CN103649739B - 使用石墨烯的用于化学传感的场效应晶体管、使用晶体管的化学传感器和制造晶体管的方法 - Google Patents
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Abstract
用于化学传感的场效应晶体管(20)，包括漏极(5)和源极(6)间延伸的导电和化学敏感沟道(2)。栅极(7)被缝隙(10)从沟道(2)分隔，待传感的化学物能经其到达沟道(2)，沟道包括布置在电绝缘的石墨烯层衬底(1)上的连续单晶石墨烯层(2a)。石墨烯层(2a)在源极(5)和漏极(6)之间延伸并电连接于源极和漏极。衬底支撑石墨烯层，允许其保持为2维且连续，使其能设置在明确界定表面上，且作为分离的部分生产且添加到晶体管。这对再现性有益且减少在生产期间和之后对石墨烯层损伤的风险。也使能了在单个晶体管之间具有低变化性的低探测极限。还提供了使用晶体管(20)的化学传感器(30)和用于提供晶体管(20)的方法。
Description
技术领域
本公开内容大体上涉及使用场效应晶体管的化学传感并且更具体地涉及使用具有涉及石墨烯的化学敏感的沟道的场效应晶体管的化学传感。
背景技术
使用场效应晶体管(FET)的化学传感，例如能够探测气体的FET，如在1975年文章I.“A Hydrogen-Sensitive MOS Field-EffectTransistor”Applied Physics Letters 26，55-57页中以及在授予Svensson等人的美国专利4,058,368中描述的。在上文提到的文章中，晶体管器件具有钯栅，其具有氢解离性吸附和原子氢然后吸附到钯栅中的催化活性。
在沟道和栅之间具有空气缝隙的化学敏感的FET已经在例如Janata的1985年美国专利4,514,263和4,411741中描述，它们描述了具有空气缝隙的用于测量气体或液体中的组分的化学敏感的场效应晶体管。这些FET相似于MOSFET，因为它们二者都包括作为沟道起作用的掺杂的半导体衬底和形成源电极和漏电极的一对掺杂区，然而在Janata的器件中，金属栅被悬挂在半导体衬底上方，界定空气缝隙。电压被施加于栅上并且当具有偶极矩的气体或液体被引入空气缝隙中时，它们被吸引于带电荷的栅或吸引于半导体表面。
当化学敏感的FET被用于化学传感应用时，即，当这样的FET被用于/用作传感器时，传感器还包括用于电控制和/或偏置用于传感的FET的装置，使得化学物质的探测将表现为电信号或表现在电信号中，电信号因此成为指示化学物质的电信号。通过预确定被传感的化学物质(例如其的浓度)和所得到的指示化学物质的电信号之间的关系，电信号可以被单独地使用，不仅用于探测化学物质的存在或不存在，而且用于确定化学物质的量，典型为浓度。
在2004年被K.S.Novoselov等人隔离石墨烯之后，“Electric FieldEffect in Atomically Thin Carbon Films”Science，306，5696，666-669，其在各种应用领域的用途已经被研究，包括用于化学传感应用。低探测极限已经成为可能，部分由于石墨烯晶体管的低噪声并且还由于石墨烯中高的表面积和大的场效应，这使通过施加栅电压在费米能级的大的迁移成为可能，从而精细调节用于传感器应用的电子性质。
十亿分之一探测在2007的文章Schedin等人，“Detection of individualgas molecules adsorbed on graphene”，Nature Materials，6，9，652-655中提出，并且示出了指示单独的分子吸附和解吸事件的分级噪音。在上文提到的文章中，石墨烯为小的裂解薄片的形式。
在石墨烯传感器的探测背后的详细机理仍然是强烈争论的话题，然而，没有疑问的是，石墨烯可以在化学传感应用中使用并且其使比在常规的化学传感中低的探测极限成为可能。
在Z.Cheng等人，Nano Letters 10，1864(2010)中，公开了悬挂的石墨烯传感器。其包括由支撑在硅/二氧化硅衬底上的机械剥落的石墨烯制成的石墨烯场效应晶体管(Gra-FET)。Cr/Au的源-漏触点被电子束平版印刷和后续的金属化限定。聚二甲基硅氧烷(PDMS)室被包含在“Gra-FET”芯片上以约束电解质溶液并且未泄漏的Ag/AgCl参考电极被用作电解质栅。在石墨烯下方的氧化硅的蚀刻被原位地进行以实现悬挂并且使在具有悬挂和不具有悬挂的条件之间的比较是可能的，显示出悬挂改善了传感性质。然而，传感器是不可行的，通过原位蚀刻实现悬挂是繁琐的并且易于导致单个传感器之间的悬挂差异、在蚀刻期间对石墨烯层破坏的风险以及当衬底已经在其下方被蚀刻时对石墨烯层破坏的风险。
