CN110646490A - 一种基于二硒化钨的离子敏场效应晶体管传感器及其制备方法 - Google Patents

一种基于二硒化钨的离子敏场效应晶体管传感器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于二维材料二硒化钨(WSe2)的离子敏场效应晶体管传感器及其制备方法。包括以下步骤：第一步，在p++‑Si/SiO2衬底上机械剥离WSe2样品，获得合适厚度的WSe2片层；第二步，在WSe2上制备漏、源金属电极；第三步：对WSe2沟道进行臭氧等离子体预氧化处理，之后再进行原子层沉积，形成氧化物敏感膜；第四步：对WSe2的离子敏场效应晶体管进行封装。本发明有效利用二维材料WSe2优异的电学性能以及巧妙地对WSe2进行氧化处理形成离子敏感层，所制备的WSe2离子敏场效应晶体管具有灵敏度高，响应快，体积小，制备简单，能够在产业上进行推广，对实现便携式低成本的离子检测具有深远意义。

Description

一种基于二硒化钨的离子敏场效应晶体管传感器及其制备 方法
[技术领域]
本发明属于微电子技术领域，更具体地，涉及一种基于二硒化钨的离子敏场效应晶体管传感器及其制备方法。
[背景技术]
随着移动互联的蓬勃发展，智能硬件、大数据和云计算等新技术不断涌现，人类社会逐渐步入物联网信息时代。传感技术作为现代信息***和各种装备必需的信息采集手段，是物联网时代核心技术之一。其中，在医疗健康领域，准确、实时地检测生物流体中的各离子浓度为即时获悉生理健康状况发挥着至关重要的作用。
当前研究的离子传感器中，基于场效应晶体管的电学离子敏传感器由于其小型化、易集成、高灵敏度和快响应速度等优点引起了极大关注。1970年，Piet Bergveld首次提出与CMOS工艺兼容的离子敏场效应晶体管(ISFET)。为了提升传感器性能，科学家研究了传统硅材料、氧化物和有机物半导体等沟道材料。其中，一维半导体材料如碳纳米管、硅纳米线等由于大的比表面积、良好的尺寸兼容性以及高的灵敏度而受到广泛关注。然而，它们的制备工艺苛刻，很难实现大规模生产，故而阻碍了其实际应用。二维过渡金属硫族化合物二硫化钨(WSe2)因其具有较高的载流子迁移率，较大的比表面积、电子噪声低、响应速度快、无需标记检测等特性，并且拥有优良机械柔韧性以及良好热稳定性，在传感器领域表现出巨大应用潜力。因此，将具有超韧性二维WSe2应用到ISFET中，有望实现高灵敏度、快响应度、易集成、便携式离子传感器。然而，由于二维WSe2表面并无悬挂键，导致直接在其表面生长氧化物离子敏感层较为困难。因此，研究如何结合二维材料WSe2优异的电学性能以及引入有效的氧化敏感层，对新型离子传感器的发展具有重要意义。
目前所研究的二维材料场效应晶体管离子传感器还较少，并且大多氧化敏感层为直接在二维材料上生长，氧化层质量有待提高。因此，随着科学研究的不断深入，实现有效二维材料WSe2表面氧化是发展高性能场效应晶体管离子敏传感器的关键。
[发明内容]
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于二维材料WSe2的高性能敏场效应晶体管离子传感器，其目的在于改善离子敏传感器的性能，实现灵敏度高，稳定性好的场效应晶体管离子敏传感器。
本发明提供了一种基于二硒化钨的离子敏场效应晶体管传感器，包括p++-Si衬底和SiO2衬底，所述p++-Si衬底的上一层为SiO2衬底，还包括WSe2纳米片层，所述WSe2纳米片层在所述SiO2衬底上一层，在所述WSe2纳米片层上方还设有离子敏感氧化层，所述WSe2纳米片层和离子敏感氧化层的左右分别设置有漏源区，位于漏源区和离子敏感氧化层的左右上方分别设有保护层，所述保护层的上方为PDMS腔，还包括参比电极，所述参比电极位于PDMS腔的几何中心位置。
更进一步地，所述Se2纳米片层的厚度为2nm～20nm。
更进一步地，所述漏源区的金属为Cr/Au，其厚度为Cr：3-10nm，Au：45nm-100nm。
