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RTP快速退火炉的合金化在GaN基HEMT传感器中的应用

发布：武汉嘉仪通科技有限公司

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GaN基HEMT传感器是基于AIGaN/GaN异质结处的二维电子气(2DEG)易受表面态控制的特性而发展起来的一种新型传感探测器件。在GaN 基HEMT 结构中异质结AIGaN/GaN 界面处会形成一个2DEG的表面通道，势阱中的2DEG受控于栅极电压，且这层2DEG十分接近表面，对表面的状态十分敏感。AIGaN/GaN 异质结对离子、极性液体、氢气和生物材料具有强烈的敏感性[1]，此后研究者们便展开了以GaN基HEMT为结构的一系列传感器的研究。目前研究相对比较成熟的主要有气体传感器和生物传感器[2]。

苏等人[3]研发了一款基于Pt NPs/AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）器件，仅通过调整工作温度，证明了氢（H2）和氨（氨）的双气检测，适合于多气检测和电子鼻等应用领域，如图1左图所示。该基于GaN的HEMT气体传感器，通过MOCVD在20×20毫米的Si（111）衬底上形成的，采用了AlGaN/GaN HEMT具备有序的层状构造，包括初AlGaN/GaN/AlGaN等。在器件制作过程中，采用磁控溅射设备沉积了欧姆接触Ti/Al/Ti/Au多层膜。为了在金属多层膜与AlGaN之间形成欧姆接触，在氮气中使用红外退火炉RTP（IRLA-1200，，China）在650C下进行了60 s的快速退火。图1右图展示了HEMT器件的结构、传感器阵列的光学图像、HEMT器件的扫描电子显微镜（SEM）图像以及单个设备的放大SEM图像。

图1 气体传感器的应用示意图及HEMT器件的结构图和实物图

作者研究了从120C到200C的不同工作温度下的气体传感性能。在图2左图中，可以清楚地看到，在120C时，H2的响应大约是NH3的两倍，这表明Pt/AlGaN/GaN HEMT器件在相对较低的工作温度下对H2气体更为敏感。在图2右图中，将温度进一步提高到200C时，但NH3的响应比H2气体的响应明显增大，其中，NH3和H2的响应分别为135.9%和90.1%。虽然对H2的选择性不高，但Pt/AlGaN/GaN HEMT确实通过简单地调整工作温度从H2变为氨传感器。

图2 在120℃和200℃下HEMT对H2和NH3的响应程度

图3左图描述了HEMT传感器对1~100ppm浓度下NH3的响应数据，展现出该传感器的NH3的高灵敏特性。为了评估其稳定性，对传感器的100 ppm NH3的响应被监测和测量了半年的时间。该装置被储存在空气中，没有任何包装。如图3右图所示，保存180天后，响应时间没有明显变化，响应值从159%略有下降到148%，表明其具有良好的长期稳定性。

图3 HEMT传感器对1-100 ppmNH3的响应及在半年内对100ppm的持续记录

高灵敏度和高稳定性的Pt/AlGaN/GaN HEMT器件具有的高响应速度和高耐久性也源于RTP快速退火炉的良好表现，RTP系列产品是武汉有限公司的核心产品，在薄膜材料制备及热处理方面展现出诸多优势，形成鲜明的行业竞争力，为高质量薄膜材料提供了快速升降温、精准控温的高均匀性的高温场和气氛保护，具体表现在：

√ 快速升温的高温场能够促进金属层的热扩散，获得更低的接触电阻，形成欧姆接触；

√ 精准控温能够提高欧姆接触的稳定性，具有高重复性、高稳定性的欧姆接触。

√ 气氛填充有助于避免金属电极的高温氧化，降低表面电阻率，或者不同流速的调控可以对反应速率进行细微控制。

此外，嘉仪通快速退火炉（RTP，Rapid Thermal Processing）产品，采用红外辐射加热及冷壁技术，可实现对薄膜材料的快速升温和降温，同时搭配超高精度的温度控制系统，可达到极佳的温场均匀性和稳定性。

嘉仪通()快速退火炉系列可处理1-12吋样品，对材料的金属合金化、快速热处理、快速热退火、快速热氧化及快速热氮化等研究和生产起到重要作用。

参考文献：

[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]朱彦旭, 王岳华, 宋会会, 等. 基于 GaN 基 HEMT 结构的传感器件研究进展[J]. 发光学报, 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.

2024-04-09

本文链接：https://www.yiqi.com/zt11044/article_46659.html

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