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RTP快速退火爐的合金化在GaN基HEMT傳感器中的應用
- 分類： 行業知識
- 作者：周酉林
- 來源：武漢嘉儀通科技有限公司
- 發布時間：2024-04-09
- 訪問量： 283
【概要描述】GaN基HEMT傳感器是基于AIGaN/GaN異質結處的二維電子氣(2DEG)易受表面態控制的特性而···
RTP快速退火爐的合金化在GaN基HEMT傳感器中的應用
【概要描述】GaN基HEMT傳感器是基于AIGaN/GaN異質結處的二維電子氣(2DEG)易受表面態控制的特性而···
- 分類： 行業知識
- 作者：周酉林
- 來源：武漢嘉儀通科技有限公司
- 發布時間：2024-04-09
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GaN基HEMT傳感器是基于AIGaN/GaN異質結處的二維電子氣(2DEG)易受表面態控制的特性而發展起來的一種新型傳感探測器件。在GaN 基HEMT 結構中異質結AIGaN/GaN 界面處會形成一個2DEG的表面通道，勢阱中的2DEG受控于柵極電壓，且這層2DEG十分接近表面，對表面的狀態十分敏感。AIGaN/GaN 異質結對離子、極性液體、氫氣和生物材料具有強烈的敏感性[1]，此后研究者們便展開了以GaN基HEMT為結構的一系列傳感器的研究。目前研究相對比較成熟的主要有氣體傳感器和生物傳感器[2]。
蘇等人[3]研發了一款基于Pt NPs/AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管（HEMT）器件，僅通過調整工作溫度，證明了氫（H2）和氨（氨）的雙氣檢測，適合于多氣檢測和電子鼻等應用領域，如圖1左圖所示。該基于GaN的HEMT氣體傳感器，通過MOCVD在20×20毫米的Si（111）襯底上形成的，采用了AlGaN/GaN HEMT具備有序的層狀構造，包括初AlGaN/GaN/AlGaN等。在器件制作過程中，采用磁控濺射設備沉積了歐姆接觸Ti/Al/Ti/Au多層膜。為了在金屬多層膜與AlGaN之間形成歐姆接觸，在氮氣中使用紅外退火爐RTP（IRLA-1200，JouleYacht，China）在650?C下進行了60 s的快速退火。圖1右圖展示了HEMT器件的結構、傳感器陣列的光學圖像、HEMT器件的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像以及單個設備的放大SEM圖像。
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圖1 氣體傳感器的應用示意圖及HEMT器件的結構圖和實物圖
作者研究了從120?C到200?C的不同工作溫度下的氣體傳感性能。在圖2左圖中，可以清楚地看到，在120?C時，H2的響應大約是NH3的兩倍，這表明Pt/AlGaN/GaN HEMT器件在相對較低的工作溫度下對H2氣體更為敏感。在圖2右圖中，將溫度進一步提高到200?C時，但NH3的響應比H2氣體的響應明顯增大，其中，NH3和H2的響應分別為135.9%和90.1%。雖然對H2的選擇性不高，但Pt/AlGaN/GaN HEMT確實通過簡單地調整工作溫度從H2變為氨傳感器。
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圖2 在120℃和200℃下HEMT對H2和NH3的響應程度
圖3左圖描述了HEMT傳感器對1~100ppm濃度下NH3的響應數據，展現出該傳感器的NH3的高靈敏特性。為了評估其穩定性，對傳感器的100 ppm NH3的響應被監測和測量了半年的時間。該裝置被儲存在空氣中，沒有任何包裝。如圖3右圖所示，保存180天后，響應時間沒有明顯變化，響應值從159%略有下降到148%，表明其具有良好的長期穩定性。
高靈敏度和高穩定性的Pt/AlGaN/GaN HEMT器件具有的高響應速度和高耐久性也源于RTP快速退火爐的良好表現，RTP系列產品是武漢嘉儀通科技有限公司的核心產品，在薄膜材料制備及熱處理方面展現出諸多優勢，形成鮮明的行業競爭力，為高質量薄膜材料提供了快速升降溫、精準控溫的高均勻性的高溫場和氣氛保護，具體表現在：
√ 快速升溫的高溫場能夠促進金屬層的熱擴散，獲得更低的接觸電阻，形成歐姆接觸；
√ 精準控溫能夠提高歐姆接觸的穩定性，具有高重復性、高穩定性的歐姆接觸。
√ 氣氛填充有助于避免金屬電極的高溫氧化，降低表面電阻率，或者不同流速的調控可以對反應速率進行細微控制。
此外，嘉儀通快速退火爐（RTP，Rapid Thermal Processing）產品，采用紅外輻射加熱及冷壁技術，可實現對薄膜材料的快速升溫和降溫，同時搭配超高精度的溫度控制系統，可達到極佳的溫場均勻性和穩定性。
嘉儀通(JouleYacht)快速退火爐系列可處理1-12吋樣品，對材料的金屬合金化、快速熱處理、快速熱退火、快速熱氧化及快速熱氮化等研究和生產起到重要作用。
參考文獻：
[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] 朱彥旭, 王岳華, 宋會會, 等. 基于 GaN 基 HEMT 結構的傳感器件研究進展[J]. 發光學報, 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.
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