一種具有複合絕緣結構的FET式氣體傳感器及其製備方法與流程

2023-04-29 02:59:26

本發明是關於一種具有複合絕緣結構的fet式氣體傳感器及其製備方法，屬於微電子學範疇的氣體傳感器領域。

背景技術：

在氣體傳感器的研究和應用中主要的有三個基本參數：靈敏度(sensitivity)、選擇性(selectivity)和穩定性(stability)，通常人們習慣稱為「3s」技術，其中靈敏度是最重要的參數之一，高的靈敏度是器件的可靠性、抗幹擾能力等性能的保障，因此，提高場效應電晶體(fet)式氣體傳感器靈敏度在實際應用中至關重要。

近年來，fet式氣體傳感器由於具有電阻式氣體傳感器所不具備的一些優勢，作為另一種半導體氣敏裝置而得以迅速發展。fet的特點在於除了可用源漏極區域調控電流之外，還可以由獨立的第三端柵電極控制，在柵電極偏壓的作用下，敏感半導體材料體內的載流子都被吸引到半導體與絕緣層之間的界面，形成僅有幾個原子或分子層厚度的導電溝道，半導體中的載流子主要通過此導電溝道來實現源漏極區域間的遷移，因而與導電溝道相臨的表面相對於半導體的其他表面對et式氣體傳感器性能有更大的影響，因此，fet式氣體傳感器在各種氣體探測中廣受關注。傳統的固態絕緣層fet式氣體傳感器在不同氣體的暴露中，主要引起閾值電壓的偏移，研究發現在這種結構下，閾值電壓附近可以得到最大的靈敏度。2004年，研究人員設計出新型fet式氣體傳感器，將空氣、氮氣等氣體作為有機單晶fet的絕緣層，結果顯示該新型fet式氣體傳感器顯示出良好的fet性能。2013年，湯慶鑫課題組構築了氣體絕緣層型的cupc納米帶fet式氣體傳感器並用於檢測so2氣體，該fet式氣體傳感器與傳統的固態絕緣層的fet式氣體傳感器相比，被測氣體可以直接與導電溝道相互作用從而大大提高器件的靈敏度等性能，實驗結果也顯示該fet式氣體傳感器在被測氣體中暴露時，閾值電壓幾乎不變而遷移率大大提高，引起靈敏度的提升。

雖然以上兩種不同的fet式氣體傳感器氣敏機理不同，但是均能夠提高fet式氣體傳感器的靈敏度。然而到目前為止，還沒有研究報導將兩種fet式氣體傳感器結合進而能夠提高靈敏度的fet式氣體傳感器。

技術實現要素：

針對上述問題，本發明的目的是提供一種能夠提高靈敏度的具有複合絕緣結構的fet式氣體傳感器及其製備方法。

為實現上述目的，本發明採取以下技術方案：一種具有複合絕緣結構的fet式氣體傳感器，其特徵在於，該fet式氣體傳感器包括柵電極、第一支撐層、第二支撐層、源極區域、漏極區域和微納單晶半導體，其中，所述第一支撐層的寬度大於所述源極區域的寬度；所述柵電極頂部兩側分別固定設置所述第一支撐層和第二支撐層，所述第一支撐層頂部粘貼固定所述源極區域，所述第一支撐層與所述源極區域內端部不平齊，且所述第一支撐層內部長於所述源極區域的部分為固態絕緣層，所述源極區域底部內側開設有第一凹槽；所述第二支撐層頂部粘貼固定所述漏極區域，所述第二支撐層與所述漏極區域內端部平齊，所述漏極區域底部內側開設有第二凹槽；所述微納單晶半導體固定設置在所述第一支撐層和第二支撐層頂部，且所述微納單晶半導體的兩端分別插設在所述第一凹槽和第二凹槽內，所述柵電極頂部、所述第一支撐層與第二支撐層之間的間隙以及所述微納單晶半導體底部形成的空腔構成空氣間隙絕緣層。

