CN102621210A

CN102621210A - 以空气间隙为绝缘层的场效应气体传感器及其制备方法

Info

Publication number: CN102621210A
Application number: CN2012100952072A
Authority: CN
Inventors: 汤庆鑫; 童艳红; 塔力哈尔; 裴腾飞
Original assignee: Northeast Normal University
Current assignee: Northeast Normal University
Priority date: 2012-04-01
Filing date: 2012-04-01
Publication date: 2012-08-01

Abstract

本发明公开了一种以空气间隙为绝缘层的场效应晶体管气体传感器及制备方法，主要包括以下步骤：在导电衬底上旋涂有机绝缘层作为器件支撑层，刻蚀掉部分支撑层，制备出空气间隙沟槽；将微纳晶体放置在空气间隙上方；利用金片贴膜电极法或光刻技术等方法制备器件的源漏电极。以微纳晶体和沟槽底部栅极间的空气间隙作为器件的栅极绝缘层。本发明避免了制备过程中绝缘层接触对纳米晶体表面的污染和损伤；有利于避免尖端放点效应，增加传感器的稳定性；极大地提高器件制备的成功率、改善器件性能；导电沟道直接暴露在被测气体中，具有更好的气敏性能。稳定性好、灵敏度高，检测极限达到ppb量级的、响应速度及恢复速度快。

Description

以空气间隙为绝缘层的场效应气体传感器及其制备方法

技术领域

本发明属于传感技术领域，具体涉及一种以空气间隙为绝缘层的场效应气体传感器及其制备方法。

背景技术

从1962年青山哲郎等（Seiyama, T.; Kato, A.; Fujiishi, K.; Nagatani, M. Anal. Chem. 1962, 34, 1502–1503）发现在400℃温度下空气中的活性气体能改变ZnO薄膜的导电性能之后，基于半导体材料的气体传感器开始被广泛研究。由于半导体式气体传感器以其高灵敏度、低成本、长寿命和使用方便等特点，经过几十年的开发，目前可用于气体探测的各种半导体传感器数不胜数。

近年来，气体传感器在微型化、选择性、稳定性、灵敏度、响应时间和使用寿命等方面的要求越来越高，因此新型气体传感器的研究开发也越来越受到重视。一维纳米材料由于其本身较大的比表面积和较好的重复性而倍受人们关注(Comini, E.; Faglia, G.; Sberveglieri, G.; Pan, Z.; Wang, Z. L. Applied Physics Letters 2002, 81 (10), 1869)，同时，在操纵微纳结构并用其构筑器件方面，科学家们也取得了可喜的进展(Huang, Y.; Duan, X.; Wei, Q.; Lieber, C. M.. Science 2001, 291 (5504), 630-633)，这为基于一维微纳米材料气体传感器的应用提供了可能性。

目前，用于制备气体传感器一维纳米材料，包括有机无机纳米带，纳米线和纳米棒等。与传统薄膜材料相比，这些一维微纳单晶材料，具有很大比表面积和与德拜长度相当的较小横向尺度，这使得材料特性受到表面状态影响的程度大大增强，因而对周围环境的变动也尤为敏感。根据器件构型，一维微纳单晶气体传感器可分为两端器件和三端场效应器件。其中两端器件因为构型简单易于制备而得以广泛研究。三端场效应一维微纳单晶气体传感器在构型上基于场效应晶体管，其特点在于通过微纳单晶的电流除了源漏电极调控之外，还可以由独立的第三端栅极控制。在栅极电压的作用下，材料体内的载流子都被吸引到微纳单晶与绝缘层间的界面，形成仅有几个原子/分子层厚度的导电沟道，器件中的载流子主要通过这一导电沟道实现在源漏电极间的迁移，因而和导电沟道相临的表面相对于微纳晶体的其他表面对器件性能有更大的影响。其次，利用栅极电压的调控能比较方便地确定最佳灵敏度，这比传统的两端器件利用加热来确定最佳工作点要简单易行。另外，场效应晶体管传感器相比于两端器件具有更多的特性参数，如场效应迁移率、阀值电压和亚阈值斜率等，这些参数为气体的探测提供了更多参数，也为气体的选择性探测提供了一定可能性。因此，当前采用一维微纳单晶场效应晶体管结构气体传感器已成为国际研究的热点(Patolsky, F.; Lieber, C. M.,Materials Today 2005, 8 (4), 20-28.)( Ramgir, N. S.; Yang, Y.; Zacharias, M., Small 2010, 6 (16), 1705-1722.)。

