[发明专利]一种全环绕沟道场效应晶体管、制备方法及应用

说明书

本发明公开一种全环绕沟道场效应晶体管，包括衬底，所述衬底表面设置有悬空高导电性微米或纳米线状材料作为栅，所述栅的外层依次设有介质层和气体敏感层；所述栅的一端和外层气体敏感层两端分别沉积金属电极用于连接外部测试电路。本发明适用范围广，可定位可集成的CAA背栅场效应晶体管并用于气体传感器领域，改善气体传感器的气敏性能。

技术领域

本发明涉及一种全环绕沟道场效应晶体管传感器技术领域，具体涉及到全环绕沟道场效应晶体管的结构及气体传感应用。可广泛应用于半导体微纳电子器件，尤其针对柔性/可穿戴电子和场效应化学气体传感器件。

背景技术

气体传感器是实时、原位获取气体信息的最有效途径之一，在环境保护和安防报警等领域发挥着不可替代的重要作用。当前，随着物联网市场的快速发展，对低成本和可集成的气体传感器需求显著增加，但是很多类型的气体传感器受限于灵敏度、集成度以及功耗，难以提高多组分复杂气氛环境适用性与可靠性。近期，基于场效应晶体管（FET）的气体传感器在高灵敏及紧凑集成传感器方面提供了极大的优势而成为了气体传感器领域研究热点之一，其主要优势为：该类型的传感器可在小电流、低电压工作条件下运行，利于阵列集成化；通过施加栅极电压，即可实现对沟道电流的进行大幅调制，因此当在亚阈值区操控传感器时，可通过电导的改变显著提升灵敏度。

目前，基于场效应晶体管的气体传感器有很多，大部分是基于背栅结构的气体传感器，其中敏感材料的种类有很多包括半导体纳米线（David K. Kim et al, ACS NANO,2011, 5(12): 10074-10083；Xuming Zou et al, Nano Lett. 2013, 13: 3287-3292），有机材料（Shijiao Han et al, Sensors and Actuators B: Chemical, 2014, 203: 9-16;Jingjing Lu et al, Adv. Funct. Mater. 2017, 27: 1700018）,各种异质结敏感材料（Hongyu Tang et al, ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11: 40850-40859）。然而，背栅场效应晶体管气体传感器主要存在以下问题：（1）共用的大面积背栅电极无法精确调控指定的沟道，即一个栅电极调控整个平面上的所有FET器件；（2）由于敏感材料大多都依附于衬底材料，使得气体分子与敏感材料的接触面积较小，气敏性能大大降低，此外，材料和衬底依附后有可能会吸附上衬底上的杂质及电荷，严重影响气敏性能。

因此，亟需开发一种栅控可精确定位、敏感材料可与气体分子最大面积接触且利于集成的高气敏性能的场效应晶体管传感器。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题与不足，本发明提供一种场效应最佳效果、适用范围广，可定位可集成的CAA背栅场效应晶体管并用于气体传感器领域，改善气体传感器的气敏性能。

技术方案：一种全环绕沟道场效应晶体管，包括衬底，其特征在于：所述衬底表面设置有悬空高导电性微米或纳米线状材料作为栅，所述栅的外层依次设有介质层和气体敏感层；所述外层气体敏感层的两端及栅的至少一端沉积有金属电极用于连接外部测试电路。

本发明进一步限定的技术方案为：所述衬底上设有凹槽，所述栅悬空于所述衬底凹槽上方，其两端分别延伸至所述凹槽两侧衬底台阶上；至少栅的一端沉积有栅电极引出层，所述栅电极引出层上及栅的外层依次设有介质层和气体敏感层；位于所述栅两端的气体敏感层上分别沉积有源漏电极层。

作为优选，所述高导电性微米或纳米线状材料为重掺杂硅纳米线、金属掺杂硅纳米线、银纳米线、铜纳米线、金纳米棒或合金纳米线。

作为优选，所述衬底材料为氮化硅、氧化硅或聚合物材料如聚酰亚胺，聚对苯二甲酸乙二酯，聚二甲基硅氧烷等。

作为优选，所述介质层材料为氧化硅、氧化铪、氧化铝或氮化硅。

作为优选，所述气体敏感层为金属氧化物、异质结材料、二维材料或有机材料。