GaN HEMT發展趨勢及運用原理

沈 杭

（上海電力大學，上海 201200）

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

基于Si的FET生物傳感器具有靈敏度高、體積小、傳遞機制簡單、與CMOS工藝兼容、成本低等優點，已成為人們研究的熱點。其應用范圍從宏觀環境監測到納米尺度生物分子相互作用研究。但是，Si很容易受到化學和生物試劑的影響。根據Cimalla等人[5]和Kokawa等人[6]的研究，雖然SiO2能提供足夠的細胞粘附和生長，但AlGaN/GaN器件不受AI摩爾分數和工藝步驟的影響，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定性、化學穩定性、帶隙、靈敏度、功耗以及響應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/化學傳感領域顯示出了廣闊的應用前景。該2DEG溝道存在于界面處，在HEMT表面產生誘導正電荷，環境中的任何變化都改變了該表面電荷，并作為反效應改變了器件界面上的溝道密度和電勢。

1 GaN器件研究進展

GaN具有禁帶寬度大、熱導率高、耐高溫、抗輻射、耐酸堿、高強度和高硬度等特性，是目前研究人員最感興趣的半導體材料之一。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）、金屬半導體場效應管（MESFET）、金屬氧化物場效應管（MOSFET）等，GaN電子器件幾乎占領著半導體研究的所有領域。幾十年前，科技還沒那么發達的時候，GaN器件的成本相對于SiC等器件要高很多，但是由于其較好的性能，市場競爭仍然十分激烈，世界各地都有GaN的大型生產廠家。近幾年，隨著科技的進步，GaN器件的成本越來越低，而且GaN器件在軍事和航天領域也展現出了巨大優勢，有相當大的需求，受到整個半導體界的密切關注。而在GaN相關的所有電子器件中，GaN HEMT器件又占據了最為核心的地位。

2 生物HEMT傳感器研究現狀

HEMT技術正被用于生物傳感器的開發。許多HEMT生物傳感器已經在實驗上得到了發展，生物傳感器利用化學反應來檢測生化化合物。生物分子（如蛋白質）以特定方式結合其他分子是傳感器探測目標分子存在與否的基本原理。生物傳感器可以檢測多種生物分子，包括病毒、核酸、DNA、RNA和蛋白質。近年來，生物傳感器被應用于食品分析、藥物開發、犯罪檢測、醫學診斷、環境現場監測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、電勢、質量、溫度和強度）。傳感元件的工作原理是在被分析物與生物元素相容時，產生電信號的變化。這種電信號的強弱標志著生物傳感器對被分析物是否敏感。因此被分析物與生物元素的相容性對生物分子的檢測起著重要作用。

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在化學上很穩定，并且會形成離子鍵。因此，當在GaN頂部生長AlGaN勢壘層時，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、應變傳感器、霍爾磁場傳感器、太赫茲傳感器），化學傳感器（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）已經開發出來[10]。基于AlGaN/GaN HEMT的pH傳感器也已經開發出來，該器件使用pH參數進行化學分析和生物醫學分析[11]。

3 生物HEMT傳感器運用原理

由于Ga和N原子的電負性引起的非中心對稱導致在Ga面沿c軸生長器件外延層時形成一個與六方面正交的自發極化場（Psp）。當Al含量為23%時，Al－GaN晶格常數為≈3.09A0，小于GaN（3.18A0）。當AlGaN生長在GaN上時，由于尺寸張力的影響，在界面處會產生較大的極化，從而導致極化場的壓電分量（Ppz）。所形成的2DEG可以用一個非線性方程來表示，當采用精確的近似簡化后，可以得到所有的器件特性。在異向界面處的總極化是

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

其中，a0和a是分別在異質界面處的弛豫狀態和應力晶格常數，其中m是AlmGa1-mN中的Al摩爾分數，C是壓電與彈性常數。由于底部GaN層沒有應變，因此Ppz僅由應變的AlN間隔層和AlmGa1-mN勢壘層貢獻。現在總極化變為

修改現有的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的相對介電常數，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是有效的費米能級在異性界面，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可控制異質結勢阱的深度，則可控制勢阱中二維電子氣（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和增強型GaN HEMT。在GaN HEMT器件中，由于AlGaN和GaN兩個界面的晶體極性，會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]。而增強型GaN HEMT則是通過工藝結構來轉換閾值電壓極性，如圖2所示，通過刻蝕掉柵極下面的AlGaN層構造出嵌入式結構，提高閾值電壓。

圖1 耗盡型GaN HEMT

圖2 增強型GaN HEMT

5 結論

根據國內對于GaN HEMT生物傳感器的研究現狀來看，目前我國對于GaN HEMT器件的研究還處于起步階段，仍然存在許多問題。GaN HEMT器件由于其優秀的性能，全世界的科學家都在抓緊研究想要搶先一步，所以國內對于GaN HEMT器件需要進行進一步的研究。中國的綜合國力現在已經不弱于全世界任何一個國家，在半導體方面的落后也只是暫時的，相信在不久的將來，中國一定能將半導體做到世界頂尖水平。