一種具有複合絕緣結構的fet式氣體傳感器，其特徵在於，該fet式氣體傳感器包括柵電極、第一支撐層、第二支撐層、源極區域、漏極區域和微納單晶半導體，其中，所述第一支撐層的寬度大於所述源極區域的寬度，所述第二支撐層的寬度大於所述漏極區域的寬度；所述柵電極頂部兩側分別固定設置所述第一支撐層和第二支撐層，所述第一支撐層頂部粘貼固定所述源極區域，所述第一支撐層與所述源極區域內端部不平齊，且所述第一支撐層內部長於所述源極區域的部分為固態絕緣層，所述源極區域底部內側開設有第一凹槽；所述第二支撐層頂部粘貼固定所述漏極區域，所述第二支撐層與所述漏極區域內端部不平齊，且所述第二支撐層內部長於所述漏極區域的部分為固態絕緣層，所述漏極區域底部內側開設有第三凹槽；所述微納單晶半導體固定設置在所述第一支撐層和第二支撐層頂部，且所述微納單晶半導體的兩端分別插設在所述第一凹槽和第三凹槽內，所述柵電極頂部、所述第一支撐層與第二支撐層之間的間隙以及所述微納單晶半導體底部形成的空腔構成空氣間隙絕緣層。

優選地，所述柵電極採用導電襯底或頂部設置有導電材料的絕緣襯底。

優選地，所述微納單晶半導體採用微納單晶單根或微納單晶多根材料，且所述微納單晶半導體的直徑為40～2000nm，所述微納單晶半導體的長度大於50um。

優選地，所述第一支撐層和第二支撐層均採用聚甲基丙烯酸甲酯或氧化矽材料。

一種具有複合絕緣結構的fet式氣體傳感器的製備方法，其特徵在於，具體包括以下步驟：

1)將柵電極進行清洗，並將有機絕緣材料溶解到溶劑中配置成支撐層溶液，且溶劑要求不能侵蝕柵電極；

2)將支撐層溶液滴加到柵電極頂部，通過旋塗機進行旋塗，並將旋塗後的柵電極放置在熱板上進行烘乾得到支撐層；

3)通過電子束曝光或光刻工藝將支撐層中部開設出導電溝道形成第一支撐層和第二支撐層；

4)採用機械探針移動工藝將微納單晶半導體固定設置在導電溝道頂部的第一支撐層和第二支撐層內側；

5)採用金片貼膜電極工藝製備源極區域和漏極區域，並將源極區域和漏極區域分別固定在第一支撐層和第二支撐層頂部。

本發明由於採取以上技術方案，其具有以下優點：1、本發明通過第一支撐層和第二支撐層、柵電極和微納單晶半導體構成具有固體絕緣層和空氣間隙絕緣層的複合絕緣結構，通過兩種絕緣層能夠進一步提高fet式氣體傳感器的靈敏度。2、本發明由於微納單晶半導體的直徑為40～2000nm，長度大於50um，因此導電溝道的長度能夠製備的很長，進而能夠提高本發明fet式氣體傳感器的氣敏特性。3、相對於以往的fet式氣體傳感器，本發明的fet式氣體傳感器不再需要將第一支撐層和第二支撐層的外端部邊緣與源極區域和漏極區域的外端部邊緣保持嚴格齊整，減小了空氣間隙絕緣層的器件構築難度，可以廣泛應用於氣體傳感器領域中。

附圖說明

圖1是本發明實施例1的結構示意圖；

圖2是本發明實施例2的結構示意圖。

具體實施方式

以下結合附圖來對本發明進行詳細的描繪。然而應當理解，附圖的提供僅為了更好地理解本發明，它們不應該理解成對本發明的限制。在本發明的描述中，需要理解的是，術語「第一」、「第二」等僅僅是用於描述的目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

實施例1：

如圖1所示，本發明提供的具有複合絕緣結構的fet式氣體傳感器，包括柵電極1、第一支撐層2、第二支撐層3、源極區域4、漏極區域5和微納單晶半導體6，其中，第一支撐層2的寬度大於源極區域4的寬度。

