CN102435634B

CN102435634B - 一种otft集成传感器阵列及其制作方法

Info

Publication number: CN102435634B
Application number: CN201110359421XA
Authority: CN
Inventors: 太惠玲; 蒋亚东; 严剑飞; 李娴; 张波
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2011-11-14
Filing date: 2011-11-14
Publication date: 2013-11-27
Anticipated expiration: 2031-11-14
Also published as: CN102435634A

Abstract

本发明公开了一种OTFT集成传感器阵列，包括至少集成在同一个硅基片上四个以上的OTFT传感器单元，其特征在于：

所述OTFT传感器单元采用底电极器件构型，四个OTFT传感器单元共用源极和栅极，并且源极和漏极之间的沟道设计为叉指结构；

源极和漏极为金/钛双层膜：采用金材料做电极层，钛材料作为过渡层；

源极、漏极和栅极三端电极分别通过外引线来实现OTFT阵列的测试；

所述OTFT集成传感器阵列以有机/无机纳米复合薄膜为敏感薄膜。该OTFT集成传感器阵列结构简单，选择性好，灵敏度高，在环境监测、食品安全及军事等领域均具有广泛的应用前景。

Description

一种OTFT集成传感器阵列及其制作方法

技术领域

本发明涉及微电子机械***气体传感器和有机/无机纳米复合材料领域，具体涉及一种基于有机/无机纳米复合薄膜的OTFT集成传感器阵列及其制作方法。

背景技术

近年来，气体传感器在环境监测、食品工业及军事等领域都得到了广泛的应用，传统的气体检测仪器体积大，价格昂贵，因此发展具有高性能的微型化、集成化气体传感器已势在必行。随着MEMS技术（Micro Electro-Mechanical System）的飞速发展及其在传感器领域的应用，以有机薄膜晶体管（Organic thin film-transistor, OTFT）为基础构成的化学传感器成为传感器领域的一个研究热点。同传统的气体传感器相比，基于OTFT结构的气体传感器除了具有灵敏度高、可在常温下使用等优点外，还具有以下几个显著优点：

(1) 利用晶体管基本特性将难以检测的高电阻变化转变为易检测的电流变化；

(2) 可通过适当选择器件的栅极工作电压来调节传感器的灵敏度；

(3) 多参数模式更有利用气体的识别和分析；

(4) 通过对有机物分子的化学修饰可以方便地调节传感器的电性能，提高灵敏度；

(5) 有机物柔韧性好，可以弯曲，易于制成各种形状；

(6) 易于集成，可制备大面积传感器阵列。

因此，OTFT气体传感器较传统的气体传感器制造成本低，且对微小环境的研究能力强，便于现场应用与携带；而利用微电子及微加工技术，OTFT可以方便地制成阵列，并可以与测量分析***集成为SOC（System on chip），且集成后阵列***的尺寸相对也较小。

目前将该类传感器应用于各类无机及有机气体检测已有广泛报道。H. Laurs及其小组在1987年制备了基于不同酞箐材料的OTFT器件，并观察到当该器件暴露在氧气、碘及溴蒸气中时其源漏电流呈数量级增大，这一发现报道开创了OTFT器件在气体传感器领域的应用先河（H. Laurs, Heiland G., Electrical and optical properties of phthalocyanine films, Thin Solid Films, 1987,149:129-142）。L. Torsi及其小组在2000年提出OTFT气体传感器的多参数概念，并特别指出OTFT阵列形成多维响应模式并用于多种气体分析的可能性（L. Torsi, A. Dodabalapur, L.Sabbatini, P.G. Zambonin, Multi-parameter gas sensors based on organic thin-film-transistors, Sensors and Actuators B, 2000, 67: 312–316）。M. Bouvet等人则在2001年在Sensors and Actuators B上接连发表了他们以酞箐为敏感层的OTFT臭氧传感器的研究成果，该研究也充分证明了以OTFT器件为气体传感器的优势所在（M. Bouvet, , A. Leroy, J. Simon, F. Tournilhac, G. Guillaud, P. Lessnick, A. Maillard, S. Spirkovitch, M.Debliquy, A. De Haan, A. Decroly, Detection and titration of ozone using metallophthalocyanine based field effect transistors, Sensors and Actuators, B, 2001, 72: 86-93）。而B.Crone等人以一系列不同的齐聚物聚噻酚、酞箐及其它有机半导体为活化敏感材料制备了OTFT传感器，并将其置于乙醇、酮类、硫醇类、酯类等不同气体环境中，得到了对不同气体的广谱响应（B.Crone, A.Dodabalapur, A.Gelperin, L.Torsi, H.E.Katz, A.J.Lovinger, Z. Bao, Electronic sensing of vapors with organic transistors, Applied Physics Letters, 2001, 78(15): 2229-2231）。F. Liao及其小组在2005年以并五苯、P3HT和P3OT为敏感材料制备了OTFT器件，并用于识别水和牛奶（F. Liao, C. Chen, V. Subramanian, Organic TFTs as gas sensors for electronic nose applications, Sensors and Actuators B, 2005, 107: 849-855）。2006年Josephine B. Chang小组报道了基于聚噻吩及其衍生物的OTFT器件对丁醇、异丙醇等多种有机挥发性气体的响应特性（B. Josephine Chang, V. Liu, V. Subramanian, Printable polythiophene gas sensor array for low-cost electronic noses, Journal of Applied physics, 100, 2006, 014506）。