使用该器件的一个一般问题，并且经常是使用在本发明的日期或目前涉及石墨烯的许多公开的器件的一个一般问题，是它们主要被设计用于实验目的并且不可实现为用于实际使用的商业产品。它们因此经常具有在诸如可靠性、再现性、个体的变化性、生产率以及成本效率方面的问题。例如，当寻求低探测极限时，无关紧要的是个别的传感器可以被做得非常敏感，如果其是不可重复的话，使得在原理上具有同等的敏感性和低探测极限的许多传感器可以被制造，或如果传感器在使用或制造期间可能或过于容易地可能使其敏感性被消极地影响的话。对石墨烯层的破坏可以破坏或至少损害化学传感能力。因为破坏的程度和影响通常或多或少在本质上是随机的，此外小的破坏可以导致在具有相同的类型和构造的传感器之间的非期望的个体变化性，对于具有低探测极限的传感器，这可能是特定的问题，如被石墨烯导致的。因此期望的是，把对石墨烯层破坏的风险减少至可能的最大程度。
针对涉及石墨烯的实际的气体传感的步骤记载在2011年文章G Lu等人，“Toward practical gas sensing with highly reduced graphene oxide:A newsignal processing method to circumvent run-to-run and device-to-devicevariations”，ACS Nano中，印刷/在线出版。文章讨论了使用背栅FET平台(使用用化学方法减少的石墨烯氧化物作为导电沟道)的气体传感器的制造和特征，以及解决器件之间的变化的信号处理方法。栅是硅晶片并且在栅的顶部具有二氧化硅层，Cr/Au电极使用电子束平版印刷被制造至二氧化硅层上。几滴被还原的石墨烯氧化物悬浮液被浇铸至所制造的电极上以实现在溶剂蒸发之后留在电极上的悬挂的被还原的石墨烯氧化物薄片的网络。该网络用作漏电极和源电极之间的导电沟道。然而，所提供的溶液导致在具有被还原的石墨烯氧化物薄片的放置和厚度的不确定性的单个器件之间的传感器响应的显著差异。此外，石墨烯的柔性本质使整个薄片的悬浮不太可能并且因此来自SiO2衬底的贡献是高度可能的。
发明内容
考虑到上文，本公开内容的目的是提出克服或至少减轻现有技术中的问题的解决方案或至少提出可选择的解决方案。一个更具体的目的是提供使用石墨烯作为化学敏感的材料的用于化学传感的场效应晶体管，由此使能当晶体管被用作化学传感器或在化学传感器中使用时的低探测极限，并且同时使能关于可靠性、再现性和/或个体变化性的改进。本发明被所附的独立权利要求限定。
因此，根据第一方面，提供用于化学传感的场效应晶体管，包括栅电极、漏电极、源电极和在所述漏电极和所述源电极之间延伸并且被电连接于所述漏电极和所述源电极的导电的并且化学敏感的沟道，所述栅电极被布置在距所述化学敏感的沟道一距离处并且与所述化学敏感的沟道相对，使得所述栅电极和所述化学敏感的导电沟道被缝隙隔开，待被传感的化学物质能够经过该缝隙到达所述化学敏感的沟道。所述化学敏感的沟道包括被布置在电绝缘的石墨烯层衬底上的连续的单晶石墨烯层，所述石墨烯层在所述源电极和所述漏电极之间延伸并且被电连接于所述源电极和所述漏电极。所述化学上敏感的沟道和所述石墨烯层衬底属于第一分离的部分，所述第一分离的部分被安装于第二分离的部分，该第二分离的部分至少包括被布置在栅衬底的绝缘的表面上的所述栅电极。
所述衬底使所述石墨烯层能够被设置在明确界定的表面上并且作为分离的部分生产和添加到所述晶体管中。所述衬底还支撑所述石墨烯层并且允许其保持为2维的、连续的并且保持在预期的位置中。这增加再现性并且减少在生产期间和之后对石墨烯层损伤的风险。与据此的单晶的连续的石墨烯层组合，这还使能在单个晶体管之间具有低的变化性的低探测极限。
所述石墨烯层可以具有均一的厚度，优选一个或多个单层石墨烯的预确定的厚度。因为厚度影响电学性质，例如带隙、载流子浓度等等，所以均一的并且优选预确定的厚度提供对传感性质的控制并且使能在单个传感器之间具有低的变化性的可再现的器件形成。
所述石墨烯层可以是外延层并且所述石墨烯层衬底可以是所述石墨烯层在其上外延地生长的衬底。通过使所述石墨烯层保持在生长衬底上，没有必要操纵典型的纳米薄的石墨烯层和结构。此外，当所述石墨烯层能够保持在所述衬底上时，在所述晶体管的制造期间损伤所述薄的石墨烯层的风险被减少。
