本发明涉及传感器领域，尤其涉及一种gan基光化学离子传感器及其制备方法。
背景技术：
金属离子，尤其是重金属离子mn (比如hg2 ，cu2 )，会给人体健康带来危害，且由于其具有持久性、迁移性和高度的生物富集性，成为目前全人类最为关注的环境污染物之一。
目前，重金属的污染源主要来自于工业中金属盐等化学化合物的使用，基于此原因，重金属的检测引起人们的极大关注，并不断探讨新的高效的检测方法。在传统的方法中，通过比色或者荧光分子的化学传感方法尤为引人瞩目。比色和荧光化学传感器是传感体系的吸收光谱或者荧光作为输出信号来对目标物进行检测，具有一定的优点，但是也有明显的不足之处，比如测量的精度较低，在低浓度的离子溶液中实施检测的效果不够理想等。因此，需利用新型的传感技术开发出高性能的高灵敏度的离子传感器，以满足日益增长的重金属离子环境检测需求。
技术实现要素：
基于上述提到的应用前景和需求，本发明创新性的提出了一种gan基光化学离子传感器及其制备方法，能够满足快速、高灵敏的金属离子探测。具体包括以下：
1)si衬底上依次生长n型gan缓冲层和n型gan层；
2)n型gan层上生长本征掺杂gan层；
3)本征掺杂gan层上生长p型gan层；
4)选择性刻蚀外延层材料形成刻蚀台面，在刻蚀台面外侧及侧壁上沉积al2o3层；
5)在al2o3层外侧淀积暴露在待测环境中的探测区域，用于将金属离子浓度转换为电信号，所述探测区域为tio2层；
6)选择性刻蚀所述探测区域，暴露出p型gan层；
7)利用光刻、金属蒸镀技术，淀积上金属电极和下金属电极。
通过适当的退火工艺和金属材料选择确保上、下金属电极与外延材料之间形成良好的欧姆接触。
p-gan/i-gan/n-gan外延材料构成了pin结构。当把该pin结构浸入离子溶液后，表面的tio2层会吸附大量的-oh基团，形成tio2-oh。若溶液中有存在带n个电荷的金属离子mn (比如hg2 ，cr2 ，fe3 )，该-oh基团会与金属离子发生配位相互作用，形成tio2-oh…mn 。在紫外光的照射下，tio2材料吸收光子形成电子-空穴对。
在水溶液中，空穴h 会与水分子h2o发生一定的水解反应，并生成氧o2和氢离子h ：
2h2o 4h →o2 4h
这时，tio2-oh…mn 与水解形成的氢离子h 发生置换反应，并形成相对稳定的tio2-oh2 和mn ，
gan-oh…mn h →gan-oh2 mn
由于电荷平衡的要求，其最终结果是gan所感应的电荷数目也发生相应的变化，从原来n个电荷数目变成1个电荷数目，从而引起电流发生改变。因此，电信号的变化就与溶液中金属离子的存在与否以及存在量的多少呈现一个量化关系，并且表现出快速、高灵敏的特性。
优选地，所述1)中的n型gan缓冲层厚度为0.5μm～4μm，掺杂浓度为1×1018cm-3～5×1018cm-3，掺杂元素为硅；所述n型gan层厚度为0.1μm～0.5μm，掺杂浓度为1×1018cm-3～5×1018cm-3，掺杂元素为硅。
优选地，所述2)中的本征掺杂gan层，所述本征掺杂gan层的厚度为0.5μm～2.5μm。
优选地，所述3)中的p型gan层厚度为0.1μm～0.5μm，掺杂浓度为1×1018cm-3～2.5×1018cm-3，掺杂元素为镁。
优选地，所述5)中的al2o3层厚度为20nm～200nm，tio2层厚度为20nm～300nm。
一种由以上方法制备的gan基光化学离子传感器包括：至少一个外延层结构，上金属电极，下金属电极；所述外延层结构从下至上包括：衬底，gan缓冲层，n型gan层，本征掺杂gan层，p型gan层，所述gan缓冲层上方的刻蚀台面，al2o3层沉积在刻蚀台面外侧及侧壁；探测区域沉积在al2o3层外侧，用于将金属离子浓度转换为电信号，所述探测区域为tio2层。
所述gan基光化学离子传感器包括至少两个外延层结构且呈现插齿型排布。
器件图形采用插齿型排布，可以增加离子溶液与传感器的接触面积。
优选地，将所述上金属电极与p型gan层接触。
本发明的有益效果至少包括:
a.本发明利用光化学反应，将tio2光生电荷参与到离子溶液中的水解和离子反应，将化学信号转化成电信号输出，相比于传统的荧光检测等方式呈现出极高的灵敏度。
b.本发明结合了pin光伏结构的快速响应的特点，将化学信号转化成电信号，相比于传统的检测方式，因此具有极快的响应速度。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明优选地一种gan基光化学离子传感器的俯视示意图；
图2为本发明优选地一种gan基光化学离子传感器的沿aa`线的垂直剖面结构示意图；
图3、4、5为本发明的制备工艺流程图。
图中上金属电极1，下金属电极2，si衬底3，gan缓冲层4，n型gan层5，本征掺杂gan层6，p型gan层7，al2o3层8，tio2层9。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护范围。
