無柵AlInN/GaN場效應(yīng)晶體管傳感器及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明專利涉及環(huán)境檢測領(lǐng)域，具體涉及一種具有離子識(shí)別與濃度檢測的無柵 Al InN/GaN場效應(yīng)晶體管傳感器及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 分子印跡是近年來出現(xiàn)的制備對(duì)模板分子具有識(shí)別功能聚合物的新技術(shù)，由于分 子印跡聚合物（molecularly imprinted polymer, MIP)具有高選擇性，在色譜分離、固相萃 取、生物傳感器、選擇性催化等領(lǐng)域顯示了優(yōu)越性，因而已成為研究的熱點(diǎn)之一。水環(huán)境污 染問題越來越受到人們的關(guān)注，有效的檢測水環(huán)境污染物已成為與人們?nèi)粘Ｉ钕⑾⑾嚓P(guān) 的重要問題之一，然而由于水體情況的復(fù)雜性，對(duì)于是否存在污染物的檢測仍存在一定困 難，實(shí)現(xiàn)污染物的識(shí)別更加顯得困難重重。
[0003] 針對(duì)上述情況，利用AlInN/GaN場效應(yīng)晶體管的高電子迀移率特性，結(jié)合分子印 跡的選擇吸附特性，本發(fā)明提出了一種新型的無柵AlInN/GaN場效應(yīng)晶體管傳感器，用于 檢測水中的有害陰離子，基本原理是通過對(duì)AlInN/GaN高電子迀移率晶體管（HEMT)器件進(jìn) 行基于分子印跡技術(shù)的特定的表面功能化改性，改性后的器件表面就會(huì)對(duì)特定的有害陰離 子進(jìn)行選擇性吸附，這種吸附將改變器件表面的電荷數(shù)量，引起表面電勢的變化，進(jìn)而引起 異質(zhì)結(jié)溝道內(nèi)二維電子氣濃度的變化，器件的輸出電流隨之發(fā)生變化，即實(shí)現(xiàn)傳感的功能， 不同的功能化改性可實(shí)現(xiàn)不同物質(zhì)的識(shí)別與濃度檢測。與AlGaN/GaN場效應(yīng)晶體管相比， AlInN/GaN場效應(yīng)晶體管的AlInN材料由A1N與InN按一定的組分比混合而成，纖鋅礦A1N 的晶格常數(shù)（aA1N)要小于GaN的晶格常數(shù)（a&N)，而InN的晶格常數(shù)（a InN)要大于GaN的晶 格常數(shù)（a&N)，因而由A1N與InN按一定的組分比（0. 8:0. 2左右）混合而成的AlInN材料 的晶格常數(shù)更接近GaN的晶格常數(shù)（a&N)，這有利于Al InN/GaN材料生長質(zhì)量的提高，另一 方面，高A1組分Al InN與GaN的能帶失配更大，有助于形成更高濃度的二維電子氣（2DEG)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種具有離子識(shí)別與濃度檢測的無柵AlInN/GaN場效應(yīng) 晶體管傳感器及其制備方法。
[0005] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種無柵AlInN/GaN場效應(yīng)晶體管 傳感器，其結(jié)構(gòu)從下至上依次為：襯底、A1N成核層、GaN緩沖層、AlInN層；
[0006] 還包括源端電極、與源端電極相連的源端電極PAD，漏端電極、與漏端電極相連的 漏端電極PAD，所述源端電極、源端電極PAD、漏端電極與漏端電極PAD分別沉積在AlInN 層上，還包括鈍化層，所述鈍化層覆蓋整個(gè)源端電極、源端電極PAD與漏端電極、漏端電極 PAD，在覆蓋源端電極PAD與漏端電極PAD的鈍化層上刻蝕出窗口，深度至PAD顯露；
[0007] 還包括離子印跡聚合物層，所述離子印跡聚合物層位于AlInN層上，源端電極鈍 化層與漏端電極鈍化層之間的區(qū)域，所述離子印跡聚合物層含有印跡孔穴。
[0008] 優(yōu)選的，所述離子印跡聚合物層采用離子印跡技術(shù)制備，其厚度為1-4個(gè)分子層 之間。
[0009] 優(yōu)選的，所述離子印跡聚合物層的印跡孔穴只能被特定的離子填充，具有單一離 子識(shí)別功能。
[0010] 優(yōu)選的，所述襯底為Sic或藍(lán)寶石。
[0011] 優(yōu)選的，所述A1N成核層厚度在l-3nm之間，GaN緩沖層厚度在l-3um之間，AlInN 層的A1組分為0· 7到0· 9之間，厚度在3-15nm之間。
[0012] 優(yōu)選的，所述鈍化層為Si3N4或Si02。
[0013] 優(yōu)選的，所述離子印跡聚合物層的結(jié)構(gòu)為
[0015] 其中印跡孔穴的尺寸大小、形狀、還有化學(xué)鍵與P043離子相匹配。
[0016] 優(yōu)選的，所述離子印跡聚合物層的結(jié)構(gòu)為
[0017]
[0018] 其中印跡孔穴的尺寸大小、形狀、還有化學(xué)鍵與C13CC00離子相匹配。
[0019] 優(yōu)選的，所述離子印跡聚合物層的結(jié)構(gòu)為
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[0021] 其中印跡孔穴的尺寸大小、形狀、還有化學(xué)鍵與Cr204 2離子相匹配。
[0022] 本發(fā)明還提供了一種無柵AlInN/GaN場效應(yīng)晶體管傳感器的制備方法，其步驟包 括：