所述石墨烯层衬底可以是碳化硅衬底并且所述石墨烯层可能已经通过硅从所述碳化硅衬底的升华在所述碳化硅衬底上外延地生长。
所述石墨烯层可能已经为了化学选择性被表面处理，使得仅选定类型的化学物质被所述石墨烯层探测到和/或使得某些类型的化学物质被阻止到达所述化学敏感的沟道。所述表面处理可以包括金属颗粒和/或聚合物的沉积。
所述缝隙可以被布置为直接毗邻于所述化学敏感的沟道并且与周围环境连接，使得所述待被传感的化学物质能够从所述周围环境到达所述缝隙，其中所述周围环境可以是气态周围环境，例如空气环境，或液态周围环境。
所述栅电极和所述化学敏感的沟道可以仅被所述缝隙分隔。
所述栅电极可以由金属制成，例如金或铂。所述栅电极可以被布置在栅衬底的电绝缘表面上。
所述缝隙可以被设计作为流经沟道，所述流经沟道的高度被所述栅电极和所述化学上敏感的沟道之间的距离定义。
所述流经沟道可以具有闭合的横截面。
所述第二部分可以还包括被布置在所述栅衬底的所述绝缘表面上的所述漏电极和所述源电极，并且所述漏电极和所述源电极通过所述安装已经与所述第一部分物理接触，由此建立在所述石墨烯层与所述源电极和所述漏电极之间的电连接。
以这种方式，可以避免所述漏电极和所述源电极分开沉积或附接到所述化学敏感的沟道的所述石墨烯层上。这是有利的，因为已知结合于石墨烯是困难的并且工艺例如平版印刷具有对所述石墨烯层(沟道)损伤的风险。代替地，当所述部分被分开地安装时，所述电极可以紧贴所述化学敏感的沟道被压制并且与所述化学敏感的沟道接触，例如通过把所述部分夹持于彼此。这还使所述漏电极和所述源电极的尺寸能够被用于控制所述缝隙的高度，当所述部分被安装于彼此时，该高度可以通过所述漏电极和所述源电极(优选在厚度上相等)的厚度减去所述栅电极的厚度决定。
根据第二方面，提供包括所述场效应晶体管并且包括被布置为电偏置所述场效应晶体管使得与所述化学敏感的沟道接触的待被传感的化学物质导致电信号的改变的电路的化学传感器，其中所述改变指示所述化学物质被传感到。所谓“化学传感器”，其意指具有传感化学物质的用途的器件，即，被特别地配置为这样做并且被配置为提供指示所述化学物质被传感到的响应的器件。
在一个实施方案中，所述化学传感器的电路可以包括被布置为使恒定电流在所述源电极和所述漏电极之间流动的电流源并且通过包括电压源被布置为把恒定电压供应至所述栅电极，其中指示所述被传感的化学物质的所述电信号是在所述源电极和所述漏电极之间的电压。
在另一个实施方案中，所述化学传感器的电路可以包括被布置为在所述源电极和所述漏电极之间施加恒定电压的电压源，其中指示所述被传感的化学物质的电信号是为了保持所述源电极和所述漏电极之间的恒定电流所需要的栅电极电压。
根据第三方面，提供了所述场效应晶体管的用于化学传感的用途。所述用途中的化学传感可以包括把待被传感的化学物质从周围环境引导至所述缝隙。
根据第四方面，提供了用于提供所述场效应晶体管的方法，其中所述方法包括以下步骤：提供包括在碳化硅晶圆衬底上的外延石墨烯层的晶圆；从所述外延石墨烯层形成所述场效应晶体管的连续的单晶石墨烯层；-提供被布置在所述石墨烯层衬底上的所述连续的单晶石墨烯层作为第一分离的部分；提供包括被布置在栅衬底的绝缘的表面上的所述栅电极的第二分离的部分；以及通过把所述第一分离的部分和所述第二分离的部分安装于彼此形成所述用于化学传感的场效应晶体管。
提供所述晶圆的步骤可以包括：提供碳化硅晶圆衬底；以及通过硅从所述碳化硅晶圆衬底的升华在所述碳化硅晶圆衬底上生长所述外延石墨烯层。
形成所述连续的单晶石墨烯层的步骤可以包括：切割所述晶圆，使得被布置在所述石墨烯层绝缘衬底上的所述连续的单晶石墨烯层由具有下层部分的碳化硅晶圆衬底的外延石墨烯层的切割块形成。
所述第二分离的部分可以还包括被布置在所述栅衬底的绝缘表面上的所述漏电极和所述源电极。
作为分离的部分安装减少了在制造期间损伤所述石墨烯层的风险。可能有害于所述石墨烯层的工艺例如平版印刷可以由此在所述石墨烯层的存在下避免。代替地，所述第二部分的处理可以在隔离中进行并且具有所述石墨烯层的第一部分的安装可以在制造期间在随后的或最后的步骤中进行。
附图说明
本发明的上述以及其他的方面、目的和优点参照所附的示意性附图通过以下例证性的并且非限制性的详细描述将被更好地理解。