更进一步地，所述的WSe2纳米片层采用臭氧等离子体预氧化处理形成一层薄的WOx中间层，其中温度为50-60℃，时间为30-60s。
更进一步地，所述离子敏感氧化层为Al2O3和HfO2中的一种，其中离子敏感氧化层的厚度为10nm～30nm。
更进一步地，对WSe2离子敏场效应晶体管传感器采用SU8进行封装以防止漏源区出现漏电现象，还包括PDMS腔，所述PDMS腔为采用PDMS制备的液体测试腔。
另一方面，本发明还提供了一种制备上述的离子敏场效应晶体管传感器的方法，包括下述步骤：
S1：在p++-Si衬底和SiO2衬底上剥离二维WSe2纳米片层；
S2：在二维WSe2纳米片层上制备漏源区金属电极；
S3：对二维WSe2纳米片层表面进行臭氧等离子体氧化预处理，并采用ALD进行氧化层沉积，形成离子敏感氧化层；
S4：对二维WSe2器件进行退火处理；
S5：采用SU8对离子敏场效应晶体管封装，并采用PDMS制备液体测试腔。
更进一步地，在步骤S1中，所述WSe2纳米片层厚度为2nm-20nm。
更进一步地，在步骤S2中，制备漏源区是采用电子束光刻(EBL)技术在WSe2上制备，并采用蒸镀的方式蒸镀电极Cr/Au，其厚度为Cr：3-10nm，Au：45nm-100nm，随后进行lift-off处理。
更进一步地，在步骤S3中，所述氧化层为Al2O3或HfO2，其中Al2O3沉积温度为120-150℃，HfO2沉积温度为150-180℃，所述离子敏感氧化层的厚度为10nm～30nm。
更进一步地，在步骤S4中，所述退火处理具体为：在200-250℃的温度下Ar/H2(5％/95％)气氛中，退火1.5-2h。
本发明公开的基于二硒化钨(WSe2)的离子敏场效应晶体管传感器，采用在WSe2表面进行臭氧预处理实现了二维材料WSe2表面高质量氧化层生长；另外，引入p++-Si衬底和参比电极形成双栅结构以调控离子敏场效应晶体管传感器的灵敏度，有益于实现高灵敏度、高稳定性的离子敏场效应晶体管传感器。
[附图说明]
图1是本发明实施例提供的基于二硒化钨(WSe2)的离子敏场效应晶体管传感器的剖面结构示意图。
图2是本发明实施例的晶体管传感器立体图。
图3是本发明制备方法的流程图。
其中，1为硅p++-Si衬底、2为SiO2衬底、3为WSe2纳米片层、4为漏源区、5为离子敏感氧化层、6为保护层、7为PDMS腔、8为参比电极。
[具体实施方式]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1、2所示，图1为本发明实施例提供的基于二硒化钨(WSe2)的离子敏场效应晶体管传感器的剖面结构，包括重掺杂的硅p++-Si衬底1、90nm厚的二氧化硅SiO2衬底2、在p++-Si/SiO2衬底剥离的WSe2纳米片层3、漏源区4、离子敏感氧化层5，漏源区4的源极与漏极分别位于离子敏感氧化层5的两相对侧、位于漏源区4和离子敏感氧化层5的左右上方分别设有保护层6、PDMS腔7以及参比电极8。p++-Si衬底1和参比电极8分别作为顶栅结构或底栅结构形成双栅结构。
本发明实施例提供的基于二硒化钨WSe2的离子敏场效应晶体管传感器中WSe2纳米片层3采用机械剥离的方式获得；其厚度可以为2nm到20nm。薄的WSe2纳米片层3作为沟道层有利于提高晶体管的调控能力，获得高的晶体管开关比；过厚的会导致晶体管难以关断。
本发明实施例提供的基于二硒化钨WSe2的离子敏场效应晶体管传感器在沉积氧化物离子敏感层5之前对WSe2采用了臭氧等离子体预氧化处理形成一层薄的WOx中间层，其中温度控制在50-60℃，时间为30-60s。过高的温度以及过长的臭氧等离子体预处理时间将会导致WSe2过度氧化以及表面引入很多的缺陷；而过低的温度以及过短的臭氧等离子体预处理时间则会导致中间氧化层形成不充分，不利于后续ALD沉积氧化物离子敏感层。此外，采用高介电常数的氧化层，如HfO2和Al2O3，可减小WSe2晶体管的亚阈值摆幅以及提高离子敏传感器的灵敏度，从而获得高性能二维WSe2离子敏场效应晶体管传感器。其中，氧化敏感层Al2O3和HfO2的厚度为10nm～30nm，过薄容易导致晶体管击穿，而过厚则会导致晶体管的调控性能减弱。在氧化敏感层沉积过程中，Al2O3沉积温度为120-150℃，HfO2沉积温度为150-180℃。