国内方面，以长春应化所、中科院化学所、清华大学、北方交通大学、中电集团26所、吉林大学和电子科技大学等为代表的研究单位相继开展了OTFT的研究工作，但将OTFT应用于传感器领域的研究则不多。中国科学院在此方向开展了一些很有意义的工作，在2009年报道了以酞箐铜纳米带为敏感层制备的OTFT气体传感器，该传感器在室温条件下对四氢呋喃气体（THF）表现出良好的响应特性，同时在几分钟内可恢复（Y. J. Zhang, W. P. Hu, Field-effect transistor chemical sensors of single nanoribbon of copper phthalocyanine, Science in China Series B: Chemistry, 2009, 52(6): 751-754）。这一结果表明有机单晶纳米带OTFT器件可以有效地用于化学传感器领域。总体而言，国内在OTFT气体传感器的研究方面与国外相比仍然存在着巨大的差距。

目前，OTFT集成传感器的精度已可以和其它传统的气体检测方式相媲美，阵列化是基于该类传感器无可比拟的优势，它可以提高检测精度和选择性，并实现多种气体的定性与定量分析。目前，国际上OTFT传感器技术正向着集成化和微型化发展，将OTFT传感器阵列与微流控芯片集成制备电子鼻（或电子舌）***，以实现在更加复杂气体（或液体）环境中的应用。本发明以有机/无机纳米复合材料为气敏层来制备OTFT集成传感器阵列，为OTFT气体传感器的研究与应用开创新的途径，该研究目前尚未见报道，也没有相关发明专利的申请。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是如何提供一种OTFT集成传感器阵列及其制作方法，该OTFT集成传感器阵列结构简单，选择性好，灵敏度高，在环境监测、食品安全及军事等领域均具有广泛的应用前景。

本发明所提出的技术问题是这样解决的：提供一种OTFT集成传感器阵列，包括至少集成在同一个硅基片上四个以上的OTFT传感器单元，其特征在于：

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所述OTFT集成传感器阵列以有机/无机纳米复合薄膜为敏感薄膜。