图1a示意性地示出了根据第一实施方案的用于化学传感的场效应晶体管的侧视图并且具有偏置晶体管以用作化学传感器的示意性电路。
图1b示意性地示出了在图1a中示出的用于化学传感的场效应晶体管的仰视图。
图2a示意性地示出了具有示例性的第一类型的表面处理的场效应晶体管化学敏感沟道的侧视图。
图2b示意性地示出了具有示例性的第二类型的表面处理的场效应晶体管化学敏感沟道的侧视图。
图3是示意性地示出了在提供用于化学传感的场效应晶体管的方法中的步骤的框图。
在附图中，相同的参考数字可以被用于相同的、相似的或相应的特征，甚至当参考数字指代不同实施方案中的特征时。
具体实施方式
图1a示意性地示出了根据第一实施方案的用于化学传感的场效应晶体管20的侧视图并且具有偏置晶体管以用作化学传感器30的示意性电路。图1b示意性地示出了在图1a中示出的场效应晶体管20的仰视图。所述图显示了空气缝隙场效应气体传感器的设计实施例，其具有石墨烯层支撑衬底1、导电的并且化学敏感的沟道2(在此通过连续的单晶石墨烯层2a形成)、焊垫形式的源电极5、焊垫形式的漏电极6、焊垫形式的栅电极7、电绝缘栅衬底层8、栅基部衬底9和缝隙10。化学敏感的导电沟道2在漏电极6和源电极5之间延伸并且被电连接于漏电极6和源电极5。栅电极7被布置在距所述化学敏感的沟道2某距离处并且与所述化学敏感的沟道2相对，使得缝隙10在栅电极7和化学敏感的导电沟道2之间形成。栅电极7因此悬挂在化学敏感的沟道2上方与沟道2距离缝隙10，通过缝隙10，待被传感的化学物质可以,到达化学敏感的沟道2。
石墨烯层支撑衬底1可以包含可以支撑石墨烯层2a并且向化学敏感的导电沟道2赋予电学性质的任何绝缘的或半绝缘的材料，该电学性质对于特定应用的要求是可接受的。石墨烯层衬底1优选是碳化硅(SiC)衬底，其可以影响沟道2的电子性质，但是不至于传感被损害并且不能够通过施加栅场实现电中性的足够大的程度。虽然过度的电荷供给是非期望的，但是某些电荷供给将典型地不具有消极的影响。当在氧气环境例如空气环境中使用时，少量的负电荷供给，如来自SiC，可以是有益的，因为大气中的氧气掺杂沟道并且来自衬底的某些负电荷供给抵消这种影响。
其他可能的石墨烯层衬底材料包括例如Al2O3、AlN、MgO和GaN中的任何一个。
连续的单晶石墨烯层2a已经优选在石墨烯层支撑衬底1上外延地生长，但是也可以通过其他的手段被沉积至石墨烯层支撑衬底1上或被分开地附接于石墨烯层支撑衬底1，例如已经被附接于其的剥落的石墨烯。这可以包括把晶圆大小的外延石墨烯转移至除了生长衬底的衬底。石墨烯层2a用作场效应晶体管20的导电沟道。待被传感的化学物质，例如被包含在目标气体中的，将吸附至化学敏感的沟道2的石墨烯层2a上，由此通过来自石墨烯的电子供给或抽出影响电流流动。石墨烯层2a优选具有均一的厚度，并且可以是单层、二层或多层的石墨烯。
在SiC上生长外延石墨烯的最近进步已经使得在整个晶圆上具有受控的电子性质例如载流子浓度的高品质的单层的石墨烯等成为可能(见例如Yakimova等人,“Analysis of the Formation Conditions for Large AreaEpitaxial Graphene on SiC Substrates”，Materials Science Forum，645-648，565-568，2010)。由于其的二维性，石墨烯被衬底高度地影响，其中SiC把电子供给石墨烯，以N型掺杂石墨烯，并且诱导带隙(见F.Varchon，等人.“Structure of epitaxial graphene layers on SiC:effect of the substrate”，Phys.Rev.Lett.99，2007，126805页和S.Y.Zhou等人，“Substrate-inducedbandgap opening in epitaxial graphene”，Nat.Mater.6，2007，770-775页)。
石墨烯层2a优选由已经通过硅从碳化硅衬底的升华被外延地生长的石墨烯形成，优选如在待审的PCT申请PCT/SE2011/050328，“Process forgrowth of graphene”，R.Yakimova，T.Iakimov，M.中公开的。具有这样的石墨烯的晶圆也可以从瑞典的University获得。以这种方式生产的石墨烯可以被制成具有均一的厚度在晶圆规模是连续的并且具有单层厚度精确性。这使其用作化学敏感的导电沟道2的石墨烯层2a以及在寻求低探测极限和/或期望能够控制和调节化学敏感的沟道的化学敏感性质的化学传感应用中是特别有利的。