本发明实施例提供的基于二硒化钨WSe2的离子敏场效应晶体管传感器中氧化层沉积之后的后退火处理温度控制在200-250℃的温度，气体为Ar/H2(比例为5％/95％)，退火时间为1.5-2h。
如图3所示，上述基于二硒化钨WSe2的离子敏场效应晶体管传感器的具体制备方法包括下述步骤：
(1)在p++-Si衬底1和SiO2衬底2上剥离WSe2纳米片层3，选取2nm-20nm的合适WSe2纳米片层3作为晶体管沟道层。
(2)采用电子束光刻(EBL)技术在WSe2上制备漏源区，并采用蒸镀的方式蒸镀电极Cr/Au，其厚度为Cr(3-10nm)，Au(45nm-100nm)，随后进行lift-off处理。
(3)对二维WSe2纳米片层3表面进行臭氧等离子体氧化预处理，随后采用原子层沉积(ALD)进行氧化层沉积，氧化层可以是Al2O3和HfO2，其中氧化敏感层5的厚度为10nm～30nm；
(4)采用SU8对WSe2离子敏场效应晶体管传感器进行封装以防止漏源区4出现漏电现象，并采用PDMS制备液体测试腔7。
为了更进一步的说明本发明实施例提供的二硒化钨WSe2的离子敏场效应晶体管传感器，现详述如下：
在p++-Si层1和SiO2衬底层2上用胶带机械剥离WSe2纳米片层3，选取2nm-20nm的WSe2纳米片层作为晶体管沟道层；采用电子束光刻技术在WSe2上制备漏源区4，并采用蒸镀的方式蒸镀电极Cr/Au，其厚度为Cr(3-10nm)，Au(45nm-100nm)，采用工艺可以是电子束蒸镀或者热蒸镀，随后在丙酮溶液中进行lift-off处理；对二维WSe2沟道层表面采用臭氧等离子体进行氧化预处理，其中温度为50-60℃，时间为30-60s；之后采用原子层沉积(ALD)进行沉积离子敏氧化层5，氧化层可以是Al2O3和HfO2，其中氧化敏感层5的厚度为10nm～30nm，Al2O3沉积温度为120-150℃，HfO2沉积温度为150-180℃；进行后退火处理，温度控制在200-250℃的温度，气体为Ar/H2(比例为5％/95％)，退火时间为1.5-2h；采用SU8作为保护层6对WSe2离子敏场效应晶体管传感器进行封装以防止漏源区4出现漏电现象，采用激光直写的方式确定SU8的区域，最后采用PDMS制备液体测试腔7并引入参比电极8实现传感器测试。
现借助具体实施实例进一步详细说明本发明提供的基于二硒化钨WSe2的离子敏场效应晶体管传感器的制备方法：
实施例1：
(1)清洗p++-Si衬底1和SiO2衬底2；
(2)在p++-Si/SiO2衬底剥离WSe2纳米片层3，选取5nm左右的厚度的WSe2纳米片层作为晶体管沟道层；
(3)采用电子束光刻(EBL)技术在WSe2上制备漏源区4；
(4)并采用热蒸镀的方式蒸镀电极Cr/Au，其厚度为Cr(3nm)，Au(45nm)；
(5)在丙酮中进行lift-off处理，时间为1h。
(6)对二维WSe2纳米片层3表面进行臭氧等离子体氧化预处理；温度为50℃，时间为30s；
(7)采用原子层沉积(ALD)进行Al2O3氧化层5沉积，Al2O3厚度为10nm，沉积温度为120℃；
(8)在Ar/H2气氛中退火处理，使金属和半导体间形成良好接触，退火温度为200℃，退火时间为1.5h。
(9)采用SU8光刻胶对WSe2离子敏场效应晶体管传感器进行封装；
(10)采用PDMS制备液体测试腔7；
(11)引入参比电极8进行离子检测。
实施例2：
(1)清洗p++-Si衬底1和SiO2衬底2；
(2)在p++-Si/SiO2衬底剥离WSe2纳米片层3，选取10nm左右的厚度的WSe2纳米片层作为晶体管沟道层；
(3)采用电子束光刻(EBL)技术在WSe2上制备漏源区4；
(4)并采用热蒸镀的方式蒸镀电极Cr/Au，其厚度为Cr(5nm)，Au(50nm)；
(5)在丙酮中进行lift-off处理，时间为1h。
(6)对二维WSe2沟道层表面进行臭氧等离子体氧化预处理；温度为60℃，时间为30s；
