 快速升溫的高溫場(chǎng)能夠促進(jìn)金屬層的熱擴(kuò)散,獲得更低的接觸電阻,形成歐姆接觸;

 精準(zhǔn)控溫能夠提高歐姆接觸的穩(wěn)定性,具有高重復(fù)性、高穩(wěn)定性的歐姆接觸。

 氣氛填充有助于避免金屬電極的高溫氧化,降低表面電阻率,或者不同流速的調(diào)控可以對(duì)反應(yīng)速率進(jìn)行細(xì)微控制。

此外,嘉儀通快速退火爐(RTP,Rapid Thermal Processing)產(chǎn)品,采用紅外輻射加熱及冷壁技術(shù),可實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜材料的快速升溫和降溫,同時(shí)搭配超高精度的溫度控制系統(tǒng),可達(dá)到極佳的溫場(chǎng)均勻性和穩(wěn)定性。
嘉儀通()快速退火爐系列可處理1-12樣品,對(duì)材料的金屬合金化、快速熱處理、快速熱退火、快速熱氧化及快速熱氮化等研究和生產(chǎn)起到重要作用。

參考文獻(xiàn):

[1]Fauzi N, Mohd Asri R I, Mohamed Omar M F, et al. Status and Prospects of Heterojunction-Based HEMT for Next-Generation Biosensors[J]. Micromachines, 2023, 14(2): 325.

[2]朱彥旭, 王岳華, 宋會(huì)會(huì), . 基于 GaN HEMT 結(jié)構(gòu)的傳感器件研究進(jìn)展[J]. 發(fā)光學(xué)報(bào), 2016, 37(12): 1545-1553.

[3]Su H, Wang Y, Xu F, et al. Dual-gas sensor based on the Pt NPs/AlGaN/GaN high electron mobility transistor for H 2 and NH 3 gases detection[J]. IEEE Sensors Journal, 2023.


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