仍然参照图1a-b，源电极、漏电极和栅电极5、6、7可以为焊垫的形式，但是也可能是其他类型的电极或多部分电极，例如由触点和焊垫的组合形成的单独的电极，例如被附接于或沉积至石墨烯层上的单独的源触点和漏触点，相应的焊垫然后被附接于其。栅电极7优选由金属制造，包括金属合金，可以具有任何常规的悬挂的FET栅材料，例如金或铂电极。源电极和漏电极5、6中的每个也优选由金属制造，包括金属合金，并且可以具有任何常规的悬挂的FET漏/源材料，例如Ti/Au或Cu/Au。栅电极7可以被直接结合于或可以具有另外的栅触点和栅焊垫(在图中未示出)。
在图1a中，栅电极7被示出为布置在，优选沉积在，电绝缘的栅衬底层8的表面8a上，例如借助于蒸发或溅射(例如热蒸发、射频溅射或直流溅射)，表面8a进而被布置在，优选被沉积在，栅基部衬底9上。电绝缘的栅衬底层8优选是氧化物层，例如SiO2，或任何其他的电绝缘的材料。在所示出的实施方案中，电绝缘的栅衬底层8和栅基部衬底9共同地形成用于栅电极7的栅衬底。如果栅基部衬底9是电绝缘的，那么电绝缘的栅衬底层8可以被省去，并且因此，在这样的实施方案中，栅电极7可以被直接布置在栅基部衬底9的(因此电绝缘的)表面上。源电极和漏电极5、6优选与栅电极7被布置在相同的绝缘表面8a上，例如借助于蒸发或溅射(例如热蒸发、射频溅射或直流溅射)被沉积。
例如气体可以从周围环境流经缝隙10以吸附在石墨烯层2a表面上，缝隙10优选被设计作为流经沟道，如在图1示出的实施方案中示出的，被图1b中的箭头4指示。此外，缝隙10到周围环境的其他连接是可能的。例如，可以具有在待被传感的化学物质被预期所在之处的到周围环境的多于两个流经开口。开口不需要被定位成彼此相对。也可能的是，虽然通常不是有利的，具有仅一个开口。缝隙，如示出的，优选被布置为直接毗邻于化学敏感的沟道2。周围环境可以是气态的周围环境，例如空气环境，或液态的周围环境。通常优选的是栅电极7和化学敏感的沟道2仅被所述缝隙10分隔。然而，只要缝隙中的电场在某个应用中关于待被传感的化学物质和其的量不被过于有害地影响，并且关心的化学物质能够到达化学敏感的沟道2，那么缝隙10可以被某些材料整个地或部分地占据。
在图1示出的实施方案中，化学敏感的沟道2的石墨烯层2a的长度，即，在连接于其的源电极和漏电极5、6之间的距离，大于其横向宽度。这样的关系是优选的，因为其在两个维度中把电子约束在导电沟道中，这可以使对电学性质例如石墨烯沟道的带隙的进一步控制成为可能；然而，也可能的是具有大于该长度的宽度。长度和宽度可以在大小上具有近似相同的数量级。在用于评价目的的一个实施方案中，长度是约5mm并且宽度是约2mm。然而，尺寸可以具有小于此的大小。典型地，尺寸在毫米或微米的域中。下极限可以被生产器件的容易性决定。缝隙10的高度，即栅电极7和化学敏感的沟道2之间的距离，优选低于约1μm。下极限可以由待被传感的化学物质向缝隙中的扩散速度决定。
当场效应晶体管被用于化学传感时，例如当是化学传感器的一部分时，化学传感器典型地被配置为电偏置场效应晶体管，使得与化学敏感的沟道接触的待被传感的化学物质导致电信号的改变，其中改变指示所述化学物质被传感到。如技术人员应当意识到的，用于气体传感的场效应晶体管可以以不同的方式被偏置和控制，这可以提供不同的指示化学物质的信号。参照图1的实施方案，改变施加于栅电极7的电压将影响流经导电的并且化学敏感的沟道2的电流并且石墨烯层2a的电子性质可以被电压调制。从空气缝隙20吸附到石墨烯的化学物质可以向石墨烯沟道供给电子或从其抽出电子并且可以还影响石墨烯沟道中的迁移率，导致石墨烯沟道的电阻改变。
图1a示意性地示出了包括被连接于示例性的电路的场效应晶体管20的化学传感器30的实施方案。电流源22被连接于源电极和漏电极5、6并且在源电极和漏电极5、6之间并且被布置为施加恒定的电流。传感器30的电压源21被连接于栅电极7并且被布置为设置栅电压，该栅电压优选给予石墨烯电阻在需要气体浓度传感的范围内的最大改变。到石墨烯上的化学吸附可以然后通过测量为了保持恒定电流所需要的在源极和漏极之间的电压改变被传感。