本发明的俯视示意图如图1所示，为了增加离子溶液与传感器的接触面积，器件图形采用手指型结构。器件的剖面如图2所示，它由si衬底3、n型gan缓冲层4、n型gan层5、本征掺杂gan层6、p型gan层7、al2o3层8、tio2层9、上金属电极1和下金属电极2组成。
实施例1
一种优选地gan基光化学离子传感器制备工艺流程如图3所示，包括：
1)取样si衬底，并用合适的溶液对其表面进行预处理；
2)在衬底之上依次外延生长1μm掺杂浓度为1×1018cm-3n型gan缓冲层4、0.1μm掺杂浓度为1×1018cm-3的n型gan层5、0.5μm本征掺杂gan层6、0.1μm掺杂浓度为1×1018cm-3的p型gan层7；
3)使用感应耦合等离子体(icp)刻蚀设备，结合刻蚀掩膜，选择性刻蚀外延材料，刻蚀至n型gan缓冲层，形成刻蚀台面；
4)在刻蚀台面外侧及侧壁上依次淀积20nmal2o3层和50nmtio2层；
5)利用光刻、金属蒸镀技术，淀积上金属电极1、下金属电极2，通过适当的退火工艺和金属材料选择确保上、下金属电极与外延材料之间形成良好的欧姆接触。
实施例2
一种优选地gan基光化学离子传感器制备工艺流程如图4所示，包括：
1)取样si衬底，并用合适的溶液对其表面进行预处理；
2)在衬底之上依次外延生长2μm掺杂浓度为2.5×1018cm-3n型gan缓冲层4、0.25μm掺杂浓度为2×1018cm-3的n型gan层5、1.0μm本征掺杂gan层6、0.25μm掺杂浓度为1.5×1018cm-3的p型gan层7；
3)使用感应耦合等离子体(icp)刻蚀设备，结合刻蚀掩膜，选择性刻蚀外延材料，刻蚀至n型gan缓冲层，形成刻蚀台面；
4)在刻蚀台面外侧及侧壁上依次淀积50nmal2o3层和100nmtio2层；
5)利用光刻、金属蒸镀技术，淀积上金属电极1、下金属电极2，通过适当的退火工艺和金属材料选择确保上、下金属电极与外延材料之间形成良好的欧姆接触。
实施例3
一种优选地gan基光化学离子传感器制备工艺流程如图5所示，包括：
1)取样si衬底，并用合适的溶液对其表面进行预处理；
2)在衬底之上依次外延生长4μm掺杂浓度为5×1018cm-3n型gan缓冲层4、0.5μm掺杂浓度为2.5×1018cm-3的n型gan层5、1.5μm本征掺杂gan层6、0.5μm掺杂浓度为2.5×1018cm-3的p型gan层7；
3)使用感应耦合等离子体(icp)刻蚀设备，结合刻蚀掩膜，选择性刻蚀外延材料，刻蚀至n型gan缓冲层，形成刻蚀台面；
4)在刻蚀台面外侧及侧壁上依次淀积150nmal2o3层和300nmtio2层；
5)利用光刻、金属蒸镀技术，淀积上金属电极1、下金属电极2，通过适当的退火工艺和金属材料选择确保上、下金属电极与外延材料之间形成良好的欧姆接触。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
1.一种gan基光化学离子传感器的制备方法，其特征在于：包括
1)si衬底上依次生长n型gan缓冲层和n型gan层；
2)n型gan层上生长本征掺杂gan层；
3)本征掺杂gan层上生长p型gan层；
4)选择性刻蚀外延层材料形成刻蚀台面，在刻蚀台面外侧及侧壁上沉积al2o3层；
5)在al2o3层外侧淀积暴露在待测环境中的探测区域，用于将金属离子浓度转换为电信号，所述探测区域为tio2层；
6)选择性刻蚀所述探测区域，暴露出p型gan层；
7)利用光刻、金属蒸镀技术，淀积上金属电极和下金属电极。
2.如权利要求1所述的gan基光化学离子传感器的制备方法，其特征在于：所述1)中的n型gan缓冲层厚度为0.5μm～4μm，掺杂浓度为1×1018cm-3～5×1018cm-3，掺杂元素为硅；所述n型gan层厚度为0.1μm～0.5μm，掺杂浓度为1×1018cm-3～5×1018cm-3，掺杂元素为硅。
3.如权利要求1所述的gan基光化学离子传感器的制备方法，其特征在于：所述2)中的本征掺杂gan层，所述本征掺杂gan层的厚度为0.5μm～2.5μm。
4.如权利要求1所述的gan基光化学离子传感器的制备方法，其特征在于：所述3)中的p型gan层厚度为0.1μm～0.5μm，掺杂浓度为1×1018cm-3～2.5×1018cm-3，掺杂元素为镁。
5.如权利要求1所述的gan基光化学离子传感器的制备方法，其特征在于：所述5)中的al2o3层厚度为20nm～200nm，tio2层厚度为20nm～300nm。
6.一种由权利要求1-5所述的任一方法制备的gan基光化学离子传感器，其特征在于：所述gan基光化学离子传感器包括：至少一个外延层结构，上金属电极，下金属电极；所述外延层结构从下至上包括：衬底，gan缓冲层，n型gan层，本征掺杂gan层，p型gan层，所述gan缓冲层上方的刻蚀台面，al2o3层沉积在刻蚀台面外侧及侧壁；探测区域沉积在al2o3层外侧，用于将金属离子浓度转换为电信号，所述探测区域为tio2层。
7.如权利要求6所述的一种gan基光化学离子传感器，其特征在于：所述gan基光化学离子传感器包括至少两个外延层结构且呈现插齿型排布。
8.如权利要求6所述的一种gan基光化学离子传感器，其特征在于：所述上金属电极与p型gan层接触。
技术总结