GaN HEMT發(fā)展趨勢(shì)及運(yùn)用原理

沈 杭

（上海電力大學(xué)，上海 201200）

近十年來(lái)，由于全球傳播的各種威脅生命的疾病的爆發(fā)，POCT（Point of Care Testing）和生物分析的檢測(cè)得到了廣泛的研究和關(guān)注。最近幾年，用于檢測(cè)生物分子的電子傳感器已經(jīng)成為了生物領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。目前已經(jīng)開發(fā)了很多種研究方法，其中包括熒光傳感器[1]、ELISA（酶聯(lián)免疫吸附測(cè)定）[2]、電化學(xué)方法[3]和質(zhì)譜法[4]。

基于Si的FET生物傳感器具有靈敏度高、體積小、傳遞機(jī)制簡(jiǎn)單、與CMOS工藝兼容、成本低等優(yōu)點(diǎn)，已成為人們研究的熱點(diǎn)。其應(yīng)用范圍從宏觀環(huán)境監(jiān)測(cè)到納米尺度生物分子相互作用研究。但是，Si很容易受到化學(xué)和生物試劑的影響。根據(jù)Cimalla等人[5]和Kokawa等人[6]的研究，雖然SiO2能提供足夠的細(xì)胞粘附和生長(zhǎng)，但AlGaN/GaN器件不受AI摩爾分?jǐn)?shù)和工藝步驟的影響，具有更好的粘附性能和更好的生物相容性。第3組氮化物基器件在熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、帶隙、靈敏度、功耗以及響應(yīng)速度方面比硅基器件具有更好的材料性能[7]。由于2DEG在異界面上的存在，GaN HEMT在生物/化學(xué)傳感領(lǐng)域顯示出了廣闊的應(yīng)用前景。該2DEG溝道存在于界面處，在HEMT表面產(chǎn)生誘導(dǎo)正電荷，環(huán)境中的任何變化都改變了該表面電荷，并作為反效應(yīng)改變了器件界面上的溝道密度和電勢(shì)。

1 GaN器件研究進(jìn)展

GaN具有禁帶寬度大、熱導(dǎo)率高、耐高溫、抗輻射、耐酸堿、高強(qiáng)度和高硬度等特性，是目前研究人員最感興趣的半導(dǎo)體材料之一。GaN材料由于器件性能比較好，被制作成了各種各樣的電子器件。最為常見的有高電子遷移率晶體管（HEMT）、金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管（MESFET）、金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）等，GaN電子器件幾乎占領(lǐng)著半導(dǎo)體研究的所有領(lǐng)域。幾十年前，科技還沒(méi)那么發(fā)達(dá)的時(shí)候，GaN器件的成本相對(duì)于SiC等器件要高很多，但是由于其較好的性能，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)仍然十分激烈，世界各地都有GaN的大型生產(chǎn)廠家。近幾年，隨著科技的進(jìn)步，GaN器件的成本越來(lái)越低，而且GaN器件在軍事和航天領(lǐng)域也展現(xiàn)出了巨大優(yōu)勢(shì)，有相當(dāng)大的需求，受到整個(gè)半導(dǎo)體界的密切關(guān)注。而在GaN相關(guān)的所有電子器件中，GaN HEMT器件又占據(jù)了最為核心的地位。

2 生物HEMT傳感器研究現(xiàn)狀

HEMT技術(shù)正被用于生物傳感器的開發(fā)。許多HEMT生物傳感器已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)上得到了發(fā)展，生物傳感器利用化學(xué)反應(yīng)來(lái)檢測(cè)生化化合物。生物分子（如蛋白質(zhì)）以特定方式結(jié)合其他分子是傳感器探測(cè)目標(biāo)分子存在與否的基本原理。生物傳感器可以檢測(cè)多種生物分子，包括病毒、核酸、DNA、RNA和蛋白質(zhì)。近年來(lái)，生物傳感器被應(yīng)用于食品分析、藥物開發(fā)、犯罪檢測(cè)、醫(yī)學(xué)診斷、環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)以及生物分子相互作用的研究[8]。生物傳感器是2種元素的組合，一種是生物元素（酶、核酸、多糖組織、微生物和抗體），另一種是傳感器元素（電流、電導(dǎo)、電勢(shì)、質(zhì)量、溫度和強(qiáng)度）。傳感元件的工作原理是在被分析物與生物元素相容時(shí)，產(chǎn)生電信號(hào)的變化。這種電信號(hào)的強(qiáng)弱標(biāo)志著生物傳感器對(duì)被分析物是否敏感。因此被分析物與生物元素的相容性對(duì)生物分子的檢測(cè)起著重要作用。