然而，目前国际上报道的一维微纳单晶场效应气体传感器都是基于固体绝缘层，如前所述，半导体与绝缘层间的解除界面对传感器器件的性能具有至关重要的影响。接触界面上的载流子束缚、电荷掺杂、分子（或原子）重构、偶极子的形成以及一些可能的化学相互作用都能够发生在半导体/绝缘层界面上，从而降低传感器的性能及稳定性。更主要的是固体绝缘层遮蔽了大部分对吸附分子最为敏感的导电沟道界面，影响了场效应气体传感器灵敏度的进一步提高。这些问题限制了场效应一维微纳单晶气体传感器的发展，减缓了器件微型化、纳米化方向发展的脚步。

发明内容

本发明的目的是提供一种以空气间隙为绝缘层的场效应气体传感器及其制备方法。

本发明所提供的空气间隙为绝缘层的场效应一维微纳单晶气体传感器制备方法主要包括如下步骤：

1) 衬底上层为导电材料，本身导电(如重掺杂Si或Si/SiO₂)或是表层具有导电薄膜的绝缘衬底(比如具有金属膜或ITO薄膜的玻璃等)，首先对衬底进行清洗。

2) 将有机绝缘材料（PMMA或AZ1505、MOR3B等光刻胶）溶解到溶剂(丙酮、茴香醚、四氢呋喃、二甲基甲酰胺等）中，要求溶剂不侵蚀衬底导即可。将溶液滴加到衬底上而后设定进行旋涂，旋涂时间为10s-60s，转速为3000-5000 r/min。随后放置在热板上烘干。

3) 通过电子束曝光或光刻技术制备沟槽，沟槽宽度在2-20μm。

4) 挑选在40-2000nm宽的微纳单晶半导体，采用机械探针移动的方法，将其转移到沟槽的正上方，使微纳单晶半导体横跨沟槽宽度方向摆放。

5) 为了保护支撑层，采用金片贴膜电极法或掩模板法制备源漏电极，保证器件结构稳定和空气间隙的独立工作，源漏电极尽量贴近沟槽边沿平行贴放。

6) 微纳单晶半导体和沟槽底部栅极间的空气间隙即构成器件的栅极绝缘层，支撑层的厚度即为空气间隙绝缘层的高度，两个电极之间的距离为沟槽宽度。微纳单晶场效应器件的沟道宽度为微纳单晶半导体的宽度，即为40-2000nm，沟道长度为2-20μm。该气体传感器的整体构型如图1和图2所示。

7) 可以用微纳单晶半导体单根或多根材料制备器件，也可以用不同的微纳单晶半导体制作双极性及其他结构的场效应型器件。

该气体传感器具体如下的优点：

1) 半导体与绝缘层间没有刚性的接触，避免了制备过程中微纳单晶半导体与绝缘层接触对导电沟道的损伤；

2) 用电子束曝光技术得到的沟槽底部的栅极表面非常光滑，这有利于避免尖端放点效应，同时沟槽边沿也比较平滑保证传感器的稳定性和重复性；

3) 能够保证在任何情况下绝缘层与微纳单晶半导体都具有良好的接触质量，从而能够极大地提高器件制备的成功率、改善器件性能。

4）与固态绝缘层相比，导电沟道直接暴露在被测气体中，没有固体绝缘层的遮挡。既然空气绝缘层与微纳单晶半导体之间的界面是最主要的载流子通道，在进行气体分子探测时，这个载流子通道界面的气体分子吸附效应对器件性能的影响将远远大于微纳单晶半导体其他界面/表面的气体分子吸附对器件性能的影响。