柵電極1頂部兩側分別固定設置第一支撐層2和第二支撐層3，第一支撐層2頂部粘貼固定源極區域4，第一支撐層2與源極區域4內端部不平齊，且第一支撐層2內部長於源極區域4的部分為固態絕緣層7，源極區域4底部內側開設有第一凹槽。第二支撐層3頂部粘貼固定漏極區域5，第二支撐層3與漏極區域5內端部平齊，漏極區域5底部內側開設有第二凹槽。微納單晶半導體6固定設置在第一支撐層2和第二支撐層3頂部，且微納單晶半導體6的兩端分別插設在第一凹槽和第二凹槽內，柵電極1頂部、第一支撐層2與第二支撐層3之間的間隙以及微納單晶半導體6底部形成的空腔構成空氣間隙絕緣層8。

實施例2：

如圖2所示，本實施例與實施例1的結構基本相同，不同的是本實施例的第二支撐層3的寬度大於漏極區域5的寬度，第二支撐層3與漏極區域5內端部不平齊，第一支撐層2內部長於源極區域4的部分和第二支撐層3內部長於漏極區域5的部分均為固態絕緣層7，柵電極1頂部、第一支撐層2與第二支撐層3之間的間隙以及微納單晶半導體6底部形成的空腔構成空氣間隙絕緣層8。

上述各實施例中，柵電極1可以採用導電襯底或頂部設置有導電材料的絕緣襯底。

上述各實施例中，微納單晶半導體6可以採用微納單晶單根或微納單晶多根材料，且微納單晶半導體6的直徑為40～2000nm，微納單晶半導體6的長度大於50um。

上述各實施例中，第一支撐層2和第二支撐層3均可以採用聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)或氧化矽(sio2)材料。

下面通過具體實施例詳細說明本發明具有複合絕緣結構的fet式氣體傳感器的製備方法：

1)將柵電極1進行清洗，並將有機絕緣材料，即：聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、聚二甲基矽氧烷(pdms)或其他型號的如az系列等光刻膠，溶解到溶劑(丙酮、茴香醚、四氫呋喃或二甲基甲醯胺等)中配置成支撐層溶液，且溶劑要求不能侵蝕柵電極1。

2)將配置好的支撐層溶液滴加到柵電極1頂部，通過旋塗機進行旋塗，並將旋塗後的柵電極1放置在熱板上進行烘乾得到支撐層，其中，旋塗機的旋轉速度、旋塗時間、旋塗次數以及熱板的烘烤溫度和烘烤時間可以根據實際需要進行設定。

3)烘乾後支撐層的厚度可以為100～500nm，通過電子束曝光或光刻工藝將支撐層中部開設出寬度為5～10um的導電溝道形成第一支撐層2和第二支撐層3。

4)選擇直徑為40～2000nm的微納單晶半導體6，採用機械探針移動工藝將微納單晶半導體6固定設置在導電溝道頂部的第一支撐層2和第二支撐層3內側，其中，微納單晶半導體6的直徑就是導電溝道的長度。

5)採用金片貼膜電極工藝製備源極區域4和漏極區域5，並將源極區域4和漏極區域5分別粘貼固定在第一支撐層2和第二支撐層3頂部構成本發明的fet式氣體傳感器，通過製備不同寬度和位置的導電溝道進而得到實施例1或實施例2兩種不同的fet式氣體傳感器。

下面通過具體實施例詳細本發明具有複合絕緣結構的fet式氣體傳感器的使用方法：

1)將本發明的fet式氣體傳感器製備完成後連接到氣敏測試腔體內。

2)通過空氣間隙絕緣層8，氣體分子可以直接吸附到第一支撐層2和第二支撐層3之間的導電溝道上，氣體分子在導電溝道的吸附導致微納單晶半導體6的導電率發生顯著的變化，這主要是因為氣體吸附影響氣敏材料的淺缺陷密度。

3)氣體分子還可以吸附到固態絕緣層7上，氣體分子在固態絕緣層7的吸附同樣能夠導致微納單晶半導體6的導電率發生顯著的變化，這主要是因為氣體分子的吸附影響氣敏材料的深缺陷密度進而引起閾值電壓的漂移。

4)通過上述兩種導電率的顯著變化使本發明的fet式氣體傳感器顯示出相對於普通絕緣層氣體傳感器更高的靈敏度。

上述各實施例僅用於說明本發明，其中各部件的結構、連接方式和製作工藝等都是可以有所變化的，凡是在本發明技術方案的基礎上進行的等同變換和改進，均不應排除在本發明的保護範圍之外。