基于n?-GaN/n+-GaN同质结构的GaN SBD温度传感器研究，其超宽检测范围覆盖6 K至523 K

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Investigation of GaN SBD temperature sensor with ultra-wide detection range from 6 K to 523 K based on n?-GaN/n+-GaN homostructure

GaN Schottky二极管温度传感器研制成功，工作范围6–523 K，开关电压随温度升高显著下降（0.70 V→0.12 V），灵敏度达1.66 mV/K（100–298 K，1 μA），填补极低温检测空白并拓展高温应用。

　　在现代科学和技术的诸多领域中，温度传感技术扮演着至关重要的角色。无论是工业制造、科研实验还是航天工程，准确的温度测量都直接影响到系统的性能、可靠性和安全性。随着对极端环境温度监测需求的不断增长，开发能够覆盖从极低温到高温的宽温域传感器成为研究的重点方向。在此背景下，一种基于氮化镓（GaN）肖特基势垒二极管（SBD）的高精度温度传感器被成功研制，并在6 K至523 K的极宽温度范围内展现出卓越的性能。这项研究不仅填补了在极低温检测方面的空白，还拓展了GaN材料在极端高温应用中的潜力，为未来在复杂环境下的温度监测提供了新的解决方案。

GaN作为一种宽禁带半导体材料，因其出色的热稳定性、高击穿电场以及在高温下的良好性能，近年来在功率电子和传感领域受到了广泛关注。与传统的硅基温度传感器相比，GaN SBD具有更高的工作温度上限和更优异的材料特性，使其成为极端环境温度传感的理想候选。然而，目前大多数关于GaN SBD温度传感器的研究主要集中在高温段（高于298 K），而对于极低温（低于100 K）的传感能力仍存在较大的研究空白。这限制了其在某些关键领域的应用，如液氢储存、超导技术以及深空探测等，这些场景往往需要在接近绝对零度的环境下进行精确的温度测量。

本研究提出了一种新型的GaN SBD温度传感器，其结构基于n?-GaN/n?-GaN同质结构。通过采用特定的金属堆叠工艺和优化的器件设计，该传感器能够在极低温（6 K）至高温（523 K）的整个范围内稳定工作。在低温段，传感器的开启电压随着温度的升高而显著下降，从6 K时的0.70 V降至523 K时的0.12 V，这种负温度系数的特性为温度测量提供了良好的基础。同时，通过在不同温度条件下对器件的电流-电压（I-V）特性进行系统分析，研究人员发现其理想因子呈现出随温度升高而迅速下降的趋势，而势垒高度则相应增加，这种现象被认为与肖特基势垒的不均匀性有关。

在极低温范围内，该传感器展现出卓越的温度依赖性。通过在6 K至298 K之间进行测试，研究人员发现其开启电压的变化与温度存在良好的线性关系，且在该温度范围内，其灵敏度达到了1.66 mV/K。这一数值在1 μA电流条件下取得，显示出该传感器在低温段具有较高的检测精度。而在高温段，其灵敏度同样表现出优异的性能，达到了与现有高温GaN SBD传感器相当的水平。更值得注意的是，该传感器在整个6 K至523 K的温度范围内都表现出一致且良好的线性特性，其整体灵敏度为1.12 mV/K，这种宽温域的线性响应使得它成为一种极具潜力的单点传感器解决方案。

为了进一步验证该传感器的性能，研究人员在不同的温度区间进行了详细的电学特性测试。在低温段（6 K至298 K），通过测量电流-电压曲线并进行线性拟合，研究人员能够提取出理想因子和势垒高度的变化趋势。结果显示，随着温度的降低，理想因子逐渐增大，而势垒高度则相应减小。这种变化趋势表明，在极低温条件下，载流子的热运动能量不足以克服势垒，导致其主要通过缺陷态辅助的隧穿效应进行传输，从而使得I-V特性偏离理想的扩散模型。而在高温段（298 K至523 K），理想因子逐渐减小，势垒高度则上升，这与高温下载流子热激活能量的增强和界面缺陷态的活跃有关，使得器件特性更接近理想模型。

研究人员还通过分析I-V曲线的对数形式，进一步探讨了温度对传感器性能的影响机制。在低温段，通过将电流-电压数据转换为对数形式并进行线性拟合，研究人员发现其理想因子与势垒高度的变化趋势呈现出相反的趋势。这一特性使得它们的乘积对温度变化不敏感，从而确保了传感器在整个温度范围内的稳定性和一致性。此外，通过研究不同电流条件下的V-T曲线，研究人员发现灵敏度随着电流的增加而逐渐下降，这一现象与理论模型预测一致，表明该传感器在不同电流条件下均能实现良好的温度响应。