具有高擊穿電壓和高電子遷移率的HEMT已被用于生物傳感器件[9]。GaN在化學(xué)上很穩(wěn)定，并且會(huì)形成離子鍵。因此，當(dāng)在GaN頂部生長(zhǎng)AlGaN勢(shì)壘層時(shí)，生物分子可以輕松附著在其表面上。基于HEMT的物理傳感器（壓力傳感器、應(yīng)變傳感器、霍爾磁場(chǎng)傳感器、太赫茲傳感器），化學(xué)傳感器（鉀離子傳感器、汞離子傳感器、硝酸根離子傳感器、氯離子傳感器、銨離子傳感器、氧傳感器、氫傳感器、Cl2氣體傳感器）和生物傳感器（DNA傳感器、葡萄糖傳感器、乳酸傳感器、尿酸傳感器、c-erb-2傳感器、前列腺特異性抗原傳感器和肉毒桿菌毒素傳感器）已經(jīng)開發(fā)出來(lái)[10]?；贏lGaN/GaN HEMT的pH傳感器也已經(jīng)開發(fā)出來(lái)，該器件使用pH參數(shù)進(jìn)行化學(xué)分析和生物醫(yī)學(xué)分析[11]。

3 生物HEMT傳感器運(yùn)用原理

由于Ga和N原子的電負(fù)性引起的非中心對(duì)稱導(dǎo)致在Ga面沿c軸生長(zhǎng)器件外延層時(shí)形成一個(gè)與六方面正交的自發(fā)極化場(chǎng)（Psp）。當(dāng)Al含量為23%時(shí)，Al－GaN晶格常數(shù)為≈3.09A0，小于GaN（3.18A0）。當(dāng)AlGaN生長(zhǎng)在GaN上時(shí)，由于尺寸張力的影響，在界面處會(huì)產(chǎn)生較大的極化，從而導(dǎo)致極化場(chǎng)的壓電分量（Ppz）。所形成的2DEG可以用一個(gè)非線性方程來(lái)表示，當(dāng)采用精確的近似簡(jiǎn)化后，可以得到所有的器件特性。在異向界面處的總極化是

Psp是用線性插值法計(jì)算，計(jì)算值為0.63 C/m2。Ppz取決于晶格和材料參數(shù)，計(jì)算如下[12]。極化隨著m（AlGaN中Al的摩爾分?jǐn)?shù)）的增加而減小，并且由于界面處的應(yīng)變松弛而降低了片電荷密度。

其中，a0和a是分別在異質(zhì)界面處的弛豫狀態(tài)和應(yīng)力晶格常數(shù)，其中m是AlmGa1-mN中的Al摩爾分?jǐn)?shù)，C是壓電與彈性常數(shù)。由于底部GaN層沒(méi)有應(yīng)變，因此Ppz僅由應(yīng)變的AlN間隔層和AlmGa1-mN勢(shì)壘層貢獻(xiàn)?，F(xiàn)在總極化變?yōu)?/p>

修改現(xiàn)有的AlGaAs/GaAs HEMT[13]模型，AlGaN/GaN與AlN中間層界面處的2DEG濃度可表述為

Q2DEG是電荷密度的2-DEG通道，∈AlGaN（m）是AlmGa1-mN的相對(duì)介電常數(shù)，deff是有效距離肖特基門通道，rg是門粗糙度，tAlGaN、tAlN是沃甘阻擋層的厚度和AlN界面層，鎳的墊片極化密度，EF是有效的費(fèi)米能級(jí)在異性界面，Vch（x）是潛在的二維通道沿x方向，Φs是肖特基勢(shì)壘的高度，VGS和Voff=（Φs-+Vc（hx））分別為門電壓和將2-DEG完全耗盡并關(guān)閉器件的電壓，Vch（x）為通道電位，Δd2DEG為2DEG與AlN/GaN接口的偏移量。

4 GaN HEMT器件類型

HEMT是電壓控制器件，柵極電壓Vg可控制異質(zhì)結(jié)勢(shì)阱的深度，則可控制勢(shì)阱中二維電子氣（2DEG）的面密度，從而控制著器件的工作電流。一般情況下，GaN HEMT可分為耗盡型GaN HEMT和增強(qiáng)型GaN HEMT。在GaN HEMT器件中，由于AlGaN和GaN兩個(gè)界面的晶體極性，會(huì)形成一層二維電子氣，作為源極和漏極之間的溝道，如圖1所示，在這種情況下，GaN器件是常開的，也就是所謂的耗盡型GaN HEMT[14]。而增強(qiáng)型GaN HEMT則是通過(guò)工藝結(jié)構(gòu)來(lái)轉(zhuǎn)換閾值電壓極性，如圖2所示，通過(guò)刻蝕掉柵極下面的AlGaN層構(gòu)造出嵌入式結(jié)構(gòu)，提高閾值電壓。

圖1 耗盡型GaN HEMT

圖2 增強(qiáng)型GaN HEMT

5 結(jié)論

根據(jù)國(guó)內(nèi)對(duì)于GaN HEMT生物傳感器的研究現(xiàn)狀來(lái)看，目前我國(guó)對(duì)于GaN HEMT器件的研究還處于起步階段，仍然存在許多問(wèn)題。GaN HEMT器件由于其優(yōu)秀的性能，全世界的科學(xué)家都在抓緊研究想要搶先一步，所以國(guó)內(nèi)對(duì)于GaN HEMT器件需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究。中國(guó)的綜合國(guó)力現(xiàn)在已經(jīng)不弱于全世界任何一個(gè)國(guó)家，在半導(dǎo)體方面的落后也只是暫時(shí)的，相信在不久的將來(lái)，中國(guó)一定能將半導(dǎo)體做到世界頂尖水平。