5）通过实验发现用这种结构可以获得稳定性好、灵敏度高、响应速度及恢复速度极快的气体传感器。

附图说明

图1为空气间隙为绝缘层的场效应晶体管气体传感器的侧视示意图；

图2为空气间隙为绝缘层的场效应晶体管气体传感器的俯视示意图；

图3为酞菁铜单根纳米带制备的栅极为Ti/Au的场效应气体传感器的光学显微镜照片；

图4 为酞菁铜单根纳米带制备的栅极为Ti/Au的场效应气体传感器的扫描电镜照片；

图5为酞菁铜单根纳米带制备的栅极为重掺杂Si的场效应气体传感器的光学显微镜照片；

图6为酞菁铜单根纳米带制备的栅极为重掺杂Si的场效应气体传感器的扫描电镜照片；

图7为酞菁铜单根纳米带制备的场效应气体传感器对不同浓度的SO₂的响应；

图8为酞菁铜单根纳米带制备的场效应气体传感器对不同浓度的SO₂的灵敏度。

其中： 1.衬底（栅极） 2.支撑层 3.源漏电极4.微纳单晶半导体 5.空气间隙绝缘层 6.空气间隙绝缘层的厚度 7.两个电极之间的距离或场效应晶体管的沟道长度8.纳米线宽度或场效应晶体管的沟道宽度；9.Ti/Au栅极 10.重掺杂Si栅极

具体实施方式

实施例1、空气间隙为绝缘层的场效应晶体管气体传感器的制备方法1：

器件制作过程空气间隙沟槽采用旋涂在衬底表面的PMMA结合电子束曝光技术制备。源漏电极制备，采用金片贴膜电极法或光刻法获得。微纳单晶采用机械移动法放置在空气间隙上方。

本发明所提供的制作空气间隙为绝缘层的场效应气体传感器，包括如下步骤：

(1) 用标准硅片清洗工艺清洗玻璃衬底，随后用光刻的方法，制备Ti/Au（10nm/20nm）电极作为器件的栅极；

(2) 茴香醚溶剂中配备质量体积比为6%的PMMA，并把已配好的PMMA溶液滴加在玻璃片上，用匀胶机旋涂一次（旋涂时间为40s，转速为4000r/min），随后185℃的热板上烘烤90秒，使PMMA中的溶剂迅速挥发，最终可获得200nm的PMMA支撑层；

(3) 通过电子束曝光技术在栅极上制备宽度为3微米底部（导电材料，即栅极）光滑的沟槽，沟槽底部为Ti/Au，即栅极。沟槽两侧用于支撑酞菁铜纳米带。

(4) 微纳晶体采用机械移动的方式把单根酞菁铜纳米带放置在空气间隙上方，微纳单晶宽度为500nm。

(5)采用金片贴膜电极法（Tang et al. Appl. Phys. Lett. 92, 083309 ，2008）制备源漏电极。

(6) 半导体和沟槽底部到栅极间的空气间隙即构成器件的栅极绝缘层，PMMA支撑层的厚度为空气间隙绝缘层的高度，两个电极之间的距离为沟槽宽度。最终构筑的微纳单晶单根场效应器件的沟道宽度为500nm，沟道长度为3μm。图3和图4分别为为酞菁铜单根纳米带制备的栅极为Ti/Au的场效应气体传感器的光学显微镜及SEM照片。