从实验结果来看，该GaN SBD温度传感器不仅在低温段表现出优异的性能，而且在高温段也展现出良好的适用性。其在6 K至523 K的宽温域内保持稳定的整流特性，且在不同温度下均能实现高精度的温度测量。这种广泛的温度适应能力使其能够在多种极端环境中应用，例如在需要低温检测的科研实验中，以及在高温环境下运行的工业设备中。此外，该传感器的单点设计使其在复杂系统中具备更高的集成度和简化操作流程的优势，为未来的温度监测系统提供了新的可能性。

本研究的创新点在于，首次实现了基于GaN SBD的宽温域温度传感技术，突破了传统硅基传感器在低温段的局限性，同时保持了高温段的高灵敏度和稳定性。通过优化器件结构和工艺参数，研究人员成功构建了一个能够在极端温度条件下工作的高性能温度传感器。这一成果不仅拓展了GaN材料在温度传感领域的应用范围，也为相关技术的进一步发展奠定了基础。未来，随着对极端环境温度监测需求的增加，GaN SBD温度传感器有望在更多领域得到应用，包括但不限于低温物理实验、高温电力系统监测以及深空探测等。

本研究的实验过程涉及多个关键步骤，包括材料生长、器件制备以及性能测试。首先，研究人员使用金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术在蓝宝石衬底上生长了n?-GaN/n?-GaN同质结构。该结构中，n?-GaN层的掺杂浓度为3×101? cm?3，厚度约为600 nm，而n?-GaN层的掺杂浓度为2×101? cm?3，厚度约为1.5 μm。通过这种结构设计，研究人员能够有效缓解蓝宝石与n-GaN之间的晶格失配问题，并减少外延生长过程中的缺陷。随后，研究人员将2英寸的晶圆切割为10 mm×10 mm的小块，并在其上进行器件的制备。制备过程包括样品的超声清洗、光刻掩膜的形成、等离子体刻蚀形成800 nm深的 mesa 结构，以及通过标准的光刻、溅射和剥离工艺在n?-GaN表面形成Ti/Al/Ni/Au金属堆叠。为了确保良好的电接触，金属层在氮气氛围中进行了快速热退火处理，温度为500 °C。最后，通过溅射Ni/Au金属层并进行刻蚀，研究人员实现了器件之间的隔离，并形成了最终的肖特基电极结构。

在完成器件制备后，研究人员进行了广泛的电学性能测试。对于低温段（6 K至298 K），样品被连接到印刷电路板（PCB）基板上，并放置在封闭循环低温腔中进行温度控制。通过Keithley 4200A源表测量电流-电压特性，研究人员能够获取不同温度下的器件响应数据。而在高温段（298 K至523 K），测试则采用Keysight B1505A半导体参数分析仪，并结合高精度的温度控制平台进行。通过对这些数据的分析，研究人员验证了该传感器在宽温域内的稳定性和一致性。

此外，研究人员还采用了传输线模型（TLM）结构对器件的接触电阻进行了系统评估。通过改变电极间距，研究人员能够分析不同温度条件下接触电阻的变化趋势，并据此推导出接触电阻率。结果显示，经过500 °C退火处理的金属层具有更光滑的表面特性，从而降低了后续工艺中的操作复杂度。同时，TLM测试也验证了该传感器在低温段具有良好的电接触性能，为后续的温度测量奠定了基础。

在对低温段和高温段的性能进行深入分析后，研究人员发现该传感器在低温段的灵敏度达到1.66 mV/K，而在高温段则表现出相近的灵敏度水平。这一结果表明，该传感器不仅能够在低温条件下实现高精度的温度测量，还能在高温环境中保持良好的检测能力。更重要的是，该传感器在整个温度范围内都表现出良好的线性响应，这使其成为一种理想的单点温度传感器解决方案。

该研究的结论表明，基于GaN SBD的温度传感器在极宽的温度范围内具有良好的性能，能够满足不同应用场景的需求。其在低温段的灵敏度和线性特性为超低温检测提供了新的可能性，而在高温段的稳定性和一致性则使其适用于高温环境下的温度监测。此外，该传感器的结构设计和制备工艺也为未来在极端环境中的温度传感技术发展提供了重要的参考和指导。

从整体来看，这项研究不仅展示了GaN SBD在温度传感方面的巨大潜力，也为相关领域的技术进步做出了重要贡献。通过优化材料结构和器件设计，研究人员成功克服了传统硅基传感器在低温段的局限性，并实现了在宽温域内的稳定工作。这种技术的突破有望推动GaN材料在更多高要求应用中的使用，例如在航空航天、能源转换和材料科学等领域。同时，该研究也为后续的温度传感器开发提供了理论依据和技术路线，有助于进一步提高传感器的性能和适用性。