[发明专利]一种薄膜场效应晶体管型气体传感器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种薄膜场效应晶体管(TFT)型气体传感器及其制备方法，其中该传感器为底栅顶接触式结构或底栅底接触式结构的薄膜场效应晶体管；以底栅顶接触式结构的薄膜场效应晶体管为例，该晶体管自下而上包括衬底、栅极绝缘层、沟道有源层，沟道有源层为量子点薄膜，其上方沉积有源电极和漏电极；衬底还引出有栅电极。本发明通过对薄膜场效应晶体管型气体传感器其内部组成及结构、相应制备方法的整体工艺及各个步骤的参数进行改进，以量子点薄膜同时作为沟道有源层和气体敏感层，利用栅极偏压的调控综合多参数的气体响应，制备出高灵敏、低功耗和高选择性气体传感器，达到检测低浓度目标气体如NO₂、H₂S的效果。

技术领域

本发明属于气体传感器技术领域，更具体地，涉及一种薄膜场效应晶体管型气体传感器及其制备方法，该薄膜场效应晶体管型气体传感器尤其是以量子点薄膜为沟道有源层和气体敏感层的薄膜场效应晶体管型气体传感器。

背景技术

传统的半导体气体传感器通常是基于气敏材料层(如SnO₂、ZnO、TiO₂等)与气体接触时电阻值的改变而达到气体探测的效果，具有测量方式简单、灵敏度高、响应快、操作方便、便携性好、成本低等特点，但该类气体传感器一般采用工艺成熟但体积相对较大的管式或是片式陶瓷基底，而且商用化传感器必须在较高的工作温度(200～600℃)下工作，功耗较高，降低了传感器的便携性和可集成度，而且还增加了安全隐患，使其进一步在智能物联网应用领域受到很大限制。近年来，随着微电子学的迅猛发展及其在传感器领域的应用，以场效应晶体管(FET)为基础的化学传感器已经成为该领域的一个研究热点，而薄膜场效应晶体管作为场效应晶体管的一大类，其沟道有源层为功能化的薄膜材料，可进一步通过真空蒸镀或者溅射工艺在有源层上沉积源漏电极便可形成场效应管器件，并不需要多重复杂的光刻掩膜工艺。总体来看，气体传感器的微型化、集成化及低功耗传感也成为了今后的发展趋势。

与简单的两端电阻式气体传感器相比，基于场效应管结构的气体传感器进一步利用第三端栅极对电流的显著调控作用，具有以下几个显著的优点：1)灵敏度更高，探测下限更低，可在室温下工作；2)利用场效应管的放大效应可将难以检测的高电阻变化转变为易于检测的电流值变化；3) 利用场效应管的多参数模式，如计算得到的电导率、迁移率、阈值电压、载流子浓度等可提高对目标气体的选择性；4)利用场效应管的栅极调控可进一步提高气体传感器的灵敏度。

目前，半导体金属氧化物因其制备简单、成本低廉、灵敏度高和寿命长等优势，依然是气体传感器领域应用最为广泛的。2012年，德国卡尔斯鲁厄理工学院纳米技术研究所首次报道关于氧化亚锡的薄膜场效应晶体管，利用简单的旋涂工艺制备的器件其迁移率可达0.13cm²V^-1s^-1，开关比为85，阈值电压为-1.9V，但是同时也需要较高的栅极电压(-50V以上) 和源漏电压(-90V)以及苛刻的实验环境(惰性氛围中测试)才能完全实现较高的迁移率；高迁移率所需满足的苛刻条件客观上也限制了其实现低功耗气体传感在实际应用中的发展，因此该现有技术也并未用于检测气体。

此外，专利CN201610237370.6公开了“一种提高场效应晶体管式气体传感器灵敏度的方法”，利用微机械移动的方式，把物理气相输运制备得到的单根酞菁铜纳米带放置在硅/二氧化硅上作为沟道气敏材料层，再用金片贴膜电极法制备源漏电极，并且同时把酞菁铜和宏观电极连接，把连在宏观电极的器件通过金丝球焊机连线技术连接到芯片上，最后利用栅极偏压的改变实现场效应管对NO₂气体的高灵敏检测。然而，这种基于微机械移动的制备工艺存在操作不便、器件成功率较低等问题；并且单根酞菁铜纳米线(高分子有机物)直接搭在绝缘层上面也有可能存在附着力不好、检测稳定性不佳、难以集成阵列化等问题。