氮化镓是一种第三代半导体材料,具有禁带宽度大,击穿场强高,电子迁移率高以及散热性好的特性,目前在商业上已经被广泛应用在射频功率放大器和电力电子器件领域。氮化镓材料的Al Ga N/Ga N异质结结构是利用铝镓氮（Al Ga N）和氮化镓（Ga N）之间极化强度的不同,使氮化镓界面处的能带弯曲,在界面上形成一层高浓度、高电子迁移率、高电子饱和速度的二维电子气。这层二维电子气距离外延层表面的距离是Al Ga N势垒层厚度,根据Al组分不同其厚度一般在8到25纳米之间。距离表面如此近的二维电子气对于外延表面吸附的电荷非常敏感,因此应用在传感器领域具有巨大潜力。除了二维电子气对表面电荷敏感的特性,氮化镓材料本身的耐高温特性,生物兼容性,化学稳定性以及光学透明性等特点决定了它在纷繁复杂的传感对象和传感器应用环境中具有独特优势。尽管氮化镓作为传感器具有广阔的前景,但是目前氮化镓传感器在实际应用中还存在一些难以克服的技术问题。其中最重要的问题之一是器件的封装问题。由于氮化镓传感器作为一种亲和传感器在生化检测应用中通常需要检测某种液体中被检测物质的浓度,因此栅极开孔区需要直接和溶液接触,而与其只有微米级别距离的源漏极金属则要与溶液完全隔绝,这就对器件的封装技术提出了巨大挑战。另外现阶段氮化镓在传感器领域的研究还大多局限于应用功能验证阶段,对于氮化镓Al Ga N/Ga N异质结传感器本身缺乏系统和理论的分析,例如传感器灵敏度的决定因素,氮化镓传感器的噪声来源以及在液体检测环境中器件的可靠性问题等。虽然国内外学者不断地通过结构优化,工艺改进等各种方法尝试提高传感器的灵敏度,降低背景噪声,提高可靠性,但是现有工作无法指导氮化镓传感器的结构参数优化设计和使用规范,也无法给出其灵敏度的理论极限,噪声的主导来源,安全工作区的物理边界条件等科学问题的答案。本文针对氮化镓Al Ga N/Ga N传感器的封装设计,安全工作区,灵敏度优化,噪声来源等问题进行了深入研究,并把研究结果应用于生化检测应用中,取得了以下创新点:针对传感器封装和安全工作区问题,本文提出了氮化镓Al Ga N/Ga N液体传感器安全工作区概念,指出了不同器件结构中安全工作区边界及其物理机制,并开发了一套CMOS兼容的封装工艺有效提高封装可靠性本文提出了Al Ga N/Ga N传感器的安全工作区概念,探明了两种典型结构传感器的安全工作区边界及其失效机制。同时本文还找到了安全工作区内传感器获得全局最优灵敏度的静态工作点的方法。针对由于器件封装临界电压限制的安全工作区边界,本文提出一种CMOS兼容的复合材料传感器封装方法,降低传感器的漏电,提高可靠性,扩大了安全工作区,还提升了传感器的灵敏度。本文还分析了不同传统的可图形化封装材料的漏电和失效机理,提出了一个预测封装失效电压的模型。针对传感器灵敏度问题,本文提出了在具有封装的氮化镓Al Ga N/Ga N传感器的灵敏度限制因素及优化方法,应用在p H传感器上得到国际领先的157μA/p H高灵敏度氮化镓Al Ga N/Ga N p H传感器本文发现实际应用场合中,氮化镓场效应传感器灵敏度的最终限制因素为系统中的串联电阻,当器件沟道方块电阻与串联电阻比值等于器件宽长比即ρ2DEG/RS=W/L参数时,器件灵敏度达到最大。在此基础上,还提出了通过在栅极淀积p H敏感膜提高器件灵敏度方法的限制条件为敏感膜厚度,不同材料敏感膜具有一个最大厚度,超过该厚度器件灵敏度将会降低。最后,通过上述对W/L参数的优化,在p H检测应用中获得了在封装器件中目前国际领先的157μA/p H的高灵敏度特性氮化镓Al Ga N/Ga N p H传感器,相较一般氮化镓Al Ga N/Ga N传感器电流灵敏度提高了4倍。针对传感器噪声问题,本文提出一种四探针检测方法有效抑制背景噪声,提高传感器信噪比,该方法应用在了氮化镓Al Ga N/Ga N免疫传感器上,实现了对心脑血管疾病标志物BNP（脑利钠肽）的0.097ppt超低检出限检测本文提出了一种四探针的Al Ga N/Ga N传感器检测方法,可以有效抑制传感器噪声,提高信噪比。文中还对传感器噪声来源进行了定位分析,指明了噪声可能来源并加以区分。最后,本文将四探针测试方法应用于氮化镓Al Ga N/Ga N免疫传感器上检测心脑血管疾病标志物BNP,证明了该方法可以有效提高BNP检测的信噪比,相较于传统检测方法BNP检出限提高近两个数量级。通过设计和工艺上的优化降低传感器的背景噪声,并结合磁珠修饰法将传感器偏置在最佳信噪比工作点,我们最终得到国际先进的0.097 ppt超低检出限BNP免疫传感器。本文提出的四探针法不仅对氮化镓场效应传感器适用,对其他类型的场效应传感器同样具有参考意义。