按照本发明所提供的OTFT集成传感器阵列，其特征在于，共用的源极居中，OTFT传感器单元上下对齐排列。

按照本发明所提供的OTFT集成传感器阵列，其特征在于，所述源极和漏极的宽度和长度分别为4000 μm和25 μm。

按照本发明所提供的OTFT集成传感器阵列，其特征在于，漏极和源极的厚度为50~150nm。

上述OTFT集成传感器阵列的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

采用具有外延层、单晶硅器件层的硅片作为衬底，并进行标准清洗；

采用干氧-湿氧-干氧顺序的热氧化方法制备二氧化硅绝缘层；

采用磁控溅射法沉积Ti/Au双层膜；

对Ti/Au双层膜进行光刻、刻蚀、去胶和标准清洗工艺；

划片；

封装：采用60μm硅铝丝分别在源漏栅三端极引出测试线路，其中背栅极采用导电胶烧结的方法连接，源漏电极采用压焊的方法实现连接；

采用掩模法对不同OTFT单元实现定位选区薄膜沉积，所述薄膜为有机/无机纳米复合薄膜。

按照本发明所提供的OTFT集成传感器阵列的制备方法，其特征在于，其中步骤

所述硅片衬底厚度为300-600μm，电阻率小于0.02Ω·cm，外延层厚度为5-15μm，电阻率为2.0到8.0Ω·cm。

二氧化硅介质层厚度为80-250 nm。

所述所述有机/无机纳米复合薄膜的厚度为70-200 nm。

所述有机/无机纳米复合薄膜中，有机相为聚苯胺、酞菁络合物类或聚噻吩类，无机相为纳米TiO₂、In₂O₃、ZnO、SnO₂或碳纳米管。

按照本发明所提供的OTFT集成传感器阵列的制备方法，其特征在于，采用气喷、电喷或真空蒸发等工艺进行有机/无机纳米复合薄膜的制备。

本发明由于采取以上技术方案，具有以下特色与优点：(1)利用OTFT本身特性，将硅片衬底背面直接采取烧结的方法实现外引线，避免了在OTFT传感器集成阵列正面单独采用光刻、刻蚀等复杂的工艺来制备，大大简化了工艺步骤，提高了器件性能；(2) OTFT传感器阵列单元共用源极和栅极，简化了器件设计；而每个单元各自有一个单独的漏极，可以实现各自的检测，提高了OTFT传感器阵列单元的可操作性；(3) 根据器件的功能与特点，采取了底栅底电极的结构模式，使得敏感薄膜沉积在器件顶端，增大被检测气体与敏感薄膜的接触面积，提高了OTFT传感器阵列检测的灵敏度；(4) 采用气喷、电喷或真空蒸发等工艺，通过掩模法在OTFT传感器阵列单元上进行选区沉积敏感薄膜，从而实现对不同气体的测量。(5) 以无机纳米粒子为“反应核”，采用不同的有机单体制备具有不同灵敏度的有机/无机纳米复合材料，利用其交叉敏感特性，结合集成式OTFT器件阵列设计，形成具有不同敏感薄膜的OTFT传感器集成阵列，可提高OTFT单元器件的选择性和稳定性。(6) 将OTFT传感器集成阵列的多参数模式形成足够规模的多维响应矩阵，通过人工神经网络模式识别分析，并结合OTFT器件载流子的传输特性，得到OTFT传感器特性参数与被测气体间的内在联系机制。该模式将改变国内外常见的利用单一OTFT器件源漏电流来测试气体的方法，为OTFT传感器的检测与应用提供新的思路。本发明将纳米复合材料、薄膜工艺与MEMS工艺相结合，简化了器件制备工艺，提高了器件性能，为OTFT传感器阵列的制备与应用开辟了新的途径。

附图说明

图1是本发明所提供的OTFT集成传感器阵列（以4个单元为例进行说明，以下同）结构俯视图；

图2是本发明所提供的OTFT传感器阵列一个单元的结构截面图（沿着其中一条沟道方向切割）；

图3是本发明所提供的源漏电极形状俯视图。

图4是本发明所提供的工艺流程示意图。

其中，1、漏极，2、漏极，3、共源极，4、漏极，5、共栅极，6、漏极。

具体实施方式

下面结合附图以及实施例对本发明作进一步的说明。

如图1和图2所示，图1是本发明所提供的OTFT传感器阵列结构俯视图，它包含了集成在同一硅基片上的4个OTFT单元，采用源漏在底的结构。所有的OTFT单元共用源极（引脚3）和栅极（引脚5），每个单元各自有一个单独的漏极（引脚1、2、4和6）。阵列整体的布局采用如图1所示的共源极居中、单元上下排列，主要是考虑OTFT单元薄膜制备的工艺兼容性问题；同时，实验已经证明，栅压对OTFT器件的敏感特性具有调制作用；因此为了消除这一影响，并简化OTFT阵列设计，所有的单元共用栅极。

图2是本发明所提供的OTFT传感器阵列单元结构截面图，采取n型硅衬底，热氧化的方法制备绝缘层二氧化硅，金作为电极，钛作为过渡层，目的是为了增强粘附性，源极、漏极和栅极三端电极分别具有用于测试的外引线。

图3是OTFT源漏电极的图形设计，沟道设计为叉指结构，用以增加沟道宽长比，以提高器件的跨导。4个OTFT沟道的宽和长相同，分别为4000 μm和25 μm，这一尺寸的设计主要是同时考虑MEMS制造工艺实现与OTFT 器件的敏感特性两个方面。

本发明利用OTFT传感器阵列结构本身的特性，在硅片衬底直接采用导电胶烧结的方法引出栅极，大大简化了制备工序，并提高了器件的性能。下面结合工艺流程示意图（图4，包括截面图和俯视图）说明本发明的制作实施例：