(7)采用原子层沉积(ALD)进行HfO2氧化层5沉积，HfO2厚度为10nm，沉积温度为150℃；
(8)在Ar/H2气氛中退火处理，使金属和半导体间形成良好接触，退火温度为250℃，退火时间为2h。
(9)采用SU8光刻胶对WSe2离子敏场效应晶体管传感器进行封装；
(10)采用PDMS制备液体测试腔；
(11)引入参比电极8进行离子检测。
实施例3：
(1)清洗p++-Si衬底1和SiO2衬底2；
(2)在p++-Si/SiO2衬底剥离WSe2纳米片层3，选取15nm左右的厚度的WSe2纳米片层作为晶体管沟道层；
(3)采用电子束光刻(EBL)技术在WSe2上制备漏源区4；
(4)并采用热蒸镀的方式蒸镀电极Cr/Au，其厚度为Cr(10nm)，Au(60nm)；
(5)在丙酮中进行lift-off处理，时间为1h。
(6)对二维WSe2沟道层表面进行臭氧等离子体氧化预处理；温度为60℃，时间为45s；
(7)采用原子层沉积(ALD)进行HfO2氧化层5沉积，HfO2厚度为20nm，沉积温度为180℃；
(8)在Ar/H2气氛中退火处理，使金属和半导体间形成良好接触，退火温度为200℃，退火时间为2h。
(9)采用SU8光刻胶对WSe2离子敏场效应晶体管传感器进行封装；
(10)采用PDMS制备液体测试腔；
(11)引入参比电极8进行离子检测。
实施例4：
(1)清洗p++-Si衬底1和SiO2衬底2；
(2)在p++-Si/SiO2衬底剥离WSe2纳米片层3，选取20nm左右的厚度的WSe2纳米片层作为晶体管沟道层；
(3)采用电子束光刻(EBL)技术在WSe2上制备漏源区4；
(4)并采用热蒸镀的方式蒸镀电极Cr/Au，其厚度为Cr(5nm)，Au(60nm)；
(5)在丙酮中进行lift-off处理，时间为1h。
(6)对二维WSe2沟道层表面进行臭氧等离子体氧化预处理；温度为50℃，时间为60s；
(7)采用原子层沉积(ALD)进行HfO2氧化层5沉积，HfO2厚度为30nm，沉积温度为150℃；；
(8)在Ar/H2气氛中退火处理，使金属和半导体间形成良好接触，退火温度为200℃，退火时间为1.5h。
(9)采用SU8光刻胶对WSe2离子敏场效应晶体管传感器进行封装；
(10)采用PDMS制备液体测试腔；
(11)引入参比电极8进行离子检测。
实施例5：
(1)清洗p++-Si衬底1和SiO2衬底2；
(2)在p++-Si/SiO2衬底剥离WSe2纳米片层3，选取2nm左右的厚度的WSe2纳米片层作为晶体管沟道层；
(3)采用电子束光刻(EBL)技术在WSe2上制备漏源区4；
(4)并采用热蒸镀的方式蒸镀电极Cr/Au，其厚度为Cr(8nm)，Au(100nm)；
(5)在丙酮中进行lift-off处理，时间为1h。
(6)对二维WSe2沟道层表面进行臭氧等离子体氧化预处理；温度为60℃，时间为45s；
(7)采用原子层沉积(ALD)进行Al2O3氧化层5沉积，Al2O3厚度为30nm，沉积温度为150℃；
(8)在Ar/H2气氛中退火处理，使金属和半导体间形成良好接触，退火温度为200℃，退火时间为1.5h。
(9)采用SU8光刻胶对WSe2离子敏场效应晶体管传感器进行封装；
(10)采用PDMS制备液体测试腔；
(11)引入参比电极8进行离子检测。
实施例6：
(1)清洗p++-Si衬底1和SiO2衬底2；
(2)在p++-Si/SiO2衬底剥离WSe2纳米片层3，选取15nm厚度的WSe2纳米片层作为晶体管沟道层；
(3)采用电子束光刻(EBL)技术在WSe2上制备漏源区4；
(4)并采用热蒸镀的方式蒸镀电极Cr/Au，其厚度为Cr(10nm)，Au(50nm)；
(5)在丙酮中进行lift-off处理，时间为1h。
(6)对二维WSe2沟道层表面进行臭氧等离子体氧化预处理；温度为50℃，时间为30s；
(7)采用原子层沉积(ALD)进行Al2O3氧化层5沉积，Al2O3厚度为20nm，沉积温度为130℃；
