GaN肖特基二极管传感器
肖特基二极管是最简单的制造传感器类型，可以在两种不同的模式下工作。在本节中，我们将介绍它们用于气体传感的用途。
N面和Ga面比较
纤锌矿GaN是极性材料。因此，沿着c轴，在GaN表面上存在N面（N极）或Ga面（Ga极）取向。由于N面和Ga面存在不同的反应性，因此有趣的是要注意这些不同的表面如何与不同的化学物质反应。由GaN表面确定的极性已被用于改善AlGaN / 氮化镓HEMT的性能有意地生长Ga极性表面以使自发极化与压电极化兼容以增强两者。 AlGaN / GaN HEMT中的三维电子气。然而，密度泛函理论表明氢对GaN的N面表面的亲和力比Ga面高得多高分辨率电子能量损失光谱显示出N位点对吸附氢气或原子H的强烈偏好还表明，在820以下，N极性GaN的反应速率比Ga极性GaN表面快得多。因此，可以预期表面的极性在氢传感特性中起重要作用。最近的结果表明，在N面GaN上制造的肖特基二极管提供了比Ga面GaN和Ga面AlGaN / GaN HEMT高得多的灵敏度。
在N极性GaN肖特基二极管中，由于与氢的表面反应性较高，导致更高的极性，肖特基势垒的高度比Ga极性肖特基二极管的高得多。因此，N极GaN肖特基二极管具有比Ga极性GaN高得多的灵敏度。
器件结构和制造
如前所述，通过金属有机化学气相沉积在具有低温GaN缓冲层的C面Al 2 O 3衬底上生长GaN层结构。N极生长的一个关键方面是使用两种不同的条件控制异质外延演化：一种用于增强垂直岛形成，另一种用于促进侧向聚结过程。通过低成反射区域可以控制通过岛成核的表面粗糙度，然后设计快速横向生长（聚结）以使表面平滑。聚结结束时的所有外延层都是光滑的，没有凹坑。Ga-和N-极性层都在蓝宝石衬底上生长至~ 1.3μm 的厚度 。对于未掺杂的N面样品，这些层的n型载流子密度为1.5 × 10 18 cm -3（迁移率为245 cm 2 / Vs），1 × 10 18 cm -3（迁移率为410 cm 2 / V s）对于Si掺杂的Ga面样品。为了比较，我们还使用标准的Ga极性AlGaN / GaN异质结构样品，片材载流子密度为9 × 10 12 cm- 2作为比较传感器，因为我们发现这些传感器表现出比GaN二极管更高的氢敏感性。
对于所有样品，通过剥离电子束沉积的Ti（200Å）/ Al（1000Å）/ Ni（400Å）/ Au（1200Å），随后在850°C 下退火45 秒，形成欧姆接触。流动的N 2环境。在300℃下用2000 埃的等离子体增强化学气相沉积的SiN x封装表面。通过干蚀刻打开SiN x中的窗口，并 通过电子束蒸发沉积100 埃的Pt用于肖特基接触。最终的金属是电子束沉积的Ti / Au（ 200Å/ 1200Å）互连触点。图5.20显示了设备结构图和鸟瞰图。
5.20。（a）由Ga极性或N极构成的肖特基二极管的截面图; （b）设备的平面图。
实验结果
在N2极性GaN，Ga极性GaN和Ga极性HEMT中，在N 2中暴露于4％H 2之前和之后看到的肖特基二极管IV特性如图5.21（a）所示。由于氢暴露导致的电流绝对值和百分比变化如图5.21（b）所示。注意氢暴露对N面二极管的影响非常大。在暴露于N 2中的4％H 2之后，该二极管实际上从整流回复到近欧姆行为。相应地，最大百分比电流变化比Ga面GaN或HEMT二极管大得多：即，与Ga极的10 和HEMT二极管的10 相比为10 6。
5.21。（a）在暴露于N 2中的 4％H 2之前和之后，来自三种类型的二极管（由N极GaN，
Ga极性GaN和Ga极HEMT制成的肖特基二极管）的IV特性; （b）氢气暴露导致的电流绝对值和百分比变化与电压的关系。
5.22。作为循环选自N环境的函数在三种类型的传感器中的电流变化的时间依赖性2 H至4％2的N 2在室温下。
如图5.23（a）所示，观察到在初始暴露于含氢环境时顶部框架中从整流到近欧姆行为的转变。反向偏置区域中的这种突然电流变化证明了使用N极GaN肖特基二极管作为氢传感器的有效性。然而，与GaN极性相比，N极GaN肖特基二极管的恢复时间明显更长肖特基二极管，如前所述。图5.23（b）显示了在室温下切换回N 2环境后，以5分钟为间隔恢复N极性肖特基二极管中的IV特性。氢气检测后，即使将二极管循环至N 2中的 150°C 也不足以恢复初始电流，这与其他类型的二极管形成鲜明对比，其他类型的二极管在大约15 分钟后在室温下完全恢复电流。这与H-覆盖的N极性GaN表面的预测稳定性一致
5.23。（a）暴露于含H 2环境之前和之后的N极二极管的IV特性; （b）在初始感测氢气后，在N 2环境中恢复N面二极管中的IV特性随时间的变化。
W / Pt接触GaN肖特基二极管
当测量环境从纯N 2变为10％H 2 /90％N 时，W / Pt接触GaN肖特基二极管在350-600°C温度范围内的低偏压（3V）下也显示 > 1 mA的正向电流变化2.我们发现使用具有Sc 2 O 3栅极电介质和相同W / Pt金属化的MOS二极管结构，在更宽的温度范围内暴露于含H 2的环境中，正向电流的这些相同的可逆变化（ 90°C至> 625°C）。两种情况下电流的增加是MOS和肖特基栅极的有效势垒高度降低30-50 mV 10％H 2的结果 / 90％N 2环境相对于纯N 2，并且是由于H 2在Pt接触上的催化解离，然后扩散到W / GaN或Sc 2 O 3 / GaN界面。氧化物的存在降低了可以检测氢的温度，并且结合使用高温稳定的W金属化，增强了这些宽带隙传感器的潜在应用。图5.24呈现的AlGaN / GaN和W /铂的GaN在500℃下的二极管的电流的变化，当环境由N切换2至10％H 2的N 2，并且示出了在当前的相对变化大于与MOS结构。
5.24。电流变化的（a）的AlGaN / GaN和（b）W /在500℃下的Pt的GaN二极管，当环境由N切换2至10％H 2的N 2。