一種基於溶液變色性色素的半導體揮發性有機化合物傳感器的製造方法
2023-12-03 08:01:41 2
一種基於溶液變色性色素的半導體揮發性有機化合物傳感器的製造方法
【專利摘要】本發明涉及一種基於溶液變色性色素的半導體揮發性有機化合物傳感器，該傳感器由標準矽工藝設計製造而成，利用門控橫向雙極結電晶體作為本發明的核心器件，溶液變色性色素作為本傳感器的氣體反應薄膜。同時應用該器件工作在金屬氧化物半導體場效應電晶體-雙極結電晶體混合工作模式下，具有較強的傳導效率，進一步的提高傳感靈敏度。本發明在半導體器件所具有的體積小、重量輕、易於量產、低成本、低功耗、易於集成的前提下，實現了常溫下的半導體揮發性有機化合物的測量。此器件在理論上提高了傳感器件的壽命，並減少了普通半導體氣體傳感器高溫操作所需要的能量消耗，此器件可應用與小型環境檢測器件等領域。
【專利說明】一種基於溶液變色性色素的半導體揮發性有機化合物傳感器
【技術領域】
[0001]本發明涉及半導體傳感器的【技術領域】，具體涉及一種基於溶液變色性色素的半導體揮發性有機化合物傳感器，可以通過環境檢測。
【背景技術】
[0002]揮發性有機化合物是一種常見的有害物質，可以引起癌變、神經性疾病以及直接致命等。國際上有很多種定義，主要是指在常溫下具有揮發特性的有機化合物，比如甲醛、甲醇、丙酮、苯等，多放出於工廠、塗料、垃圾堆等。隨著社會的進步，對於揮發性有機化合物的測量與監控技術也日趨迫切。
[0003]目前揮發性有機化合物的測量主要有兩種:基於揮發性有機化合物與物質反應所帶來色變的光學測量與反應後帶來反應薄膜電阻變化的微電子測量。其中光學測量主要是利用揮發性有機化合物帶有極性這一特點，通過溶液變色性色素(比如Reichardt』 s色素)對其極性有對應的顏色變化從而測量得出結果。其優點是精度高，常溫可測，但是需要光源、探測器等附加設備，使其具有大體積、低量產化、高成本、高耗能等缺點。另一方面，微電子測量則是主要是基於MEMS技術，通過揮發性有機化合物與反應薄膜的化學反應而進行測量。該方法的優點是體積小、高量產化、低成本，但是有高溫工作而帶來的測量誤差以及壽命問題。
[0004]4-ANMP色素是一種溶液變色性色素,與其他同類色素一樣，具有根據周圍環境的極性不同而變色的特點。此特點是由於溶液變色性色素具有易發生分子內電子轉移所導致的。本發明中將該色素與標準矽工藝所製成的門控橫向雙極結電晶體相結合，利用其電子轉移特性將其製作成揮發性有機化合物傳感薄膜。因此，製成的傳感薄膜具有常溫下可工作的特點。
[0005]另一方面，傳統的半導體傳感器是基於金屬氧化物半導體場效應電晶體結構的，此結構具有常溫下不能開啟的特點。也有根據需要在井區8增加高摻雜使器件開啟，但是此做法後器件的輸出值不會隨著門(柵極)電極6的電勢變化而變化，因而不能應用於傳感器。本發明中使用的門控橫向雙極結電晶體同時具有金屬氧化物半導體場效應電晶體與雙極結電晶體的特性。根據需求可以利用輸入電壓與電流的控制使該器件工作於金屬氧化物半導體場效應電晶體模式、雙極結電晶體模式以及金屬氧化物半導體場效應電晶體-雙極結電晶體混合模式。當該器件工作在金屬氧化物半導體場效應電晶體-雙極結電晶體混合模式下具有常溫下可開啟的特點，並且根據門(柵極)電極5的電勢變化輸出電流有所改變，從而使本發明成為可能。
【發明內容】
[0006]本發明要解決的技術問題是:提供一種基於溶液變色性色素的半導體揮發性有機化合物傳感器，結合了光學傳感器與微電子傳感器的優點並能在常溫下工作。[0007]本發明解決上述問題採用的技術方案為:一種基於溶液變色性色素的半導體揮發性有機化合物傳感器，由揮發性有機化合物反應層、連接層與門控橫向雙極結電晶體組成。門控橫向雙極結電晶體由氮化矽層、氧化矽層、頂層金屬層、門(gate，柵極)電極、內部氧化矽層、井區、襯底層、襯底電極、井區電極、漏極電極、源極電極組成，氣體反應層附在連接層上面並與外界相接觸，連接層附在氮化矽層上面，襯底電極、井區電極、漏極電極和源極電極分別在襯底層與井區的表面，襯底電極在井區外面，源極電極為井區的中心位置，漏極電極在源極電極的兩側且對稱，「P+」電極表示正電荷參雜，「N+」表示負電荷參雜，各電極大小相等，距離約為0.5微米(0.35微米半導體工藝)。