实施例2、空气间隙为绝缘层的场效应晶体管气体传感器的制备方法2：

步骤如下：

(1) 用标准硅片清洗工艺清洗重掺杂Si作为器件的栅极；

(2) 采用实施例1中步骤(2)在Si上旋涂两层PMMA，可获得510nm 的PMMA。

(3) 通过电子束曝光技术在栅极上制备宽度为10微米底部光滑的沟槽，重掺杂Si为栅极。沟槽两侧用于支撑酞菁铜纳米带。

(4) 如同实施例1中步骤(4) 微纳晶体采用机械移动的方式把单根酞菁铜纳米带放置在空气间隙上方，微纳单晶宽度为350nm。

(5)采用实施例1中步骤(5)制备源漏电极。

(6) 半导体和沟槽底部到栅极间的空气间隙即构成器件的栅极绝缘层，PMMA支撑层的厚度为空气间隙绝缘层的高度，两个电极之间的距离为沟槽宽度。最终构筑的微纳单晶单根场效应器件的沟道宽度为350nm，沟道长度为9.41μm。图5和图6分别为酞菁铜单根纳米带制备的栅极为重掺杂Si的场效应气体传感器的显微镜及SEM照片。

其他有机或无机半导体化合物的单晶微纳结构，如十六氟代铜酞菁、红萤烯、ZnO、SnO₂等也可以采用实施例1和实施例2种的方法制备成场效应晶体管气体传感器。

实施例3、空气间隙为绝缘层的场效应晶体管气体传感器的使用（以酞菁铜纳米带为例）

器件对SO₂的气敏特性：

把已做好的器件，利用金丝球焊机连接到自制的不锈钢气敏测试***上。测试过程中气压保持一个大气压。气体流速为500sccm。测试中我们选择了栅极电压为V_G=-10 V，源漏极电压为V_SD=-15 V。气体浓度用质量流量计来控制，平衡气体为N₂。被测气体SO₂的浓度为0.5-20ppm，被测气体通入时间为15min，随后高纯N₂通入时间设定为30min。测试器件对SO₂气敏特性及灵敏度。

图7和图8分别为酞菁铜单根纳米带制备的场效应气体传感器对不同浓度的SO₂的响应及灵敏度。酞菁铜单根场效应气体传感器对0.5ppm的SO₂灵敏度可达220%。

Claims

1.以空气间隙为绝缘层的场效应气体传感器的制备方法，其特征是具体步骤如下：

1）衬底上层为导电材料，本身导电为重掺杂Si或Si/SiO₂或是其表层具有导电薄膜的绝缘衬底，首先对衬底进行清洗；

2）将有机绝缘材料PMMA或AZ1505、MOR3B光刻胶溶解到溶剂丙酮或茴香醚或四氢呋喃或二甲基甲酰胺中，溶剂不能侵蚀衬底，将溶液滴加到衬底上而后进行旋涂，旋涂时间为10s-60s，转速为3000-5000 r/min，然后放置在热板上烘干；

3）通过电子束曝光或光刻技术制备沟槽，沟槽宽度在2-20μm；

4）挑选在40-2000nm宽的微纳单晶半导体，采用机械探针移动的方法，将其转移到沟槽的正上方，使微纳单晶半导体横跨沟槽宽度方向摆放；

5）采用金片贴膜电极法或掩模板法制备源漏电极，保证器件结构稳定和空气间隙的独立工作，源漏电极尽量贴近沟槽边沿平行贴放；

6）微纳单晶半导体和沟槽底部栅极间的空气间隙即构成器件的栅极绝缘层，支撑层的厚度即为空气间隙绝缘层的高度，两个电极之间的距离为沟槽宽度，微纳单晶场效应器件的沟道宽度为微纳单晶半导体的宽度，即为40-2000nm，沟道长度为2-20μm；

7) 用微纳单晶半导体单根或多根材料制备器件，也可以用不同的微纳单晶半导体制作双极性及其他结构的场效应型器件。

2.按权利要求1所述的方法制备的以空气间隙为绝缘层的场效应气体传感器。