（1）采用具有外延层、单晶硅器件层的硅片作为衬底，并进行标准清洗（如图4a所示）；

（2）采用干氧-湿氧-干氧顺序的热氧化方法制备绝缘层二氧化硅（如图4b所示）；

（3）采用磁控溅射法沉积Ti金属薄膜，作为过渡层（如图4c所示）；

（4）采用磁控溅射法沉积Au金属薄膜，作为源漏电极金属（如图4d所示）；

（5）对Ti/Au双层膜进行光刻、刻蚀、去胶和标准清洗等工艺，其中刻蚀包括刻蚀薄膜金层（图4e）和刻蚀薄膜钛层（图4f）；

（6）划片；

（7）封装：采用60μm硅铝丝分别在源极、漏极和栅极三端极引出测试线路，其中背栅极采用导电胶烧结的方法连接，源漏电极采用压焊的方法实现连接（如图4g所示）；

（8）采用气喷、电喷或真空蒸发等工艺，通过掩模法对不同OTFT单元实现定位选区薄膜沉积（如图4h所示）。

上述方法中，其中步骤（8），制备有机/无机纳米复合薄膜作为敏感层时，可选择聚苯胺、酞菁络合物类、聚噻吩类等为有机相，纳米TiO₂、In₂O₃、ZnO、SnO₂或碳纳米管等为无机相；通过化学氧化聚合法制备有机/无机纳米复合材料，即以无机纳米粒子为核进行有机聚合物的聚合反应：在无机纳米粒子存在的情况下，纳米粒子首先在聚合物单体中均匀分散，再在氧化剂的作用下引发单体进行聚合，聚合物围绕无机纳米粒子进行受限生长，继而形成有机/无机纳米复合材料。

Claims

1.一种OTFT集成传感器阵列，包括至少集成在同一个硅基片上四个以上的OTFT传感器单元，其特征在于：

①所述OTFT传感器单元采用底电极器件构型,四个OTFT传感器单元共用源极和栅极，并且源极和漏极之间的沟道设计为叉指结构；

②源极和漏极为金/钛双层膜：采用金材料做电极层，钛材料作为过渡层；

③源极、漏极和栅极三端电极分别通过外引线来实现OTFT集成传感器阵列的测试；

④所述OTFT集成传感器阵列以有机/无机纳米复合薄膜为敏感薄膜，所述有机/无机纳米复合薄膜中的有机相为聚苯胺、酞菁络合物类或聚噻吩类，无机相为纳米TiO₂、In₂O₃、ZnO、SnO₂或碳纳米管。

2.根据权利要求1所述的OTFT集成传感器阵列，其特征在于：共用的源极居中，OTFT传感器单元上下对齐排列。

3.根据权利要求1所述的OTFT集成传感器阵列，其特征在于：所述源极和漏极的宽度和长度为别为4000um和25um。

4.根据权利要求1所述的OTFT集成传感器阵列，其特征在于：漏极和源极的厚度为50～150mm。

5.根据权利要求1所述的OTFT集成传感器阵列的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

①采用具有外延层、单晶硅器件层的硅片作为衬底，并进行标准清洗；

②采用干氧—湿氧—干氧顺序的热氧化方法制备二氧化硅绝缘层；

③采用磁控溅射法沉积Ti/Au双层膜；

④对Ti/Au双层膜进行光刻、刻蚀、去胶和标准清洗工艺；

⑤划片；

⑥封装：采用60um硅铝丝分别在源极、漏极和栅极三端电极引出测试线路，其中栅极采用导电胶烧结的方法连接，源极和漏极采用压焊的方法实现连接；

⑦采用掩模法对不同OTFT传感器单元实现定位选区薄膜沉积，所述薄膜为有机/无机纳米复合薄膜。

6.根据权利要求5所述的OTFT集成传感器阵列的制备方法，其特征在于：其中步骤①所述硅片衬底厚度为300—600um，电阻率小于0.02Ω·cm，外延层厚度为5—15um，电阻率为2.0到8.0Ω·cm。

7.根据权利要求5所述的OTFT集成传感器阵列的制备方法，其特征在于：其中步骤②二氧化硅绝缘层厚度为80—250nm。

8.根据权利要求5所述的OTFT集成传感器阵列的制备方法，其特征在于：其中步骤⑦所述有机/无机纳米复合薄膜的厚度为70—200nm。

9.根据权利要求5所述的OTFT集成传感器阵列的制备方法，其特征在于：采用气喷或电喷进行有机/无机纳米复合薄膜的制备。