[0023] (1)制備AlInN/GaN異質(zhì)結(jié)基片，該基片結(jié)構(gòu)從下至上依次為：襯底、A1N成核層、 GaN緩沖層、AlInN層；
[0024] (2)基片清洗；
[0025] (3)在清洗干凈的AlInN/GaN異質(zhì)結(jié)基片上沉積源端電極、與源端電極相連的源 端電極PAD，漏端電極、與漏端電極相連的漏端電極PAD ;
[0026] (4)鈍化：采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法在基片上淀積一層Si3N4或Si0 2薄膜 作為鈍化層；
[0027] (5)分別在源端電極PAD與漏端電極PAD上方的鈍化層區(qū)域刻蝕出窗口，刻蝕至電 極金屬顯露，在源端電極與漏端電極之間的鈍化層區(qū)域上刻蝕出一層無柵區(qū)，刻蝕至AlInN 層顯露；
[0028] (6)無柵區(qū)表面功能化，采用感應(yīng)耦合等離子體刻蝕技術(shù)將無柵區(qū)進(jìn)行氧化處理， 然后采用離子印跡技術(shù)修飾上離子印跡聚合物層，所述離子印跡聚合物層中的印跡孔穴只 能被特定的離子填充，具有單一離子識(shí)別功能。
[0029] 優(yōu)選的，步驟（6)中離子印跡聚合物層的制備步驟為：氧化處理后的AlInN/GaN異 質(zhì)結(jié)基片硅烷化處理，將硅烷化處理過的基片放入Na3P04 · 12H20、N-N'-亞甲基雙丙烯酰 胺、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨水溶液中，加入引發(fā)劑過硫酸銨水溶液，進(jìn)行接枝聚合 與交聯(lián)反應(yīng)，然后用NaCl溶液反復(fù)沖洗。
[0030] 優(yōu)選的，步驟（6)中離子印跡聚合物層的制備步驟為：氧化處理后的AlInN/ GaN異質(zhì)結(jié)基片放入去離子水100°C煮30分鐘，取出后N2吹干；再將基片放入體積濃度 1/11的r-氨丙基三甲氧基硅烷水溶液中50°C反應(yīng)24h，基片取出后用去離子水反復(fù)沖 洗，放入真空干燥箱120°C烘干lh ;最后取50ml去離子水放入100ml燒杯，稱取0. 6985g Na3P04 · 12H20,再加入1. 425g甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨，0. 328g N-N' -亞甲基雙丙 烯酰胺，調(diào)節(jié)溶液PH = 5,將硅烷化處理過的基片放入溶液，超聲攪拌，將燒杯放入35°C水 浴鍋加熱并保持恒溫，加入溶有0. 〇292g引發(fā)劑過硫酸銨水溶液5ml，接枝聚合與交聯(lián)反應(yīng) 12h ;取出基片用2mol/L NaCl溶有反復(fù)沖洗除去離子印跡聚合物中的P043模板離子。
[0031] 優(yōu)選的，步驟（6)中離子印跡聚合物層的制備步驟為：氧化處理后的AlInN/GaN異 質(zhì)結(jié)基片硅烷化處理，處理過的基片放入三氯乙酸、N-N'-亞甲基雙丙烯酰胺和丙烯酰氧乙 基三甲基氯化銨混合溶液中，加入引發(fā)劑過硫酸銨水溶液進(jìn)行接枝聚合與交聯(lián)反應(yīng)，然后 用2mol/L NaCl溶液反復(fù)沖洗。
[0032] 優(yōu)選的，步驟（6)中離子印跡聚合物層的制備步驟為：氧化處理后的AlInN/GaN異 質(zhì)結(jié)基片放入去離子水100°C煮30分鐘，取出后N2吹干；再將基片放入r-氨丙基三甲氧 基硅烷水溶液50°C反應(yīng)24h，基片取出后用去離子水反復(fù)沖洗，放入真空干燥箱120°C烘干 lh ;最后取50ml去離子水放入100ml燒杯，稱取0. 3267g C2HC1302，再加入1. 0385g丙烯酰 氧乙基三甲基氯化銨，0. 〇751g N-N' -亞甲基雙丙烯酰胺，調(diào)節(jié)溶液PH = 5,將硅烷化處理 過的基片放入溶液，超聲攪拌，將燒杯放入35°C水浴鍋加熱并保持恒溫，加入溶有0. 0565g 引發(fā)劑過硫酸銨水溶液5ml，接枝聚合與交聯(lián)反應(yīng)12h ;取出基片用2mol/L NaCl與lmol/L NaOH溶液反復(fù)沖洗除去離子印跡聚合物中的C13CC00模板離子。
[0033] 優(yōu)選的，步驟（6)中離子印跡聚合物層的制備步驟為：氧化處理后的AlInN/GaN異 質(zhì)結(jié)基片硅烷化處理，硅烷化處理過的基片放入N，N-二甲基甲酰胺、功能單體1-乙烯基咪 唑溶液中，再加入引發(fā)劑偶氮二異丁腈溶液，進(jìn)行接枝反應(yīng)，基片沖洗后放入K2Cr04溶液吸 附Cr042離子，然后再吸附離子后的基片放入乙醇、K 2〇04混合溶液，加入交聯(lián)劑1，6二溴 己烷進(jìn)行交聯(lián)反應(yīng)，然后用NaOH和似20)3溶液反復(fù)沖洗。
[0034] 優(yōu)選的，步驟（6)中離子印跡聚合物層的制備步驟為：氧化處理后的AlInN/GaN異 質(zhì)結(jié)基片放入去離子水l〇〇°C煮30分鐘，取出后N2吹干；再將基片放入VMPS:V CH3CH2ffl:V _ = 1 :5 :5的r-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷水溶液50°C反應(yīng)24h，基片取出后用乙醇反復(fù) 沖洗，N2吹干，放入真空干燥箱120°C烘干lh ;取5mlN，