在另一个实施方案中，电压源可以被布置为在源电极和漏电极5、6之间施加恒定的电压并且电流表可以被布置为测量在源电极和漏电极5、6之间的电流。另一个电压源可以被连接于栅电极7并且被布置为设置栅电压以保持在源电极和漏电极5、6之间的恒定电流。到石墨烯上的化学吸附可以然后通过监视施加的为了保持电流恒定所需要的栅电势的改变被传感。另一个选择是施加恒定的栅电压并且使用电流表探测电流流动的任何改变，电流的改变因此指示被传感的化学物质。
不管什么确切的信号指示使用场效应晶体管用于化学传感的传感器中的被传感的化学物质，信号可以被用于例如计算被吸附在沟道上的化学物质的浓度，其进而是在例如周围气体或液体环境中的化学物质的浓度的测量。
当场效应晶体管例如在图1中示出的场效应晶体管20被用于化学传感时，这典型地涉及从待被传感的化学物质被预期所在之处的周围环境到缝隙10的某些引导。如技术人员意识到的，这可以通过多个不同的方式实现，例如如在常规的传感器中的。在一个简单的变化形式中，上文讨论的流经沟道的开口可以直接连接于周围环境，但是典型地具有所涉及的至少某些预过滤，使得污染物、污垢或其他非期望的或大的颗粒不被允许阻塞缝隙或导致其他的破坏，其例如可以减少传感器的寿命。在图1中示出的实施方案中，化学敏感的沟道2仅由石墨烯层2a形成。然而，石墨烯层2a可以为了化学选择性被表面处理，使得仅选定的类型的化学物质被石墨烯层2a探测到和/或使得某些类型的化学物质被阻止到达石墨烯层2a。化学敏感的沟道可以例如是纯的石墨烯、表面掺杂的石墨烯或表面改性的石墨烯，以增强对通常不能被探测到的某些气体的敏感性，或改善一个气体物种或一组气体物种相对于另一个的选择性。气体敏感沟道可以通过金属纳米颗粒和/或聚合物的沉积被改性以引入对不同气体的选择性。图2a示意性地示出了已经被在石墨烯层2a上形成聚合物覆层2b的聚合物表面处理的化学敏感的沟道2的侧视图。图2b示意性地示出了已经被金属纳米颗粒2c表面处理的化学敏感的沟道2的侧视图。金属纳米颗粒和聚合物在基于碳的传感器上的沉积是已开发的领域。例如，在文章“Gas Sensor ArrayBased on Metal-Decorated Carbon Nanotubes”，Star等人，Journal ofChemical Physics B 2006，110(42)，21014-21020页中，比较了金属颗粒的通过蒸发和电化学沉积的沉积，并且综述了其他的方法。此外，在文章“Toward Large Arrays of Multiplex Functionalized Carbon Nanotube Sensorsfor Highly Sensitive and Selective Molecular Detection”，Qi等人，Nano Letters2003第3卷，第3号，347-351页中，描述了使用聚合物覆层聚乙烯亚胺(PEI)和全氟磺酸增加选择性。通过将PEI浸没在甲醇溶液中及随后进行烘烤来涂覆器件。全氟磺酸覆层通过在传感器表面上干燥水溶液中的1％全氟磺酸来实现。因此，具有化学选择性的覆层可以被施加到石墨烯层2a以增强气体之间的选择性。石墨烯层2a也可以被催化性的金属或聚合物改性以引入对不进行电供给或抽出的气体的敏感性或以增强非吸附的气体的吸附或以增加对一个气体相对于另一个的敏感性。上文提到的增强也可以通过石墨烯层2a的代替掺杂或边缘掺杂被实现，代替掺杂或边缘掺杂也可以改善器件的稳定性。
再次参照图1的实施方案，所提出的器件可以包括被安装在一起的两个分离的部分：作为第一部分11的被石墨烯层衬底1支撑的化学敏感的沟道2和作为第二部分12的布置在栅衬底8、9的绝缘表面8a上的栅电极7。此外，被布置在栅衬底8、9的绝缘表面8a上的漏电极6和源电极5优选属于第二部分12。安装把漏电极6和源电极5与第一部分11物理接触，由此建立在石墨烯层2a与源电极5和漏电极6之间的电连接。第一部分和第二部分之间的附接可以例如涉及倒装焊接、粘合剂技术或夹持。第一部分和第二部分因此可以被分开生产，并且涉及石墨烯层的存在的器件准备和处理步骤可以是最小的，从而避免对石墨烯层的破坏。源电极和漏电极的大小可以被用于控制缝隙10的大小，特别是高度。
在一个实施方案中，源触点和漏触点可以被沉积至石墨烯层2a上并且因此属于第一部分，其中到源焊垫和漏焊垫的触点属于第二部分，使用例如倒装焊接或粘合剂技术被制造。在另一个实施方案中，源触点和漏触点可以被沉积在第二部分的源/漏焊垫的顶部并且石墨烯沟道和石墨烯层衬底1可以通过夹持被保持在适当的位置。
