一种具有复合绝缘结构的FET式气体传感器及其制备方法与流程

本发明是关于一种具有复合绝缘结构的fet式气体传感器及其制备方法，属于微电子学范畴的气体传感器领域。

背景技术：

在气体传感器的研究和应用中主要的有三个基本参数：灵敏度(sensitivity)、选择性(selectivity)和稳定性(stability)，通常人们习惯称为“3s”技术，其中灵敏度是最重要的参数之一，高的灵敏度是器件的可靠性、抗干扰能力等性能的保障，因此，提高场效应晶体管(fet)式气体传感器灵敏度在实际应用中至关重要。

近年来，fet式气体传感器由于具有电阻式气体传感器所不具备的一些优势，作为另一种半导体气敏装置而得以迅速发展。fet的特点在于除了可用源漏极区域调控电流之外，还可以由独立的第三端栅电极控制，在栅电极偏压的作用下，敏感半导体材料体内的载流子都被吸引到半导体与绝缘层之间的界面，形成仅有几个原子或分子层厚度的导电沟道，半导体中的载流子主要通过此导电沟道来实现源漏极区域间的迁移，因而与导电沟道相临的表面相对于半导体的其他表面对et式气体传感器性能有更大的影响，因此，fet式气体传感器在各种气体探测中广受关注。传统的固态绝缘层fet式气体传感器在不同气体的暴露中，主要引起阈值电压的偏移，研究发现在这种结构下，阈值电压附近可以得到最大的灵敏度。2004年，研究人员设计出新型fet式气体传感器，将空气、氮气等气体作为有机单晶fet的绝缘层，结果显示该新型fet式气体传感器显示出良好的fet性能。2013年，汤庆鑫课题组构筑了气体绝缘层型的cupc纳米带fet式气体传感器并用于检测so2气体，该fet式气体传感器与传统的固态绝缘层的fet式气体传感器相比，被测气体可以直接与导电沟道相互作用从而大大提高器件的灵敏度等性能，实验结果也显示该fet式气体传感器在被测气体中暴露时，阈值电压几乎不变而迁移率大大提高，引起灵敏度的提升。

虽然以上两种不同的fet式气体传感器气敏机理不同，但是均能够提高fet式气体传感器的灵敏度。然而到目前为止，还没有研究报道将两种fet式气体传感器结合进而能够提高灵敏度的fet式气体传感器。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够提高灵敏度的具有复合绝缘结构的fet式气体传感器及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种具有复合绝缘结构的fet式气体传感器，其特征在于，该fet式气体传感器包括栅电极、第一支撑层、第二支撑层、源极区域、漏极区域和微纳单晶半导体，其中，所述第一支撑层的宽度大于所述源极区域的宽度；所述栅电极顶部两侧分别固定设置所述第一支撑层和第二支撑层，所述第一支撑层顶部粘贴固定所述源极区域，所述第一支撑层与所述源极区域内端部不平齐，且所述第一支撑层内部长于所述源极区域的部分为固态绝缘层，所述源极区域底部内侧开设有第一凹槽；所述第二支撑层顶部粘贴固定所述漏极区域，所述第二支撑层与所述漏极区域内端部平齐，所述漏极区域底部内侧开设有第二凹槽；所述微纳单晶半导体固定设置在所述第一支撑层和第二支撑层顶部，且所述微纳单晶半导体的两端分别插设在所述第一凹槽和第二凹槽内，所述栅电极顶部、所述第一支撑层与第二支撑层之间的间隙以及所述微纳单晶半导体底部形成的空腔构成空气间隙绝缘层。

一种具有复合绝缘结构的fet式气体传感器，其特征在于，该fet式气体传感器包括栅电极、第一支撑层、第二支撑层、源极区域、漏极区域和微纳单晶半导体，其中，所述第一支撑层的宽度大于所述源极区域的宽度，所述第二支撑层的宽度大于所述漏极区域的宽度；所述栅电极顶部两侧分别固定设置所述第一支撑层和第二支撑层，所述第一支撑层顶部粘贴固定所述源极区域，所述第一支撑层与所述源极区域内端部不平齐，且所述第一支撑层内部长于所述源极区域的部分为固态绝缘层，所述源极区域底部内侧开设有第一凹槽；所述第二支撑层顶部粘贴固定所述漏极区域，所述第二支撑层与所述漏极区域内端部不平齐，且所述第二支撑层内部长于所述漏极区域的部分为固态绝缘层，所述漏极区域底部内侧开设有第三凹槽；所述微纳单晶半导体固定设置在所述第一支撑层和第二支撑层顶部，且所述微纳单晶半导体的两端分别插设在所述第一凹槽和第三凹槽内，所述栅电极顶部、所述第一支撑层与第二支撑层之间的间隙以及所述微纳单晶半导体底部形成的空腔构成空气间隙绝缘层。