[0008]進一步的，所述的基於溶液變色性色素的半導體揮發性有機化合物傳感器，所述的揮發性有機化合物反應層是由4-amino-N-methylphthalimide (4-ANMP)色素製成。其製作過程是通過單層自組裝的方式使其分子定向的排列在器件的表面，從而提高其傳感能力。
[0009]進一步的，所述的基於溶液變色性色素的半導體揮發性有機化合物傳感器，所述的門控橫向雙極結電晶體由標準半導體工藝製作，並且工作在金屬氧化物半導體場效應電晶體-雙極結電晶體混合模式下，以提高其傳感靈敏度。
[0010]進一步的，所述的基於溶液變色性色素的半導體揮發性有機化合物傳感器，所述的傳感器件可以工作在常溫狀態下。
[0011]本發明技術方案的原理是:一種基於溶液變色性色素的半導體揮發性有機化合物傳感器，根據圖1所示，氣體反應層I是由4-ANMP色素通過單層自組裝方法製成並與空氣接觸。門控橫向雙極結電晶體在氣體反應層I下部。4-ANMP色素的結構如圖2所示。當揮發性有機化合物氣體接觸到該色素時，色素分子內的電子發生轉移，相應的引起門(柵極)電極5處的電勢增加。
[0012]另一方面，門控橫向雙極結電晶體通過輸入電流與電壓的控制，使其工作在金屬氧化物半導體場效應電晶體-雙極結電晶體混合模式。其工作模式與輸入電壓電流的關係如表1所不。Vsub表不襯底電極10所負載的電壓值,Vd表不漏極電極12所負載的電壓值，Vs表示源極電極13所負載的電壓值，Ve表示門(gate，柵極)電極6所負載的電壓值，Ib表示井區電極11所負載的電流值，Vth表示該器件中金屬氧化物半導體場效應電晶體部分的閥值電壓。此時，由於門(柵極)電極6處電勢的變化，引起井區8內漏極電極12與源極電極13之間的導電溝道發生變化，進而引起源極電極12處輸出電流的變化。根據電流的變化與外界揮發性有機化合物氣體濃度的關係得出對應關係，進而可用於揮發性有機化合物氣體的測量。
[0013]表1為本發明器件工作模式說明表
【權利要求】
1.一種基於溶液變色性色素的半導體揮發性有機化合物傳感器，其特徵在於:由揮發性有機化合物反應層(I)、連接層(2)與門控橫向雙極結電晶體組成，門控橫向雙極結電晶體由氮化矽層(3)、氧化矽層(4)、頂層金屬層(5)、門(gate，柵極)電極(6)、內部氧化矽層(7)、井區(8)、襯底層(9)、襯底電極(10)、井區電極(11)、漏極電極(12)和源極電極(13)組成，氣體反應層(I)附在連接層(2)上面並與外界相接觸，連接層(2)附在氮化矽層(3)上面，井區(8)在襯底層(9)的表面，襯底電極(10)、井區電極(11)、漏極電極(12)和源極電極(13)分別在襯底層(9)與井區(8)的表面，襯底電極(10)在井區(8)外面，源極電極(13)為井區(8)的中心位置，漏極電極(12)在源極電極(13)的兩側且對稱，「P+」電極表示正電荷參雜，「N+」表示負電荷參雜，各電極大小相等，距離約為0.5微米，採用0.35微米半導體工藝。
2.根據權利要求1所述的基於溶液變色性色素的半導體揮發性有機化合物傳感器，其特徵在於:所述的揮發性有機化合物反應層(I)是由4-amino-N-methylphthalimide(4-ANMP)色素製成，其製作過程是通過單層自組裝的方式使其分子定向的排列在器件的表面，從而提聞其傳感能力。
3.根據權利要求1所述的基於溶液變色性色素的半導體揮發性有機化合物傳感器，其特徵在於:所述的連接層(2)由金箔製成。
4.根據權利要求1所述的基於溶液變色性色素的半導體揮發性有機化合物傳感器，其特徵在於:所述的門控橫向雙極結電晶體由標準半導體工藝製作，並且工作在金屬氧化物半導體場效應電晶體-雙極結電晶體混合模式下，以提高其傳感靈敏度。
5.根據權利要求1所述的基於溶液變色性色素的半導體揮發性有機化合物傳感器，其特徵在於:所述的傳感器件可以工作在常溫狀態下。
【文檔編號】G01N27/414GK103558278SQ201310567313
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年11月14日 優先權日:2013年11月14日
【發明者】袁珩, 房建成 申請人:北京航空航天大學