图3是示意性地示出了生产用于化学传感的场效应晶体管(例如在图1中示出的场效应晶体管20)的方法的步骤的框图。在第一步骤110中，提供碳化硅晶圆衬底，然后在步骤120中，通过在晶圆衬底上生长外延石墨烯层形成晶圆，优选通过硅从碳化硅衬底的升华形成晶圆。第一和第二步骤优选根据上文提到的待审的PCT申请PCT/SE2011/050328进行。在其后，在步骤130中，晶圆被切割，使得被布置在石墨烯层衬底上的连续的单晶石墨烯层由具有其下层部分的碳化硅晶圆衬底的外延石墨烯层的切割块形成。切割块可以形成第一部分，例如图1a中和上文讨论的第一部分11。在另一个实施方案中，生长的外延石墨烯层被从生长衬底移除并且转移至另一个晶圆衬底以形成然后被切割的晶圆。在步骤140中，第二部分，例如图1a中和上文讨论的第二部分12，被单独提供并且包括被布置在栅衬底的绝缘表面上的至少栅电极。优选地，第二部分还包括被布置在栅衬底的绝缘表面上的漏电极和源电极。在步骤150中，场效应晶体管，例如图1中和上文讨论的场效应晶体管20，通过把分开的第一部分和第二部分安装于彼此被形成。通过该安装，第一部分和第二部分优选通过源电极和漏电极被物理地连接并且第一部分和第二部分之间的附接可以例如涉及倒装焊接、粘合剂技术或夹持。
附图中以及上文的描述中的任何图示和描述将被认为是示例性的并且不是限制性的。本发明不限于所公开的实施方案。
本发明被权利要求限定并且所公开的实施方案的变化形式可以被本领域的技术人员在实践要求保护的发明时理解和实现，例如通过研究附图、本公开内容和权利要求。词语“包括”在权利要求中的使用不排除其他的元件或步骤，并且冠词“一(a)”或“一(an)”的使用不排除复数。不同的从属权利要求中出现的特征本身不排除这些特征的组合。任何方法权利要求不应仅因为步骤的表象顺序而被视为限制。任何方法权利要求的独立的步骤之间的任何可能的组合应当被视为在范围内，虽然独立的步骤根据必要性必须以某个顺序发生。权利要求中的任何参考符号用于增加可理解性并且不应当被视为限制权利要求的范围。
Claims (27)
1.一种用于化学传感的场效应晶体管(20)，包括栅电极(7)、漏电极(6)、源电极(5)和在所述漏电极(6)和所述源电极(5)之间延伸并且被电连接于所述漏电极(6)和所述源电极(5)的导电的并且化学敏感的沟道(2)，所述栅电极(7)被布置在距所述化学敏感的沟道(2)一距离处并且与所述化学敏感的沟道(2)相对，使得所述栅电极(7)和所述化学敏感的沟道(2)被缝隙(10)分隔，待被传感的化学物质经过所述缝隙(10)可被引入以到达所述化学敏感的沟道(2)，其中所述化学敏感的沟道(2)包括被布置在电绝缘的石墨烯层衬底(1)上的连续的单晶石墨烯层(2a)，所述石墨烯层(2a)在所述源电极(5)和所述漏电极(6)之间延伸并且被电连接于所述源电极(5)和所述漏电极(6)，其中所述化学敏感的沟道(2)和所述石墨烯层衬底(1)属于第一分离的部分(11)，所述第一分离的部分(11)被安装于第二分离的部分(12)，该第二分离的部分至少包括被布置在栅衬底(8、9)的绝缘表面(8a)上的所述栅电极(7)。
2.根据权利要求1所述的场效应晶体管(20)，其中所述石墨烯层(2a)具有均一的厚度。
3.根据权利要求2所述的场效应晶体管(20)，其中所述石墨烯层(2a)具有一个或多个单层石墨烯的预确定的厚度。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的场效应晶体管(20)，其中所述石墨烯层(2a)是外延层。
5.根据权利要求4所述的场效应晶体管(20)，其中所述石墨烯层衬底(1)是所述石墨烯层(2a)在其上外延地生长的衬底。
6.根据权利要求1-3和5中任一项所述的场效应晶体管(20)，其中所述石墨烯层衬底(1)是碳化硅衬底。
7.根据权利要求6所述的场效应晶体管(20)，其中所述石墨烯层(2a)通过硅从所述碳化硅衬底的升华而在所述碳化硅衬底上外延地生长。
8.根据前述权利要求1-3、5和7中任一项所述的场效应晶体管(20)，其中所述石墨烯层(2a)已经为了化学选择性被表面处理，使得仅选定类型的化学物质被所述石墨烯层(2a)探测到和/或使得某些类型的化学物质被阻止到达所述化学敏感的沟道。
9.根据权利要求8所述的场效应晶体管(20)，其中所述表面处理包括沉积金属颗粒(2c)和/或聚合物(2b)。