优选地，所述栅电极采用导电衬底或顶部设置有导电材料的绝缘衬底。

优选地，所述微纳单晶半导体采用微纳单晶单根或微纳单晶多根材料，且所述微纳单晶半导体的直径为40～2000nm，所述微纳单晶半导体的长度大于50um。

优选地，所述第一支撑层和第二支撑层均采用聚甲基丙烯酸甲酯或氧化硅材料。

一种具有复合绝缘结构的fet式气体传感器的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

1)将栅电极进行清洗，并将有机绝缘材料溶解到溶剂中配置成支撑层溶液，且溶剂要求不能侵蚀栅电极；

2)将支撑层溶液滴加到栅电极顶部，通过旋涂机进行旋涂，并将旋涂后的栅电极放置在热板上进行烘干得到支撑层；

3)通过电子束曝光或光刻工艺将支撑层中部开设出导电沟道形成第一支撑层和第二支撑层；

4)采用机械探针移动工艺将微纳单晶半导体固定设置在导电沟道顶部的第一支撑层和第二支撑层内侧；

5)采用金片贴膜电极工艺制备源极区域和漏极区域，并将源极区域和漏极区域分别固定在第一支撑层和第二支撑层顶部。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明通过第一支撑层和第二支撑层、栅电极和微纳单晶半导体构成具有固体绝缘层和空气间隙绝缘层的复合绝缘结构，通过两种绝缘层能够进一步提高fet式气体传感器的灵敏度。2、本发明由于微纳单晶半导体的直径为40～2000nm，长度大于50um，因此导电沟道的长度能够制备的很长，进而能够提高本发明fet式气体传感器的气敏特性。3、相对于以往的fet式气体传感器，本发明的fet式气体传感器不再需要将第一支撑层和第二支撑层的外端部边缘与源极区域和漏极区域的外端部边缘保持严格齐整，减小了空气间隙绝缘层的器件构筑难度，可以广泛应用于气体传感器领域中。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图；

图2是本发明实施例2的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅仅是用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

实施例1：

如图1所示，本发明提供的具有复合绝缘结构的fet式气体传感器，包括栅电极1、第一支撑层2、第二支撑层3、源极区域4、漏极区域5和微纳单晶半导体6，其中，第一支撑层2的宽度大于源极区域4的宽度。

栅电极1顶部两侧分别固定设置第一支撑层2和第二支撑层3，第一支撑层2顶部粘贴固定源极区域4，第一支撑层2与源极区域4内端部不平齐，且第一支撑层2内部长于源极区域4的部分为固态绝缘层7，源极区域4底部内侧开设有第一凹槽。第二支撑层3顶部粘贴固定漏极区域5，第二支撑层3与漏极区域5内端部平齐，漏极区域5底部内侧开设有第二凹槽。微纳单晶半导体6固定设置在第一支撑层2和第二支撑层3顶部，且微纳单晶半导体6的两端分别插设在第一凹槽和第二凹槽内，栅电极1顶部、第一支撑层2与第二支撑层3之间的间隙以及微纳单晶半导体6底部形成的空腔构成空气间隙绝缘层8。

实施例2：

如图2所示，本实施例与实施例1的结构基本相同，不同的是本实施例的第二支撑层3的宽度大于漏极区域5的宽度，第二支撑层3与漏极区域5内端部不平齐，第一支撑层2内部长于源极区域4的部分和第二支撑层3内部长于漏极区域5的部分均为固态绝缘层7，栅电极1顶部、第一支撑层2与第二支撑层3之间的间隙以及微纳单晶半导体6底部形成的空腔构成空气间隙绝缘层8。

上述各实施例中，栅电极1可以采用导电衬底或顶部设置有导电材料的绝缘衬底。

上述各实施例中，微纳单晶半导体6可以采用微纳单晶单根或微纳单晶多根材料，且微纳单晶半导体6的直径为40～2000nm，微纳单晶半导体6的长度大于50um。

上述各实施例中，第一支撑层2和第二支撑层3均可以采用聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)或氧化硅(sio2)材料。

下面通过具体实施例详细说明本发明具有复合绝缘结构的fet式气体传感器的制备方法：

1)将栅电极1进行清洗，并将有机绝缘材料，即：聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、聚二甲基硅氧烷(pdms)或其他型号的如az系列等光刻胶，溶解到溶剂(丙酮、茴香醚、四氢呋喃或二甲基甲酰胺等)中配置成支撑层溶液，且溶剂要求不能侵蚀栅电极1。

2)将配置好的支撑层溶液滴加到栅电极1顶部，通过旋涂机进行旋涂，并将旋涂后的栅电极1放置在热板上进行烘干得到支撑层，其中，旋涂机的旋转速度、旋涂时间、旋涂次数以及热板的烘烤温度和烘烤时间可以根据实际需要进行设定。

3)烘干后支撑层的厚度可以为100～500nm，通过电子束曝光或光刻工艺将支撑层中部开设出宽度为5～10um的导电沟道形成第一支撑层2和第二支撑层3。

4)选择直径为40～2000nm的微纳单晶半导体6，采用机械探针移动工艺将微纳单晶半导体6固定设置在导电沟道顶部的第一支撑层2和第二支撑层3内侧，其中，微纳单晶半导体6的直径就是导电沟道的长度。

5)采用金片贴膜电极工艺制备源极区域4和漏极区域5，并将源极区域4和漏极区域5分别粘贴固定在第一支撑层2和第二支撑层3顶部构成本发明的fet式气体传感器，通过制备不同宽度和位置的导电沟道进而得到实施例1或实施例2两种不同的fet式气体传感器。

下面通过具体实施例详细本发明具有复合绝缘结构的fet式气体传感器的使用方法：

1)将本发明的fet式气体传感器制备完成后连接到气敏测试腔体内。

2)通过空气间隙绝缘层8，气体分子可以直接吸附到第一支撑层2和第二支撑层3之间的导电沟道上，气体分子在导电沟道的吸附导致微纳单晶半导体6的导电率发生显著的变化，这主要是因为气体吸附影响气敏材料的浅缺陷密度。

3)气体分子还可以吸附到固态绝缘层7上，气体分子在固态绝缘层7的吸附同样能够导致微纳单晶半导体6的导电率发生显著的变化，这主要是因为气体分子的吸附影响气敏材料的深缺陷密度进而引起阈值电压的漂移。

4)通过上述两种导电率的显著变化使本发明的fet式气体传感器显示出相对于普通绝缘层气体传感器更高的灵敏度。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。