GaN HEMT发展趋势及运用原理

沈 杭

（上海电力大学，上海 201200）

近十年来，由于全球传播的各种威胁生命的疾病的爆发，POCT（Point of Care Testing）和生物分析的检测得到了广泛的研究和关注。最近几年，用于检测生物分子的电子传感器已经成为了生物领域研究的重点。目前已经开发了很多种研究方法，其中包括荧光传感器[1]、ELISA（酶联免疫吸附测定）[2]、电化学方法[3]和质谱法[4]。

基于Si的FET生物传感器具有灵敏度高、体积小、传递机制简单、与CMOS工艺兼容、成本低等优点，已成为人们研究的热点。其应用范围从宏观环境监测到纳米尺度生物分子相互作用研究。但是，Si很容易受到化学和生物试剂的影响。根据Cimalla等人[5]和Kokawa等人[6]的研究，虽然SiO2能提供足够的细胞粘附和生长，但AlGaN/GaN器件不受AI摩尔分数和工艺步骤的影响，具有更好的粘附性能和更好的生物相容性。第3组氮化物基器件在热稳定性、化学稳定性、带隙、灵敏度、功耗以及响应速度方面比硅基器件具有更好的材料性能[7]。由于2DEG在异界面上的存在，GaN HEMT在生物/化学传感领域显示出了广阔的应用前景。该2DEG沟道存在于界面处，在HEMT表面产生诱导正电荷，环境中的任何变化都改变了该表面电荷，并作为反效应改变了器件界面上的沟道密度和电势。

1 GaN器件研究进展

GaN具有禁带宽度大、热导率高、耐高温、抗辐射、耐酸碱、高强度和高硬度等特性，是目前研究人员最感兴趣的半导体材料之一。GaN材料由于器件性能比较好，被制作成了各种各样的电子器件。最为常见的有高电子迁移率晶体管（HEMT）、金属半导体场效应管（MESFET）、金属氧化物场效应管（MOSFET）等，GaN电子器件几乎占领着半导体研究的所有领域。几十年前，科技还没那么发达的时候，GaN器件的成本相对于SiC等器件要高很多，但是由于其较好的性能，市场竞争仍然十分激烈，世界各地都有GaN的大型生产厂家。近几年，随着科技的进步，GaN器件的成本越来越低，而且GaN器件在军事和航天领域也展现出了巨大优势，有相当大的需求，受到整个半导体界的密切关注。而在GaN相关的所有电子器件中，GaN HEMT器件又占据了最为核心的地位。

2 生物HEMT传感器研究现状

HEMT技术正被用于生物传感器的开发。许多HEMT生物传感器已经在实验上得到了发展，生物传感器利用化学反应来检测生化化合物。生物分子（如蛋白质）以特定方式结合其他分子是传感器探测目标分子存在与否的基本原理。生物传感器可以检测多种生物分子，包括病毒、核酸、DNA、RNA和蛋白质。近年来，生物传感器被应用于食品分析、药物开发、犯罪检测、医学诊断、环境现场监测以及生物分子相互作用的研究[8]。生物传感器是2种元素的组合，一种是生物元素（酶、核酸、多糖组织、微生物和抗体），另一种是传感器元素（电流、电导、电势、质量、温度和强度）。传感元件的工作原理是在被分析物与生物元素相容时，产生电信号的变化。这种电信号的强弱标志着生物传感器对被分析物是否敏感。因此被分析物与生物元素的相容性对生物分子的检测起着重要作用。

具有高击穿电压和高电子迁移率的HEMT已被用于生物传感器件[9]。GaN在化学上很稳定，并且会形成离子键。因此，当在GaN顶部生长AlGaN势垒层时，生物分子可以轻松附着在其表面上。基于HEMT的物理传感器（压力传感器、应变传感器、霍尔磁场传感器、太赫兹传感器），化学传感器（钾离子传感器、汞离子传感器、硝酸根离子传感器、氯离子传感器、铵离子传感器、氧传感器、氢传感器、Cl2气体传感器）和生物传感器（DNA传感器、葡萄糖传感器、乳酸传感器、尿酸传感器、c-erb-2传感器、前列腺特异性抗原传感器和肉毒杆菌毒素传感器）已经开发出来[10]。基于AlGaN/GaN HEMT的pH传感器也已经开发出来，该器件使用pH参数进行化学分析和生物医学分析[11]。

3 生物HEMT传感器运用原理

由于Ga和N原子的电负性引起的非中心对称导致在Ga面沿c轴生长器件外延层时形成一个与六方面正交的自发极化场（Psp）。当Al含量为23%时，Al－GaN晶格常数为≈3.09A0，小于GaN（3.18A0）。当AlGaN生长在GaN上时，由于尺寸张力的影响，在界面处会产生较大的极化，从而导致极化场的压电分量（Ppz）。所形成的2DEG可以用一个非线性方程来表示，当采用精确的近似简化后，可以得到所有的器件特性。在异向界面处的总极化是

Psp是用线性插值法计算，计算值为0.63 C/m2。Ppz取决于晶格和材料参数，计算如下[12]。极化随着m（AlGaN中Al的摩尔分数）的增加而减小，并且由于界面处的应变松弛而降低了片电荷密度。

其中，a0和a是分别在异质界面处的弛豫状态和应力晶格常数，其中m是AlmGa1-mN中的Al摩尔分数，C是压电与弹性常数。由于底部GaN层没有应变，因此Ppz仅由应变的AlN间隔层和AlmGa1-mN势垒层贡献。现在总极化变为

修改现有的AlGaAs/GaAs HEMT[13]模型，AlGaN/GaN与AlN中间层界面处的2DEG浓度可表述为

Q2DEG是电荷密度的2-DEG通道，∈AlGaN（m）是AlmGa1-mN的相对介电常数，deff是有效距离肖特基门通道，rg是门粗糙度，tAlGaN、tAlN是沃甘阻挡层的厚度和AlN界面层，镍的垫片极化密度，EF是有效的费米能级在异性界面，Vch（x）是潜在的二维通道沿x方向，Φs是肖特基势垒的高度，VGS和Voff=（Φs-+Vc（hx））分别为门电压和将2-DEG完全耗尽并关闭器件的电压，Vch（x）为通道电位，Δd2DEG为2DEG与AlN/GaN接口的偏移量。

4 GaN HEMT器件类型

HEMT是电压控制器件，栅极电压Vg可控制异质结势阱的深度，则可控制势阱中二维电子气（2DEG）的面密度，从而控制着器件的工作电流。一般情况下，GaN HEMT可分为耗尽型GaN HEMT和增强型GaN HEMT。在GaN HEMT器件中，由于AlGaN和GaN两个界面的晶体极性，会形成一层二维电子气，作为源极和漏极之间的沟道，如图1所示，在这种情况下，GaN器件是常开的，也就是所谓的耗尽型GaN HEMT[14]。而增强型GaN HEMT则是通过工艺结构来转换阈值电压极性，如图2所示，通过刻蚀掉栅极下面的AlGaN层构造出嵌入式结构，提高阈值电压。

图1 耗尽型GaN HEMT

图2 增强型GaN HEMT

5 结论

根据国内对于GaN HEMT生物传感器的研究现状来看，目前我国对于GaN HEMT器件的研究还处于起步阶段，仍然存在许多问题。GaN HEMT器件由于其优秀的性能，全世界的科学家都在抓紧研究想要抢先一步，所以国内对于GaN HEMT器件需要进行进一步的研究。中国的综合国力现在已经不弱于全世界任何一个国家，在半导体方面的落后也只是暂时的，相信在不久的将来，中国一定能将半导体做到世界顶尖水平。