10.根据前述权利要求1-3、5、7和9中任一项所述的场效应晶体管(20)，其中所述缝隙(10)被布置为直接毗邻于所述化学敏感的沟道(2)并且与周围环境连接，使得所述待被传感的化学物质能够从所述周围环境到达所述缝隙(10)，其中所述周围环境是气态周围环境或液态周围环境。
11.根据权利要求10所述的场效应晶体管(20)，其中所述气态周围环境为空气环境。
12.根据前述权利要求1-3、5、7、9和11中任一项所述的场效应晶体管(20)，其中所述栅电极(7)和所述化学敏感的沟道(2)仅被所述缝隙(10)分隔。
13.根据前述权利要求1-3、5、7、9和11中任一项所述的场效应晶体管(20)，其中所述栅电极(7)由金属制成。
14.根据权利要求13所述的场效应晶体管(20)，其中所述栅电极(7)由金或铂制成。
15.根据前述权利要求1-3、5、7、9、11和14中任一项所述的场效应晶体管(20)，其中所述栅电极(7)被布置在栅衬底(8、9)的电绝缘表面(8a)上。
16.根据前述权利要求1-3、5、7、9、11和14中任一项所述的场效应晶体管(20)，其中所述缝隙(10)被设计作为流经沟道，所述流经沟道的高度被所述栅电极(7)和所述化学敏感的沟道(2)之间的距离限定。
17.根据权利要求16所述的场效应晶体管(20)，其中所述流经沟道具有闭合的横截面。
18.根据权利要求1所述的场效应晶体管(20)，其中所述第二分离的部分(12)还包括被布置在所述栅衬底(8、9)的绝缘表面(8a)上的所述漏电极(6)和所述源电极(5)，并且所述漏电极(6)和所述源电极(5)通过所述安装与所述第一分离的部分(11)物理接触，由此建立在所述石墨烯层(2a)与所述源电极(5)和所述漏电极(6)之间的电连接。
19.一种化学传感器(30)，包括根据前述权利要求中任一项所述的场效应晶体管(20)，其中所述化学传感器(30)包括电路，该电路被布置为电偏置所述场效应晶体管(20)，使得与所述化学敏感的沟道接触的待被传感的化学物质导致电信号的改变，其中所述改变指示所述化学物质被传感到。
20.根据权利要求19所述的化学传感器(30)，其中所述电路包括被布置为使恒定电流在所述源电极(5)和所述漏电极(6)之间流动的电流源(22)，并且通过包括电压源(21)被布置为把恒定电压供应至所述栅电极(7)，其中指示所述被传感的化学物质的所述电信号是在所述源电极(5)和所述漏电极(6)之间的电压。
21.根据权利要求19所述的化学传感器(30)，其中所述电路包括被布置为把恒定电压施加在所述源电极(5)和所述漏电极(6)之间的电压源，其中指示所述被传感的化学物质的所述电信号是为了保持在所述源电极(5)和所述漏电极(6)之间的恒定电流所需要的栅电极电压。
22.根据权利要求1-18中任一项所述的场效应晶体管(20)用于化学传感的用途。
23.根据权利要求22所述的用途，其中所述化学传感包括把待被传感的化学物质从周围环境引导至所述缝隙(10)。
24.一种用于生产根据权利要求1-18中任一项所述的场效应晶体管(20)的方法，其中所述方法包括以下步骤：
-提供(110、120)包括在碳化硅晶圆衬底上的外延石墨烯层的晶圆(3)；以及
-从所述外延石墨烯层形成(130)所述场效应晶体管的连续的单晶石墨烯层(2a)；
-提供(110、120、130)被布置在石墨烯层衬底(1)上的所述连续的单晶石墨烯层(2a)作为第一分离的部分(11)；
-提供(140)包括被布置在栅衬底(8、9)的绝缘表面(8a)上的栅电极(7)的第二分离的部分(12)；以及
-通过把所述第一分离的部分(11)和所述第二分离的部分(12)安装于彼此形成(150)用于化学传感的所述场效应晶体管(20)。
25.根据权利要求24所述的方法，其中提供所述晶圆(3)的步骤包括：
-提供(110)碳化硅晶圆衬底；以及
-通过硅从所述碳化硅晶圆衬底的升华而在所述碳化硅晶圆衬底上生长(120)所述外延石墨烯层。
26.根据权利要求24-25中任一项所述的方法，其中形成所述连续的单晶石墨烯层的步骤(130)包括：
-切割所述晶圆(3)，使得被布置在所述石墨烯层衬底(1)上的所述连续的单晶石墨烯层(2a)由具有下层部分的所述碳化硅晶圆衬底的所述外延石墨烯层的切割块形成。
27.根据权利要求24-25中任一项所述的方法，其中所述第二分离的部分还包括被布置在所述栅衬底(8、9)的所述绝缘表面(8a)上的所述漏电极(6)和所述源电极(5)。
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