[发明专利]一种具有气体传感功能的二维材料源跟随器

说明书

本发明涉及一种具有气体传感功能的二维材料源跟随器。现有产品在传感器与IC的互连中，易产生寄生效应，对传感信号产生影响。本发明包括两个用二维材料WS₂制作的晶体管，其中M1当作气体传感器，M1的漏极接电源电压，栅极接基准电压，使M1工作在饱和区，M1的源极接M2的漏极，M2的栅极接基准电压，使第二NMOS管M2工作在饱和区，M2的源极接地，M2的漏极接输出，将第二NMOS管M2用绝缘材料覆盖住。本发明采用的是二维材料WS₂制成的晶体管，将传感器与信号处理电路集成在一个晶圆上的器件结构，将气体传感器和信号处理电路设计在同一块Wafer上，不仅使器件结构更紧凑，也大大提高了传感性能。

技术领域

本发明属于电子器件与气体传感领域，具体涉及一种具有气体传感功能的二维材料源跟随器。

背景技术

在传统的集成电路制造工艺中，通常采用硅及掺杂硅等材料来制造晶体管，相关工艺比较成熟，但是硅材料晶体管的电学性能远比不上用二维材料(例如石墨烯或过渡金属二硫化物(TMD))制作的晶体管，目前，这种基于二维材料的晶体管由于材料的难获取、制备难度高等原因，未能实现复杂集成电路系统。

对于现有的气体传感器来说，大部分的半导体气体传感器采用的半导体材料多是硅以及III-V族和II-VI族元素化合物，其吸附气体的性能与采用二维材料的半导体气体传感器有一定差异。由于二维材料有独特的网络结构，和较大的表体积比，它对气体的吸附更加灵敏。例如石墨烯制备的气体传感器，它能探测出浓度低于10ppb的NO₂(二氧化氮)及NH₃(氨气)，而且灵敏度比传统硅材料高十几倍。

对于现有的传感模块来说，都是传感器芯片与信号处理的集成电路模块分开的，传感器芯片先在单独的Wafer上制作完成，然后通过Wire Bonding将芯片与信号处理IC连接在一起，IC的制造为传统的硅半导体工艺。传感器芯片与IC要单独设计加工，在传感器与IC的互连中，容易产生不必要的寄生效应，例如寄生电阻、寄生电容等，对传感信号产生影响。而且，从传感器得出的信号没有很好地优化，这就加大了外围电路对传感器信号处理的难度。

对于现有的IC设计，从传感器获得的电信号需要经过放大器的放大才能得到我们想要的信号以驱动负载。在一定范围的电源电压下，要获得高的电压增益，负载阻抗必须尽可能大，若要让信号损失小到可以忽略不计，就需要在放大器前端加一个缓冲器，源跟随器就起到了电压缓冲的作用。源跟随器也可以作为各级之间的缓冲器，作用为减少信号在各级传输中的消耗，避免信号消耗在负载阻抗低的放大器上。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的缺点，提供了一种具有气体传感功能的二维材料源跟随器。

传统的大部分半导体气体传感器采用电阻式的，采用的是硅材料，本发明采用的是二维材料WS₂制成的晶体管。本发明将传感器与信号处理电路集成在一个晶圆上的器件结构，将气体传感器和信号处理电路设计在同一块Wafer上，使用二维材料，例如石墨烯或过渡金属二硫化物(TMD)，这不仅提高了结构的优化，也增加了性能的优化。具体是设计一种具有传感功能的二维材料源跟随器，将电路中的部分晶体管作为气体传感器，这样的一个或几个晶体管即气体传感器，成为电路系统中的一个可变单元，从而实现传感识别功能。