(8)在Ar/H2气氛中退火处理，使金属和半导体间形成良好接触，退火温度为250℃，退火时间为2h。
(9)采用SU8光刻胶对WSe2离子敏场效应晶体管传感器进行封装；
(10)采用PDMS制备液体测试腔；
(11)引入参比电极8进行离子检测。
由上述制备方法获得的基于WSe2的离子敏场效应晶体管传感器包括p++-Si/SiO2衬底，在Si/SiO2衬底上剥离的WSe2纳米片层，在WSe2纳米片层制备的漏源区，以及在WSe2进行的氧化预处理和采用ALD制备的离子敏氧化层，离子敏场效应晶体管的封装；有效利用二维材料WSe2优异的电学性能以及巧妙地对WSe2进行氧化处理形成离子敏感层，该结构可以使制备的WSe2离子敏场效应晶体管具有灵敏度高，响应快，体积小，制备简单，能够在产业上进行推广，为高性能离子敏场效应晶体管传感器提供了技术支持，对实现便携式低成本的离子检测具有深远意义。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种基于二硒化钨的离子敏场效应晶体管传感器，其特征在于，包括p++-Si衬底和SiO2衬底，所述p++-Si衬底的上一层为SiO2衬底，还包括WSe2纳米片层，所述WSe2纳米片层在所述SiO2衬底上一层，在所述WSe2纳米片层上方还设有离子敏感氧化层，所述WSe2纳米片层和离子敏感氧化层的左右分别设置有漏源区，位于漏源区和离子敏感氧化层的左右上方分别设有保护层，所述保护层的上方为PDMS腔，还包括参比电极，所述参比电极位于PDMS腔的几何中心位置。
2.根据权利要求1所述的离子敏场效应晶体管传感器，其特征在于，所述WSe2纳米片层的厚度为2nm～20nm。
3.根据权利要求1所述的离子敏场效应晶体管传感器，其特征在于，所述漏源区的金属为Cr/Au，其厚度为Cr：3-10nm，Au：45nm-100nm。
4.根据权利要求1所述的离子敏场效应晶体管传感器，其特征在于，所述的WSe2纳米片层采用臭氧等离子体预氧化处理形成一层薄的WOx中间层，其中温度为50-60℃，时间为30-60s。
5.根据权利要求1所述的离子敏场效应晶体管传感器，其特征在于，所述离子敏感氧化层为Al2O3和HfO2中的一种，其中离子敏感氧化层的厚度为10nm～30nm。
6.根据权利要求1所述的离子敏场效应晶体管传感器，其特征在于，对WSe2离子敏场效应晶体管传感器采用SU8作为保护层进行封装以防止漏源区出现漏电现象，还包括PDMS腔，所述PDMS腔为采用PDMS制备的液体测试腔。
7.一种制备如权利要求1所述的离子敏场效应晶体管传感器的方法，包括下述步骤：
S1：在p++-Si衬底和SiO2衬底上剥离二维WSe2纳米片层；
S2：在二维WSe2纳米片层上制备漏源区金属电极；
S3：对二维WSe2纳米片层表面进行臭氧等离子体氧化预处理，并采用ALD进行氧化层沉积，形成离子敏感氧化层；
S4：对二维WSe2器件进行退火处理；
S5：采用SU8对离子敏场效应晶体管封装，并采用PDMS制备液体测试腔。
8.根据权利要求7所述的离子敏场效应晶体管传感器的方法，其特征在于，在步骤S1中，所述WSe2纳米片层厚度为2nm-20nm。
9.根据权利要求7所述的离子敏场效应晶体管传感器的方法，其特征在于，在步骤S2中，制备漏源区是采用电子束光刻(EBL)技术在WSe2上制备，并采用蒸镀的方式蒸镀电极Cr/Au，其厚度为Cr：3-10nm，Au：45nm-100nm，随后进行lift-off处理。
10.根据权利要求7所述的离子敏场效应晶体管传感器的方法，其特征在于，在步骤S3中，所述氧化层为Al2O3或HfO2，其中Al2O3沉积温度为120-150℃，HfO2沉积温度为150-180℃，所述离子敏感氧化层的厚度为10nm～30nm。
11.根据权利要求7所述的离子敏场效应晶体管传感器的方法，其特征在于，在步骤S4中，所述退火处理具体为：在200-250℃的温度下Ar/H2(5％/95％)气氛中，退火1.5-2h。
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