[发明专利]基于高性能电极的硅纳米线阵列基气体传感器及其制备方法

说明书

本发明公开基于高性能电极的硅纳米线阵列基气体传感器及其制备方法，通过刻蚀法在硅片表面制备垂直于硅片表面的硅纳米线阵列，在硅纳米线阵列顶端设置旋涂层，并在旋涂层上设置欧姆接触的电极，旋涂层为氧化亚铜层。在有序硅纳米线阵列顶端形成Cu₂O涂层互联结构，与在旋涂层上设置欧姆接触的电极，共同构成硅纳米线阵列传感器的顶端电极，通过Cu₂O涂层互联结构引出所有硅纳米线的气敏响应信号。本发明的涂层电极结构在保证气体向纳米线阵列内部扩散的同时，可以有效引出几乎所有硅纳米线的气敏响应信号，显著提升传感器的响应灵敏度。

技术领域

本发明属于纳米气体传感器领域，更加具体地说，涉及基于高性能电极的硅纳米线阵列基气体传感器及其制备方法，该电极制备方法操作简单，基于该发明公开的方法形成的电极结构可显著提升有序硅纳米线阵列传感器的响应灵敏度，同时形成的硅纳米线阵列气体传感器可在室温下表现出极佳的性能稳定性。

背景技术

当下，环境污染问题日益突出，工业化的快速发展伴生了大量有毒有害气体(如NO₂、NO、H₂S、CO、SO₂等等)的产生和排放，不仅严重污染了环境，而且对人类健康造成明显威胁。例如，由燃烧和汽车尾气排放等产生的NO_x类有毒气体可形成酸雨腐蚀建筑物和皮肤，而且可形成化学烟雾，引发人体呼吸道疾病。对各类毒性危险性微量气体的高灵敏探测依赖于具有高灵敏度高稳定性高可靠性的各类气体传感器的研究与发展。近年来，随着纳米技术的发展和向传感领域的渗透，一维半导体纳米线在气体传感器中的应用备受关注，其作为传感器敏感元在获得高的灵敏度和好的动态性能方面极具优势。在各类半导体纳米线中，硅基纳米线尤其引人注意。基于化学刻蚀单晶硅基片形成的有序硅纳米线阵列应用于气体传感器具有硅纳米线的刻蚀制备工艺与现有的半导体加工技术高度兼容的突出优点，同时，基于化学刻蚀形成的硅纳米线阵列基气体传感器可与各种硅基CMOS器件和电路形成硅基同质集成。基于有序硅纳米线阵列结构的传感器件的制作的主要工艺难点在于电极结构的合理设计和工艺实现。如何在有序硅纳米线顶端形成一种电极结构，在不影响气体向纳米线阵列内部扩散的前提下，保证器件电学响应信号的稳定、有效引出是传感器获得高的灵敏度和稳定性的关键。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供基于高性能电极的硅纳米线阵列基气体传感器及其制备方法，利用该方法可在硅纳米线顶端形成一种基于Cu₂O“焊接”互联(即涂层互联)的新型电极结构，进一步制作铂引出电极后形成的新颖的电极结构具有极高的结构稳定性并能与纳米线直接保持可靠地电学接触稳定性，使形成的传感器具有高的性能稳定性，可有效抵抗环境气氛、湿度变化、甚至机械振动对传感器输出信号的稳定性的影响；同时该种“焊接”互联电极结构在保证气体向纳米线阵列内部扩散的同时，可以有效引出几乎所有硅纳米线的气敏响应信号，显著提升传感器的响应灵敏度。

本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现。

基于高性能电极的硅纳米线阵列基气体传感器，包括硅片、硅纳米线阵列以及电极，以硅片为基底，通过刻蚀法在硅片表面制备垂直于硅片表面的硅纳米线阵列，在硅纳米线阵列顶端设置旋涂层，并在旋涂层上设置欧姆接触的电极，旋涂层为氧化亚铜层。

在上述技术方案中，将旋涂溶液滴加到带有硅纳米线阵列的硅片表面上，利用匀胶机的旋转以在硅纳米线阵列表面形成旋涂层，旋涂溶液为硫酸铜和氢氟酸的水溶液中，氢氟酸浓度为1-3M，硫酸铜浓度为0.004-0.02M，优选氢氟酸浓度为1-3M，硫酸铜浓度为0.006-0.012M。

在上述技术方案中，在有序硅纳米线阵列顶端形成Cu₂O涂层互联结构，与在旋涂层上设置欧姆接触的电极，共同构成硅纳米线阵列传感器的顶端电极，通过Cu₂O涂层互联结构引出所有硅纳米线的气敏响应信号。

上述气体传感器的制备方法，按照下述步骤进行：